Lò hơi được phân loại là một bình chịu áp suất nung. Các bộ phận của lò hơi được áp suất bên trong cao của hơi nước hoặc nước được gọi là bộ phận áp suất. Ống, trống và khoang đầu là những ví dụ về các bộ phận chịu áp lực. Các thành phần khác như đầu đốt, v.v., không phải chịu áp suất bên trong như vậy. Như vậy chúng được phân loại như các bộ phận không áp suất. Lựa chọn vật liệu cho các bộ phận áp suất của lò hơi và chúng thiết kế và xây dựng cơ khí là những khía cạnh quan trọng của thiết kế lò hơi. Trong những ngày đầu của cuộc cách mạng công nghiệp, nhiều vụ tai nạn đã xảy ra khi lò hơi các tàu bị vỡ dưới áp lực, giết chết nhiều nhân viên vận hành. Gần đây hơn, một hỏng mặt bích lò hơi trong một con tàu của Hải quân Hoa Kỳ đã giết chết mười thủy thủ (Peterson, 1997). Những sự cố như vậy đảm bảo sự cẩn thận tối đa trong thiết kế cũng như vận hành của bộ phận áp suất. Các bộ phận áp suất của lò hơi được kiểm tra định kỳ theo luật định của các cơ quan chức năng để vận hành an toàn. Các cơ quan chức năng này đặt ra các hướng dẫn và quy định của riêng họ chi phối việc thiết kế và vận hành nồi hơi ở quốc gia cụ thể của họ. Bài báo cáo này trình bày các nguyên tắc liên quan đến việc lựa chọn vật liệu và trong thiết kế cơ khí của các bộ phận áp suất về các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu, các đặc tính cơ học quan trọng, và các đặc tính của kim loại có thể được cải thiện như thế nào bằng cách thay đổi thành phần của nó và bằng cách gia công cơ khí phù hợp, các phương pháp thiết kế.
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hồ Chí Minh Khoa Đào tạo Chất lượng cao Báo cáo Môn học: Lò Đề tài: Mechanical Design of Pressure Parts Thiết kế học phận áp suất GVHD: Nhóm 4: Thủ Đức, ngày 20 tháng 10 năm 2022 Nhận xét giảng viên ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……… Bảng phân công công việc STT Họ tên MSSV Công việc Word PowerPoint MỤC LỤC A PHẦN MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phương pháp đánh giá B PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: LỰA CHỌN VẬT LIỆU .2 1.1 Chi phí tương đối 1.2 Tính chất học 1.3 Phương pháp sản xuất 1.4 Khả mở rộng quy mô 1.5 Bảo trì CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CƠ HỌC QUAN TRỌNG CỦA CÁC VẬT LIỆU KHÁC NHAU 2.1 Tính chất chung .4 2.2 Tính chất nhiệt độ cao 2.3 Tính hàn CHƯƠNG 3: HOẠT ĐỘNG LUYỆN KIM CƠ BẢN ĐỂ CẢI THIỆN TÍNH CHẤT THÉP 3.1 Quy trình luyện kim 3.2 Tính chất vật lý luyện kim 3.3 Xử lý nhiệt 3.4 Gia cơng khí .8 3.5 Tác dụng bổ sung nguyên tố hợp kim khác CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 11 4.1 Thiết kế phương pháp quy tắc 11 4.2 Thiết kế phương pháp phân tích 11 4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất học thép 12 C KẾT LUẬN 14 D TÀI LIỆU THAM KHẢO 15 A PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Lò phân loại bình chịu áp suất nung Các phận lò áp suất bên cao nước nước gọi phận áp suất Ống, trống khoang đầu ví dụ phận chịu áp lực Các thành phần khác đầu đốt, v.v., chịu áp suất bên Như chúng phân loại phận không áp suất Lựa chọn vật liệu cho phận áp suất lò chúng thiết kế xây dựng khí khía cạnh quan trọng thiết kế lò Trong ngày đầu cách mạng công nghiệp, nhiều vụ tai nạn xảy lò tàu bị vỡ áp lực, giết chết nhiều nhân viên vận hành Gần hơn, hỏng mặt bích lị tàu Hải quân Hoa Kỳ giết chết mười thủy thủ (Peterson, 1997) Những cố đảm bảo cẩn thận tối đa thiết kế vận hành phận áp suất Các phận áp suất lò kiểm tra định kỳ theo luật định quan chức để vận hành an toàn Các quan chức đặt hướng dẫn quy định riêng họ chi phối việc thiết kế vận hành nồi quốc gia cụ thể họ Bài báo cáo trình bày nguyên tắc liên quan đến việc lựa chọn vật liệu thiết kế khí phận áp suất yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu, đặc tính học quan trọng, đặc tính kim loại cải thiện cách thay đổi thành phần cách gia cơng khí phù hợp, phương pháp thiết kế Mục đích nghiên cứu Việc nghiên cứu thiết kế khí phận áp suất, cụ thể lựa chọn vật liệu, tính chất học vật liệu khác nhau, luyện kim để cải thiện tính chất thép phương pháp thiết kế Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu bao gồm thiết kế khí phận áp suất, cụ thể lựa chọn vật liệu, tính chất học vật liệu khác nhau, luyện kim để cải thiện tính chất thép phương pháp thiết kế Phương pháp đánh giá Để đạt mục đích đề trên, nhóm áp dụng phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Đọc, tra cứu, nghiên cứu tài liệu từ trang mạng, kênh tài liệu có liên quan đến vật liệu nghiên cứu - Phương pháp phân tích tổng hợp: Để hiểu ý nghĩa, chức năng, phạm vi sử dụng - Phương pháp thống kê: Nhằm xử lí thơng tin thu cách xác để đưa phương hướng đề xuất sử dụng vật liệu nghiên cứu B PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: LỰA CHỌN VẬT LIỆU Các phận áp suất nồi hơi, chiếm khoảng 20% tổng số trọng lượng lò hơi, bao gồm thùng đựng, khoang đầu ống cho nhiệt, hâm nóng tiết kiệm nhiên liệu Chúng làm từ thép Kể từ năm 1920, nhiều loại thép phát triển Tất loại thép hợp kim sắt - carbon; chúng khác đáng kể hàm lượng carbon nhiều trường hợp số lượng nguyên tố hợp kim khác có mặt Các đặc tính thép cải thiện đáng kể nhờ ứng dụng khoa học luyện kim Để xây dựng phận lò chịu áp lực phận gắn liền thiếu chúng, nhà thiết kế phải tính đến số yếu tố, bao gồm chi phí tương đối, đặc tính học, phương pháp sản xuất, khả chống đóng cặn bảo trì Các yếu tố mơ tả chi tiết 1.1 Chi phí tương đối Chi phí tương đối khả chống oxy hóa biểu thị nhiệt độ bề mặt hoạt động mức tối đa cho phép tính ℃, c, chủ yếu định lựa chọn vật liệu Tỷ lệ ứng suất cho phép nhiệt độ trung bình tường thay đổi chi phí tương đối phải cân nhắc để đạt lựa chọn kinh tế Hơn nữa, tốc độ thay đổi tải trọng nhanh chóng dẫn đến việc lựa chọn vật liệu có độ bền cao để giảm độ dày thành phận thùng đựng Bảng 17-1 đưa chi phí tương đối gần ống theo quy ước sử dụng nhiệt độ bề mặt tối đa cho ống làm nóng đến thơng số kỹ thuật ASMWASTM Bảng 17-1: Chi phí tương đối ống nhiệt độ bề mặt tối đa chúng Vật liệu RC MST ℃, c MST°T SA 192 454 SA210 Gr.Al 1.04 454 SA210 Gr.C 1.08 454 SA209 Tl 1.35 482 SA209 TIA 1.35 482 SA213 T11 1.5 552 SA213 T12 1.5 552 SA213 T22 1.8 579 SA213 T91 649 850 850 850 900 900 1025 1025 1075 1200 1.2 Tính chất học Các tính chất học độ bền kéo cuối cùng, độ bền chảy, độ trượt, độ bền đứt gãy, độ dẻo,… yêu cầu xem xét để thiết kế lò Một cột chống đỡ tòa nhà, chịu nén, yêu cầu cường độ nén độ cứng Nó khơng u cầu nhiều độ dẻo độ dai Mặt khác, phận áp suất lị cao áp phải có đủ đặc tính học khơng nhiệt độ mơi trường mà cịn nhiệt độ hoạt động Nó phải có đủ độ dẻo độ dai để chịu biến dạng chấn động khơng thể tránh khỏi q trình chế tạo, hàn hoạt động vận hành, không bị nứt gãy 1.3 Phương pháp sản xuất Hàn, tạo hình nguội, tạo hình nóng giãn nở số phương pháp sản xuất đại sử dụng để chế tạo vật liệu cụ thể thành hình dạng yêu cầu Việc xem xét phương pháp quan trọng, sản phẩm chế tạo tốn nhất, có đặc tính phù hợp khơng phải loại thép rẻ nên quy định lựa chọn 1.4 Khả mở rộng quy mô Cần chống đóng cặn nhiệt độ bề mặt tối đa, đặc tính trượt nhiệt độ tường trung bình sẵn có vật liệu hàn với đặc tính thích hợp phải xem xét 1.5 Bảo trì Bảo trì dễ dàng khả tương thích với khả chống trượt nhiệt độ hoạt động cao, yếu tố ăn mòn ăn mòn môi trường cần xem xét CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CƠ HỌC QUAN TRỌNG CỦA CÁC VẬT LIỆU KHÁC NHAU 2.1 Tính chất chung Các tính chất học sau quan trọng nhiệt độ 2.1.1 Độ bền kéo Kiểm tra độ căng tiêu chuẩn cung cấp liệu độ bền kéo, độ bền dẻo dẻo dai Khi kim loại kéo với tải trọng gia tăng không theo trục, vật liệu căng Tải trọng đơn vị diện tích gọi ứng suất, kéo dài đơn vị chiều dài ban đầu gọi sức căng Khơng có biến dạng vĩnh viễn Vì biến dạng biến tải trọng tác dụng loại bỏ Tiếp tục tăng tải vượt điểm chảy dẫn đến nhựa biến dạng dẻo cuối mẫu thử bị vỡ Tải trọng phá vỡ chia cho diện tích mặt cắt ngang ban đầu tạo độ bền kéo cuối Không dễ dàng xác định điểm chảy vật liệu cứng thép, cường độ chảy dễ dàng xác định định nghĩa ứng suất cần thiết để tạo giá trị cụ thể (0,1% 0,2%) biến dạng dẻo Nó cịn gọi độ bền uốn Hầu hết thông số kỹ thuật yêu cầu thử nghiệm độ bền kéo nhiệt độ phòng Thiết kế xác định giá trị tối thiểu độ bền kéo cuối độ bền chảy xác nhận độ dẻo định đáp ứng 2.1.2 Độ dẻo Độ dẻo thước đo lượng biến dạng dẻo mà thép chịu đựng trước bị gãy Nó thường biểu thị tỉ lệ phần trăm độ giãn dài độ giảm diện tích tiết diện biến dạng dẻo mẫu thử biểu thị thép Nó tỷ lệ nghịch với độ bền kéo Thép cường độ cao thường biểu độ dẻo thép cường độ thấp, mềm Đặc tính quan trọng q trình sản xuất vận hành Độ dẻo cho phép thép chịu hoạt động chế tạo uốn, hoạt động lắp đặt mở rộng hàn Do đó, nhiều thơng số kỹ thuật dạng sản phẩm - đáng ý thông số kỹ thuật cho ống ống, yêu cầu thử nghiệm biến dạng khác làm phẳng, loá uốn cong 2.1.3 Độ uốn Tính uốn khả kim loại mở rộng vĩnh viễn theo hướng chịu lực nén 2.1.4 Độ cứng Độ cứng thước đo khả chống biến dạng dẻo có liên quan đến độ bền kéo Nó sử dụng số khả gia công khả chống mài mòn thép Trong vật liệu mà độ dẻo quan trọng khả làm việc nó, độ cứng tối đa quy định 2.1.5 Độ dai Độ dẻo dai khả vật liệu chống lại chế độ hư hỏng giòn chịu tải trọng tập trung nhiệt độ thấp Các thử nghiệm va đập khác đánh giá độ bền Phạm vi nhiệt độ mà xảy gọi phạm vi chuyển tiếp Vật liệu phạm vi nhiệt độ chuyển tiếp bị nứt chịu tải trọng va đập chi tiết xây dựng ngăn cản chảy cục 2.1.6 Độ mỏi Độ bền mỏi độ lớn ứng suất tuần hoàn mà vật liệu chống lại số chu kỳ xác định trước hỏng Ứng suất mỏi mà vật liệu chịu điều kiện ứng dụng lặp lặp lại loại bỏ tải trọng nhỏ chịu điều kiện tĩnh Sức mạnh suất sử dụng hướng dẫn thiết kế cho vật liệu chịu tải trọng tĩnh Tải trọng động tải trọng theo chu kỳ gây trượt làm việc nguội khu vực nhỏ khoanh vùng ranh giới hạt rãnh tập trung ứng suất thuộc nhiều loại khác Khi đủ cứng, vết nứt siêu nhỏ hình thành phát triển kết đứt gãy hoàn toàn Ở mức ứng suất đủ thấp nhiều cấp độ, nhiều vật liệu chịu đựng số lượng chu kỳ gần vô hạn Các khu vực có ứng suất cao nhất, chẳng hạn thay đổi mặt cắt rãnh tập trung ứng suất thúc đẩy tập trung cục chủng có chu kỳ Các ống bị nứt điểm tập trung ứng suất cao (chẳng hạn phần cuối đinh tán phẳng hàn vào ống) rung động dòng chảy gây Do đó, chúng cần có thiết bị hạn chế chống rung để điều chỉnh thiết kế 2.2 Tính chất nhiệt độ cao Các tính chất sau quan trọng cho hoạt động nhiệt độ cao 2.2.1 Trượt (rão) Trượt biến dạng dẻo chậm kim loại chịu ứng suất khơng đổi Nó trở nên quan trọng nồi nhiệt độ vận hành 450-650 °C Trượt diễn dẫn đến tượng đứt gãy tải trọng tĩnh kéo dài thấp nhiều mà điều gây suất vỡ tải thời gian ngắn Tốc độ kéo dài thay đổi theo khoảng thời gian nhiệt độ hoạt động Trong mã lò ASME, tốc độ rão 0,01% 1000 ứng suất trượt đến vỡ 100.000 xem xét Do đó, trở nên cần thiết để thực thử nghiệm độ rão đứt gãy ứng suất số mức ứng suất, nhiệt độ khác khoảng thời gian lâu tốt Đối với mục đích thiết kế, độ bền kéo cuối cùng, ứng suất chống độ bền đứt gãy nhiệt độ hoạt động tất nhiên mong muốn 2.2.2 Tương tác độ trượt độ mỏi Khi vật liệu tiếp xúc với tải tuần hoàn hoạt động nhiệt độ phạm vi độ trượt chúng, hiệu ứng trượt làm giảm tuổi thọ mỏi chúng Sự khác biệt độ giãn nở nhiệt ống đầu nối nhiệt, hàn với đầu ra, vòng đệm vỏ lò, thường gây vết nứt theo chu vi ống đầu mối hàn ống với đầu nối Chu kỳ căng gây vết nứt bắt đầu lan truyền theo cách gây mỏi Các vết nứt gây rung động nói chung xuyên hạt, đặc điểm độ mỏi Vết nứt ống đầu nhiệt thường hạt Trong thời gian dài ứng suất trượt, vết nứt hạt điển hình Tải trọng biến dạng cao chu kỳ thấp phạm vi trượt có khả tạo nứt nẻ hạt khơng phải xun hạt 2.3 Tính hàn Khả hàn vật liệu yếu tố quan trọng sản xuất Bên cạnh vật liệu gốc, điện cực hàn, chi tiết hàn kỹ thuật hàn đóng vai trị quan trọng Các vấn đề hàn phải khắc phục bao gồm a) Nứt hóa rắn b) Nứt vùng hóa lỏng bị ảnh hưởng nhiệt c) Sự nứt vỡ hydro gây d) Nứt phiến e) Làm nóng lại nứt vỡ Bản chất vấn đề phương pháp để tránh chúng thảo luận đây: (a) Quá trình nứt hóa rắn xảy độ dẻo vật liệu hàn bị hạ thấp diện màng chất lỏng cịn sót lại đến mức mà khơng thể thích ứng với biến dạng co lại tinh thể đông đặc Biện pháp khắc phục thường liên quan đến việc giảm biến dạng trình hàn cách cải tiến phụ kiện, sửa đổi quy trình bọc gá, tránh làm nóng trước mối hàn khác vùng lân cận Khi hàn xung quanh miếng vá vòi phun, hàn theo bước thay hàn liên tục giúp ích Các điện cực phủ chịu lưu huỳnh tốt giảm tỷ lệ nứt (b) Nhiệt độ cực đại cao gây nóng chảy cục ranh giới hạt thép ferit hình thành sulfideeutectic Đây nguyên nhân gây nứt vùng ảnh hưởng nhiệt Biến dạng nhựa kèm mở vết nứt nhỏ ranh giới hóa lỏng Khi mối hàn nguội đi, vết nứt không lành lại diện màng đơng đặc giịn làm giảm độ bền đứt gãy vùng bị ảnh hưởng nhiệt đến mức chấp nhận Sự diện phốt lưu huỳnh có ảnh hưởng quan trọng đến tính nhạy cảm Kiểm soát nhiệt đầu vào kiểm tra kiểm tra vật liệu để hàn biện pháp khắc phục (c) Vết nứt hydro xảy vài tuần sau hàn không tiến hành xử lý nhiệt sau hàn Chọn vật liệu không bị cứng vùng ảnh hưởng nhiệt quan trọng Để tránh kiểu nứt này, người ta (a) sử dụng điện cực hydro khơ kiểm sốt, (b) sử dụng MIG quy trình hồ quang chìm, (c) chọn đầu vào nhiệt thích hợp hàn dựa khái niệm đương lượng cacbon (d) Xảy nứt lớp mỏng độ dẻo xuyên qua độ dày thấp hàn mối nối nhánh Cải tiến thiết kế mối hàn, sử dụng sản phẩm rèn, kiểm tra không phá hủy tấm, sử dụng khử khí chân khơng sử dụng kim loại hàn thấp số biện pháp khắc phục (e) Làm nóng lại vết nứt hình dạng mối nối tính chất tương đối vật liệu hàn vùng ảnh hưởng nhiệt không đạt u cầu Việc định hình đầu ngón chân mối hàn phi lê cách mài, kiểm soát lưu huỳnh, sử dụng vật liệu hàn có độ bền thấp làm bề mặt mối hàn có lợi CHƯƠNG 3: HOẠT ĐỘNG LUYỆN KIM CƠ BẢN ĐỂ CẢI THIỆN TÍNH CHẤT THÉP Việc áp dụng quy trình luyện kim vật lý nâng cao đáng kể độ bền tính hữu dụng thép ngành cơng nghiệp lị Luyện kim q trình liên quan đến việc khai thác kim loại từ quặng, luyện kim vật lý liên quan đến kết hợp hợp kim xử lý nhiệt xử lý kim loại thành vật liệu kỹ thuật hữu ích Các phần sau giới thiệu số khái niệm luyện kim thường sử dụng ngành cơng nghiệp lị 3.1 Quy trình luyện kim Bước sản xuất sắt thép loại bỏ oxy từ quặng sắt than cốc đá vơi lị nung Kết hỗn hợp sắt nóng chảy, carbon lượng nhỏ nguyên tố khác dạng tạp chất Nó gọi gang Nó chứa khoảng 24% carbon lượng silicon, mangan, phốt lưu huỳnh khác dạng tạp chất Gang chuyển đổi thành thép cách giảm carbon dư thừa thơng qua q trình oxy hóa trình khác nhau, chẳng hạn trình lị sưởi mở (basiclacid), q trình Bessemer (axit bản) , quy trình điện quy trình LD (quá trình oxy bản) Các tạp chất rắc rối phốt lưu huỳnh bị bắt giữ từ thơng magiê canxi Do đó, quy trình quan trọng thép chất lượng nồi hơi, chứa tới khoảng 0, 35% carbon, chứa tỷ lệ phốt lưu huỳnh thấp 3.2 Tính chất vật lý luyện kim Sắt nguyên chất vật liệu tương đối mềm Nó tồn dạng tinh thể học khác nhiệt độ khác Sắt nóng chảy đơng đặc thành cấu trúc hình khối lấy thể làm trung tâm (sắt delta từ tính) biến đổi khoảng 1400 ° C thành cấu trúc hình khối tập trung vào mặt (sắt gamma austenite-phi từ tính), 910 ° C, trở lại dạng hình khối lấy thể làm trung tâm dạng sắt alpha không từ tính Dưới 768°C, chuyển đổi thành dạng hình khối lấy thể làm trung tâm dạng sắt alpha từ tính Nhiệt độ mà thay đổi diễn gọi nhiệt độ tới hạn điểm tới hạn Độ hòa tan carbon dạng sắt khác khác Nó sắt alpha Việc bổ sung carbon làm tăng độ bền sắt theo số cách Carbon có độ hịa tan rắn hạn chế (0,025%) sắt alpha để tạo ferrite rắn, mạnh sắt nguyên chất Nó kết hợp với sắt để tạo thành hợp chất Fe3C với 6,67% carbon gọi cementite, thân cứng Carbon nhiệt độ cao có độ hịa tan austenite lên tới 2.0% Sự khác biệt độ hòa tan mấu chốt tất trình xử lý nhiệt thép Nếu loại thép chứa 0.8% carbon làm lạnh chậm, biến thành hỗn hợp ferrite pearlite, hỗn hợp 0.8% carbon có chứa eutectoid ferrite cementite Pearlite bao gồm fenite lamellar cementite Bằng cách thay đổi tốc độ làm mát, thay đổi biến đổi diễn tạo cấu trúc có nhiều tính chất Khi tăng tốc độ làm mát, hạt ferrite pearlite trở nên nhỏ Cấu trúc hạt nhỏ cải thiện độ bền độ dẻo dai (số hạt cho cơng thức N = (n-1), n số hạt quan sát kính hiển vi tính inch vng điều kiện phóng đại tuyến tính 100 lần) Kết kích thước hạt ferrite phụ thuộc vào kích thước hạt ban đầu Nếu tốc độ làm mát tăng thêm, cấu trúc gọi bainite bainite hình thành Bainite bền cấu trúc ferritel/pearlite, có độ dẻo dai tương đối Bainite thấp có độ bền cao độ dẻo dai cải thiện Với gia tăng tốc độ làm mát, sản phẩm biến đổi trở nên cứng dạng tinh thể gọi tinh thể Độ dẻo độ dẻo dai tinh thể không bảo vệ nói chung kém, hâm nóng tơi luyện, độ bền thép giảm dần nhiệt độ Nung tăng, độ dẻo độ dẻo dai cải thiện Thép sử dụng xây dựng bình chịu áp lực nồi bao gồm loại ferrite-pearlite, loại bainitic, loại luyện Các loại biến đổi chung xảy thép hợp kim 3.3 Xử lý nhiệt Một số trình vật lý, xử lý nhiệt, cán, v.v., cải thiện đáng kể tính chất thép Phần sau giải thích tác dụng xử lý nhiệt thép a) Nhiệt luyện (Đạt độ mềm độ dẻo) Nhiệt luyện trình nung nóng kim loại 55°C (100°F) giới hạn phạm vi tới hạn (760-910°C tùy thuộc vào carbon %) sau cho phép nguội từ từ với tốc độ kiểm sốt lị Thép Nung hồn tồn chứa ferrite pearlite, mềm b) Giảm ứng suất (Giảm ứng suất thiết lập q trình chế tạo) Điều đạt cách nung thép phạm vi tới hạn thấp (thường từ 540°C (1000°F) đến 705°C (1300°F) giữ thành phần độ dày inch Sau đó, phép làm mát khơng khí tĩnh để loại bỏ ứng suất dư c) Bình thường hóa (Giảm ứng suất bên trong) Bình thường hóa q trình Nung đặc biệt thép nguội khơng khí tĩnh từ nhiệt độ tới hạn Nó làm giảm ứng suất bên gây ' làm việc trước tạo mềm mại dẻo Bình thường hóa thường theo sau Nung d) Tơi kim loại Loại bỏ số độ giịn gây q trình chuẩn hóa Nó thực cách làm nóng nhiệt độ tới hạn 205°C (400°F) đến 400°C (750°F) Nhiệt độ cao, thép mềm dai Một số thép trở nên giòn làm lạnh chậm từ nhiệt độ định (được gọi độ giòn nhiệt độ) Để vượt qua khó khăn này, thép làm mát nhanh chóng cách ngâm vài dung dịch 3.4 Gia cơng khí Gia cơng học gia cơng lạnh nóng Nó thường thực nhiệt độ biến đổi Các sản xuất cách cán nóng từ thỏi Ống sản xuất hàn điện trở (ERW) Ống liền mạch cán nóng cán nguội Ống sản xuất cách cán nóng cán nguội trình rèn Thân nồi chế tạo cách cán nguội cán nóng hàn trình hàn hồ quang chìm hàn điện đầu lò thường ép từ hàn vào phần hình trụ khác Chất lượng thép phải có khả đáp ứng yêu cầu tạo hình học Thép sử dụng cho thành phần để đảm bảo bền chúng 3.5 Tác dụng bổ sung nguyên tố hợp kim khác Thêm lượng nhỏ yếu tố khác giúp cải thiện đáng kể chất lượng thép Một số tài liệu thảo luận a) Ảnh hưởng tạp chất lưu huỳnh thép Lưu huỳnh thường có thép dạng sắt sunfua Sắt sunfua hình thành với hợp kim sắt, cho điểm nóng chảy thấp Trong lỏng, chúng lan rộng xung quanh ranh giới hạt kim loại hình thành đông đặc xung quanh hạt để tạo màng giòn làm mát thêm ranh giới hạt Thép khơng thể gia cơng nóng thể độ giòn tái tạo sắt sunfua b) Tác dụng mangan thép C-Mn Bổ sung mangan cải thiện tính chất thép Mangan kết hợp ưu tiên với lưu huỳnh để tạo sunfua giàu mangan có nhiệt độ nóng chảy cao mà không pha lỏng nhiệt độ làm việc nóng thép Chúng phân tán ảnh hưởng đến độ dẻo dai Ngoài ra, mangan làm tăng độ bền thép cách kết hợp với sắt tạo thành dung dịch rắn Ngoài ra, mangan làm chậm trình biến đổi austenite thành ferrite pearlite Điều có nghĩa phần dày làm mát nhanh bề mặt so với nội thất, đặc tính tốt đồng thu suốt độ dày Do đó, tỷ lệ làm mát định, đạt cường độ hiệu cao Tính chất thép cacbon-mangan cải thiện theo cách sau: Bổ sung nhôm để tiêu diệt thép tinh chế kích thước hạt để tạo độ dẻo dai cao hơn: Bình thường hóa tạo kích thước hạt mịn để cải thiện độ bền độ dẻo dai Quá trình liên quan đến việc nung nóng thép đến nhiệt độ đủ cao để tạo thành austenite sau cho phép nguội khơng khí tĩnh Việc bổ sung lượng nhỏ niobi vanadi nitơ thường tạo cho thép carbon nhằm mục đích bình thường hóa để đảm bảo đặc tính cải thiện Cán thỏi đúc có kiểm sốt: Cán nóng thường thực phạm vi austenite mà thép mềm hạt kim loại liên tục kết tinh lại phát triển Nếu nhiệt độ lăn hạ xuống, thép cuối biến thành ferrite pearlite có kích thước hạt mịn hơn, mang lại độ bền độ dẻo dai cao Một lượng nhỏ niobi vanadi thêm vào q trình cán có kiểm sốt Bằng cách bình thường hóa cường độ cao đạt được, kết hợp với đặc tính hàn vượt trội độ dẻo dai Làm nguội nung: Tăng tốc độ làm mát từ giai đoạn austenite làm tăng độ bền cấu trúc biến đổi Các hâm nóng lại sau lăn sau làm nguội bình thường cách sử dụng bình xịt nước áp lực cao Nếu cần thiết, theo sau cách nung, dẫn đến giảm độ bền phần nào, với cải thiện độ dẻo dai c) Tác dụng Silicon Nó chủ yếu sử dụng chất khử oxy hóa khử khí để cải thiện chất lượng thép Khi thêm vào lên đến 2.5%, silicon làm tăng độ bền kéo cuối mà không làm giảm độ dẻo Nếu số lượng thêm vào vượt 5%, thép trở nên khơng thể mua Nó làm tăng khả chống oxy hóa ổn định bề mặt làm giảm tính chất leo d) Tác dụng Crom làm tăng độ bền kéo, độ cứng độ dẻo dai cuối thép nhiệt độ phịng Nó làm tăng khả chống oxy hóa nhiệt độ cao hơn; Và đó, sử dụng thép dịch vụ nhiệt độ cao e)Tác dụng Niken Niken làm tăng độ dẻo dai, khả chống ăn mịn độ cứng Nó cải thiện độ biến dạng thép hợp kim thấp chút, với crom, giúp tăng cường độ biến dạng đáng kể f) Tác dụng Molypden Wolfram (Vonfram) Bổ sung molypden làm tăng độ bền, giới hạn đàn hồi, khả chống mài mòn đặc tính tác động Molypden góp phần vào độ cứng màu đỏ thép (tức là, độ cứng không bị ảnh hưởng đến nhiệt độ nóng đỏ) Nó hạn chế phát triển hạt làm mềm thép Thép crom-molypden bị ảnh hưởng lún nóng nảy tăng cường độ leo Wolfram (còn gọi vonfram) có tác dụng tương tự đắt hơn; Nó sử dụng cơng cụ cắt cacbua vonfram g) Tác dụng Vanadium Nó chất khử khí khử oxy tuyệt vời; sử dụng cho mục đích chi phí cao Về bản, ngun tố tạo cacbua giúp ổn định cấu trúc đặc biệt nhiệt độ cao tăng cường độ, độ dẻo dai độ cứng thép Độ bền biến dạng tuyệt vời đạt với 0.5% đến 1.0% molypden 0,1% đến 0,5% vanadi h) Tác dụng nhôm, titan nhôm niobi Nhôm thành phần nhỏ quan trọng chất khử oxy sử dụng để sản xuất thép Tuy nhiên, lượng nhôm mức có ảnh hưởng bất lợi đến tính chất biến dạng Titan niobi (còn gọi columbium) nguyên tố tạo cacbua Chúng phản ứng dễ dàng với carbon so với crom, cho phép chất sau dung dịch rắn tăng khả chống ăn mòn i) Ảnh hưởng phốt Hàm lượng phốt cao có tác dụng khơng mong muốn tính chất thép cacbon khả chống sốc độ dẻo thép gia công nguội tượng gọi độ ngắn lạnh Hàm lượng phốt giới hạn mức tối đa 0,04% Sự diện phản cảm cho hàn Nó làm tăng cường độ suất khả chống ăn mịn khí lên tới 0, 15% Nó sử dụng ứng dụng kết cấu thép đặc biệt 10 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 4.1 Thiết kế phương pháp quy tắc Phương pháp thiết kế dựa kinh nghiệm gọi thiết kế theo quy tắc Thiết kế theo quy tắc bao gồm việc xác định tải trọng thiết kế, lựa chọn công thức thiết kế lựa chọn ứng suất thích hợp cho vật liệu sử dụng Chúng sử dụng để tính tốn độ dày cần thiết phận chịu áp lực, sau chế tạo theo tiêu chuẩn thiết kế khác sử dụng cấu trúc gửi qua mã Nó khơng dựa phân tích ứng suất chi tiết; thay vào đó, quy tắc thường liên quan đến việc tính tốn ứng suất màng sơ cấp bề dày thành mạch Trong số trường hợp ứng suất uốn tải trọng đặt lên thừa nhận cách rõ ràng, giới hạn kết hợp ứng suất uốn sơ cấp ứng suất uốn Quy phạm định ứng suất cho phép, với biên độ hệ số an toàn đủ để bao hàm ứng suất cục trường hợp bình thường Ở Hoa Kỳ (mã ASME phần I phần VIII), Đức (Mã TRD-series 300), Vương quốc Anh (Mã BS- 1113), Ấn Độ (Mã IBR), … Đó lý dẫn đến khác biệt cơng thức tính độ dày mã khác So sánh mã khác đưa bảng 4.2 Thiết kế phương pháp phân tích Trong phương pháp này, phân tích ứng suất chi tiết thực hiện, cho phép sử dụng ứng suất cho phép cao tùy thuộc vào điều kiện tải dự kiến mà không làm giảm độ an tồn u cầu phân tích nghiêm ngặt tất loại ứng suất điều kiện tải dự kiến Do đó, khơng cần thiết phải sử dụng giới hạn ứng suất cho phép quy định Chúng ta sử dụng giới hạn thích hợp dựa vị trí phân bố ứng suất kết cấu loại tải trọng tạo Ứng suất thứ cấp phát triển ràng buộc thường tự giới hạn phép tăng gấp đơi cường độ suất Ứng suất bậc ba (cục đỉnh) không gây biến dạng đáng ý Nó bị tác động nguồn gây vết nứt mỏi gãy giịn Ví dụ, ứng suất cục gián đoạn ứng suất cục vết khía gấp vài lần ứng suất chảy ứng suất biến dạng Nhưng điều kiện cơng nhận hồn tồn an tồn miễn vật liệu có tính dẻo tải trọng khơng đủ chu kỳ để bắt đầu nứt mỏi Ứng suất màng trung bình bình áp suất bên khơng phép vượt q cường độ chảy Một ví dụ khác ứng suất ứng suất nhiệt, ứng suất tự cân cấu trúc Năng suất giúp vật liệu thích ứng với dạng méo áp đặt biến dạng nhiệt gây phân bố nhiệt độ không đồng hệ số giãn nở khác cấu trúc Các ứng suất cho phép cách an toàn vượt cường độ chảy vật liệu dẻo Ví dụ thứ ba ứng suất gián đoạn gần điểm nối đầu vỏ tạo áp suất bên Trong trường hợp này, phần đầu phần vỏ nở theo lượng khác biến dạng yêu cầu để giữ chúng lại với điểm giao Các ứng suất liên quan đến biến dạng có ý nghĩa khác với ứng suất cần thiết để cân tải áp suất Cần có ứng suất lớn cho phép khác loại ứng suất khác - cụ thể ứng suất chính, ứng suất thứ cấp ứng suất cấp ba (cục đỉnh) giới hạn phù hợp xem xét việc sử dụng 11 4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất học thép Chiều dày phận nồi (ống, ống dẫn, ống tiêu đề trống), chịu áp suất bên trong, phụ thuộc vào giá trị lớn ứng suất cho phép Giới hạn cho phép này, gọi ứng suất tối đa cho phép, quan trọng việc thiết kế phận chịu áp lực Trong thiết kế dựa quy tắc giá trị ứng suất cho phép quan tâm đến tất dạng tải điều kiện vật lý để chiều dày xác định từ an tồn điều kiện Do đó, ứng suất cho phép phụ thuộc vào số lượng lớn tiêu chí Các quốc gia khác có mã quốc gia tiêu chuẩn riêng để tính đến yếu tố Ví dụ, Hoa Kỳ, Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ (ASME) Tuy nhiên, nhiệt độ tăng lên 650 ° C (1200 ° F) độ bền giảm xuống nửa (hoặc hơn) nhiệt độ phịng Cường độ nhiệt độ cao độ dẻo thép bị ảnh hưởng mạnh kích thước hạt, gia công nguội, xử lý nhiệt biến số khác chúng cần xem xét trình sản xuất chế tạo Lý để xem xét độ bền kéo độ bền chảy nhiệt độ phịng nhiệt độ cao có lẽ thực tế số loại thép cacbon thấp thể độ bền cao chút nhiệt độ tăng lên đến khoảng 220 ° C (425 ° F) 4.4 Tính tốn độ dày vật liệu thiết kế Độ dày phải phù hợp với độ dày tối thiểu theo quan điểm sản xuất (như cấu tạo thành màng), độ dày tối thiểu độ dày tiêu chuẩn ống sản xuất Tỷ lệ chiều dày chọn với đường kính phải nhỏ 0,25 để đáp ứng giới hạn công thức vỏ mỏng Chiều dày chọn phải phù hợp với tải trọng bên tải trọng uốn lớn ứng suất áp lực dọc Vì ứng suất chu vi áp suất gây gấp đôi ứng suất dọc, nên độ dày, hầu hết trường hợp, bị điều chỉnh yêu cầu riêng áp suất bên Các ống đường ống nói chung chịu tải bên ngồi mà không cần tăng thêm độ dày Đối với thành phần dạng ống mang tải nặng (ví dụ lị tiện ích hai chiều), ống treo tường phía sau ống đỡ bờ ngang cần có độ dày tăng thêm đến mm so với yêu cầu riêng áp suất Ngoài ra, cần phải có vật liệu có độ bền cao để xây dựng Van an toàn phản ứng tải đầu vào đầu hâm nóng yêu cầu độ dày tối thiểu khoảng 8% đường kính ngồi Việc tăng độ dày tải trọng uốn cần thiết đầu treo trống nồi áp suất thấp hỗ trợ mang tải 4.5 Ước tính áp suất thiết kế Đặc điểm kỹ thuật khách hàng cung cấp liệu nhiệt độ áp suất đầu nhiệt Để có áp suất đầu nhiệt, người thiết kế nồi phải thêm mức phụ cấp cho sụt giảm áp suất đường ống vào áp suất đầu vào tuabin Nếu thơng tin chi tiết cách bố trí đường ống, áp suất giảm đường ống coi khoảng 5% -6% áp suất đầu vào tuabin Áp suất giảm qua phần khác nhiệt thêm vào áp suất đầu nhiệt để tìm áp suất lồng giặt Những số sụt áp xác định trình thiết kế nhiệt nhiệt Nếu điều chưa biết giai đoạn thiết kế nhiệt ban đầu, dựa kinh nghiệm trước đây, lượng dự phịng đủ khơng q mức lấy Cần lưu ý áp suất giảm qua thành phần hạ lưu 12 tăng áp suất thiết kế so với tất thành phần thượng nguồn Tính đầy đủ giả định giảm áp suất đặc biệt kiểm tra lại sau đánh giá độ dày sơ phận chịu áp lực 4.6 Tính tốn nhiệt độ thiết kế Nhiệt độ thiết kế định nghĩa nhiệt độ thành phận chịu áp lực Nhiệt truyền từ khí thải sang chất lỏng bên ống nung nóng Do đó, để đạt đến nhiệt độ thiết kế, nhiệt độ giảm màng chất lỏng bên ống nửa độ giảm thành kim loại cần thêm vào nhiệt độ chất lỏng tối đa dự kiến Do đó, nhiệt độ thiết kế chịu ảnh hưởng chủ yếu nhiệt độ chất lỏng sụt giảm màng chất lỏng kim loại thông lượng nhiệt Hầu hết quy tắc yêu cầu nhà sản xuất nồi đánh giá ảnh hưởng khơng bền dịng chảy thơng lượng nhiệt đến nhiệt độ thiết kế quy định khoản phụ cấp tối thiểu để che phủ rơi xuyên qua màng thành kim loại Người ta nên thêm giới hạn cho phép để bao gồm thay đổi nhiệt độ chất lỏng so với nhiệt độ ước tính thơng thường Đối với phận khơng làm nóng, thơng thường lấy nhiệt độ thiết kế làm nhiệt độ danh định trừ dao động bình thường nhiệt độ kim loại vượt nhiệt độ danh định 8°C Trong trường hợp có dao động bất thường, người ta lấy nhiệt độ thiết kế làm nhiệt độ định mức nhiệt độ kim loại không vượt 20°C tối đa 400 năm tối đa 30°C 100 40°C tối đa 60 13 C KẾT LUẬN Lò thiết bị quan trọng ngành công nghiệp Các phận lò áp suất bên cao nước nước gọi phận áp suất Việc lựa chọn vật liệu cho phận áp suất lò chúng thiết kế gia cơng khí khía cạnh quan trọng thiết kế lị Trong lịch sử có nhiều vụ tai nạn cơng nghiệp liên quan đến lị làm nhân viên thiệt mạng Những cố đảm bảo cẩn thận tối đa thiết kế vận hành phận áp suất Các phận áp suất lò kiểm tra cách định kỳ để đảm bảo an tồn tài sản tính mạng người Từ đó, ta phải đặc biệt quan tâm đến khâu lựa chọn vật liệu, đặc tính học, hoạt động luyện kim phương pháp tính tốn, thiết kế vận hành lị hơi, để lị hoạt động tốt 14 D TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ASME Sec.1(1995) American Societyof Mechanical Engineers, New York, Part PG,Stress Table, Sub-part I , Sec 11(1995), Part D, Properties [2] Bernstein, M.D (1988) F.W.E.Corp Peny Valley, Design criteria for boilers and pressure vessels in the U.S.A Transaction of the ASME 430 v 110:430-443 [3] BS 1113 (1992 with updates up to 1994) British Standard Institute, London [4] Indian Boiler Regulations (1993) Law Publishers Pvt., Ltd Calcutta, India [5] Peterson, D.G (1997)Anatomy of a catastrophicboiler accident National Board Bulletin, Summer 1997:21-26 [6] Stultz, S.C.D., Kitto, J.B (1992) "Steam: Its Generation and Use." Babcock & Wilcox Company, Barberton, Ohio pp 22-1-38 [7] Technical Rules for Steam Boilers (TRD),English translation by F.D.B.R.E.V.Germany 15