Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования Российской Федерации
Южно-Российский государственный технический университет
(Новочеркасский политехнический институт)
Н.Н. Ефимов
Энергомашиностроительные стали и расчеты на прочность элементов оборудования ТЭС
Допущено Министерством образования Российской Федерации
в качестве учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся по специальности 140101
«Тепловые электрические станции»
Новочеркасск 2010
ББК 31.37
М 13
Рецензенты: доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой ТЭС МЭИ;
доктор технических наук, профессор, директор Института повышения квалификации МГОУ Е.М. Марченко
Ефимов Н.Н.
М 13 Энергомашиностроительные стали и расчеты на прочность
элементов оборудования ТЭ: Учебное пособие
/Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. 81 с.
ISBN 5-7046-0712-8
В двух частях и пяти главах рассмотрены строение и основные дефекты кристаллической решетки металлов. Даны понятия прочности, пластичности и хрупкости металлов. Анализируются виды разрушения сталей, в том числе и коррозионные, возникающие в условиях их работы на агрегатах тепловых электрических станций. Анализируются возможность применения сталей (углеродистые, перлитные низколегированные и аустенитные) в конкретных условиях их использования на энергоблоках электростанций. Приводится методика расчета на прочность элементов оборудования, работающего в условиях статических нагрузок.
Предназначено для студентов специальности 140101 – «Тепловые электрические станции», а также для инженеров и магистров, занимающихся практической деятельностью.
ББК 31.37
ISBN 5-7046-0712-8 © Южно-Российский государственный техни-
ческий университет (Новочеркасский политехнический институт), 2010
© Ефимов Н.Н., 2010
Содержание
Оглавление
Литература
Обозначения. Обозначения сталей
Сокращения
Введение
Часть первая. Строение и процессы разрушения металлов.
Глава 1. Строение металлов и их свойства
Глава 2. Хрупкость металлов
Глава 3. Процессы разрушения металлов в рабочих режимах
Часть вторая. Стали и расчеты на прочность в энергомашиностроении
Глава 4. Энергомашиностроительные стали.
Глава 5. Расчет на прочность элементов энергооборудования.
5.1. Предисловие.
5.13. Расчет на прочность сварных тройников.
ЛИТЕРАТУРА
ОБОЗНАЧЕНИЯ
р - давление, АТа; кг/мм2;
t - температура, град; шаг отверстий, мм;
tср , tст - средняя температура, температура стенки сосуда, град;
∆tраз - температура разверки (из теплового расчета), град;
υ – температура продуктов сгорания, град;
σ - напряжение, н/мм2, Мн/м2к, г/мм2;
σпр - предел пропорциональности (напряжение)
σт, σ0,2 – предел текучести (напряжение);
σв - предел прочности;
σ*доп - номинально допустимое напряжение, кг/мм2;
σдоп - допустимое напряжение, кг/мм2;
σи - напряжение изгиба, кг/мм2;
σр - напряжение растяжения или сжатия, кг/мм2;
σч , στ , σа - радиальное, тангенциальное и аксиальное напряжение, кг/мм2;
σпр , σэ - приведенное и эквивалентное напряжения, кг/мм2;
τ, τр - напряжения кручения и среза, кг/мм2;
Р, Ргидр - сила или усилие от рабочего давления и при гидроиспытании, кг;
Ргобж - усилие, необходимое для обжатия прокладки, кг;
Qt - усилие в шпилках, вызванное температурной неравномерностью, кг;
Qo - усилие начальной затяжки шпилек, кг;
Qшп , Qпр - усилия на шпилках и на прокладку, кг;
Нпр - радиальные силы для прокладок, кг;
Н - перерезыващие усилия в стыке элемента, кг/мм;
Nшп , Nпр , Nкр - усилия на фланец от шпилек, прокладки, крышки, кг;
А - работа, дж; коэффициент, учитывающий величину допуска по толщине стенки; осевая нагрузка, кг;
G - вес элемента оборудования, кг;
g - удельное давление, кг/мм2;
M - момент, изгибный момент, кг/м;
W - момент сопротивления, мм3; радиальное перемещение элемента, мм;
I - момент инерции, мм4;
E - модуль упругости, кг/мм2;
l, h - линейные размеры (длина, высота) элемента, мм;
l0, ∆l, - длина и удлинение образца, мм;
d - диаметр образца, диаметр отверстия в трубе, мм;
Дн, Дв - наружный и внутренний диаметры сосуда, трубы, мм;
S - толщина стенки сосуда, трубы, мм;
∆S - утонение стенки трубы, мм;
С - прибавка к толщине стенки сосуда, трубы, мм;
R - радиус гиба трубы, мм; радиальная нагрузка, кг;
F, f - площадь, площадь сечения трубы или камеры, мм2;
δ - относительное удлинение, %;
ψ - относительное сужение, % ;
nт , nдп , nв - коэффициенты, учитывающие запасы прочности по пределу текучести, длительной прочности и прочности;
μ - коэффициент Пуассона;
η - коэффициент по допустимому напряжению, принимаемый в зависимости от конструкции и расчетного случая;
φ - коэффициент прочности;
a, b - коэффициенты, учитывающие овальность и утонение стенки трубы, %;
К, К0,Z - коэффициенты, учитывающие ослабляющие действия отверстий на сосуд;
Z - число шпилек во фланцевом соединении, шт.;
χ - коэффициент нагрузки;
λп, λр, λш, λв - коэффициент податливости прокладки, рубашки корпуса, шпильки, втулки, мм/кг;
α - коэффициент линейного расширения, 1/град.;
αк - ударная вязкость, дж/см2;
m - прокладочный коэффициент;
ζ - коэффициент, учитывающий состояние поверхности;
kк - коэффициент приведения;
ξ - коэффициент приведения жесткости межопорного пролета;
u - коэффициент, учитывающий влияние массы межопорного пролета;
υ, υп - скорость скольжения, ползучести, мм/сек;
n - скорость вращения вала, об/мин.
ОБОЗНАЧЕНИЯ СТАЛЕЙ
Г - марганец;
С - кремний;
X - хром;
Н - никель;
М - молибден;
В - вольфрам;
Ф - ванадий;
Т - титан;
Ю - алюминий;
Д - медь;
Б - ниобий;
К - кобальт;
Р - бор;
П - фосфор;
Ц - циркорий;
СОКРАЩЕНИЯ
ПГ - парогенератор;
ТЭС - тепловая электрическая станция;
АЭС - атомная электростанция;
ВЭ - водяной экономайзер;
ТВП, РВП - воздухоподогреватель трубчатый или регенеративный;
ПП – пароперегреватель.
ВВЕДЕНИЕ
Энерговооруженность всех видов производств значительно увеличивается. Рост энергетики осуществляется за счет строительства тепловых, гидравлических и атомных электростанций, на которых устанавливается современное оборудование высоких и сверхвысоких (сверхкритических), а в последнее время, и суперсверхкритических параметров. Увеличение параметров и укрупнение агрегатов считается основным путем повышения экономичности электростанций. Увеличение паропроизводительности энергоблоков приводит к снижению удельного расхода металла (на 1 т пара), уменьшению капитальных затрат на изготовление и монтаж энергоблоков, упрощает эксплуатацию и ремонт.
Укрупнение агрегатов приводит одновременно к увеличению общей протяженности труб поверхностей нагрева и к увеличению количества соединений и арматуры. Резко повышаются требования к металлам и надежности их работы.
На различных этапах развития энергетики применялись раз личные параметры пара, которые соответственно определяли стали, необходимые для изготовления энергоагрегатов:
в 1913 г. р = 1,0 - 1,5 МПа, t = 300 - 325 0С, (средние),
в 1940 г. р = 5,0 - 6,0 МПа, t = 425 – 450 0С, (высокие), углеродные стали;
в 1950 г. р = 10,0 – 11,0 МПа, t = 500 – 510 0С, (сверхвысокие), легированные стали;
в 1960г. р = 23,5 - 24 МПа, t= 545 – 560 0С, (сверхкритические), аустенитные стали;
в 2000г. р = 30 - 32 МПа, t = 500 – 620 0С, (суперсверхкритические), специальные стали.
В настоящее время, в основном, применяются сверхкритические параметры с температурой 545 0С. Была сделана попытка увеличить температуру пара до 560 0С, но опыт эксплуатации сталей на котлах с такими параметрами потребовал снижения температуры до 545 0С (например, по опыту эксплуатации Ростовской ТЭЦ-2). В эксплуатации используются опытные парогенераторы (ПГ) на параметрах 40 МПа и 700 0С. Такие высокие параметры потребовали применения высоколегированных сталей.
При повышении параметров пара интенсифицируются коррозионные процессы и другие виды разрушения металла. В связи с этим большая роль в обеспечении безотказной работы энергоагрегатов принадлежит проектировщикам, инженерам по монтажу и ремонту оборудования, которые должен иметь обширные знания по металлам энергомашиностроения, по расчету на проч ность деталей и предвидеть условия работы энергомашиностроительных сталей.
Расчетный срок безопасной эксплуатации энергоблоков и другого энергетического оборудования в настоящее время составляет 100 тыс. часов. Фактическая длительность эксплуатации большого количества установок различной мощностью значительно превысило расчетный срок. По оценкам экспертов энергетическое хозяйство страны на 80 % выработало свой моторесурс (100 тыс.ч.). В таких условиях большое значение имеют теоретические и опытные оценки предельной работоспособности металла.
Для обеспечения надежной эксплуатации и увеличения расчетного срока службы оборудования необходимо:
1. Повышение качества проектирования энергооборудования, т.е. знания конструкторами свойств металлов применяемых, особенно, в котлостроении и новых сортов сталей.
2. Повышение качества изготовления, особенно для блоков, работающих в пиковом и полупиковом режимах для чего:
а) повысить качество исходных материалов (металлургической шихты, огнеупоров, сварочных материалов).
б) улучшать и внедрять новые прогрессивные технологические процессы производства металлов.
3. Расширить унификацию деталей, что позволит специализировать производство и повысить технологичность конструкций.
4. Улучшить состав применяемых марок сталей.
5. Определить предельные сроки работоспособности металлов.
6. Организовать четкий контроль за металлом в период эксплуатации.
Задача настоящего курса дать студентам знания по вопросам: влияния различных факторов на изменение свойств металлов; определения напряжений; расчета прочности деталей оборудования, работающего в стационарных режимах и применения различных марок сталей в энергетике и др.
Часть первая.
СТРОЕНИЕ И ПРОЦЕССЫ РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
Глава 1. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И ИХ СВОЙСТВА.
1.1. Строение металлов
При комнатной температуре все металлы (кроме ртути) представляют собой твердые тела, имеющие кристаллическое строение, для которых характерно строго определенное расположение в пространстве ионов, образующих узлы решетки. Обычно внешние (валентные) электроны слабо связаны с ядром. Атомы металлов легко их теряют и превращаются в положительно заряженные ионы. Электроны, перемещаясь между ионами, образуют легкоподвижный электронный газ.
Наиболее распространенные кристаллической решётки металлов представлены в табл.1.1.
Между ионами в решётке существуют силы отталкивания, однако, между ионами и свободными электронами – силы притяжения. Силы отталкивания и притяжения уравновешиваются, когда соблюдаются определенные для данного металла условия (рис. 1.1)
При появлении в мировой практике электронных микроскопов в 70-е г. Прошлого столетия были обнаружены и другие построения твердых тел в области наноматерии: фуллерены, фуллероиды, астралены, нанотрубки различных структур и размеров (рис.1.2). Все эти наноматериалы имеют специальные особые свойства, которые позволяют их использовать в уникальных случаях. Современные нанотехнологии позволяют конструировать эти конструкции наномира.
Таблица 1.1
Микроконструкции кристаллических решеток
|
Наименование микроконструкции |
Общий вид микроконструкции |
Металлы имеющие такие решетки |
|
Объемноцентрирован ный куб |
α-железа (при комнатной температуре); хрома, вольф ра ма, молибдена, ванадия и др. |
|
|
Гранецентрированный куб (более плотная упаковка) |
γ-железо (при высоких тем пературах); никель, медь, алюминий и др. |
|
|
Гексагональная ре шётка (еще более плот ная упаковка) |
магний, берилий, кадмий и др. |
Рис. 1.1. Взаимодействие сил отталкивания и притяжения между ионами в зависимости от расстояния между ионами.
1.2. Сплавы металлов
В природе чаще всего используются сплавы, а не чистые металлы. Сплавы обычно имеют более высокие механические и тех нологические свойства. Они имеют различные строения: I) ме ханических смесей и 2) твердых растворов.
Механические смеси образуются в том случае, если разнородные атомы двух метал лов или металлов с неметаллами не могут войти в общую кристаллическую решётку (рис.1.3). Они хорошо просматриваются в микроскоп.
Рис.1.2. Известные строения наноматериалов.
1. Фуллерен C-60 (0,67 nm) 2. Фуллерен C-70 (o,69 nm) 3. Однослойные углеродные нанотрубки (диаметр 1 nm, длиной до 200 nm) 4. Многослойные углеродные нанотрубки (диаметр 6-60 nm) 5. Астралены (средний размер – 45 nm)
Кристаллам каждого металла, находящимся в сплаве, присущи те же свойства, что и чистому металлу.
Рис.1.3. Схематический вид механических смесей
1.3. Твердые растворы
В твердом состоянии все металлы могут растворятся друг в друге, образуя единую кристаллическую решетку. Большинство металлов растворяется один в другом только до определенных пределов. Такой твердый раствор называют огра ниченным. Некоторые пары металлов могут растворятся друг в друге при любом соотношении. Такие растворы называют неограниченными.
Твердые растворы имеют единую кристаллическую решетку. Существуют три типа твердых растворов:
1) твердый раствор замещения;
2) твердый раствор внедрения;
3) твердый раствор вычитания;
1. В твердом растворе замещения атомы растворенного металла замещают в узлах кристаллической решетки атомы основного металла (рис. 1.4).
Твердые растворы замещения образуют между собой те металлы, диаметры атомов которых не отличаются более чем на 15% и которые имеют сходную кристаллическую структуру (рис.1.5). Все легирующие элементы (например: хром, никель, кремний и др. кроме углерода, азота, бора и водорода) образуют твердые растворы замещения,
Рис. 1.4.Кристалическая решетка твердых растворов замещения
Рис. 1.5. Виды твердых растворов замещения; а) диаметр растворенного атома больше диаметра атома основного металла; б) диаметр растворенного атома меньше диаметра атома основного металла
2. В твердых растворах внедрения ионы растворенного элемента располагаются в междуузлиях кристаллической решетки.
Твердые растворы внедрения обычно образуют металлы с неметаллами. Причем отношение диаметра внедренного атома к диаметру атома растворителя менее 0,59. Такие растворы внедрения в железе образуют: углерод, бор,
азот, водород и др. Твердые растворы внедрения - растворы с
ограниченной растворимостью.
3. Твердые растворы вычитания образуются по принципу химических соединений как с металлами, так и неметаллами (рис.1.6).
Они образуются при строго определен ных соотношениях входящих в них элементов, соответствующих нормальным валентностям. Атомы металлов здесь отдают свои валентные электроны неметаллам. Химические соединения двух металлов или металла с элементом, имеющим переходные свойства между металлом и неметаллом (интерметаллиды), обладают металлическими свойствами. Такие химические соединения образуют металлы, далеко отстоящие друг от друга в таблице периодической системы элементов Д. Менделеева. Интерметаллиды отличаются высокой твердостью и пониженной пластичностью.
Рис.1.6. Схема химического соединения FeO (вюстит)
1.4. Дефекты кристаллического строения металлов
В реальных кристаллических решетках металлов всегда существуют дефекты строения, которые делятся на три группы:
1. Точечные дефекты малы во всех измерениях. Например, при тепловом движении отдельные ионы металла могут отклоняться от положения равновесия настолько, что не возвращаются в исходное положение. При этом в узле решетки образуется вакансия – пустое место. Иногда сместившийся ион не находит пустого места и образует дефект смещения (рис.1.7). При повышении температуры число вакансий и смещений увеличивается. К точечным дефектам относится и включение инородных атомов.
Рис. 1.7. Точечные дефекты кристаллической решетки
2. Линейные и объемные дефекты строения кристаллической решетки называется дислокацией. Дислокация бывает нескольких типов: I) линейные, 2) объемные. Наиболее простая линейная дислокация (рис.1.8). Она может простираться на многие тысячи параметров кристаллической решетки.
Рис.1.8. Линейные (а) и объемные (б) дефекты кристаллической решетки
3. Поверхностные дефекты. Поверхность металла под микроскопом представляет собой отдельные зерна - кристаллы, Решетка в каждом зерне имеет раз личную ориентацию (рис. 1.9).
Угол между кристаллографическими плоскостями может быть значительным. Каждое зерно в свою очередь состоит из отдельных участков - блоков. Кри сталлографические плоскости смежных блоков повернуты на некоторый угол от 1 до 20 мин. При переходе от одной кристаллографической решетки к другой, каждая плоскость имеет перелом. Обычно, в приграничных участках блоков, имеют место линейные и точечные дефекты. Границы же блоков представляют собой поверхностные дефекты.
Рис.1.9. Поверхностные дефекты кристаллической решетки
Обычно дислокация в металлах имеют место в кристаллах: 1) при переходе из жидкого состояния в твердое; 2) при пластической деформации; 3) около посторонних включений; 4) на границе зерен и блоков.
1.5. Прочность металлов.
Прочность металлов - способность воспринимать без разрушений воздействия внешних нагрузок.
Характеристики прочности и пластичности металлов определяются путем растяжений цилиндрических или плоских образцов, на специальных испытательных машинах. Записанная испытательной машиной зависимость удлинения образца ∆l, мм, от нагрузки P, н, и называется первичной диаграммой деформации (рис. 1.10).
Рис.1.10. Первичная диаграмма деформаций
На участке О-Пр - зависимость линейная. Здесь соблюдается закон Гука.
,
где - предел прочности,
- коэффициент, учитывающий расстояние на котором межатомные силы достигают максимальных величин.
Обычно эти силы достигают максимума при увеличении расстояния между ионами металла на 50 %. Отсюда .
- модуль упругости
Тогда предел прочности .
Следует заметить, что если образец находится под нагрузкой растяжения и деформирован в пределах О-Пр, то при снятии нагрузки удлинение исчезает. Поэтому такие деформации называются упругими.
Деформирование образца после точки Пр приводит к появлению пластической (остаточной) деформации, которая не исчезает при разгрузке. Для некоторых металлов (например: перлитные стали) деформация образца после точки Т может увеличиваться без увеличения нагрузки и поэтому этот участок диаграммы носит название площадки текучести. За площадкой текучести нагрузку приходится увеличивать до определенного момента (точка В на графике) после чего нагрузка уменьшается в связи с возникновением шейки на образце. Обычно к характеристикам прочности относят отношение нагрузки к начальной площади поперечного сечения образцы (F0).
- предел пропорциональности - напряжение, до которого соблюдается линейная пропорциональность между нагрузкой (Р) и удлинением (∆l).
- предел текучести (физический) - напряжение площадки текучести.
– предел прочности (временное сопротивление разрыву) - максимальное напряжение перед разрушением.
Все эти характеристики условны, так как отнесены к первоначальной площади F0, которая в процессе приложения нагрузки изменяется.
Некоторые материалы (а при высокой температуре все материалы) не имеют площадки текучести на диаграмме . Поэтому определяется условный предел текучести равный напряжению , при котором образец получает остаточное удлинение 0,2 % от начальной длины образца.
1.6. Характеристики пластичности.
Пластичность - способность материала воспринимать остаточную деформацию без разрушения. К характеристикам пластичности можно отнести:
1. относительное удлинение (при разрыве):
где - удлинение образца;
- начальная длина;
- длина образца после разрыва.
2. относительное сужение образца при разрыве
где - уменьшение площади поперечного сечения образца;
F0 - начальная и Fк - конечная (после разрыва) площади поперечного сечения образца.
Для того чтобы можно было сравнивать характеристики пластичности различных образцов вводят определенные соотношения образцов. Например: десятикратное - и тогда относительное удлинение обозначают , пятикратное - .
1.7. Механизмы пластической деформации.
Пластическая (остаточная) деформация возникает в случае, когда касательные напряжения достигают критической величины, которая существенно зависит от природы материала и условий деформации (вида напряженного состояния, температуры, скорости деформаций).
Известно несколько видов пластической деформации:
1. Процесс сдвиговой деформации, которая проте кает путем скольжения одной части зерна по другой под действием нагрузки растяжения. Плоскостями скольжения являются плоскости кристаллической решетки, наиболее густо усеянные атомами (рис. 12).
Рис. 1.11. Виды сдвиговой деформации
2. Механизмы пластической деформации, связанные с процессами диффузии и самодиффузии атомов, приводящих к появлению остаточной деформации.
3. Механизм, обусловленный процессами перемещения, а также относительным поворотом зерен и блоков. Сюда относится межзеренная пластичность (поворот и относительное перемещение зерен и блоков относительно друг друга); и рекристаллизационная пластичность (перемещение границ зерен при рекристаллизации, ускоряющих пластическую деформацию).
Переход из упругого состояния в пластичное характеризуется тем, что при достижении предела текучести пластическая деформация охватывает не весь объем образца одновременно, а только от дельное число макрообъемов. После прохода площадки текучести деформация протекает не с одинаковой скоростью в различных объемах металла, но одновременно. На площадке текучести деформация протекает путем поворота и взаимного перемещения зерен металла относительно друг друга при отсутствии скольжения в самих зернах.
Глава 2. ХРУПКОСТЬ МЕТАЛЛОВ
2.1. Хрупкость и виды хрупкого разрушения.
Работа необходимая для разрушения материала зависит от пластичности. Однако на разрушение металла влияет ряд факторов; скорость приложения нагрузки, температура и др. В зависимости от таких условий металл может разрушиться при незначительных затратах работы и без заметных следов пластической деформации: т.е. хрупко.
Таким образом, хрупкие разрушения – разрушение материалов происходящие при повышенных скоростях приложения нагрузки.
Увеличение скорости деформирования приводит к увеличению прочности металлов (рис.1.12), а при ударной скорости разрушение происходит без заметных следов пластической деформации. Поэтому испытание металла на хрупкость проводят ударными нагрузками.
Рис.2.1. Диаграмма хрупких разрушений
Отношение работы, затраченной на разрушение материала (А) при ударе, к наименьшей площади поперечного сечения F называется коэффициентом ударной вязкостью.
При ударных испытаниях для получения хрупкого разрушения используют три фактора, снижающие пластические свойства металла:
- высокие скорости приложения нагрузки;
- создание сложного напряженного состояния (надрезы);
- низкие температуры.
При снижении температуры у некоторых металлов резко снижается вязкость . Такое явление называется хладноломкостью.
У сталей перлитного класса имеет место значительное снижение ударной вязкости при t = 500 0С. Это явление называется синеломкостью.
Для сталей с высоким содержанием серы и кислорода возможно снижение ударной вязкости при температуре, превышающей 900 0С. Это явление называется красноломкостью.
2.2. Хладноломкость.
Хладноломкость - явление снижения ударной вязкости в области низких и комнатных температур. К хладноломкости предрасположены металлы, имеющие кристаллическую решетку объемноцентрированного куба α-железо или гексагональную решетку (цинк, кадмий).
Основной структурой перлитных сталей является феррит (α-железо). Поэтому при эксплуатации деталей, выполненных из сталей перлитного класса необходимо избегать ударных нагрузок (особенно при температуре ниже нуля).
Оценка склонности стали к хладноломкости производится путем ударных
испытаний образцов и построения зависимости ударной вязкости от температуры (рис.1.13).
Рис.2.2. Изменение коэффициента ударной вязкости при снижении температуры; tв – температура, при которой начинается снижение ударной вязкости; tн - температура, при которой достигается минимальное значение ударной вязкости.
На явление хладноломкости оказывает влияние ряд факторов.
1. Повышение содержания некоторых элементов (например, фосфора) в стали способствует явлению хладноломкости (рис. 15).
Рис.2.3.Влияние содержания фосфора на коэффициент ударной вязкости
2. У крупнозернистых металлов снижение ударной вязкости начинается при более высоких температурах, по сравнению с мелкозернистым (рис. 2.4).
Рис.2.4 Влияние зернистости металла на коэффициент ударной вязкости
3. Проявлению хладноломкости способствует так же наличие различных выделений на границах зерен, препятствующих развитию пластической деформации.
При температурах более низких, чем определенная критическая, повышение напряжения вызывает хрупкое разрушение, а при более высоких температурах – вязкое (пластическое) разрушение. В последнем случае при достижении предела текучести пластическая деформация возникает прежде чем произойдет разрушение.
Уменьшить склонность сталей к хладноломкости можно термической или термомеханической обработкой. Закалка стали е последующим высоким отпуском снижает температуру хладнолокости по сравнению с отожженным металлом. Тот же результат достигается при термомеханической обработке.
2.3. Тепловая хрупкость.
Хрупкость, приобретаемая сталями после пребывания их в интервале температур 400 - 8500С называется тепловой хрупкостью.
При высоких температурах сталь сохраняет свои пластические свойства и почти не меняет ударной вязкости. Снижение ударной вязкости появляется только после охлаждения материала до комнатной температуры, т.е. для стали, в которой развился процесс тепловой хрупкости. При этом температура хладноломкости повышается (рис.2.5)
Рис.2.5. Влияние тепловой хрупкости на коэффициент ударной вязкости
Развитие тепловой хрупкости определяется временем пребывания металла при соответствующей температуре. Например: при температуре 400 – 500 0С сталь должна выдерживаться несколько десятков и даже сотен часов, чтобы развилась тепловая хрупкость.
При температурах 600 – 650 0С - после нескольких часов. Причем последний режим соответствует отпуску металла. Поэтому хрупкость, возникающая после отпуска, называется отпускной хрупкостью, а хрупкость, возникшая в интервале температур 400 – 500 0С, называется тепловой хрупкостью. Однако оба вида хрупкости имеют общую природу и поэтому их называют чаще тепловой хруп костью.
Углеродистые стали обычно нечувствительны к тепловой хрупкости. Стали перлитного класса, наоборот, подвержены этому виду хрупкости в том случае, если они содержат хром и марганец.
Хрупкость сталей аустенитного класса, возникающая в результате длительного пребывания их в зоне высоких температур называют тепловой, но она имеет другую природу.
Процессы тепловой хрупкости обратимы. Например, если в стали появилась тепловая хрупкость в результате пребывания стали в интервале температур 400 - 500 0С, то нагрев её до более высокой температуры и быстро охладив, мы сможем получить снова вязкий металл и наоборот, вязкую сталь, полученную отпуском при температуре 600 °С можно сделать хрупкой длительным отпуском при более низких температурах.
Хрупкость, возникшая при низком отпуске металла в интервале t = 200 – 400 0С является необратимым процессом.
В интервалах температур, в которых развивается тепловая хрупкость, работают многие детали энергетики (пароперегреватели, подвески, корпуса газовых турбин и т.д.). Поэтому при ремонтах этих деталей в обычной "комнатной" температуре не следует допускать ударных нагрузок.
Сопла обдувочных аппаратов работают так же в режимах близких к отпускным и так же требуют осторожного обращения.
Добавка молибдена задерживает проявление тепловой хрупкости во времени для стали, находящейся длительное время в области 400 – 500 0С и почти исключает это явление при отпуске стали нагретой до 550 – 650 0С. Содержание молибдена в стали менее 0,2 % или выше 0,7 % не предупреждает развитие тепловой хрупкости.
Присадка к стали, легированной марганцем, вольфрама или комплекса вольфрама с титаном улучшает свойство стали по отношению к тепловой хрупкости.
Глава 3. ПРОЦЕССЫ РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
В РАБОЧИХ РЕЖМАХ.
3.1. Диффузия и самодиффузия.
При увеличении температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов (ионов) в кристаллической решетке металлов вокруг положения равновесия. Эти атомы могут преодолевать связи между атомами и перемещаться на расстояния, превышающие межатомные. Это явление носит название диффузии (перемещение в твердом растворе атомов растворенного элемента) или самодиффузии (перемещение атомов в чистых металлах или атомов растворителя в твердых растворах).
Перемещение атомов через узлы кристаллической решетки предполагает наличие свободных от атомов узлов - вакансий. В идеальной кристаллической решетке, все узлы которой заняты атомами, диффузия невозможна.
Величина энергии, которая необходима для перемещения атомов из одного положения в другое называется энергией активизации.
На свойства сталей существенное влияние оказывает концентрация углерода в феррите сталей. Чем выше концентрация углерода в феррите стали, тем большее число его атомов участвует в перемещениях. Диффузия может протекать и по телу зерен и по их границам. На границах зерен кристаллическая решетка искажена и атомы обладают большими запасами энергии, чем внутри зерен, поэтому в пограничных зонах скорость диффузии оказывается более высокой.
3.2. Отдых и рекристаллизация.
Эти явления наблюдаются при нагреве холоднонаклепанного металла. Нагрев металла после предварительной пластической деформации приводит к частичному восстановлению его механических свойств, (к уменьшению характеристик прочности и повышению характеристик пластичности), называемому отдыхом.
Процесс отдыха объясняется тем, что при нагреве происходит
снятие искажений кристаллической решетки. Процесс отдыха является непрерывным и постепенным и при некоторой температуре он
сменяется резким изменением механических свойств и структуры
металла. Это явление называется рекристаллизацией (рис.3.1).
Рис.3.1. Процессы отдыха и рекристаллизации
Различают три вида процесса рекристаллизации:
1. Нормальная рекристаллизация – имеет место после значительной пластической деформации порядка 20-30%. Она обычно состоит из следующих стадий: появление зародышей рекристаллизации; рост зародышей, появившихся в первой стадии и появление новых; рост новых зародышей до соприкосновения; рост зерен.
Процесс рекристаллизации может начаться только при определенной температуре, величина которой зависит от степени предварительного наклепа, времени выдержки и ряда других факторов. Чем больше величина предварительной пластической деформации, тем ниже температура рекристаллизации (рис.3.2).
Рис.3.2 Зависимость температуры начала рекристаллизации от величины предварительной пластической деформации
Это снижение происходит до определенного предела - наступает момент, когда температура рекристаллизации уже не зависит от величины пластической деформации.
Наибольшая величина зерна после рекристаллизации имеет место при малых степенях деформации, причем существует критическая величина деформации, при которой структура металла обладает наибольшей склонностью к росту зерна.
Изготовление многих деталей в энергетике сопровождается значительными пластическими деформациями, и если учесть, что температурные условия работы этих деталей близки к температуре рекристаллизации, то очевидно, что необходимо серьезно считаться с проявлением этого процесса и особенно в гибах труб пароперегревателей, не получивших термической обработки.
3.3. Сфероидизация и графитизация.
В сталях перлитного класса применяемых в энергомашиностроении перлит может иметь пластинчатое строение, т.е. в зернах перлита пластинки цементита чередуются с пластинками феррита.
Пластинчатый перлит является нестабильной структурой. С течением длительного времени при температурах 450 – 600 0С пластинки цементита стремятся принять сферическую форму (рис.3.3).
Рис.3.3. Схема образования сферической структуры цементита в перлитных сталях
При этом сначала происходит деление пластинок цементита на отдельные кусочки, которые постепенно принимают круглую форму. Скорость сфероидизации значительно возрастает с повышением температуры стали. Сталь, имеющая структуру зернистого перлита, менее прочна, чем сталь со структурой пластинчатого перлита, поэтому явление сфероидизации в сталях нежелательно.
Снизить скорость сфероидизации можно добавкой в сталь легирующих элементов (молибдена, хрома, ванадия), образующих сложные, более стойкие к сфероидизации карбиды. Термической обработкой зернистый перлит можно перевести в пластинчатый. После восстановления пластинчатой структуры перлита, восстанавливаются и механические свойства сталей.
Более опасным проявлением нестабильности цементита является процесс графитизации. Длительная выдержка стали при высокой температуре приводит к распаду цементита
Fe3C → 3Fe + C .
Углерод выделяется в виде графита и собирается в виде отдельных скоплений, которые и являются концентраторами напряжений. Предупредить процесс графитизации в этом случае можно предварительно подогрев свариваемые детали и последующим отжигом. Процесс графитизации интенсифицируется повышением содержания алюминия, а углеродистые стали склонны к графитизации независимо от содержания в них Al.
Графитизацию предупреждают введением в сталь добавки 0,3-0,5% хрома. Для сталей склонных к графитизации, ограничивается рабочая температура 450 °С - для углеродистых сталей; 485 °С - для 0,5%- ных молибденовых сталей.
3.4. Деформационное старение.
Деформационное старение - процесс изменения механических свойств холоднодеформированного металла после длительного вылеживания или кратковременных нагревов до 100 – 300 °С. Определяющую роль при протекании деформационного старения играют диффузионные процессы.
В энергетике используются стали с низким содержанием углерода и при изготовлении многих деталей, металл получает значительную пластическую деформацию в холодном состоянии без последующей термической обработки. Если эти детали работают в температурной области 200 – 300 0С, то в них возникает процесс деформационного старения и произойдет значительное снижение ударной вязкости.
3.5. Сигма - фаза.
При эксплуатации аустенитных сталей по границам зерен может происходить выделение интерметаллического соединения FeСr. Этот процесс получил название сигма - фазы.
Сигма - фаза возникает между металлами, один из которых имеет объемноцентрированную, а другой гранецентрированную кристаллические решетки, причем разность атомных диаметров у металлов, входящих в состав σ-фазы не превышает 8%. Выделения σ-фазы располагаются на границах зерен в виде цепочки. Поэтому наличие сигма - фазы в металле вызывает повышение хрупкости.
Процесс образования σ-фазы ускоряется при наличие в стали таких элементов, как молибден, кремний, марганец.
Возникновение σ-фазы можно избежать повышением стабильности аустенита, что достигается увеличением содержания никеля до 11 – 12%.
3.6 Остаточные и температурные напряжения.
Остаточные напряжения - это напряжения, не исчезающие после прекращения внешнего воздействия на металл. Существуют следующие виды остаточных напряжений:
Влияние остаточных напряжений на прочность деталей заклю чается в том, что при совпадении их знака с рабочим напряжением могут возникнуть пластические деформации при величине рабочего напряжения меньшей предела текучести.
Снятие остаточных напряжений в деталях осуществляется путем термической обработке. Температура отпуска должна быть такой, чтобы металл находился в пластическом состоянии.
Наиболее распространены две причины возникновения остаточных напряжений.
1. Наличие механических концентраторов напряжений. Например, наличие надреза на цилиндрическом образце, к которому приложена нагрузка, приводит к неравномерному распределению напряжений по сечению (рис.3.4,а). При определенной нагрузке могут сложиться условия, когда во внешних слоях образца (зона а) появится пластическая дефор мация, а во внутренних слоях (зона б) будет упругое состояние.
После снятия нагрузки возникают растягивающие остаточные напряжения во внутренних (зона d) и сжимающие (зона с) – во внешних слоях образца (рис.3.4,б).
Рис.3.4. Остаточные напряжения при действии внешней нагрузки (а) и при снятой нагрузке (б)
2. При наличии фазовых превращений, имеющих место при сварке или термической обработке, например перлитная сталь Aс3 имеет структуру аустенита и при медленном охлаждении аустенит переходит в перлит. Удельный объем стали после медленного охлаждения остается таким же, как и в исходном (до нагрева) состояния. Возникающий в результате быстрого охлаждения, мартенсит имеет больший удельный объем, чем исходная структура (перлит).
Остаточные напряжения не возникнут, если мартенситное превращение произойдет во всем объеме детали. Практически при быстром охлаждении массивных деталей нельзя добиться их равномерного остывания. Наружные слои детали охлаждаются быстрее, чем внутренние. Поэтому в наружных слоях металла в такой детали остаточные напряжения будут сжимающимися, а во внутренней (зоне детали могут возникнуть) - растягивающими. При этом во внутренней зоне детали могут возникнуть трещины, которые трудно обнаружить.
3.7. Усталость металлов.
Явление усталости может проявиться не только во вращающихся деталях основного вспомогательного оборудования, но и в элементах теплоэнергетического оборудования, колебание напряжений в которых может быть связано с чередованием нагревов и охлаждений. Примеры переменных нагрузок показаны на рис.3.5.
Рис.3.5.Примеры циклических колебаний нагрузки; а – повторный цикл; б - знакопеременный симметричный цикл; в – знакопеременный несимметричный цикл.
С целью определения предела усталости проводятся испыта ния на усталость, когда определяется такое напряжение, которое не вызывает разрушения после определенного числа циклов, принятых за базу испытаний: (5 -10)∙106 для сталей и (50 - 100)∙106 для цветных металлов.
Циклом называется замкнутая однократная смена напряжений. Время в течении которого происходит один цикл, называется периодом цикла (рис.3.5).
Большинство испытаний на усталость относится к симметричному чистому изгибу при вращении. По данным испытаний на усталость строятся кривые усталости в координатах, напряжений - число циклов до разрушения (рис.3.6).
Рис.3.6. Кривая усталости металлов
Расчет деталей, работающих при переменных нагрузках, сво дится к определению максимального рабочего напряжения и сравнение его с допускаемым напряжением предела усталости материала, взятому с соответствующим запасом прочности.
Процесс усталости металлов тесно связан с возникновением усталостных трещин, причем образованию трещин предшествует по явление повреждений - выступов и впадин.
3.8. Тепловая усталость.
Колебание температуры вызывает колебание температурных напряжений, которое при большом числе теплосмен может привести к разрушению металла. Явление разрушения металлов вследствие повторных нагревов и охлаждений называется тепловой усталостью.
Тепловая усталость наблюдается при многократной закалке сталей в виде появления сетки трещин. Образование в металле трещин, обусловленных тепловой усталостью может происходить и при небольших амплитудах колебания температуры. Особенно часто возникали кольцевые трещины на внутренней поверхности экранных труб прямоточных котлов из-за расслоения пароводяной смеси на го ризонтальных участках, а также в камерах входа перегретого пара в цилиндрах среднего давления. Трещины тепловой усталости часто образовывались в стенках барабанов рядом с вводом питательной воды, температура которой не бывает постоянной. Это вызвало необходимость предусматривать у вводов питательной воды в барабан защитные паровые рубашки, предотвращающие изменение температуры стенки барабана при колебаниях температуры питательной воды, поступаю щей из некипящих водяных экономайзеров. Аналогичным образом возникновение трещин тепловой усталости происходило в трубных решетках пароохладителей поверхностного типа из-за колебания температуры охлаждающей воды.
Изменение температуры стенки может происходить вследствие изменения температуры протекающей среды, рассло ения пароводяной смеси, изменения коэффициента теплоотдачи и т.д., причём частота теплосмен может достигать 4 - 6 в минуту и больше.
Аустенитные стали обладают большей склонностью к разрушениям, связанным с тепловой усталостью, по сравнению со сталями перлитного класса, что объясняется тем, что эти стали име ют большую величину коэффициента линейного расширения и более низкую теплопроводность.
При появлении тепловой усталости в элементах энергоблоков действуют одновременно ряд факторов: повышение или высокие температуры,
сложно напряженное состояние, ассиметрия цикла, связанная с наличием внутреннего давления и повторным характером изменения температуры. Это усложняет анализ явления тепловой усталости. Проведенные опыты показали, что циклические колебания перепада температур в стенке трубы тем быстрее приводят к разрушению труб, чем выше разность между максимальным и минимальным пере падами температур в стенке. Опыты подтвердили также ускорение коррозионных процессов при разрушении на поверхности стали пленки в результате колебания температурных напряжений.
3.9. Ползучесть.
Ползучестью называется процесс накопления пластической деформации с течением времени под действием постоянных нагрузки и температуры.
Обычно после испытаний строятся первичные кривые ползучести - зависимости относительного удлинения δ (%) от времени (рис.3.7).
Рис.3.7. Первичная кривая ползучести
Участок 0-а соответствует упру гой деформации
а-б - участок неустановившейся скорости ползучести, б-в - участок равномерной скорости ползучести; процесс ползучести с постоянной скоростью называют вязкой ползучестью.
Начиная с точки в, скорость ползучести возрастает вплоть до разрушения.
Образование шейки у образца в процессе ползучести начинается не с определенного значения деформации, а одновременно протекают процессы равномерной деформации и образование шейки. Многие металлы при испытаниях на ползучесть при низких нагрузках разрушаются без образования шейки. Испытания на ползучесть ведутся обычно до тех пор, пока не выявится участок равномерной скорости ползучес ти (3-4 тыс., а иногда и до 6 тыс. часов).
При больших скоростях ползучести явно выраженый прямой участок может отсутствовать.
По участку б-в первичной кривой ползучести определяется один из критериев этого процесса - равномерная скорость ползучести:
Скорость ползучести vn = 10-5 %/час или 10-7 мм/мм/час. Это означает, что за 100000 час. службы деталь может приобрести деформацию равную I мм.
3.10. Длительная прочность металлов.
Длительной прочностью называется способностью, металла без разрушения воспринимать нагрузку, в том числе и циклическую, в течение установленного периода времени.
Напряжение, которое вызывает разрушение через определенный период времени, называется пределам длительной прочности.
При испытаниях на длительную прочность образцы доводятся до разрушения за время от 100 часов до 1000 - 1500 час. Это достигается приложением к образцу более высоких напряжений, чем при испытаниях на ползучесть. Время до разрушения в зависимости от приложенного напряжения σ можно определить как
А и в - постоянные для данных металла и температуры.
В расчетах прочности, работающих в условиях ползучести, используются пределы длительной прочности, соответствующие 100 000 час. работы металла. Если построить зависимость в логарифмических координатах, в которых зависимость будет линейной, то легко можно определить предел длительной прочности для 100 000 час. работы детали (рис.3.8).
Рис.3.8. Напряжение длительной прочности в логарифмических координатах
Факторы, влияющие на процесс ползучести:
4. Предел ползучести снижается при повышении температуры тем интенсивнее, чем мельче зерно.
5. При больших сроках службы металла наличие сложного напряженного состояния и концентрация напряжений приводит к снижению длительной прочности.
Основными средствами повышения сопротивления ползучести сталей являются:
1) Легирование такими элементами, которые сообщают стали необходимые свойства, сохраняющиеся в течение длительных сроков службы детали.
2) Термическая обработка.
3.11. Релаксация напряжений.
Релаксация - это процесс самопроизвольного затухающего падения напряжений во времени при уменьшающейся внешней нагрузке (рис.3.9).
Рис.3.9. Релаксационное изменение напряжения
Это падение напряжений происходит за счёт перехода упругой деформации δуп в пластическую δпл.
Возникновение остаточных деформаций в процессе релаксации позволяет рассматривать его как процесс ползучести при уменьшающемся напряжении (нагрузке). Однако механизмы релаксации имеет ряд особенностей, связанных с процессом диффузии и самодиффузии.
Установлено, что релаксация протекает путем сдвиговое дислокационного механизма, развивающегося по поверхности раздела т.е. на границах зерен, блоков, вторичных фаз и по плоскостям скольжения, в которых произошел сдвиг. Этот механизм релаксационных процессов называется пограничной релаксацией.
Кроме того, релаксация напряжений может происходить за счёт диффузионных процессов во всем объёме металла. Этот механизм релаксации получил название объёмной.
Объёмная релаксация играет второстепенную роль в поликристаллических металлах и её доля в общем процессе релаксации незначительна.
Повышение релаксационной стойкости стали достигается вве дением в них небольших добавок хрома, молибдена и др.
Стойкость стали к релаксации повышается с увеличением содержания углерода (до 0,35 - 0,4%). Наибольшая стойкость ста лей (30 ХМА и 25 х 2 МФА) может быть достигнута при нормализа ции с последующей высоким отпуском.
Часть вторая
СТАЛИ И РАСЧЁТЫ НА ПРОЧНОСТЬ В ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИИ.
Глава 4. ЭНЕРГОМАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ
4.1. Условия работы металла
Работа металла в энергетике характеризуется сложными условиями, детали котла подвергаются воздействию различных сред при напряженных параметрах (температура по газу до 1800 0С в котле). В самых тяжелых условиях работает металл труб пароперегревателей, коллекто ров и паропроводов перегретого пара, а также металл неохлаждаемых деталей; подвесок, креплений, опор, очистки поверхности нагрева и т.д.
Наиболее частые причины повреждения труб следующие:
При этом известно, что при повышении температуры металла и давления, действующего на него, резко снижаются его прочностные свойства (предел текучести, прочности и т.д.) и возрастает ско рость коррозионных процессов. Коррозия металлов часто ограни чивает область применения сталей.
Известны случаи разрушения металла ПГ при местных перегре вах труб и других деталей. Местные перегревы могут возникать при:
1) нарушении циркуляции;
2) расслоении пароводяной смеси в гнутых и горизонтальных участках труб;
3) отложении солей;
4) тепловой развертке и др.
Периодические колебания температуры поверхностей нагрева обуславливают явления: а) тепловой усталости, б) интенсифи цируют коррозионные процессы (т.к. разрушаются защитные плен ки), в) увеличивают скорость диффузионных процессов. Всё это снижает прочность металла.
Длительное пребывание сталей в условиях высоких температур приводит к развитию таких процессов как: а) тепловая хрупкость; б) сфероидизация; в) графитизация. Этих процессов можно избежать, выбирая определенную марку стали или восстанавливая исходные свойства сталей термообработкой как начальной, так и повторной. Но некоторые явления (например, релаксация и ползу честь), начиная с некоторой температуры избежать или затормозить уже невозможно. Поэтому задачей конструкторов является оптималь ное использование свойств сталей в соответствующих условиях. Внедрение в энергетику пара сверхвысоких параметров требует применения более жаропрочных сталей для труб пароперегревате лей, паропроводов и коллекторов перегретого пара.
4.2. Коррозия металла в энергоустановках.
В энергетике встречается несколько видов коррозии, которую подразделяют на две группы.
Существуют несколько видов коррозии:
1) сплошная (рис.4.1,а),
2) коррозия пятнами (рис.4.1,б),
3) язвенная коррозия (рис.4.1,в),
4) межкристаллитная коррозия (рис.4.1,г).
Рис.4.1. Видимая структура коррозии
Электрохимическая коррозия - это процесс растворения металла в электролите. При соприкосновении металла с электролитом происходит взаимодействие аниона электролита с ионом металла, в результате чего ион металла покидает кристаллическую решетку, оставляя в ней свободный электрон. Поэтому металл заряжается отрицательно, а раствор электролита положительно. Возникающая на границе раздела разность потенциалов и характеризует спо собность металла к растворению.
Стойкость металла против электрохимической коррозии оцени вается по его электродному потенциалу. Электродный потенциал определяется как разность потенциалов металла и водорода при условии, что металл соприкасается с нормальным раствором серно кислой соли этого же металла при 20 0С.
Наиболее легко растворяются элементы, имеющие отрицатель ный электродный потенциал; причем растворение происходит тем интенсивнее, чем меньше величина электродного потенциала.
Например, для Н - электродный потенциал 0
для Fe - 0,44
для Ni - 0,23
для Cu + 0,334
для серебра + 0,8
для золота + 1,36
Отрицательный электродный потенциал стали увеличивается при приложении к ней механического напряжения и при пластической деформации.
Кроме того, различный химический состав металла в различ ных местах детали вызывает появление гальванических элементов и химических процессов.
Если металл и электролит имеют одинаковый химический состав по всей поверхности соприкосновения их, то в реакции растворения наступает равновесие и коррозия прекращается.
Следовательно, основной причиной электрохимической коррозии является неоднородность строения металла: ликвации, наличие не скольких фаз и др.
Химическая коррозия в котлах происходит не толь ко в результате взаимодействия металла со свободным кислородом и углекислым газом, но и за счёт реакции с водяным паром и дымовыми газами. Поэтому в котлах проявляется несколько видов химической коррозии.
В энергетике коррозии особенно подвержены поверхности нагрева котлов, поскольку в них есть как водная среда, так и повышенные температуры. На котлах существует активная окислительная среда. Коррозия протекает как на внутренних, так и на наружных поверхностях нагрева. На рис.4.2 показаны различные виды коррозии, возникающие как на внутренних, так и на наружных поверхностях нагрева котла.
Рис.4.2. Места и наименование коррозии на элементах котла; 1 - высокотемпературная коррозия металла; 2 – ванадиевая коррозия; 3 – газовая коррозия; 4 - низкотемпературная сернистая коррозия; 5 – коррозия в барабанах (щелочная, под шламом и др.); 6 – пароводяная коррозия; 7 – кислородная коррозия.
Для снижения интенсивности сернистой коррозии применяют щелочные присадки в топливо (магнезит, доломит, известь).
3.Пароводяная (водородная) коррозия. Химически чистый водяной пар разлагается при температурах порядка 10000С. Та ких температур пара в современных котлах не достигает ся, однако в присутствии катализаторов (например: железо, раство ренное в воде) диссоциация начинается при более низких темпера турах. Так при температурах выше 300-400 0С железо, входящее в состав воды, вступает в реакцию с водой:
Свободный водород, который выделяется в результате этой реакции, насыщает сталь, а магнетит отлагается на поверхностях труб в виде пленки, которая затормаживает дальней шее развитие коррозии углеродистых сталей до температуры 450-500 0С. Сталь, насыщаясь водородом, становится хрупкой. Если скорость пара больше 10 м/сек, то свободный водород уно сится вместе с паром и коррозия практически не проявляется. Кроме того, стали, содержащие хром и молибден, не подверже ны пароводяной коррозии.
При температурах меньших 350 0С окислы, покрывающие металл, со стоят из гемотита - , окисла с наибольшим содержанием кислорода.
При температурах больше 400 0С на внутренней стороне пленки возникает слой магнетита .
При более высоких температурах (t > 570 0С) между окисной пленкой и поверхностью металла образуется слой вюстита с наименьшим содержанием кислорода:
Содержание кислорода от слоя к слою изменяется скачкообраз но, как показано на рис.4.3.
Рис.4.3. Слои коррозии, возникающие на металле при повышенных температурах
Вюстит является твердым раствором вычитания и диффузион ные процессы в нем облегчены, т.к. в кристаллической решётке FeО имеются свободные узлы. Следовательно, для увеличения окалиностойкости сталей, их необходимо легировать элементами, у которых плёнка окислов имела бы более плотную кристаллическую ре шётку, чем у окислов железа.
Основной причиной повышения окалиностойкости легированных сталей является более высокая температура образования вюстита. Концентрация легирующих элементов во внутреннем слое окалины должна быть достаточной для предупреждения образования вюстита (при расчетной температуре).
Таким образом, окалиностойкость сталей определяется свойства ми окисной плёнки, образующейся на поверхности детали, а именно, её прочностью и плотностью сцепления с основным металлом. Плот ные кристаллические решётки имеют окисные плёнки хрома, крем ния, алюминия, поэтому с увеличением их содержания в стали по вышается её окалиностойкость.
Разрушение металла вследствие щелочной хрупкости происхо дит только в том случае, когда металл подвержен механическим напряжениям, которые способствуют постепенному увеличению щелей и трещин.
Известно, что щелочная коррозия развивается быстрее с умень шением углерода и с повышением температуры.
Для предупреждения щелочной коррозии необходимо, чтобы в конструкциях барабанов котлов не было узлов, облег чающих повышение щелочности котловой воды, а так же недопус тимо омывание щелочной котловой водой наклепанного металла и мест с высокой концентрацией напряжений.
Стойкости от щелочной хрупкости можно достичь изменением электрохимических свойств котловой воды добавкой специальных примесей - пассиваторов.
Для борьбы с этим видом коррозии можно рекомендовать при менение пассиваторов смещающих отрицательную, электрохимическую коррозию в сторону положительных электродных потенциалов.
Скорость корроизонного растрескивания зависит от темпера туры, от среды и от вида стали. Например, аустенитные стали в присутствии обладают значительной склонностью к коррози онному растрескиванию.
Рис.4.4. Схема образования межкристаллитной коррозии
Для увеличения стойкости аустенитных сталей к межкристаллитной коррозии необходимо избавиться от карбидов хрома и желе за. Для этого в сталь вводят элементы титана и ниобия, которые сами образуют карбиды более легкие, чем хромистые карбиды.
Хром же оказывается в виде твердых растворов.
Наиболее интенсивно коррозия протекает в интервале темпе ратур 625 - 750 0С при содержании в отложениях 87% и 13% .
Интенсивность возрастает с увеличением температу ры и длительности работы стали. Содержание молибдена в стали ускоряет коррозию при t > 750 °С. После достижения максимального значения скорость коррозии уменьшается.
Ванадиевая коррозия разрушает не только металл поверхностей нагрева и стоек, но и футеровку топочной камеры и газоходы.
Для борьбы с ванадиевой коррозией можно рекомендовать ле гирование металлов хромом, кремнием, никелем, но не для аустенитных сталей. Можно рекомендовать защитные покрытия (плёнки) Надежной защиты от ванадиевой коррозии пока нет.
Кроме перечисленных видов коррозии встречаются и другие виды электрохимической коррозии, например, коррозия под слоем шлама.
Считается, что как только осваиваются новые параметры пара или новые топлива, то сразу энергетика сталкивается с новыми видами коррозии. Например. Как только начали осваивать атомную энергию, то на энергоблоках АЭС появилась радиационная коррозия.
4.3. Влияние технологии изготовления на свойства сталей.
В процессе изготовления деталей энергоблоков тепловых электростанций заготовкам приходится сообщать различную конфигурацию, т.е. передавать значительные пластические деформации. К тому же при изготовле нии котлов основной технологической операцией являет ся сварка. В любом случае в деталях энергоблоков после изго товления остаются большие внутренние напряжения. Чтобы снять эти напряжения приходится производить термическую обработку:
а) для перлитных сталей - отжиг или нормализацию;
б) для аустенитных сталей - аустенизация;
в) для углеродистых сталей, если в процессе изготовления происходит и заканчивается при t > 850 0С, нормализация происхо дит в процессе изготовления;
г) если детали изготавливаются с помощью сварки, приходит ся подбирать металл, так как высокоуглеродистые стали (С > 0,30 %) и низколегированные стали с содержанием хрома более 1 % склонны к воздушной закалке и могут возникнуть большие остаточные напря жения.
Чтобы не было влияния технологии изготовления на характеристики энергомашиностроительных сталей, они должны обладать следующими свойствами:
4.4. Обозначения марок сталей,
Принятые обозначения марок сталей показывают состав стали.
Углеродистые стали имеют обозначения, которые указывают на содержание углерода в сотых долях процента. Например, углеро дистые стали 10, 20 содержат С ≈ 0,1 % или С ≈ 0,2 %. Качествен ные углеродистые стали имеют дополнительное обозначение (напри мер: 20К, I5K).
Легированные стали обозначают легирующие добавки в сталях русскими буквами. Для обозначения химических элементов приняты следую щие обозначения:
|
Г - марганец (Mn); |
В – вольфрам (W); |
Б – ниобий (Nb); |
|
С – кремний (Si); |
Ф - ванадий (V); |
К – кобальт (Co); |
|
X – хром (Cr); |
Т – титан (Ti); |
Р – бор (B); |
|
Н – никель (Ni); |
Ю – алюминий (Al); |
П – фосфор (P); |
|
М – молибден (Mo); |
Д – медь (Cu); |
Ц – цирконий (Zr). |
Цифра стоящая после буквенного обозначения указывает на содержание легирующей добавки (если её больше 1%). Первые две цифры показывают содержание углерода в легированной стали.
Пример: Сталь 12ХIМФ содержит С = 0,08-0,15 %, Cu = 0,9-1,2 % и Mo < 1% и V < 1%.
4.5. Углеродистые стали.
Детали энергоагрегатов низкого, среднего и высокого давления выполняются в основном из углеродистых сталей, кроме пароперерегревателей, опор, подвесок и др.
В процессе изготовления в стали попадают различные примеси: углерод, кремний, марганец, фосфор, азот, сера, кисло род и водород. Эти примеси при затвердевании остаются в стали и определяют их свойства.
Углерод оказывает определяющее влияние на свойства стали. С увеличением углерода в стали увеличивается прочность и снижается характеристики пластичности. В энергомашиностроительных сталях содержание углерода ограничивается, так как качество стали резко снижается при сварочных работах при увели чении углерода. При увеличении углерода появляется возможность воздушной закалки.
Марганец (Г) вводится для раскисления и содержится в ко личестве 0,3-0,8 % в виде раствора. Марганец считается полезной добавкой; он предупреждает явление красноломкости и повышает прочность.
Кремний (С) также полезен и вводится как раскислитель в количестве менее 0,5%. Кремний повышает окалиностойкость и прочность.
Фосфора (П) вредная добавка; его не должно быть более 0,045 %, так как он спо собствует появлению хладноломкости.
Сера в сталях ограничивается (S < 0,045 %) так как она при тем пературах 800-1200 0С способствует появлению красноломкости стали.
Азот ухудшает прочностные и пластические свойства сталей и поэтому его не должно быть более 0,01 %. Азот с α-железом образует твердый раствор внедрения, т.е. создает условия для образования различного рода дислокаций.
Кислород понижает коррозионную стойкость и повыша ет хрупкость металла. Кислорода в стали не должно быть более 0,01 %.
Водород, насыщая сталь, способствует хрупкости сталей и поэтому его не должно быть больше 0,001 %.
Примеси никеля, хрома и меди в углеродистых сталях, не должно быть более 0,3 % каждого, а сумма хрома и меди - не более 0,5 %.
Для изготовления барабанов котлов среднего и
низкого давления применяются качественные углеродистые стали 15K и 20К, а высокого давления - 22К.
Трубы поверхностей нагрева, имеющие температуру стенки t < 500 0С, а так же камеры с t < 450 0С выполняются из сталей 10, 20.
При температуре стенки t < 500 0С в углеродистых сталях резко снежатся предел длительной прочности и начинается интен сивное окисление поверхностей труб.
Кованные детали арматуры выполняются из стали 25.
Крепежные детали выполняются из сталей 30,35.
4.6. Влияние легирующих элементов на свойства сталей.
Целью легирования сталей является увеличение стойкости сталей к коррозии, деформации, ползучести, хрупкости, энергопрочности и др.
Хром (Х, химический элемент Cr) вводится для повышения окалиностойкости сталей при высоких температурах. Хром в зависимости от содержания угле рода в стали образует карбиды или и в зависимости от термической обработки образует твердые растворы. Прочность стали повышается с увеличением содержания хрома и достигает максимума при . Дальнейшее повышение содер жания хрома приводит к снижению жаропрочности.
К отрицательным факторам легирования хромом можно отнести:
1) сталь становится чувствительной к воздушной закалке при сварке; 2) повышается склонность сталей к тепловой хрупкости; 3) способствует межкристаллитной коррозии аустенитных сталей. .
Молибден (М, Мо) входит в состав низколегированных сталей для повышения прочности при высоких температурах (стойкость к тепло вой хрупкости). Молибден входит в сплавы в виде твердых раство ров и повышает температуру рекристаллизации сплава. Часто молиб ден вводится в сталь совместно с хромом. Такой сплав препятству ет графитизации стали при высоких температурах (графитизация - распад карбидов на металл и графит). В перлитных сталях реко мендуется содержание Мо в пределах 0,2 – 1,1 %.
В аустенитных сталях молибден вводится для повышения коррозионной стойкости. Однако окалиностойкости молибден не повышает.
Никель (Н, Ni) дорогой и дефицитный легирующий элемент, вводят в аустенитные стали в количестве не менее 9 % для получения и стабилизации аустенитной структуры. В противном случае при медленном охлаж дении и холодном наклепе возможно образование ферритных участков.
В аустенитных сталях никель повышает коррозионную стой кость.
В перлитных сталях никель не применяется.
Ванадий (Ф, V) способствует повышению прочности в условиях длительной эксплуатации и при высоких температурах. Он образует устойчивые мелкодисперсные карбиды.
В сплавах, содержащих молибден, ванадий связывает углерод и карбид, а молибден остается в твердом растворе, упрочняя его. При этом повышается жаропрочность.
Присадка ванадия вводится в количестве 0,2-0,4 %. При больших количествах он снижает окалиностонкость.
Кремний (С, Si) вводится в сплав часто вместе с алюминием для повышения окалиностойкости, так как он дает плотные оксидные плёнки. Кремний введенный в большем количестве чем необходимо для раскисления (более 0,5 %) уменьшает деформацию в начальный период ползучести. Однако кремний снижает длительную прочность перлитных сталей. При содержании в стали более 3 %, кремния умень шает способность стали к пластической деформации при горячей обработке.
Ниобий (Б) вводится в перлитные стали для повышения жаро прочности. Однако жаропрочность перлитных сталей возрастает только при содержании ниобия до 1,3%.
При могут понизиться сопротивление ползучести и длительная прочность стали.
В аустенитных сталях ниобий вместе с молибденом и вольфра мом значительно повышают жаропрочность и сохраняют пластичность стали на длительное время работы. Ниобий предупреждает межкрис кристаллитную коррозию.
Ниобий - один из наиболее дорогих и дефицитных материа лов.
Титан (Т, Ti) сильный карбидообразующий элемент. Титан вводится как упрочняющий и стабилизирующий элемент в аустенитные стали. Упрочнение связано с выпадением карбидов и интер металлических соединений типа .
Вольфрам (В, W), как и молибден, повышает температуру рекристаллизации сталей, поэтому используется для повышения сопротив ления ползучести. Вольфрам так же образует устойчивые карбиды, что позволяет молибдену сохраняться в твердом растворе.
Марганец (Г, Mn) при содержании 1 % в сталях перлитного класса повышает характеристики прочности и . Такие стали используются для изготовления барабанов.
В хромоникелевых аустенитных сталях марганец вводится с содержанием до 2 % для повышения жаропрочности.
Марганец способствует хрупкости в аустенитных и тепловой хрупкости в перлитных сталях.
Кобальт (К, Со) в сочетании с молибденом и вольфрамом повышает прочностные характеристики стали.
Бор (Р, В) используется для повышения длительной прочности сталей перлитного и аустенитного классов. В сочетании с молиб деном, ванадием и хромом бор повышает сопротивление ползучести и длительную прочность при содержании бора до 0,005 %.
Редкоземельные и щелочноземельные элементы (лантан (La), неодим (Nd), цезий (Cs), барий (Ba), кальций (Ca), магний (Mg)) повышают характеристики жаропроч ности и уменьшают содержание газов в сталях.
4.7. Низколегированные стали.
Для труб поверхностей нагрева при температуре стенки tст > 500 0С и для коллекторов и паропроводов при tст > 450 °С применяются низколегированные стали перлитного класса.
В настоящее время в энергомашиностроении чаще всего применяются низколегированные стали 12ХМФ, 12ХIМФ и 15ХIМIФ. Ранее применялись стали 12XM и 15XM. но они обладают нестабиль ными свойствами (склонны к сфероидизации).
Трубы из сталей 12ХIМФ и 15ХIМIФ должны проходить терми ческую обработку со строгим соблюдением режима (нормализация с высоким отпуском).
Сталь 12ХIМФ рекомендуется применять для поверхностей нагрева с tст не более 560-585 0С. При tст = 560-600 0С рекомендуется сталь 12Х2МФСР. Могут использоваться более высокие температуры и другие стали:
1) 15ХIМIФКР tст < 600 0С. Термообработка: нормализация при 1000-1020 0С; охлаждение 400-600 0С и отпуск при 7200С в те чение 5 часов.
2) IX12B2МФ (Эи - 756) tст < 630 0С; термообработка: закалка и отпуск при t = 650-700 0С.
3) 2Х12ВМБФР (Эи - 993) tст < 630 0С термообработка: закалка и отпуск при t = 650 – 700 0С.
Барабаны котлов сверхвысоких параметров изготовляют из ста ли 16ГНМ.
Для трубопроводов питательной воды при t = 280 – 300 0С и р ≤ 40 МПа. в последнее время рекомендуют применять стали 15ГС, 15Г2СМФ, 15Г2СМФР.
4.8. Стали аустенитного класса.
Переход энергетики на сверхвысокие параметры пара потре бовал применения высоколегированных сталей для паропроводов и последних ступеней пароперегревателей. Повышения окалиностойкости здесь добиваются за счет аустентной добавки никеля и хрома. Ле гирование кремнием недопустимо, так как он увеличивает зону хрупкого состояния в хромоникелевых аустенитных сталях.
Чтобы повысить сопротивление ползучести и длительной проч ности необходимо изменить кристаллическую решетку металла из α-железа в γ-железо. Изменение кристаллической решетки достигается вве дением никеля, количество которого зависит от содержания хро ма в стали.
Аустенитные стали имеют ряд недостатков.
склонность к межкристаллитной коррозии,
4. склонность к тепловой усталости, так как аустенитные стали имеют более высокий коэффициент линейного расширения, чем углеродистые стали.
5. разрушение сварных швов в трубопроводах.
Нестабильность аустенита проявляется при технологических операциях, связанных с холодным наклёпом, например, при гибке труб. Пластическая деформация вызывает обратный переход γ-железа в α-железо), α-фаза способствует выделению по границам зерен интерметаллического соединения (σ- фаза) и затем происходит разрушение по этим включениям. Устранение последствий наклепа достигается при нагреве до 1000 0С, при этом эффективность зависит от времени выдержки.
В настоящее время из аустенитных сталей наиболее часто применяются марки Х18НIОТ и Х18Н12Т. Эти стали выдерживают температуры до 640 – 650 0С. Еще более высокие характеристики жаропрочности (до 700 0С) имеют стали IХ16Н14В2БР (ЭП - 17) и IX16 Н12MB2БP (ЭП - 184).
4.9. Специальные сорта сталей.
Детали креплений, подвесок, опор, обдувочных устройств и т.д. работают в зоне высоких температур и основное требова ние к ним - окалиностойкость. Наибольшей окалиностойкостью обладает стали с большим содержанием хрома: XI7; Х28. Но хром очень дорогой материал, поэтому для деталей, работающих под давлением, применяется добавка кремния с небольшим ко личеством хрома (сильхромовые стали) Х6С. Выcoкoхромистые стали имеют ряд недостатков:
1. незначительное сопротивление ползучести и длительной прочности;
2. имеется склонность к тепловой хрупкости.
Чтобы улучшить свойства высокохромистых сталей вводят молибден (Х6СМ), который устраняет склонность к тепловой хруп кости и повышает сопротивление ползучести. В этих сталях термо обработка не устраняет рост зерна в результате рекристаллизации.
Улучшить свойства высокохромистых сталей можно так же добавкой в них азота в количестве 0,01 % от содержания хрома. Образующиеся нитриды задерживают рост зерна и увеличивают срок службы деталей. Аналогичное влияние на стали оказывает присад ка титана.
Применяются так же стали XI8H10T и X2ОH14C2. Они не окисля ются до температур 800-1000 0С и имеют высокое значение со противления ползучести.
4.10. Крепежные стали.
К крепёжным материалам предъявляются ряд требований:
- сталь должна обладать высоким пределом текучести;
- высокой релаксационной стойкостью при высоких температурах;
- удовлетворительной механической обрабатываемостью.
Шпильки и гайки могут изготовляться из углеродистых сталей
обыкновенного качества МСт3,МСт4 и МСт5, если давление среды не превышает 2,5 МПа., а температура до 350 0С.
Фланцы для этих параметров делаются так же из углеродистых сталей.
При более высоких температурах используются качественные углеродистые и низколегированные стали с соответствующей термической обработкой. Для паропроводов высокого давления с температурой перегретого пара 510 0C в качестве крепежного материала используется сталь 25Х2МФА. Буква А означает металлургически вы сококачественную сталь с пониженным содержанием серы и фосфора (менее 0,03 %), которая имеет высокие характеристики прочности и низкую склонность к тепловой хрупкости. Для паропроводов ПГ сверхвысоких параметров пара фланцы выполняются из сталей 12ХIМФ и 15ХIМФ, а шпильки и гайки из термообработанных сталей 25Х2МIФ и 20ХМIТФI.
Конечно, возможно применение и других сталей.
4.11. Турбинные стали
Рабочие и сопловые лопатки газотурбинных установок (ГТУ) работают в наиболее сложнейших условиях:
- температура до 1150 – 1180 0С;
- суммарное напряжение до 200 – 320 МПа;
- динамическое напряжение до 50 – 80 МПа.
На лопатках возможен температурный перепад:
- радиальный до 130 – 140 0С;
- по обводу профиля лопатки до 180 0С.
Таким образом, материал лопаток ГТУ должен обладать высокими пределами длительной прочности и ползучести.
Для рабочих и сопловых лопаток с рабочей температурой металла до 580 0С применяются коррозионностойкие стали с содержанием хрома 12 – 14 %. Например, 20Х13-Ш, 15Х11МФ-Ш, 20Х12ВНМФ-Ш. Здесь и далее Ш – указывает на методвыплавки лопаток: Ш (или ЭШТ) – электрошлаковый; ВД – вакуумно-дуговой; ЭЛП – электронно-лучевой.
Для более высоких температур используются жаропрочные стали на никелевой и никель-кобальтовой основе: ХН80ТБЮА, ХН80ТБЮ, ХН65М4ЮТР, ХН65КМВЮБ, ХН70МТФКЮ, ХН55ВМТФКЮ. Эти стали плохо деформируются и обрабатываются. Поэтому лопатки изготавливаются точным литьем.
Повышение механических свойств стали в последнее время добиваются также направленной кристаллизацией затвердевающего в формах металла. При этом пластичность, относительное удлинение и прочность лопаток возрастает.
Для повышения коррозионной стойкости рабочих и сопловых лопаток применяются защитные покрытия на алюминиевой или хромисто-никелевой основе.
Для рабочих и сопловых лопаток паровых турбин хромистые коррозионностойкие стали. Особенно тщательно выбираются стали для последних ступеней турбины, где суммарные напряжения максимальные. Для них в энергоблоках примерно 200 МВт используются стали: 20Х13, 12Х13. При больших мощностях турбин (более 200 МВт) применяются стали 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ. Для самых длинных рабочих лопаток 900 – 1200 мм используются специальные стали.
Диски роторов турбин. Диски газовых турбин, работающих при температурах 300 – 500 0С, выполняются из сталей: 20Х12ВНМФ-Ш, 20Х12ВНМФ-ВД. Низкотемпературные ступени турбин изготавливаются из сталей: 20ХН3М2Ф-А, 27ХН3М2Ф-А.
При более высоких температурах применяются стали: 37Х12Н8Г8МФБ, ХН77ТЮР.
Цельнокованные роторы паровых турбин, работающих в зоне повышенных температур, изготавливаются из 25Х1МФ (для температур до 540 0С), 20Х3МВФ (до 560 0С), 15Х12ВМФ (до 570 0С).
Корпуса турбин. Для корпуса, работающего в зоне температур до 700 0С, используются жаростойкая сталь: 20Х23Н13. Детали внутреннего корпуса (сегменты. Обоймы) выполняются из аустенитных сталей: 12Х18Н10Т, ХН65В9М4ЮТ.
Низкотемпературные элементы паровых турбин выполняются из серого чугуна: СЧ15, СЧ30. Чугунное литье применяется при температурах не выше 250 0С. При температурах до 300 0С применяется модифицированный чугун МСЧ32.
Для корпусов высокого и среднего давления с рабочей температурой до 450 0С можно применять углеродистые стали (например, сталь 25Л). При температурах 500 0С используется перлитная сталь: 20ХМЛ, а при температурах до 580 0С – 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ. При температурах выше 550 – 580 применяются аустенитные стали: Х15Н15М2К3ВТ, Х14Н14М2В2ФБТ.
4.12. Перспективы использования новых материалов в энергетике.
Энергетики всегда были озабочены более надежной работой металла оборудования, особенно для атомных электростанций. В последнее время в материаловедении появились новые виды более прочных материалов. Во многих странах разрабатываются, так называемые, интеллектуальные материалы. Философское понятие интеллектуального материала определяется тремя встроенными функциями:
- сенсорной (он обнаруживает нарушения и показывает их);
- процессорной (вырабатывается свое суждение и делается вывод);
- исполнительной (сам себе дает инструкции и выполняет их).
Таким образом, интеллектуальный материал – материал выражающий функции, позволяющие ему разумно реагировать на окружающие условия.
Интеллектуальные материалы имеют также вспомогательные функции:
- систематической передачи информации;
- превращения и пополнения энергии;
- физическую и химическую функции и структуры.
Историческая эволюция развития материалов:
1 этап. Конструкционные материалы (механические функции).
2 этап. Композиционные материалы.
3 этап. Функциональные материалы (электрические, оптические и другие функции).
4 этап. Интеллектуальные материалы.
5 этап. Неопределенные материалы.
Существуют и другая классификация материалов:
Интеллектуальные материалы должны анализировать обстановку и давать ответствующий сигнал. Например, «остановить немедленно» или «можно работать в течение … времени», т.е. материал проводит самодиагноз и дает информацию о вероятном периоде эксплуатации конструкции. Сенсорная функция осуществляет контроль по изменению температур и деформации материала и конструкции.
Работы по созданию таких новых материалов ведутся в двух направлениях.
Так, например, в области авиации, космоса, энергетики (особенно атомной) происходит поиск возможности создания высоконадежных материалов для работы в жестких условиях эксплуатации. Причем, понятие надежности отличается от традиционной, так как новые интеллектуальные материалы должны быть способны к самодиагностике любого дефекта и его самоустранению или уведомлению о вероятном сроке службы материала для предотвращения аварий.
Глава 5. РАСЧЁТ НА ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ
энергооборудования
5.1. Предисловие
Металл элементов высокоэнергетического оборудования обычно работает в тяжелых условиях повышенных давлений, больших температур и ра диации. Энергетические установки вынуждены работать длительное вре мя (годами), в течение которого в основном параметры не изменя ются. Однако в процессе работы возможны пуски и остановы оборудо вания, когда изменяются параметры рабочей среды. Радиация металла реактора накапливается со временем. Таким образом, все виды разрушений металла, которые возможны в природе, встречаются при работе эле ментов энергетики и атомного реактора. Оценка прочности элементов энергооборудования производится по следующим предельным состояниям:
а) разрушение (вязкое и хрупкое);
б) пластическая деформация по всему сечению детали;
в) потеря устойчивости;
г) возникновение остаточных изменений формы и размеров, при водящее к невозможности эксплуатации конструкции;
д) появление микротрещин при циклическом нагруженнии.
При расчете на прочность деталей энергооборудования основными рас четными нагрузками являются:
дополнительные нагрузки (изоляция трубопроводов, мас са других элементов и т.д.);
реакция опор и трубопроводов;
температурные воздействия.
Существует несколько расчетных случаев, которые должны учиты ваться при расчете на прочность:
а) пуско - остановочные процессы;
б) стационарный режим;
в) изменение мощности;
г) нарушение нормальных условий эксплуатации;
д) аварийная ситуация.
За основу принимается стационарный режим, однако учитываются и другие факторы изменения стационарной нагрузки с помощью дополнительных коэффициентов, учитывающих запасы по нагрузкам.
5.2. Методы расчета на прочность.
Все элементы ПГ и реактора, рассчитываются по рабочим напря жениям (стационарный режим), которые не должны превышать допускае мых напряжений. Допускаемое напряжение - это критерий прочности материала, отнесенный к коэффициенту запаса прочности. Величина коэффициента запаса прочности зависит от возможных отклонений ре жимов работы элементов ПГ и от точности определения величины рабо чих напряжений по расчетным формулам. Следует иметь в виду, что при выводе большинства расчетных формул путем решения задач тео рии упругости или пластичности делаются отдельные допущения, которые приводят к отклонениям от истинных значений прочности де талей.
5.3. Основы расчёта на прочность цилиндрических сосудов.
В настоящее время известны четыре метода расчета на прочность цилиндрических сосудов.
1. Метод наибольших нормальных напряжений, т.е. при сложнонапряженном состоянии узла за критерий прочности выбирается наибольшее нормальное напряжение. Для сосудов обычно таким напряжением является танген циальное (рис.5.1), но иногда может быть выбрано аксиальное напряжение .
Рис.5.1. Напряжения действующие на цилиндрический элемент
Эта теория недостаточно точно определяет прочностные свойства узла (особенно для пластичных материалов), но она наиболее старая и поэтому до сих пор находит применение в энергетике, в технике для малонапряженных деталей.
2. Метод наибольших деформаций. Он основан на том, что течение пластического материала наступает тогда, когда наибольшая деформация становится равной деформации, при которой материал начинает течь при простом растяжении или, наоборот, при сжатии. Основ ное уравнение второй теории прочности является
где - коэффициент Пуассона,
σr - радиальное напряжение.
Эта теория широко применяется в общем машиностроении и редко в энергетике.
3. Метод наибольших касательных напряжений наиболее хорошо согласуется с экспериментом, чем первые два метода применительно к пластичным материалам. Считается, что течение материала при сложнонапряженном состоянии начинается тогда, когда достигаются наибольшие касательные напряжения, имеющие место при достижении предела текучести при одноосном напряженном состоянии. Касательные напряжения записываются как полуразности между наибольшим и наимень шим основными напряжениями
, когда
или , когда
4. В настоящее время общепринято, что сложнонапряженное состояние пластических материалов наиболее точно характеризует энергетическая теория прочности. Эта теория исходит из положения о том, что опасное состояние материала зависит от величины потенциальной энергии, накапливаемой при деформации в единице объ ёма этого материала. Эта теория может быть выражена уравнением:
.
Считается однако, что энергетическая теория прочности приво дит к занижению действительных напряжений примерно на 5 – 7 %.
При низких давлениях и температурах пара выбор той или иной теории расчета на прочность оказывает мало влияние на результаты расчета. При увеличении параметров среды расхождение в результатах расчета становится существенным. Как показывают опыты, энергетическая теория прочности даёт наиболее лучшую сходимость по сравнению с другими теориями. Поэтому в энергетике все расчеты на прочность ведут основываясь на этой теории.
5.4. Выбор допустимых напряжений.
Допустимое напряжение определяется по расчетной температуре стенки деталей. Для основных котельных и реакторных сталей в нормах расчета на прочность приведены величины номинальных допускаемых напряжений , в которых учтены запасы прочности и неточности расчетных формул.
Номинальные допустимые напряжения принимают равными наименьшему из трех:
где - временное сопротивление разрыву (предел прочности) при расчетной температуре стенки t;
- предел текучести при той же температуре;
- предел длительной прочности при той же температуре.
В нормах приняты следующие запасы прочности: .
Для деталей специальных котельных установок (опытно-промыш ленных, экспериментальных и т.д.) с общим сроком службы при расчетной температуре стенки не ниже 440 0С для углеродистой стали, не ниже 480 0С для хромомолибденовых сталей и не ниже 540 0C для аустенитных сталей, при расчетных параметрах со сроком эксплуатации менее 10000 час. Величина номинального допустимого напряжения может быть увеличена в 1,25 раза.
Величина допускаемого напряжения определяется по формуле:
,
где η - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности рассчитываемой детали, расчетные ситуации (нормальные условия работы, нарушение их или аварийные ситуации) и виды напряжений (мембранные, изгибные, температурные, циклические и т.д.).
Величина η колеблется в пределах 0,4-2,5. При расчете труб поверхностей нагрева и коллекторов котла энергоблока менее 300 МВт коэффициент может быть принят η = 0,9. Коэффициент η должен учитывать технологию изготовления деталей (например, для стального литья η = 0,8).
5.5. Расчет на прочность цилиндрических корпусов барабанов и камер
Для любого элемента оборудования могут быть определены:
1. толщина стенки, которая работает под нагрузкой, в том числе под давлением (конструкторский расчет);
2. изгибные напряжения (поверочным расчетом);
3. допустимые давления, которые могут выдерживать детали оборудования (поверочным расчетом).
1. Толщина стенки цилиндрической части сосуда, камеры иди барабана, исходя из энергетической теории прочности, рассчитывается по формуле:
,
где Р - давление в камере или барабане, МПа;
Dн - наружный диаметр камеры или барабана, мм;
- допускаемое напряжение, МПа;
- коэффициент прочности сосуда в продольном направлении, учитывающий наличие ослаблений в камере; барабане (отверстий, сварных швов и т.д.);
С - прибавка к расчетной толщине стенки, учитывающая технологические допуски и допуски на коррозию, мм;
S - толщина стенки, мм.
Если внутренний диаметр камеры или барабана является расчетным, то толщина стенки определяется по следующей формуле:
.
Эти формулы справедливы при соблюдении следующих условий:
- для барабанов и камер, содержащих воду, пароводяную смесь, насыщенный пар:
,
- для камер, содержащих перегретый пар:
Допускаемое напряжение для бесшовных и сварных барабанов и камер принимается согласно формулы при следующих значениях коэффициента η:а), для необогреваемых барабанов и коллекторов,(вынесенных из газохода и защищенных тепловой изоляцией η = 1,0 (камера надежно изолирована, если .
- для обогреваемых - η =0,9.
Если барабан (камера) изготовлен из листов разной толщины, соединенных продольными швами, толщину стенки рассчитывают для каждого листа с учетом имеющихся в них ослаблений.
Прибавка С для барабанов и камер, свариваемых из листа или кованных с последующей механической обработкой при толщине листа S ≤ 20(40) мм равно 1 мм; при толщине листа S > 20(40) мм, С = 0.
Для камер, изготовляемых из труб прибавка С определяется по формуле или по табл. 5.1.
;
где А - коэффициент, зависящий от величины допуска по толщине стенки трубы.
Таблица 5.1
|
Наименьший минусовый допуск по толщине стенки, % |
0 |
5 |
10 |
12,5 |
15 |
|
А |
0 |
0,05 |
0,11 |
0,14 |
0,18 |
Во всех случаях толщина стенки сосуда барабана или камеры не должна приниматься менее 6 мм.
Толщина стенки барабанов и камер при присоединении к ним труб при помощи развальцовки рекомендуется принимать не менее 16 мм.
Толщину стенки барабанов и камер, обогреваемых горячими газа ми запрещается принимать:
а) более 22 мм для барабанов и камер, расположенных в топке;
б) 30 мм для барабанов и камер, расположенных в газоходах при υ ≤ 900 °С;
в) 50 мм для барабанов и камер, расположенных в газоходах при υ ≤ 600 0С.
Толщина стенки для шаровых сосудов определяется по тем же формулам что и для цилиндрических:
Однако эти формулы применимы при
2. Расчет изгибных напряжений (поверочный расчет)
Поверочный расчет на изгиб барабанов следует проводить тогда, когда расстояние между опорами превышает 8 м. Камеры проверяются на изгиб, если расстояние между опорами превышает 6 м или если на камеру действует значительные дополнительные усилия: вес элементов, присоединенных к камере, реакции опор и др.
Изгибное напряжение в стенке барабана определяется по формуле:
При определении Ми барабан (камера), рассматривается как балка свободнолежащая на опорах. В нагрузку изгибающую балку входят (рис.5.2)
Рис.5.2. Конструктивная схема барабана, камеры
1. Вес барабана (камеры) и соединенных с ним частей (Gб).
2. Вес воды, заполняющей барабан (Gв).
3. Вес изоляции (Gиз).
Момент сопротивления барабана (камеры) W вычисляется в наи более ослабленном поперечном сечении. Если максимальный изгибающий момент и наименьший момент сопротивления находятся в разных сечениях, то следует определить сечение, где возникает максимальное изгибное напряжение.
Величина изгибного напряжения должна удовлетворять следующему
условию:
Если , то необходимо осуществить конструктивные мероприятия, снижающие до допустимого предела.
Приведенное напряжение от внутреннего давления вычисляется по следующим формулам
и .
Прибавка находится по уравнению
3. Допустимое давление в барабанах и камерах.
Допустимое рабочее давление цилиндрических сосудов определяется по формуле:
,
где Dн - наружный диаметр,
Dв - внутренний диаметр,
Sсp - фактическая толщина стенки барабана берется равной наименьшему значению из четырех измерений толщины по концам 2-х взаимно перпендикулярных диаметров.
Для сферических сосудов допустимые давления определяются как
.
Величина пробного давления при гидравлическом испытании определяется по формулам:
при
при
где - значение допускаемого напряжения при температуре 200С.
Допускаемое давление при гидроиспытаниях может быть определено также из условия
- номинальное допустимое напряжение при температуре гидроиспытаний;
- номинальное допустимое напряжение при расчетной температуре.
4. Расчетная температура стенки, по которой определяется величина номинального допускаемого напряжения, принимается в зависимости от рода и температуры среды, содержащейся в рассчитываемом элементе и условии обогрева его горячими газами и охлаждения рабочей средой.
В обогреваемых элементах расчетная температура стенки принимается равной среднеарифметической величине из температур наружной и внутренней поверхностей в наиболее нагретом участке элемента.
Для барабанов, вынесенных за пределы газохода или надежно изо лированных или защищенных другим надежным способом от обогрева, расчетная температура стенки принимается равной температуре насыщения tст = tн.
Для котлов, работающих при давлениях > 16,0 МПа и для прямоточных котлов при любом давлении температура металла принимается согласно тепловому и гидравлическому расчету котла.
Для необогреваемых камер экономайзеров прямоточных ПГ и камер пароперегревателей ИТ всех типов .
Если камеры, расположенные в газоходе содержат жидкость или пароводяную смесь и температура газов в газоходе не выше 600 °С, то .
Если температура газов в газоходе 600 0С < υ < 900 0С, то .
Величина развертки температур принимается по тепловому расчету или по данным испытаний, но не менее 10 0С. Коэффициент X принимается равным 0,5; в случае обеспечения полного перемешивания среды в камере X = 0.
5.6. Расчет на прочность трубопроводов
Результатом прочностного расчета труб может быть:
1) толщина стенки трубы (конструкторский расчет);
2) допустимые напряжения от внешних нагрузок (поверочный расчет);
3) допустимые давления (поверочный расчет).
1. Расчёт толщины стенки труб.
Толщина стенки труб должна быть не менее
а) для бесшовных труб и для сварных труб из углеродистой, низколегированной марганцо вистой и хромомолибденовой стали, а так же аустенитной сталей при условии проведения термической обработки готовых труб коэффициент прочности сварных соединений φ = 1,0
б) для труб из высокохромистой и хромомолибденовой стали φ = 0,8.
Формула справедлива при ; для атомных установок и реакторов .
Величина прибавки C1 для прямых труб принимается в зависимости от минусового допуска
,
где А выбирается из табл.5.2.
Для гнутых труб
где A1 – коэффициент, зависящий от минусового допуска и радиуса гиба трубы.
Величина прибавки C1 должна во всех случаях приниматься не менее 0,5мм.
Таблица 5.2
|
Наибольший минусовый допуск по толщине стенки, % |
15 |
12,5 |
10 |
5 |
0 |
|
0,2 |
0,17 |
0,15 |
0,10 |
0,08 |
|
|
0,18 |
0,15 |
0,12 |
0,06 |
0,03 |
В атомных энергоустановках дополнительная прибавка принима ется наибольшему из двух значений:
где R - радиус гиба трубы по нейтральной линии,
- овальность сечения трубы в гнутом участке, в %;
- относительное утонение стенки в растянутой части гнутого участка, %.
S - расчетная толщина стенки, мм,
Sи - номинальная толщина стенки, принятая при изготовлении элемента, мм;
- минимальная толщина стенки в растянутой части гнутого участка, мм.
2. Поверочный расчет напряжений от внешних нагрузок.
Эквивалентное напряжение в трубе от внешних нагрузок (осевой силы, изгибающих и крутящих моментов) вычисляется по формуле:
где - дополнительное напряжение растяжения или сжатия от внешней осевой силы, МПа;
Qвн - внешняя нагрузка, кг,
f - площадь сечения трубы, мм, определяется как
- дополнительное изгибное напряжения, МПа;
W - момент сопротивления сечения трубы, мм3;
φн - коэффициент прочности поперечного сварного соединения при изгибе принимается следующий:
а) для труб из аустенитной и высокохромистой стали катаных φн =0,6; ковано-сверленых - φн =0,7
б) для труб из перлитной стали катаных - φн = 0,8; кова но-сверленых - φн = 0,9;
- дополнительные напряжения кручения, МПа.
Величина найденного эквивалентного напряжения от внешних нагрузок должна удовлетворять следующему условию
Величина приведенного напряжения от внутреннего давления определяется по формулам:
а) для бесшовных труб
б) для труб с продольным сварным швом
Допустимое напряжение при η =1,0.
При вычислении дополнительные напряжения , и τ определяются для одного сечения трубы. Когда наибольшие значения этих напряжений находятся в разных сечениях, следует выявить сечение с наибольшим .
Если величина окажется больше допустимого значения, т.е. условие не будет соблюдаться, то необходимо осуществить конструктивные мероприятия, снижающие до допустимых пределов.
При прогреве трубопровод удлиняется. Однако свободному перемещению трубопровода препятствуют жесткие опоры по концам трубы. Поэтому в трубе при тепловых расширениях возникают добавочные тепловые напряжения, которые называются напряжением от самокомпенсации. Эквивалентные напряжения от самокомпенсации находятся по формуле:
,
где - дополнительное напряжение растяжения или вызванное продольным усилием при самокомпенсации, МПа;
- дополнительное напряжение от изгибающего момента, возникшего при самокомпенсации, МПа;
- дополнительное напряжение от крутящего момента при самокомпенсации, МПа.
Условия прочности трубопровода при самокомпенсации определяются как
Если это условие не соблюдается, то необходимо проводить конструктивные мероприятия по упрочению или создавать предварительный натяг при монтаже холодного трубопровода.
3. Допустимое давление в трубах поверхностей нагрева.
Допустимое рабочее давление при расчете труб определяется по формулам:
а) для бесшовных труб:
б) для труб с продольным сварным швом:
Величина пробного давления при гидравлических испытаниях поверхностей нагрева, изготовленных из бесшовных и сварных труб не должна превышать вычисленную по одной из формул:
при
при
где - допустимое напряжение при комнатной температуре t = 200С
φ - коэффициент прочности шва.
В процесс гибки трубы происходит утонение стенки трубы и она приобретает овальность. В то же время прямая цилиндрическая труба превращается в тор. Известно, что тор правильной формы может выдержать большее давление. Таким образом, при гибке трубы может произойти как снижение прочности трубы, так и наоборот.
Утонение стенки трубы может быть определено как
где - утонение стенки трубы при гибе, мм;
R - средний радиус гиба, мм;
При расчете на прочность утонение трубы при гибе частично учитывается добавкой С1.
Добавка С1 выбирается обычно в зависимости от относительного радиуса гиба . Как правило (табл.5.2).
5.7. Коэффициенты прочности при ослаблении отверстиями барабана или камер.
Известно коридорное (а) и шахматное (б) расположение отвер стий, основными параметрами которых являются t, t1 ,d (рис. 5.3).
Рис.5.3 Шахматное (а) и коридорное (б) расположение труб
Если в камере выполнены отверстия, то на контуре этих отверстий возникает концентрация напряжений, причем максимальное значение напряжений может достигать величины, превышающей средние напряжения в 3 раза.
Коэффициент прочности барабана или камеры, ослабленных продольным рядом или поперечным рядом отверстий с одинаковым шагом, определяется по формуле: - в продольном направлении.
В поперечном направлении коэффициент прочности барабана или камеры определяется по формуле: .
В этой формуле коэффициент 2 стоит потому, что напряжения в поперечном направлении меньше, чем в продольном.
Если отверстия имеют разный диаметр, то расчет ведется по среднему диаметру .
Если камера или барабан ослаблены шахматным полем отверстий, то необходимо вычислить 3 значения коэффициента прочности:
1) в продольном направлении (для шага t = 2а),
2) в поперечном направлении (для шага t1 = 2в),
3) в косом направлении по формуле:
, где .
Окончательно для расчетов принимается наименьшее из трех значений.
Коэффициент прочности сосуда, ослабленного одиночным неукрепленным отверстием, определяют по формулам:
при
при
при
где Dср – средний диаметр сосуда, мм.;
S – толщина стенки сосуда, мм.;
С – прибавка, мм.
Если камера или барабан имеет только два отверстия, то при любом их расположении приведенный коэффициент прочности вычисляется по формуле:
где φпр - приведенный коэффициент прочности такого же ряда с числом отверстий более двух и с тем же шагом.
При ослаблении барабана или камеры рядом из трех отверстий с неравномерным шагом приведенный коэффициент прочности принимают равным среднеарифметическому значению из коэффициентов прочности для каждого шага: - для барабанов и камер из углеродистой стали.
Если отверстия имеют по толщине стенки различный диаметр (рис.5.4), то коэффициент прочности вычисляется по условному диаметру отверстия.
Рис.5.4. Конструктивная схема сложного отверстия
Коэффициент прочности для овальных или косых отверстий вычисляют по размеру отверстия, взятому в направлении, для которого определяется коэффициент прочности.
В настоящее время техника сварки находится на высоком уровне, когда наплавленный металл не уступает по прочности основному металлу. Поэтому коэффициент прочности сварного соединения, удовлетворяющим всем требованиям сварки (технология сварки, конструкция, присадочный материал и т.д.), принимают .
Если предел прочности кольцевого сварного соединения меньше предела прочности основного металла не более чем не 20% принимают .
Если же характеристики прочности металла сварного соедине ния ниже требований ГОСТа или ТУ для основного металла, то коэффициент прочности такого сварного соединения устанавливается специализированными организациями и согласовывается с Госгортехнадзором СССР. Коэффициент прочности выбирается в пределах
5.8. Укрепление отверстий
Отверстие, не имеющее усиления в виде штуцера или накладок, частично снимающих напряжения в металле в ослабленном месте называются неукрепленными.
Наибольший допустимый диаметр неукрепленного отверстия цилиндрических конструкций определяется по уравнениям:
при 0 0,5 ;
при 0 0,5 ,
где 0 – коэффициент прочности, определяемый из уравнения
.
Если диаметр отверстия больше допустимого диаметра неукрепленного отверстия, то необходимо либо увеличить толщину стенки конструкции, либо укрепить отверстие. Укрепление отверстий основано на принципе компенсации металла, удаленного из отверстия, и производится при помощи приварных штуцеров, накладок или тех и других одновременно.
Размеры укрепляющих элементов выбираются с учетом следующего условия:
(fш + fн + fсв) (d –dпр )(S – C),
где fш , fн, fсв – укрепляющие сечения штуцера, накладки и сварного шва, мм2.
На рис.5.5 показаны конструктивные схемы укреплений отверстий и расчет площадей укреплений.
При укреплении отверстий продольного, поперечного или косого ряда до заданного значения приведенного коэффициента прочности φ, величина необходимого сечения укрепляющих элементов должна быть не менее:
φ0 - заданная величина коэффициента прочности;
φ'- приведенный коэффициент прочности, определенный без учета укреплений.
Если для укрепления используются два штуцера, один из которых вварен с внутренней, а другой приварен с наружной стороны, то следует определить сумму укрепляющих сечений обоих штуцеров.
Рис.5.5. Конструктивные схемы укреплений отверстий штуцером (а, б), накладкой (в) и расчет площади укрепления
Размер высоты штуцера hш принимается по размерам с чертежа, но не больше вычисленного по следующим формулам:
при
при
При укреплении отверстия накладкой (рис.5.5,в), укрепляющее сечение на ходят по формуле:
Размер ширины накладки вн принимается по чертежу, но не
более величины:
Укрепляющее сечение сварных швов , присоединяющих штуцеры или накладки, принимаются равными сумме сечений выступающих участков наплавленного металла без учета усиления шва.
Для штуцеров минимальные размеры сечения сварных швов (рис.5.6),определяются по формуле:
Рис.5.6. Схемы укрепления отверстий сварным швом
для накладок (рис. 5.6):
Ширина накладки вн и её наружный диаметр Dн1 принимаются по указанным на чертеже размерам.
5.9. Расчет плоских круглых днищ и заглушек.
В практике используются много вариантов заглушек и днищ (рис.5.7)
Рис.5.7. Конструктивные схемы заглушек и днищ
Плоские донышки применяются для изготовления коллекторов пароохладителей, поверхностей нагрева, коллекторов подогревателей высокого и низкого давлений и других элементов трубопроводов. С точки зрения изготовления наиболее простыми являются конструкции плоских донышек, показанные на рис. в, г, д. Однако конструкции а, ж наиболее надежны.
Толщина стенки плоского круглого донышка без отверстий или с одним отверстием должна быть не менее
.
Толщина стенки донышка, имеющего цилиндрическую часть должна, быть не менее толщины стенки цилиндрической части, определенной по обычной формуле при .
Величина коэффициента К для донышек, изображенных на рис. а,б,ж
вычисляется по формуле:
,
но К должно быть не менее 0,31.
Для остальных типов донышек, показанных на рис.5.7 К=0,41.
Коэффициент K0 учитывает ослабляющее действие отверстий на донышко. Для днищ без отверстий величина K0 =1. Для днищ с отверстиями коэффициент К0 определяется как
при
при
Коэффициент η () для днищ, указанных на рис.5.7 принимается
если
если
для днищ конструкции б.
Для конструкций днищ (рис.5.7,в,г,д) коэффициент .
для днищ с отбортованными краями (рис.5.7,ж). Для плоских заглушек, зажатых между двумя фланцами, .
Плоские днища из аустенитной стали разрешается применять только при выполнении их по рис.5.7,б при условии:
, мм – расстояние от оси сварного шва до плоской части днища.
5.10. Расчёт выпуклых днищ.
При изготовлении барабанов и камер используют днища эллиптической или сферической формы - глухие (рис.5.8) или с отверстиями.
Номинальная толщина стенки эллиптического или сферического днища глухого или имеющего неукрепленные отверстие, определяется по формуле:
, где
Рис.5.8. Конструктивная схема выпуклого днища
Приведенная формула действительна, если
; ;
d – диаметр отверстия в днище.
Во всех случаях толщина стенки днища должна приниматься не менее расчетной толщины цилиндрического борта, определяемой при величине коэффициента прочности .
Величина коэффициента Z, учитывающего ослабление днища отверстиями принимается:
1. при
2. при
3. при
Для глухих днищ и днищ с полностью укрепленным отверстием коэффициент .
Величина прибавки на минусовый допуск определяется из условия причем должно соблюдаться условие: .
5.11. Наибольший допустимый диаметр некрепленого отверстия в днищах.
Неукрепленным в днище считается отверстие не имеющее усиления в виде отбортованного воротника, приварных штуцеров и накладок.
Наибольший допустимый диаметр неукрепленного отверстия рассчитывается по формулам в зависимости от коэффициента :
при
при
при .
Коэффициент определяется по формуле:
.
5.12. Укрепление отбортовкой.
Если диаметр в днище превышает наибольший допустимый диаметр, то следует или укрепить отверстие или увеличить толщину стенки отверстия.
При укреплении отбортованным воротником (рис.5.9), укрепляющее сечение определяется как
Рис.5.9 Конструктивная схема днища с отбортовкой
Значение минимальной расчётной толщины стенки воротника определяется при и по обычным формулам:
Если отверстие имеет частичное укрепление в виде штуцера или накладки следует вычислить эквивалентный диаметр ; - сумма укрепляющих сечений.
По величине эквивалентного диаметра определяют значение коэффициента .
5.13. Расчёт на прочность сварных тройников.
Тройники, устанавливаемые на трубопроводы, изготавливаются литьём, сваркой и механической обработкой из поковок.
В энергетике широко применяются тройники, сваренные из труб.
Напряжения, возникающие в тройниках, обычно превышают напряжения в неослабленной трубе вследствие удаления части металла для образования отверстия и из-за наличия резкого изменения сечения.
Расчёт сварных тройников на прочность решается с учетом экспериментальных данных.
Коэффициент прочности при расчете сварных тройников определяется по уравнению (рис.5.10)
где - высота штуцера;
- толщина стенки штуцера.
Рис.5.10 Конструктивная схема тройника
5.14. Расчёт разъёмных соединений
При расчёте разъёмных соединений сосудов рассчитываются усилия начальной затяжки шпилек, усилия в шпильках и на прокладке в условиях эксплуатации, крутящий момент в гайках, а также напряжения в шпильках, которые должны быть меньше предельно допустимых.
Усилия начальной затяжки Рнз шпилек выбираются как наименьшее из трех условий:
Рнз Робж;
Рнз Рпр.г + (1 x)Рг;
Рнз Рпр.раб + (1 x)Рраб Qт ,
где Робж усилие, необходимое для сжатия прокладки, H; эта величина определяется по уравнению
Робж = Dпс в q0;
Dпс средний диаметр прокладки (рис. 5.11), м;
в ширина прижимаемой части прокладки, м;
q0 удельное давление на прокладку при обжатии, Па;
Рпр.г , Рпр.раб усилие на прокладку, обеспечивающее герметичность при давлении гидроиспытаний и рабочем давлении, Н,
Рпр.г = Dпн в m рг ,
Рпр.раб = Dпн в m р ;
Dпн наружный диаметр прокладки, м;
m прокладочный коэффициент;
рг , р расчётное рабочее давление и давление гидроиспытаний, Па,
рг = 1.25 р;
Рг , Рраб гидравлическое усилие от давления гидроиспытаний и рабочего давления, Н,
х - коэффициент нагрузки, который определяется по формуле
,
где п, к, ш, в - коэффициенты податливости прокладки, корпуса, шпильки, шайбы соответственно, м/Н.
Для клиновых, самоуплотняющихся прокладок Рпр = 0,
Коэффициент податливости прокладки, если она находится между фланцами, рассчитывается по формуле
,
где hп - высота прокладки, м;
Еп - модуль упругости материала прокладки, Па;
Fп = Dпс в - площадь прилегания прокладки к фланцам, м2.
Для клиновых и беспрокладочных соединений п = 0.
При выборе материала прокладки можно использовать предельные параметры.
Коэффициент податливости корпуса к рассчитывается только тогда, когда между прокладкой и фланцем корпуса устанавливается промтело (например, антикоррозионная рубашка).
Коэффициент податливости шпильки (болта) ш учитывает податливость стержня шпильки (болта) и резьбового соединения и определяется по уравнению
,
где L - свободная длина болта (шпильки) между торцами гайки и головки, прилегающих к фланцам, м;
dш - диаметр стержня шпильки, м;
z - число шпилек;
Fш - площадь поперечного сечения стержня шпильки (болта), м2,
;
Еш - модуль упругости материала шпильки, Па.
Коэффициент податливости шайбы рассчитывается по уравнению
,
где hв - высота шайбы, м; если шайбы установлены с двух сторон, то высота шайбы в расчете берется удвоенной (рис.5.11);
Eв - модуль упругости материала шайбы, Па;
Fв = Dвсвв - площадь поперечного сечения шайбы, м2;
Dвс, вв - средний диаметр и ширина шайбы, м.
Усилие в шпильках (болтах), вызванное температурным перепадом в деталях, соединениях и различием коэффициентов линейного расширения материалов при различных температурах:
,
где L2 - температурное удлинение материалов фланца, шайб, прокладки и корпуса, если его необходимо учитывать, м,
L2 = hввtв + Lффtф + hппtп ;
L1 - температурное удлинение материалов шпильки (болта), м,
L1= L ш tш ;
в, ф, п, ш - коэффициенты линейного расширения материалов шайб, фланца, прокладки, шпильки, 1/С ;
tф, tв, tп, tш – температура фланцев, шайб, прокладок и шпилек; можно принимать:
tф = tп = tст; tв=0.5(tок + tст); tш = tок ;
где tок - температура окружающей среды, 0С.
Усилия в шпильках (болтах) и на прокладку, Н, в условиях эксплуатации определяются по формулам:
Pш=Pнз + хPраб + Qт ;
Pп =Pнз (1 х)Pраб + Qт . (6)
На клиновую прокладку действуют осевое и радиальное усилия. По формуле (6) определяется осевое усилие. Радиальная сила R для клиновой прокладки, H, рассчитывается по уравнению
R = Pп / tg() ,
где - угол прилегания клиновой прокладки, град.
Для клинового уплотнения и беспрокладочного соединения с гибким герметизирующим элементом принимается . Если же между крышкой и опорным буртом корпуса устанавливается прокладка, то коэффициент податливости прокладки
где - расчетная высота прокладки, мм;
- модуль продольной упругости материала прокладки, кг/мм2;
- площадь поперечного сечения прокладки, мм2;
Dпс - средний диаметр прокладки, мм;
в - ширина прокладки, мм;
Коэффициент податливости бурта корпуса с антикоррозионной рубашкой вычисляют по формуле:
где - высота элемента рубашки (рис.5.6), мм;
- площадь поперечного сечения элемента выступа рубашки, мм2;
- модуль продольной упругости материала рубашки, кг/мм2.
Если бурт выполнен на корпусе, не имею щем рубашки, .
Коэффициент податливости шпильки учитывает податливость стержня шпильки резьбового соединения (шпилька - корпус и шпилька - гайка). Величина определяется
где - свободная длина шпильки (между нижним торцом гайки и верхний торцом корпуса, мм;
- диаметр стержня шпильки, мм;
- число шпилек;
- площадь поперечного сечения стержня шпильки, мм2;
- модуль упругости материала шпильки, кг/мм2;
Коэффициент податливости втулки (шайбы) вычисляется по формуле:
где - высота втулки (шайбы), мм, ;
- модуль упругости материала втулки (шайбы), кг/мм2; н/м2
- площадь поперечного сечения втулки (шайбы), мм2;
Усилия в шпильках, вызванные температурными перепадами в деталях соединения или различием коэффициентов линейного расширения материалов деталей соединения, определяют по формуле:
, кг.
Пример разбивки соединения по участкам показан на рис.5.6.
Для данного примера
где - коэффициент линейного расширения материала, длины участков и средние температуры на участке.
Усилия, необходимые для обжатия прокладки находятся как
, кг.
где - удельное давление на прокладке при обжатии, кг/мм2;
Значения выбираются из табл. 5.3 и 5.4.
Усилия на прокладку (кроме клиновой самоуплотняющейся), обеспечивающее герметичность при рабочем давлении и гидроиспытании
, , кг.
где - наружный диаметр прокладки, мм;
- расчетное рабочее давление и давление гидроиспытаний, кг/мм2;
Для клиновых самоуплотняющихся прокладок .
Таблица 5.3
|
Вид прокладки |
Условная ширина прокладки , мм. |
Эффективная ширина прокладки , мм. |
|
при , при |
||
Таблица 5.4
|
Материал прокладки |
Жидкие среды |
Воздух, пар, пароводяная смесь |
Газы с большой проникающей способностью (водород, гелий, и др.) |
|||
|
Паронит |
1,5 |
2,5 |
10 |
4 |
||
|
Алюминий |
5 |
2,0 |
10 |
3,5 |
15 |
5 |
|
Медь, никель |
7 |
2,5 |
13 |
4,5 |
18 |
6 |
|
Мягкая сталь |
8 |
3,0 |
15 |
5,0 |
20 |
7 |
|
Сталь X18H10T |
10 |
3,5 |
20 |
6,0 |
25 |
8 |
Гидростатические усилия от рабочего давления и давления гидроиспытаний определяются как
, , кг.
Усилия начальной затяжки шпилек должно быть выбрано из условий:
; ;
Во время действия рабочего давления и температурных перепадов для сохранения герметичности должно быть соблюдено условие
;
Если это условие не соблюдается, то следует выполнить конструктивные изменения соединения или изменить температурные режимы работы. В крайнем случае, допускается увеличение начальной затяжки в соответствии с приведенным условием.
Таким образом, в соответствии с условием начальной затяжки можно найти:
1) усилие на шпильках и на прокладках при затяжке:
;
2) усилие на шпильках при гидроиспытании
3) усилие на шпильках в рабочих условиях
Усилия, действующие на прокладку при гидроиспытании и в рабочих условиях, можно определить в зависимости от типа прокладки:
а) для клиновой прокладки
б) для прочих видов прокладок
Кроме осевых усилий для клиновых прокладок определяются
радиальные силы
,
При затяжке гаек ключом возникает крутящий момент, Нм, величина которого может быть определена по уравнению
,
где - коэффициент, учитывающий состояние поверхности резьбы; для чистообработанной резьбы со смазкой = 0,1; для чистообработанной резьбы без смазки или грубообработанной со смазкой = 0,13; для грубообработанной резьбы без смазки = 0,18;
dр - наружный диаметр резьбы шпильки, м.
Напряжения, возникающие в шпильках при эксплуатации, подразделяются на три типа: растяжения, кручения и среза резьбы.
Напряжения растяжения, Па, определяется по формуле
.
Напряжение кручения в шпильке, Па,
,
где Wк - момент сопротивления сечения стержня шпильки кручению, м3,
Напряжение среза резьбы шпильки, Па, рассчитывается по уравнению
,
где d1 - внутренний диаметр резьбы, м;
h- высота рабочей части резьбы (резьбового соединения), м.
Исходя из энергетической теории прочности, расчет шпилек разъемного соединения должен удовлетворять следующим условиям:
где ц - радиальное напряжение в шпильке, Па, можно принять ц = 0;
[]ш - допустимое напряжение металла шпильки, Па.
Для материала прокладки также должны соблюдаться условия:
,
где []п - допустимое напряжение материала прокладки, Па.
5.15. Расчёт на прочность деталей насоса.
В энергоустановках турбомашины находят широкое применение. Например, питательные, конденсатные, дренажные насосы, в водо-водяных и водографитовых реакторах канального типа применяются циркуляционные насосы, для которых необходимо выполнять прочностные расчеты. К основным рассчитываемым узлам и деталям насоса относятся: вал, подшипниковые узлы, уплотнения и узлы корпуса.
При прочностных расчетах насосов определяются: критические скорости вращения вала, при которых появляется повышенная вибрация; критерии жесткости вала, дисбалансировочные нагрузки; удельное давление на подшипниковую опору и др.
1. При работе турбомашин всегда наблюдается некоторая вибрация, вызванная колебанием вращающихся элементов машины. При определенных скоростях вращения появляется повышенная вибрация, при которой частота собственных колебаний совпадает с частотой вынужденных колебаний вала. Этот резонанс можно выразить графически (рис.5.12).
Рис.5.12. Частотная характеристика турбомашины
Для циркуляционных насосов атомных реакторов отношение критического числа оборотов вала к номинальному рабочему должно удовлетворять условию
Первую критическую скорость вращения консольного вала при коэффициенте определяют по формуле
, об/мин.
где - наружный и внутренний диаметры консольного участка вала, примыкающего к подшипниковой опоре, мм;
- длина консольного участка вала, мм;
- приведенный к концу консоли вес консольного участка вала; определяется как ;
- вес сосредоточенного груза на конце консоли (вес рабочего колеса и его крепления), кг;
- вес консольного участка вала (без рабочего колеса), кг;
- коэффициент приведения;
- коэффициент приведения жесткости междуопорного пролета к жесткой консоли;
- наружный и внутренний диаметры вала в средней части междуопорного пролета, мм;
- расстояние между опорами;
- коэффициент, учитывающий изменение модуля упругости на консольном участке вала;
Е - модуль упругости материала вала на консольном участке при расчетной температуре;
Рис.5.13. Конструктивная характеристика вала турбомашины
- коэффициент, учитывающий непостоянство диаметра консоли;
- коэффициент, учитывающий непостоянство диаметра межопорного пролета вала;
u - коэффициент, характеризующий влияние массы междуопорного пролета на критическую скорость вала; определяется в зависимости от величины и по графику (рис.5.14), где
- вес междуопорного пролета, кг;
t - температура вала, 0С.
Рис.5.14. Зависимость коэффициента влияния массы междуопорного пролета на критическую скорость
Для неконсольного вала и консольного при любой величине коэффициента u
, об/мин.
где - вес участка вала с насаженными деталями, кг.;
- прогиб (рис.5.15), определяемый путем численного интегрирования дифференциального уравнения
,
где М - изгибающий момент в стыке, кг/мм.;
- момент инерции вала, мм4.
Рис.5.15. Конструктивная схема определения координат оси вала
2. Для подшипниковых опор насосов определяют удельное давление q, скорость скольжения υ и характеристику q υ.
Для насосов с масляными опорными подшипниками скольжения
, кг/мм2
где R - величина радиальной нагрузки, кг;
dn - диаметр шейки подшипника, мм;
- рабочая длина подшипника, мм.
Удельное давление на пяте упорного подшипника скольжения с масляным охлаждением определяется по формуле:
, кг/мм2
где А - величина осевой нагрузки;
F - контактирующая площадь вкладышей пяты, мм2.
Скорость скольжения находится как
, мм/сек;
где n - число оборотов ротора насоса в минуту, об/мин.
Допускаемые значения q, υ и q υ зависят от материалов трущихся пар, параметров системы смазки и охлаждения, конструкции пяты и т.д.
Для подшипников скольжения с трущейся парой является бабит (Б-83 ГОСТ 1320-55) по закаленной стали с принудительной смазкой и охлаждением турбинным маслом.
, ,
Для конструкции пяты с самоустанавливающимися подрессорными вкладышами с трущейся парой бабит по закаленной стали с принудительной смазкой и охлаждением турбинным маслом
, ,
Работоспособность и грузоподъёмность нижнего подшипника определяют из специального гидравлического расчета и проверяют стендовыми испытаниями опытных образцов. Испытания обычно проводят на всем диапазоне рабочих скоростей вращения вала насоса и в режиме многократных пусков и остановок.
5.16. Расчёт перемещений, усилий и напряжений в элементах корпуса
При проведении поверочного расчета приходится определять не только напряжения и усилия, действующие на элементы оборудования, но и величины перемещений и деформаций этих элементов. Поверочный расчет производится после выбора всех основных размеров рассчитываемых элементов, с учетом всех расчетных нагрузок для всех расчетных случаев.
При составлении расчетной схемы узлы конструкции заменяют набором простых элементов (цилиндрических, конических и т.д.). При этом элементы подбирают таким образом, чтобы они по геометрии максимально приближались к натурной конструкции. Например, на рис.5.16 представлена разбивка на элементы фланцевого соединения корпуса сосуда.
Перемещения и усилия, возникающие при действии совокупности нагрузок, вычисляются методом наложения. Деформации же могут быть определены по напряжениям с помощью линейной зависимости между деформациями и напряжениями (по закону Гука).
Взаимодействие элементов заменяют изгибающим моментом, перерезывающей и продольными силами, приложенными по среднему радиусу стыков. В таких расчетных схемах силы трения по контактным поверхностям рассчитываемых деталей не учитываются.
Усилия определяются из решения системы уравнений совместности перемещений
;
где W- радиальное перемещение для сосудов, мм;
v - угол поворота элемента, рад,;
i, j - номер элемента конструкции и сторона элемента (a, b, c);
n – точка, для которой записывают перемещения.
Знаки перемещений в уравнениях принимают с учетом общей системы координат, принятой в расчетной схеме.
Рис.5.16. Конструктивная схема разбивки узла на элементы
В нормах (Л 1) приведены формулы для расчета перемещений, усилий и напряжений в элементах, выполненных в виде тонкостенных оболочек вращения постоянной толщины: цилиндрической короткой, полубесконечной и бесконечной оболочек; сферической без отверстия и с отверстием в вершине; полуэллиптической оболочки без отверстия. При этом рассмотрены осесимметричные нагрузки: внутреннее равномерное и гидростатическое давление, неравномерное вдоль ме ридиана и по толщине температурные нагрузки и краевые нагрузки.
В таблице 5 приведены расчетные формулы для самых распространенных случаев.
Эти формулы могут быть применены как к отдельным элементам, так и для сосудов (или других конструкций) составленных из разных элементов (цилиндрических, сферических, эллиптических и т.д.).
При действии на элемент нескольких видов усилий (внутреннее давление, температурное и краевые) перемещение элемента определяется путем сложения значений перемещений, вычисленных для каждой из действующих на элемент нагрузок. Например, для элемента 1 (рис.5.16) можно записать, что
Система сил, действующих на элемент, может приводиться к одной силе и к одному моменту. Например, система сил , , и (рис.5.16) приведена к силе и моменту М.
где - продольная сила, приложенная к фланцу от шпилек, кг/мм;
- сила, приложенная к фланцу от прокладки, кг/мм;
, - усилия на шпильках и прокладке, кг.
- сила, приложенная от крышки, кг/мм;
Н – перерезывающие усилия в стыке элементов, кг/мм.
Для рассматриваемого примера (рис.5.16) можно записать следующую систему уравнений совместимости деформаций: