Металлы и прочность элементов ка

Условия, в которых работают элементы КА различны. Экономайзеры и испарительная система работают при высоких давлениях рабочей среды. Воздухоподогреватели – при низком давлении, но высокой тем­пературе рабочей среды.

По ходу газового потока тепловые нагрузки поверхностей нагрева изменяются. Максимальные тепловые нагрузки испытывают элементы труб находящихся в топке, а минимальные тепловые нагрузки испытывают элементы воздухоподогревателя. Элементы каркаса испытывают большие статические нагрузки, а температурные условия у них близки к температуре окружающей среды.

Наиболее тяжелыми условиями для работы металла является сочетание высоких температур и механических нагрузок. В таких условиях находятся элементы пароперегревателя, т.е. трубы, панели, детали неохлаждаемых подвесок, опоры, крепления и т.д. При выборе марки стали следует учитывать:

• температуру стенки;

• предельную величину механической нагрузки;

• наличие коррозионной среды;

механические свойства металла трубок (прочность и пластичность). Прочность - способность воспринимать нагрузки без разрушения металла.

Пластичность - способность воспринимать остаточную деформацию без разрушений и свариваемости.

Эти свойства с течением времени работы КА изменяются, т.е. они не постоянны.

Основные характеристики металла:

прочность характеризуется пределом прочности σ_в - это напряжение, при котором образец выдерживает ещё нагрузку без разрывов. Пределом текучести (физически) σ_т - напряжение, при котором образец

деформируется без увеличения прочности (σ_в> σ_т)

При испытании образцов наблюдается 4 стадии:

1. область упругих деформаций (при снятии нагрузки линейные размеры деталей восстанавливаются);

2) область текучести (при снятии нагрузки размеры не восстанавливаются);

3) граничит с областью пластических деформаций (резкое увеличение линейных размеров при снятии нагрузки);

4) разрыв (разрушение)- предел прочности.

Котельные стали должны иметь высокие пределы прочности, равно как и пределы пластичности.

Пластичность характеризуется относительным удлинением

l_o и l_к – длина рабочей части образца, часть до начала деформации и после разрушения;

относительным сужением

F_o и F_k – площади поперечного сечения.

Механические свойства котельных сталей зависят, кроме нагрузок, от температурных условий работы. σ_в и σ_т при темпера­туре больше 250°С заметно уменьшаются.

До t = 300 °С пластические свойства уменьшаются, а затем возрастают.

При совместном воздействии высоких температур и нагрузок в стали возникает явление ползучести (процесс накопления пласти­ческой деформации при длительной работе при напряженности ниже предела текучести). Характеризуется это свойство скоростью пол­зучести: , где

ε - удлинение в % , τ - время работы.

Vn для некоторых сталей выражается в %/час:

Допускается удлинение в 1% при работе в течение 100000 часов работы.

Металл в элементах КА и требования к нему:

- высокие механические свойства;

- стабильность структуры и механических свойств при работе с высокими напряжениями и высокой температурой в течение длительного времени эксплуатации КА;

• высокая сопротивляемость воздействию агрессивных сред;

• ремонтопригодность - возможность обработки в процессе ремонта.

Этими требованиями обладают углеродистые и легированные стали.

Углеродистые стали, широко применяются при изготовлении и ремон­те элементов КА. В них содержится не выше 0,3% углерода для обес­печения достаточной пластичности, вязкости металла - для обеспе­чения способности сварки. Содержание серы и фосфора допускается не более 0,04÷0,05%. Углеродистая сталь может длительно и на­дежно работать при условиях температуры до 450°С в условиях га­зовой коррозионной среды и сразу после температуры 450°С такие стали подвержены интенсивному окалинообразованию на их поверх­ности. Поэтому стали применяются в условиях температур выше 450°С. Легированная сталь повышает прочность и сопротивление окалинообразованию при высоких температурах. В качестве легирующих элементов применяют Cr, Mo, W, Na, Mn, Ni (Х, М, В, Ф, Г, Н, Р, Б) В - ниобий, С-кремний.

Легирующие элементы применяются в разных составах.

Сr - для повышения жаростойкости (способность противостоять кислородной коррозии при высоких температурах);

13÷15% - нержавеющая сталь;

Mo - для повышения прочностных характеристик (σ_в и σ_т);

Na - для повышения вязкости;

Va - повышает жаропрочность (сопротивление окалинообразованию);

W - улучшает механические свойства стали.

Легированные добавки используются совместно сразу несколько, но в небольших количествах.

Барабаны из углеродистой стали 15К, 20К (котельная), при давлениях выше 10 МПа (100 бар) 22К (в ней повышенное содержание Mn).

Трубы для поверхностей нагрева и коллекторов: при t до 450°С Ст10, Ст20

при t > 500°С легированные стали

для пароперегревателей с t_α ≈ 570÷580° легированная сталь12 ХМФ; до 620°С сталь 12Х2МФСР

Воздухоподогреватели из углеродистой стали Ст10, Ст20.

Экономайзеры, если не чугунные, Ст10, Ст20, а высококипящие - из легированных сталей.

Стальные литые детали, работающие под давлением при повышенных температурах, всевозможные подвески, - Ст 15Л - 35Л (Л - конгломерат легирующих добавок).

Расчет элементов КА на прочность имеет своей целью требовать толщину стенки таких цилиндрических поверхностей. В основу методов расчета на прочность положен принцип оценки по предельной нагруз­ке - допустимое напряжение - это нагрузки, близкие к пределу прочности при температуре работающего элемента. Основной нагрузкой, по которой принимается толщина стенки - давление рабочей среды.

D - внутренний диаметр;

σ _доп - допустимая нагрузка при температуре рабочей среды (стенки);

С - запас в мм, который задается проектировщиками, как запас на внешнюю коррозию;

P – рабочее давление.