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.

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 σ^t_доп — допускаемое напряжение, σ_д.п — запас прочности по пределу длительной срочности.

Величина σ^t_доп, 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.

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 иу—у).

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.

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.