Какая толщина стали в твердотопливном котле должна быть? Какую марку стали используют производители?

Многие производители говорят о том, что они используют жаростойкую сталь в своих котлах. Однако, тут нужно ещё разобраться, что они имеют под этим в виду. Поскольку такое заявление является больше маркетинговым ходом, чтобы привлечь внимание покупателя!

Как правило, в твердотопливных котлах используется сталь марки 09Г2С, которая используется в промышленности для производства труб и другого металлопроката. Фактически, она является конструкционной и вполне пригодна для использования в твердотопливных котлах, поскольку рассчитана на работу в широком диапазоне температур – от -70 до +425 градусов, что для котла является нормальным. Эта марка стали так же прописана и в ГОСТе в качестве рекомендованной для производства котлов, работающих в системах отопления, но не в коем случае, не для паровых котлов!

Но многие из Вас могут заметить несостыковку в том, что в зоне горения может достигаться гораздо большая температура, в 600 градусов и более. Да, это так, однако стоит помнить, что в котле залит теплоноситель, который забирает на себя часть температуры из этой зоны, а поскольку теплоемкость воды намного больше, чем у топочных газов — металл просто не будет успевать нагреваться до такой высокой температуры.

Но тут есть одно но — если котел не завоздушен! Ведь если на каком-то участке котла есть воздушная пробка (может быть связана с неправильной конструкцией), то в этом месте температура металла будет достигать более 425 градусов. Это значит, что при длительном использовании, металл в этом месте быстро истончится и может прогореть за 2-3 сезона эксплуатации!
Подробнее о том, почему текут котлы, читайте другую нашу статью, в которой рассмотрен этот момент более детальнее.

Также некоторые неопытные котлостроители, особенно, самоделкины, или хитрецы, которые хотят сэкономить, используют марку стали ст3(сп/пс), что, вроде бы, тоже допустимо, поскольку такая сталь имеет температурный диапазон от — 40 до + 400 градусов. В промышленности, такая сталь используется, в основном для металлоконструкций.
Если сравнивать эту сталь с 09Г2С, то у марки ст3 — химические и физические свойства будут на порядок хуже. Именно из-за того, что в твердотопливных котлах имеются перепады температуры, агрессивные условия работы – в виде конденсата, и смол, рекомендовано применять сталь марки 09Г2С или выше.
Что касается стоимости этих двух марок, то стоимость листовой стали марки ст3 – обходится в районе 17500 грн за тонну, а вот 09Г2С – около 22500 грн. (июнь 2020 г.)

Поэтому, при выборе котла не стоит гнаться за низкой ценой, поскольку как показывает практика, если стоимость котла низкая, значит на чем-то сэкономили!

Некоторые производители заявляют о том, что они используют котловую сталь 15Х1М1Ф. Давайте разберемся, насколько это правда и есть ли вообще смысл в использовании этой стали?
Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим на то, сколько же эта сталь стоит. Оказывается, что трубы из этой марки стали имеют стоимость, как минимум 93000 грн/тонна, а что касается стального листа, он будет стоить в пределах 75000 грн/тонна. Разница в цене очевидна, более чем в 3 раза — 22500 грн/тонна (09Г2С) и 75000 грн/тонна (15Х1М1Ф).

А теперь давайте задумаемся о том, как при таком различии цены на металл, 2 котла, производитель одного из которых, говорит что использует сталь 09Г2С, а другой говорит об использовании стали 15Х1М1Ф, могут стоить одинаково? Ответ – никак! Второй попросту обманывает!

Стоит ли вообще использовать эту мурку стали для производства водяных(не паровых) котлов?
Мы ответим так — если котел спроектирован и сварен правильно, без различных участков, где может скапливаться воздух, то необходимости в использовании такой дорогостоящей стали, как 15Х1М1Ф, попросту нет! Вполне достаточно будет марки 09Г2С.

А теперь, давайте разберемся с тем, какая толщина стали наиболее предпочтительная в твердотопливном котле.
Здесь можно подходить к этому вопросу с двух сторон. С точки зрения теплообмена и с точки зрения долговечности котла и режимов его эксплуатации.
Что касается теплообмена, то тут однозначно можно сказать так – чем тоньше стенки котла, тем больше тепла будет передаваться теплоносителю и, соответственно, в систему отопления. А чем стенка котла толще, тем хуже будет теплопередача и тем меньше тепла будет попадать в систему отопления.
Но вот вторая точка зрения, говорит нам о том, что в котле будут агрессивные условия, самым жестким из которых является конденсат, а это, как уже мы писали в других статьях, растворы слабых кислот. Какими бы они слабыми не были, они нещадно разрушают теплообменник котла.

Также нужно не забывать о том, что котел будет находиться под давлением и если мы сделаем котел, к примеру из 2 мм, то наш котел раздует как шарик. А возможно и вообще порвет, все зависит от давления.
Поэтому котел из 2 мм, точно делать не вариант. Хотя наша компания, сделала пару лабораторных образцов из 2 мм. Но это было сделано исключительно в экспериментальных целях — не для продажи!

Бытует мнение, что толщина металла котла должна быть минимум 4 мм. С одной стороны, это вполне правильное мнение, которое подойдет большинству. Однако, также допустимо использовать сталь и 3 мм. Котлы из 3 мм относятся к бюджетным котлам.

Если Вы решили взять себе котел из стали 3 мм, то Вам, нужно заморочиться с тем, чтобы высота дымохода соответствовала СНИПу, читайте подробнее тут, а также нужно предпринять ряд мер по уменьшению конденсата в котле, читайте об этом в этой статье. Хотя этот комплекс мер, должен обязательно быть применен к любому котлу, даже из стали 5 и 6 мм.

Только выполнив 2 этих условия, Вы будете долго пользоваться котлом, из какой бы стали он ни был, и никогда не столкнетесь с проблемами конденсата и неустойчивой работы.

«Котловая» сталь: СЕКРЕТЫ 09Г2С

Когда вы выбираете себе костюм или пальто, то, в первую очередь, смотрите, из какой ткани это сшито. Хорошая, качественная ткань – залог того, что вещь прослужит вам долго.

Вы не поверите, но с котлами происходит то же самое. Чем качественнее, «правильнее» сталь, из которой сварен котёл, тем дольше он будет дарить вам тепло, тем меньше проблем будет во время его эксплуатации.

При изготовлении котлов » Буржуй-К » используется только высококачественная низколегированная сталь марки 09Г2С от ведущих российских производителей – НЛМК и «Северсталь».

Чем же так хороша эта сталь?

Сталь 09Г2С – очень востребованная, используется во многих отраслях промышленности. Существуют отечественные и зарубежные аналоги этого вида. Наиболее часто используется для изготовления труб, металлопроката и сварных металлоконструкций, температурный диапазон использования которых от -70 до 425°С.

09Г2С: расшифровка

09 – количественная доля содержания углерода в сплаве (0,09%);

Г2 – это марганец и его часть во всем объеме колеблется в районе 2% (точная цифра колеблется от 1,3 до 2%);

С — обозначает кремний, отсутствие цифр после символа говорит о том, что его менее 1%.

Кроме углерода, кремния и марганца, сталь дополняют такие элементы, как никель, сера, фосфор, хром, азот, медь, прочее. Процентная составляющая легирующих металлов не более 1-2 суммарных %.

Свойства стали 09Г2С во многом определяются химическим составом сплава, его специфическими параметрами, которые сегодня точно просчитываются металлургами.

Широкий температурный диапазон позволяет применять материал там, где происходят сильные деформации за длительный эксплуатационный срок (например, в твердотопливных котлах ). При этом граничная температура -70 градусов способствует применению изделий из стали 09Г2С в суровых климатических условиях.

Повышенная технологическая пластичность позволяет применять сталь 09Г2С для листовой штамповки деталей достаточно сложной конфигурации, что является преимуществом перед другими высокопрочными сталями. Чаще всего прокат из данной марки стали используется для разнообразных конструкций благодаря высокой механической прочности, что позволяет использовать более тонкие элементы, чем при использовании других сталей.

Сталь 09Г2С применяется для производства паровых котлов, а также оборудования, используемого в сельскохозяйственном комплексе.

Сравнение с другой маркой стали

Например, для 09Г2С и СТ3 разница определяется прежде всего содержанием углерода. Для СТ3 оно в 10-20 раз превосходит то, что имеется в сплаве низколегированной марки.

СТ3 относится к углеродистым сплавам. Эта марка стали отличается высокой хрупкостью, быстрым разрушением при низких температурах. Если 09Г2С имеет нижний предел -70°, то СТ3 всего -20°.

Качество СТ3 – обыкновенное, что говорит о вероятно высоком присутствии серы и фосфора. Тогда как 09Г2С – высококачественная, и стоимость этой марки стали значительно выше, чем цена СТ3.

Выбирая твердотопливный котёл, обратите особое внимание на то, из какой стали он изготовлен. Добросовестный производитель (такой, как ТЕПЛОГАРАНТ ) всегда готов предъявить сертификаты на сталь:

Если аналогичный котёл стоит ощутимо дешевле, стоит задуматься, из какой дешёвой стали его сделали и как долго он вам прослужит?

Какая сталь используется для изготовления котлов

МАТЕРИАЛ ДЛЯ КОТЛОВ

Как было указано ранее, паровые котлы с давлением до 0,7 атм и водогрейные с температурой нагреваемой воды до 115° могут изготовляться из чугуна или стали любых марок. Правила, выпускаемые Государственной инспекцией по котлонадзору Министерства электростанций СССР и обязательные для всех министерств и ведомств, исключают из рассмотрения эти котлы. Однако с целью обеспечения долговечности котлов и безаварийности их работы нужно и в отношении изготовления этой группы котлов выставить какие-то, хотя бы минимальные, требования.

Котлонадзором Министерства коммунального хозяйства РСФСР изданы правила, относящиеся к паровым котлам с давлением до 0,7 ати и водогрейным при нагревании воды до 115°.

К материалам, расходуемым для изготовления котлов низкого давления, предъявляются следующие требования.

Чугун может применяться не ниже марок СЧ 15-32.

Рабочее давление котла допускается равным половине пробного гидравлического давления, на которое он испытывается при выпуске с завода. Последнее должно находиться в пределах 6— 10 ати для водогрейных котлов и 3 ати— для паровых.

Для изготовления стальных котлов может применяться углеродистая сталь любых марок.

Для частей котла, находящихся в пределах топки, например, для жаровых труб, требуется углеродистая сталь по качеству не ниже марок МСт. 2 и МСт. 3.

Трубы, являющиеся поверхностями нагрева котлов, допускаются только цельнотянутые.

При постановке труб на сварке без применения вальцовки допускаются трубы, сваренные внахлестку.

К выполнению сварочных работ допускаются сварщики, прошедшие испытания и допущенные к ответственным сварочным работам. Расчетный предел прочности металла принимается равным минимальной величине предела прочности для стали принятой марки. Если отсутствуют сведения о марке стали или ее механических свойствах, то расчетный предел прочности на разрыв принимается равным 32 кг/мм2.

Пробное гидравлическое давление для стальных паровых котлов — 3 атм, для стальных водогрейных — рабочее давление плюс 3 атм, но не менее 6 атм.

При изготовлении котла при помощи клепки накладки швов и заклепки должны быть примерно такого же качества, что и основной листовой материал.

Выбирая тот или иной тип шва и зная, какое последний дает ослабление листа, конструктор совершенно точно, базируясь на величинах временного сопротивления на разрыв и задаваясь соответствующим коэффициентом надежности, может рассчитать котел. В дальнейшем плотность выполненных заклепочных соединений проверяется гидравлической пробой.

Несколько сложнее получить гарантии в запасе прочности при изготовлении котлов при помощи сварки. Сварочный шов в отличие от шва клепаного состоит не только из материала прокатанного (получившего на отрезанных от листов образцах характеристику своего качества), но и из материала литого, причем самое литье производится сварщиком в процессе изготовления шва. Качество этого литого материала сильно зависит от исходного электродного металла (обычно применяется электродуговая сварка), от умения и добросовестности сварщика, от электрооборудования и т. п. Проверить качество, таким образом, наплавленного литого металла весьма затруднительно, так как даже при частичном разрушении шва, вырезая соответствующие пробы, не будет гарантии, что рядом расположенный шов имеет такие же качественные показатели. Получить же высококачественный сварной шов представляет существенный интерес. Конструкция шва по 244 при качестве литого материала, не выходящем из пределов, допускаемых для основного листового материала, позволяет довести степень ослабления, вносимого швом, до единицы и, таким образом, получить максимальную экономию металла. Стенки барабана при этом будут напряжены одинаково как в пределах шва, так и в целом месте. В котле с клепаными швами толщина стенки берется, исходя из напряжений металла в продольном шве, ослабленном заклепочными отверстиями, и поэтому напряжения в целом месте всегда несколько снижены, вследствие чего перерасходуется материал.

В настоящее время проработаны правила по применению сварки при изготовлении паровых котлов с давлением выше 0,7 ати, Согласно этим правилам электродная проволока и наплавленный металл (то и другое в отдельности) должны быть подвергнуты испытаниям на разрыв и относительное удлинение, а также на ударную вязкость.

Временное сопротивление на разрыв в образцах наплавленного металла должно быть не менее нижнего предела на разрыв для основного металла (свариваемых листов), относительное удлинение— не менее 18%. При испытании на ударную вязкость последняя должна быть не менее 8 кгм/см2.

Подобные требования, предъявляемые к сварному шву, позволяют при расчете сварных изделий принимать для стыковых швов типа, показанного на 244, коэффициент ослабления шва равным ср =0,95.

Высокие качества сварного шва могут быть достигнуты только при правильной организации технологического процесса изготовления сварного котла на заводе с наличием штата высококвалифицированных сварщиков, при пользовании электродами с особой толстой обмазкой, предохраняющей литой металл от вредного воздействия воздуха.

Проверить качество сварного шва в выполненном изделии затруднительно. Наиболее опасным пороком является непровар — пустоты, скрытые внутри шва. Чтобы гарантировать полную надежность шва в таком ответственном сооружении, каким является паровой котел, предусматривается просвечивание части швов при помощи рентгеноаппарата или лучами радиоактивных веществ.

Какая сталь используется для изготовления котлов

Паровой котел работает под значительным давлением, поэтому является весьма ответственным агрегатом и должен обеспечивать надежность в работе.

Чем выше рабочее давление и температура, при которой работает котел, тем в более тяжелых условиях находится металл, из которого изготовлен котел.

Основные требования к металлу котлов:
1) высокая теплоустойчивость — способность металла сохранять прочность в условиях высокой температуры и больших напряжений;
2) высокая вязкость — способность металла сохранять свои механические свойства при меняющихся или повторных нагрузках;
3) пониженная склонность к старению — способность металла сохранять свои механические свойства в течение длительного времени;
4) устойчивость металла против коррозии — под воздействием воды и пара;
5) стабильность структуры — устойчивость металла против структурных изменений, снижающих его механические свойства;
6) плотность, однородность строения металла, отсутствие в нем внутренних дефектов: плен, трещин и посторонних включений.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Поэтому элементы котла, находящиеся под давлением, изготовляются исключительно из стали (ГОСТ 5520—62). Эта сталь, кроме высоких требований относительно ее химического состава, подвергается более тщательному контролю и дополнительным испытаниям на ударную вязкость и чувствительность к старению.

Листовая сталь марок Ст. 2 и Ст. 3 предназначена для котлов и сосудов, работающих при температуре не выше 120°С. Для котлов, работающих при более высоких температурах, применяется сталь марок 15К и 20К.

Детали котла, не находящиеся непосредственно под давлением, могут изготовляться из углеродистых сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380—60) или качественной конструкционной углеродистой стали (ГОСТ В 1050-60).

Котельные трубы — пароперегревательные, кипятильные, дымогарные и жаровые — изготовляются из стали марки 10 (ГОСТ 8733—58-и 8731—58). Все трубы подвергаются гидравлическим испытаниям, а также технологическим пробам на сплющивание и раздачу. Для дымогарных труб испытание на раздачу может быть заменено на бортование.

Электросварные трубы, изготовляемые в соответствии с ГОСТ 1753—53 и дополнительными к нему техническими условиями № 14—32,. находят все более широкое применение в котлостроении. Раньше части котла соединялись исключительно посредством заклепок. Клепка являлась основной и весьма ответственной операцией в котельных работах. В настоящее время трудоемкие клепальные работы сохранились лишь при ремонте старых котлов клепаной конструкции. Вновь строящиеся котлы изготовляются сварной конструкции, в которых все элементы соединяются электросваркой.

Электродуговая сварка элементов металлическим электродом (метод Славянова) представляет собой процесс последовательного местного расплавления кромок основного металла электрической дугой, возникающей между электродом и основным металлом. Температура, возникающая в результате образования электрической дуги, достигает 5500 °С.

Электродуговая сварка может производиться электродами трех видов: – простыми электродами — стальная проволока; – тонкообмазанными — электроды, покрытые тонким слоем мела, чем достигается устойчивость дуги; – электродами с толстой обмазкой — обмазкой сложного состава, содержащей шлакообразующие, раскисляющие, легирующие и другие компоненты, повышающие механические свойства наплавленного металла и качество сварного соединения в целом.

За последнее десятилетие широкое распространение получила автоматическая сварка под слоем флюса по методу акад. Патона, обеспечивающая высокое качество сварного шва и наибольшую производительность при выполнении сварочных работ. Сущность процессов сварки под слоем флюса заключается в том, что электрическая дуга непрерывно горит под толстым слоем порошкообразного флюса. Благодаря этому свариваемый металл защищен от окисления кислородом окружающего воздуха, процесс расплавления электрода и основного металла происходит равномернее, сварной шов получается ровным, плотным и однородным с хорошим проваром по всей глубине шва. Непрерывность ведения сварки под слоем флюса осуществляется при помощи специального приспособления, в котором изделия и электроды автоматически непрерывно перемещаются относительно друг друга, при этом происходит непрерывная подача электрода по мере его расплавления и слой флюса автоматически создается впереди движущегося электрода.

Для получения сварного соединения высокого качества свариваемые детали должны быть соответственно подготовлены: очищены от ржавчины и масла (до металлического блеска), кромки деталей соответствующим образом разделаны. Подготовка кромки под сварку производится согласно чертежам и зависит от характера соединения и толщины свариваемых элементов.

На рис. 24 и 25 представлены основные типы сварных соединений котла крана ПК-ЦУМЗ-15.

Одним из основных моментов, задержавших применение сварки в ответственных изделиях, какими являются паровые котлы, долгое время были затруднения в контроле качества сварного соединения.

Рис. 24. Примеры электросварных стыковых соединений: а —соединение огневой решетки с барабаном топки; б —соединение дымовой решетки с наружным барабаном котла; 1— огневая решетка; 2 — барабан топки; 3 —дымовая решетка; 4 — наружный барабан котла

Рис. 25. Соединение грязевого и шуровочного колец с барабаном топки и наружным барабаном котла:
1—наружный барабан котла; 2 —барабан топки; 3—грязевое кольцо; 4 —-шуро-вочное кольцо; 5—предохранительный лист шуровочного кольца; 6 — лапа котла

В результате несовершенства способов контроля не было достаточной гарантии в том, что внутри сварного шва отсутствуют такие пороки, как пористость, газовые раковины, посторонние включения и малозаметные трещины, снижающие прочность соединения. По мере совершенствования технологии производства сварочных работ и методов контроля область применения сварки все более расширяется, в том числе и в котлостроении, но при этом следует иметь в виду, что ответственную сварку производят лишь сварщики, получившие на это разрешение после сдачи проб; пробы периодически повторяются.

Контроль сварного соединения заключается в следующем: – проверяют исходные материалы: исходный металл, подлежащий сварке, металл электрода, состав обмазки и флюса; – проводят испытания специальных контрольных образцов на растяжение и определение ударной вязкости; – анализируют химический состав наплавленного металла; – производят рентгеновские снимки, отражающие все внутренние пороки шва; – гидравлически испытывают сваренные изделия, работающие под давлением; – сварочный шов осматривают снаружи.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа. Марка котловая сталь

Ꙭ Металлы котельных агрегатов — сталь и чугун — ikotel.info

Основными металлами, применяемыми для изготовления котельных агрегатов, являются сталь и чугун.

Сталь применяют как относительно дешевую — углеродистую, так и более дорогую — легированную, т. е. такую, в которую для улучшения механических и физико-химических свойств добавлены в некотором количестве другие металлы. Различают низколегированную сталь, в которой присадки содержатся в незначительном количестве, не превышающем 0,5-1,0 %, и высоколегированную, в которую добавляется значительно большее количество присадок. Низколегированная котельная сталь принадлежит к классу перлитной, а высоколегированная — к классу аустенитной стали.

Углеродистая сталь широко применяется в котлостроении. Содержание углерода в этой стали не должно превышать 0,3 % во избежание ухудшения качества сварных соединений из-за воздушной закалки при сварке. Содержание серы и фосфора не должно превышать 0,045 % для каждого из этих элементов. Предельная температура, при которой углеродистая сталь может длительно и надежно работать, составляет 500 °С; превышение ее приводит к резкой интенсификации окалинообразования на металле.

Легирование котельной стали имеет назначение повысить ее прочность и окалиностойкость при высокой температуре. В качестве легирующих присадок применяют хром, молибден, никель, ванадий, титан, вольфрам, ниобий, марганец и бор, которые вводятся в различных комбинациях. Хром вводят в сталь для повышения ее жаростойкости, т. е. способности противостоять коррозии (образованию окалины) при высокой температуре; наличие в стали 12—14 % хрома делает ее нержавеющей. Молибден добавляют для повышения жаропрочности, т. е. для повышения предела прочности и предела текучести стали при высокой температуре, а также для улучшения ее технологических свойств (свариваемости) и упрощения термической обработки. Никель повышает вязкость стали, ее жаропрочность и сопротивляемость старению. Для повышения сопротивляемости ползучести, т. е. снижения предела текучести стали в результате длительной работы ее при высокой температуре, к низколегированной хромомолибденовой стали добавляют ванадий и ниобий, а к высоколегированной стали — титан и вольфрам. Наличие марганца в стали в пределах 0,3-0,8 % определяется технологическими требованиями процесса выплавки, а повышение содержания марганца в стали до 0,9-1,5 % преследует цель повысить ее прочность. Легирующие элементы в марках стали обозначают буквами русского алфавита: Б — ниобий; В — вольфрам; Г — марганец М — молибден; Н — никель; Р — бор; С — кремний; Т — титан; Ф — ванадий; X — хром.

В обозначении марок высоколегированной стали за буквами ставят цифры, которые означают содержание этих элементов в стали в процентах. Цифры перед буквенным обозначением указывают содержание углерода в стали в сотых долях процента для низколегированной стали и десятых долях процента для высоколегированной стали. Если при этом в высоколегированной стали количество углерода не ограничено нижним пределом при верхнем пределе 0,09 % и выше, цифры перед буквенным обозначением не ставят.

Среди большого числа различных марок высоколегированной стали в котлостроении применяют только сталь жаропрочную, т. е. предназначенную для работы в нагруженном состоянии при высокой температуре в течение длительного времени и обладающую достаточной окалиностойкостью.

Для изготовления котлов применяют сталь в виде листов, труб, поковок, литья, крепежных материалов (для фланцевых соединений), электродов и сварочной проволоки. Качество стали, употребляемой для этих целей, точно регламентировано «Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов» Госгортехнадзора.

Характеристики марок стали, применяемых для изготовления барабанов и поковок для котлов, приведены в табл. 1, а для изготовления трубных систем и соединительных трубопроводов — в табл. 2.

Следует различать требования, предъявляемые к стали, применяемой для изготовления барабанов, и к стали для изготовления трубных систем поверхностей нагрева, коллекторов и соединительных трубопроводов. Выбор марки стали для изготовления барабанов котлов определяется стремлением получить барабан с возможно более тонкими стенками, т. е. более легкий, путем применения более прочной стали. Для трубных систем поверхностей нагрева, коллекторов и трубопроводов выбор марки стали определяется в первую очередь температурой, которую будет иметь стенка трубы во время работы котельного агрегата.

Для изготовления барабанов котлов по требованию «Правил» Госгортехнадзора применяют листовую сталь и поковки, полученные мартеновским способом или в электрических печах. Корпуса цилиндрических котлов, работающих при давлении до 9 aт, изготовляют из углеродистой стали марки Ст. 3 сп. Барабаны котлов с толщиной стенки до 60 мм изготовляют из углеродистой стали марок 15К и 20К. Для изготовления барабанов на давление 40—100 ат применяют сталь марки 22К с несколько повышенным содержанием марганца. Барабаны на давление от 100 ат и выше изготовляют из низколегированной стали марки 16ГНМ. Стали марок 16ГС, 09Г2С и 10Г2С1 являются относительно новыми сталями котлостроения.

Выбор материала котлов

Глава 6. МАТЕРИАЛЫ И ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

Надежность работы судового парового котла должна быть обеспечена на стадии проектирования. Известно, что его авария приводит не только к потере судном хода, снижению вы­работки электроэнергии, но и к созданию опасных для обслужи­вающего персонала условий, вызванных заполнением машинного отделения горячими газами и паром. Убытки, связанные с ава­рией котла, намного превышают его стоимость. Поэтому при проектировании котлов выполняют расчеты прочности теплонапряженных деталей и узлов.

Основой для расчетов является наука о прочности – сопро­тивление материалов. Под действием внешних сил детали котла изменяют свою форму – деформируются. В материале при де­формациях возникают внутренние упругие силы, действующие между частицами и оказывающие сопротивление внешним на­грузкам, то есть проявляется напряженное состояние материала. Интенсивность внутренних упругих сил называют напряжением. Прочность деталей котла зависит от величины возникающих при деформациях напряжений, а также от внешних условий: темпера­турного режима; наличия коррозионно-активных сред (воды, пара, продуктов сгорания топлива); повторных, иногда знако­переменных нагрузок, возникающих при пусках, остановках и изменениях паропроизводительности котлов; вибрационных на­грузок из-за пульсации горения и некоторых режимов движения пароводяной смеси в трубах.

Надежность котла в значительной степени определяется на­дежностью тех его деталей, которые находятся под действием внутреннего давления. Поэтому Правилами Регистра СССР рег­ламентируется рассчитывать прочность именно этих элементов котла: коллекторов, днищ, донышек, труб поверхностей нагрева.

Регистром СССР определены марки, химический состав, харак­теристики прочности и пластичности сталей, из которых можно изготовлять детали судовых котлов.

К характеристикам прочности и пластичности сталей отно­сятся: предел прочности , предел текучести , относительное удлинение , относительное сужение , ударная вязкость . Все эти характеристики для каждой марки стали существенно зави­сят от температуры. Например, для углеродистой стали (Рис. 6.1) увеличение температуры свыше 350–400°С приводит к рез­кому снижению и . Экспериментально установлено, что ха­рактеристики прочности углеродной стали при > 350°С не только снижаются, но и оказываются нестабильными. Они уменьшаются с увеличением времени выдержки под нагрузкой (Рис. 6.2). Потеря прочности в этом случае связана с накопле­нием внутренних микроскопических трещин в металле, или его ползучестью. Характеристикой процесса ползучести служит от­носительная скорость ползучести металла. В качестве крите­риев, определяющих прочность стали при высоких температурах и напряжении, применяют предел ползучести и предел дли­тельной прочности .

Пределом ползучести называют напряжение, при котором скорость ползучести равна заданной. Для деталей котла ско­рость ползучести не превышает 2,75∙10 –11 c –1 , что соответствует деформации в 1% за 10 5 ч эксплуатации.

Пределом длительной прочности называют напряжение, ко­торое при данной температуре приводит металл к разрушению через определенный промежуток времени.

Так как на возникающие в деталях котла напряжения влияют главным образом внешняя нагрузка и температурный режим, то определяющим условием для выбора материалов служат пара­метры производимого котлом пара – давление и температура.

Другие факторы, также влияющие на выбор материала, лишь дополняют требования, которым должно удовлетворять качество материала, используемого для отдельных элементов котла. К та­ким дополнительным свойствам, характеризующим качество ко­тельных сталей, относятся жаропрочность, выносливость, жаро­стойкость, коррозионная стойкость, склонность стали к релак­сации напряжений и структурным изменениям при длительной эксплуатации в условиях высоких температур и внешних нагру­зок, свариваемость.

Жаропрочность стали характеризуется величиной предела длительной прочности при заданной температуре; выносли­вость, или стойкость стали к разрушению под действием много­кратных повторных нагружений, – пределом усталости . Уста­лость металла связана с образованием в нем микротрещин и, как следствие, хрупким разрушением детали при напряжениях, значительно меньших предела прочности или даже предела текучести. Обычно . При высоких температурах под воздействием продуктов сгорания может возникнуть процесс газовой коррозии стали, или окалинообразование.

Жаростойкость – это способность стали противостоять окис­лению в высокотемпературной газовой среде. Количественно она выражается температурой начала интенсивного окисления ста­ли – температурой окалинообразования. Например, для углеро­дистой стали эта температура составляет 500°С.

Материалы, применяемые в котлостроении, должны обладать высокой коррозионной стойкостью как в газовой и паровой сре­дах, так и в котловой воде. Оценка этого качества материала определяется скоростью коррозии, измеряемой в миллиметрах за год (мм/год).

При длительном воздействии высоких температур в метал­лах возможна релаксация напряжений, то есть самопроизвольное падение во времени напряжения деформированного металла в результате перехода упругой деформации в пластическую. Стали, склонные к релаксации, для изготовления котлов не при­меняют, так как релаксация приводит к потере прочности и плотности вальцовочных соединений труб в стенках коллек­торов.

Длительная эксплуатация стали при высоких температурах может вызвать в ней существенные структурные изменения: сфероидизацию и графитизацию, способствующие разупрочне­нию стали. Сфероидизация связана с изменением формы зерен перлита (пластинчатый перлит в структуре стали принимает сферическую форму), графитизация – с распадом карбидов на металл и графит. Стали, подверженные разупрочнению при вы­соких температурах, не рекомендуется использовать для тепло-напряженных деталей котла.

Технологией изготовления котлов предусмотрено широкое применение сварки, поэтому свариваемость сталей является важ­нейшим их свойством. Под свариваемостью понимают способ­ность стали образовывать такие сварные соединения, которые по механическим свойствам не уступают основному металлу.

Марку материала для изготовления деталей и узлов котла выбирают путем анализа всех его свойств. Основные материалы, применяемые в котлостроении, – углеродистая и легированные стали. Углеродистая сталь используется для деталей котла, ра­ботающих при температурах до 450°С. Трубы парообразующей, экономайзерной и воздухоподогревательной поверхностей нагре­ва котлов с давлением пара меньше 4,5 МПа изготовляют из стали марок 10 и 20, а коллекторы – из качественной углероди­стой стали марок 15К, 20К, 25К, обладающей повышенными по­казателями прочности и хорошей свариваемостью. Трубы кот­лов высокого давления (> 4,5 МПа) выполняют из сталей по­вышенного качества 20П, 20ПВ, 20ВД.

При температурах выше 450°С применяют низколегирован­ные стали перлитного класса, содержащие не более 3–4% легирующих элементов (хром, никель, молибден, вольфрам, ва­надий и др.). Так, добавка хрома увеличивает жаростойкость, придает устойчивость карбидам, введение молибдена повышает жаропрочность, а ванадия – жаростойкость. Небольшое содер­жание углерода в стали обеспечивает ее высокую пластичность, допускает применение холодной гибки, вальцовки. Эти стали обладают хорошей свариваемостью. Их применяют до значений температуры 560–570°С.

Для котлов с давлением пара > 4,5 МПа коллекторы изго­товляют из низколегированной стали 15 ХМ (1% Сг; 0,5% Мо), 12Х 1МФ (1% Сг; 0,5% Мо; 0,3% V). Стоимость труб из хро-момолибденовых сталей в 1,5–2 раза выше, чем из углеро­дистых.

Трубы пароперегревателей котлов с температурой перегре­того пара 510–520°С, а также их крепления в газоходах изго­товляют из высоколегированных сталей аустенитного класса ма­рок ОХ18Н10Т, ОХ18Н12Т. Эти стали обладают высокой жаро­прочностью, жаро- и коррозионной стойкостью, пластичностью, хорошей свариваемостью. Однако они склонны к коррозионному растрескиванию, если при напряжениях растяжения сталь нахо­дится в контакте с водой, содержащей ионы хлора и кислорода. Кроме того, аустенитные стали чувствительны к наклепу, обла­дают низкой деформационной способностью в зоне сварных соединений. Стоимость их в пять раз выше углеродистых.

Элементы каркаса и обшивки, работающие в зоне низких температур в воздушной среде, изготовляют из низкоуглеродистых сталей марок Ст2, СтЗ, Ст4 (ГОСТ 380–71), при темпера­туре среды до 425°С применяют стали марок 30, 35, 40, при более высоких температурах – легированные стали 1X13, Х20Н14С2. Влияние параметров пара и других факторов на раз­личные конструктивные узлы котла не одинаково. Поэтому для постройки котла применяют разные материалы с таким расче­том, чтобы при обеспечении высокой надежности, долговечности и требуемых массогабаритных показателей его стоимость была минимальной.

Металл котлов

Металл паровых котлов работает в очень тяжелых условиях, так как на него воздействуют давление и температуры воды и пара (пароводяной смеси), собственный вес обмуровки и неравномерного расширения деталей котельного агрегата.

Толщину стенки барабанов, коллекторов и труб, размеры деталей каркаса и т.п. определяют в зависимости от величины суммарной нагрузки и требуемого запаса прочности, обеспечивающего длительную работоспособность деталей. Кроме прочности, металл должен обладать пластичностью (отсутствие хрупкости), противостоять коррозии и иметь хорошую свариваемость. Поэтому для производства деталей котельных агрегатов (особенно тех, что работают под давлением) применяют высококачественные сорта сталей.

Во всех сортах котельной стали содержится небольшое, строго ограниченное количество углерода, марганца и кремния, а также не полностью выведенные вредные примеси — сера и фосфор. Сталь, содержащая только указанные элементы, называется углеродистой.

Из углеродистой стали изготовляют водяной экономайзер , экраны и барабаны котельных агрегатов, работающих при температуре до 450 °С. При температуре более 450 °С прочность углеродистой стали резко снижается. Поэтому для изготовления деталей, работающих при более высокой температуре, применяют специальную жаропрочную сталь, в состав которой вводят небольшое количество молибдена, хрома, никеля и других химических элементов для придания металлу определенных свойств. Такая сталь называется низколегированной.

Из низколегированной стали марок 12Х1МФ и 15Х1МФ изготовляют обычно радиационные поверхности нагрева прямоточных котельных агрегатов и пароперегреватели (за исключением выходной части), работающие при температуре до 540 °С.

Как углеродистая, так и низколегированная стали относятся к стали перлитного класса, отличающейся темной поверхностью.

Наибольшей жаропрочностью обладает хромоникелевая сталь марки Х18Н12Т аустенитного класса, называемая также нержавеющей сталью, у которой легирующие добавки никеля и хрома достигают 30 % массы металла. Из этой стали изготовляют трубы выходной части пароперегревателей котельных агрегатов высокого давления, металл которых эксплатируют при температуре 570—660 °С. В составе стали, кроме никеля и хрома, имеется небольшое количество титана, стабилизирующего структуру стали при высокой температуре. Такая сталь имеет светлую, блестящую поверхность. Основными преимуществами аустенитной стали являются ее высокая жаропрочность и способность противостоять коррозии при высокой температуре благодаря большому содержанию хрома (18 %) и никеля (12 %); отсюда и название — нержавеющая сталь. Аустенитная сталь во много раз дороже перлитной стали.

Посмотрим, как влияют отдельные элементы химического состава стали на ее свойства.

Влияние углерода.

С увеличением содержания в составе стали углерода она становится более прочной и менее пластичной. Чрезмерно высокое содержание углерода является вредным, так как слишком твердая и малопластичная сталь хуже сопротивляется разным механическим деформациям, возникающим, например, при защемлении экранных труб при растопке котла, а также ухудшается свариваемость стали.

Для изготовления поверхностей нагрева котельного агрегата, работающих при температуре пара до 450 °С, широко применяют углеродистую сталь марки 20 с содержанием углерода до 0,25 %, а для изготовления каркаса котлов — углеродистую сталь марки Ст. 3. В низколегированной стали углерод содержится в еще меньшем количестве. Например, в применяемой для изготовления пароперегревателей современных котельных агрегатов стали марки 12Х1МФ содержание углерода не должно превышать 0,15 %.

Влияние марганца.

Марганец подобно углероду повышает прочность стали и несколько уменьшает ее пластичность. При плавке стали в мартеновской печи марганец способствует очистке металла от серы, образуя легко удаляемый шлак.

Применяемая для изготовления барабанов котлов сталь марки 22К содержит 0,75-1,0 % марганца. Сталь марки 20 содержит 0,35-0,65 % марганца.

Влияние кремния.

Чем больше кремния в стали, тем больше её прочность и меньше пластичность. При плавке в металлургических печах его применяют для раскисления стали; соединяясь с растворенным в стали кислородом, кремний образует легко удаляемые шлаки, поднимающиеся на поверхность жидкого металла.

Влияние молибдена. Молибден повышает жаропрочность стали и ее пластичность. В стали 12Х1МФ содержится 0,25—0,5 % молибдена, в стали 15Х1М1Ф 0,9—1,1 %.

Влияние хрома.

Хром повышает жаропрочность и прочность стали и понижает ее пластичность.