Глава 6. материалы и основы расчета прочности паровых котлов

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.