Лекция №16 Металлы элементов парогенераторов и их
advertisement
Лекция №16 Металлы элементов парогенераторов и их изношенность. План: 16.1 Условия работы металла 16.2 Металл элементов парогенератора 16.1 Условия работы металла Основными конструкционными материалами элементов котла являются углеродистая и легированная стали. Условия работы металла котла различны. Металл экономай-зерной и испарительной систем котла работает под высоким давлением — до 25 МПа при относительно умеренных температурах рабочего тела — до 380°С. В пароперегревателе наряду с указанным высоким давлением имеет место и наиболее высокая температура рабочего тела —до 565°С. В воздухоподогревателе давление воздуха невелико (до 3 кПа) и внутренние механические усилия незначительны, но металл подвергается воздействию относительно высоких температур (до 450°С) при ухудшенных условиях его охлаждения воздухом. По ходу газового потока тепловые нагрузки поверхностей нагрева изменяются. Максимальное их значение имеет место в испарительных поверхностях нагрева, расположенных в топке, минимальное — в воздухоподогревателе. Элементы каркаса котла несут значительные статические нагрузки, но работают при температуре окружающей воздушной среды. Поверхности нагрева омываются агрессивными продуктами сгорания топлива, содержащими 02> С02, S02, S03, NO*, в потоке которых при сжигании твердого топлива находятся частицы шлака и золы. В результате возникают коррозионные явления в металле, а также происходит истирание конвективных поверхностей нагрева твердыми частицами уноса. В течение длительного времени работы элементов котла под давлением и при повышенных температурах изменяются структура металла и его механические свойства: прочность, вязкость и хрупкость. Прочность металла характеризуется пределом прочности Ϭв — напряжением, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец металла прн его растяжении без разрушения, и пределом текучести 0т — напряжением, при котором образец деформируется без увеличения нагрузки. Пластичность металла характеризуется относительным удлинением и сужением при разрыве. Показателем хрупкости металла — его разрушение под действием нагрузки без заметных следов пластической деформации — является ударная вязкость. Ползучесть металла. На рис. 16.1 показано влияние температуры на прочность и пластичность малоуглеродистой стали. Предел прочности достигает максимума при температуре 250°С и при дальнейшем повышении температуры резко уменьшается. Предел текучести с повышением температуры уменьшается, особенно заметно начиная с температуры 250°С. Показатели пластичности сначала несколько уменьшаются, а затем, начиная с температуры 250°С, возрастают. При совместном воздействии в течение длительного времени высоких напряжений и температур более 450 °С в стали возникают явления ползучести. Ползучестью металла называют процесс накопления пластической деформации стали при длительной ее работе под нагрузкой при напряжениях ниже предела текучести. При ползучести происходит постепенное увеличение размера детали, что при достижении определенной остаточной пластической деформации приводит к ее разрушению при сохраняющейся неизменной нагрузке. На рис. 16.2 показаны зависимости деформации металла е от времени работы под нагрузкой при различных температурах металла. Процесс ползучести по времени разделяется на три периода. В начальный период времени на участке ОА деформация протекает со значительной, но постепенно убывающей скоростью. Во втором периоде на участке АВ деформация протекает с равномерной скоростью. В третьем периоде на участке ВС скорость ползучести увеличивается вплоть до момента разрушения детали. По наклону прямолинейного участка АВ определяется равномерная скорость ползучести Для деталей котла, работающих в условиях ползучести, допускается скорость ползучести Vn = 10-5, т. е. 1 % за 100 000 ч работы. Прочностной характеристикой металла, работающего в условиях ползучести, является длительная прочность, под которой понимается способность металла без разрушения воспринимать данную нагрузку в течение установленного периода времени. где В и К — опытные коэффициенты; Т — температура металла, к. Зависимость длительной прочности от температуры определяется выражением Для оценки пластичности металла, работающего ползучести, может использоваться ресурс пластичности в условиях где Vп — скорость ползучести; t—срок службы металла. Для сталей наиболее благоприятным Является соотношение, при котором ресурс пластичности в 2—3 раза превышает допустимую деформацию. Ресурс пластичности следует учитывать при расчетах длительности срока службы деталей, устанавливая некоторый запас по пластичности: где ɛдоп — допускаемая пластичность. Допускаемую скорость ползучести можно установить по значению допускаемой пластичности и срока службы детали по формуле По Удоп можно установить и допускаемое напряжение, при котором металл будет иметь эту скорость ползучести. 16.2 Металл элементов парогенератора В соответствии с указанными условиями работы металла элементов котла к металлу предъявляются следующие основные требования: высокие механические характеристики—прочность, пластичность, вязкость, твердость; стабильность структуры и механических характеристик при работе с высокими нагрузками и высокой температурой в течение длительного времени; высокая Сопротивляемость воздействию агрессивных сред; возможность выполнения без особого усложнения технологических операций, необходимых при изготовлении и ремонте элементов котла. Этим требованиям удовлетворяют углеродистые и легированные стали. Для изготовления котлов широко применяют углеродистую сталь. Содержание углерода в эт0й стали допускается не более 0,3 % в целях обеспечения достаточной пластичности и вязкости, а также во избежание ухудшения качества сварных соединений. Содержание серы и фосфора должно быть не более 0,045 % в целях предотвращения хрупкости стали и ухудшения ее технологических качеств. Углеродистая сталь может длительно и надежно работать при температурах до 500°С. При большей температуре в условиях газовой среды происходит резкая интенсификация окалинообразования поверхности металла. Легирование стали имеет назначение повысить ее прочность и сопротивляемость окалинообразованию при высокой температуре. В качестве легирующих присадок применяют хром, молибден, никель, ванадий, титан, вольфрам, ниобий, марганец и бор, которые добавляются в сталь в различных комбинациях. Хром вводят в сталь для повышения ее жаростойкости, т. е. способности противостоять кислородной коррозии при высокой температуре; наличие в стали 12— 14 % хрома делает ее нержавеющей. Молибден добавляют для повышения жаропрочности — повышения предела прочности и текучести стали при высоких температурах, а также для улучшения других ее свойств. Никель повышает вязкость стали, ее жаропрочность и сопротивляемость старению. Для повышения сопротивляемости ползучести к низколегированной хромомолибденовой стали добавляют ванадий и ниобий. Содержание марганца в стали в пределах 0,3—0,8 % определяется технологическими требованиями процесса ее выплавки, а содержание марганца в стали в количестве 0,9— 1,5% повышает ее прочность. Легирующие элементы в марках стали обозначают следующими буквами: Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, М— молибден, Н — никель, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф — ванадий, X — хром. В обозначении марок легированной стали за буквами ставят цифры — содержание этих элементов в стали в процентах. Цифры перед буквенным обозначением указывают содержание углерода в стали в сотых долях процента для низколегированных сталей и в десятых долях процента для высоколегированной стали. Если в высоколегированной стали количество углерода не ограничено нижним пределом при верхнем пределе 0,09 % и выше, цифры перед буквенным обозначением не ставят. Качество стали Госгортехнадзором . для элементов котла регламентировано Барабаны котлов с толщиной до 60 мм изготовляют из углеродистой стали марок 15К и 20К. Для барабанов, работающих под давлением 4—10 МПа, применяют сталь 22К с повышенным содержанием марганца. Барабаны при давлении больше 10 МПа изготовляют из низколегированной стали марок 16ГНМ, 16ГС, 09Г2С и 10Г2С1. Трубы для поверхностей нагрева, коллекторов и соединительных трубопроводов, в которых температура стенки будет не выше 500°С, изготовляют из углеродистой стали марок 10 и 20. Трубы с температурой стенки выше 500°С изготовляют из легированной стали. Практически из угле- родистой стали марок 10 и 20 изготовляют все поверхности нагрева котлов и водогрейных агрегатов на давление до 2,4 МПа. Из легированной стали изготовляют системы пароперегревателей при температуре перегрева пара более 450 °С. Для первой ступени пароперегревателя может использоваться сталь 20. В котлах с давлением 10—14 МПа трубные системы топочных экранов и экономайзеров, а также частей пароперегревателя, у которых температура стенки на превышает 500°С, выполняют из стали 20 повышенного качества. Для пароперегревателей, предназначенных для перегрева пара до 540°С, с температурой стенки труб 570— 580 °С рекомендуется применение легированной стали 12Х1МФ. Пароперегреватели котлов на давление 14 МПа с температурой перегрева пара 565°С изготовляют из стали с несколько повышенным содержанием хрома и наличием бора. Для пароперегревателей, у которых температура стенки труб превышает 600°С, рекомендуется применение аустенитных сталей. Воздухоподогреватели и каркасы котла изготовляют из углеродистой стали 3. Стальные литые детали, работающие под давлением и при повышенной температуре, а также крепежные изделия изготовляют из стали марок 15Л—35Л. При этом содержание серы и фосфора в металле не должно превышать 0,05%.
