Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

ПААнтшсайн

МЕТАЛЛЫ

и расчет

на прочность

котлов

и трубопроводов

П.А.Антикайн

МЕТАЛЛЫ

и расчет

на прочность

котлов

и трубопроводов

3-е издание, переработанное

МОСКВА

ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ

1990

ББК

31.361

А72

УДК

621.181:669.018.29

Рецензент:

Г. А.

Туляков

Редактор издательства:

А. А.

Кузнецов

Антикайн

П. А.

Металлы

расчет

на

прочность котлов

трубо-

проводов.—

3-е изд.,

перераб.—

М.:

Энергоатом-

издат,

1990.—368 с: ил.

ISBN

5-283-00065-6

В книге рассматриваются требования Госгортехнадзора

СССР

металлам паровых

водогрейных котлов

трубопро-

водов. Даны стали, сплавы

наплавочные материалы, приме-

няемые

для

изготовления поверхностей нагрева, барабанов,

ка-

мер,

трубопроводов, арматуры

крепежных деталей. Изложены

основные положения нормативных методов расчета

на

прочность.

Первое издание книги вышло

в 1969,

второе

— в 1980 г.

Третье издание переработано

учетом, опыта изготовления,

эксплуатации

ремонта оборудования, требований нормативных

документов.

Книга предназначена

для

персонала электростанций, работ-

ников монтажных, ремонтных организаций

котлостроительных

завоДЪв-.

2203050000-522.

оа

ББК

31.361

051(01)-90

19,-89

ISBN

5-283-00065-6

1990

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие 5

Глава первая. Воздействие эксплуатационных механических нагру-

зок на стали для паровых и водогрейных котлов и трубопроводов 8

• 1.1. Условия работы металла паровых и водогрейных котлов и тру-

бопроводов 8

1.2. Упругая и пластическая деформация котельных сталей 10

1.3. Хрупкое разрушение сосудов и трубопроводов 15

1.4. Влияние высоких температур на механические свойства сталей 18

1.5. Ползучесть и длительная прочность 22

1.6. Релаксация напряжений 42

1.7. Усталость и термическая усталость 46

Глава вторая. Котельные стали и полуфабрикаты из них 53

2.1.

Углеродистые стали 53

2.2. Легированные жаропрочные и жаростойкие стали 61

2.3. Котельные стальные листы 78

2.4. Стальные трубы, работающие под давлением 85

2.5. Прокат для крепежных деталей и пружин 97

2.6. Стальные поковки 102

2.7. Стальные и чугунные отливки 103

Глава третья. Изменения структуры и свойств котельных сталей в

процессе изготовления, монтажа и ремонта 108

3.1.

Основные требования и конструкции сварных соединений и тех-

нологии сварки 108

3.2. Электродуговая сварка 113

3.3. Автоматическая сварка под слоем флюса 125

3.4. Аргонодуговая сварка 126

3.5. Контактная сварка 127

3.6. Ацетилено-кислородная газовая сварка 129

3.7. Электрошлаковая сварка 132

3.8. Кислородная резка 133

3.9. Термическая обработка сварных соединений 134

3.10. Дефекты и контроль качества сварных соединений 138

3.11. Влияние пластической деформации на механические свойства

и работоспособность сталей для котлов и трубопроводов 147

3.12. Гибка труб и основные технические требования к гибам 152

3.13. Штамповка днищ, вальцовка и штамповка обечаек 157

Глава четвертая. Изменения структуры и свойств металла котлов

и трубопроводов в процессе эксплуатации 159

4.1.

Трубопроводы тепловых электростанций 159

4.2. Изменения структуры металла и контроль за паропроводами 161

4.3. Повреждения элементов котлов и трубопроводов от тепловой

усталости 188

4.4. Эксплуатационная надежность гибов необогреваемых труб, транс-

портирующих воду, пароводяную смесь и насыщенный или сла-

боперегретый пар 190

4.5. Коррозия труб экранных поверхностей нагрева 209

(

4.6. Коррозия металла труб ширмовых и конвективных пароперегре-

вателей 227

4.7. Подшламовая коррозия и водородное охрупчивание 240

4.8. Эксплуатационная надежность труб топочных экранов при водя-

ной очистке 246

4.9. Сернистая коррозия металла хвостовых поверхностей нагрева

и стальных коробов газоходов 247

4.10. Стояночная коррозия и способы консервации котлов 255

4.11. Эксплуатационная надежность барабанов энергетических и про-

мышленных котлов и корпусов котлов малой производительности .... 259

4.12. Эрозионные повреждения энергооборудования 277

4.13. Регенерация структуры и свойств перлитных жаропрочных сталей

путем восстановительной термической обработки 288

4.14. Анализ причин повреждений котлов и трубопроводов и некоторые

типичные дефекты 300

Глава пятая. Расчет на прочность элементов котлов и трубопроводов 315

5.1.

Нормативный метод расчета 315

5.2. Коэффициенты запаса прочности и допускаемые напряжения 320

5.3. Расчетные давление и температура 326

5.4. Расчет на прочность труб поверхностей нагрева и трубопроводов,

нагруженных внутренним давлением 328

5.5. Расчет на прочность барабанов и камер 337

5.6. Расчет на прочность тройников 347

5.7. Расчет на прочность конических переходов 348

5.8. Расчет на прочность выпуклых днищ 351

5.9. Расчет на прочность плоских днищ и заглушек 357

Список литературы 362

ПРЕДИСЛОВИЕ

Тепловые электрические станции, оснащенные мощными энер-

гетическими блоками с паровыми котлами сверхкритических и

высоких параметров пара, обеспечивают большую часть выра-

батываемой в настоящее время электрической энергии и под-

держание их высокой надежности и экономичности — важная

народнохозяйственная задача, которую можно решить только в

случае правильного выбора материалов и технологических про-

цессов, используемых при изготовлении, монтаже и ремонте обо-

рудования.

Ввод новых мощных энергетических блоков сопровождается

повышением блочности их изготовления и комплектности завод-

ской поставки энергооборудования, повышением качества изго-

товления и технического уровня котлов, вспомогательного обо-

рудования, деталей трубопроводов и арматуры.

Если в предыдущие годы наблюдалось непрерывное повыше-

ние параметров пара, то в 1981

—1986

гг. произошла их стаби-

лизация на уровне 23,5 МПа и 540/540° С для мощных энерго-

блоков. Эти параметры оказались близкими к оптимальным.

Определенный, пока не использованный резерв, не требующий

разработки новых сталей для поверхности перегрева, представ-

ляет возможность повышения температуры промежуточного пе-

регрева до 560—570° С.

Дальнейшее повышение температуры перегрева свежего пара

и промежуточного перегрева сдерживается отсутствием подхо-

дящих сталей для высокотемпературной части пароперегревате-

лей и паропроводов. Переход на более высокий уровень темпе-

ратур связан с необходимостью применения дорогих и малотех-

нологичных сталей и сплавов, содержащих высокий процент та-

ких дефицитных легирующих элементов, как никель, вольфрам,

молибден и др.

Для установления предельных возможностей эксплуатируе-

мых блоков целесообразно выполнить проверочный расчет высоко-

температурных элементов трубных систем этих блоков на проч-

ность при циклических нагрузках в условиях ползучести, разра-

ботать рекомендации по совершенствованию объемов и методов

контроля металла в эксплуатации, дать обоснованные рекомен-

дации по организации водно-химического режима, а также по

изменению нормативов ремонтного обслуживания.

Непрерывно возрастает доля котлов и трубопроводов, отра-

ботавших свой проектный ресурс, что требует разработки нор-

мативно-технической документации, регламентирующей этот про-

цесс.

Возрастают объемы фактически выполняемых работ по де-

фектоскопии и контролю состояния металла. Существовавшая

во всем мире практика проектирования котлов и трубопроводов

на срок службы до 100 тыс. ч не оправдала себя. В настоящее

время разработана таблица допускаемых напряжений, позво-

ляющих производить расчет элементов котлов и трубопроводов

на 200 и даже на 300 тыс. ч. Осуществляется выпуск паропрово-

дов на расчетный срок службы 200 тыс. ч.

В промышленной и малой энергетике Советского Союза в

последние годы проходят освоение и опробование топки с кипя-

щим слоем, разрабатываются проекты котлов с топками с ки-'

пящим слоем производительностью до 420 т/ч. В эксплуатации

находится большая номенклатура котлов-утилизаторов, в кото-

рых происходит снижение температуры сбросных газов различ-

ных химических и металлургических производств. Поэтому тре-

буется проведение исследований, позволяющих обосновать пра-

вильный выбор материалов, а также дать рекомендации по со-

вершенствованию конструкции и режимов эксплуатации энерго-

оборудования. Удачный выбор химического состава жаропрочной

стали недостаточен для обеспечения ее надежной работы в экс-

плуатации. Большую роль играют технология металлургического

производства (шихтовка, способ выплавки, режимы прокатки,

термической обработки и др.)» а также технология изготовления

и монтажа элементов котельного агрегата (гибка, сварка, по-

следующая термическая обработка). И только при высоком

уровне технологии и культуры производства и эксплуатации

можно обеспечить надежную работу современного котла.

Первое издание настоящей книги было выпущено в свет из-

дательством «Энергия» в 1969 г., второе переработанное издание

вышло в 1980 г. Книга получила определенное признание у ра-

ботников тепловых электрических станций, научно-исследова-

тельских институтов и котлостроительных заводов.

За время, прошедшее после второго издания, накоплен допол-

нительный экспериментальный материал по влиянию длительной

эксплуатации на структуру и свойства котельных сталей, по

коррозионной стойкости сталей в продуктах сгорания энергети-

ческих топлив, воде и паре; по влиянию на надежность поверх-

ностей нагрева водных обмывок для удаления шлака сильно

шлакующих топлив; по влиянию консервации на предотвраще-

ние стояночной коррозии барабанов и трубной системы котлов.

Разработаны и широко применяются новые конструктивные и

технологические решения, влияющие на надежность котлов и

трудопроводов, внедрены штампованные тройники и гибы, цель-

носварные экранные панели, появились новые типы котлов и

новые типоразмеры трубопроводов. Выпущены новые инструк-

ции по контролю металла котлов и трубопроводов в процессе

эксплуатации, по продлению срока службы сверх расчетного.

Введены новые руководящие технические материалы по расче-

там на прочность элементов котлов и трубопроводов.

В данной книге рассматриваются строение и свойства сталей,

используемых для изготовления паровых и водогрейных котлов,

трубопроводов пара и горячей воды, а также сосудов, работа-

ющих под давлением, описываются применяемые в энергетике

стали и влияние технологических процессов и условий эксплуа-

тации на структуру и показатели прочности металла. Значитель-

ное внимание уделяется строению и свойствам сварных соедине-

ний, сообщаются основные результаты исследований высокотем-

пературной газовой коррозии экранов, ширмовых пароперегрева-

телей и конвективных поверхностей нагрева мощных паровых

котлов; помещена информация о коррозионных процессах в вод-

ной среде и низкотемпературной сернистой коррозии, излагаются

мероприятия, позволяющие защитить трубную систему котлов

от интенсивных коррозионных поражений, основные положения

нормативных методов расчета на прочность элементов котлов,

трубопроводов и сосудов, работающих под давлением.

Наряду с литературными данными в книге обобщены резуль-

таты исследований автора. Отличительной особенностью книги

является то, что вопросы металловедения, прочности, коррозии

и технологии изготовления рассмотрены во взаимосвязи.

Задача настоящей монографии — ознакомить инженеров, тех-

ников, работающих в области проектирования, монтажа, эксплу-

атации и ремонта котлов, с особенностями строения жаропроч-

ных сталей, с процессами изменения их структуры и свойств в

эксплуатации, а также с основными принципами и методами

расчета на прочность современных паровых котлов и трубопро-

водов.

Замечания по книге следует направлять по адресу:

113114,

Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.

Глава первая

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА СТАЛИ ДЛЯ ПАРОВЫХ

И ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ И ТРУБОПРОВОДОВ

1.1. Условия работы металла паровых и водогрейных котлов

и трубопроводов

Металл элементов паровых или водогрейных котлов и трубо-

проводов работает в разнообразных и в ряде случаев тяжелых

условиях.

Каркас котла, его обшивка, детали котельно-вспомогатель-

ного оборудования эксплуатируются при комнатной или умерен-

но повышенной температуре и относительно невысоких напря-

жениях. Для изготовления деталей каркаса чаще всего использу-

ются углеродистые' стали обыкновенного качества, которые яв-

ляются наиболее дешевым л технологичным конструкционным

материалом.

В более тяжелых условиях находится металл элементов кот-

лов и трубопроводов, работающих под давлением. Повреждение

этих элементов связано с повышенной опасностью. Основные

положения по технологии изготовления, требования к конструк-

ции и безопасной эксплуатации элементов котлов и трубопрово-

дов регламентированы , «Правилами устройства и безопасной

эксплуатации паровых и водогрейных котлов» и «Правилами

устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара ~*и

горячей воды». Правила утверждаются Госгортехнадзором

СССР, согласовываются с ВЦСПС и обязательны для исполнения

всеми должностными лицами, инженерно-техническими работ-

никами и рабочими, имеющими отношение к проектированию,

изготовлению, монтажу, ремонту и эксплуатации паровых котлов

и трубопроводов горячей воды и пара.

Внутреннее давление и дополнительные усилия, вызванные

весовыми нагрузками, тепловыми расширениями и рядом других

трудно учитываемых факторов, приводят к тому, что элементы

котлов работают в сложнонапряженном состоянии.

Детали котлов и трубопроводов имеют конструкционные кон-

центраторы напряжений в виде отверстий для приварки штуце-

ров,

патрубков, резкие переходы сечений и т. п. При пусках,

остановах, переходных режимах в трубной системе и барабанах

котлов возникают циклические напряжения. Поэтому для снятия

пиков местных напряжений в условиях сложного напряженного

состояния без опасности образования трещин металл этих эле-

ментов должен обладать высокими пластическими свойствами.

Трубы поверхностей нагрева омываются горячими топочными

газами с одной стороны и паром или водой с другой стороны.

В современных паровых котлах пар перегревается до темпера-

туры 545—570° С. Температура металла труб поверхностей на-

грева существенно выше температуры пара на выходе из котла.

Это определяется неравномерной раздачей'

iiapa

по змеевикам

и неравномерным обогревом труб газами, а также неизбежным

перепадом температур между наружной обогреваемой и внут-

ренней охлаждаемой поверхностями труб и теплоносителем.

Металл при высоких рабочих температурах снижает проч-

ность, возникают новые явления^ которые не наблюдаются при

комнатной температуре: металл начинает накапливать пластиче-

скую деформацию при относительно, низких напряжениях,, сни-

жаются его пластические свойства при длительном нагружении,

ухудшается структура, а на поверхности интенсивно протекают

коррозионные процессы.

В более тяжелых температурных условиях работают необо-

греваемые стойки и подвески труб поверхностей нагрева и эле-

менты конструкций горелок. К их материалам предъявляются

высокие требования в отношении коррозионной стойкости.

Хвостовые поверхности нагрева и стальные газоходы паро-

вых котлов, в которых сжигаются топлива с большим содержа-

нием серы, подвержены низкотемпературной сернистой корро-

зии.

На этих относительно холодных поверхностях происходит

конденсация паров серной кислоты.

При сжигании сильно забалластированных топлив происхо-

дит интенсивный эрозионный износ труб поверхностей нагрева

в результате воздействия абразивных частиц золы.

Эрозионному износу из-за влияния потоков воды или пара

подвержены регулирующие и запорные органы пароводяной

арматуры, рабочие элементы питательных насосов и т. п.

На внутренних поверхностях труб котла, барабанов, камер и

трубопроводов протекает коррозия в воде или паре, происходит

образование отложений, забивание гибов труб поверхностей на-

грева продуктами, коррозии. При этом ухудшается теплообмен,

так как слой оксидов, обладающий низкой теплопроводностью,

вносит добавочное термическое сопротивление.

Все перечисленные факторы влияют на надежность котла в

Целом. Под термином надежность понимается свойство объ-