Строение и процессы разрушения металлов

ВВЕДЕНИЕ

Содержание

М 13 Энергомашиностроительные стали и расчеты на прочность

Ефимов Н.Н.

Допущено Министерством образования Российской Федерации

в качестве учебного пособия для студентов вузов,

обучающихся по специальности 140101

«Тепловые электрические станции»

Новочеркасск 2010

УДК 621.311.22: 504.05

ББК 31.37

М 13

Рецензенты: доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой ТЭС МЭИ;

доктор технических наук, профессор, директор Института повышения квалификации МГОУ Е.М. Марченко

элементов оборудования ТЭ: Учебное пособие

/Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. 81 с.

ISBN 5-7046-0712-8

В двух частях и пяти главах рассмотрены строение и основные дефекты кристаллической решетки металлов. Даны понятия прочности, пластичности и хрупкости металлов. Анализируются виды разрушения сталей, в том числе и коррозионные, возникающие в условиях их работы на агрегатах тепловых электрических станций. Анализируются возможность применения сталей (углеродистые, перлитные низколегированные и аустенитные) в конкретных условиях их использования на энергоблоках электростанций. Приводится методика расчета на прочность элементов оборудования, работающего в условиях статических нагрузок.

Предназначено для студентов специальности 140101 – «Тепловые электрические станции», а также для инженеров и магистров, занимающихся практической деятельностью.

УДК 621.311.22: 504.05

ББК 31.37

ISBN 5-7046-0712-8 © Южно-Российский государственный техни-

ческий университет (Новочеркасский политехнический институт), 2010

© Ефимов Н.Н., 2010

Оглавление

Литература

Обозначения. Обозначения сталей

Сокращения

Введение

Часть первая. Строение и процессы разрушения металлов.

Глава 1. Строение металлов и их свойства

1.1. Строение металлов

1.2. Сплавы металлов

1.3. Твердые растворы

1.4. Дефекты кристаллического строенияметаллов

1.5. Прочность металлов

1.6. Характеристики пластичности

1.7. Механизмы пластической деформации

Глава 2. Хрупкость металлов

2.1. Хрупкость и виды хрупкого разрушения

2.2. Хладноломкость

2.3. Тепловая хрупкость

Глава 3. Процессы разрушения металлов в рабочих режимах

3.1. Диффузия и самодиффузия

3.2. Отдых и рекристаллизация

3.3. Сфероидизация и графитизация

3.4. Деформационное старение

3.5. Сигма – фаза

3.6. Остаточные и температурные напряжения

3.7. Усталость металлов

3.8. Тепловая усталость

3.9. Ползучесть

3.10. Длительная прочность металлов

3.11. Релаксация напряжений

Часть вторая. Стали и расчеты на прочность в энергомашиностроении

Глава 4. Энергомашиностроительные стали.

4.1. Условия работы металла.

4.2. Коррозия металла в энергоустановках.

4.3. Влияние технологии изготовления на свойства сталей.

4.4. Обозначения марок сталей.

4.5. Углеродистые стали.

4.6. Влияние легирующих элементов на свойства сталей.

4.7. Низколегированные стали.

4.8. Стали аустенитного класса.

4.9. Специальные сорта сталей.

4.10. Крепежные стали

4.11. Турбинные стали

4.12. Перспективы использования новых материалов в энергетике

Глава 5. Расчет на прочность элементов энергооборудования.

5.1. Предисловие.

5.2. Методы расчета на прочность.

5.3. Основы расчета на прочность цилиндрических сосудов.

5.4. Выбор допустимых напряжений.

5.5. Расчет на прочность цилиндрических корпусов барабанов и камер.

5.6. Расчет на прочность трубопроводов.

5.7. Коэффициент прочности при ослабленииотверстиями барабана или камер.

5.8. Укрепление отверстий.

5.9. Расчет плоских круглых днищ и заглушек.

5.10. Расчет выпуклых днищ.

5.11. Наибольший допустимыйдиаметр неукрепленного отверстия в днищях.

5.12. Укрепление отбортовкой.

5.13. Расчет на прочность сварных тройников.

5.14. Расчет разъемных соединение.

5.15. Расчет на прочность деталей насоса.

5.16. Расчет перемещений, усилий и напряжений в элементах корпуса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нормы расчета на прочность элементов реакторов, парогенера­торов, сосудов и трубопроводов атомных электростанций, опыт­ных и исследовательских ядерных реакторов и установок. М., Металлургия, 1973.

2. Нормы расчета элементов паровых котлов на прочность. Недра, 1966.

3. П.А.Антикайн, Металлы и расчет на прочность элементов паро­вых котлов. М., Энергия, 1968.

4. Е.А.Троянский, Металлы котлостроения и расчет прочности деталей паровых котлов, М.-Л., Энергия, 1964.

5. С.М.Шварцман. Расчет прочности элементов котельных агрегатов. М.-Л., Госэнергоиздат, 1957.

6. Эксплуатация паровых котлов и паротрубопроводов. Киев. Техника, 1969.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

р - давление, АТа; кг/мм2;

t - температура, град; шаг отверстий, мм;

t_ср, t_ст - средняя температура, температура стенки сосуда, град;

∆t_раз - температура разверки (из теплового расчета), град;

υ – температура продуктов сгорания, град;

σ - напряжение, н/мм², Мн/м²к, г/мм²;

σ_пр - предел пропорциональности (напряжение)

σ_т, σ_0,2 – предел текучести (напряжение);

σ_в - предел прочности;

σ^*_доп - номинально допустимое напряжение, кг/мм²;

σ_доп - допустимое напряжение, кг/мм²;

σ_и - напряжение изгиба, кг/мм²;

σ_р - напряжение растяжения или сжатия, кг/мм²;

σ_ч, σ_τ, σ_а - радиальное, тангенциальное и аксиальное напряжение, кг/мм²;

σ_пр, σ_э - приведенное и эквивалентное напряжения, кг/мм²;

τ, τ_р - напряжения кручения и среза, кг/мм²;

Р, Р_гидр - сила или усилие от рабочего давления и при гидроиспытании, кг;

Р_гобж - усилие, необходимое для обжатия прокладки, кг;

Q_t - усилие в шпилках, вызванное температурной неравномерностью, кг;

Q_o - усилие начальной затяжки шпилек, кг;

Q_шп, Q_пр - усилия на шпилках и на прокладку, кг;

Н_пр - радиальные силы для прокладок, кг;

Н - перерезыващие усилия в стыке элемента, кг/мм;

N_шп, N_пр, N_кр - усилия на фланец от шпилек, прокладки, крышки, кг;

А - работа, дж; коэффициент, учитывающий величину допуска по толщине стенки; осевая нагрузка, кг;

G - вес элемента оборудования, кг;

g - удельное давление, кг/мм²;

M - момент, изгибный момент, кг/м;

W - момент сопротивления, мм³; радиальное перемещение элемента, мм;

I - момент инерции, мм⁴;

E - модуль упругости, кг/мм²;

l, h - линейные размеры (длина, высота) элемента, мм;

l₀, ∆l, - длина и удлинение образца, мм;

d - диаметр образца, диаметр отверстия в трубе, мм;

Д_н, Д_в - наружный и внутренний диаметры сосуда, трубы, мм;

S - толщина стенки сосуда, трубы, мм;

∆S - утонение стенки трубы, мм;

С - прибавка к толщине стенки сосуда, трубы, мм;

R - радиус гиба трубы, мм; радиальная нагрузка, кг;

F, f - площадь, площадь сечения трубы или камеры, мм²;

δ - относительное удлинение, %;

ψ - относительное сужение, %;

nт, nдп, nв - коэффициенты, учитывающие запасы прочности по пределу текучести, длительной прочности и прочности;

μ - коэффициент Пуассона;

η - коэффициент по допустимому напряжению, принимаемый в зависимости от конструкции и расчетного случая;

φ - коэффициент прочности;

a, b - коэффициенты, учитывающие овальность и утонение стенки трубы, %;

К, К₀,Z - коэффициенты, учитывающие ослабляющие действия отверстий на сосуд;

Z - число шпилек во фланцевом соединении, шт.;

χ - коэффициент нагрузки;

λ_п, λ_р, λ_ш, λ_в - коэффициент податливости прокладки, рубашки корпуса, шпильки, втулки, мм/кг;

α - коэффициент линейного расширения, 1/град.;

α_к - ударная вязкость, дж/см²;

m - прокладочный коэффициент;

ζ - коэффициент, учитывающий состояние поверхности;

k_к - коэффициент приведения;

ξ - коэффициент приведения жесткости межопорного пролета;

u - коэффициент, учитывающий влияние массы межопорного пролета;

υ, υ_п - скорость скольжения, ползучести, мм/сек;

n - скорость вращения вала, об/мин.

ОБОЗНАЧЕНИЯ СТАЛЕЙ

Г - марганец;

С - кремний;

X - хром;

Н - никель;

М - молибден;

В - вольфрам;

Ф - ванадий;

Т - титан;

Ю - алюминий;

Д - медь;

Б - ниобий;

К - кобальт;

Р - бор;

П - фосфор;

Ц - циркорий;

СОКРАЩЕНИЯ

ПГ - парогенератор;

ТЭС - тепловая электрическая станция;

АЭС - атомная электростанция;

ВЭ - водяной экономайзер;

ТВП, РВП - воздухоподогреватель трубчатый или регенеративный;

ПП – пароперегреватель.

Энерговооруженность всех видов производств значительно увеличивается. Рост энергетики осуществляется за счет строительства тепловых, гидравлических и атомных электростанций, на которых устанавливается современное оборудование высоких и сверхвысоких (сверхкритических), а в последнее время, и суперсверхкритических параметров. Увеличение параметров и укрупнение агрегатов считается основным путем повышения экономичности электростанций. Увеличение паропроизводительности энергоблоков приводит к снижению удельного расхода металла (на 1 т пара), уменьшению капитальных затрат на изготовление и монтаж энергоблоков, упрощает эксплуатацию и ремонт.

Укрупнение агрегатов приводит одновременно к увеличению общей протяженности труб поверхностей нагрева и к увеличению количества соединений и арматуры. Резко повышаются требования к металлам и надежности их работы.

На различных этапах развития энергетики применялись раз­личные параметры пара, которые соответственно определяли стали, необходимые для изготовления энергоагрегатов:

в 1913 г. р = 1,0 - 1,5 МПа, t = 300 - 325 ⁰С, (средние),

в 1940 г. р = 5,0 - 6,0 МПа, t = 425 – 450 ⁰С, (высокие), углеродные стали;

в 1950 г. р = 10,0 – 11,0 МПа, t = 500 – 510 ⁰С, (сверхвысокие), легированные стали;

в 1960г. р = 23,5 - 24 МПа, t= 545 – 560 ⁰С, (сверхкритические), аустенитные стали;

в 2000г. р = 30 - 32 МПа, t = 500 – 620 ⁰С, (суперсверхкритические), специальные стали.

В настоящее время, в основном, применяются сверхкритические параметры с температурой 545 ⁰С. Была сделана попытка увеличить температуру пара до 560 ⁰С, но опыт эксплуатации сталей на котлах с такими параметрами потребовал снижения температуры до 545 ⁰С (например, по опыту эксплуатации Ростовской ТЭЦ-2). В эксплуатации используются опытные парогенераторы (ПГ) на параметрах 40 МПа и 700 ⁰С. Такие высокие параметры потребовали применения высоколегированных сталей.

При повышении параметров пара интенсифицируются коррозионные процессы и другие виды разрушения металла. В связи с этим большая роль в обеспечении безотказной работы энергоагрегатов принадлежит проектировщикам, инженерам по монтажу и ремонту оборудования, которые должен иметь обширные знания по металлам энергомашиностроения, по расчету на проч­ность деталей и предвидеть условия работы энергомашиностроительных сталей.

Расчетный срок безопасной эксплуатации энергоблоков и другого энергетического оборудования в настоящее время составляет 100 тыс. часов. Фактическая длительность эксплуатации большого количества установок различной мощностью значительно превысило расчетный срок. По оценкам экспертов энергетическое хозяйство страны на 80 % выработало свой моторесурс (100 тыс.ч.). В таких условиях большое значение имеют теоретические и опытные оценки предельной работоспособности металла.

Для обеспечения надежной эксплуатации и увеличения расчетного срока службы оборудования необходимо:

1. Повышение качества проектирования энергооборудования, т.е. знания конструкторами свойств металлов применяемых, особенно, в котлостроении и новых сортов сталей.

2. Повышение качества изготовления, особенно для блоков, работающих в пиковом и полупиковом режимах для чего:

а) повысить качество исходных материалов (металлургической шихты, огнеупоров, сварочных материалов).

б) улучшать и внедрять новые прогрессивные технологические процессы производства металлов.

3. Расширить унификацию деталей, что позволит специализировать производство и повысить технологичность конструкций.

4. Улучшить состав применяемых марок сталей.

5. Определить предельные сроки работоспособности металлов.

6. Организовать четкий контроль за металлом в период эксплуатации.

Задача настоящего курса дать студентам знания по вопросам: влияния различных факторов на изменение свойств металлов; определения напряжений; расчета прочности деталей оборудования, работающего в стационарных режимах и применения различных марок сталей в энергетике и др.

Часть первая.

Глава 1. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И ИХ СВОЙСТВА.

Дата добавления: 2013-12-13