Сталь применяемая для пароперегревателей котлов высокого давления

Обновлено: 28.04.2024

Компоновка пароперегревателей

На рис. 2.2 приведены характерные типы компоновок пароперегревательных поверхностей для барабанных котлов высокого давления пара (ВД) и прямоточных котлов сверхкритического давления (СКД). Вариант (рис. 2.2 а) характерен для котлов относительно небольшой паропроизводительности (Dn < 116,6 кг/с) при давлении пара р < 13,8 МПа. Такие паровые котлы не имеют промежуточного пароперегревателя, а пароперегреватель ВД располагается на выходе из топки и в горизонтальном газоходе. Вариант компоновки (рис. 2.2 о, б) применяется на барабанных и прямоточных котлах электрической мощностью 200-300 МВт (Dn = 186-278 кг/с) с промежу точным перегревом пара. При этом на прямоточных котлах перегрев пара начинается в экранах средней (СРЧ) и верхней (ВРЧ) радиационных частях топки, как показано на рис. 2.2 в.

Здесь выходная («горячая») ступень пароперегревателя ВД или СКД вынесена в верхнюю часть опу скной шахты, где исключается интенсивное прямое тепловое излучение из ядра факела в топке и ниже температура греющих газов.

На газомазутных (барабанных и прямоточных) котлах горизонтальный газоход может быть развит в глу бину (по ходу газов), тогда в основном поверхности пароперегревателя (высокого давления и промежуточного перегрева) размещаются в нем (рис. 2.2 о, г). Они выполнены вертикальными и подвешены за коллектора, находящиеся в уп- лотнительном коробе. Такое расположение облегчает систему крепления тяжелых змеевиковых пакетов и обеспечивает наименьшее загрязнение труб снаружи золовыми частицами. На рис. 2.2 г показан вариант компоновки поверхностей пароперегревателя газомазутного котла СКД большой мощности, отличающиеся байпасированием по пару части поверхности промежу точного пароперегревателя в целях регулирования температуры пара. В этом слу чае общая поверхность такого пароперегревателя увеличивается, он занимает значительну ю часть конвективной шахты, а выходная его ступень размещается в конце горизонтального газохода.

Во всех слу чаях пароперегреватель ВД или СКД размещен по тракту газов раньше промежуточного пароперегревателя (в зоне более высоких температур газов). Так как плотность пара в промежуточном пароперегревателе и интенсивность теплоотвода от стенки к пару здесь заметно ниже, чем при ВД, его размещают в зоне температур газов не выше 850 °С.

Какую сталь применить при повышенных температурах?

Причиной написания этого кратенького ликбеза по теплостойкости, жаростойкости и жаропрочности сталей послужило техническое задание на разработку газоходов, с указанием: "сталь жаростойкая, температуры 200-300 градусов Цельсия".

Вспомнились (уже после этого задания) вопросы про сталь, которая идет на котлы:

- она специальная или нет? В котле же высокая температура, не прогорит?

В литературе бывает упоминание про котловую сталь и котельное железо. А так же понятие "теплостойкость".

Возьмем стандартное определение жаростойкости: " Жаростойкость ( окалиностойкость ) — сопротивление металла окислению при высоких температурах ."

Металл окисляется (горит) постепенно превращаясь в окалину, в случае стали - оксид железа. Немного похоже на ржавчину, но гидроксид железа плюс гидрированный оксид железа.

Жаростойкость обычных сталей (и железа) в воздушной среде доходит до 450 градусов. Температура активного окалинообразования - от 500-550 градусов Цельсия.

Низколегированные хромом и молибденом стали (типа 15ХМ - так называемые "ХаэМовские стали") имеют повышенную жаростойкость, вплоть до 580 градусов целься, хотя их обычный диапазон эксплуатации ограничивается в 500-550 градусов.

Жаростойкие стали, типа 12Х18Н10Т. Температура начала активного окалинообразования на воздухе - 850 градусов. При длительной эксплуатации заметное окалинообразование наблюдается на темпратурах 720-750 градусов Цельсия. Кроме того, есть аналоги, менее легированные и без титана (буковка Т в конце маркировки) у которых температура начала активного окалинообразования начинается градусов на 100 ниже, примерно с 750 градусов.

Так что по жаростойкости стали для обычного пользователя полезно помнить три основные температуры:

Обычная конструкционная сталь до 400 градусов Цельсия (450 градусов, если очень надо).

Низколегированные ХаэМовские стали до 500 градусов Цельсия (550 градусов, если очень надо)

Жаростойкие легированные хромом стали до 600 градусов (650 градусов, если очень надо).

Жаропрочность . Тут все гораздо сложнее. Определение: " Жаропро́чность — способность конструкционных материалов работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения."

При нагревании прочность металла снижается. Кстати, ковка металла основана как раз на этом. Кроме того, при температурах в полной мере проявляется такое явление, как ползучесть - металл нагрузку держит, но медленно и постепенно деформируется от этой нагрузи, приходя в не работоспособное состояние.

Сталь - это раствор углерода в железе. А так же примеси - такие как фосфор, сера - ухудшающие качество стали.

До 300 градусов Цельсия достаточную прочность сохраняют почти все стали.

На 450 градусах снижение прочности рядовых сталей становится уже настолько заметным, что для работы при таких температурах и механических нагрузках (например, барабаны паровых котлов) применяют стали с минимальным нормированным количеством примесей, так называемые качественные стали . В обозначение присутствует буква "К" - качественные . Из за этой буквы их иногда называют "котловые".

Состояние внутренней структуры металла, которое влияет на механические характеристики, при обычных, повышенных и пониженных температурах зависит не только от химического состава, но и от термообработки. Взаимные переходы различных структурных состояний раствора железо - углерод дает диаграмма состояния.

Котельная сталь: свойства, классификация, применение

В котельной отрасли для производства корпусов котлов и резервуаров, цистерн для перевозки сжиженных газов и нефтепродуктов, для изготовления фитингов, запорной арматуры и других вспомогательных элементов для оборудования, работающего под давлением, используют высококачественные сорта сталей, так как металл работает в очень тяжелых условиях. На него воздействуют давление и температуры воды и пара (пароводяной смеси) и неравномерного расширения деталей котельного агрегата.

В зависимости от величины нагрузки и требуемого запаса прочности, обеспечивающего длительную работоспособность деталей, определяют толщину стенки корпуса, коллекторов и труб, размеры деталей каркаса и т.п. Кроме прочности, металл должен обладать пластичностью, трещиностойкостью, противостоять коррозии и иметь хорошую свариваемость. Часто требуются поставки стали для сосудов под давлением с гарантией устойчивости в сероводородных средах. Для уменьшения количества сварных швов в производстве крупногабаритных емкостей используется широкий и длинный лист.

В зависимости от условий эксплуатации, как котельную используют:

1. Углеродистую сталь 15К, 16К, 18К, 20К, 22К;

2. Низколегированную сталь 09Г2С, 10Г2С1, 15ГС, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 14ХГС, 10ХСНД, S355;

3. Легированную сталь перлитного и аустенитного классов (12ХМ, 15ХМ, 15Х5М, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 10Х9МФБ, 10Х18Н10Т, 38Х2МЮА).

При выборе марок котельной стали обычно учитывают условия, при которых должны работать соответствующие детали: температуру, напряжение, срок службы и допустимую деформацию этого срока.

Влияние химических элементов на механические свойства стали.

С увеличением содержания в составе стали углерода она становится более прочной и менее пластичной. Чрезмерно высокое содержание углерода является вредным, так как слишком твердая и малопластичная сталь хуже сопротивляется разным механическим деформациям, а также ухудшается свариваемость стали.
Марганец подобно углероду повышает прочность стали и несколько уменьшает ее пластичность. При плавке стали в мартеновской печи марганец способствует очистке металла от серы, образуя легко удаляемый шлак.
Чем больше кремния в стали, тем больше её прочность и меньше пластичность. При плавке в металлургических печах его применяют для раскисления стали; соединяясь с растворенным в стали кислородом, кремний образует легко удаляемые шлаки, поднимающиеся на поверхность жидкого металла.
Молибден повышает жаропрочность стали и ее пластичность.
Хром повышает жаропрочность и прочность стали и понижает ее пластичность.

В настоящее время для изготовления паровых котлов и паропроводов применяется исключительно мартеновская сталь.

При производстве толстого листа из сталей котельного назначения преимущественно используются реверсивные станы горячей прокатки. Толстый лист может подвергаться термической или термомеханической обработке в процессе прокатки или после нее.

Наиболее широко используемыми состояниями поставки для листа котельного назначения являются:

Нормализационный отжиг (нормализация) – термическая обработка стали вне прокатного потока, при которой прокат нагревается до температур выше фазового превращения с последующей выдержкой и охлаждением на воздухе.

Нормализующая прокатка - технология горячей деформации стали, при которой котловая сталь проходит окончательную обработку при температурах нормализации, обеспечивающих полную рекристаллизацию аустенита.

Закалка с отпуском - нагрев металла до температур выше фазовых превращений, выдержка и быстрое охлаждение в различных средах (вода, масло, и др.) с последующим повторным нагревом до более низких температур для снятия внутренних напряжений и придания стали окончательной структуры и свойств.

Термомеханическая прокатка – процесс упрочнения стального изделия путем контроля и управления температурой и деформационными режимами при горячей прокатке на стане.

Состав и характеристики листовой котельной стали для элементов паровых котлов регламентируется ГОСТ 5520-79, ГОСТ 19281-89, ГОСТ 19903-74, ТУ 14-1-4853-90, ТУ 14-1-5065-2006, ДСТУ 8541:2015. Производство труб в котлостроении регламентируется ТУ 14-3-190-2004, ТУ 14-3-460-2009 и ТУ 14-3Р-55-2001.

Механические свойства котельных сталей:

Предел текучести – способность металлопроката противостоять пластическим деформациям.

Предел прочность (временное сопротивление) – способность стального проката противостоять и не разрушаться под действиями внешних нагрузок (растягивание, изгиб, сжатие, скручивание и т.д).

Относительное удлинение – способность металлопроката сопротивляться и оставаться целым при растяжении.

Ударная вязкость – способность металлического проката выдерживать ударные нагрузки.

Применение и максимальная температура эксплуатации котельных сталей:

Фланцы, днища, цельнокованые и сварные барабаны паровых котлов, корпуса аппаратов и другие детали котлостроения и сосудов, работающие под давлением

Детали и части котлов, сосудов, работающих под давлением при комнатной, повышенной и пониженной температурах.

Фланцы, днища, цельнокованые и сварные барабаны паровых котлов, полумуфты, корпуса аппаратов и другие детали котлостроения и сосудов

Днища, фланцы, цельнокованые и сварные барабаны паровых котлов. полумуфты, патрубки и другие детали

Различные детали и элементы сварных металлоконструкций. Широко применяется для производства листового проката и труб

Различные детали и элементы сварных металлоконструкций, работающие под давлением

Стационарные трубопроводы питательной воды котлов СВП

Детали и части паровых котлов и сосудов, работающих под давлением. Корпуса аппаратов, днища, фланцы и др. детали

Корпуса аппаратов, днища, фланцы и другие сварные детали, работающие под давлением

Применяется для производства строительных металлоконструкций и деталей, предназначенных для работы под давлением, в т.ч. элементов трубопроводов, фланцев, сварных переходов

Сварные детали, работающие под давлением

Элементы сварных металлоконструкций и различные детали, к которым предъявляются требования повышенной прочности и коррозионной стойкости

Сортовые заготовки, поковки, котельные трубы для длительной службы

Сортовые заготовки, поковки, трубы для перегревателей, паропроводов, коллекторов, фланцы

Трубы, задвижки, крепеж и другие детали, от которых требуется сопротивляемость окислению

Сортовые заготовки, поковки, котельные трубы для длительной службы

Трубы пароперегревателей, паропроводов и коллекторов установок высокого давления

Для изготовления бесшовных холодно- и горячедеформированных редуцированных труб, предназначенных для паровых котлов и трубопроводов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара

Для изготовления деталей сварной аппаратуры, работающей в средах повышенной агрессивности, теплообменников, муфелей, труб, деталей печной арматуры; для производства трубной заготовки

Азотируемые детали: шестерни, валики, пальцы, втулки и т.д.

Химический состав, max%:

Марка стали	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Cu	As	Ti	N	Mo	V	Al
15К	0,2	0,3	0,65	0,04	0,04	0,3	0,3	0,3	0,08	-	-	-	-	-
16К	0,2	0,37	0,75	0,04	0,04	0,3	0,3	0,3	0,08	-	-	-	-	-
18К	0,22	0,37	0,85	0,04	0,04	0,3	0,3	0,3	0,08	-	-	-	-	-
20К	0,24	0,3	0,85	0,04	0,04	0,3	0,3	0,3	0,08	-	-	-	-	-
22К	0,26	0,4	1,0	0,04	0,04	0,3	0,4	0,3	-	0,05	-	-	-	-
09Г2С	0,12	0,8	1,7	0,035	0,04	0,3	0,3	0,3	0,08	-	0,008	-	-	-
10Г2С1	0,12	1,2	1,65	0,035	0,04	0,3	0,3	0,3	0,08	-	0,008	-	-	-
15ГС	0,18	1,0	1,3	0,035	0,025	0,3	0,3	0,3	-	-	-	0,15	-	-
16ГС	0,18	0,7	1,2	0,035	0,04	0,3	0,3	0,3	0,08	-	0,008	-	-	-
17ГС	0,2	0,6	1,4	0,035	0,04	0,3	0,3	0,3	0,08	-	0,008	-	-	-
17Г1С	0,2	0,6	1,6	0,035	0,04	0,3	0,3	0,3	0,08	-	0,008	-	-	-
14ХГС	0,16	0,7	1,3	0,035	0,04	0,3	0,8	0,3	0,08	-	-	-	-	-
10ХСНД	0,12	1,1	0,8	0,035	0,04	0,8	0,9	0,6	0,08	-	-	-	-	-
12ХМ	0,15	0,3	0,7	0,03	0,025	0,25	0,6	0,2	-	-	-	0,6	-	-
15ХМ	0,18	0,37	0,7	0,035	0,035	0,3	1,1	0,3	-	-	-	0,55	-	-
15Х5М	0,15	0,5	0,5	0,03	0,025	0,6	6,0	0,2	-	0,03	-	0,6	0,05	-
12Х1МФ	0,15	0,37	0,7	0,03	0,025	0,3	1,2	0,2	-	-	-	0,35	0,3	-
15Х1М1Ф	0,16	0,37	0,7	0,025	0,025	0,25	1,4	0,25	-	-	-	1,1	0,25	-
10Х9МФБ	0,12	0,5	0,6	0,03	0,015	0,7	10	0,3	-	0,05	-	0,8	0,2	-
10Х18Н10Т	0,12	0,8	2,0	0,015	0,015	11,0	19,0	0,3	-	0,7	-	0,3	-	-
38Х2МЮА	0,42	0,45	0,6	0,025	0,025	0,3	1,65	0,3	-	-	-	0,25	-	1,1

С - углерод, Si - кремний, Mn- марганец, P - фосфор, S - сера, Ni – никель, , Cr - хром, Cu - медь, As – мышьяк, Тi – титан, N – азот, Mo - молибден, V - ванадий, Al - алюминий.

7 основных классов жаропрочной стали

Жаропрочная сталь используется в режиме повышенных температур в течение долгого времени в сложно напряженном состоянии. Необходимо проводить различение между жаропрочными и жаростойкими сталями. Последние выделяются большой антикоррозионностью при температурных условиях, превышающих 550 гр. Цельсия в среде, содержащей агрессивные газы. Иными словами, жаростойкость – это качество, которое связано с устойчивостью к окислению. Жаропрочность – качество, которое позволяет выдерживать деформационные воздействия, когда материалы находятся в условиях повышенной температуры и нагрузок напряжения.

Характеристики жаропрочных материалов

Главный параметр жаропрочных металлов – возможность противостоять механическим напряжениям и нагружению при нагревании до высоких значений, не разрушаясь и не деформируясь.

Нагрузки растягивания в статическом состоянии.
Нагрузки посредством изгибания и скручивания.
Температурные, предполагающие различные режимы нагрева.
Переменные нагрузки динамического характера.
Нагружения, оказываемые посредством направления потоков газов на металл.

Жаростойкие металлические материалы отличаются еще и повышенной антикоррозионностью и стойкостью к факторам окисления в условиях повышенных термических воздействий.

Технологический параметр ползучести

Характеристики ползучести могут различаться по критерию временной длительности.
Соответственно этому ползучесть бывает

Длительной. Характеристики этого вида ползучести определяются нагрузками на жаропрочную сталь для печи, которые продолжаются долгое время. Наибольшее напряжение за период времени, которое разрушает разогретый материал, определяет предел ползучести.
Кратковременной. Испытания для ее определения проводят в печи, которую нагревают до определенного уровня, и оказывают на металл растягивающую нагрузку в течение короткого времени.

Варианты производства жаропрочных материалов

Изготавливается жаропрочная сталь, проходя предварительную термическую обработку. Применяются процедуры легирования такими элементами, как Cr, добавления Mo, Ni, Ti и иных легирующих компонентов.

Хром – Cr -увеличивает жаростойкость, повышает коррозионную стойкость.

Никель – Ni – повышает свариваемость.

Молибден – Mo – увеличивает термические показатели рекристаллизации.

Титан – Ti – повышает прочность, она удерживается в течение большого временного периода, и эластичность.

Классификация материалов жаропрочных и жаростойких

Среди всех железосодержащих материалов, ориентированных в эксплуатации на повышенный температурный режим, выделяются 3 основных класса:

Вид материала	Уровень нагруженности	Термические условия
Теплоустойчивые	Состояние в условиях нагрузки	До 600 градусов Цельсия долгое время
Жаропрочные	Состояние нагруженное	Высокие показатели температуры
Жаростойкие (окалиностойкие)	Ненагруженное, слабонагруженное состояние	Температура более 550 гр. Цельсия

Литейными. Идут на изготовление фасонных отливок.
Деформируемыми. Получаются в виде слитков, затем обрабатываются с помощью ковки, прокатываются, штампуются, используется волочение и другие способы.

Разновидности жаропрочных и жаростойких материалов по структурным критериям

Состояние внутренней структуры металлов определяет тип сталей и сплавов.

Выделяется ряд категорий жаропрочных стальных материалов, исходя из состояний внутренней структуры.

Аустенитный класс

Аустенитный класс формирует внутреннюю структуру благодаря большому процентному содержанию хрома и никеля. Получение стабильного аустенита, гранецентрированной кристаллической решетки железа, предполагает легирование стали никелем. Жаростойкость определяется хромовыми добавками.

Когда температуры повышаются до значений, близких к 1000 градусам С. и длительно поддерживаются, аустенитная нержавеющая сталь сохраняет стойкость к образованию слоя окалины, сохраняя качество жаростойких материалов.

Часто встречаются на производстве сплавы аустенитного типа, принадлежащие к дисперсионно–твердеющему подклассу. Качественные характеристики могут улучшаться путем добавления различных элементов: карбидных, интерметаллических упрочнителей.
Эти элементы обеспечивают деформационно-термическое упрочнение благодаря усилению аустенитной матрицы с помощью дисперсионного твердения.

Карбидообразующие элементы: ванадий-V, ниобий-Nb, вольфрам-W, молибден-Mo.

Интерметаллиды получаются благодаря дополнительным добавкам хрома–Cr, никеля-Ni, и титана–Ti.

Структура аустенитов

Гомогенной. Материал с такой структурой не проходит термообработку для упрочнения, в нем мало углерода и большой процент легирующих компонентов. Это обусловливает хорошую стойкость к ползучести.
Применяются в температурной среде ниже 500 градусов.
Гетерогенной. В таком материале, прошедшем термоупрочнение, получаются карбонитридные и интерметаллидные фазы.
Это позволяет повысить температуру использования под нагрузками напряжения до 700 градусов..

Материалы с никелевыми и кобальтовыми присадками подвергаются эксплуатационным воздействиям при терморежиме до 900 градусов. Сохраняют стабильность структуры долгое время.

Нихромы, в которых никеля больше 55%, отличаются и жаропрочностью, и качествами жаростойкости.

Тугоплавкие металлы: вольфрам, ниобий, ванадий обеспечивают устойчивость металлов, когда термический режим приближается к 1500 гр. С.

Из Х25Н16Г7АР производят различные металлические полуфабрикаты: лист, проволока, готовые детали для функционального использования при 950 гр. при умеренных нагрузках.

Аустенитно-ферритный класс

Перлитный класс

Перлитные жаропрочные стальные материалы относятся к категории низколегированных. Стали содержащие в виде присадок хром и молибден ориентированы на работу при температуре 450-550 гр. С., содержащие, помимо Cr и Mo еще и ванадий, нацелены на рабочий режим при температуре 550-600 гр. С.

Легирование хромом влияет на жаростойкость материалов в сторону повышения этой характеристики, также усиливается сопротивляемость окислительным процессам. Добавки молибдена увеличивают прочностные характеристики при большом нагреве материалов.

Ванадий, объединяясь с углеродом, создает повышение прочностных характеристик стальных материалов карбидами с высокодисперсными качествами.

Технология нормализации металлов улучшает и оптимизирует механические свойства сплавов. Технология закаливания и следующего за ней температурного отпуска выполняет ту же функцию. Получается структурная матрица, в которой присутствует дисперсная феррито карбидная фактура.

Мартенситный класс

Методом, который превращает один вид стального материала в другой, является закаливание, за которым следует отпуск. Итог процесса – перестроение кристаллической решетки и повышение твердости. Однако возрастает хрупкость.

40Х10С2М идет на изготовление клапанов авиадвигателей, двигателей для дизельного автотранспорта, крепежа при температурах до 500 градусов.

3Х13Н7С2 и 4Х9С2 могут подвергаться нагреву порядка 900 гр. С.
Это обуславливает их пригодность для производства двигательных клапанов.

Ферритный класс

0Х17Т зарекомендовал себя в производстве изделий для работы в окислительных средах, таких как трубы и теплообменники

Из Х18СЮ производятся трубы пиролизных установок, аппаратура.

Мартенситно-ферритный класс

1Х11МФ работает в виде лопаток турбин, из него производят поковки для эксплуатационных температур до 560 гр. С.

Сплавы, имеющие никелевую основу, и железо никелевые

ХН35ВМТЮ участвует в производстве газовых конструкционных элементов коммуникаций.

Из ХН35ВТР изготавливают конструкции турбинных устройств.

Тугоплавкие металлы

Это металлы, отличающиеся экстремально высокими температурными показателями плавления. Их характеризует также повышенная износостойкость. Использование их для легирования сталей и сплавов, увеличивает те же показатели материалов, к которым их добавляют.

Температуры плавления следующие:

Вольфрам	W	3410 градусов
Тантал	Ta	3000 градусов
Ниобий	Nb	2415 градусов
Ванадий	V	1900 градусов
Цирконий	Zr	1855 градусов
Рений	Re	3180 градусов
Молибден	Mo	2600 градусов
Гафний	Hf	2222 градусов

Применение

Стальные материалы жаропрочного класса широко применимы в различных областях экономики.

Это сферы энергетики, нефтехимии, химическом производстве, авиастроении и автомобилестроении, других направлениях машиностроительной отрасли.

Металл котлов

Металл паровых котлов работает в очень тяжелых условиях, так как на него воздействуют давление и температуры воды и пара (пароводяной смеси), собственный вес обмуровки и неравномерного расширения деталей котельного агрегата.

Толщину стенки барабанов, коллекторов и труб, размеры деталей каркаса и т.п. определяют в зависимости от величины суммарной нагрузки и требуемого запаса прочности, обеспечивающего длительную работоспособность деталей. Кроме прочности, металл должен обладать пластичностью (отсутствие хрупкости), противостоять коррозии и иметь хорошую свариваемость. Поэтому для производства деталей котельных агрегатов (особенно тех, что работают под давлением) применяют высококачественные сорта сталей.

Из углеродистой стали изготовляют водяной экономайзер , экраны и барабаны котельных агрегатов, работающих при температуре до 450 °С. При температуре более 450 °С прочность углеродистой стали резко снижается. Поэтому для изготовления деталей, работающих при более высокой температуре, применяют специальную жаропрочную сталь, в состав которой вводят небольшое количество молибдена, хрома, никеля и других химических элементов для придания металлу определенных свойств. Такая сталь называется низколегированной.

Из низколегированной стали марок 12Х1МФ и 15Х1МФ изготовляют обычно радиационные поверхности нагрева прямоточных котельных агрегатов и пароперегреватели (за исключением выходной части), работающие при температуре до 540 °С.

Как углеродистая, так и низколегированная стали относятся к стали перлитного класса, отличающейся темной поверхностью.

Наибольшей жаропрочностью обладает хромоникелевая сталь марки Х18Н12Т аустенитного класса, называемая также нержавеющей сталью, у которой легирующие добавки никеля и хрома достигают 30 % массы металла. Из этой стали изготовляют трубы выходной части пароперегревателей котельных агрегатов высокого давления, металл которых эксплатируют при температуре 570—660 °С. В составе стали, кроме никеля и хрома, имеется небольшое количество титана, стабилизирующего структуру стали при высокой температуре. Такая сталь имеет светлую, блестящую поверхность. Основными преимуществами аустенитной стали являются ее высокая жаропрочность и способность противостоять коррозии при высокой температуре благодаря большому содержанию хрома (18 %) и никеля (12 %); отсюда и название — нержавеющая сталь. Аустенитная сталь во много раз дороже перлитной стали.

Посмотрим, как влияют отдельные элементы химического состава стали на ее свойства.

Содержание

Влияние углерода.

С увеличением содержания в составе стали углерода она становится более прочной и менее пластичной. Чрезмерно высокое содержание углерода является вредным, так как слишком твердая и малопластичная сталь хуже сопротивляется разным механическим деформациям, возникающим, например, при защемлении экранных труб при растопке котла, а также ухудшается свариваемость стали.

Для изготовления поверхностей нагрева котельного агрегата, работающих при температуре пара до 450 °С, широко применяют углеродистую сталь марки 20 с содержанием углерода до 0,25 %, а для изготовления каркаса котлов — углеродистую сталь марки Ст. 3. В низколегированной стали углерод содержится в еще меньшем количестве. Например, в применяемой для изготовления пароперегревателей современных котельных агрегатов стали марки 12Х1МФ содержание углерода не должно превышать 0,15 %.

Влияние марганца.

Марганец подобно углероду повышает прочность стали и несколько уменьшает ее пластичность. При плавке стали в мартеновской печи марганец способствует очистке металла от серы, образуя легко удаляемый шлак.

Применяемая для изготовления барабанов котлов сталь марки 22К содержит 0,75-1,0 % марганца. Сталь марки 20 содержит 0,35-0,65 % марганца.

Влияние кремния.

Чем больше кремния в стали, тем больше её прочность и меньше пластичность. При плавке в металлургических печах его применяют для раскисления стали; соединяясь с растворенным в стали кислородом, кремний образует легко удаляемые шлаки, поднимающиеся на поверхность жидкого металла.

Влияние молибдена. Молибден повышает жаропрочность стали и ее пластичность. В стали 12Х1МФ содержится 0,25—0,5 % молибдена, в стали 15Х1М1Ф 0,9—1,1 %.

Влияние хрома.

Хром повышает жаропрочность и прочность стали и понижает ее пластичность.

Сталь применяемая для пароперегревателей котлов высокого давления должна сохранять повышенные

При выборе того или иного товара мы стараемся оформить наиболее выгодную сделку. То есть купить максимально функциональный товар за минимальную цену. Выбирая бытовой прибор, следует обратить внимание на материал, из которого он изготовлен — котел не исключение. Правильный выбор исходного сырья дарует долгие годы бесперебойной работы.

Правильная котловая сталь обеспечивает надежность и долговечность изделия. Исходя из того, что работа котла происходит при высоком давлении и температурах, он должен быть надежным и показывать хорошие результаты в ходе длительной эксплуатации.

Содержание статьи

Высокое давление и температура оказывают сильное влияние на сталь. Для работоспособности материал котла должен обладать следующими характеристиками:

Хорошая износостойкость. Это свойство позволяет металлу долгое время сохранять свои механические свойства;
Устойчивость к высоким температурам;
Вязкость металла — параметр отвечает за сохранность свойств стали при постоянных нагрузках или их динамических изменений;
Антикоррозийные свойства. Постоянное воздействие пара и воды наносят серьезный вред металлу;
Антивандальные свойства. Позволяют котлу противостоять механическим воздействиям;
Высокая плотность и однородность металла. Такой материал гарантирует отсутствие внутренних дефектов и трещин;
Пластичность. Материал должен быть крепким;
Высокие свойства свариваемости. Так как котел – изделие, состоящее из нескольких частей, это особенность необходима в целях безопасности эксплуатации.

В результате высоких требований при конструировании котлов используют сталь высших сортов.

Сорта стали и их назначение

Котловая сталь является углеродистой, в ее составе есть определенное количество марганца, углерода и кремния. Допускается содержание серы и фосфора. Из стали такого рода конструируют экран, водяной экономайзер и барабан котельного агрегата. Углеродистая сталь используется при температуре не выше 450 0 по Цельсию.

Если температура эксплуатации выше, то котловая сталь должна обладать жаропрочными свойствами. Это достигается благодаря примесям химических элементов или легированию. Сталь, содержащая никель, молибден или хром прекрасно подходит для элементов котла. Ее используют при изготовлении пароперегревателей и поверхностей нагрева котельных механизмов.

Углеродистая и низколегированные стали относятся к классу перлитных. Они отличаются темным цветом.

Для изготовления выходной части пароперегревателей используется сталь аустенитного класса. Она отличается высоким содержанием хрома и никеля. Эти химические элементы позволяют эксплуатировать металл при температуре 660 0 и придают ему антикоррозийные свойства. Сталь обладает ярким металлическим блеском. Часто аустенитную сталь называют нержавеющей. Ее стоимость выше относительно углеродистой и перлитной.

Легированные химические элементы имеют влияние на механические свойства стали.

Легирование углеродом

Чем больше углерода в металле, тем прочнее он становится. При этом теряется пластичность стали. В котловой стали не рекомендуется использовать металл с содержанием углерода выше 0,25%. Это связано с тем, что металл с высоким содержанием углерода становится более твердым и хуже сопротивляется механическим воздействиям.

Для изготовления котлов используется сталь марок 20С и Ст 3.

Легирование марганцем и кремнием

Марганец и кремний в металле повышают его свойства прочности. По аналогии с углеродом уменьшается пластичность металла, что приводит к снижению пластичности. Металл с марганцем в мартеновской печи выделяет из своей структуры вредную серу. Кремний способствует очищению металл от шлаков.

Сталь такого качества обозначается аббревиатурой Ст20 и Ст 22К. Металл используют для изготовления барабана котла.

Легирование молибденом

Молибден путем легирования в сталь увеличивает жаропрочность металла. Сталь с молибденом становится более пластичная.

Сталь с содержанием молибдена обозначается аббревиатурой 12Х1МФ и 15Х1М1Ф.

Легирование хромом

Хром по аналогии с молибденом увеличивает жаростойкость и жаропрочность металла. Отличием является снижение пластичности металла.

Котловая сталь

Нержавеющая сталь, имеющая жаропрочные свойства отлично подойдет для изготовления отопительного котла. Изделие из такого материала прослужит долго.

Самыми распространенными металлами для производства котлов являются стали марки Ст3 и Ст09Г2С. Это обусловлено их свойствами. При выборе металла для изготовления котла следует учитывать следующие особенности материала:

Прочность;
Жаростойкость;
Устойчивость к образованию и последующему воздействию окалины;
Антикоррозийные свойства;
Возможность долгой эксплуатации;
Устойчивость к высоким температурам, ее длительному воздействию и возможным перепадам;
Устойчивость к деформациям.

На выбор стали влияет не только свойства металлов, но и условия в которых отопительный котел будет эксплуатироваться.

Сталь 09Г2С

Сталь данной марки считается востребованной в отечественной и зарубежной металлургии. Ее популярность объясняется свойствами металла и способностью эксплуатировать в широком температурном диапазоне – от -70 0 по Цельсию до +425 0 по Цельсию. Производство стали 09Г2С соответствует ГОСТ 19281 – 89.

Сталь содержит в своем составе следующие элементы:

Углерод. Согласно аббревиатуре его содержание равно 0,09%;
Кремний. В единой международной системе этот компонент обозначается символом «С». В стали марки 09Г2С его содержание менее 1%;
Марганец. В единой международной системе этот компонент обозначается символом «Г». Содержание в стали описываемой марки лежит в диапазоне от 1,3 до 2%. Не может превышать 2%;
Никель;
Сера;
Фосфор;
Хром;
Медь;
Азот.

Никель, сера, фосфор, хром, медь и другие металлы содержатся в малом количестве в стали 09Г2С. Их общее количество не превышает 2%.

За счет широкого температурного диапазона применения сталь востребована в суровых климатических условиях. Это же свойство позволяет длительное использование изделий из 09Г2С стали в условиях сильного давления и деформации изделия.

Сталь 09Г2С обладает высокой пластичностью. Это позволяет проектировать и изготовлять из нее сложные по строению детали. Дополнительным преимуществом является то, что благодаря своей прочности детали из такой стали получаются тоньше и прочнее.

Сталь 09Г2С является идеальным вариантом для изготовления паровых и отопительных котлов.

Отличие Ст3 и Ст09Г2С

Ст3 является углеродистой сталью. Это означает что в ее составе большое содержание углерода. Его содержание превышает Ст09Г2С приблизительно на 20%.

Ст 3 отличается хрупкостью в отличие от оппонента. Углеродистая сталь быстро разрушается при температуре ниже -20 0 , так как в ее составе имеются фосфор и сера.

Марганец и кремний способны изгонять кислород из металла. Для стали кислород является вредным элементом, который сказывается на механических свойствах материала. В стали марки 09Г2С марганца и кремния в разы больше. Это говорит о преимуществах этого вида стали против Ст3.

Ст09Г2С устойчива к высокому давлению, и температурным перепадам. Ее можно эксплуатировать в температурном диапазоне от -70 0 по Цельсию до +475 0 по Цельсию. Ст 3 проигрывает по этим параметрам. Ее практичнее использовать при положительной температуре окружающей среды.

В отличие от Ст 3 сталь 09Г2С обладает лучшей свариваемостью. Поэтому детали, которые из нее изготавливаются, обладают большей маневренностью и точностью.

Что лучше сталь или чугун

При выборе котла возникает первый вопрос, – какой материал лучше. Чугун или сталь? Стоит отметить, что однозначного ответа нет. Чугун и сталь являются производными от железа. Различие между ними в количестве содержащегося в нем углерода. В стали этот показатель равен не более 2,14%. В чугуне показатель достигает 4,5%. Чем больше углерода в материале, тем более хрупким он становится. При всей своей крепости чугун может лопнуть. Например, при не соблюдении правил транспортировки.

Котлы из чугуна отличаются более простой конструкцией с минимальным количеством сварных швов. Тем не менее, котлы из чугуна уступают стали по показателю тепловой эффективности.

Котлы из чугуна имеют литую конструкцию. В результате ремонт изделия требует усилий и денежных вложений.

Сталь более чувствительна к накипи в отличие от чугуна.

Котлы из чугуна более компактные в размерах в отличие от стальных конструкций.

Сталь обладает меньшим сроком эксплуатации в отличие от чугуна.

Преимущества котловой стали

Котлы из стали пользуются большим спросом. Отсюда данные изделия имеют большое количество моделей и вариаций.

Котлы из стали имеют меньшую цену в сравнении с аналогами из чугуна. Различие в ценообразовании достигает 60%.

Котлы из стали обладают большим объемом загрузочной камеры. Это создает удобство для пользователя.

Котловая сталь быстро нагревается до необходимого уровня и хорошо держит заданную температуру.

Котловая сталь в отличие от чугуна имеет меньший вес. Котловая сталь обладает свойствами ударопрочности и способна выдерживать тепловые перепады.

Котловая сталь обладает большей эффективностью. Это достигается благодаря механическим свойствам металла.

Котловая сталь обладает хорошей свариваемостью. Это говорит о том, что ее легко ремонтировать. Причем она поддается неоднократному ремонту.

Недостатки котловой стали

Котловая сталь обладает сравнительно недолгим сроком эксплуатации. При правильном уходе срок службы изделия приблизительно равен 15 лет.

Котловая сталь остывает также быстро, как и остывает.

Котловая сталь подвержена прогоранию. Со временем она теряет свои антикоррозийные свойства.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Для изготовления пароперегревателей чаще всего применяются трубы наружным диаметром 38 мм для давлений до 40 ата и 32 мм для более высоких давлений. [2]

При изготовлении пароперегревателей промперегрева из тонкостенных труб, требующих гибки с дорном во избежание чрезмерной овализации, трубы сначала гнут, а затем сваривают контактной сваркой с подачей внутрь трубы защитного газа, состоящего из смеси азота и водорода. [3]

С вопросом об изготовлении пароперегревателей котлов высокого и еверхкритического давлений пара полностью из перлитных сталей или с частичным применением аустенитных связана схема включения выходной ступени перегревателя в паровой поток и в ту или иную температурную область газового тракта. [4]

Аустенитные стали Х18Н12Т и Х14Н14В2М применяют для изготовления пароперегревателей и паропроводов. [8]

Чтобы повысить предел ползучести и снизить ее скорость, для изготовления пароперегревателей и трубопроводов в установках высокого давления используют легированные трубы. Добавка в сталь молибдена, вольфрама, ванадия и отчасти хрома значительно повышает сопротивление стали ползучести. [10]

С при длительном режиме и 500 С при кратковременном, для изготовления пароперегревателя могут быть использованы трубы из простой углеродистой стали. При температуре стенок до 560 С трубы должны быть изготовлены из молибденовой ( 0 5 / 0 Мо) или хро-момолибденовой стали. При более высоких температурах стенки трубы пароперегревателя должны изготовляться из аустенитных сталей. [11]

Компоновка пароперегревателей

Выбор металла и диаметров труб поверхностей нагрева

Основными материалами для поверхностей нагрева паровых котлов слу жат качественные углеродистые, а также легированные стати (легирование — введение в основной метатл добавки другого для улучшения его свойств). Большинство легирующих элементов относится к дорогим материалам, что заметно удорожает стать, однако их введение повышает жаропрочность стати и стойкость против высокотемпературной газовой коррозии. Температурный диапазон применения той или другой марки стати зависит от качества стати, коррозионных свойств газовой среды, в которой работает стать (свойств сжигаемого топлива), давления рабочей среды в трубах и др. [6].

Углеродистая (нелегированная) стать применяется для изготовления элементов котла, работающих при температурах не выше 450 °С. Низколегированная стать перлитного класса содержит не более 4-5 % легирующих метатлов. Эти стати устойчивы против

Читайте также: