Выбор материала котлов
Надежность работы судового парового котла должна быть обеспечена на стадии проектирования. Известно, что его авария приводит не только к потере судном хода, снижению выработки электроэнергии, но и к созданию опасных для обслуживающего персонала условий, вызванных заполнением машинного отделения горячими газами и паром. Убытки, связанные с аварией котла, намного превышают его стоимость. Поэтому при проектировании котлов выполняют расчеты прочности теплонапряженных деталей и узлов.
Основой для расчетов является наука о прочности – сопротивление материалов. Под действием внешних сил детали котла изменяют свою форму – деформируются. В материале при деформациях возникают внутренние упругие силы, действующие между частицами и оказывающие сопротивление внешним нагрузкам, то есть проявляется напряженное состояние материала. Интенсивность внутренних упругих сил называют напряжением. Прочность деталей котла зависит от величины возникающих при деформациях напряжений, а также от внешних условий: температурного режима; наличия коррозионно-активных сред (воды, пара, продуктов сгорания топлива); повторных, иногда знакопеременных нагрузок, возникающих при пусках, остановках и изменениях паропроизводительности котлов; вибрационных нагрузок из-за пульсации горения и некоторых режимов движения пароводяной смеси в трубах.
Надежность котла в значительной степени определяется надежностью тех его деталей, которые находятся под действием внутреннего давления. Поэтому Правилами Регистра СССР регламентируется рассчитывать прочность именно этих элементов котла: коллекторов, днищ, донышек, труб поверхностей нагрева.
Рис. 6.1. Влияние температуры углеродистой стали на ее механические свойства Рис. 6.2. Влияние длительности выдержки образца из углеродистой стали под нагрузкой при различных температурах на ее предел текучести |
Регистром СССР определены марки, химический состав, характеристики прочности и пластичности сталей, из которых можно изготовлять детали судовых котлов.
К характеристикам прочности и пластичности сталей относятся: предел прочности , предел текучести , относительное удлинение , относительное сужение , ударная вязкость . Все эти характеристики для каждой марки стали существенно зависят от температуры. Например, для углеродистой стали (Рис. 6.1) увеличение температуры свыше 350–400°С приводит к резкому снижению и . Экспериментально установлено, что характеристики прочности углеродной стали при > 350°С не только снижаются, но и оказываются нестабильными. Они уменьшаются с увеличением времени выдержки под нагрузкой (Рис. 6.2). Потеря прочности в этом случае связана с накоплением внутренних микроскопических трещин в металле, или его ползучестью. Характеристикой процесса ползучести служит относительная скорость ползучести металла. В качестве критериев, определяющих прочность стали при высоких температурах и напряжении, применяют предел ползучести и предел длительной прочности .
Пределом ползучести называют напряжение, при котором скорость ползучести равна заданной. Для деталей котла скорость ползучести не превышает 2,75∙10–11 c–1, что соответствует деформации в 1% за 105 ч эксплуатации.
Пределом длительной прочности называют напряжение, которое при данной температуре приводит металл к разрушению через определенный промежуток времени.
Так как на возникающие в деталях котла напряжения влияют главным образом внешняя нагрузка и температурный режим, то определяющим условием для выбора материалов служат параметры производимого котлом пара – давление и температура.
Другие факторы, также влияющие на выбор материала, лишь дополняют требования, которым должно удовлетворять качество материала, используемого для отдельных элементов котла. К таким дополнительным свойствам, характеризующим качество котельных сталей, относятся жаропрочность, выносливость, жаростойкость, коррозионная стойкость, склонность стали к релаксации напряжений и структурным изменениям при длительной эксплуатации в условиях высоких температур и внешних нагрузок, свариваемость.
Жаропрочность стали характеризуется величиной предела длительной прочности при заданной температуре; выносливость, или стойкость стали к разрушению под действием многократных повторных нагружений, – пределом усталости . Усталость металла связана с образованием в нем микротрещин и, как следствие, хрупким разрушением детали при напряжениях, значительно меньших предела прочности или даже предела текучести. Обычно . При высоких температурах под воздействием продуктов сгорания может возникнуть процесс газовой коррозии стали, или окалинообразование.
Жаростойкость – это способность стали противостоять окислению в высокотемпературной газовой среде. Количественно она выражается температурой начала интенсивного окисления стали – температурой окалинообразования. Например, для углеродистой стали эта температура составляет 500°С.
Материалы, применяемые в котлостроении, должны обладать высокой коррозионной стойкостью как в газовой и паровой средах, так и в котловой воде. Оценка этого качества материала определяется скоростью коррозии, измеряемой в миллиметрах за год (мм/год).
При длительном воздействии высоких температур в металлах возможна релаксация напряжений, то есть самопроизвольное падение во времени напряжения деформированного металла в результате перехода упругой деформации в пластическую. Стали, склонные к релаксации, для изготовления котлов не применяют, так как релаксация приводит к потере прочности и плотности вальцовочных соединений труб в стенках коллекторов.
Длительная эксплуатация стали при высоких температурах может вызвать в ней существенные структурные изменения: сфероидизацию и графитизацию, способствующие разупрочнению стали. Сфероидизация связана с изменением формы зерен перлита (пластинчатый перлит в структуре стали принимает сферическую форму), графитизация – с распадом карбидов на металл и графит. Стали, подверженные разупрочнению при высоких температурах, не рекомендуется использовать для тепло-напряженных деталей котла.
Технологией изготовления котлов предусмотрено широкое применение сварки, поэтому свариваемость сталей является важнейшим их свойством. Под свариваемостью понимают способность стали образовывать такие сварные соединения, которые по механическим свойствам не уступают основному металлу.
Марку материала для изготовления деталей и узлов котла выбирают путем анализа всех его свойств. Основные материалы, применяемые в котлостроении, – углеродистая и легированные стали. Углеродистая сталь используется для деталей котла, работающих при температурах до 450°С. Трубы парообразующей, экономайзерной и воздухоподогревательной поверхностей нагрева котлов с давлением пара меньше 4,5 МПа изготовляют из стали марок 10 и 20, а коллекторы – из качественной углеродистой стали марок 15К, 20К, 25К, обладающей повышенными показателями прочности и хорошей свариваемостью. Трубы котлов высокого давления ( > 4,5 МПа) выполняют из сталей повышенного качества 20П, 20ПВ, 20ВД.
При температурах выше 450°С применяют низколегированные стали перлитного класса, содержащие не более 3–4% легирующих элементов (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий и др.). Так, добавка хрома увеличивает жаростойкость, придает устойчивость карбидам, введение молибдена повышает жаропрочность, а ванадия – жаростойкость. Небольшое содержание углерода в стали обеспечивает ее высокую пластичность, допускает применение холодной гибки, вальцовки. Эти стали обладают хорошей свариваемостью. Их применяют до значений температуры 560–570°С.
Для котлов с давлением пара > 4,5 МПа коллекторы изготовляют из низколегированной стали 15 ХМ (1% Сг; 0,5% Мо), 12Х 1МФ (1% Сг; 0,5% Мо; 0,3% V). Стоимость труб из хро-момолибденовых сталей в 1,5–2 раза выше, чем из углеродистых.
Трубы пароперегревателей котлов с температурой перегретого пара 510–520°С, а также их крепления в газоходах изготовляют из высоколегированных сталей аустенитного класса марок ОХ18Н10Т, ОХ18Н12Т. Эти стали обладают высокой жаропрочностью, жаро- и коррозионной стойкостью, пластичностью, хорошей свариваемостью. Однако они склонны к коррозионному растрескиванию, если при напряжениях растяжения сталь находится в контакте с водой, содержащей ионы хлора и кислорода. Кроме того, аустенитные стали чувствительны к наклепу, обладают низкой деформационной способностью в зоне сварных соединений. Стоимость их в пять раз выше углеродистых.
Элементы каркаса и обшивки, работающие в зоне низких температур в воздушной среде, изготовляют из низкоуглеродистых сталей марок Ст2, СтЗ, Ст4 (ГОСТ 380–71), при температуре среды до 425°С применяют стали марок 30, 35, 40, при более высоких температурах – легированные стали 1X13, Х20Н14С2. Влияние параметров пара и других факторов на различные конструктивные узлы котла не одинаково. Поэтому для постройки котла применяют разные материалы с таким расчетом, чтобы при обеспечении высокой надежности, долговечности и требуемых массогабаритных показателей его стоимость была минимальной.
Дата добавления: 2014-12-24; просмотров: 1028;