Конструкційні матеріали і їх вибір при проектуванні, монтажі і ремонті теплоенергетичних установок

Для виготовлення теплообмінної, випарної, ректифікаційної і іншої тепломасообмінної апаратури широко застосовують вуглецеві і леговані сталі, кольорові метали і сплави, а також пластмаси і неметалеві матеріали.

Найважливішими показниками придатності матеріалів для виготовлення апаратури є механічні властивості, які встановлюються випробуванням зразків на міцність, пружність, пластичність, ударну в'язкість, твердість і витривалість. Крім того, матеріали піддаються випробуванням для перевірки технологічних властивостей і для виявлення їх придатності до різних способів обробки в холодному і гарячому стані, а також придатності до зварювання.

Матеріали вибирають, керуючись наступними чинниками:

- міцність в умовах високого тиску і температур;

- пластичність, що має важливе значення при змінних і ударних навантаженнях;

- схильність до старіння;

- стабільність структури в процесі термічної дії і механічних навантажень;

- стійкість до теплових ударів і різких коливань температури;

- однорідність, що характеризується відсутністю внутрішніх дефектів (розшарування, раковини, тріщини, включення чужорідних тіл, перепал і т.д.);

- чистота поверхні, що полегшує розвантаження та перешкоджає зависанню і налипанню маси на стінках апаратів і трубопроводів;

- корозійна стійкість в умовах робочого тиску, температури і концентрації агресивного середовища;

- здібність до зварювання і термічної обробки;

- вартість і доступність, що визначають економічну доцільність застосування.

До матеріалів, призначених для виготовлення теплообмінної апаратури, пред'являються додаткові вимоги по теплоємності, теплопровідності, термостійкості і іншим теплофізичним властивостям.

Більшість відомостей про матеріали отримують від заводів-постачальників, але у ряді випадків необхідно проводити додаткові дослідження з метою виявлення придатності їх в експлуатаційних умовах. Так, наприклад, часто проводять дослідження за визначенням швидкості корозії металу в конкретному агресивному середовищі, знаходженню режимів і способів зварювання з іншими металами і сплавами і т.д.

Конструкційні матеріали:

Основним конструкційним матеріалом, що використовується при будівництві та ремонті теплоенергетичних установок є сталі різних марок.

По хімічному складу розрізняють вуглецеву і леговану сталі, за призначенням - конструкційну, інструментальну і сталі спеціального призначення.

Конструкційні сталі у свою чергу поділяють на будівельну і машинобудівну.

До будівельних сталей відносяться швелери, двотаврові балки, кутники, арматура і інший прокат, призначений для виготовлення металоконструкцій, залізобетонних елементів будівель і споруд.

Для виготовлення ємностей і апаратів застосовуються конструкційні сталі у вигляді листового і сортового прокату, труб і поковок.

В позначенні марки перші дві цифри вказують середній вміст вуглецю в сотих долях процента. Букви за цифрами означають: С – кремній, Г – марганець, Н – нікель, М – молібден, П – фосфор, Х – хром, К – кобальт, Т – титан, Ю – алюміній, Д – мідь, В – вольфрам, Ф – ванадій, Р – бор, А – азот, Н – ніобій, Ц – цирконій.

Цифри, які стоять після букв, вказують приблизний вміст легуючого елемента в цілих одиницях. Відсутність цифри означає, що вміст цього елемента до 1,5% (по верхній межі).

Вуглецеві сталі – сплави заліза з вуглецем в яких вміст вуглецю становить від 0,06 до 2%. Чим більше вуглецю знаходиться в сплаві, тим вищі міцністні характеристики сталі, але при цьому знижуються її пластичні властивості. Сталі містять невеликі кількості домішок кремнію, марганцю, сірки, фосфору і інших елементів, які сильно впливають на механічні властивості.

Шкідливими домішками є сірка і фосфор оскільки підвищують крихкість і холодноламкість. Хром, нікель, молібден, ванадій, титан і деякі інші елементи покращують механічні властивості сталі.

Сталі звичайної якості (ГОСТ 380-71) у вигляді різного прокату знайшли широке застосування для виготовлення зварної апаратури. Для виготовлення відповідальної теплообмінної апаратури застосовують якісні сталі (ГОСТ 1050-74).

Залежно від вмісту вуглецю конструкційні сталі маркуються цифрами: 05, 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 і т.д. Із вуглецевих конструкційних сталей випускають різноманітний прокат: труби, листи, смуги, пруток, вали і інші профілі машинобудівного прокату. Маловуглецеві сталі марки 05, 08 і 10 характеризуються високими пластичними властивостями і застосовуються головним чином для виготовлення труб. Листові сталі марок 20, 25, 30 і 35 застосовуються для виготовлення ємностей, призначених для роботи під тиском до 20 МПа і температурах стінки від -40 до +450⁰С.

Згідно ГОСТ 1050-74 випускається група сталей з підвищеним вмістом марганцю: 15Г, 20Г, 25Г і т.д. Сталі цих марок володіють більшою міцністю і зберігають свої пластичні властивості при нагріванні і охолодженні, що дозволяє застосовувати їх для виготовлення деталей, що піддаються ударним навантаженням.

Для виготовлення відповідальної теплообмінної апаратури і котлів застосовуються якісні вуглецеві сталі з гарантованим хімічним складом і підвищеними механічними властивостями. Сталі марок 15К, 20К, 22К, 25К випускаються у вигляді листів завтовшки 6-60 мм. Сталі цих марок добре зварюються і використовуються для виготовлення барабанів котлів, що працюють під тиском до 25 МПа і температурі до +450°С, і теплообмінної апаратури, що працює при температурах від -70 до +450°С. Ударна в’язкість сталі 20К при температурі -70°С знаходиться в межах 0,2-0,3 МДж/м².

Леговані сталі різних марок використовують для виготовлення реакційної, теплообмінної і колонної апаратури, що працює в агресивних середовищах. Залежно від вмісту легуючих добавок сталі поділяють .на низьколеговані (до 5%), середньолеговані (5-10%) і високолеговані (више 10%). Основними легуючими елементами є нікель, хром, молібден, ванадій і титан, які підвищують корозійну стійкість і здатність металу до зварювання.

При будівництві апаратів знайшли застосування високолеговані стали марок Х18Н10Т, 0Х18Н10Т, 0Х18Н12Б і ін., що стійкі до дії концентрованих азотної, фосфорної і сірчаної кислот, однак руйнуються в слабких розчинах цих кислот.

Для виготовлення зварної теплообмінної апаратури застосовуються леговані стали марок Х18Н10Т і 0Х18Н10Т, які відрізняються хорошими механічними властивостями і можуть використовуватись в апаратах з температурою стінки від -254 до +600°С. Для роботи в високо агресивному середовищі (азотна кислота) при тиску до 100 МПа і температурах від -196 до +700°С рекомендується застосовувати леговану сталь марки Х17Н13М2Т.

Для виготовлення зварної апаратури, що працює під тиском, матеріали вибирають з врахуванням корозійної стійкості зварних швів. Матеріали повинні задовольняти вимогам «Правил будови і безпечної експлуатації посудин, що працюють під тиском» і відповідати по своїм механічним властивостям і хімічному складі рекомендаціям ГОСТ.

Відомо, що високолеговані сталі за вартістю перевищують вуглецеві сталі в 8-10 разів. Для економії легованих сталей металургійна промисловість випускає двошарові листи, що складаються з основного шару вуглецевої сталі і тонкого захисного - шару легованої сталі. Як основний шар застосовують звичайні вуглецеві сталі марок Ст3, 20К, 16ГС, а як захисний шар – сталі марок 0X13, Х18Н10Т, Х18Н12М2Т і ін.

Чавун застосовується для виготовлення литої апаратури, деталей трубопроводів і машинного устаткування. Рекомендується застосовувати чавун різних марок при цьому необхідно дотримуватись наступних умов:

- з чавуну марок не нижче марки СЧ 15-32 допускається виготовлення ємностей діаметром до 2000 мм при внутрішньому тиску не вище 0,3 МПа;

- з чавуну марки СЧ 18-36 і вище допускається виготовлення ємностей діаметрам до 3000 мм при внутрішньому тиску не більше 0,3 МПа;

- при зовнішньому тиску до 0,8 МПа допускається максимальний діаметр чавунної ємності не більше 2 м;

- температура стінок ємності, виготовленої з сірого чавуну, повинна знаходитися в межах -15…+250°С.

Для апаратів, що працюють під тиском і при температурах стінки більш 250°С, рекомендується застосовувати легований чавун.

Мідь в чистому вигляді застосовується для виготовлення спеціальної теплообмінної апаратури, яка за умовами експлуатації працює при глибокому охолоджуванні. Згідно ГОСТ 859-78 для виготовлення апаратури застосовується мідь марки М1, М2 і М3. Шкідливими домішками в міді є кисень, водень, сірка і вісмут. При вмісті вісмуту більше 0,02% мідь стає холодноламкою і в процесі гнуття і штампування в ній утворюються тріщини. Для теплообмінної апаратури необхідно застосовувати мідь із вмістом вісмуту не більше 0,003%.

При високих температурах мідь сильно окислюється, тому застосовувати її при температурах вище 250 °С не рекомендується. Подальше підвищення температури призводить до різкого зниження її механічних властивостей. Практика показала, що механічні властивості міді залежать від виду обробки. Зміцнення міді досягається наклепуванням і загартовуванням. Межа міцності литої міді не перевищує 200 МПа, а прокату - 250 МПа. Відносне подовження 40-50%. Мідь добре обробляється тиском в холодному і нагрітому станах, однак погано обробляється різанням і має обмежені ливарні властивості.

На основі міді отримують різні сплави, які володіють високими механічними і технологічними властивостями.

Латунь - сплав міді з цинком. Завдяки хорошим механічним і технологічним властивостям латунь застосовується для виготовлення листів, стрічок і труб, необхідних для виготовлення теплообмінної апаратури. Залежно від вмісту цинку в латуні застосовують наступне маркування: Л96, Л90, Л85, Л80, Л75, Л70, 068, Л66, Л63, Л59 і ін. Для виготовлення калориферів, конденсаторів, радіаторів і кожухотрубних теплообмінних апаратів застосовується латунь марки Л63 і Л68.

Застосовують також латунь, що містить окрім міді і цинку інші елементи (алюміній, кремній, марганець, нікель, олово і свинець). Ці сплави відзначаються підвищеними механічними властивостями і високою корозійною стійкістю. З них виготовляють листи, труби, стрічки призначені для виготовлення пакетних і пластинчастих теплообмінників, а також приладів і експериментального устаткування. Латунь застосовується для виготовлення арматури, насосів і іншого машинного устаткування.

Бронза - сплав міді і олова. Бронза з вмістом олова до 17% застосовується для виготовлення арматури, що працює з водяною парою при температурах до 200°С. Слід зазначити, що олов'яна бронза застосовується обмежено у зв’язку з дефіцитністю олова. Її успішно замінюють безолов'яні бронзи, що отримуються шляхом сплаву міді з алюмінієм (4-10%), берилієм (1,6-2,0%) або кремнієм (до 3,5%).

Неметалічні матеріали розділяються на дві групи: силікатні і пластичні маси. До силікатних матеріалів відносяться природні і штучні камені, скло і емаль. Методом спікання глин отримують кераміку, фарфор і тому подібне. Пластичні маси складаються з синтетичних смол і наповнювачів, що дозволяють отримувати матеріали з необхідною міцністю. До таких пластичних мас відносяться фаоліт, склопластики, вініпласт, фторопласт, каучуки і інші полімерні матеріали.

Тема 2. Монтаж окремих вузлів парогенераторних установок. Технологія проведення монтажних робіт. Методи монтажу вузлів теплообмінних апаратів та парогенераторних установок. Планування монтажних робіт. Графіки монтажних робіт. Контроль виконання робіт.

Основні методи монтажу

Технологічне обладнання для ТЕС і ТЕЦ може постачатися у вигляді окремих укрупнених блоків або у вигляді дрібних вузлів і деталей.

Якщо обладнання постачається дрібними елементами, то монтаж його може вестися різними методами:

- поточним;

- комбінованим.

Поточний метод монтажу полягає в тому, що окремі деталі обладнання подаються на монтажний майданчик безпосередньо з транспортних засобів, обминаючи склади і майданчики збирання і укрупнення в блоки. Цей метод може бути використаний при будівництві або реконструкції об’єктів в дуже стиснених умовах. Таким методом можуть будуватися ТЕЦ або інженерні комунікації між житловими будинками, на території існуючого підприємства, де неможливо організувати монтажні майданчики, склади, майстерні, тощо. Цей метод є найбільш трудомістким, тривалим і найдорожчим.

При комбінованому методі монтажу частина обладнання на монтажний майданчик поступає у вигляді блоків, зібраних на виробничих базах, їхні габарити і вага дають можливість транспортувати їх на певну відстань. Решта обладнання, або інша частина, поступає на монтажний майданчик у вигляді роздрібнених вузлів або окремих елементів. Цей метод є дещо економічний в порівнянні з поточним, але має такі самі недоліки – дорогий, трудомісткий і тривалий.

Найефективнішим методом монтажу технологічного обладнання є блочний метод. Цей метод монтажу відповідає вимогам індустріалізації монтажно-будівельних робіт і є основою всіх монтажних операцій на сучасному етапі, особливо при монтажі складного і трудомісткого обладнання (котельних і турбінних агрегатів, допоміжного обладнання). Більше 60% основного обладнання збирається в блоки на монтажних майданчиках в сприятливих виробничих умовах (майстернях, цехах), з високою якістю виконання робіт (збиральних, зварювальних), з високою якістю контрольних операцій і з можливістю проведення великого обсягу випробувальних операцій (гідравліка, вібрація, динамічні навантаження).

Блочний метод значно скорочує терміни монтажу основного обладнання, оскільки збирання блоків відбувається в зручних для роботи місцях, які обладнані високопродуктивними механізмами і приспосібленнями, продуктивність праці зростає в декілька разів. Персонал (бригада) постійно виконує роботи в тих самих умовах, якість робіт відповідає найвищим стандартам, дефекти і переробки при цьому практично відсутні. За рахунок цього на 30 - 40% зменшуються трудовитрати, зменшується термін виконання робіт, збільшується якість і гарантійний термін експлуатації.

Правильно вибрана схема поділу агрегатів і вузлів в блоки повинна забезпечити не тільки мінімальні терміни, але, разом з тим, мінімальну вартість монтажу. Поділ обладнання на блоки повинен відповідати наступним вимогам:

- блоки повинні бути найбільш завершені і доведені при попередньому збиранні;

- габарити, вага і конструкція блоків повинна забезпечити простоту їх транспортування в зону монтажу, зручність і мінімальні трудовитрати установки їх на місці, простоту кріплення і збирання з іншим елементом.

- різниця вагових характеристик блоків не повинна бути надзвичайно велика, а сама максимальна вага має відповідати номінальному навантаженні ватажопідіймальних механізмів.

Аналіз блочного і поточного методу монтажу показав, що вартість останнього в 10-15 разів вища порівняно з монтажем з готових вузлів і блоків. При блочному методі різко зменшується неефективність використання технічних засобів, зменшується доля ручної праці, значно збільшується ефективність використання вантажопідіймальних механізмів, зменшується кількість виробничих бригад.

Однак не бажано збільшувати блоки до такої величини (габарити або вагу), що може призвести до додаткового використання складних механізмів (форм для транспортування або кранів для вантажопідіймальних робіт), такі дії можуть призвести до значного подорожчання монтажних робіт, залучення додаткового персоналу і використання додаткових засобів механізмів і матеріалів.