Если коэффициент асимметрии цикла напряжения (Rσ) равен:

R_σ = σ_min / σ_max = – 1,

то такой цикл напряжений называют симметричным (рисунок 3.1).

Если R_σ = σ_min / σ_max = 0 или R_σ = – ∞,

то цикл напряжений называют отнулевым (рисунок 3.2). Для цикла растяжения R_σ = 0, а для цикла сжатия R_σ = – ∞.

Все циклы напряжений, для которых R_σ ≠ – 1 (то есть все циклы, отличные от симметричного), называют асимметричными.

Циклы, представленные на рисунке 3.3, являются знакопостоянными положительными (растяжение) и знакопостоянными отрицательными (сжатие).

Циклы, представленные на рисунке 3.4, являются знакопеременными.

При выборе предельных напряжений с учетом марок сталей и характера изменения напряжений во времени можно воспользоваться рекомендациями:

σ_{Т изгиб} = 1,1· σ_Т – для легированных сталей;

σ_{Т изгиб} = 1,2· σ_Т – для углеродистых сталей;

τ_Т = 0,6 · σ_Т – для любых сталей;

σ_{R раст} = 0,35 · σ_В;

σ_{R изгиб} = (0,40 ÷ 0,45) · σ_В;

τ_R = 0,25 · σ_В – кручение.

Лекция 4. Влияние условий изготовления и работы на прочность парогенератора

Цель лекции: Изучение комплекса факторов, оказывающих влияние на снижение прочностных характеристик конструкционных сталей, и освоение методик расчета на прочность узлов парогенератора.

4.1 Основные показатели снижения механических характеристик

конструкционных сталей: хрупкость, старение, рекристаллизация

и отдых, сфероидизация и графитизация, ползучесть,

усталость, коррозия

Хрупкие материалы, как отмечалось выше, плохо работают на растяжение и не выносят ударов. Поэтому повышение хрупкости металла приводит к снижению его механических характеристик.

Стали, используемые для изготовления элементов котлов и трубопроводов, должны обладать достаточно высокой ударной вязкостью. Ударная вязкость не может быть непосредственно использована в расчетах на прочность, также как и показатель пластичности. Элементы котельного агрегата во время эксплуатации нередко подвергаются ударам, что связано с выполнением монтажных и ремонтных работ. Достаточная величина ударной вязкости обеспечивает надежность элементов котла при термических ударах.

Величина ударной вязкости углеродистых сталей зависит от температуры и проявляется в хладноломкости, синеломкости и красноломкости.

Первая зона располагается в области температур ниже 0 ⁰С, вторая зона – при температурах 300 ÷ 400 ⁰С и третья зона – при температурах около 900 ⁰С.

Хладноломкость стали зависит в значительной мере от содержания фосфора: чем больше содержание фосфора, тем при более высокой температуре происходит переход в хрупкое состояние. Красноломкость имеет место в тех случаях, когда сталь загрязнена серой и некоторыми другими примесями. Тепловой хрупкостью именуется явление, наблюдаемое у некоторых сортов стали (хромоникелевых, марганцовистых) и заключающееся в том, что после длительного пребывания этих сталей при температуре 400 ÷ 500 ⁰С ударная вязкость их значительно снижается.

Ряд котельных сталей подвержен отпускной хрупкости. Она наблюдается после отпуска при температурах 550 ÷ 650 ⁰С и заключается в снижении в результате указанного процесса ударной вязкости при комнатной температуре.

Старение – одно из отрицательных свойств котельных сталей. Котельные стали должны обладать высокой сопротивляемостью старению. Под старением понимается снижение ударной вязкости стали, вызываемое предварительным наклепом в холодном состоянии или при низких температурах, с последующим длительным охлаждением при комнатной температуре (естественное старение) или с последующим кратковременным пребыванием при температуре 100 ÷ 300 ⁰С (искусственное старение).

Склонность к старению является весьма существенным недостатком котельной стали, так как в условиях производства и монтажа элементов котельного агрегата часто создается наклеп отдельных элементов, которые в последующей эксплуатации находятся при рабочих температурах, вызывающих быстрое старение.

Старение как физико-химическое свойство характерно также для неметаллических материалов. Прессованная древесина, древесно-слоистые пластики, пластмассы, текстильные материалы, резина – под действием температуры и времени подвержены старению, при котором происходит снижению пластичности и прочности материалов, а хрупкость увеличивается.

Необходимо соблюдать условия их хранения, согласно инструкциям. При использовании в качестве уплотнительных материалов (например, сальниковых набивок), надо учитывать их температурную стойкость и устойчивость к транспортируемой среде (вода, пар, мазут и т. д.).

Рекристаллизация – это свойство сталей менять модификацию железа, входящего в их состав, под воздействием температуры и времени. Наибольший интерес представляют две модификации железа (α) и (γ), имеющие кристаллические решетки соответственно в виде объемно- и гранецентрированного куба. Важное практическое значение имеет превращение (γ)-железа в модификацию (α), происходящее в процессе охлаждении металла при температуре 910 ⁰С. В результате такой перекристаллизации удается получить весьма мелкозернистое строение металла с высокой прочностью.

Для элементов котельных агрегатов, работающих при температуре металла выше 585 ⁰С, используются аустенитные легированные стали. Аустенит представляет собой твердый раствор углерода в железе различных модификаций. При термической обработке (закалке) выбирается такой режим охлаждения, который позволяет получить устойчивую и наиболее прочную модификацию железа. Со временем эти характеристики металла могут из меняться.

Основное требование к металлу паропроводов и элементов котельных агрегатов сводится к стабильности структуры и свойств в условиях длительной эксплуатации.

Сфероидизация – это свойство сталей менять размер зерна внутренней структуры под воздействием температуры и времени.

Испытание образцов на растяжение при комнатной температуре показывает, что разрушение происходит по зернам, то есть излом имеет транскристаллический характер. При таких условиях прочность зерен меньше, чем их сцепление между собой.

С ростом температуры сцепление между зернами уменьшается и зерна оказываются прочнее границ. Разрушение в этих условиях имеет интеркристаллический характер, то есть происходит по границам зерен.

Существует также температура нагрева, при которой прочность зерен и сил сцепления между ними оказывается одинаковой. Эта температура

называется температурой равного сцепления (t_р.с).

При t < t_р.с мелкозернистый металл обладает большей прочностью, а выше этой температуры более прочным является металл с крупнозернистой структурой, для которой характерна меньшая поверхность зерен.

Каждой температуре соответствует своя определенная величина зерна металла, обеспечивающая оптимальное соотношение жаропрочности и длительной пластичности.

Для изготовления элементов паровых котлов и сосудов, работающих при температуре стенки свыше 400 ÷ 450 ⁰С, обычно применяют стали с однородной структурой и величиной зерна, соответствующей 3 ÷ 6 баллам.

Графитизация. Сталь, применяемая для изготовления элементов котлов или трубопроводов, должна быть стойкой против графитизации. Явление графитизации заключается в том, что в углеродистой и низколегированной молибденовой сталях при температурах выше 450 ⁰С (для первой) и выше 480 ⁰С (для второй) происходит распад карбида FеС. Графитизация приводит к понижению ударной вязкости и других механических свойств.

Ползучесть – это увеличение деформаций без изменения нагрузки. Явления ползучести заключаются в непрерывной пластической деформации элементов, находящихся в напряженном состоянии и работающих при высоких температурах. Ползучесть приводит к утонению стенок элементов, находящихся в напряженном состоянии и, следовательно, к повышению напряжений. Повышение напряжений, в свою очередь, приводит к более интенсивной ползучести, в результате чего стенка может настолько утониться, что в конце концов произойдет ее разрушение.

Усталость является следствием длительного воздействия переменных нагрузок. Опыты показывают, что в конструкциях, подверженных воздействию переменных нагрузок, разрушение происходит при напряжениях значительно меньших, чем предел прочности (σ_В).

Разрушение при циклическом нагружении происходит вследствие возникновения микротрещин в зоне концентраций напряжений. Трещины постепенно развиваются, проникая вглубь, поперечное сечение детали ослабляется и в некоторый момент происходит мгновенное разрушение.

Разрушение материала, вызванное циклическим действием напряжений, называется усталостью.

Способность материала воспринимать многократное действие переменных напряжений без разрушений называется сопротивлением усталости или выносливостью материала.

Коррозия элементов поверхностей котельного агрегата является результатом воздействия газов высоких температур. Этот вид коррозии обусловлен образованием водорода из водяного пара под воздействием высоких температур. Выделяющийся при температуре выше 400 ⁰С водород может взаимодействовать со сталью, «охрупчивая» ее.

4.2 Расчет на прочность узлов парогененратора: задачи,

назначение и методика расчета на прочность деталей котла;

конструктивный и поверочный расчет; главные напряжения и выбор допускаемых напряжений по данным энергетической теории

Задачей расчета на прочность деталей котла, работающих под давлением (коллекторов, кипятильных труб) является определение толщины стенки или допускаемого давления в этих деталях. Соответственно различают конструктивный и поверочный расчет на прочность.

При конструктивном (проектном) расчете по известному рабочему давлению, диаметру оболочки и допускаемому напряжению металла определяется толщина стенки оболочки.

При поверочном расчете по известным геометрическим характеристикам и допускаемым напряжениям определяется допускаемое рабочее

давление в аппарате.

Методика конструктивного и поверочного расчета является обобщенной и различается лишь в целях расчета и искомых величинах. Детали котельного агрегата работают под напряжениями, которые подразделяются на внутренние (остаточные и температурные) и внешние, возникающие под действием рабочей среды и веса деталей.

Остаточные напряжения устраняют соответствующей термической обработкой ответственных деталей котла. Температурные напряжения в барабанах, опускных трубах и коллекторах котлов устраняются (снижаются) выносом их из зоны обогрева и хорошей теплоизоляцией.

В кипятильных трубах поверхностей нагрева температурные напряжения не исключаются, однако они могут быть значительно снижены правильной организацией теплообмена.

Внутренние напряжения не могут быть точно определены и поэтому расчеты на прочность элементов котлоагрегата выполняют, исходя из напряжений от внешних нагрузок. Наличие внутренних напряжений учитывается при выборе допускаемых напряжений металла путем их снижения.

В области упругих деформаций металла для котельных сталей при температуре до 400 °С расчет элементов котла производится на основании четвертой теории прочности (энергетической).

В соответствии с положениями энергетической теории прочности ответственность за разрушения несут эквивалентные напряжения, которые определяют по формуле:

(4.1)

Расчетная схема барабана котла представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Расчетная схема барабана котла:

₁ = _t – тангенциальные напряжения;

_m = ₂ – меридиональные напряжения (осевые);

₃ – радиальные напряжения

Для тонкостенной оболочки (мембраны):

где P – расчетное давление, МПа;

R– определяющий геометрический размер оболочки (радиус), м;

h – толщина оболочки, м;

Подставляя значения тангенциальных и меридиональных напряжений в уравнение (4.1), получим:

(4.2)

где – допускаемые напряжения, принимаемые по сортаменту стали.

(4.3)

или . (4.4)

Подставляя поочередно в выражение (4.4) значения наружного и внутреннего радиусов оболочки, будем иметь:

. (4.5)

После преобразований полученных выражений получим:

. (4.6)

Окончательно толщина стенки, с учетом конструктивной прибавки на коррозию, будет равна:

(4.7)

где D_В, D_Н – внутренний и наружный диаметр оболочки, м;

h^/ = h – C – расчетная толщина оболочки, м;

С = 0,002  0,004 – конструктивная прибавка на коррозию металла, м.

В области ползучести металла, то есть при температуре более 400 °С, согласно теории ползучести, деформация определяется интенсивностью касательных напряжений.

Поэтому условие прочности аналогично условию согласно энергетической теории. То есть, расчетными формулами толщины стенки барабана

можно пользоваться вне зависимости от толщины металла.

Экспериментальной проверкой расчетных формул для трубчатых и цилиндрических образцов, работающих в области ползучести, установлено, что скорость ползучести для данного значения приведенного напряжения превышает её расчетные значения в среднем на 7%. Поэтому запас прочности при расчетах в области ползучести соответственно увеличивается.

При выполнении поверочного расчета допустимое рабочее давление определяют по формулам:

(4.8)

где  – коэффициент прочности в продольном направлении.

При расчете барабанов величина расчетного давления (P_РАСЧ) принимается равной сумме рабочего давления среды в барабане и гидростатического давления столба жидкости.

Под рабочим давлением в барабане котла понимается сумма номинального давленого давления пара на выходе из пароперегревателя и потери давления в нём при максимальной производительности:

где P_Н – номинальное давление пара на выходе из пароперегревателя;

P_П.П – потери давления в пароперегревателе;

P_Г.СТ – гидростатическое давление столба жидкости;

P_РАБ – рабочее давление среды в барабане;

P_РАСЧ – расчетное давление.