21. Котельные стали

Котельные стали работают в очень жестких условиях, на них одновременно действуют высокое давление воды и пара, высокая температура дымовых газов, воды и пара, агрессивность воды и дымовых газов, следствием которых является образование коррозии. Одновременно действуют механические нагрузки на элементы котлоагрегата, вызывая изгиб, растяжение, сжатие, поэтому стали должны обладать следующими свойствами:

1) прочность;

2) твердость;

3) хорошая свариваемость;

4) пластичность;

5) стойкость против коррозии и окалинообразования.

Пыле-, газо-, воздухопроводы, лестницы, площадки, ограждения изготавливаются из обычных углеродистых сталей марки Ст.3.

Барабаны котлоагрегата при температуре стенки не более 450 ^оС изготавливаются из углеродистых сталей марок Ст.15К и Ст.20К (К – котловая сталь) и из сталей Ст.09Г2С; Ст.16ГС (Г – марганец, С – кремний - придают жаропрочность). С повышением температуры стенки барабана применяется сталь марки Ст.16НМ (никель, молибден).

Трубы поверхностей нагрева. Для котлоагрегата с Р ≤ 4,0 МПа (t_ст ≤ 450 ^оС) применяется сталь Ст.20, из нее изготавливаются и питательные трубопроводы. В котлоагрегатах высокого давления (Р> 4,0 МПа) трубы изготавливаются из сталей марок Ст.12 МХ, Ст.15 МХ (Х – хром – придает стойкость, прочность, окалиностойкость). С повышением параметров пара (Р = 25,5 МПа, t_пер = 570 ^оС) применяются высоколегированные стали марок Ст.12Х1МФ (Ф - ванадий) и Ст.15Х1М1Ф, причем Ст.12Х1МФ – для пароперегревателей, коллекторов и паропроводов, Ст.15Х1М1Ф – только для коллекторов и паропроводов. При температуре стенки труб поверхности нагрева до 620 ^оС применяются высоколегированные стали Ст.Х18Н12Т (Т - титан) – обладающие очень высокой жаропрочностью и окалиностойкостью. Трубы, изготовленные из этой стали, плохо свариваются, и при незначительных отклонениях от нормалей в сварных швах появляются трещины.

21.1. Расчет на прочность элементов котлоагрегата, работающих

под давлением

Расчет на прочность элементов парогенератора, работающих под дав­лением рабочей среды, имеет целью определить необходимую толщину стен­ки элемента или допускаемое в нем давление. Элементы парогенератора, работающие под давлением рабочего тела — барабаны, коллекторы, по­верхности нагрева — выполняются в виде цилиндрических конструкций и из труб. В этих элементах имеют место внутренние напряжения (остаточ­ные и температурные) и внешние, возникающие под действием давления рабочего тела, его массы и собствен­ной массы элемента. Остаточные на­пряжения, возникающие в процессе изготовления элемента, ликвидируют­ся перед его монтажом термической обработкой.

Температурные напряжения в стен­ках обогреваемых деталей вызываются перепадом температур по толщине стенки детали или по ее периметру. Предотвращение значительных пере­падов температур по толщине стенки и соответственно высоких температур­ных напряжений достигается ограни­чением толщины стенки и конструк­тивными и режимными мероприятия­ми, обеспечивающими минимальные перепады температур в стенке.

Исходя из указанных положений, основной нагрузкой, по которой должна опре­деляться толщина стенки элемента парогенератора, принято дав­ление рабочей среды. Дополнительные внешние нагрузки, осевые усилия, изгибающие и крутящие моменты, действующие на элемент, в частности нагрузки от собственной массы, регла­ментируются предельными значе­ниями и учитываются снижением обще­го запаса прочности. Например, для постоянных внешних нагрузок принято снижение запаса прочности на 10 %.

В основу методов расчета элементов парогенератора на прочность положен принцип оценки прочности по предель­ной нагрузке. Расчетная формула для определения толщины стенки сосуда, учитывающая его ослабления отверстиями для труб и лючков, если расчет ведется по внутреннему диаметру, имеет вид:

, м,

где Р — избыточное давление на внутреннюю по­верхность, Па; D_вн – внутренний диаметр, мм; σ_доп – допускаемое напряжение, Па; φ – коэффициент прочности сосудов; С – поправка для учета допусков на толщину стенки при прокате, а также на износ и коррозию.

Допустимое давление при данной толщине стенки, если номинальным является внутренний диаметр, определяется по формуле:

, Па ,

где S_ф — фактическая толщина стенки, мм.

Величина расчетного давления принимается равной номинальному давлению пара на выходе из парогенератора, увеличенному на потерю давления от гидравлического сопротивления в тракте, расположенном между рассчитываемым элементом и выходом пара из парогенератора. Для элемен­тов, содержащих жидкую среду, надо учитывать давление столба жидкости над рассчитываемым элементом. Если сумма потерь и гидростатического давления не превышает 3 % номи­нального давления, их можно не учитывать.

Коэффициенты прочности сосудов, ослабленных отверстиями для труб, определяются для всех направлении по формулам (рис. 103):

для продольного направления

;

для поперечного направления

;

для косого направления, приведенного к продольному

,

где n = t_к/ t .

В расчет вводится наименьшая из величин φ, φ_пр , 2φ₁.

а) б)

Рис. 103. Схема ослабления элемента при наличии отверстий:

а — расположение отверстий в поперечном напра­влении в

коридорном порядке; б — расположение отверстий в шахматном

порядке

Коэффициент прочности стыко­вых сварных соединений φ для углеро­дистой, низколегированной марганцо­вистой, хромомолибденовой и аустенитной сталей принимается φ = 1, а для хромомолибденованадиевой и высокохромистой сталей φ = 0,85.

Величина С – поправка для учета допусков на толщину стенки при прокате, а также на износ и коррозию. При небольших толщинах (до 30 мм) С составляет 0,1–0,3, а для большей толщины (>50 мм) С принимается от 0,7 до 1 мм.

Определенная толщина стенки округляется до ближайшего размера по сортаменту труб.

Допускаемое напряжение опреде­ляется по формуле

σ_доп = ησ*_доп ,

где σ*_доп — номинальное допускаемое напряжение, Па; η — коэффициент, учитывающий конструктивные и экс­плуатационные особенности рассчиты­ваемого элемента.

Номинальные допускаемые напря­жения σ*_доп зависят от тем­пературы стенки. Расчетная температура стенки, по которой определяется величина номи­нального допускаемого напряжения, принимается в зависимости от рода и температуры среды, условий обогре­ва элемента газами и охлаждения рабочей среды ( для котельных пучков, фестонов: t_ст = t_кип + 60 ^оС; для необогреваемого барабана t_ст = t_нас ; для труб экономайзера t_ст = t_ср.пит + 30 ^оС; для пароперегревателя t_ст = t_ср.пе + (100÷120 ^оС).

Во всех случаях расчетная темпе­ратура стенки не должна приниматься ниже 250 °С. При расчете барабана и коллекторов парогенератора, когда расстояние между опорами барабана более 8 м и коллекторов более 6 м, следует проверить напряжения, воз­никающие при их изгибе.

Формулу можно пользоваться и в поверхностных расчетах, при уточнении S, а, зная S, определяют Р_расч, называемое Р_доп - допустимое.