Видеоканал РЦИТ на YouTUBE


Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru


ПРОЕКТЫ ГРУППЫ КОМПАНИЙ
«Регионального Центра Инновационных Технологий»
Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов
ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
.


   Тепловые электрические станции, оснащенные мощными энергетическими блоками с паровыми котлами сверхкритических и высоких параметров пара, обеспечивают большую часть вырабатываемой в настоящее время электрической энергии и поддержание их высокой надежности и экономичности — важная народнохозяйственная задача, которую можно решить только в случае правильного выбора материалов и технологических процессов, используемых при изготовлении, монтаже и ремонте оборудования.
   Ввод новых мощных энергетических блоков сопровождается повышением блочности их изготовления и комплектности заводской поставки энергооборудования, повышением качества изготовления и технического уровня котлов, вспомогательного оборудования, деталей трубопроводов и арматуры.
   Если в предыдущие годы наблюдалось непрерывное повышение параметров пара, то в 1981 —1986 гг. произошла их стабилизация на уровне 23,5 МПа и 540/540° С для мощных энергоблоков. Эти параметры оказались близкими к оптимальным. Определенный, пока не использованный резерв, не требующий разработки новых сталей для поверхности перегрева, представляет возможность повышения температуры промежуточного перегрева до 560—570° С.
   Дальнейшее повышение температуры перегрева свежего пара и промежуточного перегрева сдерживается отсутствием подходящих сталей для высокотемпературной части пароперегревателей и паропроводов. Переход на более высокий уровень температур связан с необходимостью применения дорогих и малотехнологичных сталей и сплавов, содержащих высокий процент таких дефицитных легирующих элементов, как никель, вольфрам, молибден и др.
   Непрерывно возрастает доля котлов и трубопроводов, отработавших свой проектный ресурс, что требует разработки нормативно-технической документации, регламентирующей этот процесс. Возрастают объемы фактически выполняемых работ по де-1 фектоскопии и контролю состояния металла. Существовавшая во всем мире практика проектирования котлов и трубопроводов на срок службы до 100 тыс. ч не оправдала себя. В настоящее время разработана таблица допускаемых напряжений, позволяющих производить расчет элементов котлов и трубопроводов на 200 и даже на 300 тыс. ч. Осуществляется выпуск паропроводов на расчетный срок службы 200 тыс. ч.
   В отечественной промышленной и малой энергетике в последние годы проходят освоение и опробование топки с кипящим слоем, разрабатываются проекты котлов с топками с кипящим слоем производительностью до 420 т/ч. В эксплуатации находится большая номенклатура котлов-утилизаторов, в которых происходит снижение температуры сбросных газов различных химических и металлургических производств. Поэтому требуется проведение исследований, позволяющих обосновать правильный выбор материалов, а также дать рекомендации по совершенствованию конструкции и режимов эксплуатации энергооборудования. Удачный выбор химического состава жаропрочной стали недостаточен для обеспечения ее надежной работы в эксплуатации. Большую роль играют технология металлургического производства (шихтовка, способ выплавки, режимы прокатки, термической обработки и др.)» а также технология изготовления и монтажа элементов котельного агрегата (гибка, сварка, последующая термическая обработка). И только при высоком уровне технологии и культуры производства и эксплуатации можно обеспечить надежную работу современного котла.

1. ВИДЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ОБОРУДОВАНИЯ ТЭС

1.1. Условия работы металла паровых
и водогрейных котлов и трубопроводов

   Детали котлов и трубопроводов имеют конструкционные концентраторы напряжений в виде отверстий для приварки штуцеров, патрубков, резкие переходы сечений и т. п. При пусках, остановах, переходных режимах в трубной системе и барабанах котлов возникают циклические напряжения. Поэтому для снятия пиков местных напряжений в условиях сложного напряженного состояния без опасности образования трещин металл этих элементов должен обладать высокими пластическими свойствами.
   Трубы поверхностей нагрева омываются горячими топочными газами с одной стороны и паром или водой с другой стороны. В современных паровых котлах пар перегревается до температуры 545—570° С. Температура металла труб поверхностей нагрева существенно выше температуры пара на выходе из котла. Это определяется неравномерной раздачей пapa по змеевикам и неравномерным обогревом труб газами, а также неизбежным перепадом температур между наружной обогреваемой и внутренней охлаждаемой поверхностями труб и теплоносителем.
   Металл при высоких рабочих температурах снижает прочность, возникают новые явления^ которые не наблюдаются при комнатной температуре: металл начинает накапливать пластическую деформацию при относительно, низких напряжениях,, снижаются его пластические свойства при длительном нагружении, ухудшается структура, а на поверхности интенсивно протекают коррозионные процессы.
   В более тяжелых температурных условиях работают необогреваемые стойки и подвески труб поверхностей нагрева и элементы конструкций горелок. К их материалам предъявляются высокие требования в отношении коррозионной стойкости.
   Хвостовые поверхности нагрева и стальные газоходы паровых котлов, в которых сжигаются топлива с большим содержанием серы, подвержены низкотемпературной сернистой коррозии. На этих относительно холодных поверхностях происходит конденсация паров серной кислоты.
   При сжигании сильно забалластированных топлив происходит интенсивный эрозионный износ труб поверхностей нагрева в результате воздействия абразивных частиц золы.
   Эрозионному износу из-за влияния потоков воды или пара подвержены регулирующие и запорные органы пароводяной арматуры, рабочие элементы питательных насосов и т. п.
   На внутренних поверхностях труб котла, барабанов, камер и трубопроводов протекает коррозия в воде или паре, происходит образование отложений, забивание изгибов труб поверхностей нагрева продуктами, коррозии. При этом ухудшается теплообмен, так как слой оксидов, обладающий низкой теплопроводностью, вносит добавочное термическое сопротивление.
   Все перечисленные факторы влияют на надежность котла в Целом. Под термином надежность понимается свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или наработки. Надежность котлов обеспечивается путем правильного выбора материалов, стабильности свойств материалов как результата отработанности и неизменности металлургического цикла их производства и технологического цикла на котлостроительном заводе, совершенства конструкции, высокого качества монтажа, эксплуатации и ремонта. 
   Правильный выбор материалов котла является важным условием его надежности и экономичности в эксплуатации, рационального расходования металла, а также технологичности при изготовлении, монтаже и ремонте.

1.2. Упругая и пластическая деформация котельных сталей

   В деталях котлов и трубопроводов под воздействием внутреннего давления и других нагрузок возникают напряжения, вызывающие деформацию.
   Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, пластической, остающейся после снятия нагрузки. Начальные малые деформации являются всегда упругими. Только после достижения определенной упругой деформации в стали возникают остаточные явления, вызывающие пластическую деформацию. Рассмотрим несколько подробнее, что происходит в кристаллической решетке металла при его нагружении.
   В кристаллической решетке любого металла атомы располагаются правильными рядами. Между положительно заряженными ионами металла в кристаллической решетке существуют электростатические силы отталкивания. Одновременно действуют электростатические силы притяжения между положительно заряженными ионами и отрицательно заряженными электронами, образующими электронный газ. Взаимодействие между ионами и электронами осложняется быстрым перемещением электронов. В результате этого возникают электродинамические силы. Когда ионы металлов отстоят друг от друга на расстоянии, равном параметру решетки, силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. Приложение небольшого напряжения сдвига вызовет смещение одновременно всей верхней части кристалла относительно нижней. Такой сдвиг называется синхронным.

1.3. Хрупкое разрушение сосудов и. трубопроводов

   В связи с ростом габаритов и усложнением условий эксплуатации неоднократно отмечались хрупкие разрушения трубопроводов, сосудов давления, литых корпусов крупногабаритной арматуры и т. д. Конструкции, которые согласно классическим методам расчета должны были бы надежно работать, внезапно разрушались. На основании экспериментальных исследований и теоретического анализа потребовалось создать методики расчета инженерных конструкций на стойкость против хрупкого разрушения.
   В котельной технике хрупкое разрушение барабанов, трубопроводов большого диаметра, сосудов, работающих под давлением, возможно в периоды гидравлических опрессовок. До настоящего времени проверка на стойкость к хрупкому разрушению котельного оборудования не проводится. Однако на аналогичном оборудовании атомных электростанций необходимость проведения такой оценки общепризнана. Проверку на стойкость против хрупкого разрушения проходят корпуса реакторов и парогенераторов, компенсаторы объема и пр. Целесообразно в практику инженерных расчетов барабанов, трубопроводов большого диаметра и сосудов давления, выполняемых из перлитных сталей, также ввести оценку стойкости конструкций против внезапного хрупкого разрушения.
   За последние годы появился новый раздел в науке о прочности материалов и конструкций — механика разрушения .
   Английским ученым Гриффитсом высказана идея о том, что трещина, существующая в твердом теле, получает лавинообразное развитие в случае, когда скорость освобождения энергии упругой деформации превосходит прирост поверхностной энергии трещины.

   Для оценки стойкости материала к хрупкому разрушению чаще используется критерий КIс — коэффициент интенсивности напряжений в условиях плоской деформации при трехосном растяжении. Это важный технический прочностный критерий, дополняющий сведения о прочностных свойствах материала, получаемые при испытании на растяжение гладких образцов. Количественно критерий КIс является той предельной величиной, к которой стремится Кс при увеличении размера образца. Критерий KIс называют критерием Ирвина.
   Разброс экспериментальных значений KIс для данного материала может быть существенным. В инженерных расчетах и при оценке работоспособности материала следует ориентироваться на нижнюю границу доверительного интервала значений KIс, а не на среднюю величину, что должно обеспечить надежность эксплуатации конструкции.

   За критическую температуру хрупкости материала принимают наибольшую из двух:
   1. Первая — температура, при которой доля волокнистого излома составляет 50% всей поверхности излома;
   2. Вторая — температура, при которой ударная вязкость составляет 60 Дж/см2.
   Температура гидравлического испытания должна быть на 30° выше температуры перехода в хрупкое состояние.

1.4. Влияние высоких температур на механические свойства сталей

   Котельные стали должны обладать достаточно высоким комплексом механических свойств при комнатной и рабочей температурах. Как отмечалось, важными характеристиками механических свойств котельной стали при комнатной температуре являются временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость.
   Временное сопротивление и предел текучести — количественные характеристики, определяющие, какие напряжения можно допускать в элементах паровых котлов (до определенного уровня температур).
   Относительное удлинение, относительное поперечное сужение и ударная вязкость — качественные характеристики; они определяют технологические свойства стали и ее способность воспринимать перегрузки под влиянием местной пластической деформации, а также в известной степени характеризуют качество изготовления стали. В случае грубых дефектов — сильной ликвации (неоднородности химического состава), большого количества неметаллических включений, наличия остатков усадочной раковины или рыхлости и т. п. эти качественные характеристики существенно снижаются.
   При повышении температуры характеристики механических свойств стали изменяются. С повышением температуры испытания углеродистых сталей характер кривых растяжений изменяется. При комнатной температуре на кривой наблюдается отчетливо выраженная площадка текучести; с повышением температуры она становится меньше и около 300° С исчезает.

   Методика испытаний на растяжение при повышенных температурах регламентирована ГОСТ 9651-84.
   Результаты испытаний на растяжение при высоких температурах зависят от скорости нагружения. Особенно заметно влияние скорости нагружения на предел текучести — чем больше скорость нагружения, тем выше предел текучести.

   Определение ударной вязкости при повышенной температуре должно проводиться в соответствии с ГОСТ 9454-78 * по методу испытания на ударный изгиб в интервале температур от —100 до +1000° С. Метод основан на измерении работы разрушения образца с концентратором напряжений путем одного удара маятникового копра (обозначаемой буквой К). Под ударной вязкостью понимают работу, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора (которую обозначают буквами КС).
   Концентратор напряжения может быть трех типов:
     1. U-образный (образец типа Менаже);
     2. V-образный (образец типа Шарпи) и
     3. V-образный с наведенной усталостной трещиной (типа Т).
   Образцы, испытываемые при температуре от 20 до 100° С, нагревают обычно в воде. При температурах испытания выше 100° С образцы нагревают в печи. Температуру в печи измеряют с точностью ±5° С (при температуре нагрева до 600° С). Образец перегревают с таким расчетом, чтобы при переносе его на копер и установке на нем температура снизилась до заданной.
   Работа, затраченная на разрушение, определяется по шкале маятникового копра и обозначается KU, KV, КТ в зависимости от типа образца.

   После холодного пластического деформирования малоуглеродистая сталь становится прочнее в процессе длительного пребывания даже при комнатной температуре. Одновременно снижаются ее пластичность и ударная вязкость. Этот процесс называется естественным старением. Нагрев наклепанной стали до 250—300° С резко ускоряет процесс старения — происходит искусственное старение. Ударная вязкость может снизиться при этом до 10—15% исходной. Особенно резко эффект старения проявляется, когда степень пластической деформации составляет 3—10%. Такие деформации наблюдаются при гибке, клепке, вальдовке. Старение — одна из причин образования трещин в вальцовочных соединениях из малоуглеродистой стали.
   Старение наклепанной стали вызвано ускоренным распадом пересыщенных растворов углерода и азота в феррите с образованием мелкодисперсных карбидов и нитридов. Наклеп вызывает искажение кристаллической решетки и снижение растворимости. При комнатной температуре процесс старения затягивается из-за малой скорости диффузии.
   Борьба со старением заключается главным образом в раскислении стали алюминием, который образует устойчивые нерастворимые в железе нитриды и устраняет возможность перехода азота в пересыщенный твердый раствор. Аналогичное влияние оказывают титан, ванадий и цирконий, также образующие устойчивые нитриды.
   Процесс старения предотвращает закалка или нормализация с последующим отпуском при 600—650° С, при котором выделившиеся нитриды и карбиды коагулируют в крупные включения, мало снижающие ударную вязкость.
   Повышенное содержание углерода в стали уменьшает склонность к старению. Поэтому не следует применять стали с очень низким содержанием углерода. Для изготовления элементов котла, работающих под давлением, обычно применяют сталь с содержанием углерода 0,15—0,25%.
   Механическим старением называется процесс повышения прочности и снижения ударной вязкости холоднодеформирован-ной стали после длительного вылеживания или кратковременного нагрева до 100—300° С.
   Испытания на склонность стали к старению проводят в соответствии с ГОСТ 7268-82 *, который распространяется на стальные листы и полосу с номинальной толщиной 5 мм и более. Чувствительность стали к механическому старению определяется по изменению ударной вязкости стали, подвергнутой деформации и нагреву, по сравнению с ударной вязкостью в исходном состоянии.

1.5. Ползучесть и длительная прочность

   Металл деталей котлов и трубопроводов, работающий при температурах выше 450° С, подвержен ползучести.
   Ползучесть — это явление, заключающееся в том, что металл, нагруженный при постоянной высокой температуре, медленно и непрерывно пластически деформируется под воздействием постоянных во времени напряжений.
   В результате развития ползучести увеличивается диаметр и уменьшается толщина стенок труб. Деталь, проработавшая определенное время в условиях ползучести, разрушается при пластической деформации, во много раз меньшей, чем при кратковременной перегрузке при той же температуре. Повышение рабочих температур на тепловых электростанциях привело к тому, что многие детали* работают в условиях, при которых появляется ползучесть.
   Испытания на ползучесть проводятся в соответствии с требованиями ГОСТ 3248-81 *.
   Сущность метода состоит в том, что образец подвергается постоянной растягивающей нагрузке при постоянной температуре, причем фиксируется удлинение образца во времени.

   По современным представлениям разрушение в процессе ползучести подготовляется постепенно. Процесс накопления повреждений в металле можно представить в виде суммы двух элементарных процессов:
   1.Зарождения новых пор и
   2. Роста уже образовавшихся.
   Существуют три основных механизма образования устойчивого зародыша поры:
     1.1. первый — образование ступеньки на границе зерен либо в результате проскальзывания зерен друг по другу, либо из-за скольжения в зернах;
     1.2. второй — на стыке трех зерен;
     1.3. третий — путем скопления вакансий у каких-либо препятствий.

   Опыт исследования большого числа труб поверхностей нагрева котлов и прямых участков трубопроводов, разрушившихся или получивших повреждения из-за ползучести при высоких температурах, говорит о том, что первые трещины всегда зарождаются в поверхностных слоях. К такому же выводу приводят исследования изломов и шлифов цилиндрических образцов, испытанных на длительную прочность при растяжении, а также трубчатых образцов, разрушенных при испытании внутренним давлением на длительную прочность в лабораторных условиях.
   В поверхностных слоях пластическая деформация протекает в других условиях, чем во внутренних объемах — каждый кристаллит может относительно свободно перемещаться, так как стеснен лишь с трех сторон другими кристаллитами. Если это явление не играет, видимо, решающей роли при пластической деформации в области низких температур, когда связь между кристаллитами по их границам очень сильна, то при высоких температурах, когда наблюдается зернограничное скольжение, более легкое перемещение поверхностных кристаллитов в процессе ползучести может служить одной из основных причин, приводящих к образованию трещин в поверхностных слоях.
   При относительно низких температурах и высоких напряжениях накопление деформации при ползучести происходит путем сдвигов и в конечном счете путем перемещения дислокаций. При высоких температурах и малых приложенных напряжениях основным механизмом накопления пластической деформации служит диффузионная подвижность атомов. И в этом, и в другом случае поверхностные слои должны служить местом образования первых трещин.

 Подтверждением того, что поверхностные слои являются областью накопления дефектов и что именно отсюда начинается разрушение, может служить известный факт повышения срока службы образцов при испытании на длительную прочность при периодическом травлении их поверхности. В процессе разрушения металла из-за ползучести важную -роль играют оксидные пленки, находящиеся на его поверхности и играющие роль стопоров для выхода дислокаций.

   Подтверждением того, что поверхностные слои являются областью накопления дефектов и что именно отсюда начинается разрушение, может служить известный факт повышения срока службы образцов при испытании на длительную прочность при периодическом травлении их поверхности.
   В процессе разрушения металла из-за ползучести важную -роль играют оксидные пленки, находящиеся на его поверхности и играющие роль стопоров для выхода дислокаций.
   В результате длительной работы в условиях ползучести подготавливается разрушение металла. Напряжения, вызывающие разрушения, могут быть существенно меньше временного сопротивления при данной температуре.
   Способность металла сопротивляться разрушению при воздействии высокой температуры и напряжений характеризуется пределом длительной прочности — напряжением, приводящим металл при данной температуре через определенный промежуток времени к разрушению.
   Методы испытания металлов на длительную прочность регламентированы ГОСТ 10145-81*.

1.6. Релаксация напряжений

   Релаксацией называется процесс самопроизвольного затухающего снижения напряжений при постоянной суммарной деформации и неизменной высокой температуре.
   Релаксация напряжений наблюдается в шпильках фланцевых разъемных соединений, в трубах паропроводов, подверженных напряжениям самокомпенсации тепловых расширений, в пружинах ит. п.
   Типичный пример изделия, работающего в условиях релаксации — шпилька фланцевого соединения. Для обеспечения плотг ности зеркало фланца должно быть прижато к прокладке с определенным усилием, создающим требуемое удельное давление на поверхности контакта. С течением времени напряжение в шпильках, созданное первоначальным натягом, снижается в результате релаксации, и возникает опасность разгерметизации фланцевого соединения.
   В однородных и изотропных твердых телах явление релаксации напряжений можно рассматривать как процесс ползучести при изменяющемся во времени напряжении и неизменной суммарной деформации.
   Реальные условия нагружения шпилек фланцевых разъемов осложняются несколько податливостью во времени прокладочных материалов.
   Вследствие снижения напряжений в шпильках при релаксации уменьшается удельное давление на прокладку фланцевого соединения и возникает опасность нарушения плотности. Чтобы избежать этого, шпильки после определенного срока работы подтягивают. После каждого последующего подтягивания релаксационная кривая идет более полого, напряжения в шпильках снижаются не так быстро. Время до последующего подтягивания может быть значительно большим, чем до предыдущего.

   Более трудоемки и сложны испытания на релаксацию при растяжении. Так как между результатами испытаний кольцевых образцов и испытаний на растягивание получается хорошее совпадение, проводят преимущественно испытания на кольцевых образцах.
   В качестве характеристик релаксационной стойкости сталей и сплавов используются:
     - оставшееся напряжение,
     - падение напряжения,
     - ресурс напряжения и
     - скорость релаксации.
   1. Оставшееся напряжение — это напряжение, которое остается после релаксации при нагружении начальным напряжением ао через промежуток времени т. Эта характеристика наиболее часто используется в качестве критерия релаксационной стойкости материала. При этом для сравнения необходимо приводить данные при одних и тех же температурах, начальных напряжениях и длительностях нагружения.
   2. Падение напряжения — снижение напряжения за заданный промежуток времени:
∆σ = σ0 - στ.
   3. Ресурс напряжения — отношение оставшегося напряжения к первоначальному, выраженное в %: R = στ0 - 100%. Ресурс напряжения является функцией начального напряжения, температуры и времени.
   4. Скорость релаксации можно рассматривать как мгновенную, т. е. dσ/dτ или как среднюю за промежуток времени ∆σ/∆τ. Последнюю будем обозначать υρ.
   Накопление деформации при релаксации может привести к образованию трещин в детали и ее разрушению. Последние могут образоваться в местах конструктивных концентраторов напряжений. Так, например, шпильки в эксплуатации повреждаются путем образования трещины по первому, наиболее нагруженному, витку от корня резьбового профиля.

 1.7. Усталость и термическая усталость

   Повреждение деталей котлов и трубопроводов в ряде случаев вызваны малоцикловой термической усталостью металла. Нагрузки, изменяющиеся во времени, возникают при пусках и остановках, а также при переходных режимах. Эти нагрузки связаны с изменением температуры и давления рабочей среды и играют все большую роль в обеспечении надежности в связи с увеличением использования энергоблоков в маневренных режимах.
   Усталость металлов — явление разрушения в результате многократных повторных нагружений. Процесс усталости связан с постепенным накоплением дефектов кристаллической решетки. В процессе многократных нагружений в металле может возникнуть трещина, развивающаяся постепенно до момента, когда происходит внезапное хрупкое разрушение.
   Усталостное разрушение может вызывать напряжение меньше предела текучести и даже меньше предела упругости. Разрушение усталостного характера можно наблюдать на валах или лопатках дымососов и вентиляторов.
   Закон изменения напряжения во времени может быть произвольным. Лабораторные исследования усталостной прочности обычно проводят при циклически изменяющихся напряжениях, когда величина напряжения изменяется во времени по синусоидальному закону, а максимальное напряжение в цикле по абсолютной величине равно минимальному и противоположно по знаку.
   Такие напряжения характерны для вращающихся деталей машин. Цикл называется симметричным и характеризуется одним напряжением.

   Чтобы не вызывать заметной концентрации напряжений, детали, работающие на усталость, стараются выполнять с плавными переходами. Чем чище обработана поверхность, тем выше предел усталости. При повышении рабочей температуры предел усталости обычно уменьшается.

   Термическая усталость — разрушение от периодически возникающих и изменяющихся во времени термических напряжений, обусловленных расширением металла деталей при нагревании или сжатием при охлаждении. При быстром нагреве или охлаждении поверхности толстостенной детали по ее сечению возникает перепад температур. Разность температур в детали приводит к образованию термических напряжений. Так, в нагреваемом стержне наружные слои нагреваются сильнее. Если бы они не были связаны с внутренними слоями, то длина их увеличилась бы в соответствии с законом линейного расширения, однако внутренние, более холодные слои препятствуют этому расширению. В результате этого наружные слои оказываются сжатыми, а внутренние — растянутыми. При охлаждении характер напряжений изменяется в обратном порядке.
   В деталях котлов и трубопроводов при резком наборе или сбросе нагрузки, а также при аварийных остановках могут возникать напряжения, превышающие предел текучести. Повторное многократное приложение таких напряжений приведет к разрушению от малоцикловой усталости. Для этих напряжений обычно свойствен случайный характер изменения во времени при асимметричном цикле. В процессе изменения температурных напряжений возникает:
     - упругая деформация,
     - упруго-пластическая статическая или
     - упруго-пластическая деформация по механизму ползучести.

   1. Усталость в упругой области — малоцикловая усталость.
   2. Усталость в упруго-пластической области — малоцикловая усталость.
   3. При упруго-пластической деформации по механизму ползучести накладываются два процесса: усталость и ползучесть.
   Величина термических напряжений и вызываемая ими деформация зависят от степени стеснения деформации. При свободном расширении равномерно нагреваемого стержня степень стеснения деформации отсутствует; температурные напряжения равны нулю.

   Основным параметром, влияющим на накопление повреждаемости за цикл термического воздействия на металл, является суммарная пластическая деформация, которая и используется для количественной оценки долговечности при многократном термоциклировании.
   Термические напряжения пропорциональны и температуре. Механические свойства сталей и сплавов и в меньшей степени коэффициент линейного расширения зависят от температуры. При одинаковом термоцикле число циклов до разрушения тем меньше, чем выше максимальная температура цикла.
   На долговечность влияют частота изменений температуры, длительность периода выдержки между термическими циклами и агрессивность рабочей среды. Трещины термической усталости соответствуют обычно так называемой малоцикловой усталости, т. е. макротрещина появляется при 102—105 циклах.
   Термические напряжения достигают максимума на поверхности детали, где и образуются трещины. Так как при термическом воздействии определяющими напряженного состояния являются тепловые расширения, то термические напряжения релак-сируют со временем. Поэтому трещины термической усталости обычно распространяются с затухающей во времени скоростью. После образования первых трещин в; их окрестностях термические напряжения снижаются из-за повышения локальной податливости металла; новые трещины возникают на соседних участках металла. Для термической усталости характерна сетка трещин.
   На образование трещины определенное влияние оказывают неровности поверхности, играющие роль концентраторов напряжений. Чем более гладкая поверхность, тем больше циклов выдерживает деталь до образования трещин. Наличие коррозионно-активной среды ускоряет появление и рост трещин термической усталости.

   Механизм пластической деформации и накопления повреждаемости при термической усталости сочетает в себе механизмы ползучести и усталости.
   Углеродистые стали менее стойки против тепловой усталости, чем низколегированные стали перлитного класса.
   Термической усталости подвержены внутренние поверхности паропроводов в местах впрыска воды для регулирования температуры перегрева пара, паропроводы в местах заброса конденсата из дренажных линий; чередующиеся нагревы и охлаждения могут происходить при пульсации границы раздела между паром и водой в переходной зоне прямоточного котла докритических параметров при периодической подаче относительно холодной питательной воды в барабан котла, при движении пароводяной смеси по горизонтальным или слабонаклонным трубам, обогреваемым топочными газами. В этом случае количество циклов за срок службы трубы поверхности нагрева или трубопровода существенно превышает 104
   Трещины, возникающие в трубе из-за термической усталости, могут быть продольными и кольцевыми.


2.  КОТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ И ПОЛУФАБРИКАТЫ ИЗ НИХ

2.1. Углеродистые стали

   Для изготовления деталей котлов, вспомогательного оборудования и трубопроводов широко применяются низкоуглеродистые стали, содержащие до 0,25% углерода, до 0,8% марганца и до 0,4% кремния (остающихся после раскисления), а также вредные примеси — до 0,055% серы и до 0,045% фосфора. Эти стали хорошо поддаются обработке давлением, гибке и правке в горячем и холодном состоянии, хорошо свариваются. Низкоуглеродистые стали относительно дешевы, не дефицитны и обладают удовлетворительными механическими свойствами при комнатной и повышенных температурах (до 450—500° С).
   Структура низкоуглеродистой стали .состоит из феррита и перлита.

   Феррит — твердый раствор углерода в ос-железе. Атомы углерода образуют раствор внедрения; они имеют существенно меньшие размеры, чем атомы железа, и располагаются в кристаллической решетке в промежутках между атомами железа. Феррит — относительно мягкая и пластичная структурная составляющая низкоуглеродистой стали. В феррите при комнатной температуре растворяется только около 0,006% углерода. При большем содержании углерод образует химическое соединение РезС, называемое цементитом. Это соединение имеет сложную кристаллическую решетку. Цементит тверд и относительно хрупок.
   В низкоуглеродистой стали при очень небольшом содержании углерода в процессе медленного охлаждения хрупкий цементит может выпадать по границам зерен феррита. При такой структуре стальные детали плохо переносят ударную нагрузку. Раньше в котлостроении применялись стали с очень низким содержанием углерода, так как такие стали хорошо гнутся, штампуются и т. п.
   В настоящее время широко используются стали, содержащие более 0,10—0,12% С, в которых не наблюдается выпадения цементита по границам зерен даже при очень медленном охлаждении.
   Слово феррит произошло от латинского слова fеrrum — железо; феррит — аллотропическая модификация кристаллов железа, имеющих структуру объемно-центрированного куба.

   При содержании углерода более 0,025% в стали наряду с ферритом наблюдается вторая структурная составляющая — перлит, представляющая собой механическую смесь феррита и цементита. Перлит прочнее и тверже феррита. Свое название перлит получил из-за того, что шлиф стали, состоящий из одного перлита, когда его приготавливают для металлографического исследования под микроскопом, слегка переливается, как перламутр. Чем выше содержание углерода в стали, тем большую долю структуры занимают перлитные участки.

   Углерод — элемент, в основном определяющий свойства углеродистых сталей. Влияние углерода на прочность и пластичность углеродистой стали после прокатки показано на рис. 2.1. С увеличением содержания углерода возрастают временное сопротивление, предел текучести и твердость стали, снижаются показатели пластичности (относительное удлинение и относительное сужение), а также ударная вязкость. При 0,8% углерода прочность стали достигает максимального значения, после чего она начинает снижаться.
   Изменения свойств стали в зависимости от содержания углерода вызваны структурой. При увеличении содержания углерода до 0,8% в структуре стали непрерывно возрастает содержание более прочной и менее пластичной структурной составляющей — перлита. При 0,8% углерода вся структура состоит из перлита. При большем содержании углерода избыточный цементит образует оторочку вокруг перлитных зерен.
   Стали, содержащие более 0,8% углерода, используются как инструментальные.

   Марганец вводят в любую сталь для раскисления, т. е. для устранения вредных включений гемиоксида (закиси) железа. Марганец растворяется в феррите и цементите, поэтому обнаружить его металлографическими методами невозможно. Марганец повышает прочность стали и сильно увеличивает прока-ливаемость. Содержание марганца в углеродистой стали отдельных марок может достигать 0,8%.

   Кремний, подобно марганцу, является раскислителем, но действует более эффективно. В кипящей стали содержание кремния не должно превышать 0,07%. Если кремния будет больше, то раскисление кремнием произойдет настолько полно, что не получится «кипения» жидкого металла за счет раскисления углеродом. В спокойной углеродистой'стали содержится от 0,12 до 0,37% кремния, что заметно повышает прочность и твердость стали.

   Сера—вредная примесь. В стали обыкновенного качества содержание серы допускается до 0,055%.
   Присутствие серы в большом количестве приводит к образованию трещин при ковке, штамповке и прокатке в горячем состоянии. Это явление называется красноломкостью.
   В углеродистой стали сера взаимодействует с железом, в результате чего получается сернистое железо. Сернистое железо образует с железом относительно легкоплавкую эвтектику, которая располагается по границам зерен. При температурах ковки, горячей штамповки и прокатки эвтектика находится в жидком состоянии. В процессе горячей пластической деформации по границам зерен образуются трещины.
   Если в сталь ввести достаточное количество марганца, то вредное влияние серы уменьшается, так как она связывается в тугоплавкий сульфид марганца, включения которого располагаются в середине зерен а не по их границам. При горячей обработке давлением включения сернистого марганца легко деформируются без образования трещин.

   Фосфор также является вредной примесью; растворяясь в феррите, резко снижает пластичность, повышает температуру перехода в хрупкое состояние или, иначе, вызывает хладноломкость стали. Это явление наблюдается при содержании фосфора свыше 0,1%. Однако допустить содержание даже 0,05% Р для стали ответственного назначения рискованно. При затвердевании слитка фосфор распределяется в металле не совсем равномерно. Области слитка с повышенным содержанием фосфора становятся хладноломкими. В мартеновской стали обыкновенного качества допускается содержание фосфора не более 0,045%.
   В процессе выплавки углеродистой стали из металлического лома в качестве примесей в нее могут попасть никель, хром, медь и другие элементы. Эти примеси ухудшают технологические свойства углеродистой стали (в частности, свариваемость), поэтому их содержание стараются свести к минимуму.

   Кислород—вредная примесь и может растворяться в феррите в очень небольших количествах. В плохо раскисленной стали кислород образует включения гемиоксида железа. Взаимодействуя с марганцем или кремнием, он образует гемиоксид марганца МпО, оксид кремния SiO2 или силикат марганца (МпО)2* SiO23.
   Оксиды имеют меньшую плотность, чем железо, всплывают при застывании слитка и переходят в шлак. Если они не успели всплыть до перехода металла в твердое состояние, то в металле наблюдаются оксидные неметаллические включения, которые вызывают подобно сере красноломкость стали. Очень твердые частицы оксидов марганца, кремния и алюминия ухудшают обрабатываемость резанием, вызывая быстрое затупление режущего инструмента. Крупные неметаллические включения могут привести к снижению прочности детали, особенно при наличии концентраторов напряжений.
   Углеродистые стали классифицируются по качеству, которое определяется содержанием серы и фосфора, способом производства и разбросом показателей химического состава и механических свойств. Чем меньше содержание вредных примесей, чем уже пределы изменения механических свойств и содержания химических элементов, тем выше качество стали. Углеродистые стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные.
   Существенное влияние на механические свойства и работоспособность готовых изделий оказывают особенности производства стали и стальных полуфабрикатов.
   Наилучшим комплексом свойств обладают низкоуглеродистые стали, выплавленные в электрических и мартеновских печах. Сталь, полученная в конвертерах с кислородным дутьем и основной футеровкой, приближается по своим свойствам к мартеновским.
   Большое влияние на свойства стали оказывает способ раскисления, в зависимости от полноты которого стали делят на спокойные, полуспокойные и кипящие.
   Современные способы производства стали завершаются получением жидкого металла. При любом способе производства к концу процесса в стали значительное количество кислорода содержится в виде гемиоксида железа. Этот кислород необходимо удалить, иначе пластичность стали будет невысокой, и сталь нельзя будет обрабатывать прокаткой, ковкой или прессованием.
   Спокойную сталь раскисляют сначала ферромарганцем, потом ферросилицием и заканчивают раскисление при выпуске стали из печи обычно алюминием. Этим достигается высокая степень раскисления, благодаря чему в процессе кристаллизации слитка стали не происходит бурного выделения газов.
   Кипящую сталь до разливки раскисляют только ферромарганцем. При этом в жидком металле остается некоторое количество гемиоксида железа. После разливки стали в изложницы в незат-вердевшем металле протекает реакция самораскисления углеродом. Выделяющаяся газообразная закись углерода перемешивает жидкий металл,- он бурлит и выделяет искры. Создается впечатление, что сталь кипит — отсюда и название этой стали — кипящая. По качеству, механическим свойствам, коррозионной стойкости кипящая сталь уступает спокойной, но она дешевле, так как при ее производстве получается меньше отходов. Кипящей выплавляют только малоуглеродистую сталь, содержащую до 0,25% С.
   Сталь, занимающая по степени раскисления промежуточное положение между спокойной и кипящей, называется полуспокойной, ее можно выплавлять с содержанием углерода до 0,40— 0,45%.
   Обозначение марок кипящей стали сопровождается буквами «кп», полуспокойной — «пс». Марки спокойной стали либо не сопровождаются какими-либо буквенными обозначениями, указывающими способ раскисления, либо сопровождаются буквами «СП».

   Стандартами и техническими условиями на углеродистую сталь устанавливаются маркировка, химический состав, способ производства и раскисления, механические свойства и правила приемки.
   Углеродистая сталь обыкновенного качества общего назначения поставляется по ГОСТ 380-71 * и изготавливается в мартеновских печах или конвертерах. Из углеродистой стали изготавливается сортовой прокат — швеллеры, уголки, балки, лист, трубы, проволока и т. п. ,
   В котлостроении низкоуглеродистая сталь, поставляемая по ГОСТ 380-71 *, применяется для элементов котлов, не нагруженных внутренним давлением, а также в виде листа и проката элементов котлов и трубопроводов, работающих при относительно низких температурах и давлениях.
   По ГОСТ 380-71 * сталь подразделяется на группы А, Б и В. Сталь, поставляемая с гарантированными механическими свойствами, относится к группе А. Сталь с гарантированным химическим составом — к группе Б. Сталь группы В поставляется с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.
   В группу А входят стали, маркируемые от СтО до Стб. Номер марки — условная цифра, характеризующая ее механические свойства. Чем выше номер, тем больше в стали углерода и выше ее прочностные свойства.
   Стали группы А применяются для изготовления деталей и элементов конструкции, не проходящих термической обработки. Необходимая прочность изделия обеспечивается выбором стали соответствующей марки.
   По ГОСТ 380-71 * для стали группы А регламентированы временное сопротивление, предел текучести и относительное удлинение. Для сталей марок СтО—Ст5 предусмотрена технологическая проба на холодный загиб. Сталь группы А может поставляться трех категорий, для которых должны быть обеспечены различные комбинации гарантированных показателей прочности и пластичности. Чем выше номер категории качества, тем более полный комплекс механических свойств гарантируется. Временное сопротивление и относительное удлинение гарантируются для всех категорий качества. Начиная со второй категории качества гарантируется положительный результат технологической пробы на холодный загиб (для сталей от СтО до Ст5). Для стали третьей категории поставки дополнительно гарантируется предел текучести.
   Категория поставки стали указывается в обозначении марки.

  Показатели механических свойств должны соответствовать требованиям, предъявляемым к сталям, поставляемым по группе А, и химический состав — к сталям, поставляемым по группе Б.
   Для изготовления более ответственных деталей котлов и трубопроводов применяется качественная углеродистая сталь общего назначения, поставляемая по ГОСТ 1050-74 **. Этот стандарт распространяется на горячекатаную и кованую сортовую сталь.
   Нормы химического состава ГОСТ 1050-74 ** могут распространяться на другие виды проката, слитки, поковки и штамповки. Марка стали отражает среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20, широко используемая в котлостроении в виде листа и труб, содержит около 0,20% углерода (0,17-0,24%).

   Сталь, поставляемая по ГОСТ 1050-74 **, изготавливается в основных конвертерах с продувкой кислородом сверху, в мартеновских и электрических печах.
   По комплексу гарантируемых механических свойств сталь делится на пять категорий. Механические свойства стали при комнатной температуре в состоянии после нормализации должны соответствовать требованиям, приведенным в табл. 2.2.
   Для деталей сложной формы, работающих при относительно низких температурах применяются отливки из углеродистой стали, поставляемые по ГОСТ 977-88. По этому стандарту в зависимости от назначения и требований поставляют отливки для машиностроения по трем группам: I — отливки общего назначения; II — отливки ответственного назначения; III — отливки особо ответственного назначения.
   К группе I относятся отливки для деталей, конфигурации и размеры которых определяются только конструктивными и технологическими соображениями. Эти отливки контролируют по внешнему виду, размерам и химическому составу.
   К группе II относятся отливки для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при циклических и статических нагрузках. Кроме контроля, проводимого для отливок группы I, у этих отливок проверяют механические свойства: ' временное сопротивление или предел текучести и относительное удлинение.
   К группе III относятся отливки для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при динамических ударных нагрузках. Отливки группы III проходят комплекс контроля, обязательного для отливок, поставляемых по группе II, и, кроме того, выполняются испытания их металла на ударную вязкость.
   Все отливки должны подвергаться термической обработке: нормализации, нормализации с отпуском или закалке с отпуском.

 2.2. Легированные жаропрочные и жаростойкие стали

   Легирующие примеси — элементы, специально вводимые в сталь для придания ей определенных структуры и свойств. Основные назначения легирования котельных сталей — повышение механических свойств, жаропрочности и коррозионной стойкости.
   Легирующие элементы могут растворяться в железе, образовывать карбиды и инт^металлические соединения и входить в состав включений, не взаимодействуя с кристаллами железа, а также с углеродом. В зависимости от того, как взаимодействует легирующий элемент с железом и углеродом, он по-разному влияет на свойства стали.
   В феррите в большей или меньшей степени растворяются все легирующие элементы. Растворение легирующих элементов в феррите приводит к упрочнению стали без термической обработки. При этом твердость и временное сопротивление возрастают, а ударная вязкость обычно снижается. Только хром в количестве до 1% и никель повышают ударную вязкость феррита. Никель оказывает наиболее эффективное действие: одновременно с упрочнением феррита резко повышает его ударную вязкость при комнатных и, особенно, при минусовых температурах.
   Все элементы, растворяющиеся в железе, изменяют устойчивость феррита и аустенита. По характеру влияния на полиморфные превращения все элементы могут быть разделены на две группы. Элементы первой группы: никель, марганец, медь, азот — расширяют область устойчивого состояния аустенита. При содержании этих легирующих элементов выше определенного количества сталь в интервале от комнатной температуры до перехода в жидкое состояние имеет структуру легированного аустенита. Такая сталь называется аустенитной.
   Аустенит — высокотемпературная аллотропическая модификация кристаллов железа, имеющих строение гранецентрированного куба.

   Элементы второй группы повышают устойчивость феррита. Ко второй группе относятся хром, кремний, молибден, ванадий, вольфрам, титан, ниобий и алюминий. При содержании элементов второй группы выше определенного количества сталь в интервале температур от комнатной до перехода в жидкое состояние имеет структуру легированного феррита. Такая сталь называется ферритной.
   Температура полиморфных превращений в легированной стали изменяется в зависимости от того, какие легирующие элементы и в каких количествах присутствуют в ней. Поэтому при выборе температур нагрева под закалку, нормализацию, отжиг или отпуск необходимо учитывать смещейие критических точек — температур, при которых наблюдаются полиморфные превращения. Критические точки различных легированных сталей приведены в справочниках по термической обработке и в справочниках по котлотурбинным сталям [125].
   Легирующие элементы, расположенные в периодической системе левее железа, образуют в стали карбиды, более стойкие, чем карбид железа — цементит. Под стойкостью карбидов понимается малая их способность к разложению на металл и графит, малая способность к коагуляции, т. е. к укрупнению под действием высоких температур, а также способность с трудом, растворяться в аустените при высоких температурах.
   При легировании стали карбидообразующими элементами в ее структуре образуются включения карбидов. Карбидообразую-щие элементы могут образовывать самостоятельные карбиды или замещать железо в цементите. При избытке карбидообразующих элементов по отношению к углероду эти элементы входят в твердый раствор. К карбидообразующим элементам относятся хром, вольфрам, ванадий, молибден, титан и ниобий. Включение карбидов упрочняет сталь и повышает ее твердость.
   Легирующие элементы оказывают большое влияние на распад аустенита. Все элементы, кроме кобальта, замедляют распад аустенита и повышают тем самым прокаливаемость.
   Легирующие элементы не изменяют природы мартенситного превращения, но они влияют на температуру начала и конца этого превращения. Большинство легирующих элементов снижает температуру начала мартенситного превращения, особенно марганец. Алюминий и кобальт представляют исключения: они повышают температуру начала мартенситного превращения Мн. Кремний почти не влияет на нее. Под влиянием легуриющих элементов снижается также температура конца мартенситного превращения Мк.
   Все легирующие элементы, кроме марганца, препятствуют росту зерен аустенита при нагревании стали. Марганец способствует росту зерен. -
   Легирующие элементы не оказывают заметного влияния на превращения, происходящие в закаленной стали при температуре ниже 150° С, но они сильно замедляют превращения, происходящие при температуре выше 150° С. Смесь карбида и цементита с растворенными в нем карбидообразующими элементами менее склонна к коагуляции, чем чистый цементит. Карбидообразую-щие элементы особенно сильно замедляют превращения, происходящие при отпуске. Легирующие элементы, не образующие карбидов, также затрудняют отпуск закаленной стали, но влияние их обычно слабее. Наиболее сильно из элементов, не образующих карбидов, влияет кремний. Легированный мартенсит устойчивее нелегированного. Поэтому отпуск закаленной стали производят при более высоких температурах и при более длительных выдержках.
   Таково в общих чертах влияние легирующих элементов на структуру и свойства легированных сталей.

   Молибден эффективно повышает прочность стали при высоких температурах и вводится в стали обычно совместно с хромом, который повышает стойкость карбидов, препятствуя графитизации стали в процессе длительной эксплуатации при высоких температурах (графитизация — распад карбидов на металл и графит). В сталях перлитного класса содержание молибдена может находиться в пределах от 0,15 до 1,2%. Молибден вводится в состав некоторых аустенитных сталей для повышения коррозионной стойкости. Окалиностойкости молибден не повышает.

   Хром вводится в низколегированные стали для повышения устойчивости карбидов и для улучшения окалиностойкости. Содержание хрома в перлитных сталях может находиться в пределах от 0,5 до 2,5%. Хром способствует повышению прокаливаемости. В процессе сварки толстостенных труб из перлитных хромистых сталей из-за повышенной их склонности к образованию мартенсита приходится применять предварительный и сопутствующий подогрев, чтобы избежать образования трещин. Хром недорог и недефицитен.
   Стали с большим содержанием хрома (более 12%) при очень малом содержании углерода (0,08%) в отличие от углеродистых и низколегированных сталей при нагреве вплоть до температуры плавления не изменяют своей ферритной структуры, так как хром делает устойчивой объемно-центрированную решетку а-железа.
   Такие стали относятся к ферритному классу. Для измельчения зерна они не могут быть подвергнуты перекристаллизации. При работе конструкций, изготовленных из этих сталей, в условиях высоких температур наблюдается интенсивный рост зерна, в результате чего снижаются пластичность стали и ее способность воспринимать динамические нагрузки. Первоначальные механические свойства не могут быть восстановлены термической обработкой. Стали ферритного класса нельзя закалить на мартенсит.

   Никель, дорогой и дефицитный легирующий элемент, вводится в аустенитные жаропрочные стали в количестве не менее 9% для получения аустенитной структуры. Вместе с никелем вводится хром. Для снижения склонности к меж-кристаллитной коррозии в аустенитные стали вводится титан-и ниобий, которые связывают практически весь углерод в термически устойчивые карбиды. Избыточное содержание титана и ниобия приводит к образованию интерметаллических соединений и, как следствие, к охрупчиванию стали. Никель повышает коррозионную стойкость аустенитных сталей. В перлитную сталь, идущую для изготовления барабанов, вводится никель в количестве около 1% для повышения предела текучести и улучшения сопротивлению хрупкому разрушению.

   Ванадий способствует повышению прочности в условгях длительной эксплуатации при высоких температурах. Ванадий измельчает зерно стали и образует очень устойчивые карбиды. Присадка ванадия в количестве более 0,2—0,4% снижает окалиностойкость.

   Кремний и алюминий вводятся обычно совместно или раздельно для повышения окалиностойкости хромистых сталей. На поверхности детали образуется прочная пленка сложного оксида железа, хрома, кремния и алюминия, отличающаяся хорошими защитными свойствами.

   Бор вводится в сталь в небольшом количестве (0,002—0,005%) для повышения прочности при высоких температурах. Присадка бора ухудшает свариваемость сталей.

   Титан и ниобий в малоуглеродистых сталях снижают склонность к охрупчиванию из-за образования мартенсита, так как связывают углеродом труднорастворимые карбиды, тем самым понижая содержание углерода в аустените.

   Вольфрам вводится в аустенитные стали для повышения жаропрочности. Вольфрам дорог и дефицитен.

   Способ производства легированной стали может в большей степени оказывать влияние на ее свойства, чем на свойства углеродистой стали. Сталь, полученная с применением современных способов рафинирования в печи или с применением рафинирующей обработки в ковше, может обладать рядом более высоких показателей механических свойств по сравнению со сталью обычной мартеновской выплавки. Как правило, сталь, полученная методом электрошлакового переплава, вакуумно-дугового переплава, а также вакуумированная в ковше, обладает лучшими пластическими свойствами и более высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Рафинирование позволяет также получать металл весьма чистый по неметаллическим включениям. Такой металл обладает более однородными свойствами.
   В результате вакуумных или электрошлаковых процессов получается металл, содержащий существенно меньше связанного кислорода и серы. Вакуумные процессы позволяют, кроме того, уменьшить содержание вредных примесей цветных металлов, снижающих жаропрочность высоколегированных сталей и никелевых сплавов — олова, свинца и висмута. В результате улучшается горячая технологическая пластичность — способность металла к формоизменению без нарушения сплошности.

   Легированные стали классифицируются по нескольким признакам: по содержанию легирующих элементов, по числу компонентов, по микроструктуре- и по назначению.
   В зависимости от содержания легирующих элементов легированные стали делятся на три группы:
   - низколегированные, содержащие менее 2,5% легирующих добавок;
   - среднелегированные, содержащие добавки от 2,5 до 10%;
   - высоколегированные, содержащие более 10% легирующих добавок.

   Компонентами углеродистой стали являются железо и углерод. В легированной стали кроме железа и углерода компонентами являются также легирующие элементы. Следовательно, углеродистые стали — двухкомпонентные; стали, содержащие один легирующий элемент,— трехкомпонентные и т. д. Стали, содержащие пять компонентов и более, принято называть многокомпонентными или сложнолегированными.

   Классификация легированных сталей по микроструктуре несколько условна. Характерные для конкретного класса структуры получаются в результате различных режимов термической обработки. Стали ферритного, перлитного и мартенситного классов названы по микроструктурам, получаемым при охлаждении на воздухе (нормализации). Стали аустенитного класса после нагрева до температур около 1000—1200° С и резкого охлаждения — аустенизации — получают характерную структуру аустенита.
   Стали ферритного класса содержат мало углерода, свыше 13% хрома или более 2,5% кремния; применяются как нержавеющие или электротехнические стали.
   Стали перлитного класса наиболее распространены. Структура сталей этого класса после нормализации или отжига состоит из феррита и перлита или перлита и карбидов. Такие стали содержат мало легирующих примесей. Все они относятся к низко- и среднелегированным сталям, обладают хорошей обрабатываемостью режущим инструментом. Многие стали перлитного класса, содержащие 0,15—0,20% С, хорошо свариваются. Легированные стали перлитного класса широко применяются для изготовления барабанов, пароперегревателей, паропроводов роторов турбин, крепежных деталей фланцевых соединений, деталей арматуры на высокие параметры пара и т. д.
   Перлитный класс -  наиболее распространенный класс легированных сталей, к которому относятся низколегированные стали. Структура сталей этого класса после нормализации, т. е. охлаждения из области аустенита в спокойном воздухе, состоит из феррита и перлита. Эти стали хорошо свариваются.
   Стали мартенситного класса закаливаются на мартенсит при охлаждении на воздухе и относятся в основном к среднелегированным сталям. Стали применяются для изготовления, в частности, пружин и крепежа. •
   Стали аустенитного класса после закалки имеют аусте-нитную структуру. Некоторые из них сохраняют аустенитную структуру после нормализации. Эти стали содержат много никеля или марганца. Их применяют для изготовления пароперегревателей, паропроводов, арматуры на сверхвысокие и сверхкритические параметры пара. Аустенитные стали находят применение в электротехнике как немагнитные, в химическом машиностроении — как нержавеющие стали.
   По назначению легированные стали могут быть разделены на три основных класса:
   1. конструкционные,
   2. инструментальные и
   3. стали с особыми свойствами.
Каждый из этих классов подразделяется на подклассы более у   Для маркировки легированных сталей принята буквенно-цифровая система. Каждый легирующий элемент обозначается прописной русской буквой:

Марганец      Г
Кремний       С
Хром             X
Никель          Н
Молибден    М
Вольфрам       В
Ванадий         Ф Титан              T
Алюминий    Ю
Медь               Д
Ниобий           Б
Кобальт          К;
Фосфор           П
Цирконий       Ц

    Легирующий элемент обычно обозначают первой буквой его названия, но это не всегда соблюдается. Например, молибден, марганец и медь начинаются на букву М. Поэтому буквой М обозначают молибден, а два остальных элемента — буквами, входящими в их названия и не используемыми для обозначения других металлов: медь — буквой Д, а марганец — буквой Г.
   Цифры, следующие за буквой, указывают примерное содержание легирующих элементов в процентах. Если в стали содержится менее 1% легирующего элемента, то цифра не ставится. При содержании легирующего элемента от 1 до 2% после буквы ставят цифру 1.
   Двузначное число в начале марки обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента. При содержании в высоколегированных сталях менее 0,08% углерода в начале марки ставятся цифры 08.
   Так, перлитная сталь для пароперегревателей и паропроводов, содержащая 0,12% углерода, 1,1% хрома, 0,3% молибдена и 0,2% ванадия, обозначается 12Х1МФ. 2Х1МФ. Аустенитная сталь 12X18H12T содержит — 0,12% углерода, 18% хрома, 12% никеля и менее 1% титава. Сталь 08X18H12T содержит углерода до 0,08%.
   Кроме стандартной маркировки легированных сталей, распространена маркировка завода «Электросталь». Опытные и нестандартизированные стали маркируются буквами ЭИ и ЭП (электросталь исследовательской или поисковой плавки) и порядковым номером. Например, сталь 12Х14Н14В2М может маркироваться как ЭИ257.
   Легированные стали, используемые для изготовления поверхностей нагрева и паропроводов, должны обладать возможно более высокой жаропрочностью, хорошей деформационной способностью при длительной эксплуатации (длительной пластичностью), коррозионной стойкостью в среде продуктов сгорания энергетических топлив, воде и водяном ларе, а также технологичностью при сварке и гибке в горячем и холодном состоянии. Сварные соединения из этих сталей не должны быть склонны к локальным разрушениям при изгибе.
   Учитывая относительно высокую металлоемкость поверхностей нагрева, необогреваемых элементов котлов, работающих под давлением при высокой температуре, и станционных паропроводов, необходимым условием является минимальное содержание в сталях дорогих и дефицитных легирующих примесей — никеля, молибдена, вольфрама и ниобия.
   Повышение жаропрочности сталей достигается путем предотвращения или затруднения деформации при возможно более высоких температурах. Для этого стремятся воспрепятствовать зарождению элементарных актов пластической деформации упрочнением межатомных связей в матрице твердого раствора рациональным легированием, а также созданием препятствий для движения дислокаций за счет большого числа мелкодисперсных включений вторичных и третичных фаз или созданием устойчивой субструктуры.
   При выборе комплекса легирующих элементов и режима термической обработки котельной стали стремятся получить не только высокую жаропрочность, но и хорошую деформационную способность, достаточную для обеспечения высокой конструкционной прочности при наличии резких переходов сечения, гибов, сварных соединений и других концентраторов напряжения.
   Стали, используемые для изготовления труб поверхностей нагрева и паропроводов, должны обладать хорошей сопротивляемостью коррозии. Для этого на их поверхности стремятся создать защитную пленку оксидов, препятствующих окислению.
   Для повышения коррозионной стойкости в перлитные жаропрочные стали вводятся хром, кремний и алюминий. В то же время кремний и алюминий способствуют снижению жаропрочных свойств и ухудшают технологичность.
   Стали, используемые для изготовления паропроводов, должны хорошо свариваться, быть способными подвергаться пластической деформации в горячем состоянии и обрабатываться на металлорежущих станках и др. Поэтому содержание углерода в них не превышает 0,20—0,25%.
   В отечественном котлостроении для труб паропроводов, паро-перепускных труб и коллекторов применяются стали 20, 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Использовалась также молибденовая сталь 16М. Во всех этих сталях основным элементом, упрочняющим феррит, является молибден.
   Хром способствует получению более устойчивой карбидной фазы, препятствует диффузии углерода в твердом растворе и, таким образом, затрудняет коагуляцию карбидов. Хром несколько повышает длительную прочность хромомолибденовых сталей, но в меньшей степени, чем молибден.
   Ванадий связывает углерод в карбиды, затрудняет пластическую деформацию путем получения в структуре мелкодисперсных кяпбидов ванадия, а также препятствует миграции молибдена из твердого раствора в карбиды.
   Оптимальное отношение содержаний ванадия к углероду в хромомолибденованадиевых перлитных сталях с точки зрения получения максимальной жаропрочности составляет около 3,2. При меньшем содержании углерода получается меньшее количество карбидных частиц, при большем — укрупнение размеров частиц.
   В котлах низкого и среднего давления все поверхности нагрева, коллекторы и трубопроводы изготавливались из углеродистой стали двух марок: стали 10 и стали 20. По своим технологическим свойствам и надежности в эксплуатации обе эти стали близки. Однако сталь 20, как содержащая больше углерода, прочнее.
   В то же время использование двух марок стали, отличающихся по прочности, затрудняет процесс производства на заводе: всегда имеется опасность попадания труб из стали 10 в поверхность нагрева, рассчитанную на изготовление труб из стали 20. В результате запас,прочности получается ниже расчетного и ухудшается надежность. Контроль и отбраковка в этом случае затруднены, так как основной метод качественного определения марки стали — стилоскопический — в этом случае не применим; стали отличаются только содержанием углерода. Поэтому в котлостроении для изготовления котлов низкого и среднего давлений применяется только сталь 20. Стали, содержащие более 0,2% углерода, плохо свариваются; для изготовления поверхностей нагрева, коллекторов и паропроводов используются углеродистые стали, ' содержащие не более 0,2% углерода. В легированных сталях, применяемых для тех же целей, содержание углерода еще меньше, так как легирующие элементы также ухудшают свариваемость.

 2.3. Котельные стальные листы

   Область применения различных сталей устанавливается «Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов», утвержденными Госгортехнадзором СССР и согласованными с ВЦСПС. Применение других материалов или указанных в Правилах материалов для несоответствующих условий не разрешается.
   На все материалы и полуфабрикаты, используемые для изготовления элементов котлов и трубопроводов, должны быть сертификаты заводов-поставщиков, подтверждающие соответствие применяемых материалов и полуфабрикатов требованиям стандартов или технических условий на поставку. При отсутствии сертификатов необходимо провести комплекс испытаний в объеме, который позволил бы установить полное соответствие применяемых материалов требованиям стандартов или технических условий.
   Стальные листы применяются для изготовления корпусов котлов низкого давления, для барабанов и их днищ, для плоских донышек коллекторов, для многих элементов котлов, не подверженных нагрузкам внутренним давлением, а также для изготовления корпусов сосудов давления, входящих в состав котельной установки (деаэраторов, барботеров, фильтров водоподготов-ки и др.).
   Для изготовления котлов низкого давления используются листы из углеродистой стали Ст2кпЗ, СтЗкпЗ, ВСтЗкпЗ, ВСтЗпсЗ и ВСтЗспб обыкновенного качества по ГОСТ 380-71 *, а также из сталей Ст2псЗ, СтЗпс2, СтЗГпс2 и ВСтЗ по ГОСТ 5520-79 *.
   Для изготовления элементов котлов с более высокими параметрами пара применяются листы из сталей 15К, 20К, 16ГС, 09Г2С и 10Г201 по ГОСТ 5520-79 *, а также стальные листы, поставляемые по специальным техническим условиям.
   Условия работы барабана ответственны — в барабане происходит разделение пароводяной смеси, поступающей из экранов и фестона на пар и воду. Барабаны используются в котлах низкого, среднего и высокого давления с естественной и многократной принудительной циркуляцией. Разрушение барабана — одна из наиболее серьезных аварий на тепловой электростанции. Выбор соответствующего материала для барабана, контроль качества в исходном состоянии и периодический контроль во время ремонтов котлов позволяют обеспечить надежную работу барабана.
   Котельные стальные листы для барабана получают прокаткой из слитков или слябов, т. е. обжатых прокаткой слитков. Качество листов зависит от степени обжатия, которая должна быть не менее 20-кратной. При этом литая структура разрушается, металл становится более плотным, пузыри (в кипящей стали) завариваются.

   Листовая углеродистая и низколегированная сталь для ответственных деталей котлов, трубопроводов и сосудов, работающих под давлением, изготавливается по ГОСТ 5520-79 *.
   Минимальные допускаемые механические свойства листов из сталей 15К, 20К и 22К при температуре 20° С приведены в табл. 2.4.
   По ГОСТ 5520-79 * поставляется горячекатаная листовая углеродистая, низколегированная и среднелегированная сталь толщиной 4—160 мм, предназначенная для изготовления корпусов сосудов давления. Стандарт определяет требования к химическому составу и механическим свойствам. Содержание хрома, никеля и меди не должно превышать 0,3% каждого, а суммарное их содержание по требованию потребителя допускается не более 0,6%.
   Содержание остаточного азота ограничено до 0,008%. Это условие обеспечивает отсутствие склонности к механическому старению.
   Толщина листов из сталей 15К и 20К от 4 до 60 мм, из стали 22К — от 25 до 115 мм. По размерам и предельным отклонениям стальные листы должны соответствовать требованиям ГОСТ 19903-74 *.
   В зависимости от требуемого комплекса механических свойств сталь может поставляться семнадцати категорий поставки. Листы из углеродистой стали изготавливаются по 1—5-й, 10, 11 и 16-й категориям поставки.
   Листы из различных сталей первой категории поставки могут поставляться без термической обработки, по требованию заказчика листы из стали 15К и 20К поставляются в нормализованном состоянии. Листы из стали 22К при толщине до 35 мм включительно поставляются как в нормализованном состоянии, так и без термической обработки; при толщине, превышающей 35 мм — без термической обработки.
   Химический состав в соответствии с ГОСТ 5520-79 * гарантируется во всех случаях обязательно. Листы из сталей 15К, 20К и 22К изготовляются по 1—5-й, 10, 11 и 16-й категориям поставки. Категория указывается в заказе, если она не указана, то завод-изготовитель может поставить лист любой категории поставки.
   Свариваемость стали обеспечивается технологией ее изготовления и химическим составом.
   На поверхности листов не допускаются трещины, плены, раскатанные пузыри, раковины, вкатанная окалина.
   Стальные листы толщиной 115 мм, используемые для изготовления обечаек и днищ барабанов котлов высокого давления, поставляются по ОСТ 108.030.118-78 «Листы из стали марки 16ГНМА для барабанов котлов высокого давления. Технические условия». По этому стандарту по взаимной договоренности между поставщиком и заказчиком возможна поставка листов и другой толщины, отличной от 115 мм.
   Стандарт регламентирует основные геометрические размеры листов для днищ и обечаек и допускаемые отклонения от них. Отклонения поверхности листов от плоскости должны соответствовать ГОСТ 5520-79 *.

   Металл листов подвергают механическим испытаниям и технологической пробе на загиб на поперечных образцах, вырезанных из контрольных проб. Контрольные пробы вырезают от головного и донного концов каждого листа.
   В состоянии поставки металл листов из стали 16ГНМА должен выдерживать испытание на загиб на 180° при комнатной температуре, диаметр оправки при этом должен быть равен двум толщинам листа. Испытание проводится на одном образце, вырезанном из головного конца листа.
   Испытание на растяжение проводят на двух образцах при комнатной температуре и на двух образцах при температуре 350° С. Гарантированные механические свойства при комнатной температуре: физический предел текучести — от 323 до 510 МПа; временное сопротивление не менее 50 МПа; относительное удлинение, определенное на пятикратном образце, не менее 20%; поперечное сужение — 50% и более; ударная вязкость KCU — не менее 78 Дж/см2. Ударная вязкость после механического старения должна составлять 39 Дж/см2 и более. По ОСТ 108. 030.118-78 для листов из стали 16ГНМА гарантируются также механические свойства при температуре 350° С; предел текучести 255 МПа и временное сопротивление 440 МПа.
   Ударная вязкость определяется как средняя арифметическая величина по испытаниям трех образцов. Допускается снижение ударной вязкости при температуре — 40° С и после механического старения на двух образцах до 29 Дж/см2 при сохранении средней величины по трем' образцам не ниже 39 Дж/см2.
   Все листы подвергаются ультразвуковой дефектоскопии.
   На каждом листе на лицевой стороне должна наноситься маркировка: обозначение листа по стандарту ОСТ 108.030.118-78, номер плавки, номер проката и клеймо ОТК.

 2.4. Стальные трубы, работающие под давлением

   Для изготовления элементов котлов и станционных трубопроводов используются преимущественно бесшовные катаные, прессованные или волоченые трубы. Для паропроводов мощных энергоблоков, связывающих котел с турбиной, иногда приме- няются центробежно-литые трубы; колена, тройники и переходы таких паропроводов изготавливаются из штампосварных элементов.
   В мировой практике бесшовные трубы, изготовленные обработкой давлением, выпускаются с наружным диаметром до 1500 мм. При этом верхний экономически целесообразный предел 600—850 мм. В отечественной теплоэнергетике используются катаные, прессованные и волоченые трубы с наружным диаметром до 730 мм при толщине стенки до 60—62 мм.
   Для трубопроводов горячей воды и пара применяются также стальные трубы, изготавливаемые путем холодной гибки листа или ленты. Гибку выполняют на прокатных станах или в прессах с последующей сваркой продольным или спиральным. швом. Используется автоматическая электродуговая сварка под слоем флюса, электросварка сопротивлением, электродуговая сварка в защитном газе, сварка током высокой частоты и даже газовая сварка. Для наименее ответственных элементов используются трубы, сваренные печной сваркой давлением.
   Область применения труб различного способа производства, из разных материалов с определенными методами и объемами контроля определяется Правилами по котлам и Правилами по трубопроводам.

   Готовые обыкновенные водогазопроводные трубы, поставляемые по ГОСТ 3262-75*, должны выдерживать испытания гидравлическим давлением 2,5 МПа, а усиленные — давлением 3,2 МПа. Допускается выборочное гидравлическое испытание труб при условии 100%-ного контроля качества сварных швов и гарантии герметичности всех поставляемых труб.
   Материалом водогазопроводных труб служат стали Ст2, СтЗ, ВСтЗ и ВСт2 по ГОСТ 380-71*. Трубы изготавливаются методом печной стыковой сварки или электросварки. Условный проход водогазопроводных труб по этому стандарту находится в пределах от 6 до 150 мм. Трубы могут поставляться с черной или оцинкованной поверхностью. На наружной поверхности труб, поставляемых по ГОСТ 3262-75*, допускаются незначительные дефекты, обусловленные способом производства труб, если они не выводят толщину стенки и наружный диаметр за пределы допускаемых отклонений. Осмотру поверхности должна подвергаться каждая труба.
   Электросварные трубы, поставляемые в соответствии с требованиями ГОСТ 10705-80 групп А и В из сталей 08, 10, 20 по ГОСТ 1050-74** и спокойных и полуспокойных сталей Ст2, СтЗ, ВСт2, и ВСтЗ по ГОСТ 380-71*, могут применяться для изготовления трубопроводов.
   Размеры труб и допускаемые отклонения должны соответствовать требованиям ГОСТ 10704-76*. Наружный диаметр таких труб находится в пределах от 8 до 530 мм, толщина стенки — до 10 мм. Для труб групп А и В гарантируются механические свойства. Для труб группы В, кроме того, гарантируется и химический состав.
   Для испытания на растяжение отбирают образцы от двух труб каждой партии.
   Трубы, поставляемые по ГОСТ 10705-80 и идущие на изготовление деталей трубопроводов, должны проходить 100%-ный контроль сварного шва методами неразрушающей дефектоскопии. Способ контроля (ультразвук, рентгеноскопия или другой способ), а также методика его проведения устанавливаются по соглашению сторон.
   Все трубы должны выдерживать испытание гидравлическим давлением. Если наружный диаметр трубы менее 102 мм, то давление гидравлического испытания составляет 6 МПа, при наружном диаметре 102 мм и более — 3 МПа. Гидравлическое испытание на заводе-изготовителе может производиться выборочно при гарантии герметичности всех труб.

   Разностенность может возникнуть из-за неоднородности свойств заготовки, вызванной ликвацией или неравномерным нагревом. В результате неоднородности свойств полость образуется не только по центру. Разностенность изменяется по длине гильзы и не может быть полностью устранена при последующих операциях изготовления трубы.
   На наружной поверхности труб, изготовленных путем волочения, могут быть продольные риски, образующиеся из-за попадания между трубой и волочильным кольцом окалины. Если волочение производится на оправке или пробке, то риски могут быть и на внутренней поверхности.
   При производстве изделий, подведомственных Котлонадзору, используются бесшовные горячедеформированные трубы по ГОСТ 8731-87 и изготовленные из сталей Ст2сп по ГОСТ 380-71 * и сталей 10 и 20 по ГОСТ 1050-74 **; холодно- и теплодеформи-рованные бесшовные трубы по ГОСТ 8733-87 должны быть изготовлены только из сталей 10 и 20 по ГОСТ 1050-74 **.
   Бесшовные трубы из углеродистой стали 10 и 20 для работы с условным давлением до 10,0 МПа поставляются по ТУ 14-3-190-73.

   Чтобы не перепутать трубы из разных сталей, на заводе трубы должны маркироваться по всей длине продольной полосой несмываемой краски.
   Цвет краски полосы соответствует марке стали: 
      20                   — зеленая
      12Х1МФ        — красная
      15ГС              — коричневая
      15Х1М1Ф     — белая
      15ХМ            — фиолетовая
      12Х18Н12Т   — черная
   Трубы, поставляемые по ТУ 14-3-460-75, могут применяться для изготовления элементов котлов и трубопроводов без ограничения давления. Предельная допускаемая температура зависит от марки стали и назначения деталей.лей.

 2.5. Прокат для крепежных деталей и пружин

   Крепежные детали — шпильки, болты, гайки и хомуты. Материал таких деталей должен обладать высоким пределом текучести, хорошо сопротивляться релаксации напряжений, обладать малой чувствительностью к концентрации напряжений, большой длительной пластичностью, стабильностью структуры и свойств в процессе длительной эксплуатации, коэффициентом линейного расширения, близким или равным коэффициенту расширения сопрягаемых деталей, хорошей сопротивляемостью задиранию и технологичностью при резании.
   Для повышения релаксационной стойкости в сталь вводят молибден, ванадий и хром. Релаксационно-стойкие стали содержат больше углерода, чем стали для труб, поковок и литья (0,20—0,40%). Это возможно, так как крепежные детали не подвергаются сварке.
   Требования к материалу шпилек и болтов обычно более жесткие, чем к материалу гаек. В резьбовом соединении напряжения, возникающие в шпильке или болте, существенно выше напряжений в гайке.
   На фланцах из аустенитной стали должны применяться шпильки также из аустенитной стали.
   При разных коэффициентах линейного расширения возможна либо разгерметизация фланцевого соединения из-за давления на прокладку, либо обрыв шпилек из-за их перегрузки.
   Для предотвращения заедания резьбовых соединений, работающих при высоких температурах, шпильки и гайки следует изготовлять из разных сталей, причем материал гайки должен быть мягче. Хорошие результаты дает применение медно-гра-фитовых смазок, а также смазок из дисульфида молибдена. Обычные машинные масла не применяются, так как они способствуют пригоранию поверхностей.
   Разрушение шпилек в эксплуатации из-за перетяжки или низких пластических свойств металла обычно происходит в первом витке у фланца.
   Для предотвращения внезапного разрушения шпильки энергетической арматуры подвергаются периодическому контролю ультразвуком. Контроль проводится в соответствии с требованиями ведомственной инструкции.
   Для изготовления используемых в элементах котлов болтов и шпилек, работающих при избыточном давлении до 1,6 МПа и температуре до 350° С, и гаек, работающих при избыточном давлении до 2,5 МПа и температуре до 350° С, применяются стали ВСтЗсп5 и ВСтЗспЗ (ГОСТ 380-71*). Углеродистые стали 20 и 25 (ГОСТ 1050-74**) можно использовать для изготовления шпилек и болтов, работающих при температуре до 400° С и давлении до 1,6 МПа, стали 30, 35 и 40 по тому же ГОСТ 1050-74** — при давлении до 10 МПа и температуре до 425° С.
   Шпильки, гайки и шайбы для фланцевых соединений паровых котлов, трубопроводов, арматуры и сосудов с температурой среды от 0 до 650° С при давлении 4 МПа и выше согласно ГОСТ 20700-75 * должны изготавливаться из сталей, указанных в табл. 2.9.
   Вследствие недостаточной длительной пластичности, большой концентрации напряжений или чрезмерной затяжки в шпильках в эксплуатации могут возникать трещины, которые могут привести к обрыву шпильки.
   Обязательному ультразвуковому контролю через каждые 50 тыч. ч эксплуатации подлежат шпильки (с резьбой М42 и более) арматуры и фланцевых разъемов паропроводов для пара, нагретого до 500° С и выше. Эти же шпильки должны подвергаться 100%-ному контролю твердости в исходном состоянии и через каждые 50 тыс. ч эксплуатации. Нормы твердости в зависимости от марки стали приведены в табл. 2.10; там же указаны механические свойства крепежа в исходном состоянии, а также после эксплуатации в течение 50 и 100 тыс. ч.

   Материал пружин не рагламентирован Правилами по котлам и трубопроводам.
   Сталь, используемая для изготовления пружин, должна обеспечивать линейную зависимость между деформацией и нагрузкой, т. е. иметь высокий предел упругости. При превышении упругой деформации (например, при навивке пружин) сталь должна обладать определенным запасом пластичности. Если пру-, жина работает при изменяющихся нагрузках, то ее материал должен хорошо сопротивляться усталости. Пружины, работающие при высокой температуре, должны быть стойкими против релаксации.
   Свойства, необходимые для пружин, достигаются путем легирования стали кремнием, марганцем, хромом и ванадием, а также благодаря выбору оптимального режима термической обработки. Обычно используется закалка в масле и средний или высокий отпуск.

 2.6. Стальные поковки

   Поковки общего назначения диаметром или толщиной до 800 мм из конструкционной углеродистой, низколегированной и среднелегированной стали, должны удовлетворять требованиям ГОСТ 8479-70*; они должны изготавливаться из спокойной стали, выплавленной мартеновским способом или в электропечах. Этот стандарт регламентирует основные технические требования.
   Поковки в зависимости от назначения и условий работы подвергаются различным комплексам испытаний. По видам проводимых испытаний поковки подразделяются на пять групп. Чем выше номер группы, тем более тщательный и полный контроль проходят поковки. При этом гарантируется соответствие показателей прочности и пластичности металла поковок определенным гарантированным уровням.
   Для изготовления деталей котлов и трубопроводов, работающих под давлением, применяются поковки групп IV и V. Металл поковок подвергается испытаниям на растяжение и на ударую вязкость при комнатной температуре. При испытании на растяжение гарантируются заданные предел текучести и относительное поперечное сужение. Поковки также подвергаются контролю твердости, результаты которого не являются браковочными.
   При поставке поковок группы IV контролю подвергается металл от партии, в которую входят поковки из стали одной плавки, прошедшие термическую обработку в одну садку. При поставке поковок группы V контролю подвергается каждая поковка.
   Отнесение поковки к определенной группе производится заказчиком и номер группы указывается на чертеже.
   По механическим свойствам поковки разделяются на категории прочности. Категория прочности обозначается буквами КП и цифрой, указывающей минимальный допускаемый предел текучести в МПа.
   Для изготовления деталей котлов и трубопроводов с температурой стенки до 450° С при давлении до 6 МПа должны применяться поковки из сталей марок 15, 20 и 25 по ГОСТ 1050-74**, удовлетворяющие требованиям поставки групп IV и V ГОСТ 8479-70*.
   Поковки для деталей котлов и трубопроводов: воротниковых фланцев, полых и сплошных заготовок для цилиндрических штуцеров, колец и патрубков и прочих деталей, которые работают при условном давлении 4 МПа и более, могут изготавливаться согласно требованиям ОСТ 108.030.113-77. Максимальный размер поковки по толщине, диаметру или стенке — 400 мм. Материал поковок — стали 20, 22К 15ГС, 16ГС, 16ГНМА, 12Х1М1Ф и 08Х18Н100Т. Поковки изготавливаются из спокойной стали, выплавленной в мартеновских или электропечах, а также из стали, полученной электрошлаковым или вакуумно-дуговым переплавом. Сталь может проходить обработку в установках внепечного рафинирования. ОСТ 108.030.113-77 регламентирует химический состав и механические свойства металла поковок, определяемые после термической обработки на продольных образцах. Даются гарантии по пределу текучести при высоких температурах. Поковки проходят контроль УЗД.. Для поковок из стали 08Х18Н10Т гарантируется стойкость против меж-кристаллитной коррозии. Для сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф и 08Х18Н10Т также гарантируются значения пределов длительной прочности за 100 тыс. ч при высоких температурах.

2.7. Стальные и чугунные отливки

   Для изготовления деталей сложной формы применяются стальные и чугунные отливки. Основным способом их изготовления является литье в земляные формы. Металл, идущий на изготовление отливок, должен обладать высокими литейными .свойствами: хорошей жидкотекучестью и малой усадкой. Самым дешевым литейным материалом является серый чугун, обладающий низкой ударной вязкостью. Под воздействием высокой температуры его механические свойства ухудшаются, 103 поэтому серый чугун находит ограниченное применение при изготовлении объектов Котлонадзора. Наиболее распространенным материалом отливок, используемых для этих целей, является углеродистая сталь. Технологические свойства стали как литейного материала улучшаются при увеличении содержания углерода. Присоединение литых деталей к трубопроводам, корпусам сосудов выполняется обычно при помощи сварки. Поэтому для хорошей свариваемости содержание углерода в стали не должно превышать 0,27%. Этим условием ограничивается верхний предел содержания углерода в металле большинства отливок. В случае присоединения отливок на фланцах это ограничение снимается. Металл отливок обладает пониженной плотностью и пластичностью по сравнению с металлом проката и поковок и имеет крупнокристаллическое строение .
   В процессе затвердевания и остывания жидкого металла происходит усадка. Несмотря на то, что в отливках предусматривается прибыльная часть, из которой происходит пополнение жидким- металлом, в любой отливке в межзеренных объемах имеются микроскопические < усадочные поры. В этих объемах наблюдается повышенное содержание легкоплавких примесей по сравнению с металлом затвердевших ранее кристаллов.
   Последующая термическая обработка измельчает зерно, несколько смягчает химическую неоднородность, но не может обеспечить такие равномерные структуры и состав, какие получаются в кованом или катаном металле в результате интенсивной пластической деформации и перекристаллизации.
   При литье в земляные формы трудно избежать полного отсутствия макроскопических дефектов: заливов, рыхлот, трещин и т. п. Их обычно устраняют последующей заваркой ручной электродуговой сваркой. Дефекты литья, если они не выходят на поверхность, не всегда удается надежно проконтролировать и, следовательно, устранить.
   Из-за перечисленных недостатков литые детали для особо ответственных условий эксплуатации стараются не применять. Так, в последние годы практически' прекращено применение литых крутозагнутых колен, тройников и .крестовин на трубопроводах свежего пара и питательных магистралей высокого и сверхвысокого давления.
   В то же время отливки продолжают широко использоваться для изготовления корпусов и крышек арматуры, обладающих более сложной геометрической формой. Часть корпусов арматуры для котлов и трубопроводов и элементов трубопроводов высокого и сверхкритического давления изготавливается штамповкой или штамповкой деталей и сваркой их в изделие (сварно-штампо-ванные корпуса, крутозагнутые сварные колена со сварным швом и пр.).
   Для стального литья используется только спокойная сталь. Отливки из конструкционной нелегированной и легированной стали по ГОСТ 977-88.


4. ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛА КОТЛОВ
И ТРУБОПРОВОДОВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

4.1. Трубопроводы тепловых электростанций

   Трубопроводы современных тепловых электростанций представляют собой сложную пространственную систему, состоящую из прямых труб, гибов (отводов, колен), тройников, конических переходов, компенсаторов и др. фитингов, опор, подвесок, запорной, регулирующей и предохранительной арматуры. Трубопроводы подвержены комбинированному воздействию внутреннего 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 подвержены вибрациям, возбуждаемым пульсацией расхода воды и пара в них или динамическими нагрузками от вращающихся неуравновешенных роторов нососов или труб от агрегатов.
   В общем объеме затрат на сооружения современной тепловой электростанции трубопроводы по стоимости поставляемого оборудования составляют до 10%, по стоимости монтажа до 15% и по трудоемкости монтажа свыше 20% .
   Основными элементами трубопроводных блоков служат прямые участки и гибы. Основной способ соединения элементов в заводских условиях — автоматическая сварка под слоем флюса; реже используется ручная электродуговая сварка. По массе гнутые участки трубопроводов повышенного, высокого и сверхкритического давления из углеродистых сталей составляют около 40%; трубопроводов из перлитных жаропрочных сталей — около 55%.
   Заводские блоки подразделяются на
     - прямые,
     - плоские и
     - пространственные.
   1. Прямые блоки имеют общую прямую ось, по которой и собираются элементы .блока стыковыми сварными швами в поворотном положении.
   2. У плоских блоков оси элементов, входящих в состав блока, лежат в одной плоскости.
   3. Пространственные блоки имеют отдельные элементы, выходящие по одну сторону за плоскость блока.

   При проектировании станционных трубопроводов основой служат отраслевые стандарты на сортамет труб, стандарты на детали трубопроводов, нормы расчета на прочность, регламентирующие расчет по выбору основных размеров, руководящие технические материалы по поверочным расчетам на прочность, требования к габаритным размерам, конфигурации и составу трубопроводных блоков и ряд других нормативно-технических документов. Эта документация позволяет «набрать» заданную генеральным проектантом трассу паропровода из унифицированных элементов заводского изготовления. Резко ограничивается номенклатура используемых элементов; их можно изготавливать крупными сериями по стабильной прогрессивной технологии.
   Выбор материала труб для трубопроводов в основном определяется температурой и давлением рабочей среды. Это стали 20, 15ГС, 15ХМ, 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Для каждого сочетания давления и температуры рабочей среды и диаметра условного прохода (Dy) отраслевые стандарты определяют материал трубы, наружный диаметр и толщину стенки.
   На протяжении длительного времени трубопроводы, работающие в условиях ползучести металла — при 450° С и выше, выпускались на расчетный срок службы 100 тыс. ч. В настоящее время они выпускаются на расчетный срок службы 200 тыс. ч.

   В процессе эксплуатации износ трубопроводов, работающих при температуре ниже 450°С, связан с
     - коррозией,
     - эрозией и
     - тепловой усталостью.
   При температуре выше 450°С важную роль играют
     - ползучесть и
     - структурные изменения металла.

 4.2. Изменения структуры металла и контроль за паропроводами

   В процессе длительной эксплуатации при высоких температурах структура стали претерпевает изменения. До эксплуатации структура низколегированных перлитных сталей 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ и 15Х1М1Ф состоит из феррита и перлита или 6-3361 феррита, перлита и промежуточной составляющей байнитного типа.
   При эсплуатации паропроводов высоких, сверхвысоких и сверхкритических параметров пара происходят изменения в строении как ферритной, так и перлитной составляющей.
   В процессе эксплуатации углеродистой и низколегированных жаропрочных сталей имеет место тенденция к снижению временного сопротивления и предела текучести при комнатной температуре. Более резкое разупрочнение обычно наступает на третьей стадии ползучести. Такие трубы необходимо заменять.
   Характеристики пластичности — поперечное сужение и относительное удлинение — при комнатной температуре не зависят от продолжительности эксплуатации, а при рабочей температуре повышаются со временем, причем повышение относительного удлинения происходит быстрее, чем увеличение поперечного сужения.
   Ударная вязкость — это косвенный показатель качества изготовления, качества проведения термической обработки и эксплуатации надежности металла паропроводов.
   Трубы с низкой ударной вязкостью необходимо заменять или подвергать повторной термообработке.

   Согласно МРТУ 14-4-21-67 и ТУ 14-3-460-75, по которым поставлена большая часть труб, жаропрочные свойства стали 12Х1МФ гарантируются по микроструктуре: шкала предусматри-/ вает 9 типов микроструктур (9 баллов). Чем больше в структуре стали промежуточной составляющей, тем выше жаропрочность и тем меньше номер балла микроструктуры. Нерекомендованные структуры — 6, 7, 8 и 9 баллов — представляют собой феррит с карбидами или феррит и небольшое количество промежуточной составляющей, расположенной преимущественно по границам зерен. Нерекомендованные структуры, как правило, получаются при нарушении заданных режимов термической обработки. Сталь 12Х1МФ с нерекомендованной структурой может обладать пониженной жаропрочностью.

   Важным критерием эксплуатационной надежности стали является способность к пластической деформации при ползучести. Разрушению элементов котлов, изготовленных из стали с высокой длительной пластичностью, предшествует большая остаточная деформация. Заметное увеличение наружных размеров труб служит сигналом о наступлении опасного состояния и позволяет своевременно заменять ненадежный элемент. Пластическая деформация в месте концентрации напряжений от дефектов сварки, в местах резких переходов уменьшает опасность внезапного хрупкого разрушения.
   Способность металла накапливать определенную остаточную деформацию для разрушения от исчерпания длительной прочности используется для контроля труб паропроводов и пароперегревателей в процессе эксплуатации. Для этого в эксплуатации осуществляется контроль за остаточной деформацией, накапливаемой трубами из-за ползучести, путем замера вертикального и горизонтального диаметров по реперам. Часто результаты измерений по двум диаметрам не совпадают по величине, а иногда и по знаку. Причины этого могут лежать в овальности труб, их разностенности, а также в ошибках при измерениях. Для того чтобы последнюю причину свести до минимума, следует поручать производить измерения квалифицированному персоналу.
   Хорошо известно, что по пределу длительной прочности, определенной при испытаниях металла элемента энергооборудования в лабораторных условиях по стандартной методике, можно рассчитать конструкционную длительную прочность элементов трубопроводов. Это положение подтверждено рядом теоретических и экспериментальных работ и опытом многолетней эксплуатации. На нем основывается нормативный метод расчета на прочность элементов.

   На электростанциях должен вестись учет температурного режима работы металла за каждым котлом и в магистральных паропроводах по ниткам с регистрацией продолжительности и величины выбега температуры сверх номинальной. При параллельных связях необходим учет продолжительности эксплуатации по каждому участку паропровода в часах.
   На паропроводах, эксплуатируемых при температуре 450° С и выше и давлении 2,4 МПа и выше, необходимо каждые 50 тыс. ч проводить ультразвуковой контроль и магнитопорошковую дефектоскопию 50% гибов. В следующий контроль проверяют оставшиеся 50%. Ультразвуковой контроль и магнитопорошковую дефектоскопию выполняют по всей длине гнутой части — на 2/3 длины окружности трубы, включающей нейтральную зону и растянутое волокно. Характер выявленных дефектов определяют путем шлифовки и травления.

   Гибы пароперепускных или паропроводных труб обычно разрушаются из-за образования трещины на наружной поверхности вдоль наиболее растянутого при гибке волокна. В этом месте действуют наибольшие дополнительные растягивающие напряжения, вызываемые изгибом поперечного сечения из-за уплощения трубы при гибке, а толщина стенки минимальна из-за вытяжки. Реже наблюдались повреждения из-за трещин, развивающихся с внутренней стороны в районе нейтральных волокон, где дополнительные изгибные растягивающие напряжения могут достигать большой величины.

 4.3. Повреждения элементов котлов
и трубопроводов от тепловой усталости

   Для поддержания температуры перегрева свежего пара или пара промперегрева используются пароохладители впрыска, в которых в поток пара вводится конденсат, происходит его испарение, и температура пара снижается.
   Коллекторы пароохладителей подвержены термической усталости из-за попадания относительно холодной воды на горячую стенку коллектора в случае неплотности теплозащитных экранов из тонкой листовой стали, а также в зонах расположения штуцеров подвода воды на впрыск.
   Трещины термической усталости обнаруживались во время профилактических осмотров и ультразвуковой дефектоскопии. Повреждения были связаны с попаданием воды на горячие стенки корпуса из-за смещения или разрушения защитной вставной рубашки, деформации или обрыва сопла для впрыска конденсата. Повреждения представляют собой сетку трещин.
   Во избежание внезапного разрушения стенок коллекторов пароохладителей вспрыскивающего типа, работающих при температуре 450° С и выше, их наружную поверхность через каждые 25 тыс. ч подвергают визуальному осмотру, а стенки — ультразвуковой дефектоскопии. Контролю подлежат зона штуцера линии подвода воды на впрыск и участок коллектора на длине 350—400 мм по обе стороны от ввода впрыскиваемой воды.

 4.4. Эксплуатационная надежность гибов необогреваемых труб,
транспортирующих воду, пароводяную смесь
и насыщенный или слабоперегретый пар

   Гибы — наиболее уязвимые места трассы трубопровода. Вследствие овальности и разностенности, а также торового эффекта распределение окружных напряжений в сечении гиба, нормальном к изогнутой оси трубы, несимметрично относительно центра сечения. Торовый эффект заключается в том, что в торовой оболочке (аналоге гиба без овальности сечения и утонения стенки) напряжение от внутреннего давления на внешнем обводе ниже, чем на внутреннем. Эта разница тем больше, чем круче загнут гиб. В гибах возникают дополнительные напряжения от изгиба и кручения трассы трубопровода или трубы поверхности нагрева, вызванные весовыми нагрузками и напряжениями самокомпенсации. Меняются свойства металла из-за наклепа при холодной гибке. Увеличивается вероятность дефектов наружной и внутренней поверхности трубы в местах контакта с сектором и дорном трубогибочного станка.
   Фактические напряжения на гибах тем выше, чем меньше радиус гиба, чем больше его овальность, утонение стенки по растянутым при гибке волокнам и уплощение (увеличение радиуса кривизны в поперечном сечении по нейтральному волокну).

   Основными причинами повреждения гибов водоопускных труб были коррозионные поражения от коррозионной усталости, от стояночной коррозии, нарушения заданной геометрии поперечного сечения (овальность, утонение, уплощение), грубые дефекты поверхности труб и металлургические дефекты.
   Разрушение водоопускных и водоперепускных труб происходит путем зарождения на внутренней поверхности трубы по нейтральным волокнам трещин, которые развиваются в процессе эксплуатации. Когда оставшееся сечение металла при наличии концентрации напряжений не может выдержать нагрузки от внутреннего давления, происходит разрушение с вырывом куска гиба трубы значительной протяженности по нейтральным волокнам (если трещины по обоим нейтральным волокнам развивались с примерно одинаковой скоростью) или с раскрытием по одному из нейтральных волокон с последующим широким надрывом.
   В обоих случаях значительная масса перегретой воды выбрасывается в помещении котельного зала, так как происходит практически мгновенное охлаждение этой воды от температуры насыщения до 100° С с выделением большого количества перегретого пара.

   Необходимые условия возникновения повреждений гибов необогреваемых труб — высокий уровень механических напряжений и наличие кислорода в воде или другого окислителя. Вода в котле может насыщаться воздухом в периоды длительных плановых простоев и при аварийных остановах, вызванных нарушениями герметичности пароводяного тракта (разрывы, свищи). Ускоренная коррозия металла имеет место и при пусках котлов, если питание их в это время осуществляется не полностью деаэрированной водой.
   При останове котла давление в нем падает до атмосферного. Затем из-за конденсации паров воды возникает небольшое разряжение и котел заполняется воздухом. Оставшаяся в котле вода насыщается кислородом из воздуха.
   Технологические риски, царапины и другие концентраторы напряжений на внутренней поверхности труб способствуют развитию пластической деформации и разрушению магнетитового слоя. Разрушения магнетитового слоя могут возникать при тепловых ударах, которые имеют место, например, при разрушении труб экранов. В этом случае происходит почти мгновенное падение температуры в водяном пространстве барабана котла от температуры насыщения до 100° С. В районе нижней радиационной части прямоточного котла сверхкритического давления имеет место бросок температуры приблизительно от 380 до 100° С.
   Важную роль в процессе накопления повреждаемости гибов необогреваемых труб играют пуски и остановы, вызывающие изменяющиеся во времени напряжения (от изменения давления и вследствие самокомпенсации).

   Для того чтобы избежать охрупчивания металла гибов, их целесообразно подвергать высокому отпуску после холодной гибки.
   Кислотные промывки также могут способствовать развитию трещин у нейтральных волокон гибов по их внутренней поверхности. Для ослабления вредного влияния промывки следует производить ингибированным раствором кислоты.
   Металл многих поврежденных гибов имел повышенное содержание неметаллических включений, в частности сульфидов.
   Наряду с повреждениями гибов необогреваемых труб, развивающихся с внутренней поверхности, отмечались наружные поперечные трещины на наружной поверхности. Такие повреждения встречаются значительно реже коррозионно-усталостных и коррозионных. Обычно металл гнутой части этих гибов имеет твердость выше 165—170 НВ из-за наклепа при холодной гибке. Металл характеризуется низкой ударной вязкостью.
   Развитие трещин в подповерхностных слоях облегчается тем, что дополнительные изгибные напряжения из-за неправильной формы поперечного сечения возрастают при приближении к поверхности. Образовавшаяся микротрещина легче развивается в сторону ближайшей наружной свободной. поверхности гиба, так как в этом направлении возрастает уровень напряжений, а в поверхностных слоях облегчено сдвигообразование.
   Спецификой замедленного разрушения в элементах котлов является также большая продолжительность эксплуатации и повышенные температуры, способствующие развитию диффузионных процессов в стали.
   В результате анализа причин и механизма развития повреждений гибов водоопускных и водоперепускных труб можно рекомендовать для повышения их эксплуатационной надежности следующие мероприятия:
   1. Улучшение консервации во время остановов.
   2. Проведение кислотных промывок хорошо ингибированным раствором.
   3. Проведение пуска котлов на деаэрированной воде и гидравлических опрессовок химически очищенной и деаэрированной водой с рН≥8,5.
   4. Обеспечение свободных расширений трубопроводов, экранов и системы водоперепускных труб для снижения дополнительных компенсационных напряжений.
   5. Совершенствование технологии гибки для снижения отклонения формы поперечного сечения от круговой и уменьшения утонения в зоне растянутых при гибке волокон.
   6. Применение гибов с большим относительным радиусом кривизны, имеющих меньшие отклонения формы поперечного сечения от круговой и меньшую степень деформации металла.
   7. Применение отпуска для устранения наклепа, возникающего при холодной гибке, и для снятия остаточных напряжений.
   8. Увеличение толщин стенок на 1,0—2,0 мм при замене гибов в случае замены из-за наличия коррозионно-механических поражений или технологических дефектов.
   9. Улучшение условий хранения гибов перед монтажом котла или ремонтных комплектов гибов с целью предотвращения развития атмосферной коррозии их внутренней поверхности.
&   10. Проведение в процессе эксплуатации ультразвукового контроля на наличие коррозионно-усталостных трещин и металлургических дефектов. На электростанциях

   Объемы, методы и сроки контроля и замены гибов необогреваемых труб котлов с рабочим давлением 10 и 14 МПа, эксплуатируемых при температуре воды и пара до 450° С, определяются Положением П-34-70-005-85 [109].

   При обнаружении недопустимых дефектов все гибы данной линии подлежат замене. Если дефектов не обнаружено, то сле- дующий контроль путем вырезки другого гиба из той же линии производится в следующий капитальный ремонт.
   Гибы с наружным диаметром 76 мм и более, согласно положению, подвергаются в процессе эксплуатации трем видам контроля:
     - первичному,
     - периодическому и
     - внеочередному.

   1. Первичный контроль может быть
     - полным и
     - выборочным.
   1.1. Полный первичный контроль проводится тогда, когда фактическое количество пусков достигнет 80% от допускаемого для наименее надежного типоразмера гибов, нр не позднее достижения 100%.
   1.2. Выборочный контроль определяется временем наработки. Наработка до начала контроля гибов зависит от количества пусков котла и продолжительности эксплуатации в часах. Каждый из этих факторов рассматривается отдельно. Первичный контроль необходим: если количество пусков превысит N1 *; если до этого момента наработка в часах от начала эксплуатации составит 150 тыс. ч (для котлов с долей производственного конденсата в питательной воде не более 5%); если доля производственного конденсата 5% и более, первичный контроль следует провести через 100 тыс. ч.

   2. Периодический контроль контрольной группы дренируемых гибов должен производиться при капитальном ремонте до достижения фактического числа
циклов Nср   N2 мин, где N2 мин — наименьшее из всех значений N2 для гибов контрольной группы. В дальнейшем периодический контроль гибов контрольной группы должен производиться при каждом капитальном ремонте, но не реже чем через 100 пусков котла.
   Периодический контроль всех доступных недренируемых гибов после наработки N1 мин должен производиться при каждом капитальном ремонте, но не реже чем через 50 пусков котла. На котлах, в питательную воду которых возможно попадание из производственного конденсата сероводорода, меркантана и других химических соединений, усиливающих коррозию, все доступные недренируемые гибы должны проверяться каждые три года, но не реже чем через 50 пусков. Положение регламентирует форму записи результатов периодического контроля гибов.
   Периодический контроль должен включать в себя визуальный осмотр, магнитопорошковую дефектоскопию и УЗК всех гибов контрольной группы, а также вырезку не менее трех гибов на котел (с наименьшими N2) для контроля поврежденности металла внутренней поверхности и для корректировки браковочных параметров при УЗК. Если при контроле дренируемых гибов не обнаружено ни одного дефектного, то все гибы допускаются к дальнейшей эксплуатации.
   Если же обнаружены гибы с коррозионно-усталостными или коррозионными дефектами, причем при их вырезке из котла и разрезке для осмотра внутренней поверхности дефектность подтвердилась, то необходимо проконтролировать 80 гибов, следующих по числу пусков N2 за контрольной группой. При отсутствии дефектов в этих 80 гибах все дренируемые гибы допускаются к дальнейшей эксплуатации.
   В случае выявления при контроле дополнительных 80 гибов эксплуатационных коррозионных повреждений на 30% или более при подтверждении результатов браковки при разрезке хотя бы трех гибов должны быть заменены все гибы котла. Если же забракованных гибов будет менее 30%, то контролю подлежат все гибы котла.
   При обнаружении в процессе периодического контроля хотя бы одного гиба трещин на наружной поверхности в растянутой зоне следует заменять все гибы этого типоразмера. В этом случае требуется провести контроль растянутых зон гибов всех типоразмеров на 20 гибах каждого типоразмера, выбирая гибы с наименьшим значением N2.

   Если при периодическом контроле дренируемых гибов были выявлены металлургические, технологические или какие-либо другие нетипичные дефекты гибов, то необходимо провести внеочередной контроль.

   3. Внеочередной контроль следует проводить при вынужденном останове котла из-за разрушения гиба, при обнаружении дефектного гиба в процессе гидравлического испытания или при первичном выборочном контроле, а также в случаях выявления при плановых ремонтах гибов с дефектами некоррозионного происхождения — поперечными трещинами, металлургическими дефектами.
   В случае аварийного разрушения гиба при эксплуатации котла решение об объемах контроля и условиях дальнейшей эксплуатации принимается экспертно-технической комиссией, вызываемой для расследования причин аварии. Во всех других случаях объем контроля определяется энергосистемой и согласовывается.

 4.5. Коррозия труб экранных поверхностей нагрева

   Коррозия металла — процесс его разрушения, происходящий из-за химического или электрохимического воздействия внешней среды. В топке и газоходах газовая коррозия наружной поверхности труб и стоек пароперегревателей происходит под воздействием кислорода, диоксида углерода, водяных паров, сернистого и других газов, внутренней поверхности труб — в результате взаимодействия с паром или водой.

  Конструкция парового котла, работающего на твердом топливе, его надежность и экономичность в эксплуатации в значительной степени зависят от зольности сжигаемого топлива и минералогического состава балласта. Эти показатели определяют процессы шлакования, коррозии и коррозионно-эрозионного износа поверхностей нагрева, которые тесно взаимосвязаны. Зольность топлива и плавкость золы предъявляют определенные требования к конструкции топочного устройства, компоновке и расположению ширм и конвективных пакетов. Характер взаимодействия между золовыми отложениями, горячими газами и защитными оксидными пленками на металле определяет долговечность и надежность работы поверхностей нагрева.
   Наиболее неблагоприятное коррозионное воздействие на металл поверхностей нагрева при сжигании углей и сланцев оказывают оксиды серы, сероводород, хлор и легкоплавкие соеди-. нения щелочных металлов.
   Сера входит как в горячую массу твердого топлива, так и в золовой балласт; при сгорании в окислительной атмосфере образуются окислы серы, в восстановительной — сероводород.
   Хлориды находятся в составе минеральных соединений, образовавшихся в процессе формирования твердого топлива вследствие его контакта с морской водой.
   Коррозионный процесс резко ускоряется при наличии восстановительной атмосферы около экранов или, тем более, при набросе факела на экран. В этом случае происходит так называемая сероводородная коррозия. В восстановительной атмосфере топочных газов имеется сероводород, который, взаимодействуя с железом образует сульфид железа.

   Основным методом борьбы с коррозией на котлах, работающих на АШ, должна служить правильная организация топочного процесса, позволяющая устранить зоны с восстановительной атмосферой около экранов.
   Необходимо тщательно следить за состоянием набивки огнеупорной массы на трубах.

   Процесс образования отложений делится на две стадии: доставку частиц к стенке трубы и закрепление на ней. На первой стадии решающую роль играют гидродинамические силы. На второй стадии решающая роль принадлежит силам молекулярного взаимодействия.
   В процессе эксплуатации происходит постепенное увеличение толщины наносного слоя оксидов железа. Этот слой обладает определенным тепловым сопротивлениям. Тепловой поток в нижней радиационной части определяется радиационной составляющей факела и является практически неизменной величиной. В результате температура внутренней поверхности трубы под слоем отложений повышается тем более, чем толще слой отложений.
   Процесс пароводяной коррозии, протекающий относительно вяло на внутренней поверхности чистых труб нижней радиационной части при температуре 420—440° С, существенно ускоряется с ростом температуры стенки под слоем оксидов. С течением времени скорость роста температуры металла труб возрастает. Увеличение скорости роста температуры вызвано тем, что образующиеся из-за пароводяной коррозии оксиды вносят дополнительное термическое сопротивление, а их образуется тем больше в единицу времени, чем выше температура металла под ними. Количество выпадающих наносных оксидов приблизительно постоянно во времени.
   Коррозия в среде сверхкритического давления по своему механизму занимает промежуточное положение между коррозией в котловой воде и перегретом паре. При сверхкритическом давлении исчезает резкое различие между водой и паром. Между ними исчезает и поверхность раздела.
   По существу при 380—520° С водная среда сверхкритического давления должна была представлять собой пар. Тогда следовало бы ожидать отсутствие влияния рН среды на коррозионные потери. Однако такое влияние, несомненно, имеет место. Следовательно, коррозионный процесс в водной среде сверхкритического давления при t = 380-520° С сочетает в себе элементы химической и электрохимической коррозии. Это вызвано, видимо, тем, что в среде сверхкритического давления при 28 МПа растворяются многие минеральные вещества и имеет место их ионизация.
   На механизме коррозионного процесса также может сказываться и диссоциация молекул воды. Интересно отметить, что при снижении давления среды с 28 МПа до докритического -16 МПа происходит увеличение коррозионных потерь приблизительно в 1,5 раза. Сравнительные испытания проводились в среде сверхкритического давления, в воде и паре высокого давления при рН = 9,5 ¸ 10,0 в области температур 380—520° С.

   Представляется вероятным периодическое изменение состава газов в пристенной области, связанное с флуктуационными колебаниями топочного процесса. В этом случае возможно попеременное периодическое воздействие окислительной и восстановительной атмосфер на экраны, что должно вносить дополнительные особенности в механизм протекания коррозионных процессов.
   С учетом изложенных представлений о механизме коррозии труб нижней радиационной части газомазутных котлов основными мероприятиями по борьбе с ней должны быть:
   1. Улучшение качества питательной воды с целью уменьшения количества наносных отложений оксидов железа.
   2. Снижение локальных тепловых потоков в области энтальпии среды сверхкритического давления 1670—2180 кДж/кг, где имеется максимум интенсивности выпадения железооксид-ных отложений.
   3. Периодические химические промывки для удаления оксидов железа с внутренней поверхности экранных труб.
   4. Правильная организация топочного процесса, исключающая возможность образования зон с восстановительной атмосферой в пристенной области.
   В результате происходящих во времени колебаний теплового потока от факела к трубам возникают изменения напряженного состояния в пленке оксидов и подоксидном слое металла. Колебания теплового потока могут быть вызваны изменениями нагрузки котла, пульсацией факела в процессе горения, колебаниями соотношения вода — топливо в допускаемых пределах и пр. Термические напряжения при возмущении со стороны факела имеют большие значения в поверхностных слоях, но быстро затухают по глубине. В первом приближении можно считать, что при резком возмущении они имеют существенную величину на глубине до 1 мм. Особенно они велики на границе раздела металл — оксид из-за различия в коэффициентах теплового расширения и плотностей. При окислении стали на ее поверхности образуется оксидная пленка, имеющая меньшую плотность по отношению к металлу, из которого она образовалась. Поэтому вследствие того, что она прочно сцеплена с металлом, пленка находится в сжатом состоянии, а металл в поверхностном слое растянут. При увеличении теплового потока в оксидной пленке возникают дополнительные напряжения сжатия, а при уменьшении потока эти напряжения снижаются. Пластичность оксидной пленки весьма невелика. Так, она разрушается в интервале температур 500—600° С при деформации на 0,65—0,85%.

   Основными мероприятиями по повышению эксплуатационной надежности продолжают оставаться систематические эксплуатационные промывки, проводимые по упрощенной технологии и осуществляемые обычно 2 раза в год, а также профилактическая замена части труб экранов.
   Поэтому при проектировании необходимо предусматривать схемы промывок и поставлять оборудование, которое требуется для их осуществления.
   Микропромывки — эффективное средство повышения надежности экранов. Но их следует проводить до того, как процесс роста слоя оксидов железа на внутренней поверхности трубы вызовет недопустимый рост их температуры и коррозионные поражения. Промывки необходимо осуществлять, когда количество оксидов железа на обогреваемой стороне не превышает 150— 200 г/м2.
   Для проверки эффективности микропромывки недостаточно ориентироваться на количество вымытого железа. Необходимо осуществлять контрольные вырезки и непосредственно определять количество оставшихся на внутренней поверхности труб оксидов железа.

4.6. Коррозия металла труб ширмовых
и конвективных пароперегревателей

   Ширмовые пароперегреватели располагаются в верхней части топки котла или поворотном газоходе. В этой зоне температура газов ниже и тепловые потоки меньше, чем в районе ядра горения. Ширмовые пароперегреватели на котлах сверхкритических и высоких параметров используются для защиты от шлакования расположенных за ними конвективных пакетов. Ширмы находятся в области более высоких температур газов и охлаждаются средой с более низкой температурой, чем конвективные пакеты пароперегревателя. Соотношение между поверхностями нагрева ширмовых и конвективных пароперегревателей зависит от типа котла и параметров перегрева пара. Если в районе ширмовых и конвективных пароперегревателей температура газов ниже и меньше тепловые потоки, то температура охлаждающей среды выше, чем в топочных экранах. Вследствие аэродинамической неравномерности потока горячих газов и гидродинамической неравномерности раздачи среды по отдельным змеевикам температурные условия их эксплуатации могут существенно отличаться в пределах одной поверхности нагрева. Ширмовые и конвектив высокотемпературной газовой коррозии.
   В процессе окисления стали горячими топочными газами или паром на ее поверхности образуется пленка оксидов, которая может препятствовать дальнейшему развитию коррозии. Атомы газа в результате диффузии через оксидную пленку проникают к металлу. Одновременно происходит встречная диффузия ионов металла к наружной поверхности оксидной пленки. Чем толще пленка, тем большее расстояние необходимо пройти ионам кислорода и металла и тем медленнее нарастает ее толщина. В тех случаях, когда пленка оксида получается рыхлой или в ней имеется много трещин, она не обладает хорошими защитными свойствами, и коррозия металла с течением времени не замедляется.
   Для надежной защиты металла от коррозии молекулярный объем пленки, образующейся из металла и кислорода, должен быть несколько больше атомного объема металла, пошедшего на ее образование. В противном случае пленки не хватит для покрытия металла. Для создания защитного действия пленки это условие необходимо, но далеко не достаточно. Так, оксиды некоторых металлов, например молибдена, при высокой температуре удаляются с поверхности металла в виде паров. В этом случае защитная пленка не образуется, хотя объем оксидов больше объема окислившегося металла.
   Пленка должна не только отличаться хорошими защитными свойствами, но и плотно прилегать к металлу. Образование пленки происходит с увеличением объема, и поэтому в ней возникают внутренние напряжения. Чем толще пленка, тем больше напряжения на границе между ней и металлом. Если напряжения превышают временное сопротивление пленки разрыву, то в ней образуются трещины.
   Пленка связана с поверхностью металла прочнее в том случае, когда между ней и металлом нет резкой границы. Кроме того, пленка должна быть как можно более прочной и пластичной, а коэффициенты линейного расширения металла и пленки должны быть возможно более близкими. Тогда при резких тепло-сменах на границе между пленкой и металлом не будут возникать большие дополнительные напряжения.
   Наиболее эффективное средство защиты стали от газовой коррозии — легирование. В качестве легирующих элементов, улучшающих жаростойкость, наиболее часто применяют хром, кремний и алюминий, окисляющиеся легче железа. Совместно с оксидами железа они образуют на поверхности стали пленку сложного состава, препятствующую интенсивному окислению. Защитное действие пленки поддерживается непрерывной диффузией легирующих элементов к поверхностному слою, где они взаимодействуют с кислородом. Диффузия легирующего элемента протекает тем быстрее, чем меньше размеры его атомов, так как атомы малых размеров легче перемещаются в кристаллической решетке основного металла. Этим отчасти объясняется хорошее защитное действие хрома, алюминия и кремния, атомы которых меньше атомов железа.

   Стали 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР и 12Х2МФБ (ЭИ531) отличаются хорошей коррозионной стойкостью, так как образующиеся на них пленки обладают хорошими защитными свойствами. При окислении в продуктах сгорания природного газа и при окислении на воздухе внешний слой на стали 12Х1МФ состоит преимущественно из гематита, второй слой — из магнетита Fe304. В граничном слое имеется повышенное содержание шпинели.
   Все легирующие элементы, повышающие окалиностойкость стали, дают тугоплавкие оксиды, достаточно прочные при высокой температуре. Молибден в больших количествах, оксиды которого легко испаряются при высокой температуре, непригоден для легирования окалиностойких сталей. Однако он может значительно повышать коррозионную стойкость в агрессивных средах при электрохимической коррозии. Присутствие молибдена в низколегированных сталях, применяемых в котлостроении, вызвано стремлением увеличить прочность при повышенных температурах.
   Хром наиболее сильно повышает окалиностойкость стали. При комплексном легировании эффективность защитного действия легирующих элементов повышается.
   Стали с высоким содержанием кремния и хрома называются сильхромами, а стали с высоким содержанием хрома, кремния и алюминия — сихромалями. Применение сильхромов и сихрома-лей ограничено ввиду их хрупкости в условиях эксплуатации при высоких температурах. Их используют для шипов экранов и иногда — для подвесок труб поверхностей нагрева. Для защиты от газовой коррозии применяют насыщение поверхностных слоев легирующими элементами. При насыщении хромом этот процесс называется диффузионным хромированием, алюминием — алити-рованием, азотом — азотированием.
   Для защиты металла необходим плотный, свободный от пор слой окалиностойкого материала, очень прочно связанный с основным металлом. Для защиты обдувочных аппаратов, используемых для очистки поверхностей нагрева парогенераторов, работающих на твердом топливе, применяют алитирование. В результате такой обработки на поверхности трубы образуется слой, богатый алюминием. На поверхности этого слоя создается защитная пленка из оксидов алюминия и железа, хорошо предохраняющая сталь от дальнейшего окисления.

 4.7. Подшламовая коррозия и водородное охрупчивание

   Под слоем отложений на внутренней поверхности экранных труб в контакте с котловой водой развивается так называемая подшламовая коррозия и она часто носит язвенный характер.
   Такой коррозионный процесс интенсивно развивается только в отдельных точках поверхности металла, где образуются язвы, которые могут привести к свищам. Язвы заполняются продуктами коррозии, и поэтому их не всегда легко удается обнаружить.
   При значительном развитии коррозионного процесса на внутренней поверхности трубы в месте действия локальных коррозионных электрохимических элементов наблюдаются как бы наросты. Между металлом трубы и отложениями находятся плотно прилегающие продукты коррозии, образовавшиеся из металла трубы. Между плотным слоем оксидов железа и слоем отложений находится слой более рыхлых оксидов из ионов металла, перешедших в раствор в воде. Внутренний плотный слой состоит практически из одного магнетита. В рыхлом слое оксиды железа располагаются вперемежку с солями, состав которых определяется «букетом солей» котловой воды.
   Равновесная концентрация солей может существовать лишь в потоке жидкости. В пористом слое отложений происходит упаривание раствора и повышение концентрации солей. Так создается агрессивный в коррозионном отношении электролит. Вследствие неоднородности металла трубы и неравномерности теплового потока возникают локальные электрохимические элементы.
   При значениях показателя рН < 7,0 скорость коррозии определяется скоростью восстановления ионов водорода. Ионы водорода, имеющиеся в котловой воде, из-за ее диссоциации или кислотного характера примесей восстанавливаются до водорода (на катодных участках) и растворяются в металле. Происходят интенсивная коррозия и насыщение водородом металла.
   При значениях показателя рН > 7,0 образование ионов водорода сильно подавлено. Выделившийся водород становится потоком пароводяной смеси. В .потоке атомы водорода объединяются в молекулы, транспортируемые вместе с паром через тракт котла и турбины в конденсатор. Имеет место коррозионное поражение, но отсутствует водородное охрупчивание.
   Растворение водорода в металле происходит за счет диффузии ионов водорода к поверхности металла, адсорбции ионов на металлической поверхности, восстановления его до атомарного состояния, перехода атомов водорода в кристаллическую решетку металла и миграции атомов водорода в кристаллической решетке.
   Между водородсодержащей средой и металлом через определенный промежуток времени после возникновения контакта наступает равновесие распределения водорода, т. е. металл насыщается водородом. Растворенный в стали атомарный водород вызывает снижение прочности и пластичности и может приводить к замедленному разрушению при нагрузках и температурах, которые при отсутствии водорода безопасны. Водород снижает при высоких температурах длительную прочность и длительную пластичность и может ускорять ползучесть. Это явление называется водородной хрупкостью; оно свойственно не только процессу подшламовой коррозии, но и всем случаям, когда металл насыщается водородом. В частности, при насыщении металла водородом в процессе сварки (водород попадает из влажной обмазки электродов или ржавчины — гидрооксида железа) может наблюдаться повышенная способность к трещинообразова-нию наплавленного металла или околошовной зоны.
   На процесс диффузии водорода влияют поле напряжений, градиент температуры и дефектность строения металла. В частности, границы зерен и дислокации являются'каналами, облегчающими перемещение ионов водорода в стали.
   Растворимость водорода в стали увеличивается пропорционально корню квадратному из парциального давления и возрастает по экспоненте с увеличением температуры при постоянном парциальном давлении водорода. При повышении температуры от 300 до 500° С растворимость водорода в железе увеличивается в пять раз. Легирующие элементы относительно слабо влияют на растворимость водорода в стали, но могут существенно изменять скорость диффузии.
   Водород, растворенный в стали, взаимодействуя с углеродом цементита, образует метан, который практически нерастворим в стали, и он скапливается по границам зерен и в микропорах, где его давление достигает весьма большой величины.
   В то же время водород является поверхностно-активным веществом, приводящим к снижению поверхностной энергии стали, облегчает таким образом уровень напряжений, необходимых для образования и развития трещины.

 4.8. Эксплуатационная надежность труб
топочных экранов при водяной очистке

   Топочные экраны котлов, работающих на канско-ачинских углях, подмосковном угле, эстонских сланцах и некоторых других углях, подвержены интенсивному шлакованию. При этом увеличивается разверка тепловосприятий по трубам и экранам, которая может вызвать нарушение гидродинамики, а также снижается общее тепловосприятие топки и снижается КПД котла. Наиболее эффективным средством очистки являются дальнобойные аппараты водной очистки. 
   При отсутствии эффективной расшлаковки в случае сжигания сильно шлакующих топлив возникает необходимость периодической разгрузки котлов, а иногда и остановки для ручной расшлаковки. Водная обмывка топочных экранов осуществляется струей технической воды с температурой 10—20° С при давлении 0,5— 0,6 МПа и расходе на один аппарат 8 кг/с.
   Водяная струя направляется через топочную камеру на противоположную стену наиболее шлакующихся поверхностей нагрева. Струя равномерно перемещается по горизонтали и одновременно смещается в вертикальной плоскости. Обдувка производится 5—7 раз в сутки. Струя воды вызывает термоудар горячих шлаковых образований; кинетическая энергия струи и образующегося при ее испарении пара также способствует разрушению шлака.
   Однако при водяных обмывках не удается избежать попадания струи воды на очищенную от шлака поверхность экранных труб. На наружной поверхности трубы НРЧ при водной обмывке бросок температуры на протяжении 3—5 мин достигает 40—60° С. В результате многократного термоудара на наружной поверхности экранных труб образуются трещины термической усталости. Такие трещины могут располагаться как вдоль оси трубы, так и по кольцу, они занимают до половины периметра трубы. Зарождению трещины предшествует инкубационный период. За- тем наступает период относительно быстрого роста трещины. Но, так как градиент температуры при термоударе по глубине металла трубы быстро затухает, а конец трещины скруглен оксидами, то в дальнейшем рост трещины замедляется.

 4.9. Сернистая коррозия металла хвостовых поверхностей
нагрева и стальных коробов газоходов

   При сжигании топлив с большим содержанием серы хвостовые поверхности нагрева (экономайзеры и воздухоподогреватели) подвергаются низкотемпературной сернистой коррозии. Этот вид коррозии, в частности, имеет место при сжигании сернистых мазутов, подмосковного, львовско-волынских и других углей с высоким содержанием серы. От сернистой коррозии разрушаются также стальные короба газоходов и дымовые трубы. Интенсивный коррозионный процесс на стенках коробов наблюдается в местах повреждения тепловой изоляции, где происходят конденсация водяных паров и образование серной кислоты из-за переохлаждения уходящих газов.

 4.10. Стояночная коррозия и способы консервации котлов

   Поверхность нагрева, как и другие элементы котла, может быть подвержена стояночной коррозии. Это электрохимическая коррозия в воде, содержащей кислород, протекающая при комнатной температуре при останове котла. Характерные особенности стояночной коррозии — образование язв на поверхности металла и накопление большого количества продуктов коррозии, под слоем которых может развиваться коррозия при последующей эксплуатации. Вынос продуктов коррозии загрязняет проточную часть турбины, может вызывать износ лопаточного аппарата. Одновременно ухудшается водный режим.
   После останова котла на трубах оставались мокрый шлак и зола, в которых интенсивно протекала электрохимическая коррозия. Снаружи труба покрыта толстым слоем бурого гидрооксида железа.

   Межкристаллитная электрохимическая коррозия поражает аустенитную сталь труб конвективных и ширмовых пароперегревателей, находящуюся в контакте с водой, в которой растворены соли, содержащие ион хлора и кислород. Эта коррозия интенсивно развивается при температуре 250—300° С. Протекание этой коррозии во много раз ускоряет наклеп. Для снижения склонности аустенитной стали к межкристаллитной коррозии структуру стали стабилизируют титаном или ниобием, которые связывают растворенный в аустените углерод в устойчивые карбиды.

   Для защиты котлов от стояночной коррозии применяются различные способы консервации, основывающиеся на следующих принципах:
     - создание инертной атмосферы в оборудовании;
     - создание восстановительной атмосферы в оборудовании;
     - формирование на металле защитных противокоррозионных пленок;
     - высушивание защищаемого оборудования.
   Подробное описание методов консервации оборудования энергетических котельных установок изложено в "Руководящие указания по консервации теплоэнергетического оборудования. М.: СЦНТИ ОРГРЭС".
   Ниже излагаются рекомендации по консервации паровых котлов промышленных и коммунальных предприятий.

 4.11. Эксплуатационная надежность барабанов
энергетических и промышленных котлов
и корпусов котлов малой производительности

   Барабан парового котла — один из наиболее ответственных его элементов., Особенно это относится к барабанам мощных котлов высокого давления. При работе котла в барабане аккумулируется потенциальная, энергия,, складывающаяся из энергии перегретой воды и перегретого пара при температуре насыщения и из упругой энергии металла, барабана, нагруженного высоким внутренним давлением. При резком снижении давления в случае разрушения барабана практически мгновенно давление упадет до атмосферного и большая масса воды, перегретой до 310— 350° С (при давлении в барабане 10—17 МПа соответственно), превратится частично в пар, увеличивая свой объем во много, раз.  
   В процессе изготовления и эксплуатации барабанов необходимо принимать все, возможные, меры для обеспечения их надежности. Барабаны современных паровых котлов изготавливают из стальных листовых вальцованных или штампованных обечаек, имеющих один или два продольных шва, выполненных автоматической электродуговой или электрошлаковой сваркой. Днища барабанов изготавливают штамповкой из листа. Одно днище могут выполнять глухим, второе—обязательно с лазовым отверстием. Реже оба днища имеют лазы. Соединение обечаек между собой и с днищами осуществляется при помощи сварки.

   Барабаны стационарных паровых котлов , с номинальным рабочим давлением от 1,0 до 16,5 МПа, изготавливают в, соответствии с общими техническими условиями,по ОСТ 24.030.30-80 «Барабаны сварные стационарных паровых котлов. Общие технические условия». Согласно этому стандарту барабаны могут изготавливаться с приварными или вварными штуцерами, а также с отверстиями для приварки или вальцовки труб.
   Обечайки, днища и крышки лазовых затворов сварных барабанов котлов с номинальным рабочим давлением 1,0 МПа и выше изготавливают из котельной листовой стали 15К, 20К, 16ГС и 09Г2С по ГОСТ 5520-79*.

 4.12. Эрозионные повреждения энергооборудования

   Эрозия — разрушение поверхностного слоя металла под действием ударяющихся в него твердых частиц, капелек или потока жидкости, а также потока пара.
   Эрозия в воде и влажном паре, несущем капельную влагу,— сложный коррозионно-эрозионный процесс. При ударе потока или капелек влаги разрушается оксидная пленка. На внесение заметного вклада коррозионных процессов указывает, в частности,, известный факт повышения эрозионной стойкости углеродистых и низколегированных перлитных сталей при увеличении рН. Положительно влияет легирование хромом, Который способствует улучшению коррозионной стойкости, в то же время легирование молибденом и ванадием слабо влияет на-эрозионную стойкость в воде и влажном паре.
   Разрушению потоком воды подвержены детали питательных насосов высокого и сверхкритического давления, регулирующая и запорная арматура питательного водяного тракта. Так, интенсивному эрозионному износу подвержены шиберы питательных регулирующих клапанов. При частичном открытии клапана поток воды в сужении разрушает шибер. Происходит износ твердосплавных наплавок. Отжимаемый к стенке трубы поток может вызвать эрозионный износ стенки трубопровода вплоть до сквозного разрушения.
   Не реже одного раза за 25 тыс. ч эксплуатации необходимо проводить контроль толщины стенки трубопровода за регулирующим питательным клапаном на расстоянии до 10 диаметров с помощью ультразвукового толщиномера. Следует избегать при проектировании трассы питательного трубопровода близкого расположения гибов за регулирующим питательным клапаном, так как струя воды, выходящая из суженного сечения, ударяется в гиб и может вызывать его эрозионный износ. Эрозия под воздействием воды развивается5 преимущественно в результате разрушения менее прочных структурных составляющих (например, феррита в перлитных сталях). Наличие в металле технологических дефектов (ликвации, микротрещин) неизбежно приводит к ускорению процесса эрозии.

 4.13. Регенерация структуры и свойств
перлитных жаропрочных сталей путем
восстановительной термической обработки

   Расчетный срок службы эксплуатируемого и выпускаемого энергооборудования составляет 100 тыс. ч, что соответствует приблизительно 15—20 годам. Ограничения по расчетному сроку службы вызваны процессом ползучести и опасностью разрушения от исчерпания длительной прочности металла элементов, работающих при высоких температурах под напряжением.
   За расчетный срок службы не происходит морального старения оборудования.
   Вследствие высоких запасов прочности, заложенных в конструкции при проектировании, в ряде случаев оказывается возможным продление надежной эксплуатации энергооборудования сверх расчетного срока службы. Это относится, в частности, к паропроводам, выполненным из сталей 12МХ и 15ХМ и эксплуатируемым при 500—510° С.
   В то же время паропроводы, выполнявшиеся из сталей 12МХ и 15ХМ и эксплуатировавшиеся при 530—535° С, пришлось заменять через 100 тыс. ч из-за образования трещин на гибах.
   В ряде случаев полная замена энергооборудования на новое затруднена из-за отсутствия свободных площадей на ТЭЦ, расположенных в черте плотной застройки городов.

 4.14. Анализ причин повреждений котлов
и трубопроводов и некоторые типичные дефекты

   Анализ повреждений проводится для установления причин их возникновения, выработки предложений по объему и технологии ремонта, а также для разработки рекомендаций по предупреждению возникновения аналогичных повреждений в процессе дальнейшей эксплуатации. Возможны случаи, когда в результате исследований будет сделан вывод о нецелесообразности ремонта объекта и о необходимости замены его новым или коренной реконструкции.
   Повреждения, обнаруживаемые при внешнем и внутреннем осмотрах и периодическом контроле металла и сварных соединений, могут являться следствием ряда причин, основными из которых являются:
   - дефекты металлургического производства в трубах, листе, отливках или поковках;
   - технологические дефекты, возникшие при производстве оборудования на заводе-изготовителе или при монтаже (дефекты сварки, трещины, надиры и надрывы в штампованных деталях; пористость, трещиноватость, усадочные раковины и другие дефекты в литых деталях; отклонение от заданных геометрических размеров сверх допусков в элементах оборудования и сварных швах и др.);
   отклонения от условий эксплуатации, предусмотренных проектом (превышение температуры, давления, периодическое попадание холодной среды на горячую поверхность металла, чрезмерно высокие скорости среды и др.);
   наличие неучтенных при проектировании особенностей эксплуатации и неудачных конструкторских решений;
   некачественный ремонт элементов котлов, сосудов и трубопроводов.
   Исследования повреждения целесообразно начинать с осмотра детали на месте, до ее вырезки или ремонта. Если позволяют условия, то следует место повреждения (дефект) сфотографировать. Необходимо четко зафиксировать место расположения дефекта и его ориентацию (для поверхности нагрева — по высоте, расстоянию от стенки; лобовая или тыльная образующая и др.).

   Если металл работает при температуре не выше 250° С, то можно ограничиться исследованиями механических свойств при комнатной температуре. Если температура эксплуатации металла выше 250° С или если повреждение произошло при минусовой температуре, то необходимо проверить механические свойства металла при этих температурах.
   Как правило, механические испытания включают определение твердости металла, испытания на растяжение с определением временного сопротивления, предела текучести (физического, или условного), относительного удлинения и < поперечного сужения, а также испытания на ударную вязкость (обычно на образцах с круглым надрезом радиусом 1 мм).
   Результаты испытаний сравнивают с требованиями технических условий, по которым поставлен металл. При этом не следует забывать, что длительная эксплуатация при высоких температурах вызывает как бы доотпуск металла, т. е. возможны некоторое снижение прочностных показателей и повышение пластических. Косвенным показателем снижения работоспособности при высокой температуре служит уменьшение отношения временного сопротивления при рабочей температуре к временному сопротивлению при комнатной. Это соотношение тем ниже, чем выше рабочая температура металла. Снижению отношения временных сопротивлений при рабочей и комнатной температурах обычно соответствует уменьшение предела длительной прочности.
   Критические величины соотношений временных сопротивлений:
     - для сталей 12МХ и 15ХМ при температурах 500—510° С составляют 0,60,
     - для стали 12Х1МФ при 560—570° С — 0,48,
         для этой же стали при 540,—545° С — 0,55,
                                          при 500—510° С — 0,58.
Если получена меньшая величина, то есть основание считать, что жаропрочность ниже расчетной.    Исследования химического состава металла проводят аналитическим или спектральным методом. Для определения содержания углерода, серы и фосфора чаще применяется химический анализ, а содержание марганца, кремния и легирующих элементов определяют спектральным метод   Результаты химического анализа также сравнивают с требованиями технических условий на поставку металла. При этом не следует забывать о том, что в изделии отклонения по химическому составу могут быть больше, чем допускается по ковшовой пробе.

   В эксплуатации приходится встречаться с повреждениями трубопроводов из-за следующих причин:
   - дефекты производства труб металлургического происхождения — плены, закаты, трещины и др.;
   - чрезмерные термические компенсационные напряжения, вызывающие образование трещин;
   - тепловая усталость;
   - коррозионно-эрозионный износ трубопроводов питательной воды;
   - повреждение гибов из-за чрезмерной овальности и низкой деформационной способности металла;
   - непровары и шлаковые включения в сварных соединениях и трещины в них, развивающиеся в процессе эксплуатации;
   - образование трещин в околошовной зоне под действием остаточных напряжений и влияния термического цикла сварки;
   - трещины в сварных тройниковых соединениях;
   - повреждения штуцеров дренажных линий;
   - превышение расчетного рабочего давления;
   - графитизация цементита с образованием чешуек или цепочек графита.


СОДЕРЖАНИЕ

 Предисловие
 Глава первая.
   Воздействие эксплуатационных механических нагрузок на стали для паровых и водогрейных котлов и трубопроводов

   1.1. Условия работы металла паровых и водогрейных котлов и трубопроводов
   1.2. Упругая и пластическая деформация котельных сталей 
   1.3. Хрупкое разрушение сосудов и трубопроводов 
   1.4. Влияние высоких температур на механические свойства сталей
   1.5. Ползучесть и длительная прочность 
   1.6. Релаксация напряжений 
   1.7. Усталость и термическая усталость
 Глава вторая.
   Котельные стали и полуфабрикаты из них
   2.1. Углеродистые стали
   2.2. Легированные жаропрочные и жаростойкие стали
   2.3. Котельные стальные листы
   2.4. Стальные трубы, работающие под давлением
   2.5. Прокат для крепежных деталей и пружин 
   2.6. Стальные поковки 
   2.7. Стальные и чугунные отливки
 Глава третья.
   Изменения структуры и свойств котельных сталей в процессе изготовления, монтажа и ремонта
   3.1. Основные требования и конструкции сварных соединений и технологии сварки 
   3.2. Электродуговая сварка 
   3.3. Автоматическая сварка под слоем флюса
   3.4. Аргонодуговая сварка 
   3.5. Контактная сварк   3.6. Ацетилено-кислородная газовая сварка
   3.7. Электрошлаковая сварка 
   3.8. Кислородная резка
   3.9. Термическая обработка сварных соединений
   3.10. Дефекты и контроль качества сварных соединений
   3.11. Влияние пластической деформации на механические свойства и работоспособность сталей для котлов и трубопроводов 
   3.12. Гибка труб и основные технические требования к гибам
   3.13. Штамповка днищ, вальцовка и штамповка обечаек  ечаек 
 Глава четвертая.
   Изменения структуры и свойств металла котлов и трубопроводов в процессе эксплуатации 
   4.1. Трубопроводы тепловых электростанций 
   4.2. Изменения структуры металла и контроль за паром
   4.3. Повреждения элементов котлов и трубопроводов от тепловой усталости
   4.4. Эксплуатационная надежность гибов необогреваемых труб, транспортирующих воду, пароводяную смесь и насыщенный или слабоперегретый пар 
   4.5. Коррозия труб экранных поверхностей нагрева
   4.6. Коррозия металла труб ширмовых и конвективных пароперегревателей
   4.7. Подшламовая коррозия и водородное охрупчивание 
   4.8. Эксплуатационная надежность труб топочных экранов при водяной очистке ной очистке
   4.9. Сернистая коррозия металла хвостовых поверхностей нагрева и стальных коробов газоходов
   4.10. Стояночная коррозия и способы консервации
   4.11. Эксплуатационная надежность барабанов энергетических и промышленных котлов и корпусов котлов малой производительности 
   4.12. Эрозионные повреждения энергооборудования
   4.13. Регенерация структуры и свойств перлитных жаропрочных сталей путем восстановительной термической обработки 
   4.14. Анализ причин повреждений котлов и трубопроводов и некоторые типичные дефекты
 Глава пятая.
   Расчет на прочность элементов котлов и трубопроводов 
   5.1. Нормативный метод расчета 
   5.2. Коэффициенты запаса прочности и допускаемые напряжения
   5.3. Расчетные давление и температура 
   5.4. Расчет на прочность труб поверхностей нагрева и трубопроводов, нагруженных внутренним давлением
   5.5. Расчет на прочность барабанов и камер 
   5.6. Расчет на прочность тройников 
   5.7. Расчет на прочность конических переходов
   5.8. Расчет на прочность выпуклых днищ 
   5.9. Расчет на прочность плоских днищ и заглушек


Техническая информация предприятий генерирующего комплекса.

   Антикайн П. А.
Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов.
Энергоатом-издат. ISBN 5-283-00065- 6