Nya material höjer ångpannans effektivitet

Ett flerårigt detektivarbete i labbet och framför svepelektronmikroskopet har ökat kunskapen om rostfria stål. Resultaten kan leda till nya material i kraftvärmeverkens ångpannor och därmed högre effektivitet, lägre utsläpp och även mindre klimatpåverkan.

Sprickbildningen i höglegerat austenitiskt rostfria stål efter utmattningsprov. Sprickbildning i höglegerat austenitiskt rostfritt stål efter termomekaniskt utmattningsprov.

Tålmodigt prövande

Hugo Wärner.Hugo Wärner.

Hugo Wärner beskriver det just så, ”ett detektivarbete”. I doktorsavhandlingen High Temperature Fatigue Behaviour of Austenitic Stainless Steel: Microstructural Evolution during Dwell-Fatigue and Thermomechanical Fatigue undersöker han egenskaperna hos så kallade austenitiska rostfria stål under hög temperatur, stort tryck och ständiga förändringar i belastningen.

Bakom avhandlingen ligger många timmars arbete med mekaniska prov i laboratoriet, där provstavar belastas till de antingen spricker eller brister helt, därefter undersökningar av brottytorna i svepelektronmikroskop, sedan analyser och till sist sammanfattningar i skrift. I avhandlingen ingår sex vetenskapliga artiklar.

- Det är en kombination av praktiskt och teoretiskt arbete som jag tycker är väldigt rolig. Miktrostrukturundersökningen är ett ganska förutsättningslöst arbete där man i början undersöker vad som hänt med materialet, och sedan kopplar ihop det man ser med en hypotes och tidigare studier, säger Hugo Wärner.

Tydliga begränsningar

Provutrustningen.Prov pågår i labbet.

I dag är den vanliga temperaturen i kraftvärmeverkens ångpannor mellan 500 och 600 grader, men för att öka effektiviteten och minska utsläppen behöver temperaturer och tryck höjas. Samtidigt ökar kraven på cyklisk drift med många start och stopp då kraftverken används som back up för väderberoende energislag som vind- och solkraft.

Grundfrågan för forskarna är hur austenitiska rostfria stål beter sig under hårdare belastning och om de kan användas också i framtidens ångpannor. Rostfria stål är betydligt billigare än nickelbaserade superlegeringar som annars är huvudalternativet för den här typen av drift.

Hugo Wärners avhandling, där provstavarna testats i upp till 800 grader, visar att de rostfria stålen har tydliga begränsningar. Både så kallad krypning (långsam deformation under mekanisk belastning), kombinationen utmattning och krypning samt sprickbildning på grund av oxidation förkortar materialets livslängd. Också så kallad åldring, där metallens mikrostrukturella konfiguration över tid förändras vid förhöjd temperatur, minskar motståndskraften.

Å andra sidan har höglegerade austenitiska rostfria stål bättre högtemperatursegenskaper än traditionella ångpannematerial på grund av en mer avancerad legeringsprocess.

Kan bli alternativ

Mjölby kraftvärmeverk.Kraftvärmeverk, det här beläget i Mjölby. Foto Jarl Asklund

Så summa summarum, kan det här materialet användas vid svårare driftsförhållanden? Och kanske ersätta nickelbaserade superlegeringar?

- Jag tror att det är ett bra mellansteg. De nickelbaserade superlegeringarna har ännu bättre egenskaper, men innan de behöver användas kan det här vara ett bra alternativ under en övergångsperiod. Men hur lång den perioden kan vara är svårt att förutse, säger Hugo Wärner.

Resultaten i avhandlingen var både förväntade och lite överraskande. Medan de flesta proven visade väntade resultat, var det framför allt ett material som betedde sig lite oväntat. Varför får fortsatt forskning besvara.

- Det jag gjort är framför allt att visa på hur olika material beter sig under olika förhållanden. Nästa steg är vad man kan göra för att motverka de här problemen. I avhandlingen ger jag några förslag, men fokus ligger på att beskriva olika skeenden, säger Hugo Wärner.

Avhandlingen är en del av forskningsprojekten Temperaturpåverkan på egenskaperna hos högtemperaturtåliga austenitiska stål samt Högtemperaturegenskaper hos avancerade värmebeständiga austenitiska legeringar, som har finansierats av Energimyndigheten och genomförts i samarbete med stålföretaget Sandvik. Oavsett framtida tillämpning är ett viktigt syfte också att öka den teoretiska kunskapen om stål som material.

KontaktVisa/dölj innehåll

Läs merVisa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiUVisa/dölj innehåll