Влияние среды с температурой выше 450°С на металл трубопровода

При длительной работе трубопроводов с температурой среды выше 450°С в сталях развивается ползучесть, окалинообразование и графитизация, которые снижают прочностные характеристики сталей.

Жаропрочность. При работе паропровода с температурой пара выше 450°С на внутренних стенках труб происходит окисление металла и за счет утончения стенок труб образуются тонкие слои окалины. С течением времени толщина стенах труб уменьшается, вследствие чего в стенках труб увеличиваются напряжения и ускоряется процесс ползучести.

Способность стали сопротивляться образованию окалины при действии на нее пара с высокой температурой называемся окалиностойкостью или жаропрочностью.

Жаростойкость сталей определяется потерей массы окисляющимся металлом за определенный промежуток времени. Потеря в массе металла за счет образования окалины учитывается при расчете толщины стенки труб на прочность прибавкой на образование окалины.

Графитизация. Под действием высоких температур в стали происходит выделение свободного углерода по границам зерен. Это явление называют графитизацией стали. Наличие зерен графита в стали с практически нулевой механической прочностью равносильно появлению в стали раковин или пустот, ослабляющих металл к приводящих к ускорению ползучести.

Чтобы предотвратить графитиазацию сталей, производят специальные термические обработки стали и легирование сталей специальными присадками, связывающими углерод. Для своевременного обнаружения графитизации труб паропроводов на электростанциях организован систематический контроль за изменениями структуры стали с периодической вырезкой с наиболее горячих участков паропроводов образцов для лабораторного исследования.

Длительная прочность характеризует разупрочнение металла трубопровода или снижение его механической прочности при длительной работе при высоких температурах. Чем длительнее металл работает при высоких температурах, тем меньшее напряжение требуется для разрушения этого металла.


Таблица 1-3
Механические свойства металлов труб
Марка стали Предел текучести, МПа Временное
сопротивление
разрыву, МПа
Относительное
удлинение, %
Твердость по Бринеллю
(при в толщине стенки
более 10 мм) HB
Диаметр
отпечатка,
мм не менее
Число твердости
не более
10
20
35
45
10Г2
20Х
40Х
30ХГСА
15ХМ
30ХМА
12ХН2
ВСт4сп
ВСт4сп
ВСт5сп
ВСт5сп
210
250
300
330
270
-
-
-
230
400
400
25
25
27
27
340
420
520
600
480
440
670
700
440
600
550
420
420
500
500
24
21
17
14
21
16
9
11
21
13
14
20
-
-
17
5,1
4,8
4,4
4,2
4,3
-
3,7
-
-
-
-
-
1370
1560
1870
2070
1970
-
2690
-
-
-
-
-
-
-

Таблица 1-4
Номинальные допустимые напряжения для труб из
углеродистых сталей при разных температурах, МПа
Марка стали Временное сопротивление
разрыву, МПа
Рабочая температура труб, °С
200 260 300 340 380 400 420 440 460
Ст2
СтЗ
Ст4
10
15 и 15к
22к
25 и 25к
350
390
430
360
400
450
480
105
117
128
109
121
14
14
93
103
111
96
106
129
127
85
94
-
88
97
122
115
-
-
-
79
87
-
104
-
-
-
71
77
-
92
-
-
-
67
73
-
87
-
-
-
63
69
-
81
-
-
-
52
58
-
67
-
-
-
41
46
-
51

Длительной прочностью стали называется способность стали нести без разрушения заданную нагрузку в течении определенного времени. Предел длительной прочности трубопроводных сталей является их важнейшей прочностной характеристикой. Сравнительной величиной длительной прочности стали является предел длительной прочности, т. е. напряжение, при котором металл разрушается через 100000 ч работы при определенной температуре.

Расчеты трубопроводов на прочность обычно производятся по допускаемым напряжениям, которые связаны с пределом длительной прочности соотношением

где σtдоп — допускаемое напряжение, σд.п — запас прочности по пределу длительной срочности.

Величина σtдоп, вычисленная по этой формуле, относится к той температуре, для которой был принят предел длительной прочности. Предел длительной прочности трубопроводных сталей резко снижается при повышении температуры.

Механические свойства металла труб в состоянии поставки должны удовлетворять нормам механических свойств, приведенным в табл. 1-3.

Номинальные допускаемые напряжении для труб из углеродистых сталей для разных температур приведены в табл. 1-4.

Рекомендуемые расчетные характеристики прочности стали при высоких температурах приведены в табл. 1-5.

В качестве расчетной характеристики прочности принята наименьшая из двух величин для данной температуры — предела текучести и предела длительной прочности за 100 000 ч. Значения предела текучести (находящиеся слева от жирной ломаной линии) соответствуют минимальным опытным данным для разных плавок, а значения предела длительной прочности (находящиеся справа от жирной ломаной линии)—средним опытным данным с отклонениями ±20% среднего значения.


Таблица 1-5
Рекомендуемые расчетные характеристики прочности труб при высоких температурах, МПа
Марка стали Рабочая температура. ºС
250 300 350 400 450 475 500 525 550 575 600 625 650
20
15ГС
15ХМ
12Х1МФ
13Х1М1Ф
12Х2МФБ
12Х2МФСР
Х18Н12Т
200
250
230
250
280
210
240
210
180
230
220
240
270
200
230
200
100
200
210
230
230
190
220
200
140
170
200
220
240
190
210
190
100
130
190
210
230
170
200
185
70
-
190
200
220
150
190
180
50
-
155
190
210
120
180
170
-
-
110
150
170
100
150
165
-
-
75
110
130
80
110
160
-
-
-
85
95
65
85
140
-
-
-
60
70
50
70
110
-
-
-
-
-
40
60
90
-
-
-
-
-
-
-
70

Значения характеристик прочности для температур, лежащих в промежутке между указанными в таблице, находят линейной интерполяцией.

Предел текучести определяют по ГОСТ 9651-73. На электростанциях должен быть организовав контроль состояния металла паропроводов при температуре стенки 450°С и выше, а также наблюдения за ростом остаточных деформаций, структурными изменениями, изменениями содержания легирующих элементов в карбидной фазе.

На электростанции должна быть схема паропроводов с нанесенными на ней точками измерения остаточных деформаций, местами

Рис. 1-2. Расположение реперов на контрольном участке паропроводов.

расположения контрольных участков (рис. 1-2) сварных соединений и опор. Нумерация этих точек измерения и контрольных участков сварных соединений должна быть последовательная и единая по электростанции. Места расположения точек измерения и площадка для удобного доступа к ним должны быть предусмотрены проектом.

Для установки бобышек на паропроводах под один размер и последующего измерения по ним остаточной деформации труб применяют специальные скобы (рис. 1-3). Для каждого диаметра труб имеется своя скоба. Замеры производят по бобышкам, установленным по взаимно перпендикулярным осях (х—х иуу).

Контролю и наблюдению подлежат все паропроводы, работающие при температуре 450°С и выше, за исключением паропроводов диаметром менее 100 ми, длительность работы которых не превышает 3000 ч в гол.

Рис. 1-3. Эскиз скобы (шаблона) для измерения остаточной деформация паропроводов.

1 — корпус; 2 — сменная губка; 3 — губка, запрессованная во втулку с посадкой А1/Пр1; 4 — втулка; 5 — гайка, закрепляющая схемную втулку.


Размеры скобы для наиболее ходовых диаметров паропроводов
Диаметр паропровода, мм Размер скобы, мм
l D С R К R не менее H
I II III I II III
335
273
245
219
188
133
10
10
10
10
10
10
8,4
8,6
8,8
8,9
9,15
9,35
6,8
7,2
7,6
7,8
8,3
8,7
288
313
289
259
208
173
366,5
314,4
286,2
260,1
208,8
173,6
308,2
315,8
287,4
261,2
209,7
174,3
385
333
305
279
228
193
192,5
166,5
132,5
139,5
114
96,5
25
25
20
20
15
15
217,5
191,5
172,5
159,5
129,5
111,5
8
8
8
6
6
6

Ползучесть — явление, при котором в стенках труб медленно накапливается остаточная деформация, возникающая в результате длительного воздействия внутреннего давления среды даже при напряжениях ниже предела текучести, соответствующего данной температуре. Ползучесть приводит к увеличению диаметра трубопровода и соответственно утонению стенок труб и возрастанию напряжений растяжения. Протекание процесса ползучести характеризуется скоростью ползучести. Для уменьшения скорости ползучести в сталь вводят легирующие элементы: хром, молибден, ванадий, титан. Следовательно, для трубопроводов, работающих при температуре 450°С и выше, применяют низколегированные, легированные и аустенитные стали.