Hochfester Edelstahl für die Luftfahrt

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Edelstahl mit einer Zugfestigkeit von über 800 MPa und einer Streckgrenze von über 500 MPa wird üblicherweise als hochfester Edelstahl bezeichnet, Edelstahl mit einer Streckgrenze von über 1380 MPa als ultrahochfester Edelstahl. Die Entwicklung der Luftfahrtindustrie hat gezeigt, dass die Verbesserung der Leistung von Flugzeugen und Triebwerken weitgehend von Metallmaterialien abhängt. Aufgrund der hohen Festigkeit, Zähigkeit, Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit und guten Schlagfestigkeit von Stahl werden einige wichtige Strukturkomponenten von Flugzeugen wie Fahrwerke, Träger, hochbelastete Verbindungen, Befestigungselemente und andere hochfeste Edelstahlsorten immer noch verwendet.

Zu hochfestem Edelstahl gehören hauptsächlich martensitisch ausgehärteter Edelstahl und halbaustenitisch ausgehärteter Edelstahl. Die Festigkeit von martensitisch ausgehärtetem Edelstahl wird durch Martensitumwandlung und Ausscheidungshärtung erreicht. Der Vorteil liegt in der hohen Festigkeit. Gleichzeitig ist seine Korrosionsbeständigkeit aufgrund des geringen Kohlenstoff-, Chrom-, Molybdän- und/oder Kupfergehalts im Allgemeinen nicht geringer als die von austenitischem Edelstahl 18Cr-8Ni. Er ist frei schneidbar, gut schweißbar, benötigt nach dem Schweißen kein lokales Glühen, der Wärmebehandlungsprozess ist relativ einfach. Der Hauptnachteil besteht darin, dass seine Struktur selbst im geglühten Zustand immer noch kohlenstoffarmer Martensit ist, sodass eine tiefe Kaltverformung schwierig ist. Die typische Stahlsorte ist 17-4PH und PH13-8Mo, das zur Herstellung hochfester, korrosionsbeständiger Lagerkomponenten wie Motorlagerteilen, Befestigungselementen usw. verwendet wird, die bei 400 °C arbeiten. PH13-8Mo wird häufig in korrosionsbeständigen Strukturteilen für Lager in der Luftfahrt für mittlere Temperaturen verwendet.

Der halbaustenitische, ausscheidungsgehärtete Edelstahl kann im austenitischen Zustand bearbeitet, kalt verformt und geschweißt werden. Anschließend können die Martensitumwandlung und die Ausscheidungshärtung durch Anpassung der Alterung gesteuert werden, um unterschiedliche Festigkeiten und Zähigkeitskoordinationen zu erzielen. Der Stahl weist eine gute Korrosionsbeständigkeit und Wärmefestigkeit auf, insbesondere Spannungskorrosionsbeständigkeit, und eignet sich besonders für die Herstellung von Teilen, die bei Temperaturen unter 540 °C verwendet werden. Der Nachteil besteht darin, dass der Wärmebehandlungsprozess komplex ist und die Anforderungen an die Temperaturregelung der Wärmebehandlung sehr genau sind (±5 °C). Die Kaltverfestigungstendenz von Stahl ist groß und für die Kaltverformung mit tiefer Verformung sind häufig viele Zwischenglühzeiten erforderlich. Typische Güten sind 17-7PH, PH15-7Mo usw. Diese Stahlsorte wird hauptsächlich in der Luftfahrtindustrie verwendet, um bei Temperaturen unter 400 °C an korrosionsbeständigen Strukturen zu arbeiten, wie beispielsweise an allen Arten von Rohren, Rohrverbindungen, Federn, Befestigungselementen usw.

 

Flugzeugfahrwerk

Die für den Bau von Flugzeugfahrwerken verwendeten Materialien sind 30CrMnSiNi2A, 4340, 300M, Aermet100 und andere Flugzeugfahrwerke und Befestigungselemente mit höheren Anforderungen bestehen meist aus ausscheidungsgehärtetem Edelstahl, wie 17-4PH für DAS Fahrwerk der F-15-Flugzeuge, 15-5pH für das Fahrwerk der B-767-Flugzeuge. PH13-8mo-Stahl hat das Potenzial, 17-4PH zu ersetzen, 15-5PH, 17-7PH, PH15-7Mo und andere Stähle aufgrund seiner besseren Spannungskorrosionsbeständigkeit als ausscheidungsgehärteter Edelstahl der gleichen Güteklasse.

Das Gleitlager

Das deutsche Unternehmen FAG hat den stickstoffhaltigen martensitischen Edelstahl Cronidur30 (0.31%C-0.38%N-15% Cr-L %Mo) entwickelt, der im PESR-Verfahren durch Elektroschlacke-Umschmelzen unter Stickstoffatmosphäre mit hohem Druck hergestellt wird. Es handelt sich um einen hochtemperaturbeständigen Edelstahl mit hohem Stickstoffgehalt, der vollständig gehärtet ist und korrosionsbeständiger als SUS440 ist. Aufgrund seiner Eigenschaften als vollständig gehärteter Typ ist er nicht für hohe DN-Werte (D: Lagerinnendurchmesser/mm, N: Wellenumdrehung/mm) geeignet. Derselbe Cronidur30 kann durch Hochfrequenzabschrecken gleichzeitig die Restdruckspannung und die Bruchzähigkeit von DN4 Millionen erreichen. Da die Anlasstemperatur jedoch unter 150 °C liegt, kann er dem Anstieg der Lagertemperatur durch Thermoschock nach dem Abschalten des Motors nicht standhalten.

Tragstrukturbauteile für Flugzeuge

Hochfester Edelstahl in der Tragstruktur von Flugzeugen wird hauptsächlich 15-5PH, 17-4PH, PH13-8Mo usw., einschließlich Lukendeckelriegel, hochfester Bolzen, Feder und andere Teile. Zivilflugzeuge verwenden solchen hochfesten rostfreien Stahl für Tragflächenholme, wie beispielsweise 15-5PH-Stahl für die Tragflächenholme der Boeing 737-600; PH13-8Mo-Stahl für die Tragflächenholme des Typs A340-300. Ph13-8Mo wird für Teile verwendet, die eine hohe Festigkeit und Zähigkeit erfordern, insbesondere für die Querleistung, wie beispielsweise Rumpfrahmen. In jüngerer Zeit wurde Custom465 aufgrund seiner erhöhten Zähigkeit und Spannungskorrosionsbeständigkeit getestet. Custom465 wurde von Carpenter auf der Grundlage von Custom450 und Custom455 für die Herstellung von Klappenführungen, Vorflügelführungen, Getrieben, Motoraufhängungen usw. für Flugzeuge entwickelt. Der Stahl ist gegenwärtig in den technischen Spezifikationen MMPDS-02, AMS5936 und ASTM A564 enthalten. Zur Herstellung der Flugzeugstruktur wird hochfester Edelstahl HSL180 (0,21C-12,5Cr-1,0Ni-15,5Co-2,0Mo) verwendet, der mit 1800 MPa die gleiche Festigkeit wie niedrig legierter Stahl (z. B. 4340) und die gleiche Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit wie ausscheidungsgehärteter Edelstahl (z. B. SUS630) aufweist.

 

Warum wird in Kühlwassersystemen von Kernkraftwerken Duplex-Edelstahl verwendet?

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Als saubere Energiequelle trägt die Kernenergie wesentlich zur weltweiten Reduzierung der CO2-Emissionen bei. Das Kühlwasserleitungssystem ist der Schlüssel zum sicheren Betrieb eines Kernkraftwerks. Es besteht aus Tausenden von Metern Rohren mit unterschiedlichen Durchmessern und Größen. Es sorgt für eine zuverlässige Wasserversorgung zur Kühlung der Anlagenausrüstung. Das nicht sicherheitsrelevante Rohrleitungssystem muss genügend Kühlwasser zur Kühlung der Anlage liefern, während das Sicherheitssystem genügend Kühlwasser liefern muss, um den Reaktor unter Kontrolle zu bringen und ihn im Notfall sicher abzuschalten.

Diese Rohrmaterialien müssen während der gesamten Lebensdauer der Anlage gegen Kühlwasserkorrosion beständig sein. Je nach Standort der Anlage kann die Art des Kühlwassers von relativ sauberem Süßwasser bis hin zu verunreinigtem Meerwasser reichen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass mit zunehmendem Alter der Systeme eine Vielzahl von Korrosionsproblemen und Korrosion unterschiedlichen Ausmaßes auftreten können, die das System beschädigen und verhindern, dass es das erforderliche Kühlwasser liefert.

Probleme mit Kühlwasserleitungen hängen häufig mit den Materialien und ihren Wechselwirkungen mit Kühlwasser zusammen. Leckagen durch Verschmutzung (Verstopfung) und Korrosion des Systems sind die häufigsten Probleme, darunter Sedimentablagerungen, biologische Anhaftungen im Meer (Biofouling), Ansammlungen von Korrosionsprodukten und Verstopfungen durch Fremdkörper. Leckagen werden in der Regel durch mikrobielle Korrosion (MIC) verursacht, eine sehr korrosive Korrosion, die durch bestimmte Mikroorganismen im Wasser verursacht wird. Diese Form der Korrosion tritt häufig bei Kohlenstoffstahl und niedrig legiertem Edelstahl auf.

Edelstahl gilt seit langem als praktikable Option für den Bau neuer Wasserversorgungsrohrleitungssysteme und für die Reparatur oder den Austausch bestehender Kohlenstoffstahlsysteme. Der für Rohrleitungsmodernisierungslösungen häufig verwendete Edelstahl ist 304L, 316L oder 6%-Mo. 316L und 6%-Mo Edelstahl weisen große Unterschiede in Leistung und Preis auf. Wenn das Kühlmedium unbehandeltes Wasser ist, das stark korrosiv ist und ein Risiko mikrobieller Korrosion birgt, sind 304L und 316L keine geeignete Wahl. Infolgedessen mussten Kernkraftwerke auf 6%-Mo Edelstahl umsteigen oder die hohen Wartungskosten von Kohlenstoffstahlsystemen in Kauf nehmen. Einige Kernkraftwerke verwenden aufgrund der geringeren Anschaffungskosten immer noch Kohlenstoffstahl-Auskleidungsrohre. Gemäß ASTM A240 werden industrielle Wasserversorgungsrohrleitungssysteme häufig aus dem folgenden Edelstahl hergestellt:

Noten UNS C N Cr Ni Mo Cu
304L S30403 0.03 / 18.0-20.0 8.0-12.0 / /
316L S31603 0.03 / 16.0-18.0 10.0-14.0 2.0-3.0 /
6%Mo N08367 0.03 0.18-0.25 20.0-22.0 23.0-25.0 6.0-7.0 0.75
2205 S32205 0.03 0.14-0.2 22.0-23.0 4.5-6.5 3.0-3.5 /

Der Duplex-Edelstahl 2205 erwies sich als ausgezeichnete Wahl. Das Kernkraftwerk Catawba von Duke Power in South Carolina ist das erste Kernkraftwerk, das in seinen Systemen Dualphasen-Edelstahl 2205 (UNS S32205) verwendet. Diese Güte enthält etwa 3,2% Molybdän und weist eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit und eine deutlich bessere mikrobielle Korrosionsbeständigkeit auf als die Edelstahlsorten 304L und 316L.

Die Kohlenstoffstahl-Auskleidungsrohre im oberirdischen Teil des Rohrleitungssystems, das das Versorgungswasser zum Kühlturm des Hauptkondensators leitet, wurden durch 2205-Duplex-Edelstahlrohre ersetzt.

Der neue Ersatz 2205 Duplex-Edelstahlrohr wurde 2002 installiert. Das Rohr ist 60 Meter lang, hat einen Durchmesser von 76,2 cm und 91,4 cm und eine Wandstärke von 0,95 cm. Das System ist gemäß ASME B31.1 Power Piping spezifiziert, einem der Managementcodes für die sichere Verwendung von Kraftwerksrohrsystemen, der weltweit weit verbreitet ist. Nach 500 Betriebstagen wurde das System gründlich überprüft. Bei der Überprüfung wurden weder Ablagerungen noch Korrosion festgestellt. 2205 Duplex-Edelstahl hat sehr gut funktioniert. 2205 Edelstahlrohre haben seit ihrer Installation mehr als ein Jahrzehnt lang gute Leistungen erbracht. Basierend auf dieser Erfahrung hat Duke Power 2205 Duplex-Edelstahlrohre in anderen Teilen seines Systems.

Innenansicht des Rohrs 2205 nach 500 Tagen Nutzung.

 

Konstrukteure von Wassersystemen für Kernkraftwerke haben nun eine weitere Option, wenn es um die Auswahl von Rohrmaterialien für korrosionsbeständiges Kühlwasser geht. Der erfolgreiche Einsatz von Duplex-Edelstahl 2205 kann Wartungskosten senken, Ausfallzeiten verkürzen und die Betriebssicherheit von Kernkraftwerken gewährleisten.

Was ist DSS?

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DSS, die Abkürzung für Duplex-Edelstahl, ist eine Klassifizierung von rostfreiem Stahl, der aus zwei Stahlsorten besteht, wobei der mittlere entweder aus austenitischem oder aus eisenhaltigem Material besteht. Diese Stähle werden auch als Duplex-Stahl bezeichnet, da ihre chemische Struktur zwei unterschiedliche Phasen aufweist, die beide üblicherweise durch Martensit dargestellt werden. Diese Stähle sind sehr nützlich für Anwendungen, die extreme Zähigkeit erfordern, da die beiden Phasen bei hohen Temperaturen und Drücken zusammen eingesetzt werden können. Der Duplex-Edelstahl kann aufgrund der Anwesenheit erheblicher Mengen an Restaustenit sowohl in seiner austenitischen als auch in seiner martensitischen Phase eine ausreichende Härte erreichen. Die häufig verwendeten DSS-Qualitäten sind S31803, S32750 und SS32550.

Die Duplex-Edelstahlsorten

Typ UNS Schweden Deutsch Frankreich Japan
Niedrig legierten UN23 (SAF2304) SS232 (SAF2304) W.Nr.1.4362 UR35N DP11
Mittlere Legierung UNS S31500

UNS S31803

 SS2376 (3RE60)

SS2377 (SAF2205)

 W.Nr.1.4417

W.Nr.1.4462

 UR45N DP1

DP8
Hochlegiert UNS S32900

UNS S31260

 SS2324 (10RE51) W.Nr.1.4460

W.Nr.1.4501

   329J1

329J2L
Super Duplex UNS S32750

UNS S32550

 SS2328 (SAF2507) W.Nr.1.4410

W.Nr.1.4507

 UR47N+

UR52N+

  

 

Neben der Legierung selbst ist der Nickelgehalt ein weiterer wichtiger Faktor, der zu ihrer Korrosionsbeständigkeit beiträgt. Nickel ist in den meisten Legierungen in höheren Prozentsätzen enthalten, was es zu einem äußerst nützlichen Bestandteil macht. Im Vergleich zu Nickel, das aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit und der Fähigkeit, hochwertige Legierungen zu bilden, häufig in Hochleistungslegierungen verwendet wird, wird Nickel bei der Herstellung von hochwertigem Duplex-Edelstahl nicht so häufig verwendet. Einer der interessantesten Aspekte von Nickellegierungen ist ihre Korrosionsbeständigkeit, die sie zur besten Alternative für Hochleistungsmaterialien macht. Wenn Nickel mit Stahl vermischt wird, entsteht eine stabilere Legierung, die die Verschleißfestigkeit und mechanische Festigkeit der Legierung erhöhen kann.

Eine weitere wichtige Eigenschaft dieser Legierung ist ihre hohe Wärmeausdehnungsbeständigkeit. Aufgrund ihrer überlegenen mechanischen Eigenschaften weist sie trotz der Ausdehnungsbeständigkeit von austenitischem Edelstahl eine hohe Wärmeausdehnungsbeständigkeit auf. Diese Eigenschaft verleiht ihr einen hervorragenden Korrosionsschutz, insbesondere während des Anlass-/Fleckenentfernungszyklus. Die hervorragende Korrosionsbeständigkeit von Duplex-Edelstahl ermöglicht es ihm, einer Vielzahl von Chemikalien standzuhalten. Er weist außerdem eine hohe Beständigkeit gegenüber Öl, Fett und anderen Flüssigkeiten mit hoher Viskosität auf.

Abgesehen von den oben genannten Eigenschaften ist Duplex-Edelstahl auch wegen seiner hohen Festigkeit und Haltbarkeit beliebt. Seine hohe Festigkeit von bis zu 300 kg wird durch die Fähigkeit erreicht, zweidirektionale Dornwalzen zu verwenden. Er besteht aus einer harten Kohlenstofffaser, die in Streifen gerollt wird, die auf beiden Seiten miteinander verflochten sind und mit einem Dorn zu einem Stab geformt werden. Ein weiteres Merkmal, das ihn zu einer hervorragenden Legierung macht, ist seine vollkommen glatte Oberfläche ohne Rillen.

Einer der wichtigsten Faktoren, die zur Haltbarkeit von Duplex-Edelstählen beitragen, ist ihre geringe Lochkorrosionsbeständigkeit. Diese Stähle weisen eine geringe Bildung von kristallinen Körnern in der heißen Legierung auf. Sie können zum Bau großer und kleiner Strukturen in verschiedenen Industriezweigen verwendet werden. Aufgrund ihrer Beständigkeit gegen kristalline Körner werden sie in der Bauindustrie sehr geschätzt.

Die mechanischen Eigenschaften von Duplex-Edelstahl bieten eine Reihe von Vorteilen, die ihn zu einer ausgezeichneten Wahl für eine breite Palette von Anwendungen machen. Diese Eigenschaften ermöglichen den Einsatz dieser Stähle für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter den Bau von Feinmechanikkomponenten, Wärmetauschern und Blechbearbeitung. Einige weitere wichtige Eigenschaften dieser Art von Legierung sind hohe Hitzebeständigkeit, geringe Dichte und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Sie bieten auch eine Reihe mechanischer Eigenschaften, die zu den Gesamteigenschaften der Legierung beitragen. Dazu gehören extreme Härte, Zähigkeit, chemische Beständigkeit und Kriechfestigkeit.

Nickel-austenitische Edelstahlsorten

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Nickel ist bekanntermaßen ein teures Legierungselement und ist in einigen Anwendungen unverzichtbar, in denen sowohl Spannungskorrosionsbeständigkeit als auch Austenitstruktur erforderlich sind. Beispielsweise ist Kriechfestigkeit in Hochtemperaturumgebungen wichtig, in denen austenitische rostfreier Stahl werden benötigt. Ähnlich wie bei den traditionellen austenitischen rostfreien Stählen ist die Zwillingsgrenze aufgrund der geringeren Stapelfehlerenergie ein wichtiges Merkmal der nickelreichen austenitischen rostfreien Stähle. Austenitische rostfreie Stähle neigen zu Spannungsrisskorrosion (SCC). Die Spannungskorrosionsbeständigkeit wird jedoch erheblich verbessert, wenn der Nickelgehalt 20% übersteigt. Die Wirkung von Nickel auf die Spannungsintensität der Spannungskorrosionsschwelle (105℃, 22% NaCl-Wasserlösung) in Fe-Ni-Cr-Legierungen mit 16%~21% Chrom wird untersucht. Nickelreicher austenitischer rostfreier Stahl (NiASS) kann als separate Klasse von rostfreiem Stahl betrachtet werden. Tatsächlich ist die Spannungskorrosionsbeständigkeit von biphasischen und ferritischen rostfreien Stählen mit der von biphasischen und ferritischen rostfreien Stählen vergleichbar, wenn der Nickelgehalt 30% übersteigt. Mehrere begrenzte Sorten von nickelreichen austenitischen rostfreier Stahl sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Die superaustenitischen rostfreien Stähle 254SMO und 654SMO sind speziell für die Öl- und Gasindustrie konzipiert. Typische Anwendungen sind Meerwasserkühlung, Zellstoffbleiche sowie hydraulische und instrumentelle Rohrleitungsausrüstung.

 

Ni-Austenitische rostfreie Stahlsorten

Legierung C Si Mn Cr Ni Mo B Co Cu Nr. N
254SMo 0.01 0.8 1.0 20 18 6.1 0.7 0.2
654SMo 0.01 3.5 24 22 7.3 0.5 0.5
Sanicro 25 0.1 0.2 0.5 22.5 25 3.6 3.5 3.0 0.5 0.23
Sanicro 28 0.02 0.6 2.0 27 31 3.5 1.0
Legierung 800 0.07 0.6 0.6 20.5 30.5
353MA 0.05 1.6 1.5 25 35 0.16
Legierung 825 0.03 0.5 0.8 20 38.5 2.6
Legierung 625 0.03 0.5 0.5 21 Bal 8.5
Legierung 690 0.02 0.5 0.5 30 60
Legierung 600 0.05 0.4 0.8 16.5 Bal 0.5

SANICRO 25, eine 22Cr-25Ni-Legierung, ist für den Einsatz in Kesseln bis 700 °C ausgelegt. Aufgrund seiner guten Kriechbruchfestigkeit und Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit ist es ein für Überhitzer und Nacherhitzer geeignetes Material. Tatsächlich ist die Kriechbruchfestigkeit von SANICRO 25 im Bereich von 600 bis 750 °C höher als die der meisten austenitischen rostfreien Stähle. In einer stark korrosiven, sauren Umgebung ist Sanicro 28 normalerweise die beste Wahl. Es wird in Hochdruckbohrungen mit Rohren, Gehäusen und Sauergasauskleidung verwendet. Weitere Anwendungen umfassen Heizgeräte, Pumpensysteme sowie Pumpen und Behälter in Nassphosphorsäureanlagen und Superphosphorsäureanlagen.

Legierung 800 wird häufig in einem Umgebungstemperaturbereich von 550 bis 1100 °C verwendet, der eine ausgezeichnete Kriechfestigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und hohe Temperaturfestigkeit der Materialien erfordert. Diese Legierungen werden auch in den Einlass- und Auslassöffnungen bei der Herstellung von Ammoniak, Methanol und Gas für den zivilen Gebrauch sowie in den Ofenrohren bei der Herstellung von Vinylchlorid und Ethylen verwendet. Weitere Anwendungen sind Wärmeaustauschrohre und Strahlungsrohre für Wirbelschichtverbrennungsbetten und Teile von Wärmebehandlungsöfen, wie Schalldämpferrohre und Schutzhülsen für Thermoelemente.

Die 25Cr-35Ni-Legierung 353Ma ist für den Einsatz in Cracköfen und Reformierrohren konzipiert, in denen synthetische Gase in Umgebungen behandelt werden, in denen Aufkohlung und Stickstoffabsorption potenziell problematisch sind. Obwohl es andere Alternativen gibt, die mehr Chrom enthalten, ist 353 MA die beste Wahl. Ein Grund dafür ist, dass es das Element Ce enthält, das zur Bildung einer sehr stabilen Oberflächenoxidschicht beiträgt.

Legierung 690 enthält 60 Prozent Nickel und wird hauptsächlich in den Rohrleitungen von Dampferzeugern in Kernkraftwerken verwendet. Die Betriebstemperatur beträgt 365 °C, bei der Spannungsrisskorrosion zwischen den Körnern ein potenzielles Problem darstellt. Unter bestimmten Betriebsbedingungen ist Legierung 690 nahezu korrosionsfrei und daher die bevorzugte Legierung.

Interessanterweise wird nickelreicher austenitischer Edelstahl 254SMO auch für die Kunst verwendet. Die Skulptur „God, Over the Rainbow“ von Carl Milles wurde 1995 an der Südküste des Nak Strand in Stockholm aufgestellt. Die Skulptur ist etwa 23 m hoch und ein berühmter Aussichtspunkt, an dem täglich viele Seeleute vorbeikommen. Das umgebende Meerwasser enthält Salz, Chlorid verursacht sehr leicht Oberflächenkorrosion, hochfester superaustenitischer Edelstahl 254SMO ist für diese Umgebung sehr gut geeignet.

Wenn Edelstahlbälge in Mantelwärmetauschern verwendet werden

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Der Balgrohrwärmetauscher ist eine Weiterentwicklung eines geraden (blanken) Rohrwärmetauschers. Das Design von Wellenberg und Wellental übernimmt die Vorteile des Rohrwärmetauschers wie Haltbarkeit und Sicherheit und überwindet gleichzeitig die Mängel wie schlechte Wärmeübertragungskapazität und leichte Skalierung. Das Prinzip besteht darin, den gesamten Wärmeübertragungskoeffizienten zu verbessern, um die erforderliche Wärmeübertragungsfläche zu verringern, wodurch Material gespart und das Gewicht bei gleicher Wärmeübertragungswirkung reduziert werden kann.

Da der Balgkörper durch Kaltpressen von helles Rohr Knüppel, es wird allgemein angenommen, dass der Balgkörper nach dem Formen verstärkt werden kann. Das Experiment zur Stabilität des Außendrucks zeigt, dass die Instabilität des gewellten Wärmeaustauschrohrs unter Außendruck zuerst im geraden Rohrabschnitt auftritt und das gewellte Rohr nur dann instabil wird, wenn der Außendruck weiter ansteigt. Dies zeigt, dass die Stabilität des gewellten Abschnitts besser ist als die des geraden Abschnitts und dass der kritische Druck des gewellten Abschnitts höher ist als der des geraden Abschnitts.

Experimente haben gezeigt, dass die Knickverformung in Wellentälern auftritt, insbesondere in einzelnen lokalen Wellentälern. Im Allgemeinen treten nicht mehr als zwei Wellentäler gleichzeitig instabil auf. Dies zeigt, dass die Stabilität des Wellenbergs besser ist als die des Wellentals. Manchmal kann jedoch auch das Gegenteil der Fall sein. Beim Kaltpressen bleibt die Wandstärke sowohl im Wellental als auch im geraden Abschnitt konstant. Nach dem Kaltpressen ist das Rohr tatsächlich kürzer.

Das Vorhandensein von Wellenbergen und -tälern im Balg verstärkt den Effekt der radialen Wärmeaustauschkonvektion in den Rohren, wie in der folgenden Abbildung gezeigt:

Die radiale Konvektion hat einen großen Einfluss auf den gesamten Wärmeübergangskoeffizienten, was der Hauptgrund für den niedrigen Preis und das geringe Gewicht des Doppelrohrplattenbalgwärmetauschers ist. Die Wärmeaustauschfläche des Rohr Die Körperoberfläche des Balgs und des geraden Rohrs ist bei gleicher Länge groß, aber diese Änderung ist weitaus geringer als der Beitrag der Änderung des Koeffizientenwerts. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Strömungsgeschwindigkeit des geraden (leichten) Rohrs deutlich abnimmt, wenn es sich nahe der Rohrwand befindet.

Der Mantelwärmetauscher mit Balg kann im Vergleich zu einem geraden Rohrwärmetauscher die Geschwindigkeit und Richtung der Flüssigkeit ständig ändern, wodurch Turbulenzen entstehen, wodurch Wärme mit der Wand ausgetauscht wird und der Randeffekt, der die Wärmeübertragung beeinflusst, nicht mehr auftritt. Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient kann um das 2- bis 3-fache erhöht werden, im tatsächlichen Betrieb sogar um das 5-fache, und das Gewicht ist gering, weshalb der Preis des Balgwärmetauschers niedriger ist als der eines geraden Rohrwärmetauschers. Berechnungen und praktischen Erfahrungen zufolge ist der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient eines 1 mm dicken Balgs 10% niedriger als der eines 0,5 mm dicken Balgs. Die Betriebsdaten von Hunderten von Balgwärmetauschern zeigen, dass die Wandstärke (fast immer 0,5 mm) der Hauptgrund dafür ist, dass der Betrieb 10 bis 14 Jahre lang ohne größere Reparaturen oder Schäden möglich ist.

Darüber hinaus kann der Balgwärmetauscher dem Aufprall eines Wasserschlags wirksam widerstehen. Die Hülle des Doppelrohrplattenwärmetauschers ist mit einer Dehnungsfuge verbunden. Wenn sie dem Aufprall eines Wasserschlags ausgesetzt ist, wird die Dehnungsfuge verstellt. Dies passiert sowohl bei Balg- als auch bei geraden Rohrwärmetauschern, und die Verformung der Hülle kann dazu führen, dass sich das Rohr verdreht. Da der Balg einen größeren Dehnungsspielraum hat, ist der elastische Dehnungsspielraum bei Verformung groß, d. h. die Fähigkeit, Instabilitäten zu widerstehen, ist in diesem Fall stark. In jedem Fall können während des Installationsprozesses Wasserschläge durch den Einsatz von Winkelsitzventilen, Verzögerungsschaltern und anderen Maßnahmen vermieden werden.

Vorteile des Edelstahl-Faltenbalg-Wärmetauschers

  • Hohe Wärmeübertragungseffizienz

Das spezielle Design des Balgs mit seinen Wellen und Wellentälern sorgt dafür, dass die Flüssigkeit fließt, da sich die Innen- und Außenseite des Rohrs ständig verändern und starke Turbulenzen bilden. Selbst bei einer sehr geringen Durchflussrate kann die Flüssigkeit innerhalb und außerhalb des Rohrs starke Turbulenzen bilden, was den Wärmeübergangskoeffizienten des Wärmeaustauschrohrs erheblich verbessert. Der Wärmeübergangskoeffizient ist 2- bis 3-mal höher als der eines herkömmlichen Rohrwärmetauschers.

  • Kein Skalieren und Blockieren

Das Medium innerhalb und außerhalb des Balgs befindet sich immer in einem sehr turbulenten Zustand, wodurch sich auf den Feststoffpartikeln im Medium nur schwer Kalk ablagern kann. Andererseits wird durch den Temperaturunterschied des Mediums eine Spur axialer Ausdehnungsverformung erzeugt, die Krümmung wird sich häufig ändern, Schmutz und Wärmeaustauschrohr werden eine große Zugkraft erzeugen, sodass es, selbst wenn Kalk vorhanden ist, automatisch abbricht, sodass der Wärmetauscher immer eine dauerhafte und bessere Wärmeübertragungsleistung behält.

  • Automatische Kompensation

Die spezielle Struktur und Form des Balgs kann die thermische Belastung unter Erhitzungsbedingungen wirksam reduzieren, ohne dass Dehnungsfugen hinzugefügt werden müssen. Auf diese Weise wird die Struktur der Produkte vereinfacht und ihre Zuverlässigkeit verbessert.

  • Lange Lebensdauer

Die axiale Ausdehnungsfähigkeit wird verbessert, wodurch die Temperaturunterschiedsspannung effektiv verringert wird und eine Anpassung an große Temperaturunterschiede und Druckänderungen möglich ist, sodass es zu keinen Leckagen durch Rohrmündungsbrüche kommt. Die Verbindung zwischen Prallplatte und Balg verlängert die Lebensdauer des Wärmetauschers.

 

Welchen Einfluss hat Stickstoff auf Edelstahl 316LN?

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316LN ist die Version mit Stickstoffzusatz basierend auf 316L Stahl (0,06% ~ 0,08%), sodass es die gleichen Eigenschaften wie 316L aufweist, wurde bei der Herstellung von Hochtemperatur-Strukturkomponenten in schnellen Brütern (FBRS) verwendet. Durch die Reduzierung des Kohlenstoffgehalts wird die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion durch Schweißen in nachfolgenden korrosiven Umgebungen erheblich verringert. Das Kriechen, die Ermüdung bei geringer Zyklenzahl und die Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüdung sind die wichtigsten Überlegungen für FBRS-Komponenten. Die Hochtemperaturfestigkeit von 316L Edelstahl kann durch Legieren von 0,06% – 0,08% N zu Edelstahl 316 verbessert werden. Der Einfluss eines Stickstoffgehalts über 0,08% auf die mechanischen Eigenschaften von Edelstahl 316L bei hohen Temperaturen wird in diesem Dokument erörtert.

 

Chemische Zusammensetzung von 316LN Edelstahl

Ofen N C Mn Cr Mo Ni Si S P Fe
Normen 0.06-0.22 0.02-0.03 1.6-2.0 17-18 2.3-2.5 12.0-12.5 ≤0,5 ≤0,01 ≤0,03 –
1 0.07 0.027 1,7 17.53 2.49 12.2 0.22 0.0055 0.013 –
2 0.11 0.033 1.78 17.63 2.51 12.27 0.21 0.0055 0.015 –
3 0.14 0.025 1.74 17.57 2.53 12.15 0.20 0.0041 0.017 –
4 0.22 0.028 1.70 17.57 2.54 12.36 0.20 0.0055 0.018 –

Diese vier Chargen von 316LN-Edelstahl mit einem Stickstoffgehalt von 0,07%, 0,11%, 0,14% und 0,22% und einem Kohlenstoffgehalt von 0,03% wurden getestet, um die Wirkung von Stickstoff auf die Zugfestigkeit, Kriechfestigkeit, Kurzzeitermüdung und Kriechermüdungseigenschaften von 316LN-Edelstahl zu untersuchen. Ziel dieses Experiments ist es, den optimalen Stickstoffgehalt zu ermitteln, um die beste Kombination aus Zugfestigkeit, Kriechfestigkeit und Kurzzeitermüdungseigenschaften zu erhalten. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass Stickstoff die Zugfestigkeit, Kriechfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit von austenitischem Edelstahl verbessern kann. Die Gründe für die Festigkeitssteigerung sind Lösungsverbesserung, verringerte Stapelfehlerenergie (SFE), Ausscheidungshärtung, Bildung von Verbundstoffen (interstitielle gelöste Stoffe), atomare Segregation und geordnete Härtung. Aufgrund der unterschiedlichen Elektronenaustauscheigenschaften hat der gelöste Stickstoff in austenitischem Edelstahl ein größeres Ausdehnungsvolumen als Kohlenstoff.

Neben der elastischen Wechselwirkung zwischen Stickstoff und Versetzung beeinflusst auch die elektrostatische interstitielle Versetzungswechselwirkung die Festigkeit. Versetzungskerne zeichnen sich durch den Mangel an freien Elektronen aus, was bedeutet, dass sie eine positive Ladung aufweisen. Die Stickstoffatome in austenitischem rostfreiem Stahl sind aufgrund der Position der freien Elektronen in der Nähe der Stickstoffatome und der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen den Versetzungen und den Stickstoffatomen negativ geladen.

Die effektive Bindungsenergie zwischen dem Stickstoffatom und der Versetzung steigt mit steigendem Stickstoffgehalt in austenitischem Stahl, aber bei Kohlenstoff ist dieser Zusammenhang nicht offensichtlich. In austenitischem Stahl interstitieller Stickstoff interagiert mit Substituentenelementen und neigt dazu, interstitielle Substituentenatomzusammensetzungen zu bilden. Die Verbindung bindet sich leicht an Elemente links von Fe im Periodensystem, wie etwa Mn, Cr, Ti und V. Es besteht ein starker Zusammenhang zwischen den Eigenschaften der interatomaren Bindung (das heißt, Orientierung versus Unorientierung) und der Nähe benachbarter Atome in einem Mehrkomponentenlegierungssystem. Bindungen zwischen Metallatomen erleichtern die Nahordnung, also die Bindung von Atomen verschiedener Elemente. Interatomare Polarisation erleichtert den Austausch kovalenter Elektronen, also die Bindung zwischen Atomen desselben Elements. Kohlenstoff fördert die Aggregation von Substitutionsatomen in der eisenbasierten festen Lösung, während Stickstoff die Nahordnung erleichtert.

Im Allgemeinen sind die Streckgrenze(YS) und die Zugfestigkeit(UTS) von 316L Edelstahl wird durch die Legierung mit 0,07% ~ 0,22% Stickstoff deutlich verbessert. Die Festigkeitssteigerung wurde in allen Tests im Temperaturbereich von 300 ~ 1123 K beobachtet. Dynamische Reckalterung wurde innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs beobachtet. Der Temperaturbereich der dynamischen Reckalterung (DSA) verringert sich mit zunehmendem Stickstoffgehalt.