Какая сталь используется для изготовления котлов?

Про отопление

Интересные и познавательные статьи про отопление

Котловая сталь

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.

Какая толщина стали в твердотопливном котле должна быть? Какую марку стали используют производители?

Многие производители говорят о том, что они используют жаростойкую сталь в своих котлах. Однако, тут нужно ещё разобраться, что они имеют под этим в виду. Поскольку такое заявление является больше маркетинговым ходом, чтобы привлечь внимание покупателя!

Как правило, в твердотопливных котлах используется сталь марки 09Г2С, которая используется в промышленности для производства труб и другого металлопроката. Фактически, она является конструкционной и вполне пригодна для использования в твердотопливных котлах, поскольку рассчитана на работу в широком диапазоне температур – от -70 до +425 градусов, что для котла является нормальным. Эта марка стали так же прописана и в ГОСТе в качестве рекомендованной для производства котлов, работающих в системах отопления, но не в коем случае, не для паровых котлов!

Но многие из Вас могут заметить несостыковку в том, что в зоне горения может достигаться гораздо большая температура, в 600 градусов и более. Да, это так, однако стоит помнить, что в котле залит теплоноситель, который забирает на себя часть температуры из этой зоны, а поскольку теплоемкость воды намного больше, чем у топочных газов — металл просто не будет успевать нагреваться до такой высокой температуры.

Но тут есть одно но — если котел не завоздушен! Ведь если на каком-то участке котла есть воздушная пробка (может быть связана с неправильной конструкцией), то в этом месте температура металла будет достигать более 425 градусов. Это значит, что при длительном использовании, металл в этом месте быстро истончится и может прогореть за 2-3 сезона эксплуатации!
Подробнее о том, почему текут котлы, читайте другую нашу статью, в которой рассмотрен этот момент более детальнее.

Также некоторые неопытные котлостроители, особенно, самоделкины, или хитрецы, которые хотят сэкономить, используют марку стали ст3(сп/пс), что, вроде бы, тоже допустимо, поскольку такая сталь имеет температурный диапазон от — 40 до + 400 градусов. В промышленности, такая сталь используется, в основном для металлоконструкций.
Если сравнивать эту сталь с 09Г2С, то у марки ст3 — химические и физические свойства будут на порядок хуже. Именно из-за того, что в твердотопливных котлах имеются перепады температуры, агрессивные условия работы – в виде конденсата, и смол, рекомендовано применять сталь марки 09Г2С или выше.
Что касается стоимости этих двух марок, то стоимость листовой стали марки ст3 – обходится в районе 17500 грн за тонну, а вот 09Г2С – около 22500 грн. (июнь 2020 г.)

Поэтому, при выборе котла не стоит гнаться за низкой ценой, поскольку как показывает практика, если стоимость котла низкая, значит на чем-то сэкономили!

Некоторые производители заявляют о том, что они используют котловую сталь 15Х1М1Ф. Давайте разберемся, насколько это правда и есть ли вообще смысл в использовании этой стали?
Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим на то, сколько же эта сталь стоит. Оказывается, что трубы из этой марки стали имеют стоимость, как минимум 93000 грн/тонна, а что касается стального листа, он будет стоить в пределах 75000 грн/тонна. Разница в цене очевидна, более чем в 3 раза — 22500 грн/тонна (09Г2С) и 75000 грн/тонна (15Х1М1Ф).

А теперь давайте задумаемся о том, как при таком различии цены на металл, 2 котла, производитель одного из которых, говорит что использует сталь 09Г2С, а другой говорит об использовании стали 15Х1М1Ф, могут стоить одинаково? Ответ – никак! Второй попросту обманывает!

Стоит ли вообще использовать эту мурку стали для производства водяных(не паровых) котлов?
Мы ответим так — если котел спроектирован и сварен правильно, без различных участков, где может скапливаться воздух, то необходимости в использовании такой дорогостоящей стали, как 15Х1М1Ф, попросту нет! Вполне достаточно будет марки 09Г2С.

А теперь, давайте разберемся с тем, какая толщина стали наиболее предпочтительная в твердотопливном котле.
Здесь можно подходить к этому вопросу с двух сторон. С точки зрения теплообмена и с точки зрения долговечности котла и режимов его эксплуатации.
Что касается теплообмена, то тут однозначно можно сказать так – чем тоньше стенки котла, тем больше тепла будет передаваться теплоносителю и, соответственно, в систему отопления. А чем стенка котла толще, тем хуже будет теплопередача и тем меньше тепла будет попадать в систему отопления.
Но вот вторая точка зрения, говорит нам о том, что в котле будут агрессивные условия, самым жестким из которых является конденсат, а это, как уже мы писали в других статьях, растворы слабых кислот. Какими бы они слабыми не были, они нещадно разрушают теплообменник котла.

Также нужно не забывать о том, что котел будет находиться под давлением и если мы сделаем котел, к примеру из 2 мм, то наш котел раздует как шарик. А возможно и вообще порвет, все зависит от давления.
Поэтому котел из 2 мм, точно делать не вариант. Хотя наша компания, сделала пару лабораторных образцов из 2 мм. Но это было сделано исключительно в экспериментальных целях — не для продажи!

Бытует мнение, что толщина металла котла должна быть минимум 4 мм. С одной стороны, это вполне правильное мнение, которое подойдет большинству. Однако, также допустимо использовать сталь и 3 мм. Котлы из 3 мм относятся к бюджетным котлам.

Если Вы решили взять себе котел из стали 3 мм, то Вам, нужно заморочиться с тем, чтобы высота дымохода соответствовала СНИПу, читайте подробнее тут, а также нужно предпринять ряд мер по уменьшению конденсата в котле, читайте об этом в этой статье. Хотя этот комплекс мер, должен обязательно быть применен к любому котлу, даже из стали 5 и 6 мм.

Только выполнив 2 этих условия, Вы будете долго пользоваться котлом, из какой бы стали он ни был, и никогда не столкнетесь с проблемами конденсата и неустойчивой работы.

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.

Во всех сортах котельной стали содержится небольшое, строго ограниченное количество углерода, марганца и кремния, а также не полностью выведенные вредные примеси — сера и фосфор. Сталь, содержащая только указанные элементы, называется углеродистой.

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.

1. Влияние углерода.
2. Влияние марганца.
3. Влияние кремния.
4. Влияние хрома.

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.

Какая сталь используется для изготовления котлов?

Паровой котел работает под значительным давлением, поэтому является весьма ответственным агрегатом и должен обеспечивать надежность в работе.

Чем выше рабочее давление и температура, при которой работает котел, тем в более тяжелых условиях находится металл, из которого изготовлен котел.

Основные требования к металлу котлов:
1) высокая теплоустойчивость — способность металла сохранять прочность в условиях высокой температуры и больших напряжений;
2) высокая вязкость — способность металла сохранять свои механические свойства при меняющихся или повторных нагрузках;
3) пониженная склонность к старению — способность металла сохранять свои механические свойства в течение длительного времени;
4) устойчивость металла против коррозии — под воздействием воды и пара;
5) стабильность структуры — устойчивость металла против структурных изменений, снижающих его механические свойства;
6) плотность, однородность строения металла, отсутствие в нем внутренних дефектов: плен, трещин и посторонних включений.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Поэтому элементы котла, находящиеся под давлением, изготовляются исключительно из стали (ГОСТ 5520—62). Эта сталь, кроме высоких требований относительно ее химического состава, подвергается более тщательному контролю и дополнительным испытаниям на ударную вязкость и чувствительность к старению.

Листовая сталь марок Ст. 2 и Ст. 3 предназначена для котлов и сосудов, работающих при температуре не выше 120°С. Для котлов, работающих при более высоких температурах, применяется сталь марок 15К и 20К.

Детали котла, не находящиеся непосредственно под давлением, могут изготовляться из углеродистых сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380—60) или качественной конструкционной углеродистой стали (ГОСТ В 1050-60).

Котельные трубы — пароперегревательные, кипятильные, дымогарные и жаровые — изготовляются из стали марки 10 (ГОСТ 8733—58-и 8731—58). Все трубы подвергаются гидравлическим испытаниям, а также технологическим пробам на сплющивание и раздачу. Для дымогарных труб испытание на раздачу может быть заменено на бортование.

Электросварные трубы, изготовляемые в соответствии с ГОСТ 1753—53 и дополнительными к нему техническими условиями № 14—32,. находят все более широкое применение в котлостроении. Раньше части котла соединялись исключительно посредством заклепок. Клепка являлась основной и весьма ответственной операцией в котельных работах. В настоящее время трудоемкие клепальные работы сохранились лишь при ремонте старых котлов клепаной конструкции. Вновь строящиеся котлы изготовляются сварной конструкции, в которых все элементы соединяются электросваркой.

Электродуговая сварка элементов металлическим электродом (метод Славянова) представляет собой процесс последовательного местного расплавления кромок основного металла электрической дугой, возникающей между электродом и основным металлом. Температура, возникающая в результате образования электрической дуги, достигает 5500 °С.

Электродуговая сварка может производиться электродами трех видов: – простыми электродами — стальная проволока; – тонкообмазанными — электроды, покрытые тонким слоем мела, чем достигается устойчивость дуги; – электродами с толстой обмазкой — обмазкой сложного состава, содержащей шлакообразующие, раскисляющие, легирующие и другие компоненты, повышающие механические свойства наплавленного металла и качество сварного соединения в целом.

За последнее десятилетие широкое распространение получила автоматическая сварка под слоем флюса по методу акад. Патона, обеспечивающая высокое качество сварного шва и наибольшую производительность при выполнении сварочных работ. Сущность процессов сварки под слоем флюса заключается в том, что электрическая дуга непрерывно горит под толстым слоем порошкообразного флюса. Благодаря этому свариваемый металл защищен от окисления кислородом окружающего воздуха, процесс расплавления электрода и основного металла происходит равномернее, сварной шов получается ровным, плотным и однородным с хорошим проваром по всей глубине шва. Непрерывность ведения сварки под слоем флюса осуществляется при помощи специального приспособления, в котором изделия и электроды автоматически непрерывно перемещаются относительно друг друга, при этом происходит непрерывная подача электрода по мере его расплавления и слой флюса автоматически создается впереди движущегося электрода.

Для получения сварного соединения высокого качества свариваемые детали должны быть соответственно подготовлены: очищены от ржавчины и масла (до металлического блеска), кромки деталей соответствующим образом разделаны. Подготовка кромки под сварку производится согласно чертежам и зависит от характера соединения и толщины свариваемых элементов.

На рис. 24 и 25 представлены основные типы сварных соединений котла крана ПК-ЦУМЗ-15.

Одним из основных моментов, задержавших применение сварки в ответственных изделиях, какими являются паровые котлы, долгое время были затруднения в контроле качества сварного соединения.

Рис. 24. Примеры электросварных стыковых соединений: а —соединение огневой решетки с барабаном топки; б —соединение дымовой решетки с наружным барабаном котла; 1— огневая решетка; 2 — барабан топки; 3 —дымовая решетка; 4 — наружный барабан котла

Рис. 25. Соединение грязевого и шуровочного колец с барабаном топки и наружным барабаном котла:
1—наружный барабан котла; 2 —барабан топки; 3—грязевое кольцо; 4 —-шуро-вочное кольцо; 5—предохранительный лист шуровочного кольца; 6 — лапа котла

В результате несовершенства способов контроля не было достаточной гарантии в том, что внутри сварного шва отсутствуют такие пороки, как пористость, газовые раковины, посторонние включения и малозаметные трещины, снижающие прочность соединения. По мере совершенствования технологии производства сварочных работ и методов контроля область применения сварки все более расширяется, в том числе и в котлостроении, но при этом следует иметь в виду, что ответственную сварку производят лишь сварщики, получившие на это разрешение после сдачи проб; пробы периодически повторяются.

Контроль сварного соединения заключается в следующем: – проверяют исходные материалы: исходный металл, подлежащий сварке, металл электрода, состав обмазки и флюса; – проводят испытания специальных контрольных образцов на растяжение и определение ударной вязкости; – анализируют химический состав наплавленного металла; – производят рентгеновские снимки, отражающие все внутренние пороки шва; – гидравлически испытывают сваренные изделия, работающие под давлением; – сварочный шов осматривают снаружи.

Металл паровых котлов

Основными материалами для котлостроения служат углеродистые, а также легированные стали, в состав которых включены хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий и др. Большинство легирующих элементов отно­сится к дорогим материалам, однако введение их в со­став стали сообщает ей ряд ценных свойств, недостижи­мых для углеродистой стали.

Углеродистая (нелегированная) сталь применяется для «изготовления элементов парового котла, которые работают в условиях отсутствия ползучести, т. е. при температуре не выше 450°С. По условиям технологии сварки, являющейся основным технологическим процес­сом при изготовлении паровых котлов, многие ответст­венные элементы изготовляются из малоуглеродистых сталей марок 10 и 20. Сталь 20 является преобладаю­щей, поскольку по прочности она превосходит сталь 10, а по свариваемости и коррозионной стойкости не усту­пает ей. Основа микроструктуры металла труб — феррит, мягкая и пластичная составляющая; количество упроч­няющей составляющей — перлита — невелико. Листовая сталь имеет повышенное содержание углерода, в сред­нем от 0,15% (сталь 15К) до 0,25% (сталь 22К), что повышает показатели ее прочности: свариваемость этой стали вполне удовлетворительная. Сталь марки 22К отличается повышенной прочностью, что определяется несколько более высоким содержанием марганца и при­сутствием небольшого количества титана,

Низколегированная сталь перлитного класса. Низко­легированной является сталь, содержащая ие больше 4—5% легирующих элементов.,Такие стали применяются для изготовления элементов котлов, работающих вдело — виях ползучесхи: трубы и коллекторы пароперегревате­лей, паропроводы. Они применяются также для изготов­ления барабанов котлов на давление 18—38,5 МПа.

Низколегированные стали, устойчивые против ползу­чести при температуре до 580°С, когда не требуется очень высокая стойкость против окалинообразования, называются теплоустойчивыми, реже теплостойкими. Стали, устойчивые против ползучести при температуре выше 580°С и одновременно хорошо сопротивляющиеся окислению, при этих температурах называются жаро­прочными. Жаропрочность — высшее свойство стали, пе­рекрывающее теплоустойчивость.

Основными легирующими добавками являются Мо, Cr, Si, Д1. Растворяясь в феррите, молибден повышает его длительную прочность и сопротивление ползучести. Хром, а также кремний и алюминий повышают окали- ностойкость потому, что при контакте с кислородом они образуют соответственно Сг2р3, БЮг и АЬОз, очень ту­гоплавкие, плотные и близкие по коэффициенту тепло­вого расширения к стали. Такие соединения хорошо за­щищают сталь от окисления.

Широкое применение получили низколегированная хромомолибденовая сталь перлитного класса 15ХМ (1% Сг и 0,5% Мо), молибденохромовая сталь 12МХ (0,5% Сг и 0,5% Мо). Эти стали, особенно 15ХМ, отли­чаются хорошей свариваемостью, повышенным сопротив­лением ползучести и малой склонностью к графити — зации.

Стремление к дальнейшему повышению температу­ры перегретого пара при использовании недорогих низ­колегированных сталей перлитного класса привело к до­полнительному легированию хромомолибденовой стали ванадием в количестве 0,2—0,3%. Ванадий как сильный карбидообразователь способствует повышению предела ползучести.

В настоящее время широко применяют хромомолиб — деновую сталь 12Х1МФ (1% Сг. 0,3% Мо, 0,2% V) и более стойкую против ползучести сталь 15Х1МФ с не­сколько повышенным содержанием углерода и значи­тельно повышенным содержанием молибдена (1% Сг, 1% Мо, 0,2% V). Незначительная добавка ванадия уменьшает скорости ползучести. Эти стали предназначе­ны для работы при температуре до 565—570°С.

Наиболее окалиностойка и жаропрочна сталь пер­литного класса марки 12Х2МФСР, содержащая для ока — линостойкости 2% Сг и 0,4—0,7% Si. Присадка очень незначительного количества бора (0,003—0,005%) повы­шает жаропрочность. Эта сталь, из которой изготовляют главным образом трубы пароперегревателя, очень чув­ствительна к режиму термической обработки.

Высоколегированная сталь аустенитного класса. Стремление к повышению температуры перегретого пара до 600—650°С потребовало применения еще более жа­ропрочных и окалиностойких сталей. Структурной осно­вой таких сталей служит высоколегированный хромони — келевый или хромоникелемарганцевый аустенит. Высокое содержание хрома в аустенитных сталях делает их вы- сокоокалиностойкими. В отличие от низколегированной стали в высоколегированной аустенитной стали добавка только никеля и хрома достигает 30% и более общей массы металла, однако стоимость ее в несколько раз выше. Титан и ниобий — элементы-стабилизаторы при­бавляют к аустенитной стали для предотвращения интер- кристаллитной коррозии Будучи сильными карбидообра — зователями, эти элементы связывают весь углерод в кар­биды, не давая тем самым образоваться карбидам хро­ма по границам зерен аустенита. Если же карбиды хрома образуются, то аустенит обедняется вблизи них хромом, и эти обедненные хромом участки теряют со­здаваемую высоким содержанием хрома коррозионную стойкость, что приводит к интеркристаллнтной кор­розии.

Для повышения способности к образованию чисто аустенитной структуры прибегают к повышению отно­шения содержания никеля к хрому. Из сталей с повы­шенным отношением Ni/Cr в первую очередь следует отметить сталь 12X18H12T, далее сталь Х14Н14В2М с вольфрамом и молибденом и сталь типа 16-13-3 (16% Сг, 13% № и 3% Мо). Молибден и вольфрам добавляют к аустенитной стали с целью дальнейшего повышения жаропрочности в связи с образованием в их структуре высокодисперсных прочных соединений Fe2Mo и Fe2W, существенно повышающих жаропрочность стали.

Высоколегированная сталь мартенситного и мартен — ситно-ферритного классов. К недостаткам аустенитной стали относится склонность к образованию трещин при совместном воздействии напряжений и коррозионной среды (коррозионное растрескивание) и образование кольцевых трещин в окслошовной зоне сварных соеди­нений вследствие резкого снижения пластичности неко­торых участков околошовной зоны при нагреве. Аусте — нитная сталь дорога из-за высокого содержания никеля. Стремление к снижению стоимости жаропрочной стали при одновременном устранении недостатков, присущих аустенитной стали, привело к разработке более дешевых безникелевых сталей на основе И—13% Сг с добавкой молибдена, вольфрама и ванадия для повышения жаро­прочности. При такой композиции легирующих элемен­тов структура этой стали представляет собой низко­углеродистый мартенсит или мартенсит с ферритом, чем н определяется название классов этой стали.

Низколегированная сталь, работающая в условиях отсутствия ползучести. В котлостроении широко приме­няют низколегированную сталь, работающаю при отно­сительно невысокой температуре, когда явление ползу­чести не проявляется. Цель применения такой стали, более прочной, чем углеродистая, — уменьшение толщи­ны стенки элементов и соответственно уменьшение за­траты металла. Для изготовления барабанов котлов вы­соких параметров, например, применяют марганцовони- келемолибденовую сталь марки 16ГНМА (1% Мп, 1,2% Ni, 0,5% Мо). Для трубопроводов питательного тракта СКД применяют марганцовокремниевую сталь марки 15 ГС (1,1% Мп, 0,8% Si).

В табл. 25.1 приведены основные характеристики сталей, применяемых для изготовления поверхностей нагрева паровых котлов, барабанов, коллекторов и тру­бопроводов.

В котлостроении широкое применение получил чу­гун: серый и окалиностойкий. Серый чугун (СЧ) имеет высокие литейные свойства. Из пего изготовляют гар­нитуру топочных устройств: лазы, лючки, взрывные кла­паны, арматуру для крепления и подвески обмуровки. Наибольшая температура применения 250—350°С. Ока­линостойкий чугун (ОЧ) легирован элементами, повы­шающими его жаростойкость (например, кремнием). Из него изготовляют дистанционные гребенки пароперегре­вателей, подвески для крепления труб и другие детали, работающие в зоне высоких температур.

Классификация сталей, применяемых в котлостроении

По применению	По химическому составу	По структуре	По технологии производства
1. Строительная сталь – для металлоконструкций и сосудов низкого давления	1. Углеродистая (мало-, средне- и высокоуглеродистая)	1. Перлитная, имеющая после нормализации структуру: — перлит; — перлит+ феррит; — перлит +эвтектоидный карбид	1. Обыкновенного качества, выплавляемая в мартеновской печи или конверторе с повышенным содержанием серы, фосфора, неметаллических включений
2. Конструкционная (машиностроительная) – для всех элементов парового котла	2. Легированная (низко, средне- и высоколегированная)	2. Мартенситная, имеющая после охлаждения на воздухе мартенситную структуру	2. Качественная углеродистая или легированная, выплавляемая в мартеновских печах при строгом соблюдении режимов плавки, с меньшим содержанием серы, фосфора и неметаллических включений
3. Инструментальная – для инструмента и оснастки	3.Аустенитная, в которой под влиянием легирующих элементов фиксируется аустенит	3. Высококачественная углеродистая или легированная, выплавляемая в электрических или кислых мартеновских печах, с незначительным содержанием серы, фосфора и неметаллических включений (0,020 … 0,035)
4. Ферритная, имеющая после нормализации структуру: — феррит; — феррит + карбид	4. Особовысококачественная легированная, выплавляемая в электрических печах, в вакууме совершенными способами электроплавки, с минимальным содержанием вредных примесей
5. Карбидная с высоким содержанием углерода и карбидообразующих элементов

Все материалы по химической основе делятся на две основные группы – металлические и неметаллические. К металлическим относятся металлы и их сплавы. Металлы составляют более 2/3 всех известных химических элементов.

В свою очередь, металлические материалы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо и сплавы на его основе – стали и чугуны. Все остальные металлы относятся к цветным. Чистые металлы обладают низкими механическими свойствами по сравнению со сплавами и поэтому их применение ограничивается теми случаями, когда необходимо использовать их специальные свойства (например, магнитные или электрические).

Практическое значение различных металлов не одинаково. Наибольшее применение в технике приобрели черные металлы. На основе железа изготавливают более 90 % всей металлопродукции. Однако цветные металлы обладают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. Из цветных металлов наибольшее промышленное значение имеют алюминий, медь, магний, титан и др.

Кроме металлических, в промышленности значительное место занимают различные неметаллические материалы – пластмассы, керамика, резина и др. Их производство и применение развивается в настоящее время опережающими темпами по сравнению с металлическими материалами. Но использование их в промышленности невелико (до 10 %) и предсказание тридцатилетней давности о том, что неметаллические материалы к концу века существенно потеснят ме­таллические, не оправдалось.

Конструкционные материалы предназначены для изготовления деталей и конструкций, работающих под механическими нагрузками. Основное требование к конструкционным материалам – не разрушаться и не деформироваться при эксплуатации. Кроме того, материалы должны быть экономичными (недорогими, недефицитными) и технологичными, т.е. из них должно быть технически возможно изготовить нужное изделие с минимальными затратами труда и энергии.

В современной технике используются следующие группы конструкционных материалов:

1) металлы и их сплавы;

2) полимеры (пластмассы);

5) композиционные материалы.

В котло-реакторостроении широко применяются чёрные и цветные металлы, их сплавы, неметаллические материалы.

На современном этапе развития техники в наибольшей степени удовлетворяют требованиям быть прочными, надежными, долговечными – и одновременно технологичными и экономичными – металлы и сплавы.

Композиционные материалы все шире используются в самых разных областях, но все же пока они дороги и технология их производства сложна. Поэтому до 80 % объема всех выпускаемых конструкционных материалов составляют металлы.

В котло- и реакторостроении они являются основными материалами для машин и конструкций. Поэтому мы будем рассматривать технологию производства изделий из металлов и технологию получения самого металла.

Например, котельная сталь–это сталь для деталей котельных установок, работающих при повышенных температурах, в контакте с водяной и паровой средами.

От котельной стали требуется удовлетворительная характеристика жаростойкости, включающая сопротивление ползучести и длительности выдержки характеристик при высокой температуре;

— прочность; пластичность, в условиях длительногонагружения;

— устойчивость противоокалино-образования, водяной и паровой коррозии и др.;

— стабильность свойств при данной температуре;

— релаксационная стойкость при данной температуре (для крепежных деталей);

— устойчивость при повторных нагрузках;

— малая склонность к старению, графитизации и сфероидизации.

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

В зависимости от условий эксплуатации в качестве котельной стали используются:

— углеродистая сталь низколегированнаясталь;

— легированная сталь перлитного и аустенитного классов.

Малоуглеродистая и низколегированная стали выплавляются в мартеновских печах и поставляются в горячекатаном состоянии, термообработка (нормализация или нормализация с отпуском) производится по требованию заказчика.

Стали листовые для котлов и сосудов, работающих под давлением, применяют для изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин и других деталей. Они должны работать при переменных давлениях и температуре до 450°С. Кроме того, котельная сталь должна хорошо свариваться. Для получения таких свойств в углеродистую сталь вводят технологическую добавку (титан) и дополнительно раскисляют ее алюминием. Выпускают следующие марки углеродистой котельной стали 12К, I5K, 16К, 18К, 20К, 22К с содержанием в них углерода от 0,08 до 0,28%. Эти стали поставляют в виде листов с толщиной до 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска.

Широко применяются в котлостроении чугуны, но только для изготовления деталей, не подверженных значительному давлению среды.

Например, ковкий чугун марок КЧ 30 – 6, КЧ – 37 – 12 или КЧ 60 – 3. Котлы из этого ковкого чугуна используют при производстве пароводяной арматуры с давлением среды до 4 Мпа и температурой до 300 0 С.

Серый чугун с пластинчатым графитом марок СЧ 20, СЧ 30. Из серого чугуна изготавливают колонки дистанционного управления, корпуса приводных устройств арматуры, втулки шпинделя, маховики запорной арматуры и др. детали котлостроения.

Высокопрочный чугунприменяют вместо стали или ковкого чугуна для изготовления ответственных деталей.

Легированный чугунприменяют для отливок повышенной жаропрочности: паровые котлы, работающие при высоких температурах топочных газов, не находящихся под давлением. Из легированного чугуна получают детали подвесок труб перегревателей, экономайзера, пылеугольных горелок, колосников и др. Чугун может легироваться хромом от 0,4 до 34 % и использован при температуре 1100 0 С. Марок ЧХ 1, ЧХ 2, ЧХ 22 и т.д. Чугун может быть легирован кремнием от 4,5 до 18 %, в этом случае он маркируется ЧС 5 и пр. Наиболее жаростойкие марки чугунов легируют алюминиемот 0,6 до 31 %, или хромом и кремнием одновременно.

Материалы, из которых строят реакторы, работают при высокой температуре в поле нейтронов, γ-квантов и осколков деления. Поэтому для реакторостроения пригодны не все материалы, применяемые в других отраслях техники. При выборе реакторных материалов учитывают их радиационную стойкость, химическую инертность, сечение поглощения и другие свойства.

Материал	Плотность, г/см³	Макроскопическое сечение поглощения Εм−1
тепловых нейтронов	нейтронов спектра деления
Алюминий	2,7	1,3	2,5×10 −3
Магний	1,74	0,14	3×10 −3
Цирконий	6,4	0,76	4×10 −2
Нержавеющаясталь	8,0	24,7	1×10 −1

У большинства материалов прочностные свойства резко ухудшаются с увеличением температуры. В энергетических реакторах конструкционные материалы работают при высоких температурах. Это ограничивает выбор конструкционных материалов, особенно для тех деталей энергетического реактора, которые должны выдерживать высокое давление.