Котельна сталь для роботи при підвищених температурах

Котельна сталь для енергетики — характеристики та застосування

Також відомі як леговані та вуглецеві сталі для роботи при підвищених температурах, або як сталь для енергетики, що використовується в умовах робочих температур до 600℃, де потрібно збереження міцнісних характеристик, аналогічних властивостям при кімнатній температурі. У металургії температури близько 600℃ визначаються як підвищені температури.

На відміну від конструкційних сталей для гартування, пружинних сталей або сталей для цементації, котельні марки повинні виконувати досить відповідальне завдання – перш за все запобігати або по можливості скорочувати час прогресування деформацій і погіршення властивостей елемента, що піддається під час роботи, серед іншого, впливу робочої температури, середовища експлуатації, виникаючих навантажень під час роботи, а також частоти і часу впливу навантажень на даний елемент.

Тому при виборі певної марки з цієї підгрупи необхідно перевірити, чи буде даний матеріал в цьому класі мати достатню стійкість до руйнівного впливу гарячих газів, відповідну пластичність, зварюваність, стійкість до корозії і релаксації, а також достатні міцнісні властивості при робочій температурі. Для відповідності вищезазначеним вимогам в котельних сталях визначаються, перш за все, такі властивості, як межа пластичності при даній робочій температурі, опір повзучості, межа повзучості, а також термостійкість.

Хімічний склад і застосування котельної сталі

Котельні сталі використовуються в основному в традиційній або атомній енергетиці, а також в хімічній промисловості, наприклад, у вигляді листів для резервуарів високого тиску, що працюють при підвищених температурах, котельних труб перегрівачів, парових колекторів, направляючих дисків, трубопроводів, теплообмінників, болтів, гайок і заклепок, що піддаються сильним навантаженням, сталі для барабанів парових котлів, розпірок, збірних камер, елементів (наприклад, лопаток) і арматури водних, газових і парових турбін.

Одними з найважливіших елементів, завдяки яким котельні сталі витримують підвищені температури і мають відповідні міцнісні властивості, є хром (Cr), ванадій (V) і молібден (Mo). Зі збільшенням вмісту хрому в хімічному складі виробу підвищується корозійна стійкість і можливість використання елемента при більш високих робочих температурах. При вмісті хрому в діапазоні 1,00-2,50% сталі можуть використовуватися при температурах до 580℃. Вміст хрому вище 2,5% і навіть до 13% вже не покращує значно опір повзучості. В окислюючих середовищах вуглецеві сталі демонструють стійкість до температури близько 500℃.

Як можна помітити, вміст вуглецю в різних марках котлової сталі є порівнянним, а отже, на такі міцнісні властивості, як межа плинності або міцність на розрив, вже істотного впливу не чинить вуглець, а інші карбідоутворюючі елементи, такі як ванадій, молібден і навіть добавки вольфраму – W, ніобію – Nb і титану – Ti, які одночасно сприяють збільшенню тимчасової опірності повзучості.

Класифікація котлової сталі за структурою та хімічним складом

Сталі для роботи при підвищених температурах поділяються на дві основні підгрупи:

• ферритні котельні сталі, тобто
  • ферритно-перлитні котельні сталі,
  • ферритно-бейнітні котельні сталі,
  • ферритно-перлитно-бейнітні котельні сталі,
  • а також бейнітні котельні сталі
• і постійно мартенситні:
  • сталі бейнітно-мартенситні,
  • сталі з високовуглецевою мартензитною структурою

Термічна обробка, стан поставки та структура окремих марок

З огляду на термічну обробку сталей, стійких до більш високих температур, і структуру матеріалу після обробки, низьколеговані сталі для вугільних енергетичних установок у вигляді котельних листів, котельних труб або прутків для енергетики поставляються в нормалізованому стані після відпуску або в самому нормалізованому стані, що в результаті надає виробам дробову змішану феритову структуру і, отже, лише невелике збільшення міцності (феритово-перлітово-бейнітову, феритово-перлітову або феритово-бейнітову).

У свою чергу, велика група легованих котлових сталей може бути загартована до отримання мартенситної структури, а потім відпущена до сорбітної структури, як це відбувається у випадку легованих сталей для гартування. Тому, залежно від хімічного складу, можна зіткнутися з суперечностями в найменуванні деяких марок — між котельною сталлю і сталлю для гартування (наприклад, 25HM). Тепловій обробці піддаються в основному леговані та високолеговані сталі, зокрема високохромисті, у вигляді виробів із набагато більшими перетинами, таких як поковки, вали або ковані прутки. Однак слід пам'ятати, що в марках з низькою загартовуваністю необхідно зміцнювати вироби з меншими перетинами, щоб отримати відповідні міцнісні властивості.

Для кування валів і дисків роторів турбін, а також кування лопаток турбін використовуються сталі з бейнітною структурою. Для досягнення цієї структури використовуються сталі, які не можна охолоджувати після аустенітизації. Вони характеризуються найвищими параметрами міцності в цій групі.

Стійкість до повзучості, релаксації та втоми елементів з котлової сталі

Міцнісні властивості котлової сталі можна було чітко визначити при робочих температурах до 20 °C, проте застосування і найменування — сталь для підвищених температур — рішуче спонукало до орієнтації випробувань на міцність при робочих температурах 500-600 °C. Від котлової сталі вимагається, щоб конструкційний елемент, що працює при більш високих температурах, мав максимально можливий параметр межі повзучості або опору повзучості, тобто максимально тривалий час впливу постійного навантаження під впливом високої температури на даний елемент, при якому спостерігається найменший ступінь деформації. Дослідження і випробування на повзучість проводилися відповідно до норми PN-75/H-04330 / GOST 3248-81, а вимоги – відповідно до PN-75/H-84024 / GOST 5632-2014.

Втома сталевих елементів лопатей і роторів турбін в енергетиці – це процес, що відбувається при кімнатній і підвищеній температурі. В результаті високих перепадів температур (тобто частих нагрівань і охолоджень) або роботи тільки при високих температурах, змін напружень, тисків, навантажень, пов'язаних з обертанням елементів, сталь схильна до деформацій, релаксації і явища зазубрин. Основним фактором дослідження втоми є робочий цикл навантажень і час роботи елемента. Процес втоми сталі та визначення назв згідно з PN-64/H-04325 / GOST 9454-78.

Третьою властивістю, досить важливою для визначення придатності сталей для енергетики, є явище релаксації, тобто постійне зниження або зникнення пружних напружень в частинах машин під впливом роботи при більш високій температурі протягом тривалого періоду часу, що призводить до втрати герметичності котельних трубопроводів, зникнення властивостей пружинних елементів, у гвинтах і гайках з котельної сталі виникають незворотні «зазори». Ця властивість досліджується і використовується в елементах зі сталі для фланців паропроводів, елементах зі сталі для болтів корпусів турбін, вузлах зі сталі для усадочних і впресованих з'єднань, а також елементах зі сталі для резервуарів і обладнання під тиском.

Котельна сталь — умови експлуатації та призначення

Найбільш поширеними газовими середовищами в енергетичних пристроях є повітря, пара і вихлопні гази. Термостійкість залежить від типу і складу газу, присутнього під час роботи компонента. Повітря, вихлопні гази, перегріта водяна пара і висока температура, а також поєднання цих факторів мають окислюючий вплив на сталь.

Оксиди, що утворюються на поверхні котлової сталі для енергетики, накопичуються із підвищенням температури. У вуглецевій котловій сталі шари оксидів швидко розтріскуються і одночасно відкривають доступ «складній» атмосфері до подальших шарів для утворення оксидів, що призводить до руйнування матеріалу (наприклад, Gat. St36K, St44K, K18, K20 – макс. ок. 400-500℃) GOST 5520-2017. Елементом, що запобігає розвитку цього явища, є хром – Cr, легуюча домішка, яка в складі більше 0,5% вже захищає деталь, схильну до подальшого розвитку явища окислення в сталях для енергетичного обладнання до температури близько 550℃ (наприклад, 10CrMo9-10 / 10Х2М – макс. 580℃). Оксиди хрому, що швидко і щільно покривають поверхні стрижнів і котлових листів, а також поковок з котлової сталі, наростають із підвищенням робочої температури. Після повного покриття процес зупиняється, поверхня оксидів хрому практично не піддається впливу і стійка до подальшого руйнування матеріалу. Хром також виявляє стійкість до різних сполук сірки у вихлопних газах, і разом з його вмістом у хімічному складі підвищується і його робоча температура. Інший приблизний сорт 12Ni19 / X12Ni5 / 1.5680.

Труби, листи та стрижні для котлів, що працюють при підвищених температурах

Вищеописані котельні сталі, сталі для обладнання, що працює під тиском, і сталі для роботи при підвищених температурах визначаються нормами PN-75/H-84024, PN-75/H-84019, PN-75/H-84030, BN-65/0631-06 і євронорма EN 10269, PN-EN 10302, PN-EN 10088-1, відповідно до яких поставляються:

• Безшовні котельні труби за PN-98/H-74252, BN-67/0648-02, BN-66/0648-06, BN-68/0648-12, BN-68/0648-11, EN 10216-2, EN 2017-2, EN 2016-1, EN 10217-5, EN 10216-4, GOST 8732-78, GOST 8731-74б 
• Прокатні котельні листи за PN-81/H-92123, PN-93/H-92132, PN-64/H-92148, PN-58/H-92137, PN-57/H-92205, EN 10028-2, GOST14959-79, GOST1050-2013, GOST19904-90, GOST5520-2017,
• Поковки та вільно ковані прутки з котельні сталі за PN-92/H-94009, PN-98/H-93238, BN-69/0661-02, BN-67/0663-01, EN 10222-2, GOST 26131-84, GOST8479-70, 
• Холоднокатані стрічки з котельної сталі GOST 2283-79
• Сталеві прутки для котлів, прокатні гарячої деформації за PN-80/H-93015, PN-98/H-93238, EN 10269, EN 10273, EN 10028-2, PN-53/H-93239, EN 10028-4, GOST1050-2013, GOST4543-71, GOST5632, GOST 20072, 
• Прутки з котельної сталі зі світлою поверхнею по PN-80/H-93016, EN 10277, GOST7417-75, GOST103-2006, 
• Протягнуті проволоки з котельної сталі по EN 10263-4, GOST17305-91, GOST30136.