锅炉设计和制造中的温度问题
研究与开发
文章编号:1004-8774(2011) 02-21
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锅炉设计和制造中的温度问题
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锅炉设计和制造中的温度问题
王大飞, 杜伟光, 刘继民, 孙 波, 程丰渊
(1. 济南锅炉压力容器检验研究所, 济南250002; 2. 哈尔滨锅炉厂有限责任公司, 哈尔滨150046;
3. 济南锅炉集团有限公司, 济南250023)
摘 要:介绍了在锅炉强度设计和制造中的各类温度问题, 对各种温度概念都给出了明确
的定义和具体数据, 这对锅炉强度设计、加工制造和安装运行都有一定的指导意义。
关键词:温度; 强度设计; 加工制造中图分类号:TK222 文献标识码:A
第一作者:王大飞(1971-) , 2005年哈尔滨工业大学热动专业本科毕业, 现任济南市锅炉压力
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Te mperature Issues of Boiler Design andM anufacture
WANG Da -fe i , DU W e-i guang , LIU J-i m in , SUN Bo , CHENG Feng -yuan
(1. Ji n an Bo iler and Pressure Vessel Superv ision and I nspecti o n I nstit u te ,
3. Jinan Boiler G roup Co . Ltd , Ji n an 250023, Ch i n a)
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容器检验研究所工程师、锅炉检验师。
Ji n an 250002, Ch i n a ; 2. H a e ' r b i n BoilerW or ks Co . L td , H ae ' rb i n 150046, Ch i n a ;
A bstrac t :Introduced var i ous temperature issues of t he bo iler streng th desi gn and bo il er m anufac t ur i ng , gave clear
defi n iti ons and de tail data to va ri ous temperature concep ts , wh i ch is i nstructi ve to the bo il e r (strength) design , m anufactur -i ng ,
i nsta llation and ope ration .
K ey word s :temperature ; stren gth desi gn; manufacturing
0 前言
正确理解和掌握锅炉设计和制造中的温度问题对锅炉设计人员来说至关重要。为了使所设计的设备达到既安全又经济的目的, 在强度设计中, 对各种温度参数都应当进行正确的选择和计算。这里仅对与强度设计和安全有关的环境温度、金属材料允许最高使用温度、强度计算壁温、温度对金属材料冲击抗力的影响、常用钢材的无塑性转变温度及水压试验温度等给以说明, 供设计者参考。
计值。在锅炉钢结构的设计中对环境温度的考虑主要有以下几点。
(1) 工作温度低于-20 时承受静力荷载的受弯及受拉的重要焊接承重结构、工作温度 -30 时的所有焊接承重结构不应采用Q235沸腾钢, 这是出于防脆断的考虑。脆断主要发生在受拉区, 且危险性较大。这里需要指出的是, 对锅炉钢结构来说, 不论是露天锅炉还是室内锅炉, 都必须考虑到锅炉安装过程中的环境温度。因此锅炉钢结构的工作温度宜取环境的温度。
(2) 在重要的受拉或受弯的焊接结构中, 厚度大于36mm 的钢材应具有常温冲击韧性合格保证。这也是出于防脆断的考虑。Q235B 和Q 345B 都满足这条要求。Q235A 和Q345A 是不满足这条要求的, 而且A 类钢没有含碳量的保证条件。因此在锅炉钢结构的设计中不允许采用Q235A 和Q345A, 而是规定采用Q235B 和Q345B 。
(3) 在锅炉钢结构的布置中, 柱应避免150 以上的高温作用; 梁和支撑系统应避免100 以上1 环境温度
这里所说的环境温度主要是指冬季的环境计算温度。不同的设计规范对环境温度的定义是不同的。锅炉钢结构采用国家 钢结构设计规范 中的规定, 把最低日平均温度定义为冬季环境计算温度。最低日平均温度根据文献[1]可以定义为:一段时间内, 逐日日平均温度的最低值。日平均温度为每日逐时或定时温度的平均值。文献[2]列出了一些城镇1951年至1980年时段内最低日平均温度的统
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工 业 锅 炉 2011年第2期(总第126期)
外壁抗氧化、抗腐蚀的要求, 而且对受力件还要考虑在使用温度下具有足够的持久强度。文献[4]提出一般要求管材在计算壁温下应具有 105 60M Pa 的持久强度, 再热器用钢要求低一些, 105 30M Pa 即可。这样才能使管壁不致过厚。这里有基于两个出发点的允许最高使用温度, 一个是从足够的耐热性能和足够的组织稳定性的角度要求的, 另一个是从具有足够的持久强度的角度要求的, 二者的温度一般是不相同的。
有的部件强度计算壁温与最高壁温之差可达50 以上, 选用中铬马氏体钢和奥氏体钢较为适宜。因为这些钢有足够耐热性和组织稳定性的最高温度明显高于有足够持久强度的最高温度。
对于高温集箱, 强度计算壁温与最高壁温相差不多, 则适宜采用两种温度之差较小的铬钼钒热强钢, 如12Cr2M o WVT i B 钢和12Cr3M oVSi T i B 钢。
但是对于以上两种允许最高使用温度的提法, 在许多规范和文献中并没有清晰地表述, 往往引起使用者的困惑。2. 2 强度计算壁温
受压元件有热量传递时, 沿受压元件厚度各点的温度是不同的, 在强度计算中所用的温度, 按沿壁厚温度的平均值选取。为简化计算一般取元件的内外壁温的算术平均值作为确定材料强度特性和许用力的依据。计算壁温取得正确与否直接关系到设备的安全性和经济性。所谓的允许最高计算壁温可以定义为:在壁的最高温度部位的温度值满足耐热性和组织稳定性的条件下, 可以把内外壁温的算术平均值的最大值作为允许最高计算壁温。材料强度设计指标亦是按这个平均温度给出。在许多情况下, 实际计算壁温一般达不到允许最高计算壁温。一般是根据介质温度和传热的计算以及设计和运行经验来确定强度计算壁温值。文献[5]详细给出了计算规定, 这些规定无疑应以满足耐热和保证组织的稳定性的要求为前提。
这里特别要指出的是关于锅炉吊杆系统的计算温度问题。锅炉吊杆系统沿着纵向方向温度的分布是变化的, 即使在一个构件的长度上温度也是变化的。在进行吊杆系统构件的强度计算时绝对不能像受压元件那样取平均值, 而是取构件上的最高温度值。因为每个构件的承载能力是由构件上的最高温度段决定的。
作用的构件, 除选用合适的材料外, 应采取必要的隔热或冷却措施, 目的是不使锅炉钢结构产生过大的温度应力。实际上隔热或冷却措施其效果往往很差, 后来许多设计者主张按实际环境温度设计, 其措施有两条:一是采用适应在环境温度下工作的材料; 二是构件连接采用可自由膨胀的滑动结构。如锅炉省煤器固定装置及支承梁, 一级省煤器支承梁工作温度按420 , 二级省煤器支承梁工作温度按350 , 三级省煤器支承梁按300 , 可分别采用12C rI M o V 、Q 345B 和Q235B 材料进行设计。为了避免过大的温度应力, 在梁的端部采用自由支承或导向滑动结构。
(4) 结构件材料使用温度不能低于材料的无塑性转变温度。
2 金属材料允许最高使用温度和强度计算壁温
2. 1 关于金属材料的最高允许使用温度
(1) 指材料内最高温度部位的温度值。这是从材料有足够的耐热性和组织的稳定性的要求确定的。在锅炉设计中一般要求在管材内外壁温下10万小时氧化总深度h 105 0. 8mm 。如20G 管材, 在劳安锅局[1996]76号文件 关于印发部分条款修订说明的通知 中规定的最高使用温度为480 , 就是指的管壁内最高温度, 它与10万小时单面腐蚀量0. 3742mm, 双面腐蚀量为0. 3742 2=0. 7484mm 的温度相对应。
(2) 指最高允许使用的介质温度。
(3) 指最高允许使用的计算壁温。这是强度计算所使用的温度, 它是取管件温度最高部位内外壁温的算术平均值。强度校核用的许用应力取与该温度相对应的值, 而不是取较低的内壁温度下的值, 也不是取较高的外壁温度下的值。在做材料试验时, 只要保证这个平均壁温下的数据可靠即可, 而不需要保证更高温度下的强度值。
(4) TSG G0001 2010 锅炉安全技术监察规程 (以下简称 新规程 ) 对金属材料允许最高使用
[3]
温度有两种定义, 一是指材料内最高温度部位的温度值; 二是指金属管壁中间的温度值, 即通常的在强度计算中所用的计算壁温值。在 新规程 中规定的20G 管的允许最高使用温度为460 , 就是指的允许最高计算壁温值, 所对应的外壁温度则高于460 。当强调材料的耐热性和组织稳定性要求时, 应当给出金属材料中的最高温度点的允许值。, , 3 温度对金属材料冲击抗力的影响
[6]
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匀的钢冲击试验中, 在一系列的温度区里急剧改变性能, 称为脆性温度区。
(1) 第一脆性区为冷脆性区:在这个温区下, 钢的冲击韧性突然降低, 处于脆性状态, 称之为 钢的冷脆性 。
(2) 第二脆性区为蓝脆区:一般碳钢蓝脆区在250~350 , 这时强度值最大, 伸长率与截面收缩率最低, 韧性也降低, 而且如果在蓝脆区长期停留保温, 然后再冷却下来, 韧性和塑性都显著降低, 这种现象称之为钢的 热脆性 。热脆性对于在相当温度下工作的机器零件如锅炉的零件具有很大的危险性。
(3) 钢的红脆性(赤热脆性):其温度为900 以上。这些钢多半含硫、氧和其他某些杂质较高。
(4) 钢的回火脆性:淬火钢在某些温度范围内回火过程中, 常可见到冲击韧性和塑性降低, 称之为 钢的回火脆性 。
在250~400 温度范围内回火, 发生韧性和塑性的不可逆降低。在回火温度或冷却至室温都处于脆性状态, 并与回火的冷却速度无关, 称为 第一类回火脆性 。
在450~650 温区回火, 回火后在水或油中快冷时, 钢具有很好的冲击韧性; 如回火后慢冷, 则钢处于脆性状态, 此脆性是可逆的。第二次回火后快
钢号
16M n , Q 345
冷, 脆性就会被消除, 再次回火后慢冷, 脆性又会重新出现。这种情况不仅在淬火钢中出现, 正火、退火钢中也有可能发生, 称为 第二类回火脆性 。
建议使用时:在锅炉设计和安装运行中要防止设备的脆性、破坏性。对于低温脆性, 设备的工作温度和工艺制造温度必须低于钢材的无塑性转变温度NDT ; 对于高温脆性应避免材料在该温度下长期工作及保温。
4 常用钢材的无塑性转变温度NDT
钢材的无塑性转变温度NDT 采用落锤试验测得, 每个试件每个实验者所测出的结果往往具有很大的分散性, 表1所列数值是根据笔者长期来对国内外的试验数据进行研究分析综合整理, 并抛弃个别与多数文献相差过大的数据而得。由于NDT 数据难以查找, 而且很难判断数据是否合理, 因此这些数据仅供读者参考使用。这些数据的主要使用原则:对于低温条件下工作的设备, 要选用NDT 温度较低的材料; 对于高温条件下工作的设备在进行水压试验时其低温要高于NDT 温度。有时用户常要求锅炉生产厂家提供主要受压元件材料NDT 温度的数据, 可以从表1中查取。
表1 常用金属材料的无塑性转变温度热处理状态板厚/mm
热轧
2560
试样尺寸/mm
25 90 36019 50 13025 90 36019 50 13016 50 13019 50 13019 50 13019 50 13019 50 13016 50 13025 90 36019 50 13025 90 36016 50 13019 50 13019 50 13016 50 13019 50 13025 90 360
NDT / -25-20-15-15-20-45-60-60
15M nV, Q 39015M nVN, Q 420
热轧正火
[1**********]0
15M nVN, Q 420调质
14M n M oV 正火+回火[***********]
-15+5+100-45-50-25-60-45-50
18M n M oNb 正火+回火
14M n M oNbB 09M nT i CuX t 06M n2VR
调质正火正火
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工 业 锅 炉 2011年第2期(总第126期)
续表1 常用金属材料的无塑性转变温度热处理状态板厚/mm
热轧热轧
1616
7090170
钢板P 2自动焊缝P 2
钢板P 3钢板P 1钢板P 219 50 130电炉冶炼全厚度电炉+VHD P 1钢板
锅筒筒体母材锅筒自动焊缝钢板P 1钢板P 1
钢板P 2自动焊缝P 2
钢板
钢号
09M n2VR A 3, Q23520g
19M n6, P 355GH
试样尺寸/mm16 50 13016 50 130
NDT / -55
-10-20-30-35-25-5-20-20-10-65-15-5-15-40-45-30-10-10-10+10-45
S A 299, 22M ng 161178
200
12C r N M i oVCu 调质2465
13M nN M i oN b 代替BH W 35
90
11050
BHW 358595145
15N i C u M o N b5(WB36)
注:P 1=25 90 360, P 2=19 50 130, P 3=16 50 130
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5 制造过程中的温度
在制造过程中的温度概念及具体规定, 在文献[1]中有详细的论述, 这里只给以简单的说明。
(1) 焊接中的焊前预热和焊后热处理温度。(2) 材料热加工中的锻轧、热成型的开始温度、终止温度和热处理温度。(3) 水压试验温度
这里说的水压试验温度指的是水压试验时受压元件金属壁的温度。压力试验的温度不能过高, 也不能过低, 压力试验的温度过低会使受压件发生低应力脆性破坏事故。为了防止探伤合格的受压件在水压试验时发生脆性断裂, 试验水温一定要高于材料的NDT 温度, 而且须等到壁温完全接近水温时才能打压。为此, 各国标准都制定了水压试验温度的标准。
GB 150 钢制压力容器 和 压力容器安全技术监察规程 规定:碳素钢、16M nR 制压力容器液压试验时, 液体温度不得低于5 ; 其他低合金钢制压力容器, 液体温度不低于15 。如果由于板厚等因素造成材料无延性转变温度升高, 则需相应提高液体温度。铁素体钢制低温压力容器液压试验时, 液体温度不得低于受压元件及焊接接头进行夏比冲击
AS M E 锅炉及压力容器规范第 卷核动力装置设备第一册附录R 中的规定:
水压试验温度T =T N D T +A 根据曲线回归为:
当厚度S 63mm 时, A =17 ,
0. 6
当S >63mm 时, A =[17+1. 2(S -63) ]
6 后记
本文讲述的温度概念都是锅炉设计人员、制造工艺人员、锅炉检验人员应熟悉和掌握的。只有温度概念清楚了, 才能正确地选材, 才能做出正确的设计和合理的工艺。文中所列数据是我国许多权威单位试验并经过笔者认真分析整理得出, 是比较可靠的, 可以放心地使用。参考文献
[1]GB 50015 1992 采暖通风与空气调节术语标准[S].[2]GBJ 19 1987 采暖通风与空气调节设计规范(2001年版) [S].
[3]TSG G 0001 2010 锅炉安全技术监察规程[S].[4]中国动力工程学会火力发电设备技术手册第一卷锅炉
[M].北京:机械工业出版, 2000. [5]GB /T9222 2008水管锅炉受压元件强度计算[S].[6]西安交大、上海交大 金属机械性能 1962年清华影印本.