Паровые котлы ТЭС

Металл паровых котлов

Основными материалами для котлостроения служат углеродистые, а также легированные стали, в состав которых включены хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий и др. Большинство легирующих элементов отно­сится к дорогим материалам, однако введение их в со­став стали сообщает ей ряд ценных свойств, недостижи­мых для углеродистой стали.

Углеродистая (нелегированная) сталь применяется для "изготовления элементов парового котла, которые работают в условиях отсутствия ползучести, т. е. при температуре не выше 450°С. По условиям технологии сварки, являющейся основным технологическим процес­сом при изготовлении паровых котлов, многие ответст­венные элементы изготовляются из малоуглеродистых сталей марок 10 и 20. Сталь 20 является преобладаю­щей, поскольку по прочности она превосходит сталь 10, а по свариваемости и коррозионной стойкости не усту­пает ей. Основа микроструктуры металла труб — феррит, мягкая и пластичная составляющая; количество упроч­няющей составляющей — перлита — невелико. Листовая сталь имеет повышенное содержание углерода, в сред­нем от 0,15% (сталь 15К) до 0,25% (сталь 22К), что повышает показатели ее прочности: свариваемость этой стали вполне удовлетворительная. Сталь марки 22К отличается повышенной прочностью, что определяется несколько более высоким содержанием марганца и при­сутствием небольшого количества титана,

Низколегированная сталь перлитного класса. Низко­легированной является сталь, содержащая ие больше 4—5% легирующих элементов.,Такие стали применяются для изготовления элементов котлов, работающих вдело - виях ползучесхи: трубы и коллекторы пароперегревате­лей, паропроводы. Они применяются также для изготов­ления барабанов котлов на давление 18—38,5 МПа.

Низколегированные стали, устойчивые против ползу­чести при температуре до 580°С, когда не требуется очень высокая стойкость против окалинообразования, называются теплоустойчивыми, реже теплостойкими. Стали, устойчивые против ползучести при температуре выше 580°С и одновременно хорошо сопротивляющиеся окислению, при этих температурах называются жаро­прочными. Жаропрочность — высшее свойство стали, пе­рекрывающее теплоустойчивость.

Основными легирующими добавками являются Мо, Cr, Si, Д1. Растворяясь в феррите, молибден повышает его длительную прочность и сопротивление ползучести. Хром, а также кремний и алюминий повышают окали- ностойкость потому, что при контакте с кислородом они образуют соответственно Сг2р3, БЮг и АЬОз, очень ту­гоплавкие, плотные и близкие по коэффициенту тепло­вого расширения к стали. Такие соединения хорошо за­щищают сталь от окисления.

Широкое применение получили низколегированная хромомолибденовая сталь перлитного класса 15ХМ (1% Сг и 0,5% Мо), молибденохромовая сталь 12МХ (0,5% Сг и 0,5% Мо). Эти стали, особенно 15ХМ, отли­чаются хорошей свариваемостью, повышенным сопротив­лением ползучести и малой склонностью к графити - зации.

Стремление к дальнейшему повышению температу­ры перегретого пара при использовании недорогих низ­колегированных сталей перлитного класса привело к до­полнительному легированию хромомолибденовой стали ванадием в количестве 0,2—0,3%. Ванадий как сильный карбидообразователь способствует повышению предела ползучести.

В настоящее время широко применяют хромомолиб - деновую сталь 12Х1МФ (1% Сг. 0,3% Мо, 0,2% V) и более стойкую против ползучести сталь 15Х1МФ с не­сколько повышенным содержанием углерода и значи­тельно повышенным содержанием молибдена (1% Сг, 1% Мо, 0,2% V). Незначительная добавка ванадия уменьшает скорости ползучести. Эти стали предназначе­ны для работы при температуре до 565—570°С.

Наиболее окалиностойка и жаропрочна сталь пер­литного класса марки 12Х2МФСР, содержащая для ока - линостойкости 2% Сг и 0,4—0,7% Si. Присадка очень незначительного количества бора (0,003—0,005%) повы­шает жаропрочность. Эта сталь, из которой изготовляют главным образом трубы пароперегревателя, очень чув­ствительна к режиму термической обработки.

Высоколегированная сталь аустенитного класса. Стремление к повышению температуры перегретого пара до 600—650°С потребовало применения еще более жа­ропрочных и окалиностойких сталей. Структурной осно­вой таких сталей служит высоколегированный хромони - келевый или хромоникелемарганцевый аустенит. Высокое содержание хрома в аустенитных сталях делает их вы- сокоокалиностойкими. В отличие от низколегированной стали в высоколегированной аустенитной стали добавка только никеля и хрома достигает 30% и более общей массы металла, однако стоимость ее в несколько раз выше. Титан и ниобий — элементы-стабилизаторы при­бавляют к аустенитной стали для предотвращения интер- кристаллитной коррозии Будучи сильными карбидообра - зователями, эти элементы связывают весь углерод в кар­биды, не давая тем самым образоваться карбидам хро­ма по границам зерен аустенита. Если же карбиды хрома образуются, то аустенит обедняется вблизи них хромом, и эти обедненные хромом участки теряют со­здаваемую высоким содержанием хрома коррозионную стойкость, что приводит к интеркристаллнтной кор­розии.

Для повышения способности к образованию чисто аустенитной структуры прибегают к повышению отно­шения содержания никеля к хрому. Из сталей с повы­шенным отношением Ni/Cr в первую очередь следует отметить сталь 12X18H12T, далее сталь Х14Н14В2М с вольфрамом и молибденом и сталь типа 16-13-3 (16% Сг, 13% № и 3% Мо). Молибден и вольфрам добавляют к аустенитной стали с целью дальнейшего повышения жаропрочности в связи с образованием в их структуре высокодисперсных прочных соединений Fe2Mo и Fe2W, существенно повышающих жаропрочность стали.

Высоколегированная сталь мартенситного и мартен - ситно-ферритного классов. К недостаткам аустенитной стали относится склонность к образованию трещин при совместном воздействии напряжений и коррозионной среды (коррозионное растрескивание) и образование кольцевых трещин в окслошовной зоне сварных соеди­нений вследствие резкого снижения пластичности неко­торых участков околошовной зоны при нагреве. Аусте - нитная сталь дорога из-за высокого содержания никеля. Стремление к снижению стоимости жаропрочной стали при одновременном устранении недостатков, присущих аустенитной стали, привело к разработке более дешевых безникелевых сталей на основе И—13% Сг с добавкой молибдена, вольфрама и ванадия для повышения жаро­прочности. При такой композиции легирующих элемен­тов структура этой стали представляет собой низко­углеродистый мартенсит или мартенсит с ферритом, чем н определяется название классов этой стали.

Низколегированная сталь, работающая в условиях отсутствия ползучести. В котлостроении широко приме­няют низколегированную сталь, работающаю при отно­сительно невысокой температуре, когда явление ползу­чести не проявляется. Цель применения такой стали, более прочной, чем углеродистая, — уменьшение толщи­ны стенки элементов и соответственно уменьшение за­траты металла. Для изготовления барабанов котлов вы­соких параметров, например, применяют марганцовони- келемолибденовую сталь марки 16ГНМА (1% Мп, 1,2% Ni, 0,5% Мо). Для трубопроводов питательного тракта СКД применяют марганцовокремниевую сталь марки 15 ГС (1,1% Мп, 0,8% Si).

В табл. 25.1 приведены основные характеристики сталей, применяемых для изготовления поверхностей нагрева паровых котлов, барабанов, коллекторов и тру­бопроводов.

В котлостроении широкое применение получил чу­гун: серый и окалиностойкий. Серый чугун (СЧ) имеет высокие литейные свойства. Из пего изготовляют гар­нитуру топочных устройств: лазы, лючки, взрывные кла­паны, арматуру для крепления и подвески обмуровки. Наибольшая температура применения 250—350°С. Ока­линостойкий чугун (ОЧ) легирован элементами, повы­шающими его жаростойкость (например, кремнием). Из него изготовляют дистанционные гребенки пароперегре­вателей, подвески для крепления труб и другие детали, работающие в зоне высоких температур.