Паровые котлы ТЭС

Поведение металла при высоких температурах

Уже были рассмотрены методы организа­ции процессов, обеспечивающих оптимальные условия работы металла элементов паровых котлов, работающих при высоком давлении. Но даже в этих условиях металл ответствен­ных узлов (трубы поверхностей нагрева, ба­рабан, коллекторы, паропроводы) находится в тяжелых условиях, так как в стационарных режимах он подвергается воздействию напря­жений от внутреннего давления и собственной массы при высокой температуре. В перемен­ных режимах (пусках, остановах) металл на­ходится под дополнительным воздействием пе­ременной температуры и давления. В некото­рых режимах могут возникать и переменные температуры циклического характера.

Кроме того, на металл ответственных узлов котла действуют высокая температура и кор- розионно-активные в химическом отношении среды: топочные газы, насыщенный и пере­гретый пар, пароводяная смесь и питательная вода. Под воздействием этих сред возникает коррозия металла.

Многие элементы котла, особенно детали водяной и паровой арматуры и труб поверх­ностей нагрева, работают в условиях эрозион­ного и абразивного износа. Эрозионным на­зывают износ под влиянием воздействия струи жидкости, газа или пара, абразивным— механический износ под действием твердых частиц — абразивов (например, золовой износ труб поверхностей нагрева). Эрозия метал­ла — сложный процесс, сочетающий в себе коррозию от химического воздействия среды и механический износ под влиянием динамики потока жидкости или пара (механический из­нос может усиливаться в процессе эрозии при наличии в среде твердых абразивных частиц).

Металл труб воздухоподогревателя испы­тывает небольшое давление (до 7—8 кПа), и потому механические усилия незначительны, но металл работает при высокой температуре (до 400—450°С).

Особенно в тяжелых условиях работают находящиеся в газоходах неохлаждаемые эле­менты, предназначенные для подвески и креп­ления поверхностей нагрева. Эти элементы несут большую весовую нагрузку и подвер­жены воздействию агрессивных газов при вы­сокой температуре (до 800°С).

Каркас котла также несет большую весо­вую нагрузку, но работает он при темпера­туре окружающего атмосферного воздуха. Только в подвесных конструкциях паровых котлов отдельные так называемые «горячие» подвески каркаса, кроме того, подвержены высокой температуре, определяемой темпера­турой протекающей через них рабочей среды.

Элементы котла, работающие под избыточ­ным давлением, условно можно разделить на две группы:

1) элементы, работающие при температуре ниже 350—400°С: барабан, парообразующие трубы и их коллекторы, трубы экономайзера и переходной зоны и их коллекторы, трубо­проводы и арматуры для воды и насыщенного пара;

2) элементы, работающие при температуре выше 350—400°С: пароперегреватели и их коллекторы, пароохладители, трубопроводы и арматура перегретого пара.

Специфическую опасность для надежной работы ответственных элементов парового котла представляет длительное воздействие напряжений от внутреннего давления и высо­кой температуры перегретого пара, если она превышает 450°С. Под совместным влиянием температуры выше 450°С и напряжений (тру­бы пароперегревателей, их коллекторы и ма­гистральные паропроводы) в стали развива­ется опасное явление ползучести (крипа). Ползучесть представляет собой медленное и непрерывное накопление пластической дефор­мации, т. е. постепенное увеличение размеров детали. Это особый вид пластической дефор­мации, протекающей при напряжении ниже предела текучести. Опасной особенностью процесса ползучести является то, что по до­стижении определенных пределов остаточной
пластической деформации металл разрушает­ся. Поэтому размеры деталей, работающих в условиях развития ползучести, непрерывно контролируют.

Диаграмма ползучести показана на рис. 25.1, на котором изображены кривые пол­зучести при постоянном напряжении для трех значений температуры /і</г</з. Рассмотрим ход процесса на примере ползучести при тем­пературе 11. Кривая состоит из трех участков: О а, аб и бс. По времени участок 0 а — период затухающей ползучести — соответствует ко­роткому начальному периоду /, когда металл даже несколько упрочняется. Далее наступает длительный период II установившейся ползу­чести— участок ab, в пределах которого де­таль может работать надежно, не разрушаясь. Скорость ползучести в этом периоде посто­янна:

0=A//T=tga. (25.1)

Наконец, следует опасный период III на­растающей ползучести бс, в течение которого наступает разрушение детали — точка с и ко­торому предшествует сильная пластическая деформация, например раздутие труб поверх­ности нагрева. Надежная работа деталей воз­можна только в пределах периода II устано­вившейся ползучести. При более высокой температуре (/2 и ^з) процесс ползучести проте­кает аналогично, но более активно во време­ни; скорость установившейся ползучести повы­шается, а разрушение наотупает раньше. На­пряжение, при котором скорость ползучести в периоде II не превышает заданной, или на­пряжение, вызывающее за заданный срок службы суммарную деформацию не более не­которого безопасного, допустимого предела, называют условным пределом ползучести аП - Для большинства марок сталей допускается суммарная деформация в 1% за 100 тыс. ч работы. Этому соответствует скорость ползу­чести Уп=10~7 мм/(мм-ч), или 10~5% /ч.

Характеристикой прочности металла при работе в условиях ползучести служит предел длительной прочности. При нагружении ме­талла в условиях ползучести длительность ра­боты детали до разрушения зависит от испы­тываемого напряжения. Напряжение, вызы­вающее разрушение металла в условиях ползучести за заданный период, называют пре­делом длительной прочности.

Зависимость времени до разрушения при постоянной температуре тР от напряжения чаще всего выражают степенным уравнением

Хр=Всгт, (25.2)

Где В и m — постоянные для данного металла и данной температуры.

Следовательно, в двойных логарифмиче­ских координатах график зависимости тР от а выражается прямыми, показанными на рис. 25.2 для трех температур 11, t2 и /з (ti<t2<ts).

Длительность безопасной работы детали при данном напряжении (без разрушения) может быть установлена по рис. 25.2. Сле­довательно, расчет на прочность деталей, ра­ботающих в условиях ползучести, можно про­водить не по пределу ползучести, а по пределу длительной прочности. Задавшись временем безопасной работы и введя запас прочности, можно рассчитать напряжение, при котором деталь буде г надежно работать в течение за­данного времени.

Физическая природа предела ползучести и предела длительной прочности неодинакова. Предел ползучести характеризует сопротивле­ние металла малой пластической деформации при повышенной температуре, а предел дли­тельной прочности — сопротивление металла разрушению в условиях ползучести. Тем не менее в зависимости от обстоятельств каждая из этих характеристик может фигурировать в расчетах на прочность в условиях ползуче­сти, тем более, что для каждого материала между этими характеристиками имеется опре­деленная взаимосвязь.

До последнего времени для расчета дета­лей, работающих в условиях ползучести, пре­дусматривалась подстановка в расчетные формулы допускаемого напряжения по преде­лу длительной прочности при данной темпе­ратуре стенки за заданный период работы (обычно 100 тыс. ч). Предел длительной проч­ности обозначается О д. п (/ — температура стенки). При коэффициенте использования рабочего времени /СРаб=0,85, т=100 тыс. ч эквивалентно сроку службы при расчетных параметрах пара — примерно 15 годам. Для дорогостоящего оборудования, каким являют­ся паровой котел и паровая турбина с труд - нозаменяемыми элементами (паропроводы, пароперегреватели, коллекторы, головная часть турбины и др.), этот срок службы в на­стоящее время считается недостаточным, если учитывать большие запасы прочности, зало­женные в расчетах прочности. По сроку амор­тизации рекомендуется его увеличить пример­но в 2 раза, т. е. до 200 тыс. ч. Это может несколько снизить длительную прочность к концу ресурса металла по сравнению с дли­тельной прочностью при 100 тыс. ч. Учиты­вая, однако, улучшение технологии производ­ства сталей и их термообработки, повышение культуры эксплуатации оборудования, улуч­шение методов контроля работы металла в эксплуатации оборудования, следует ожи­дать небольшого снижения длительной проч­ности при намеченном ресурсе металла в 200 тыс. ч. Новые нормы расчета на проч­ность [4] позволяют производить расчеты деталей паровых котлов на 200 тыс. ч.

Работа металла при повышенных темпе­ратурах отличается также той особенностью, что при этих температурах получают развитие диффузионные процессы, под влиянием кото­рых могут существенно изменяться структура, а следовательно, и свойства металла. В этих условиях металл разупрочняется в результате охрупчивания и графитизации. Разупрочнение может привести к аварийной потере прочно­сти.

Работа сталей в условиях воздействия то­почных газов и перегретого пара при повы­шенных и высоких температурах сопровож­дается также активизацией процессов элек­трохимической коррозии и как следствие уси­лением окисления и окаллнообразования на поверхностях, соприкасающихся с активными средами. От воздействия топочных газов осо­бенно страдают внешние поверхности труб пароперегревателей, от воздействия перегре­того пара — внутренние поверхности этих труб, коллекторов перегретого пара и маги­стральных паропроводов. Окалинообразова - ние может быть настолько значительным, что толщина стенки трубы уменьшается до опас­ных пределов, влекущих за собой прежде­временную ползучесть и даже разрушение труб. Образование окалины усугубляется ин­тенсивными тепловыми нагрузками, высо­кими напряжениями, возникающими от внут­реннего давления. Утонение металла вследст­вие окалинообразования учитывают в проч­ностных расчетах.

С увеличением единичной мощности требо­вания к надежности выше, а обеспечить ее сложнее из-за большой металлоемкости по­верхности нагрева и огромного числа сварных соединений. Увеличение единичной мощности часто сопровождается повышением парамет­ров пара, что связано с применением более прочных, но менее пластичных сталей. По­следние более чувствительны к концентраци­ям напряжений, и поэтому для них даже не­большие дефекты металла более опасны.

В итоге современные паровые котлы боль­шой мощности требуют не только улучшения технологии производства, но и получения по результатам контроля широкой информации о работе металла в сложных условиях экс­плуатации: его ползучести, структуре, соста­ве, механических свойствах и возникающих напряжениях.

Условия работы металла при высоких тем­пературах и давлениях позволяют сформули­ровать следующие основные требования к стали для обеспечения длительной надеж­ной работы котельной установки: высокий предел ползучести; высокий предел дли­тельной прочности; высокая стойкость про­тив окалинообразования; стабильность струк­туры, гарантирующая отсутствие опасного изменения свойств в процессе длительной работы; хорошая свариваемость; отсутст­вие металлургических и механических де­фектов поверхности, ослабляющих сечение элементов и являющихся концентраторами напряжений.