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

Подождите немного. Документ загружается.

постепенно затухает. Собирательная рекристаллизация может

привести

образованию очень крупных кристаллов, если

ей

предшествовала пластическая деформация

критической сте-

пенью.

Для

большинства металлов критическая степень пла-

стической деформации составляет

5—10%. В

стали собиратель-

ная рекристаллизация происходит

при

температурах

выше 700°

С.

Для повышения пластичности наклепанного металла при-

меняется рекристаллизационный отжиг.

котлостроении заго-

товки толстостенных обечаек барабанов котлов

при

вальцовке,

а также гибы труб

из

некоторых феррито-мартенситных сталей

подвергают промежуточному отжигу.

Для

ускорения процесса

этот отжиг проводится обычно

при

температурах выше порога

рекристаллизации.

Так,

низкоуглеродистые стали

порогом

рекристаллизации около 450°

подвергаются рекристаллиза-

ционному отжигу

при

650—700°

С.

На

рис. 3.10,6

показано изменение механических свойств

при комнатной температуре наклепанной малоуглеродистой

стали

зависимости

от

температуры нагрева.

На основании изложенных представлений

наклепе

рекри-

сталлизации можно дать более точное определение горячей

и холодной обработки металлов давлением.

Холодная обработка металлов давлением производится

при

температурах ниже температуры рекристаллизации;

процессе

холодной обработки возникает наклеп.

Горячая обработка металлов давлением производится

при

температурах выше температуры рекристаллизации. Пласти-

ческое деформирование

и в

этом случае вызывает сдвиги

упрочнение,

но

упрочнение устраняется рекристаллизацией

под

действием теплоты обрабатываемой заготовки.

Горячую обработку давлением низкоуглеродистой стали

производят

при

температурах,

при

которых

она

имеет аусте-

нитную структуру. Верхняя граница температур нагрева

под

обработку давлением

на

100—200°

ниже температуры начала

плавления. Более высокий нагрев может привести

очень интен-

сивному росту зерен аустенита, которые нельзя будет раздро-

бить полностью даже

при

последующей обработке давлением.

Может также произойти оплавление

окисление границ зерен

(этот неисправимый дефект называется пережогом). Нагрев

до слишком высоких температур, кроме того, приводит

боль-

шим потерям

на

окалинообразование.

Исходным сырьем

при

прокатке

ковке служат слитки.

При кристаллизации стального слитка наблюдается межзеренная

и внутризеренная ликвация.

процессе горячей обработки

давлением дендриты дробятся

вытягиваются

волокна, раз-

деленные между собой прослойками металла

повышенным

содержанием примесей. Такая структура определяет различие

свойств проката в направлениях вдоль, и поперек прокатки.

Механические

;

свойства металла листов, труб, профилей

всегда выше в направлении прокатки. В технических условиях

на прокат и поковки указывается, в каком направлении следует

вырезать образцы для определения механических свойств.

Волокнистая макроструктура металла, полученная в резуль-

тате горячей обработки давлением слитка, не может быть устра-

нена ни термической обработкой, ни последующей обработкой

давлением. Последующая термическая обработка может только

ослабить контраст в химическом составе, а обработка давле-

нием—изменить направление волокон. Особенно сильно про-

является волокнистость структуры в легированных жаропрочных

сталях, так как диффузионные процессы в них затруднены.

Металл, обработанный давлением в горячем состоянии,

имеет более высокие механические свойства, чем литой. При

горячей обработке давлением рассеянные по слитку мелкие

усадочные поры, газовые раковины и трещинки завариваются.

Структура из дендритной превращается в полиэдрическую.

По мере увеличения степени вытяжки механические свойства,

определенные на поперечных образцах, сначала повышаются,

затем несколько снижаются из-за образования текстуры.

Ликвационная зона слитка, расположенная в его централь-

ной части, обычно при обработке давлением изменяет свою

форму и вытягивается. Поэтому в средней части профиля

проката или поковки содержится больше примесей. Эти слои

металла имеют пониженные механические свойства.

Неметаллические включения принимают при обработке

давлением различную форму в зависимости от их пластичности.

Пластичные включения — сульфиды FeS и MnS — вытяги-

ваются вдоль направления прокатки и выявляются в макро-

структуре в виде продольных тонких полосок. Хрупкие вклю-

чения оксидов и нитридов располагаются в виде точечных

прерывистых линий (цепочек).

Не допускается попадание в готовые изделия оставшихся

после прокатки или ковки расслоений от следов усадочной

раковины и от рыхлости, незаварившихся газовых пузырей

и т. д. В процессе обработки давлением части проката или

поковок, содержащие усадочную раковину и рыхлость, отрезают.

Наклеп оказывает вредное влияние на жаропрочность

деформированных котельных сталей, которые должны обеспе-

чить надежную работу оборудования в течение

100—200

тыс. ч.

При малых сроках и относительно низких температурах экс-

плуатации наклеп может оказаться полезным.

В процессе сборки поверхностей нагрева на плазу завода

или на монтаже часто применяется подгибка с подогревом

газовой горелкой. Обычно по инструкции разрешается подогрев

до температуры, не превышающей верхней, допускаемой при

отпуске. Однако контроль температуры практически не осу-

ществляется, и металл перегревается, так как при этом для

подгибки требуется меньшее усилие и сборка облегчается.

В результате перегрева при подгибке металл труб приобретает

нерекомендованную структуру и становится менее -жаропрочным.

Поэтому необходимо совершенствовать процесс гибки, уже-

сточать пределы на допускаемые отклонения механических

свойств труб в холодном состоянии, чтобы обеспечить после

гибки стабильные размеры гибов, не требующие последующей

подгибки с подогревом при сборке.

3.12. Гибка труб и основные технические требования к гибам

Все гибы труб поверхностей нагрева и подавляющее боль-

шинство гибов трубопроводов изготавливаются путем гибки

прямых труб на специальных трубогибочных станках. "

Крутозагнутые гибы труб котлов высокого и среднего

давления на протяжении ряда лет изготовлялись путем литья

в земляные формы. В настоящее время от этого способа прак-

тически отказались в связи с большим количеством дефектов

и невозможностью выполнения 100%-ного контроля плотности

отливок.

Крутозагнутые гибы большого диаметра изготавливают путем

штамповки двух полуторов с последующей сваркой. Сварное

швы проходят 100%-ный дефектоскопический контроль.

Гиб^ка труб поверхностей нагрева паровых котлов, тепло-

обменных аппаратов и большей части трубопроводов осу-

ществляется в холодном состоянии на трубогибочных станках.

Трубы большого диаметра гнутся на станках с нагревом до

температуры, при которой происходит превращение структуры

углеродистой или. перлитной низколегированной стали в аустенит.

При гибке с подогревом требуются существенно меньшие усилия.

,; Схематически процесс гибки на• станке представлен

на рис. 3.11. С помощью зажима трубу закрепляют на секторе,

который затем медленно приводится во вращение от электро-

механического или гидравлического привода (на схеме — по

часовой стрелке). Закрепление трубы зажимом производится

при помощи эксцентрикового механизма, пневматического

или гидравлического прижима. Труба при повороте сектора

скользит по направляющей, а ее часть, закрепленная на секторе,

проворачивается вместе с сектором. Труба принимает'профиль

сектора. Гибка трубы происходит в месте касания с сектором.

Цели труба тонкостенная и есть опасность сильного сплющи-

вания, то в месте касания внутри располагают дорн (неподвиж-

ную оправку), который препятствует сплющиванию (уменьшает

овализацию сечения).

При гибке происходит Пластическое деформирование

Рис.

3.11. Цикл гибки труб в трубогибочном станке с гидравлическим Приводом:

а — 1-й прием: подготовка рабочих органов станка к загрузке трубой; б — 2-й прием загрузка станка

трубой; & — 3-й прием: установка рабочих органов станка в положение, соответствующее началу

гибки трубы; г — 4-й прием: выполнение гибки трубы; д — 5-й прием

возврат поворотного стола и ги-

бочного сектора в исходное положение; / — подвижной суппорт поворотного стола; 2 — подвижной

суппорт неподвижного стола; 3—неподвижный стол; 4 — упор неподвижного стола, 5 — сменный

вкладыш, 6— стержень дорна; 7 — дорн; 8 — гибочный сектор; 9 — поворотный стол, /0 — сменный

вкладыш; // — упор поворотного стола; 12 — сгибаемая труба; 13 — фиксатор

металла — на наружной части гиба металл растягивается, на

внутренней — сжимается. Чем меньше радиус гиба, тем больше

деформация. Для получения малых искажений формы сечения

трубы при гибке важно, чтобы конец дорна располагался точно

в точке касания: если он будет сдвинут назад, то при гибке

получится сильная овализация, если — вперед, то дорн будет

царапать и сминать внутреннюю поверхность трубы. При этом

возможно образование поперечных надрывов на трубе.

На рис. 3.12 показана схема формы поперечного сечения

гиба. С наружной стороны гиб имеет участок сечения с большим

Рис.

3.12. Схема формы

поперечного сечения гиба

радиусом кривизны (уплощение). В случае

недостаточной длительной пластичности

металла в процессе эксплуатации в этом

месте могут образовываться продольные

трещины на наружной поверхности, ,так

как уплощенный участок будет выпучи-

ваться и на наружной поверхности (точка,

/ на рис. 3.12) возникнут максимальные

дополнительные растягивающие напряже-

ния. Другим опасным местом гиба явля-

ются переходы от уплощенного участка,

имеющие (Минимальный радиус кривизны.

В этих местах максимальные дополнитель-

ные растягивающие напряжения возника-

ют, на внутренней поверхности (трчка 2 на

рис.

3.12).

Уплощение обычно тем больше, чем меньше отношение

наружного диаметра к внутреннему и чем меньше радиус

гиба.

Из-за отклонения формы поперечного сечения гиба от пра-

вильной круговой, в нем при эксплуатации под действием

давления возникают дополнительные тангенциальные изгибные

напряжения, величина которых зависит от конкретной формы

поперечного сечения.

При гибке ъ месте начала деформации при плохо отрабо-

танной технологии возможно образование гофр.

В процессе пластической деформации при комнатной тем-

пературе происходит наклеп, сталь упрочняется. Из-за неравно-

мерной пластической деформации в деталях возникают оста-

точные напряжения, которые могут суммироваться с напря-

жением от внешних нагрузок в процессе эксплуатации и при-

водить к снижению работоспособности детали. Наклепанный

металл отличается пониженной коррозионной стойкостью.

Во многих случаях наклепанный металл оказывается доста-

точно работоспособным и не требует дополнительной термиче-

ской обработки. Это относится к гибам труб поверхностей

нагрева, выполненных из сталей 20; 12Х1МФ, и 12Х2МФСР.

Если мощность трубогибочного станка позволяет, то гибку

паропроводных труб стремятся производить в холодном состоя-

нии. После холодной гибки для устранения наклепа и снятия

остаточных напряжений трубы подвергаются высокому отпуску.

После отпуска гибы охлаждаются на воздухе. Окалину с труб

удаляют дробеструйной обработкой.

Трубы большого диаметра с большой толщиной стенки гнутся

иногда в горячем состоянии обычно при 950—980° С. Выдержка

при нагреве под гибку определяется из расчета 1 мин на 1 мм

толщины стенки. Гибку начинают при температуре не ниже

920° С, заканчивают при температуре не ниже 750° С, и трубы

охлаждают на воздухе. После горячей гибки производят полную

термическую обработку — нормализацию с отпуском.

На котлостроительных заводах гибку стремятся выполнять

в холодном состоянии, так как при горячей гибке не исключена

вероятность неблагоприятных изменений структуры металла

и как следствие — снижения его жаропрочности. При нагреве

под гибку необходимо точно выдерживать температуру по длине

и периметру труб, но печное оборудование котлостроительных

заводов не всегда обеспечивает необходимую точность нагрева.

Гибку труб, выполненных из стали 12Х118Н12Т и других

аустенитных сталей, ведут в холодном состоянии. После гибки

необходима аустенизация. Гибы пакетом не более чем из пяти

змеевиков, положенных один на другой, загружают в печь

с панельными газовыми горелками. В печи размещают гибы

змеевиков, а прямые концы, выступающие из печи, помещают

на подставки, причем число подставок должно быть не менее

двух. Гибы нагревают до 1000—1050° С и выдерживают в те-

чение 15 мин.

В последние годы на котлостроительных заводах и в ремонт-

ных предприятиях Минэнерго СССР применяются станки для

гибки труб с использованием индукционного нагрева током

средней частоты

(2400—2500

Гц) с использованием машинного

генератора.

Схема работы такого трубогибочного станка показана на

рис.

3.13.

Труба 1 зажата в суппорте 2 и непрерывно перемещается

слева направо в напрявляющих роликах 3. Нажимный ролик 4

перемещается в перпендикулярном направлении. Изгиб проис-

ходит-по «слабому» сечению, нагретому индуктором 5 до темпе-

ратуры 850—950° С.

Радиус гибки определяется перемещением нажимного ролика,

а угол загиба — продольной подачей. При гибке этим способом

узкая зона пластической деформации находится в окружении

жестких ненагретых участков трубы, которые существенно огра-

Рис.

3.13. Схема гибки трубы с индукционным нагревом током средней частоты

155

ничивают искажение поперечного сечения. Для получения пра-

вильной формы поперечного сечения ширина нагретой полоски

должна поддерживаться в диапазоне

(1,5—2,5)

s. Ширина

полосы нагрева ограничивается действием спреера — души-

рующей установки (за индуктором на горячую трубу направ-

ляются струи воды).

В процессе пластического деформирования необходимо обес-

печивать равномерный нагрев, иначе могут образоваться гофры

или локальные деформации в виде сдвигов.

На станках с индукционным нагревом трубы гнут с наружным

диаметром

108—465

мм, с толщиной стенки до 20 мм.

В процессе гибки труб поверхностей нагрева и трубопрово-

дов происходит утонение стенки трубы и труба приобретает

дополнительную овальность. В то же время круглая цилиндри-

ческая труба превращается в тор. При одинаковой толщине

стенки тор правильной формы может выдержать большее внут-

реннее давление, чем цилиндр. Следовательно, изменения формы

трубы при гибке могут привести как к снижению прочности

из-за утонения стенки, так и к упрочнению из-за приближения

формы гиба к тору.

При расчете на прочность по нормам [140] утонение стенки

трубы в гибе частично компенсируется добавкой С\ к расчетной

толщине стенки. Утонение стенки трубы при гибке может быть

определено по приближенной формуле

As = sD

/R,

где R — средний радиус гиба (по нейтральной линии). Добавка

С\ выбирается в зависимости от относительного радиуса R/D

Как правило, относительный радиус гиба равен или больше 1,9.

Относительное утонение стенки в гибах оценивается по фор-

муле

b =

s-s

10Q

где 5 — номинальная толщина стенки прямой трубы;

„„

—

минимальная толщина стенки трубы в. месте гиба на растянутой

стороне.

Допускаемое утонение стенки трубы элемента котла в гибе

зависит от относительного радиуса. При относительном радиусе

от 1,9 до 2,5 допускается утонение на 20%; свыше 2,5 — не

менее чем на

3,5—15%;

при относительном радиусе 3,5 и выше —

не менее чем на 10%.

Овальность в гибе определяется по формуле

2(В

ма

кс--/)мнн)

100

о/

*-s

макс

и мин

где

MaKC

DMHH—

наибольший и наименьший наружные диамет-

ры трубы в месте гиба, измеренные в одном и том же контроль-

ном сечении.

Овальность в гибах труб поверхностей нагрева при относи-

тельном радиусе свыше 2,5 не должна превышать 10%; при

относительном радиусе 2,5 и менее допускается овальность

до 12%. На гибах соединительных труб и трубопроводов

в пределах котла допускается овальность до 8% независимо

от относительного радиуса.

Овальность в гибах станционных трубопроводов, изготовлен-

ных штамповкой и сваркой из двух половин, не должна превы-

шать 3,5%.

Как правило, овальность труб в гибе тем выше, чем более

тонкостенна труба и чем круче радиус тиба. Для снижения

овальности котлостроительные заводы в последние годы увели-

чивают относительные радиусы гибов труб.

3.13. Штамповка днищ, вальцовка и штамповка обечаек

Днища барабанов изготавливаются штамповкой из листов.

Основные операции при изготовлении днищ: разметка й вырезка

заготовки, штамповка и механическая обработка.

Днища барабанов имеют форму полуэллипсоида с цилиндри-

ческим бортом, который приваривается в дальнейшем к обечай-

кам барабана. В центре днища может быть лазовое отверстие.

Обычно его размер составляет

420X320

мм.

Диаметр заготовки для штамповки днища, мм, выбирают

по формуле

= p(D

-s) + 2h-s.

Здесь р — полупериметр эллипса днища; Z)

— наружный

диаметр днища; 5 — толщина листа; h — высота борта.

Если в днище должно быть лазовое отверстие, то оно также

размечается под вырезку.

Заготовка под штамповку вырезается огневым способом:

либо вручную; либо полуавтоматическим секатором. Перед штам-

повкой заготовка нагревается в печи до 1050—1100° С. Штам-

повка производится с одного нагрева. Температура в конце

штамповки должна быть не ниже 880° С.

Перед насадкой заготовки в печь удаляют наплывы металла

и грат, оставшиеся после огневой резки, чтобы избежать порчи

поверхности днища и чрезмерных нагрузок при штамповке.

Штамповка днищ производится на гидравлических прессах.

Схематически процесс штамповки глухого днища представлен

на рис. 3.14. Пуансон, имеющий форму днища, укреплен в верх-

ней подвижной траверсе, медленно опускаясь вместе с травер-

сой, пуансон протягивает заготовку через матрицу. В нижнем

положении готовое днище снимается с пуансона специальным

Рис.

3.14.

Схема процесса штамповки глухого днища

барабана:

—

положение пресса перед штамповкой;

/У —

начало отборговки дни-

ща;

/// —

окончание отбортовки,

IV —

начало снятия готового днища

с пуансона;

V —

окончание снятия готового днища;

/ —

заготовка,

2 —

пуансоны,

3 —

протяжное кольцо,

4 —-

сбрасыватель

Рис.

3.15.

Схема гибки листов

обечайку

на

трехвал-

ковых

(а) и

четырехвалковых вальцах

(б)

приспособлением, называемым сбрасывателем. Пуансон подни-

мается

крайнее верхнее положение,

цикл повторяется.

Готовое днище извлекается из-под пресса краном

или

лебед-

кой. После остывания днище осматривают

измеряют. Допуски

на размеры должны удовлетворять требованиям

ОСТ 108.030.39-

«Барабаны сварные стационарных паровых котлов. Общие

технические условия»

(см. § 4.11).

Для изготовления цилиндрической части барабанов котлов

и сосудов, работающих

под

давлением, используются трехвал-

ковые

четырехвалковые листогибочные машины, которые часто

называют вальцами.

Схемы гибки листов

на

вальцах

тремя

четырьмя валками

показаны

на рис. 3.15.

Конец листа заводят между валками.

На трехвалковой машине гибка листа начинается опусканием

среднего валка;

на

четырехвалковой машине гибку начинают

подъемом крайних валков. Затем приводится

во

вращение сред-

ний валок,

и под

действием силы трения, возникающей между

валком

прижатым

нему листом, последний начинает пере-

мещаться

изгибаться.

четырехвалковых вальцов перемеще-

ние листа осуществляется вращением среднего верхнего валка.

Гибку обычно осуществляют

за

несколько последовательных

проходов листа между валками. После каждого прохода кривиз-

на листа увеличивается (радиус кривизны уменьшается), так

как перемещаются поджимающие валки. Получается замкнутая

цилиндрическая обечайка или полуобечайка. Полуобечайки

сваривают в обечайки продольными сварными швами!

В зависимости от толщины листа, требуемого радиуса

кривизны обечайки и материала листа гибку осуществляют

в холодном или горячем состоянии. При гибке листа в холодном

состоянии относительное удлинение по растянутому при гибке

волокну не должно превышать 5%, т. е. минимальный допу-

скаемый внутренний диаметр не должен превышать 40 s, где

— толщина листа, мм. При меньшем внутреннем диаметре

лист из углеродистой стали нагревают до 1000° С; вальцовка

должна заканчиваться при температуре не ниже 700° С.

Трехвальцовые вальцы проще по конструкции, но на них

нельзя полностью свальцевать край листа — остаются прямые

участки. Для их подгибки применяются форсзагибочные прессы,

либо обрезают прямые участки. Припуск на прямой участок

идет в отход. При гибке на четырехвалковых вальцах гнут

и кромку листа, отхода нет.

Полуобечайки можно получать также штамповкой на гидрав-

лических прессах. Точность изготовления обечаек обычно состав-

ляет более ±1% от наружного диаметра (но не более 20 мм).

Гибку на вальцах проводят при толщине листа до 50 мм, при

большей толщине штампуют полуобечайки на прессах.

Глава четвертая

ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛА

КОТЛОВ И ТРУБОПРОВОДОВ В ПРОЦЕССЕ

ЭКСПЛУАТАЦИИ

4.1. Трубопроводы тепловых электростанций

Трубопроводы современных тепловых электростанций пред-

ставляют собой сложную пространственную систему, состоящую

из прямых труб, гибов (отводов, колен), тройников, конических

переходов, компенсаторов и др. фитингов, опор, подвесок, за-

порной, регулирующей и предохранительной арматуры. Трубо-

проводы подвержены комбинированному воздействию внутрен-

него давления, компенсационных напряжений от температурных

расширений, нагрузок от собственного веса труб, арматуры,

а также тепловой изоляции. На них воздействуют стационарные

нагрузки при базовых режимах работы блока и переменные при

изменениях нагрузки, пусках и остановах. Трубопроводы под-

вержены вибрациям, возбуждаемым пульсацией расхода воды