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

> . - . ■

>

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.

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).