Файл: Мейкляр, М. В. Паровые котлы электростанций [учеб. пособие].pdf

Они представляют собой тончайшие слои того же ферри­ та и столь же тонкие слои очень твердого вещества — цементита — химического соединения железа с углеродом. Прочность и твердость стали в значительной мере зави­ сят от количества находящегося в ней цементита.

При длительном воздействии высокой температуры пластинки цементита распадаются на отдельные части-

Рис. 3-1. Схемы строения котельной стали.

а и б — элементарные кристаллические ячейки соответственно гамма- и альфажелеза; в — схема взаимного сопряжения элементарных ячеек альфа-железа; г — вид под микроскопом ферритных и перлитных зерен в углеродистой стали марки 20; а — вид под микроскопом сфероидизированной стали маоки

40

цы, которые затем изменяют плоскую форму на шаро­ образную (сферическую). Прочность стали значительно уменьшается, и она может не выдержать действия на­ грузки. При температуре свыше 500 °С углеродистая сталь не может длительно работать в паровом котле.

При нагревании легированных сталей с ф е р о и д и з а - ция цементита начинается при более высокой темпе­ ратуре, чем у углеродистых. В частности, стали марок 12ХМФ и 12Х1МФ могут длительно работать при нагре­ ве до 585—590 °С.

Эти легированные стали обладают большей прочно­ стью и меньшей пластичностью, чем углеродистая сталь марки 20.

У котла ТГМ-94 производительностью 500 т/ч разорвался гори­ зонтальный коллектор наружным диаметром 325 мм, в котором по­ ступавший из барабана насыщенный пар распределялся между трубами пароперегревателя. Пар высокого давления, выходя с боль­ шой скоростью из места разрыва, произвел большие разрушения, чем затруднялось расследование причины аварии.

Коллектор был расположен вне газохода, над потолочным пе­ рекрытием, и не должен был омываться дымовыми газами. Насыщен­ ный пар был нагрет при 155 кгс/см2 лишь до 343 °С, и металл не мог иметь чрезмерно высокую температуру. Казалось, что наиболее вероятной причиной разрыва коллектора была какая-то скрытая тре­ щина пли другой дефект металла.

Однако металлографический анализ показал, что вблизи места разрыва имела место ефероидизация цементита и что, следовательно, основной причиной аварии являлся длительный нагрев стали 12Х1МФ

ходя через неплотности в обмуровке, омывать стенки коллектора, на­ гревая их до опасной температуры. Металлографический анализ по­ мог найти действительную причину аварии и в дальнейшем предот­ вратить ее повторение.

Аустенитные стали. Котлы, работающие при давлении 140 кгс/см2 без промежуточного перегрева пара, проек­ тируют обычно так, чтобы выходная часть пароперегре­ вателя обогревалась газами умеренной температуры. Благодаря этому температура стенок труб лишь немного превышает температуру пара и трубы могут быть изго­ товлены из низколегированной стали перлитного класса 12X1МФ. Но у крупных энергоблоков в этой части газо­ хода устанавливают промежуточный пароперегреватель, а трубы выходной части первичного пароперегревателя приходится размещать в зоне более нагретых дымовых газов. Эти трубы нагреваются до более высокой тем­ пературы и их изготовляют из высоколегированной жа­ ропрочной стали аустенитного класса ■

41

Описанное выше неодородное строение и наличие зйрен феррита и перлита присуще сталям перлитного клас­ са как углеродистым, так и легированным. Аустенитные же стали сохраняют гамма-строение и при комнатной температуре.

Однородные микроскопические зерна таких сталей имеют характерные прямоугольные очертания. Аустенит­ ные стали могут работать при более высокой температу­ ре, чем большинство перлитных сталей. В частности, применяемые в котлостроешш стали марок Х18Н9Т и Х18Н12Т рассчитаны на работу при температуре до

650°С.

Вэтих марках стали, как видно из их условного обозначения, содержится порядка 18% хрома и соот­ ветственно около 9 и 12% никеля. В них имеется лишь около 70% железа, в то время как, например, в хромо­ молибденованадиевой стали 12Х1МФ содержание железа превышает 96%. Кроме никеля и хрома, в аустенитные стали добавляют небольшое количество металла титана (вольфрама или ниобия).

Аустенитная сталь в несколько раз дороже, чем хромомолибденованадиевая. Кроме того, она подверже­ на растрескиванию при быстрых изменениях температу­ ры, что снижает надежность ее работы. Поэтому приме­ нение аустенитной стали стремятся по возможности со­ кратить. Из нее изготовляют только выходную часть пароперегревателя, в которой трубы работают при наи­ более высокой температуре.

Аустенитная сталь свободно выдерживает действие

кислот (из нее часто делают кислотоупорные сосуды для химической промышленности), но быстро разруша­ ется под воздействием щелочей. Трубы из аустенитной стали необходимо надежно отглушать в тех случаях,

рис. 3-2 показано, что сталь марки 20 не может длитель­ но работать при 550 °С, а сталь 12Х1МФ — при 600°. При таком нагреве происходит постепенное изменение их строения и возникает сфероидизация цементита, сни­ жающая их прочность. Кратковременно допускаемая на-

42

При 600°Z

(1,2кг)

12Х1МФ 2,2кг Х18Н12Т

Рис. 3-2. Сравнение нагрузки, допустимой для стержней одинакового диаметра, изготовленных из разных сортов стали и нагретых до раз­ личной температуры.

грузка обозначена на рис. 3-2 в скобках. Но трубы из этих сталей могут быть повреждены и при меньшем нагреве.

Из того же рис. 3-2 видно, насколько уменьшается прочность стали с повышением температуры и снижает­ ся нагрузка, какую эта сталь может выдержать без повреждения. Нагрев до температуры выше расчетной может привести к такому снижению прочности металла, что сталь, не выдержав нагрузки, растягивается и раз­ рывается.

Чрезмерный нагрев труб может возникнуть при не­ правильном сжигании топлива и недопустимом обогреве труб дымовыми газами. Иногда повышение температуры металла объясняется отложением накипи в трубах или другими причинами.

Дефекты металла. При различных нарушениях техно­ логического процесса на металлургическом или трубо­ прокатном заводе внутри труб остаются скрытые трещи­ ны или неметаллические (шлаковые) включения. Часть дефектных труб отбраковывают на котлостроительном заводе, а также при монтаже котла на электростанции. Но отдельные дефектные трубы остаются иногда у кот­ лов, вводимых в эксплуатацию. Под нагрузкой ослаб­ ленный дефектами металл может через некоторое время

разрушиться.

43

Большинство дефектных труб разрывается в первые недели эксплуатации новых котлов. Оставшиеся трубы с внутренними дефектами работают иногда по нескольку лет и разрываются первыми в случае временного перена­ пряжения, например при чрезмерном нагреве.

У котла, работавшего при 65 кгс/см2, необогреваемая труба разорвалась на шестом году эксплуатации. Разрыв возник в месте гиба. При изучении трубы в лаборатории было обнаружено большое количество мелких продольных трещинок на ее внутренней поверх­ ности. Эти трещины возникли при изготовлении трубы на трубо­ прокатном заводе вследствие нарушения требований по нагреву металла. При гибе трубы трещины несколько увеличились и в даль­ нейшем постепенно росли, пока одна из трещин не стала причиной аварийного разрушения.

В отдельных случаях повреждения труб возникают при совместном действии скрытых дефектов металла и временного ухудшения условий работы котла.

При эксплуатации котла ТП-230-2, работавшего^при 100 кгс/см2, не соблюдался водный режим и в наиболее обогреваемых трубах стала появляться накипь. Температура этих труб, изготовленных из стали марки 20 и расположенных против «ядра» пламени в топке,

двух трубах, но и на четырех других, на которых отдулины отсут­ ствовали. Вскоре после замены поврежденных участков пришлось опять аварийно остановить котел из-за того, что в одной из труб возник продольный разрыв на длине около 0,5 м. Отдулин на этой трубе не было.

Исследование металла показало, что в нем имелось большое количество шлаковых включений, что снижало прочность труб. Эти включения стали опасными при повышении температуры труб из-за накипи, но не препятствовали безаварийной работе котла после исправления водного режима.

Ползучесть стали. При работе стали под нагрузкой и при нагреве до высокой температуры неизбежно посте­ пенное ее растяжение, происходящее и тогда, когда рас­ четные условия работы металла не нарушаются. Такое

в дальнейшем значительно ускоряется и может стать причиной разрыва металла. Ускорение ползучести не должно наступить в течение расчетного срока работы при высокой температуре (100 тыс. ч, т. е. около 14 лет).

У всех котлов периодически измеряют вызываемое ползучестью увеличение диаметра труб и коллекторов, работающих при температуре свыше 450 °С. Ускоренная

44

ползучесть является обычно следствием либо наличия в стали металлургических дефектов, либо ее эксплуата­ ции при более высокой, чем по расчету, температуре.

Считается допустимым увеличение диаметра труб за первые 50 тыс. ч работы до 1,0%■ При всех условиях нужно незамедлительно заменять трубы при увеличении их диаметра на 2,5%.

Длительная прочность стали. Под действием как пол­ зучести, так и других причин прочность стали, длительно работающей при высокой температуре, постепенно сни­ жается. Но от стали требуется сохранение работоспособ­ ности в течение весьма длительного времени, которое обычно должно быть равно 100 тыс. ч. Поэтому при про­ ектировании котла учитывается не только прочность его труб и других деталей в начальный период работы, но и прочность, которая останется в стали к концу рас­ четного срока эксплуатации.

Приближенно считают, что увеличение температуры на 40 °С сверх расчетного значения приводит для под­ верженных внутреннему давлению элементов котла к со­ кращению длительности надежной работы стали в 10 раз, т. е. вместо 100 тыс. ч до 10 тыс. ч. Работа при

ности с повышением температуры происходит еще быстрее.

Длительность работы стали под давлением при ко­ леблющейся температуре зависит не только от ее сред­ него значения, но и от того, насколько максимальная температура превышает среднюю. Действие временных повышений температуры может быть значительным даже тогда, когда отклонения от расчетного режима работы возникают периодически и на ограниченное время.

Разрыв труб пароперегревателя иногда происходит не во время работы с чрезмерно высокой температурой, а намного позже. Первыми обычно повреждаются трубы, прочность которых была дополнительно ослаблена ка­ ким-либо дефектом металла, на который сразу обраща­ ют внимание при расследовании причин аварии. Не всег­ да удается установить, что при отсутствии чрезмерного повышения температуры трубы могли бы работать зна­ чительно более длительное время.

45