Chương 10: Kim loại chế tạo lò hơi và tính sức bền pptx

Kim loại chế tạo lò hơi và tính sức bền các chi tiết của lò hơi 10.1 Đặc điểm làm việc của kim loại trong lò hơi Điều kiện làm việc của kim loại các phần tử và chi tiết khác nhau của l

Chương 10 Kim loại chế tạo lò hơi và

tính sức bền các chi tiết của lò hơi

10.1 Đặc điểm làm việc của kim loại trong lò hơi

Điều kiện làm việc của kim loại các phần tử và chi tiết khác nhau của lò hơi rất khác nhau Khung lò làm việc ở điều kiện nhiệt độ không khí xung quanh Kim loại ống bộ sấy không khí chịu ứng suất không đáng kể Các chi tiết không được làm lạnh như giá treo, giá đỡ, móc giữ làm việc trong những điều kiện rất nặng, nhiệt độ kim loại các chi tiết này có thể đến 800 oC Các ống góp ra và đặc biệt các ống bộ quá nhiệt của lò hơi cao áp và siêu cao áp làm việc trong điều kiện nặng nề nhất, vì môi trường lưu động bên trong ống có nhiệt độ cao Nhiệt độ vách và áp suất bên trong là các thông số được dùng để xác định việc chọn mác thép

Nhiệt độ kim loại tăng lên thì khả năng làm việc của kim loại sẽ giảm không những do giảm độ bền mà còn do các quá trình ăn mòn sẽ xảy ra mạnh hơn Do có ăn mòn mà việc sử dụng thép bị hạn chế, ví dụ thép cacbon có thể dùng làm bề mặt đốt nếu nhiệt độ bề mặt kim loại không lớn hơn 500 oC vì ở nhiệt độ cao hơn thép sẽ gỉ rất mạnh

Tiêu chuẩn để đánh giá hiện tượng rão là độ bền lâu dài σDt , đó là khả năng của kim loại tiếp nhận phụ tải trong một thời gian nhất định mà không bị phá hủy

10.2 Các loại thép dùng trong chế tạo lò hơi

10.2.1 Những yêu cầu chung đối với thép để chế tạo lò hơi

Thép dùng để chế tạo lò hơi cần phải đáp ứng được những yêu cầu chung sau đây:

- Có độ bền và độ dẻo cao;

- Có độ ổn định cấu trúc cao Trong quá trình làm việc của lò hơi thì cấu trúc thép không được phép có thay đổi gì đáng kể;

- Có độ bền nhiệt cao, tức là khả năng giữ nguyên được những đặc tính bền cần thiết khi làm việc trong điều kiện ứng suất và nhiệt độ cao;

- Có độ ổn định hóa học cao Tính ổn định hóa học là cần thiết để ngăn ngừa ăn mòn bề mặt đốt của lò;

- Có hàm lượng các tạp chất có hại ở mức độ tối thiểu (P, S, As, các khí hòa tan), vì chúng có ảnh hưởng xấu đến tính chất của thép khi làm việc lâu dài;

- Có tính hàn tốt, không yêu cầu dùng các phương pháp hàn và nhiệt luyện phức tạp và đắt tiền

Trong thực tế, thép cacbon, thép hợp kim thấp và thép hợp kim cao được sử dụng rộng rãi để chế tạo các bộ phận của lò hơi

10.2.2 Thép cacbon

Đa số các chi tiết của lò hơi được chế tạo bằng thép cacbon Khi tăng hàm lượng cacbon (C) trong thép thì độ bền của nó tăng và tính dẻo giảm xuống Trên

quan điểm độ bền thì dùng thép có hàm lượng C cao, tuy nhiên khi đó chất lượng mối hàn nối sẽ giảm vì có sự tôi thép trong không khí khi hàn Vì thế hàm lượng C trong thép cacbon dùng để chế tạo lò hơi được hạn chế rất nghiêm ngặt, cụ thể là

0, 25

C≤ % Ngoài ra, trong thép còn có các thành phần khác là Mn, Si, S, P và O2

Mangan (Mn) được đưa vào thép để khử ôxy của thép trong quá trình nấu chảy

và nó nằm trong thép dưới trạng thái hòa tan (với số lượng 0, 3 0,8%ữ )

Silic (Si) cũng giống như Mn, được đưa vào thép để làm chất khử ôxy Một

lượng nhỏ Si 0, 5< % còn lại sau khi khử ôxy được hòa tan trong ferit Si làm tăng độ bền của thép nhưng cũng làm tăng cả khuynh hướng kết tinh lại sau khi có biến dạng dẻo nhỏ

Photpho (P) là nguyên tố không muốn có trong thép vì nó làm giảm độ dai va

đập a và có khả năng sinh ra giòn nguội Hàm lượng P trong thép lò hơi không được k

lớn hơn 0, 045%

Lưu huỳnh (S) là tạp chất có hại vì nó tạo điều kiện sinh ra giòn nóng, nghĩa là

phá hủy giòn thép ở nhiệt độ 800 1200ữ o

C Trong các thép lò hơi hàm lượng S được hạn chế ở trị số 0, 03 0, 045%ữ

Ôxy (O2) cũng như nitơ (N2) và hydrô (H2) nằm lại trong thép do khử khí không hoàn toàn O2 trong thép với một lượng nhỏ cũng làm giảm tính chống ăn mòn của thép Hàm lượng O2 và N2 trong thép có chất lượng ≤0, 01% và hàm lượng H2

0, 001%

Để chế tạo bao hơi của lò hơi có áp suất thấp, áp suất trung bình và áp suất nâng cao, p<6, 0 MPa, ta dùng thép cacbon có chất lượng nhãn hiệu 15K, 20K, 25K (của Nga) hoặc tương đương Đối với lò hơi có áp suất p<0, 08 MPa có thể dùng thép cacbon chất lượng thường CT , nếu nhiệt độ kim loại không lớn hơn 120 3 oC Để chế tạo bao hơi của lò cao áp, p= ữ6 12, 5 MPa thì phải dùng thép cacbon nhãn hiệu

đặc biệt 22K hoặc tương đương

Các ống dẫn nước, dẫn hơi và ống bề mặt đốt thường được chế tạo từ thép 10

và 20 và tương đương Khi ấy nhiệt độ kim loại ống bề mặt đốt không được lớn hơn

500 oC, kim loại ống góp và ống dẫn hơi không lớn hơn 450 oC

10.2.3 Thép hợp kim thấp và hợp kim cao

10.2.3.1 Thép hợp kim thấp

10.2.3.2 Thép hợp kim cao

10.2.3.3 Các loại thép đặc biệt

Các giá treo, giá đỡ, các chi tiết giữ, thiết bị thổi tro bụi làm việc trong điều

chịu nóng cao Các mác thép dùng để chế tạo các chi tiết giữ gồm có 30CrMo, 35CrMo, 38Cr, và 40Cr Những chi tiết như giá đỡ, giá treo, kẹp, thiết bị thổi thường

được chế tạo bằng các mác thép như được cho trong bảng 10.2

10.3 Tính sức bền của những chi tiết chính của lò hơi

10.3.1 Phương pháp tính

Yêu cầu nhất thiết đối với lò hơi là đạt độ an toàn tối đa khi tiêu hao kim loại

là tối thiểu ở đây tồn tại hai phương pháp tính sức bền các chi tiết của lò hơi là phương pháp ứng suất giới hạn và phương pháp phụ tải giới hạn Các nhà khoa học đã

đi đến kết luận là tính sức bền theo phụ tải giới hạn sẽ kinh tế hơn, vì đối với một chi tiết có thể cho phép mang phụ tải lớn hơn phụ tải ứng với ứng suất giới hạn Trong các tiêu chuẩn tính toán người ta dùng phương pháp phụ tải giới hạn để tính sức bền các chi tiết lò hơi

10.3.1.1 Chọn ứng suất cho phép

Trước khi tính sức bền phải xác định ứng suất cho phép đối với vật liệu đã cho

và nhiệt độ tính của từng chi tiết ứng suất cho phép được xác định dựa vào nhiệt độ tính toán của vách (nhiệt độ kim loại) và mác thép

Tính sức bền các chi tiết lò hơi theo ứng suất cho phép sau:

*

trong đó: η là hệ số kể đến đặc điểm cấu tạo và vận hành của chi tiết; *

cp

σ là ứng suất cho phép định mức, lấy theo bảng Nếu như thép sử dụng mà không có những số liệu

về σ thì nó được lấy bằng giá trị nhỏ nhất trong ba giá trị sau đây: *cp

2, 6

t

cp

σ

1, 5

t

* ch cp

σ

1, 5

t

cp

σ

ở đây: σbt, σcht , σDt là những giá trị được bảo đảm ở nhiệt độ làm việc t của vách

10.3.1.2 Nhiệt độ tính toán của vách

Nhiệt độ tính toán của vách để xác định σ được lấy phụ thuộc vào loại và cp* nhiệt độ môi chất chứa trong phần tử tính toán và vào những điều kiện đốt nóng phần

tử bởi khói và làm lạnh bởi môi chất Trong mọi trường hợp nhiệt độ tính toán của vách không được lấy thấp hơn 250 oC

a- Nhiệt độ tính toán của vách bao hơi và các panen chứa chất lỏng hay hơi bão hòa lấy như sau:

- Đối với bao hơi đặt ngoài đường khói hay cách nhiệt tốt thì

v bhòa

- Đối với bao hơi không cách nhiệt được đặt trong đường khói đối lưu, khi nhiệt

độ khói tkhói ≤600 oC:

t =t +1, 2S+10, o

max

( tb)

∆ = ư và không được lấy nhỏ hơn 10 oC; à là hệ số khuếch tán nhiệt không

đều theo chu vi ống; qmax là cường độ dòng nhiệt lớn nhất hay suất phụ tải nhiệt lớn nhất của bề mặt hấp thu nhiệt, kW/mK; β là tỷ số giữa đường kính ngoài và đường kính trong của ốngβ =Dn/Dt =Dn/(Dnư2 )S ; S là chiều dày vách (thành) ống, mm; λ là hệ số dẫn nhiệt của kim loại ống, kW/mK

- Đối với các ống của bộ quá nhiệt đối lưu ở các lò hơi có plv≤2, 5 MPa và nhiệt độ hơi quá nhiệt không cao hơn 425 oC thì:

70 o

e- Nhiệt độ tính toán của vách các ống bộ hâm nước được tính theo các công thức sau:

- Đối với bộ hâm nước của lò có tuần hoàn tự nhiên và tuần hoàn cưỡng bức nhiều lần kiểu không sôi:

- Đối với bộ hâm nước kiểu sôi tính theo công thức của các ống sôi

- Đối với bộ hâm nước của lò hơi trực lưu:

tv = + ∆ +ttb t 40 oC (11-18)

f- Nhiệt độ tính toán của vách ống góp dàn ống sinh hơi, ống góp bộ hâm nước và bộ quá nhiệt lấy như sau:

- Đối với những ống góp không bị đốt nóng (đặt ngoài đường khói hay cách nhiệt chắc chắn) của bộ hâm nước, của dàn ống sinh hơi và ống góp hơi bão hòa của lò hơi có tuần hoàn tự nhiên và tuần hoàn cưỡng bức nhiều lần, ống góp vào của bộ hâm nước ở lò trực lưu, ta lấy:

- Đối với các ống góp của bộ quá nhiệt (trừ ống góp hơi bão hòa) lấy:

tv = + ∆ , (với ttb x t x=0, 5) (11-20)

10.3.2 Tính sức bền một số chi tiết (phần tử) của lò hơi

10.3.2.1 Chiều dày vách của chi tiết hình trụ chịu áp suất bên trong (bao hơi, ống góp):

Chiều dày vách của chi tiết hình trụ chịu áp suất bên trong (bao hơi, ống góp)

được xác định theo các công thức sau:

- Khi tính theo đường kính trong ta có:

2

t

cp

p D

p

ϕ σ

- Khi tính theo đường kính ngoài ta có:

ng

cp

p D

p

ϕ σ

trong đó:

p là áp suất tính toán, MPa;

Dt và Dng là đường kính trong và đường kính ngoài, m;

ϕ là hệ số bền của chi tiết bị yếu đi do các mối hàn hay có các lỗ để nối ống;

cp

σ là ứng suất cho phép của vật liệu, MPa;

C là bổ sung cho chiều dày tính toán của vách, khi chiều dày tấm thép nhỏ hơn

20 mm lấy C = 1 mm, khi chiều dày tấm thép lớn hơn 20 mm lấy C = 0

11.3.2.2 Chiều dày vách đáy bao hơi có dạng elip hay dạng cầu:

Chiều dày vách đáy bao hơi có dạng elip hay dạng cầu được xác định theo công thức sau:

cp t

nếu thoả mãn điều kiện:

t

ư

Trong công thức trên ký hiệu:

p là áp suất tính toán, MPa;

D tlà đường kính trong, m;

h t là chiều cao phần lồi của đáy tính đến bề mặt bên trong, m;

cp

σ là ứng suất cho phép của vật liệu, MPa;

C là bổ sung cho chiều dày tính toán, C = 0,05 (S - C) nhưng không nhỏ hơn 1

mm;

z là hệ số tính đến sự làm yếu đáy do có các lỗ, lấy tuỳ thuộc thông số

t

d

a

=

ư :

khi a≤0, 4 lấy z = 1,0; khi 0, 4≤ < lấy a 2

(1, 252 1, 5)

z

a

=

+ ; khi a > 2 lấy z =

2(a + 2)

Hình 10.4 Đáy lồi dạng elip a - không có lỗ ở tâm; b - có lỗ ở tâm

10.3.2.3 Chiều dày vách đáy tròn phẳng và nắp phẳng :

Chiều dày vách đáy tròn phẳng và nắp phẳng được xác định theo công thức:

1 0

t

cp

S

trong đó:

K là hệ số kể đến tỷ số giữa chiều dày vách ống góp và chiều dày đáy,

1

0, 41 1 0, 23S

K

S

⎝ ⎠ phải không nhỏ hơn 0,31;

K 0 là hệ số được lấy tuỳ thuộc vào tỷ số giữa đường kính lỗ ở đáy d và đường kính trong của ống góp D t, tức là tỷ số

t

d

D :

Khi

t

d

D < 0,35 có K 0 = 1- 0,43 t

d

D ,

Khi 0, 35 0, 75

t

d D

≤ ≤ lấy K 0 = 0,85;

p là áp suất tính toán, MPa;

cp

σ là ứng suất cho phép của vật liệu, MPa

10.4.2.4 Chiều dày vách các ống bề mặt truyền nhiệt và ống dẫn:

Chiều dày vách các ống bề mặt truyền nhiệt (sinh hơi, quá nhiệt, hâm nước) và ống dẫn được xác định theo các công thức sau:

Hình 10.5 Các kiểu đáy và nắp phẳng.

Khi tính theo đường kính trong của ống:

1 2

t

cp

p d

p

Khi tính theo đường kính ngoài của ống:

1 2

ng

cp

p d

p

σ

trong đó:

p là áp suất tính toán, MPa;

,

ng t

d d là đường kính ngoài và đường kính trong của ống, m;

cp

σ là ứng suất của vật liệu làm ống, MPa;

C 1 là bổ sung cho chiều dày tính toán, thường lấy C 1= 0,5 mm