Chương 10: Kim loại chế tạo lò hơi và tính sức bền pptx

Ver. 1.0 121
Chơng 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 đợc 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
o
C. 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
trờng lu động bên trong ống có nhiệt độ cao. Nhiệt độ vách và áp suất bên trong là
các thông số đợc 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
o
C vì ở nhiệt độ cao hơn thép sẽ gỉ rất
mạnh.
Tiêu chuẩn để đánh giá hiện tợng rão là độ bền lâu dài
t
D

, 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 đợc 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 đợc phép có thay đổi gì đáng kể;
- Có độ bền nhiệt cao, tức là khả năng giữ nguyên đợc 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 lợng các tạp chất có hại ở mức độ tối thiểu (P, S, As, các khí hòa
tan), vì chúng có ảnh hởng xấu đến tính chất của thép khi làm việc lâu dài;
- Có tính hàn tốt, không yêu cầu dùng các phơng pháp hàn và nhiệt luyện phức
tạp và đắt tiền.
Trong thực tế, thép cacbon, thép hợp kim thấp và thép hợp kim cao đợc 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 đợc chế tạo bằng thép cacbon. Khi tăng hàm
lợng 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 lợng C cao, tuy nhiên khi đó chất lợng mối
hàn nối sẽ giảm vì có sự tôi thép trong không khí khi hàn. Vì thế hàm lợng C trong
thép cacbon dùng để chế tạo lò hơi đợc 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 O
2
.

Mangan (Mn) đợc đa vào thép để khử ôxy của thép trong quá trình nấu chảy
và nó nằm trong thép dới trạng thái hòa tan (với số lợng
0,3 0,8%
ữ
).

Silic (Si) cũng giống nh Mn, đợc đa vào thép để làm chất khử ôxy. Một
lợng nhỏ Si
0,5< %
còn lại sau khi khử ôxy đợc hòa tan trong ferit. Si làm tăng độ
bền của thép nhng cũng làm tăng cả khuynh hớng 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
k
a và có khả năng sinh ra giòn nguội. Hàm lợng P trong thép lò hơi không đợc
lớn hơn
0,045% .

Lu 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 1200
ữ

o
C. Trong các thép lò hơi hàm lợng S đợc
hạn chế ở trị số 0,03 0,045%ữ .

Ôxy (O
2

) cũng nh nitơ (N
2
) và hydrô (H
2
) nằm lại trong thép do khử khí
không hoàn toàn. O
2
trong thép với một lợng nhỏ cũng làm giảm tính chống ăn mòn
của thép. Hàm lợng O
2
và N
2
trong thép có chất lợng
0,01%

và hàm lợng H
2

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 lợng nhãn hiệu 15K, 20K, 25K
(của Nga) hoặc tơng đơng. Đối với lò hơi có áp suất 0,08p
<
MPa có thể dùng
thép cacbon chất lợng thờng
3
CT , nếu nhiệt độ kim loại không lớn hơn 120
o

C. Để
chế tạo bao hơi của lò cao áp, 612,5p
=
ữ MPa thì phải dùng thép cacbon nhãn hiệu
đặc biệt 22K hoặc tơng đơng.
Các ống dẫn nớc, dẫn hơi và ống bề mặt đốt thờng đợc chế tạo từ thép 10
và 20 và tơng đơng. Khi ấy nhiệt độ kim loại ống bề mặt đốt không đợc lớn hơn
500
o
C, kim loại ống góp và ống dẫn hơi không lớn hơn 450
o
C.

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 đợc 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 thờng
đợc chế tạo bằng các mác thép nh đợc cho trong bảng 10.2.

10.3 Tính sức bền của những chi tiết chính của lò hơi

10.3.1 Phơng 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 phơng pháp tính sức bền các chi tiết của lò hơi là
phơng pháp ứng suất giới hạn và phơng 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 ngời ta dùng phơng pháp phụ tải giới hạn để tính sức bền các
chi tiết lò hơi.

10.3.1.1. Chọn ứng suất cho phép

Trớc 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 đợc 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:

*
c
p
c
p


= , (11-6)
trong đó:

là hệ số kể đến đặc điểm cấu tạo và vận hành của chi tiết;
*
c
p

là ứng suất
cho phép định mức, lấy theo bảng. Nếu nh thép sử dụng mà không có những số liệu
về
*
cp

thì nó đợc lấy bằng giá trị nhỏ nhất trong ba giá trị sau đây:

2,6
t
*
b
cp


;
1, 5
t
*
ch
cp


;

1, 5
t
*
D
cp


, (11-7)
ở đây:
t
b

,
t
ch

,
t
D

là những giá trị đợc 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
*
c
p

đợc 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 trờng hợp nhiệt độ tính toán của
vách không đợc lấy thấp hơn 250
o
C.
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 đờng khói hay cách nhiệt tốt thì

v bhòa
tt= (11-8)
Ver. 1.0 124
-
Đối với bao hơi không cách nhiệt đợc đặt trong đờng khói đối lu, khi nhiệt
độ khói 600
khói
t
o
C:

1, 2 10,tt S=+ +
o
vbhòa
C (11-9)
max
()
tb
tt t= và không đợc lấy nhỏ hơn 10
o

C;
à
là hệ số khuếch tán nhiệt không
đều theo chu vi ống;
max
q là cờng độ dòng nhiệt lớn nhất hay suất phụ tải nhiệt lớn
nhất của bề mặt hấp thu nhiệt, kW/mK;

là tỷ số giữa đờng kính ngoài và đờng
kính trong của ống //(2)
nt n n
DD D D S

== ; S là chiều dày vách (thành) ống,
mm;

là hệ số dẫn nhiệt của kim loại ống, kW/mK.
-
Đối với các ống của bộ quá nhiệt đối lu ở các lò hơi có 2,5
lv
p MPa và
nhiệt độ hơi quá nhiệt không cao hơn 425
o
C thì:

70
o
vqn
Ctt=+ (11-16)
e- Nhiệt độ tính toán của vách các ống bộ hâm nớc đợc tính theo các công thức sau:

-
Đối với bộ hâm nớc của lò có tuần hoàn tự nhiên và tuần hoàn cỡng bức
nhiều lần kiểu không sôi:

30
o
v bhòa
Ctt=+
(11-17)
-
Đối với bộ hâm nớc kiểu sôi tính theo công thức của các ống sôi.
-
Đối với bộ hâm nớc của lò hơi trực lu:

40
o
vtb
Ctt t=++
(11-18)
f- Nhiệt độ tính toán của vách ống góp dàn ống sinh hơi, ống góp bộ hâm nớc và bộ
quá nhiệt lấy nh sau:
-
Đối với những ống góp không bị đốt nóng (đặt ngoài đờng khói hay cách
nhiệt chắc chắn) của bộ hâm nớc, của dàn ống sinh hơi và ống góp hơi bão
hòa của lò hơi có tuần hoàn tự nhiên và tuần hoàn cỡng bức nhiều lần, ống
góp vào của bộ hâm nớc ở lò trực lu, ta lấy:

vtb
tt= (11-19)
-

Đối với các ống góp của bộ quá nhiệt (trừ ống góp hơi bão hòa) lấy:

vtb
ttxt=+, (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)
đợc xác định theo các công thức sau:
-
Khi tính theo đờng kính trong ta có:

2
t
cp
pD
SC
p

=+

, m (11-21)
-

Khi tính theo đờng kính ngoài ta có:
Ver. 1.0 125

2
ng
cp
pD
SC
p

=+

, m (11-22)
trong đó:
p là áp suất tính toán, MPa;
D
t
và D
ng
là đờng kính trong và đờng kính ngoài, m;


là hệ số bền của chi tiết bị yếu đi do các mối hàn hay có các lỗ để nối ống;

cp

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 đợc xác định theo
công thức sau:

42
tt
cp t
pD D
SC
zph

=+

, m (11-23)
nếu thoả mãn điều kiện:

0,2; 0,1; 0,6.
t
ttt
h
SC d
DDD



Trong công thức trên ký hiệu:

p là áp suất tính toán, MPa;

D
t
là đờng kính trong, m;

h
t
là chiều cao phần lồi của đáy tính đến bề mặt bên trong, m;

cp

là ứng suất cho phép của vật liệu, MPa;

C là bổ sung cho chiều dày tính toán, C = 0,05 (S - C) nhng 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
d
a
DSC
=

:
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 đợc xác định theo công thức:

1
0
t
cp
KD
p
S
K

= , 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
S
K
S

=


phải không nhỏ hơn 0,31;
K
0
là hệ số đợc lấy tuỳ thuộc vào tỷ số giữa đờng kính lỗ ở đáy d và đờng
kính trong của ống góp
D
t
, tức là tỷ số
t
d
D
:
Khi
t
d
D
< 0,35 có K
0
= 1- 0,43
t
d

D
,
Khi
0,35 0,75
t
d
D
lấy K
0
= 0,85;
p là áp suất tính toán, MPa;
cp

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 nớc) và
ống dẫn đợc xác định theo các công thức sau:
H
ình 10.
5
. Các kiểu đá
y
và nắ
p

p
hẳn
g
.
Ver. 1.0 127
Khi tÝnh theo ®−êng kÝnh trong cña èng:

1
2
t
cp
pd
SC
p
σ
+
−
, m (11-25)

Khi tÝnh theo ®−êng kÝnh ngoµi cña èng:

1
2
ng
cp
pd
SC
p
σ
=+
+
, m (11-26)
trong ®ã:

p lµ ¸p suÊt tÝnh to¸n, MPa;

,
ng t
dd lµ ®−êng kÝnh ngoµi vµ ®−êng kÝnh trong cña èng, m;

cp
σ
lµ øng suÊt cña vËt liÖu lµm èng, MPa;

C
1
lµ bæ sung cho chiÒu dµy tÝnh to¸n, th−êng lÊy C
1
= 0,5 mm.