Расчет котлов и котельных установок

МАТЕРИАЛЫ. РАСЧЕТЫ НА ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ КОТЛОВ

Материалы для элементов котлов выбирают в зависи­мости от условий работы, которые весьма разнообразны. Так, металл каркаса, несущего значительные весовые нагрузки, рабо­тает при температуре, ненамного превышающей комнатную тем­пературу. Трубы воздухоподогревателя практически не испыты­вают механических усилий, но подвергаются воздействию повы­шенных температур и достаточно агрессивной газовой среды. В наиболее жестких условиях сочетания высоких температур и действия механических нагрузок находятся трубы и камеры перегревателей, паропроводов и неохлаждаемых элементов (под­весок, опор, креплений).

Для изготовления элементов котлов в настоящее время при­меняют различные стали: углеродистые и легированные. К угле­родистым сталям относят стали, свойства которых в рабочих усло­виях определяются в основном содержащимся в них углеродом.

По содержанию углерода эти стали делят на низкоуглероди­стые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25 — 0,6 % С) и высоко­углеродистые (0,6—1,3 %С). Кроме железа и углерода в стали со­держится марганец (до 0,8 %), кремний (до 0,4 %) и такие вред­ные примеси, как сера (до 0,05 %) и фосфор (до 0,04 %).

Свойства легированных сталей в рабочих условиях опреде­ляются содержащимися в них углеродом и другими элементами, специально введенными в состав. Различают три группы легиро­ванных сталей: низколегированные с суммарным содержанием легирующих добавок менее 2,5 %; среднелегированные с 2,5— 10 % легирующих элементов и высоколегированные с содержа­нием легирующих элементов более 10 %. В зависимости от мик­роструктуры различают стали перлитного, мартенситного, мар - тенситно-ферритного, ферритного, аустенитно-мартенситного, аустенитно-ферритного и аустенитного классов. В котлостроении применяют стали двух классов: перлитного и аустенитного.

По назначению стали делят на конструкционные (углеродистые и низколегированные), инструментальные и высоколегированные. Из конструкционных сталей изготовляют металлоконструкции котлов. Высоколегированные стали используют для получения 220 элементов, работающих в агрессивных средах, повышенных тем­пературах.

Работоспособность стали характеризуется такими свойствами, как прочность, пластичность, надежность и долговечность.

Прочность стали — ее способность воспринимать, не разру­шаясь, различные нагрузки. Пластичность — способность необ­ратимо изменять свою форму и размеры без разрушения под дей­ствием внешней нагрузки и сохранять эти изменения после сня­тия нагрузки. Надежность — свойство стали сохранять свои эксплуатационные свойства в течение требуемого промежутка времени. Долговечность — время, в течение которого сталь спо­собна эксплуатироваться в соответствии с заданными техниче­скими условиями.

Обычно используют следующие критерии оценки механических свойств.

Критерии прочности: временное сопротивление огв (МПа) — отношение наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, к площади его начального поперечного сечения; предел текучести (физический) <тт (МПа) — отношение наименьшей на­грузки, при которой образец деформируется без заметного ее увеличения, к площади его начального поперечного сечения; условный предел текучести <т0і2 (МПа) — отношение нагрузки, при которой остаточное удлинение составляет 0,2 % длины рас­четного участка образца, к площади его начального поперечного сечения.

Критерии пластичности: относительное удлинение б (%) — отношение приращения длины образца после разрыва (остаточное удлинение) к его начальной длине, выраженное в процентах; относительное сужение ф (%) — отношение разности начальной площади поперечного сечения образца после разрыва к его на­чальной площади поперечного сечения.

Ударная вязкость (МДж/ма) оценивается работой удара, не­обходимой для деформации и разрушения призматического об­разца с расположенным посредине односторонним поперечным концентратором при испытании на ударный изгиб, отнесенной к площади поперечного сечения образца в основании концентра­тора. Твердость — способность стали противодействовать меха­ническому проникновению (вдавливанию или царапанию) в нее посторонних тел.

Температура оказывает существенное влияние на механические свойства стали. С повышением температуры показатели прочности стали снижаются, а показатели пластичности возрастают. Харак­тер изменения свойств определяется химическим составом и структурой стали. С понижением температуры пластичность и особенно ударная вязкость стали снижаются.

Для оценки работоспособности стали используют такие харак­теристики как жаропрочность, окалиностойкость, выносливость, коррозионная стойкость.

Жаропрочность — способность металлов выдерживать меха­нические нагрузки без существенной деформации и разрушения при повышенной температуре. Основные критерии оценки жаро­прочности (например, на срок 100 тыс. ч): предел длительной. прочности (Тдп — напряжение, при котором металл разрушается через 100 тыс. ч работы (испытания) при высокой (выше 450 °С) температуре; условный предел ползучести оп„% — напряжение, которое при рабочей температуре вызывает скорость ползучести металла Уп = 10~5 %1ч, что соответствует 1 %-ной суммарной деформации за 100 тыс. ч или Уп = 10~7 мм/ч. Окалиностойкость (жаростойкость) — характеризует способность стали сопротив­ляться окисляющему воздействию газовой среды или перегретого пара при температуре 500—800 °С и выше без заметного снижения ее механических свойств в течение расчетного срока службы. Критерием окалиностойкости служит удельная потеря массы при окислении металла за определенный период времени, например за 100 тыс. ч.

Сопротивление усталости — свойство материала противостоять процессу постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящему к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению. Кри­терием сопротивления усталости является предел ограниченной выносливости — максимальное по абсолютному значению напря­жение цикла, соответствующее задаваемой циклической долго­вечности. Циклическая долговечность оценивается числом циклов напряжений или деформаций, выдержанных нагруженным объек­том до образования усталостной трещины определенной протя­женности или до усталостного разрушения.

Коррозионная стойкость — способность сталей противостоять коррозии. Критерием оценки служит масса материала, превращен­ного в продукты коррозии в единицу времени с единицы площади поверхности, находящейся во взаимодействии с агрессив­ной средой, или толщина разрушенного слоя в единицу времени.

Физико-химические и прочностные свойства сталей во многом определяются их химическим составом, т. е. присутствием в них легирующих элементов. Конкретное влияние каждого из них сводится к следующему.

Углерод увеличивает предел прочности, предел текучести стали, снижает ее пластичность и ударную вязкость. Кремний повышает прочностные и снижает пластические свойства, повы­шает жаростойкость (окалиностойкость) стали. Марганец влияет на прочность и прокаливаемость стали (увеличивает). Уменьше­ние пластичности стали наблюдается при содержании марганца более 1,5 %. В высоколегированных жаропрочных сталях марга­нец применяют для частичной замены дефицитного никеля. Алю­миний используют для повышения жаропрочности и жаростой­кости стали. 222

Сера и фосфор — вредные примеси. Сера способствует обра­зованию трещин, а фосфор — резкому снижению ударной вязко­сти стали. Хром увеличивает прочность, прокаливаемость, сопро­тивление ползучести без снижения пластичности. При содержании хрома свыше 12 % сталь становится коррозионно-стойкой в атмо­сфере и во многих других промышленных средах. Никель — повы­шает прочность, пластичность, ударную вязкость и прокаливае­мость, снижает температуру перехода в хрупкое состояние. Молибден делает аустенитную сталь более жаропрочной и кор­розионно-стойкой в ряде высокоагрессивных сред. Титан и нио­бий увеличивают прочность и жаропрочность сталей, а вольфрам— жаропрочность высоколегированных сталей.

Углеродистые стали обыкновенного качества имеют буквенно - цифровое обозначение, например СтЗ: буквы Ст обозначают, что сталь, цифры 0—6 — условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. В обозначении углеродистой качественной стали (например 0,8; 10; 11 кп; 20 пс) цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента, а буквы кп и пс — соответственно кипящую и полуки­пящую сталь. Спокойная сталь индекса не имеет. Сталь листовая углеродистая для котлостроения имеет те же обозначения, но с индексом к, например 12К, 15К, 18К, 20К, 22К.

Обозначение марок легированных сталей включает обозначе­ние элементов и следующих за ним цифр. Цифры после букв указывают среднее содержание легирующих элементов в процен­тах, кроме элементов, присутствующих в стали в малых количе­ствах. Цифры перед буквами обозначают среднее или максималь­ное содержание углерода в стали в сотых долях процента. В конце обозначения марок сталей, полученных специальными методами, дополнительно через тире ставят буквы, соответствующие спо­собу изготовления: ВД — вакуумно-дуговой переплав; Ш — элек - трошлаковый переплав; ВИ — вакуумно-индукционная выплавка.

Химические элементы в марках стали обозначают следующими буквами: марганец Г; кремний С; хром X; никель Н; молибден М; вольфрам В; ванадий Ф; титан Т; алюминий Ю; медь Д; ниобий Б; кобальт К; бор Р; фосфор П; цирконий Ц; селен Е.

Расчет на прочность элементов котла проводится на основе принципа оценки прочности по допускаемым напряжениям с учетом конкретных условий работы металла (давления и тем­пературы).

Для элементов котлов характерна работа под действием вну­треннего давления рабочего тела в сложных температурных усло­виях (барабаны, коллектора, трубы поверхностей нагрева). При выполнении расчета этих элементов за расчетное давление, дей­ствующее со стороны рабочей среды на стенку, принимается дав­ление р пара на выходе из котла, увеличенное на вели" • ги­дравлических потерь 2] Ар и давления столба bpq рабоче й тела при номинальной нагрузке тракта от выходного коллектора

Перегревателя до места расположения рассчитываемого эле­мента. Следовательно, расчетное давление

Р' = Р + 2 &Р + bpq. Если сумма гидравлического сопротивления й давления столба рабочей среды 2 Л/? + bpq < 0,03р, то в расчетах на прочность принимается р' = р.

Температура, при которой проводится расчет на прочность (расчетная температура), зависит от условий обогрева и охлаж­дения рассматриваемого элемента. Для необогреваемых элементов расчетная температура стенки принимается равной температуре рабочего тела. Для барабана — это температура насыщения, со­ответствующая давлению в барабане; для коллекторов, поверх­ностей нагрева и соединительных трубопроводов — это темпера­тура протекающего через них рабочего тела. Для обогреваемых элементов расчетную температуру /ст стенки (°С) определяют' по зависимостям, приведенным ниже.

Барабан:

Вынесенный из газохода или надежно изолирован­ный.' /н

Неизолированный, расположенный в конвективном газоходе при температуре газов:

*Г< 600°С.................................................................. . <н+ 1.2S+ 10

600 °С < tr < 900 °С...................................................... (я + 2,55 + 20

Неизолированный, подверженный облучению факе­ла или горящего слоя топлива <„ + 4S -+• 30

Камера:

Необогреваемая экономайзера и экранов, насыщен­ного пара, входная экономайзера прямоточного

Котла................................................................................ (ср

Необогреваемая (кроме входной) экономайзера пря­моточного котла и перегревателя (кроме насыщенно­го пара) всех типов....................................................................... fop + х А<р

Обогреваемая, содержащая жидкость или пароводя­ную смесь при температуре газов:

<г < 600 °С.................................................................... *ор + S + 10 + * Л'раз

При 600 °С < <г < 900 °С.............................................. /вр + 5 + 20 + * Д<ра8

Кипятильная труба в котле с естественной и принуди­тельной циркуляцией при р ^ 16 МПа (в + 60

Пароперегревательная труба: конвективного перегревателя при р < 2,5 МПа и

T < 425 °С......................................................................... t + 70

При расположении пароперегревателя в зоне темпе­ратур газов менее 650 °С и отсутствии гидравличе­ской разверки........................................................................... <ср + 50

Экономайзерная труба котла: с естественной и принудительной циркуляцией (не-

Кипящего типа) .............................................................. tB + 30

Прямоточного конвективного экономайзера.... <Ср ~Ь 30 Здесь tH и ^ср —" температура рабочего тела при давлении насыщения и сред­няя, °С; t — температура перегретого пара, °С; S — толщина стенки трубы, мм.

Номинальное допускаемое напряжение, используемое в рас­четах для определения минимальной толщины стенки или макси - 224

29. Номинальные допускаемые напряжения Jo], МПа, жаропрочных и легированных сталей

A Q.

So-S «яй

—язя

Темпе­

О.

Ьи

Ратура стали, "С

И в

В S6

О ©

S

СЧ

В І

Сч о XX

Оооо

XS

XX

S

X

X

Хй

<N <N

««

СЧ

Ю

Сч сч

Gxx

20

144

150

170

164

188

144

144

250

142

149

163

157

182

- 123

300

138

144

156

150

176

118

350

134

137

149

144

169

114

■ —

400

130

130

142

137

159

109

420

126

129

139

134

155

108

440

123

125

136

131

151

106

460

121

123

133

128

147

104

480

118

120

130

125

142

103

500

93

103

111

104

118

102

540

44

72

69

76

100

560

26

58

56

63

99

112

580

_

46

45

51

88

107

600

_

_

36

36

42 '

73

101

620

_

_

—.

_

- —

62

95

640

_

_

_

52

85

660

_

_

1 —

45

72

680

—.

_

_

38

57

700

— ,

—•

30

46

Примечание. Для промежуточных температур допускаемое напря­жение определяется линейной интерполяцией ближайших значений с округле­нием до 0,5 МПа в меньшую сторону.

> . - . ■

>

Ыалыю допускаемого давления, выбирают из следующих величин:

М = сгв/ft»; [о] в о'гіпоу, [<т] — Ода/пдп; [о] = о{,„ ././"«„ •/,»

Где а в, (Гт, сгдп и Oni% % — временное сопротивление, предел теку­чести, предел длительной прочности и ползучести при соответ­ствующей температуре; пв, по,2 , Ядп, пп„ % — соответствующие коэффициенты запаса прочности. Для углеродистой стали, рабо­тающей при t < 400 °С, и легированной стали, работающей при t « 450 °С, допускаемое напряжение принимают наименьшее из первых двух (временное сопротивление или предел текучести). При температуре t > 400 °С для углеродистых, t > 450 °С для легированных и ( > 525 °С для аустенитных сталей за допускае­мое напряжение принимают наименьшее значение из последних трех. Допускаемые напряжения для наиболее употребляемых сталей в котлостроении приведены в табл. 29 и 30.

30. Номинальные допускаемые напряжения [о], МПа, углеродистых и марганцовистых сталей

Темпе­ратура стенки, °С

В *

<N

5

Са

ВСтЗкп

СО и В eg <N Н S"

OU таз

ВСтЗсп, j ВСтЗпс

CN О

15. I6K. 16К

20, 20К 18К

С) сч

16ГС 09Г2С

10Г2С1

16ГНМ 16ГНМА

15ГС

20

122

130

127

137

127

137

144

167

167

173

186

181

200

93

109

98

115

118

127

137

144

147

162

172

166

250

78

100

84

105

104

115

127

137

142

153

169

162

275

76

100

98

111

123

132

137

147

167

158

300

___

69

94

91

104

117

127

130

141

164

150

320

___

___

86

99

112

123

124

136

162

142

340

_

___

81

94

107

120

120

130

159

134

360

___

___

___ ■

75

88

101

115

124

126

380

___

___

___

71

83

95

110

119

119

400 .

66

78

90

105

111

111

420

___ ___

_

___

61

73

77

85

88

-L.

100

440

'___

_

___

___

56

65

65

67

69

--

74

460.

___ '

_

___

___

51

51

51

480

38

38

38

--

500

25

25

25

Номинальная толщина барабана или прямой круглой камеры

С _ р°Н і Г

Или

С _ а I с

Ъ~ 2фОд + р' +

Где DH и DB — соответственно наружный и внутренний диа­метр, мм; ад — допускаемое напряжение,' МПа; <р — коэффи­циент прочности элемента, учитывающий ослабление барабана (камеры) продольными сварными швами и отверстиями; С — прибавка к расчетной толщине стенки.

Допускаемое напряжение, зависящее от марки стали и тем­пературы, определяется по формуле

Од = г) [а],

Где т) — коэффициент, равный для необогреваемых элементов единице, а для обогреваемых 0,9.

Для барабана и камеры, ослабленных сварными соединениями, коэффициент прочности принимается:

Ф = 1 для углеродистой стали, марганцовистой, хромомо - либденовой или аустенитной стали;

Ф = 0,9 для хромомолибденованадиевой и высокохромистой стали при электрошлаковой или ручной и автоматической сварке под флюсом при 4т < 510 °С;

Ф = 0,7 при ручной и автоматической сварке под флюсом при t0I 530 °С; 226

Ф определяется линейной интерполяцией между указанными значениями при 510 °С < tcr < 530 °С.

Для труб и эллиптического днища, ослабленных одиночным укрепленным отверстием, коэффициент прочности определяется по одной из следующих формул:

Если номинальным является внутренний диаметр DB,

Ф = 2[-

Y(Dt + S) (S — С) если номинальным является наружный диаметр DB,

+ 1,75

]f{DH-S) (S-C)

Где S— толщина стенки, мм; С — прибавка к толщине стенки, мм.

Для труб и выпуклых днищ, ослабленных отверстиями, коэф­фициент прочности определяется по следующим формулам:

Для продольного ряда отверстий или коридорного поля отвер­стий с одинаковым шагом t

Ф = (t — d)/t;

Для поперечного ряда отверстий или поля отверстий с одина­ковым шагом tx

Ф = 2 (tx — d)!txv

Для шахматного равномерного поля отверстий (три коэффициента ф прочности) в продольном направлении при t = 2а; в поперечном направлении при tx = 2b; по диагонали

Где т — b/a; a — минимальный шаг в продольном направле­нии, мм; b — минимальный шаг в поперечном направлении, мм. Прибавку к толщине стенки С выбирают: * С = 1 мм при S < 20 мм; С = 0 при S > 20 мм.

Номинальная толщина стенки труб и трубопроводов должна быть не менее, мм,

PD н j г

S =

2<р[о]+Р

При условии (5 — C)/DB < 0,25.

Для бесшовных труб ф = 1. Величина прибавки

С - 5Л/(1 + А),

Где А — коэффициент, зависящий от минусового отклонения по толщине стенки трубы, приведен ниже.

Предельное минусовое отклонение, %....................... .15 12,5 10 5

Коэффициент А.................................................................. 0,18 0,14 0,11 0,05

Номинальная толщина стенки эллиптического днища должна быть не менее

О _ РРв Рв | Г> ° ~4ф[а] гЛв"1-0'

Где Ав — высота эллиптической части днища по внутренней поверхности, мм.

Формула верна при выполнении следующих условий:

HjDB ^ 0,2; (S-C)/DB< 0,1; d/DB с 0,6,

Где d — диаметр отверстия лаза, мм; прибавка С = 0,047625, но она не должна быть менее 1 мм. '

Толщина круглого днища без отверстий или с одним централь­ным отверстием

С _ kDa 1 /~Р~

^ - it У щ'

Где k — коэффициент, характеризующий тип днища, k — 0,33+ 0,54; k0 — коэффициент, учитывающий ослабление днища отвер­стием; для днища §ез отверстия k0 = 1, для днища с отверстием k0 = 1 — 0,ШЮв при d/DB < 0,35 и k0 = 0,77 при 0,35 < < d/DB < 0,75.

Во всех случаях толщина днища должна быть не менее тол­щины цилиндрической части, вычисленной по формуле

5() = pDj(2 [сг] — р).

Расчет котлов и котельных установок

ЭКОНОМАЙЗЕРЫ

Экономайзер имеет поверхность змеевикового типа, располагается в конвективном опускном газоходе. Схема движения воды по отношению к продуктам сгорания — противоточная, обтекание труб газами — поперечное, компоновка труб — шахмат­ная и …

РАСЧЕТ ТОПОЧНЫХ УСТРОЙСТВ

Объем топки принятой или заданной конструкции оп­ределяют в соответствии со схемами рис. 114. Границами объема являются плоскости, проходящие через оси экранов или обращен­ные в топку поверхности огнеупорного слоя. В выходном …

ПРЯМОТОЧНЫЕ котлы

В прямоточных котлах отсутствует барабан. Питатель­ная вода в них, как и в барабанных котлах, последовательно про­ходит экономайзер 1 (см. рис. 6, в), испарительные 5 и перегрева - тельные 6 поверхности. …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.