A kazánok burkolatának, állványszerkezetének, kezelőjárdáinak stb. készítéséhez számos, a normál gépszerkesztési, acélszerkezeti gyakorlatban használatos anyagféleség is felhasználásra kerül. Ezek ismertetésétől eltekintünk, az alábbiakban csak a nyomástartó részek készítéséhez felhasználható anyagféleségeket, fejlesztésüket, jellemzőiket foglaljuk össze.

Mint a „Túlhevítők, újrahevítők” című, 2.2.2.6. fejezetben (már vázoltuk, az egyre nagyobb hatásfokhoz szükséges nagyobb gőznyomás és gőzhőmérséklet a szerkezeti anyagok folyamatos fejlesztését igényli. A 1920-as években elindult folyamat kezdeteiről, az 1980-as évekig elért eredményekről a [7.20] irodalom ad vázlatos áttekintést. Az 1990-es években felgyorsuló európai fejlesztés [7.21] célja a szilárdsági jellemzőket tekintve a következő volt [7.22]:

A VGB által irányított, részben az EU által is támogatott kutatási (COST-501, COST-522, KOMET-650, KOMET-700, AD 700, COMTES 700, MARCKO 700) programokban minden jelentős európai berendezésüzemeltető, acél- és berendezésgyártó részt vett [7.23, 7.24, 7.25, 7.26, 7.27, 7.28, 7.29, 7.30, 7.31, 7.32, 7.33]. Az első célt a könyv összeállításának időpontjáig nem sikerült teljesíteni, a P92-es minőségű anyagnál (<625–635 °C) még nem tudtak jobb martenzites anyagot találni. Az ígéretesnek tűnő anyagféleségeket széles körben tesztelték [7.34, 7.35, 7.36, 7.37, 7.38, 7.39, 7.40, 7.41, 7.42, 7.43, 7.44, 7.45, 7.46, 7.47, 7.48, 7.49, 7.50, 7.51, 7.52, 7.53]. A kilépő fokozatoknál általánossá vált az ausztenites anyagok alkalmazása ([7.22, 7.29, 7.54, 7.55, 7.56, 7.57]) kifejlesztették a megfelelő hegesztési technológiákat, így a hegesztőanyag-gyártók megbízható elektródákat, technológiákat ajánlhatnak minden újonnan kifejlesztett acéltípushoz (például [7.58, 7.59, 7.60]). A könyv összeállításának idején megállapítható, hogy a 650 °C frissgőz és (egyszeres vagy kétszeres) újrahevítési hőmérsékletű, optimális (300–350 bar) nagyságú szuperkritikus nyomású körfolyamat megvalósításához a kellő rendelkezésre állást szavatoló szerkezeti anyagok rendelkezésre állnak, a 700 °C gőzhőmérséklet biztonságos alkalmazásához még további fejlesztések szükségesek.

Az ötvözők szerepe: A tulajdonságok javítását a szerkezeti anyagok összetételének módosítása tette lehetővé. A kazántechnikában alkalmazott acélok a vas (Fe) mellett sok más elemet is tartalmaznak (5. függelék), néha csak nagyon kis mennyiségben. Miután az egyes alkotók a tulajdonságokat eltérő mértékben, kedvezően vagy kedvezőtlenül befolyásolják, célszerű a hatások áttekintése. Az alkotók az alábbiak szerint csoportosíthatók és jellemezhetők [7.8], [7.14], [7.61]:

Eltérő követelmények: Az egyes szerkezeti elemeknél lényegesen eltérő igények jelentkeznek. A kazándobok, kamrák, kovácsolt szerkezeti elemek a gyártást, hegesztést követően hőkezelhetők, így a minőséget szavatoló körülmények között elérhető a megfelelő szilárdsági jellemzőket biztosító szövetszerkezet. Túlhevítő, újrahevítő csöveknél, csőcsatlakozásoknál a helyszíni hegesztést követően általában elvégezhető hőkezelés, így a megfelelő szövetszerkezet e szerkezeti elemeknél is biztosítható. A membránfalas elgőzölögtető vagy más fűtőfelületeknél ilyen utólagos hőkezelésre általában nincs mód. Ezeknél az alkalmasság előfeltétele a biztonságosan alkalmazható hegesztési technológia.

Lemezanyagok: Különböző vastagságú kazánlemezeket kazándobok, vízleválasztó edények, nagy átmérőjű be- és kilépőkamrák, lángcsövek, fordulókamrák gyártásához használnak fel. Az alkalmazott anyagféleségek általában ferrit-perlites szövetszerkezetűek, a kisebb nyomásoknál általában durva szemcsés, nagyobb nyomásoknál finom szemcsés kivitelben. Utóbbiak gyártása, javítása az előírt megmunkálási, hegesztési, hőkezelési technológiák szigorú betartását igényli. A teljesítendő minőségi követelményeket, az ezek ellenőrzéséhez a gyártás során előírt vizsgálatokat a vonatkozó szabványok rögzítik [7.62, 7.63, 7.64]. A gyakorlatban alkalmazott acélféleségek egy része nem szerepel a szabványokban. Ez esetben a gyártók anyaglapjai, szakmai szervezetek (például VGB) ajánlásai vehetők figyelembe. Ilyenek hiányában a szélesebb körben nem alkalmazott szerkezeti anyagok az érintett tanúsító szervezet által előírt, egyedi minősítő vizsgálatok alapján használhatók csak fel. A kazánlemezeknél a szakítószilárdság, melegfolyás-határ, nyúlás, ütőmunka, átmeneti hőmérséklet a legfontosabb mechanikai jellemzők. A nagyobb hőmérsékleten üzemelő kamrák, gőzhűtők esetében a kúszási szilárdságot és a kúszáshatárt is figyelembe kell venni. Előbbiek értékét a szabványok, anyaglapok általában 10 000, 100 000, 200 000 h időtartamra, a kúszáshatár értékét 10 000, 100 000 h időtartamra adják meg. 27 J helyett 40 J szavatolt ütőmunka értékben is meg lehet állapodni. Az átmeneti hőmérséklet alakulását, amelynek a szerkezeti elemek új állapotában ≤–20 °C-nak kell lenni, üzem közben is figyelemmel kell kísérni.

A régebben használt, illetve a könyv írásának idején szabványosított kazánlemez-anyagok összehasonlítását a 7.3. táblázat mutatja. Meg kell jegyezni, hogy a P235GH-P355GH anyagminőségek összetételükben, szilárdsági jellemzőikben sem felelnek meg teljesen az azonos sorban szereplő korábbi anyagoknak. A régebbi, külföldi lemezanyagok vázlatos felsorolását az indokolja, hogy megtalálhatók a korábban importált, a könyv összeállításának idején még üzemelő hazai berendezésekben. Ezek összetételét, jellemzőit a korabeli (1990-et megelőző) nemzeti szabványokban (például [7.66], [7.67]), a szélesebb körben használatos anyagféleségekre a [7.14] irodalom mellékletében lehet megtalálni. Utóbbi olyan, elsősorban kazándobok készítéséhez felhasznált anyagféleségek (CuNi 47, CuNi 52 Spec, BHW 35, BHW 38) jellemzőit is ismerteti, amelyeket az 1940–50-es évtizedekben külföldről behozott, esetenként még üzemelő berendezések kazándobjainál alkalmaztak [7.68].

Csőanyagok: A csövek készítéséhez felhasznált anyagoknál, a folyáshatár és a tartamszilárdság mellett, a füstgáz- és víz-gőz oldali korróziónak történő ellenálló képesség a legfontosabb jellemzők. A nyomástartó berendezésekhez alkalmazható varrat nélküli acélcsövek műszaki szállítási feltételeire vonatkozó, hatályos MSZ EN 10216-2:2002+A2 [7.70] két minősítési osztályt különböztet meg. A 63,5 mm-nél kisebb külső átmérőjű csöveknél 80 bar üzemnyomás és 450 °C közeghőmérséklet felett [8] alkalmazandó, szigorúbb, a 2. kategóriánál a hosszirányú gyártási hibák ellenőrzésére kötelező 100% terjedelmű, roncsolásmentes hibakereső vizsgálatok elvégzése, míg az 1. kategória esetén ilyen vizsgálatokat nem végeznek. A 2. kategóriánál opciósan, a megrendelő igénye alapján az érintőleges és vastagságirányú roncsolásmentes (például ultrahangos) hibakereső vizsgálatok is előírhatók. Csöveknél a szokásos (összetétel, egyezményes folyáshatár, ütőmunka) minőségtanúsító vizsgálatokat kiegészíti a minden csövön elvégzett tömörségi próba, a tételenkénti lapító vizsgálat (a csőből kivágott gyűrűt előírt mértékig összenyomva nem jelentkezhet repedés), gyűrűtágító vizsgálat (a csőből kivágott gyűrűt meghatározott mértékben, egyenletesen tágítva nem jelentkezhetnek repedések). Az ütőmunka elvárt értéke a szabvány alapján 20 °C-on hosszirányban 40 J, keresztirányban 27 J.

A könyv összeállításának idején szabványosított, leggyakrabban alkalmazott, illetve a korábban használatos csőanyagokat a 7.4. táblázat foglalja össze. A jelenlegi és korábbi anyagféleségek azonos sorban történő feltüntetése (a német anyagok esetén azonos anyagszáma) nem jelenti az összetételek, szilárdsági jellemzők teljes azonosságát, ezért régebbi berendezések felülvizsgálata, utólagos ellenőrzése során az eredeti anyagvizsgálati bizonylatokból, korabeli szabványokból (például [7.72], [7.73]) kell kiindulni, esetlegesen a berendezésekből kivett anyagmintákon kell ellenőrző összetétel-, szilárdságijellemző-, ütőmunka- vizsgálatokat elvégeztetni.

Membránfal-anyagok: A membránfalaknál a hatósági előírások a falvastagságot 6,3 mm-re korlátozzák, így a korábban a nagy teljesítményű, erőművi kazánoknál általánosan alkalmazott 13°CrMo°4°4 típusú anyaggal, 42,4 mm külső csőátmérőt feltételezve, 335 bar méretezési nyomás mellett, 495 °C méretezési hőmérsékletet lehet megengedni [7.23]. Az egyéb, szóba jöhető anyagok jellemzőit mérlegelve megállapítható, hogy 10°CrMo°9°10 minőségű anyaggal csak jelentéktelen mértékben lehetne növelni a nyomást vagy a hőmérsékletet. Hasonlóan a rozsdamentes anyagok is kiesnek az 500 °C körüli/feletti méretezési tartományban. Így nagyobb igények esetén a tartamszilárdságot, és a víz-gőz oldali korrózióval szembeni ellenálló képességet figyelembe véve, az MSZ EN 12952 számú európai szabványelőírásban megfogalmazott követelmények alapján a 7.5. táblázatban felsorolt további membránfal-anyagok alkalmazása jöhet szóba [7.23], melyek folyáshatárát a 7.13. ábra, tartamszilárdságát a 7.14. ábra mutatja.

A csőanyag-sorozattal a közeljövőben várható legnagyobb igények is kielégíthetőnek tűnnek. A 7.13. ábrán, és a 7.14. ábrán a 6.3.3. fejezetben már említett AC 66 jelű, kiváló korrózióálló csőanyag szilárdsági jellemzőit is feltüntettük. A gyártó az anyagra más anyagféleségekhez képest alacsony egyezményes folyáshatár-értékeket közöl [7.75], ugyanakkor az ECCC (European Creep Collaborative Committee) közleménye [7.82] alapján a tartamszilárdság-értékek kedvezőek, jóllehet utóbbiak rövidebb időtartamú vizsgálatokból extrapolációval kerültek megállapításra.

Túlhevítő-, újrahevítő-anyagok: A túlhevítő-anyagokkal kapcsolatos elvárásokat a „Túlhevítők, újrahevítők” című, 2.2.2.6. fejezetben részletesen ismertettük. A 2.12. táblázatban és a 2.13. táblázatban megadtuk a nagy teljesítményű kazánoknál szóba jöhető különféle anyagféleségekre az eddigi tapasztalatok alapján megengedhetőnek tűnő méretezési hőmérsékletértékeket is [7.29]. Újabb anyagminőségek esetén figyelembe kell venni, hogy a gyártási, üzemi tapasztalatok a hagyományos anyagokhoz viszonyítva, a bevezetőben vázolt különféle fejlesztési programok ellenére is, csak szerénynek tekinthetők. Ezért az alkalmazás során esetenként nem várt meglepetések (például meghibásodások hegesztési varratok környezetében) jelentkezhetnek, így a korábban szélesebb körben nem alkalmazott anyagféleségeknél kellő gondossággal kell eljárni.

Gőzoldali oxidáció: A kedvező szilárdsági jellemzők ellenére a gőzoldali oxidáció korlátozhatja az alkalmazási hőmérsékletet. A KOMET 650 program keretében, 23215 teljes terheléses üzemórát követően (7.15. ábra) elvégzett anyagvizsgálatok során például a következőket állapították meg [7.22], [7.53]:

A vizsgálatok alapján a füstgázoldali korrózióra vonatkozóan nem lehetett megbízható állásfoglalást kialakítani. A könyv összeállításának idején rendelkezésre álló üzemi tapasztalatokat is mérlegelve a tartós, meghibásodásoktól mentes üzem érdekében a 7.6. táblázatban megadott gőzhőmérséklet-határok figyelembevétele célszerű. Az értékek, a különféle hőmérsékletpótlékokat beszámítva, összhangban vannak a 2.12. táblázatban megadott méretezési hőmérsékletértékekkel.

Összehasonlíthatóság: Az európai gyakorlat a szerkezeti elemek méretezésénél az egyezményes folyáshatárból, illetve az időtartam- (kúszási) szilárdságból indul ki, az anyagszabványokban (például [7.63], [7.70]) ezekre adnak meg értékeket. Ezzel szemben az ASME (American Society of Mechanical Engineers) a Boiler and Pressure Vessel Code alapján [2] megengedhető feszültségértékeket állapít meg és tesz közzé (például ASME Code Case 2328-1), amely

közül a legkisebb. Olyan alkalmazások esetén, amikor nagyobb (1%) alakváltozás engedhető meg, az adott hőmérsékleten mért folyáshatár 2/3-a helyett ausztenites acéloknál, bizonyos nikkelötvözeteknél a folyáshatár 90 százalékát kell a minimális érték megállapításánál figyelembe venni.

A kétféle gyakorlat összehasonlítására a 7.16. ábrán DMV 304 HCu minőségű anyagra mutatjuk be az európai gyakorlatban szokásos egyezményes folyáshatár- és tartamszilárdság-értékeket, illetve az ASME- előírások alapján megadott, megengedhető feszültségértékeket [7.74]. Az európai gyakorlatban a megengedett feszültségértékeket a szabványokban, anyaglapokon közétett vagy egyedi vizsgálatokkal meghatározott értékekből a méretezési szabványokban megadott biztonsági tényezőkkel lehet meghatározni.

Acélöntvények: Nyomás alatti idomdarabok, szerelvények, bordás csöves vízhevítők, nagyobb hőmérsékletnek kitett szerkezeti elemek készítéséhez a vonatkozó szabványban [7.86] szabályozott hőmérséklet-tartományban és falvastagsággal acélöntvények használhatók. A hűtetlen tartógerendákat is célszerű hőálló acélöntvényből készíteni [7.87].

A szabványos minőségek közül kazánoknál, nyomás alatti szerkezeti elemek előállításához a TRD 103 [8] alapján a 7.7. táblázatban felsorolt anyagféleségek alkalmazhatók. Ezek többsége az előzőekben ismertetett bevált hőálló acélféleségek öntészeti megfelelője. Más ötvözetek felhasználására, a tulajdonságok igazolását követően, az ellenőrző hatóságok egyetértésével van lehetőség. A szobahőmérsékleten mért ütőmunka értékének ferrites, martenzites anyagoknál ≥27 J, ausztenites anyagoknál ≥35 J értékűnek kell lenni. Kedvezőtlen környezetben korrózióálló anyagféleségek alkalmazása ajánlott [7.88]. Az MSZ EN 12952-2 szabvány nem tesz említést acélöntvények alkalmazhatóságáról [7.103].

Vasöntvények: Gömbgrafitos öntöttvas 40 bar üzemi nyomásig, 350 °C üzemi hőmérsékletig, 175 mm névleges átmérőig, illetve a keringtető- és tápszivattyúk házöntvényeihez 40 bar üzemi nyomásig építhető be. Közönséges (lemezes grafitos) öntöttvasból vasöntvények

alkalmazhatók (TRD 108 [8], [7.91]). A [7.102] csak 13 bar túlnyomásig, 220 °C hőmérsékletig teszi lehetővé <200 mm névleges átmérőjű szerelvényekhez szabványos [7.89], [7.90] minőségű öntöttvas használatát.

Csavarok, felfüggesztőrudak: Fokozott igénybevételnek kitett csavarok (például nyomás alatti részek lezárásához, karimák összefogásához), felfüggesztőrudak (például csőkötegek, tartógerendák felfüggesztéséhez) készítéséhez hengerelt vagy kovácsolt, nagyobb hőmérsékleteken is szavatolt szilárdsági jellemzőkkel rendelkező acélok alkalmazandók [7.92, 7.93, 7.94, 7.95] [7.102], [7.103]. Alárendeltebb célokra a [7.96] szerinti anyagok vagy az acélszerkezeteknél szokásos anyagféleségek alkalmazhatók.

Réztermékek: Rézötvözeteket manapság csak régi berendezések felújításához, háztartási, kisüzemi berendezések gyártásához alkalmaznak. A szóba jöhető anyagféleségeket, alkalmazási feltételeket a [7.97, 7.98, 7.99] irodalom ismerteti.

Árak, költségek: A szerkezeti elemek, komplett berendezés technikai megfelelősége, feladat ellátására való alkalmassága mellett elkerülhetetlen a gazdaságosság elemzése. Ehhez szükséges a felhasznált anyagok beszerzési költségének, a gyártáshoz felhasznált gépek, energia, segédanyagok, gyártási hulladékok elhelyezési költségének és magának a gyártási (elsősorban munkaerő-) költségeknek a figyelembevétele. Utóbbiak elsősorban a gyártó adottságaitól, a rendelkezésre álló technikai feltételrendszertől függnek. A tervező szempontjából a költségeket legjobban befolyásoló tényező elsősorban az anyagválasztás. Jobb minőségű anyaggal biztonságosabb lesz a berendezés működése, csökkenhet tömege (erre vonatkozó számszerű értékeket a 7.2.2. fejezetben mutatunk be), de az ötvözők mennyiségével, áraival arányos fajlagos költségek bizonyosan növekszenek. A legnagyobb tömegben felhasznált kazánlemezek, csövek, szerkezeti acélok ára a világpiaci nyersanyagáraktól függ, így tartósan érvényes árarányok megadására nincs mód, a szerző csak a könyv összeállításának idején ismert arányok bemutatására vállalkozhat. A kazándobok, kamrák gyártásához leggyakrabban felhasznált acéllemezek ab acélmű többletárát, az egyik legnagyobb európai gyártó árjegyzéke alapján az S185 minőségű, azonos méretű, kiszerelésű acéllemezhez viszonyítva a 7.8. táblázat mutatja.

Csőanyagok tekintetében a VDI-Wärmeatlas Ce-munkalapjára [7.100], illetve az egyik legnagyobb európai csőgyártó tájékoztató árainak arányára utalunk (7.9. táblázat).

Kevésbé kelendő ötvözött anyagok esetében a szállítók általában csak kívánságra adnak árakat. Erre is tekintettel mindig célszerű a kiviteli tervezés megkezdése előtt a szóba jöhető anyagféleségekre vonatkozó árajánlatok bekérése és a költségszámítások ezek figyelembevételével történő elvégzése.