Kim loại chế tạo lò hơi và tính sức bền các chi tiết của lò hơi

Ver. 1.0 121 Ch−ơng 10. Kim loại chế tạo lò hơi và tính sức bền các chi tiết của lò hơi 10.1 Đặc điểm làm việc của kim loại trong lò hơi Điều kiện làm việc của kim loại các phần tử và chi tiết khác nhau của lò hơi rất khác nhau. Khung lò làm việc ở điều kiện nhiệt độ không khí xung quanh. Kim loại ống bộ sấy không khí chịu ứng suất không đáng kể. Các chi tiết không đ−ợc làm lạnh nh− giá treo, giá đỡ, móc giữ làm việc trong những điều kiện rất nặng, nhiệt độ kim loại các chi tiết này có thể đến 800 oC. Các ống góp ra và đặc biệt các ống bộ quá nhiệt của lò hơi cao áp và siêu cao áp làm việc trong điều kiện nặng nề nhất, vì môi tr−ờng l−u động bên trong ống có nhiệt độ cao. Nhiệt độ vách và áp suất bên trong là các thông số đ−ợc dùng để xác định việc chọn mác thép. Nhiệt độ kim loại tăng lên thì khả năng làm việc của kim loại sẽ giảm không những do giảm độ bền mà còn do các quá trình ăn mòn sẽ xảy ra mạnh hơn. Do có ăn mòn mà việc sử dụng thép bị hạn chế, ví dụ thép cacbon có thể dùng làm bề mặt đốt nếu nhiệt độ bề mặt kim loại không lớn hơn 500 oC vì ở nhiệt độ cao hơn thép sẽ gỉ rất mạnh. Tiêu chuẩn để đánh giá hiện t−ợng rão là độ bền lâu dài tDσ , đó là khả năng của kim loại tiếp nhận phụ tải trong một thời gian nhất định mà không bị phá hủy. 10.2 Các loại thép dùng trong chế tạo lò hơi 10.2.1 Những yêu cầu chung đối với thép để chế tạo lò hơi Thép dùng để chế tạo lò hơi cần phải đáp ứng đ−ợc những yêu cầu chung sau đây: - Có độ bền và độ dẻo cao; - Có độ ổn định cấu trúc cao. Trong quá trình làm việc của lò hơi thì cấu trúc thép không đ−ợc phép có thay đổi gì đáng kể; - Có độ bền nhiệt cao, tức là khả năng giữ nguyên đ−ợc những đặc tính bền cần thiết khi làm việc trong điều kiện ứng suất và nhiệt độ cao; - Có độ ổn định hóa học cao. Tính ổn định hóa học là cần thiết để ngăn ngừa ăn mòn bề mặt đốt của lò; - Có hàm l−ợng các tạp chất có hại ở mức độ tối thiểu (P, S, As, các khí hòa tan), vì chúng có ảnh h−ởng xấu đến tính chất của thép khi làm việc lâu dài; - Có tính hàn tốt, không yêu cầu dùng các ph−ơng pháp hàn và nhiệt luyện phức tạp và đắt tiền. Trong thực tế, thép cacbon, thép hợp kim thấp và thép hợp kim cao đ−ợc sử dụng rộng rãi để chế tạo các bộ phận của lò hơi. 10.2.2 Thép cacbon Đa số các chi tiết của lò hơi đ−ợc chế tạo bằng thép cacbon. Khi tăng hàm l−ợng cacbon (C) trong thép thì độ bền của nó tăng và tính dẻo giảm xuống. Trên Ver. 1.0 122 quan điểm độ bền thì dùng thép có hàm l−ợng C cao, tuy nhiên khi đó chất l−ợng mối hàn nối sẽ giảm vì có sự tôi thép trong không khí khi hàn. Vì thế hàm l−ợng C trong thép cacbon dùng để chế tạo lò hơi đ−ợc hạn chế rất nghiêm ngặt, cụ thể là 0,25C %≤ . Ngoài ra, trong thép còn có các thành phần khác là Mn, Si, S, P và O2. Mangan (Mn) đ−ợc đ−a vào thép để khử ôxy của thép trong quá trình nấu chảy và nó nằm trong thép d−ới trạng thái hòa tan (với số l−ợng 0,3 0,8%ữ ). Silic (Si) cũng giống nh− Mn, đ−ợc đ−a vào thép để làm chất khử ôxy. Một l−ợng nhỏ Si 0,5< % còn lại sau khi khử ôxy đ−ợc hòa tan trong ferit. Si làm tăng độ bền của thép nh−ng cũng làm tăng cả khuynh h−ớng kết tinh lại sau khi có biến dạng dẻo nhỏ. Photpho (P) là nguyên tố không muốn có trong thép vì nó làm giảm độ dai va đập ka và có khả năng sinh ra giòn nguội. Hàm l−ợng P trong thép lò hơi không đ−ợc lớn hơn 0,045% . L−u huỳnh (S) là tạp chất có hại vì nó tạo điều kiện sinh ra giòn nóng, nghĩa là phá hủy giòn thép ở nhiệt độ 800 1200ữ oC. Trong các thép lò hơi hàm l−ợng S đ−ợc hạn chế ở trị số 0,03 0,045%ữ . Ôxy (O2) cũng nh− nitơ (N2) và hydrô (H2) nằm lại trong thép do khử khí không hoàn toàn. O2 trong thép với một l−ợng nhỏ cũng làm giảm tính chống ăn mòn của thép. Hàm l−ợng O2 và N2 trong thép có chất l−ợng 0,01%≤ và hàm l−ợng H2 0,001%≤ . Để chế tạo bao hơi của lò hơi có áp suất thấp, áp suất trung bình và áp suất nâng cao, 6,0p < MPa, ta dùng thép cacbon có chất l−ợng nhãn hiệu 15K, 20K, 25K (của Nga) hoặc t−ơng đ−ơng. Đối với lò hơi có áp suất 0,08p < MPa có thể dùng thép cacbon chất l−ợng th−ờng 3CT , nếu nhiệt độ kim loại không lớn hơn 120 oC. Để chế tạo bao hơi của lò cao áp, 6 12,5p = ữ MPa thì phải dùng thép cacbon nhãn hiệu đặc biệt 22K hoặc t−ơng đ−ơng. Các ống dẫn n−ớc, dẫn hơi và ống bề mặt đốt th−ờng đ−ợc chế tạo từ thép 10 và 20 và t−ơng đ−ơng. Khi ấy nhiệt độ kim loại ống bề mặt đốt không đ−ợc lớn hơn 500 oC, kim loại ống góp và ống dẫn hơi không lớn hơn 450 oC. 10.2.3 Thép hợp kim thấp và hợp kim cao 10.2.3.1. Thép hợp kim thấp 10.2.3.2. Thép hợp kim cao 10.2.3.3. Các loại thép đặc biệt Các giá treo, giá đỡ, các chi tiết giữ, thiết bị thổi tro bụi làm việc trong điều kiện nặng nề không đ−ợc làm mát nên thép dùng để chế tạo các chi tiết ấy phải có tính Ver. 1.0 123 chịu nóng cao. Các mác thép dùng để chế tạo các chi tiết giữ gồm có 30CrMo, 35CrMo, 38Cr, và 40Cr. Những chi tiết nh− giá đỡ, giá treo, kẹp, thiết bị thổi th−ờng đ−ợc chế tạo bằng các mác thép nh− đ−ợc cho trong bảng 10.2. 10.3 Tính sức bền của những chi tiết chính của lò hơi 10.3.1 Ph−ơng pháp tính Yêu cầu nhất thiết đối với lò hơi là đạt độ an toàn tối đa khi tiêu hao kim loại là tối thiểu. ở đây tồn tại hai ph−ơng pháp tính sức bền các chi tiết của lò hơi là ph−ơng pháp ứng suất giới hạn và ph−ơng pháp phụ tải giới hạn. Các nhà khoa học đã đi đến kết luận là tính sức bền theo phụ tải giới hạn sẽ kinh tế hơn, vì đối với một chi tiết có thể cho phép mang phụ tải lớn hơn phụ tải ứng với ứng suất giới hạn. Trong các tiêu chuẩn tính toán ng−ời ta dùng ph−ơng pháp phụ tải giới hạn để tính sức bền các chi tiết lò hơi. 10.3.1.1. Chọn ứng suất cho phép Tr−ớc khi tính sức bền phải xác định ứng suất cho phép đối với vật liệu đã cho và nhiệt độ tính của từng chi tiết. ứng suất cho phép đ−ợc xác định dựa vào nhiệt độ tính toán của vách (nhiệt độ kim loại) và mác thép. Tính sức bền các chi tiết lò hơi theo ứng suất cho phép sau: *cp cpσ ησ= , (11-6) trong đó: η là hệ số kể đến đặc điểm cấu tạo và vận hành của chi tiết; *cpσ là ứng suất cho phép định mức, lấy theo bảng. Nếu nh− thép sử dụng mà không có những số liệu về *cpσ thì nó đ−ợc lấy bằng giá trị nhỏ nhất trong ba giá trị sau đây: 2,6 t * b cp σσ ≤ ; 1,5 t * ch cp σσ ≤ ; 1,5 t * D cp σσ ≤ , (11-7) ở đây: tbσ , tchσ , tDσ là những giá trị đ−ợc bảo đảm ở nhiệt độ làm việc t của vách. 10.3.1.2. Nhiệt độ tính toán của vách Nhiệt độ tính toán của vách để xác định *cpσ đ−ợc lấy phụ thuộc vào loại và nhiệt độ môi chất chứa trong phần tử tính toán và vào những điều kiện đốt nóng phần tử bởi khói và làm lạnh bởi môi chất. Trong mọi tr−ờng hợp nhiệt độ tính toán của vách không đ−ợc lấy thấp hơn 250 oC. a- Nhiệt độ tính toán của vách bao hơi và các panen chứa chất lỏng hay hơi bão hòa lấy nh− sau: - Đối với bao hơi đặt ngoài đ−ờng khói hay cách nhiệt tốt thì v bhòat t= (11-8) Ver. 1.0 124 - Đối với bao hơi không cách nhiệt đ−ợc đặt trong đ−ờng khói đối l−u, khi nhiệt độ khói 600khóit ≤ oC: 1,2 10,t t S= + + ov bhòa C (11-9) max( )tbt t t∆ = − và không đ−ợc lấy nhỏ hơn 10 oC; à là hệ số khuếch tán nhiệt không đều theo chu vi ống; maxq là c−ờng độ dòng nhiệt lớn nhất hay suất phụ tải nhiệt lớn nhất của bề mặt hấp thu nhiệt, kW/mK; β là tỷ số giữa đ−ờng kính ngoài và đ−ờng kính trong của ống / /( 2 )n t n nD D D D Sβ = = − ; S là chiều dày vách (thành) ống, mm; λ là hệ số dẫn nhiệt của kim loại ống, kW/mK. - Đối với các ống của bộ quá nhiệt đối l−u ở các lò hơi có 2,5lvp ≤ MPa và nhiệt độ hơi quá nhiệt không cao hơn 425 oC thì: 70 ov qn Ct t= + (11-16) e- Nhiệt độ tính toán của vách các ống bộ hâm n−ớc đ−ợc tính theo các công thức sau: - Đối với bộ hâm n−ớc của lò có tuần hoàn tự nhiên và tuần hoàn c−ỡng bức nhiều lần kiểu không sôi: 30 ov bhòa Ct t= + (11-17) - Đối với bộ hâm n−ớc kiểu sôi tính theo công thức của các ống sôi. - Đối với bộ hâm n−ớc của lò hơi trực l−u: 40 ov tb Ct t t= + ∆ + (11-18) f- Nhiệt độ tính toán của vách ống góp dàn ống sinh hơi, ống góp bộ hâm n−ớc và bộ quá nhiệt lấy nh− sau: - Đối với những ống góp không bị đốt nóng (đặt ngoài đ−ờng khói hay cách nhiệt chắc chắn) của bộ hâm n−ớc, của dàn ống sinh hơi và ống góp hơi bão hòa của lò hơi có tuần hoàn tự nhiên và tuần hoàn c−ỡng bức nhiều lần, ống góp vào của bộ hâm n−ớc ở lò trực l−u, ta lấy: v tbt t= (11-19) - Đối với các ống góp của bộ quá nhiệt (trừ ống góp hơi bão hòa) lấy: v tbt t x t= + ∆ , (với 0,5x = ) (11-20) 10.3.2. Tính sức bền một số chi tiết (phần tử) của lò hơi 10.3.2.1. Chiều dày vách của chi tiết hình trụ chịu áp suất bên trong (bao hơi, ống góp): Chiều dày vách của chi tiết hình trụ chịu áp suất bên trong (bao hơi, ống góp) đ−ợc xác định theo các công thức sau: - Khi tính theo đ−ờng kính trong ta có: 2 t cp p DS C pϕσ= +− , m (11-21) - Khi tính theo đ−ờng kính ngoài ta có: Ver. 1.0 125 2 ng cp p D S C pϕσ= +− , m (11-22) trong đó: p là áp suất tính toán, MPa; Dt và Dng là đ−ờng kính trong và đ−ờng kính ngoài, m; ϕ là hệ số bền của chi tiết bị yếu đi do các mối hàn hay có các lỗ để nối ống; cpσ là ứng suất cho phép của vật liệu, MPa; C là bổ sung cho chiều dày tính toán của vách, khi chiều dày tấm thép nhỏ hơn 20 mm lấy C = 1 mm, khi chiều dày tấm thép lớn hơn 20 mm lấy C = 0. 11.3.2.2. Chiều dày vách đáy bao hơi có dạng elip hay dạng cầu: Chiều dày vách đáy bao hơi có dạng elip hay dạng cầu đ−ợc xác định theo công thức sau: 4 2 t t cp t p D DS C z p hσ= +− , m (11-23) nếu thoả mãn điều kiện: 0,2; 0,1; 0,6.t t t t h S C d D D D −≥ ≤ ≤ Trong công thức trên ký hiệu: p là áp suất tính toán, MPa; Dt là đ−ờng kính trong, m; ht là chiều cao phần lồi của đáy tính đến bề mặt bên trong, m; cpσ là ứng suất cho phép của vật liệu, MPa; C là bổ sung cho chiều dày tính toán, C = 0,05 (S - C) nh−ng không nhỏ hơn 1 mm; z là hệ số tính đến sự làm yếu đáy do có các lỗ, lấy tuỳ thuộc thông số ( )t da D S C = − : khi 0,4a ≤ lấy z = 1,0; khi 0,4 2a≤ < lấy ( ) 2 1, 25 1,5 z a = + ; khi a > 2 lấy z = 2(a + 2). Ver. 1.0 126 Hình 10.4. Đáy lồi dạng elip. a - không có lỗ ở tâm; b - có lỗ ở tâm. 10.3.2.3. Chiều dày vách đáy tròn phẳng và nắp phẳng : Chiều dày vách đáy tròn phẳng và nắp phẳng đ−ợc xác định theo công thức: 1 0 t cp K D pS K σ= , m (11-24) trong đó: K là hệ số kể đến tỷ số giữa chiều dày vách ống góp và chiều dày đáy, 1 0, 41 1 0, 23 SK S ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠ phải không nhỏ hơn 0,31; K0 là hệ số đ−ợc lấy tuỳ thuộc vào tỷ số giữa đ−ờng kính lỗ ở đáy d và đ−ờng kính trong của ống góp Dt, tức là tỷ số t d D : Khi t d D < 0,35 có K0 = 1- 0,43 t d D , Khi 0,35 0,75 t d D ≤ ≤ lấy K0 = 0,85; p là áp suất tính toán, MPa; cpσ là ứng suất cho phép của vật liệu, MPa. 10.4.2.4. Chiều dày vách các ống bề mặt truyền nhiệt và ống dẫn: Chiều dày vách các ống bề mặt truyền nhiệt (sinh hơi, quá nhiệt, hâm n−ớc) và ống dẫn đ−ợc xác định theo các công thức sau: Hình 10.5. Các kiểu đáy và nắp phẳng. Ver. 1.0 127 Khi tính theo đ−ờng kính trong của ống: 12 t cp p dS C pσ +− , m (11-25) Khi tính theo đ−ờng kính ngoài của ống: 12 ng cp p d S C pσ= ++ , m (11-26) trong đó: p là áp suất tính toán, MPa; ,ng td d là đ−ờng kính ngoài và đ−ờng kính trong của ống, m; cpσ là ứng suất của vật liệu làm ống, MPa; C1 là bổ sung cho chiều dày tính toán, th−ờng lấy C1 = 0,5 mm.