Какая сталь используется для изготовления котлов

Какая сталь используется для изготовления котлов

Металл котлов

Металл паровых котлов работает в очень тяжелых условиях, так как на него воздействуют давление и температуры воды и пара (пароводяной смеси), собственный вес обмуровки и неравномерного расширения деталей котельного агрегата.

Толщину стенки барабанов, коллекторов и труб, размеры деталей каркаса и т.п. определяют в зависимости от величины суммарной нагрузки и требуемого запаса прочности, обеспечивающего длительную работоспособность деталей. Кроме прочности, металл должен обладать пластичностью (отсутствие хрупкости), противостоять коррозии и иметь хорошую свариваемость. Поэтому для производства деталей котельных агрегатов (особенно тех, что работают под давлением) применяют высококачественные сорта сталей.

Во всех сортах котельной стали содержится небольшое, строго ограниченное количество углерода, марганца и кремния, а также не полностью выведенные вредные примеси — сера и фосфор. Сталь, содержащая только указанные элементы, называется углеродистой.

Из углеродистой стали изготовляют водяной экономайзер , экраны и барабаны котельных агрегатов, работающих при температуре до 450 °С. При температуре более 450 °С прочность углеродистой стали резко снижается. Поэтому для изготовления деталей, работающих при более высокой температуре, применяют специальную жаропрочную сталь, в состав которой вводят небольшое количество молибдена, хрома, никеля и других химических элементов для придания металлу определенных свойств. Такая сталь называется низколегированной.

Из низколегированной стали марок 12Х1МФ и 15Х1МФ изготовляют обычно радиационные поверхности нагрева прямоточных котельных агрегатов и пароперегреватели (за исключением выходной части), работающие при температуре до 540 °С.

Как углеродистая, так и низколегированная стали относятся к стали перлитного класса, отличающейся темной поверхностью.

Наибольшей жаропрочностью обладает хромоникелевая сталь марки Х18Н12Т аустенитного класса, называемая также нержавеющей сталью, у которой легирующие добавки никеля и хрома достигают 30 % массы металла. Из этой стали изготовляют трубы выходной части пароперегревателей котельных агрегатов высокого давления, металл которых эксплатируют при температуре 570—660 °С. В составе стали, кроме никеля и хрома, имеется небольшое количество титана, стабилизирующего структуру стали при высокой температуре. Такая сталь имеет светлую, блестящую поверхность. Основными преимуществами аустенитной стали являются ее высокая жаропрочность и способность противостоять коррозии при высокой температуре благодаря большому содержанию хрома (18 %) и никеля (12 %); отсюда и название — нержавеющая сталь. Аустенитная сталь во много раз дороже перлитной стали.

Посмотрим, как влияют отдельные элементы химического состава стали на ее свойства.

Влияние углерода.

С увеличением содержания в составе стали углерода она становится более прочной и менее пластичной. Чрезмерно высокое содержание углерода является вредным, так как слишком твердая и малопластичная сталь хуже сопротивляется разным механическим деформациям, возникающим, например, при защемлении экранных труб при растопке котла, а также ухудшается свариваемость стали.

Для изготовления поверхностей нагрева котельного агрегата, работающих при температуре пара до 450 °С, широко применяют углеродистую сталь марки 20 с содержанием углерода до 0,25 %, а для изготовления каркаса котлов — углеродистую сталь марки Ст. 3. В низколегированной стали углерод содержится в еще меньшем количестве. Например, в применяемой для изготовления пароперегревателей современных котельных агрегатов стали марки 12Х1МФ содержание углерода не должно превышать 0,15 %.

Влияние марганца.

Марганец подобно углероду повышает прочность стали и несколько уменьшает ее пластичность. При плавке стали в мартеновской печи марганец способствует очистке металла от серы, образуя легко удаляемый шлак.

Применяемая для изготовления барабанов котлов сталь марки 22К содержит 0,75-1,0 % марганца. Сталь марки 20 содержит 0,35-0,65 % марганца.

Влияние кремния.

Чем больше кремния в стали, тем больше её прочность и меньше пластичность. При плавке в металлургических печах его применяют для раскисления стали; соединяясь с растворенным в стали кислородом, кремний образует легко удаляемые шлаки, поднимающиеся на поверхность жидкого металла.

Влияние молибдена. Молибден повышает жаропрочность стали и ее пластичность. В стали 12Х1МФ содержится 0,25—0,5 % молибдена, в стали 15Х1М1Ф 0,9—1,1 %.

Влияние хрома.

Хром повышает жаропрочность и прочность стали и понижает ее пластичность.

Выбор материала котлов

Глава 6. МАТЕРИАЛЫ И ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ ПАРОВЫХ 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.

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 10 5 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.

Читать еще:  Как сделать самогон из сахара и дрожжей

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.

Выбор материала котлов

Глава 6. МАТЕРИАЛЫ И ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ ПАРОВЫХ 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.

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 10 5 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.

Читать еще:  Как рассчитать материалы для забора. Онлайн калькулятор

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.

Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочная сталь используется при изготовлении разных деталей, которые контактируют с агрессивными средами, при этом подвергаются значительным нагрузкам, вибрациям и высокому термическому воздействию. К примеру, сюда относятся следующие изделия: турбины, печи, котлы, компрессоры и т.п. Далее представлены характеристики термостойких, жаропрочных сплавов, классификация, марки, особенности их применения.

Жаростойкая сталь (или окалиностойкая) – металлический сплав, используемый в ненагруженном или слабонагруженном состоянии и способный на протяжении длительного времени в условиях высоких температур (более 550 ºС) сопротивляться газовой коррозии. Жаропрочные металлы – изделия, которые под высоким термическим воздействием сохраняют свою структуру, не разрушаются, не поддаются пластической деформации. Важная характеристика таких металлов – условный предел ползучести и длительной прочности. Жаропрочные сплавы могут быть жаростойкими, однако не всегда такими бывают, поэтому в агрессивных средах могут быстро повредиться по причине окисления.

Свойства жаростойких и жаропрочных сплавов

Для повышения жаростойкости используются легирующие добавки, которые также улучшают прочность металлов. Благодаря легированию на поверхности сплавов образуется защитная пленка, снижающая скорость окисления изделий. Основные легирующие элементы: никель, хром, алюминий, кремний. В процессе нагрева образуются защитные оксидные пленки (Cr,Fe)2O3, (Al,Fe)2О. При содержании 5–8 % хрома жаростойкость стали увеличивается до 700–750 градусов по Цельсию, 17 % хрома – до 1000 градусов, при 25 % хрома – до 1100 градусов.

Жаропрочные марки металлов – сплавы на основе железа, никеля, титана, кобальта, упрочненные выделениями избыточных фаз (карбидов, карбонитридов и др.). Жаропрочностью обладают хромоникелевые и хромоникелевомарганцевые стали. Под воздействием высоких температур они не склонны к ползучести (медленная деформация при наличии постоянных нагрузок). Температура плавления жаропрочной стали составляет 1400-1500 °С.

Классификация жаропрочных и жаростойких сплавов

При температуре до 300 ºС используется обычная конструкционная (углеродистая) сталь – прочный и термостойкий металл. Для работы в условиях свыше 350 ºС требуется применение жаропрочных металлов. Основные виды сплавов повышенной термостойкости и термопрочности:

  • Перлитные, мартенситные и аустенитные;
  • кобальтовые и никелевые сплавы;
  • тугоплавкие металлы.

К перлитным жаропрочным сталям относят котельные стали и сильхромы, содержащие малый процент углерода. Температура рекристаллизации материала повышается за счет легирования молибденом, хромом, ванадием. Сплавы характеризуются неплохой свариваемостью. Производство мартенситных сталей осуществляется с использованием перлитных и добавок хрома, закалки при 950–1100 ºС. Они содержат более 0,15 % углерода, 11-17 % хрома, небольшое количество никеля, вольфрама, молибдена, ванадия. Стали мартенситного класса устойчивы к воздействию коррозии в щелочных, кислотных растворах, повышенной влажности, в случае термообработки при 1050 градусах отличается высокой жаропрочностью.

Жаропрочные аустенитные стали могут иметь гомогенную или гетерогенную структуру. В сплаве с гомогенной структурой, не упрочняемых термообработкой, содержится минимум углерода, много легирующих элементов, что обеспечивает сопротивление ползучести. Такие материалы подходят для применения при температуре до 500 °С. В гетерогенных твердых растворах, упрочняемых термообработкой, образуются карбидные, интерметаллидные, карбонитридные фазы, что обеспечивает применение жаропрочных сплавов под напряжением при температуре до 700 °С.

При температуре до 900 °C эксплуатируют никелевые и кобальтовые сплавы: они применяются при производстве турбин реактивных двигателей, являются лучшими жаропрочными материалами. Кобальтовые сплавы по жаропрочности немного уступают никелевым, являются более редкостным. Отличаются высокой теплопроводностью, коррозионной устойчивостью при высоких температурах, стабильностью структуры в процессе длительной работы.

Содержание никеля в никелевом сплаве составляет свыше 55 %, углерода 0,06-0,12 %. В зависимости от структуры различают гомогенные (нихромы), гетерогенные (нимоники) сплавы никеля. Нихромы, изготавливаемые на основе никеля, в качестве легирующей добавки содержат хром. Им свойственна не только жаропрочность, но и высокая жаростойкость. Нимоники состоят из 20 % хрома, 2 % титана, 1 % алюминия. Марки сплавов: ХН77ТЮ, ХН55ВМТФКЮ, ХН70МВТЮБ.

При температурах до 1500 градусов и выше могут работать жаропрочные сплавы из тугоплавких металлов: вольфрама, ниобия, ванадия и др.

Материалы, применяемые в технологических котельных установках

Министерство образования Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

к изучению курсов «Материаловедение»,

«Технология конструкционных материалов»,

«Специальные виды обработки материалов»

для студентов специальности 120100 ТМС,

170500 МХП, 170900 ПСМ всех форм обучения

редакционно — издательским советом

Балаковского института техники,

технологии и управления

С целью повышения технико-экономических показателей производств в промышленности на базе создания высокопроизводительных установок возросло значение процессов тепло — и массообмена с точки зрения рационального использования теплоэнергетических и сырьевых ресурсов. Важнейшими техническими задачами производства являются интенсификация технологических процессов и экономия сырьевых ресурсов, особенно топлива. Единственный путь для этого — создание технологий и теплотехнологических процессов, при которых весь сырьевой поток и все энергетические ресурсы полностью или с максимальной полнотой используются в производстве.

Эти обстоятельства требуют нового подхода к аппаратному оформлению технологических процессов и создания высокоэкономичных теплоиспользующих установок.

Среди технологического оборудования заметное место принадлежит теплообменным, выпарным, перегонным, сушильным и другим теплоиспользующим аппаратам, проектирование и изготовление которых может быть успешно решено путем оптимизации и применения эффективных режимов ведения гидродинамических и тепломассообменных методов расчета, передовых технологий изготовления, современных материалов.
Рыночная экономика предполагает возможность потребителю делать свой выбор источника энергоснабжения, исходя из стоимости, качества и бесперебойности последнего. Необходимо особо отметить одно из перспективных направлений, к которому приобщается вслед за зарубежным и отечественное дизелестроение — создание и выпуск когенерационных дизельных установок – конструктивно объединенного комплекса оборудования, обеспечивающего выработку электроэнергии и теплоснабжение за счет утитазации тепла, выделяемого ДВС.
Данное обстоятельство предполагает применение эффективных теплообменников в комплексе с ДВС, а значит, и требует от них высоких технико-экономических показателей.

2. Основные сведения о технологических котельных установках

Для получения пара или горячей воды служат специальные устройства – паровые или водогрейные котлы.
Котел — это конструктивно объединенный в одно целое комплекс устройстройств для получения пара или горячей воды под давлением за счет теплоты, получаемой от сжигания топлива.
Котлы, предназначенные для получения пара, называются паровыми, а котлы, которые служат для нагрева воды под давлением — водогрейными.
В котел могут входить полностью или частично: топка, пароперегреватнль экономайзер, воздухоподогреватель, каркас, обмуровка, тепловая изоляция, обшивка.

Котлы различаются по следующим признакам:
по назначению — энергетические (предназначенные для тепловых электростанций) и отопительно — производственные,
по расположению топки — с внутренней, внешней (нижней) и выносной,
по способу сжигания топлива — слоевые, где топливо горит в слое на колосниковой решетке, и камерные, где топливо горит во взвешенном состоянии,
по перемещению уходящих газов и воды — газотрубные (дымогарные и комбинированные), в которых продукты сгорания топлива проходят внутри труб поверхностей нагрева, а вода и пароводяная смесь — снаружи труб, водотрубные, в которых вода, пароводяная смесь и пар движутся внутри труб поверхности нагрева, а продукты сгорания топлива — снаружи труб,
по конструктивным особенностям — цилиндрические, горизонтально-водотрубные, вертикально-водотрубные с одним или несколькими барабанами, по движению водяного или пароводяного потока внутри котла — с естественной или принудительной многократной и прямоточной циркуляцией,

Читать еще:  Как армировать ленточный фундамент под забор

по давлению — паровые котлы низкого (до 0,1 МПа), среднего (от 0,1 до 10 МПа) включительно, высокого давления (от 10 до 22,5 МПа).
Кроме этого, существуют котлы утилизационные, в которых получение пара или горячей воды осуществляется за счет тепла, отводимого от двигателя внутреннего сгорания.

3. Основные требования, предъявляемые к материалам

Во время эксплуатации паровые и водогрейные котлы, пароперегреватели, экономайзеры, трубопроводы пара и горячей воды, а также сосуды, работающие под давлением, находятся под одновременным воздействием высоких температур, механических напряжений и агрессивной среды. Это обстоятельство определяет
высокие требования, которые предъявляются к металлу.
Правила котлонадзора регламентируют материалы, допускаемые к применению, в зависимости от температуры металла стенки, ее толщины, давления и температуры среды.
Материалы, предназначенные для изготовления и ремонта котлов, должны обладать хорошей свариваемостью, высокими прочностными свойствами, способностью деформироваться без образования трещин в холодном и горячем состоянии, которые обеспечивали бы надежную и безопасную эксплуатацию весь расчетный период работы. Если элемент конструкции работает в контакте с агрессивными средами, то материал должен быть коррозионно-стойким.
Качество и свойства материалов и полуфабрикатов должны удовлетворять требованиям соответствующих стандартов или технических условий. На материалы должны иметься сертификаты заводов — изготовителей, в которых указываются способ производства, режим термической обработки, механические свойства, химический состав, результаты испытаний технологических свойств и исследования структуры металла. Комплекс характеристик металла, указываемых в сертификате, определяется стандартом или техническими условиями на поставку.

Материалы для изготовления элементов объектов котлонадзора указываются в чертежах завода -изготовителя. Всякие изменения в проекте, необходимость которых может возникнуть при изготовлении, монтаже, ремонте или эксплуатации, должны быть согласованы с проектной организацией.

Отступление от правил при изготовлении объектов котлонадзора может быть допущено лишь в исключительных случаях по разрешению Госгортехнадзора РФ. Для получения разрешения предприятия или ведомства, в ведении которых находится объект, должны представить Госгортехнадзору РФ соответствующее техническое обоснование, а в случае необходимости также заключение головной научно-исследовательской организации.

Отступление от стандартов или технических условий может быть допущено лишь по согласованию с организацией, утвердившей соответствующий документ.

Если этот документ был согласован с Госгортехнадзором РФ, то отступления также должны быть с ним согласованы. Копия разрешения на отступления от правил, стандартов должна быть приложена к паспорту объекта котлонадзора.

Для изготовления и ремонта котлов необходимо применять только те материалы, которые указаны в «Правилах устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов». В правилах приведены предельные допустимые температуры и давление, при которых возможно применение перечисленных материалов. Применение материалов для работы при параметрах, превышающих установленные правилами пределы, а также материалов, не указанных в правилах, допускается министерством, в ведении которого находится проектная организация. Основанием для разрешения министерства должны служить заключения соответствующих научно-исследовательских организаций по металловедению, сварке и котлостроению. Разрешение должно быть согласовано с Госгортехнадзором РФ.

Аналогичный порядок следует соблюдать в отношении применения материалов при проектировании, изготовлении, монтаже и ремонте трубопроводов пара и горячей воды, работающих под давлением.

Закупаемые за рубежом объекты котлонадзора или его элементы должны соответствовать требованиям и нормам отечественных правил. Все отступления от правил должны быть согласованы с Госгортехнадзором РФ до приобретения указанного оборудования и материалов.

Расчеты на прочность закупаемых за границей объектов котлонадзора должны выполняться по нормам, действующим в РФ. Допускается применение оборудования, рассчитанного по нормам страны-поставщика, в тех случаях, когда специализированная организация подтвердит, что этот расчет обеспечивает требования отечественных норм.

4. Основные требования к листовой стали

При изготовлении и ремонте объектов котлонадзора наиболее распространенным материалом служат низкоуглеродистые стали, которые пластичны, поддаются обработке давлением, гибке и правке в холодном и горячем состоянии, хорошо свариваются. Низкоуглеродистые стали характеризуются удовлетворительными механическими свойствами, достаточно прочны при нагреве до 450 °С, хорошо
воспринимают динамические нагрузки и не склонны к хрупкому разрушению. Эти стали имеют удовлетворительную коррозионную стойкость в неагрессивных средах, дешевы и наименее дефицитны.
Значительное влияние на механические свойства и работоспособность готовых изделий оказывают особенности производства стали и стальных полуфабрикатов.
Кроме способа выплавки, на свойства стали большое влияние оказывает степень раскисления, в зависимости от которой стали делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие. К обозначению марки стали после обозначения марки добавляют буквы: СП-спокойная, ПС-полуспокойная, КП — кипящая.
Углеродистые стали бывают обыкновенного качества, качественные и
высококачественные. Листы из углеродистой стали для изготовления и ремонта объектов котлонадзора поставляются по ГОСТ 380, ГОСТ 5520 и ГОСТ 1050.

Углеродистая горячекатаная сталь обыкновенного качества, полученная в мартеновских печах и конверторах, поставляется по ГОСТ 380 и разделяется на три группы по нормируемым показателям: А — сталь, поставляемая с гарантированными механическими свойствами, Б — сталь, поставляемая с гарантированным химическим составом, В сталь, поставляемая с гарантированными механическими свойствами и гарантированным химическим составом.

Марки углеродистых сталей имеют буквенно-цифровое обозначение. В группу А входят стали, маркируемые от Ст 0 до Ст 6. Числа от 0 до 6 характеризуют ее механические свойства: чем больше число, тем прочнее сталь (содержит больше углерода). Но одновременно с повышением прочности снижается ее пластичность и ухудшаются технологические свойства. Группа А в обозначении марки стали не указывается.

Сталь группы А применяется для изготовления деталей и элементов конструкции, не подвергающихся термической обработке. Необходимая прочность изделия достигается выбором стали соответствующей марки.

Для сталей группы А по ГОСТ 380 регламентированы предел прочности, предел текучести и относительное удлинение. Для сталей марок Ст 0-Ст 5 предусмотрено испытание на изгиб в холодном состоянии (технологическая проба). Сталь группы А может поставляться трех категорий, для которых нормированы рязличные комбинации показателей прочности и пластичности.

Так, сталь, поставляемая по первый категории, должна обладать заданными пределом прочности и относительным удлинением. Сталь, поставляемая по второй категории, должна выдерживать, кроме того, испытания на изгиб в холодном состоянии. Сталь, поставляемая по третьей категории, имеет гарантированные не только все указанные выше характеристики прочности и пластичности, но и предела текучести.

Для обозначения категории стали к обозначению марки добавляют в конце номер категории. Например, Ст3пс2: сталь марки 3, полуспокойная, поставляемая по второй категории. Первая категория в обозначении марки не указывается, например, Ст2кп. Химический состав стали, поставляемой по группе А, сообщается заказчику, но браковочным признаком не является.

Полуспокойная сталь с номерами марок 3 и 5 производится с обычным и повышенным содержанием марганца, например, СтЗгпс.

Сталь группы Б подвергается термической обработке. Стали этой группы имеют перед обозначением марки букву Б, например, БСтЗкп.

Номер марки стали группы Б представляет собой условное число, характеризующее химический состав стали. Стандартом установлены пределы содержания углерода, марганца, кремния, фосфора, серы, хрома, никеля, меди и мышьяка. В зависимости от того, содержание каких элементов гарантируется, стали делятся на две категории. В сталях первой категории гарантируется содержание всех указанных выше элементов, кроме хрома, никеля и меди, в сталях второй — всех без исключения.

В сталях группы В одновременно гарантируется химический состав и механические свойства (таблица 1). Перед обозначением марок сталей этой группы ставится буква В, например, ВСт2пс. Сталь группы В выпускается шести категорий. Для того, чтобы не спутать марки стали проката в производстве, при хранении на складах и транспортировке проводят ее клеймение и цветную маркировку в виде полос по концам проката или окраску торцов.

Нормируемые механические свойства сталей группы В

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector