Меню

Напряжения стали при высокой температуре

Поведение металла при высоких температурах

Уже были рассмотрены методы организа­ции процессов, обеспечивающих оптимальные условия работы металла элементов паровых котлов, работающих при высоком давлении. Но даже в этих условиях металл ответствен­ных узлов (трубы поверхностей нагрева, ба­рабан, коллекторы, паропроводы) находится в тяжелых условиях, так как в стационарных режимах он подвергается воздействию напря­жений от внутреннего давления и собственной массы при высокой температуре. В перемен­ных режимах (пусках, остановах) металл на­ходится под дополнительным воздействием пе­ременной температуры и давления. В некото­рых режимах могут возникать и переменные температуры циклического характера.

Кроме того, на металл ответственных узлов котла действуют высокая температура и кор- розионно-активные в химическом отношении среды: топочные газы, насыщенный и пере­гретый пар, пароводяная смесь и питательная вода. Под воздействием этих сред возникает коррозия металла.

Многие элементы котла, особенно детали водяной и паровой арматуры и труб поверх­ностей нагрева, работают в условиях эрозион­ного и абразивного износа. Эрозионным на­зывают износ под влиянием воздействия струи жидкости, газа или пара, абразивным— механический износ под действием твердых частиц — абразивов (например, золовой износ труб поверхностей нагрева). Эрозия метал­ла — сложный процесс, сочетающий в себе коррозию от химического воздействия среды и механический износ под влиянием динамики потока жидкости или пара (механический из­нос может усиливаться в процессе эрозии при наличии в среде твердых абразивных частиц).

Металл труб воздухоподогревателя испы­тывает небольшое давление (до 7—8 кПа), и потому механические усилия незначительны, но металл работает при высокой температуре (до 400—450°С).

Особенно в тяжелых условиях работают находящиеся в газоходах неохлаждаемые эле­менты, предназначенные для подвески и креп­ления поверхностей нагрева. Эти элементы несут большую весовую нагрузку и подвер­жены воздействию агрессивных газов при вы­сокой температуре (до 800°С).

Каркас котла также несет большую весо­вую нагрузку, но работает он при темпера­туре окружающего атмосферного воздуха. Только в подвесных конструкциях паровых котлов отдельные так называемые «горячие» подвески каркаса, кроме того, подвержены высокой температуре, определяемой темпера­турой протекающей через них рабочей среды.

Элементы котла, работающие под избыточ­ным давлением, условно можно разделить на две группы:

1) элементы, работающие при температуре ниже 350—400°С: барабан, парообразующие трубы и их коллекторы, трубы экономайзера и переходной зоны и их коллекторы, трубо­проводы и арматуры для воды и насыщенного пара;

2) элементы, работающие при температуре выше 350—400°С: пароперегреватели и их коллекторы, пароохладители, трубопроводы и арматура перегретого пара.

Специфическую опасность для надежной работы ответственных элементов парового котла представляет длительное воздействие напряжений от внутреннего давления и высо­кой температуры перегретого пара, если она превышает 450°С. Под совместным влиянием температуры выше 450°С и напряжений (тру­бы пароперегревателей, их коллекторы и ма­гистральные паропроводы) в стали развива­ется опасное явление ползучести (крипа). Ползучесть представляет собой медленное и непрерывное накопление пластической дефор­мации, т. е. постепенное увеличение размеров детали. Это особый вид пластической дефор­мации, протекающей при напряжении ниже предела текучести. Опасной особенностью процесса ползучести является то, что по до­стижении определенных пределов остаточной
пластической деформации металл разрушает­ся. Поэтому размеры деталей, работающих в условиях развития ползучести, непрерывно контролируют.

Читайте также:  Напряжение с частотой 100гц

Диаграмма ползучести показана на рис. 25.1, на котором изображены кривые пол­зучести при постоянном напряжении для трех значений температуры /і

  • Токсичные вещества в дымовых газах и меры защиты внешней среды
  • Рекомендации по выбору бизнеса
  • Строительное оборудование МСД
  • Тепловые насосы

Паровые котлы ТЭС

Режимы останова и сброса нагрузки котла

Нормальному (неаварийному) останову котла (блока) предшествует его разгрузка. При останове в резерв на короткое время (на­пример, на ночь) стремятся в наибольшей степени сохранить тепловое состояние обору­дования, в связи с чем …

Режимы растопки котла и пуска блока

Рассматриваемые режимы можно разде­лить на три основных этапа: подготовитель­ные операции, собственно растопки котла и повышение нагрузки до заданной. Рассмо­трим их применительно к наиболее современ­ному оборудованию — блочным установкам. В течение …

Классификация парогенераторов аэс и их особенности

В соответствии с тепловой схемой АЭС пар выраба­тывается либо непосредственно в ядерных реакторах кипящего типа, либо в парогеиераторах-теплообменни — ках, в которых осуществляется передача теплоты от теп­лоносителя, поступающего из реактора, …

Источник



VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2016

ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР НА ПРОЧНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ (БЕТОН, ЖЕЛЕЗОБЕТОН, МЕТАЛЛ)

Большую роль играет влияние высоких температур на такие строительные материалы как бетон, железобетон и металл, так как они являются наиболее распространенными и чаще всего используются в процессе строительства и производства оборудования по сравнению с другими материалами.

Как известно, щебень, цемент, вода и песок являются основными составляющими бетона. И необходимо, чтобы во время процесса бетонирования были соблюдены определенные условия, такие как нормальная температура и уровень влажности воздуха. При застывании бетонной смеси происходит процесс гидратации (присоединение молекул воды к ионам вещества), который является экзотермическим и происходит с выделением теплоты в большом количестве. В данном случае, при повышении температуры выше допустимой, начинается интенсивное испарение воды, в результате чего образуется большое количество незаполненных пор. Как следствие этого, снижается плотность бетона и происходит резкое ухудшение прочностных показателей. Воздействие высокой температуры при застывании, приводит к появлению у материала высокой прочности в течение первых нескольких суток, но затем ситуация изменятся в обратную сторону. Образцы, сформировавшиеся при нормальной температуре, все-таки, оказываются более прочными. В диапазоне более низких температур имеется оптимальное значение, при котором бетон достигает самой высокой прочности. Отметим тот факт, что бетон, который изготовили при оптимальной температуре 4,4° С, в течение месяца хранили при низкой температуре (—3,9° С), а затем при 23,9° С на протяжении трех месяцев является более прочным, чем такой же бетон, хранившийся при неизменной температуре 23,9° С. Но можно ослабить уровень негативного воздействия высоких температур в процессе схватывания бетона, применив в качестве добавки хлористый кальций. В целом, многолетний строительный опыт показывает, что бетон, укладываемый зимой, при правильном уходе, будет иметь более высокую прочность, чем аналогичный – укладываемый летом. Как подтверждение этого, отметим, что в тропических странах наблюдается тенденция более низкой его прочности. Таким образом, чем выше температура при схватывании бетона, тем ниже прочность.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения ресанта 1000 ватт

Что касается воздействия высоких температур на готовые изделия из бетона, то здесь, также наблюдается негативное влияние. Прочность бетона снижается. Это заметно уже при нагреве до 200-300° C, свыше 300° C происходят изменения, приобретающие необратимый характер. Прочность уменьшается в 2 раза при нагреве до 400° C и в 3 раза – до 500° C. Увеличение деформативности и уменьшение модуля упругости бетона, также являются последствием воздействия высоких температур.

Стоит отметить, что конструкции многих зданий и сооружений подвергаются воздействию технологических температур. Плюс ко всему они должны обладать хорошей огнестойкостью. Поэтому все каменные и железобетонные конструкции, как правило, рассчитываются на огнестойкость и нагрев. Для изготовления конструкций, работающих в условиях высоких температур до 300º С, применяется бетон обычной или плотной структуры, свыше 300º С – жаростойкий бетон. При его нагреве до 60 — 100º С происходит снижение прочности при сжатии на 10-15% и на 25-30% при его растяжении. Это можно объяснить снижением прочности цементного камня и возникновением расклинивающего действия водных пленок в цементе. При нагреве бетона свыше 300º С происходит понижение его прочности в результате появления нарушений в структуре цементного камня и возникновения существенных напряжений из-за градиента температуры между внешними и внутренними слоями бетона. Что касается легкого бетона, то снижение его прочности происходит лишь при нагревании свыше 300º С, так как он нагревается гораздо медленнее из-за достаточного количества пор. Если его долгое время нагревать до температуры 200º С, то прочность бетона при сжатии может восстановиться, а если подвергать цикличному воздействию влажности окружающей среды и температуры, то плотность резко падает (на 30% после 50 циклов и на 50% после 200). Влажный бетон может хрупко разрушаться при сильном нагреве, например во время пожара.

Касаемо железобетона, ситуация обстоит немного иначе. Как известно, железобетонные конструкции состоят из бетона и арматуры, поэтому здесь имеет место комбинированное воздействие высоких температур, в результате которого возникают внутренние напряжения. Они вызваны различными коэффициентами деформации цементного камня, заполнителя и стальной арматуры. При постоянном воздействии на железобетон технологических температур, как было указано выше, происходит снижение прочности бетона. Как правило, он разрушается при длительном нагреве до 500-600º С и последующем охлаждении. Происходит снижение прочности сцепления арматуры периодического профиля с бетоном на 30%. Однако сцепление гладкой арматуры с бетоном резко уменьшается уже при 250º С. Под влиянием высоких температур происходит разрушение железобетонных балок, как следствие разрыва растянутой арматуры, нагретой до предельной температуры.

Читайте также:  Допускаемое напряжение это величина зависящая от

Наиболее подверженным воздействию высоких температур является металл. При нагревании в нем возрастает подвижность атомов, происходит обмен их местами, увеличение амплитуды колебаний и ослабление межатомных связей. Именно это влечет за собой изменения физико-механических и механических, прочности в частности, свойств металлов и сплавов.

Различные виды стали широко применяются для изготовления различных металлоконструкций уже с 80-х годов XX века, поэтому именно она заслуживает наибольшего внимания. Стальные конструкции обладают небольшой массой и высокой прочностью, отличаясь при этом незначительными габаритами. При воздействии высоких температур около 200-250° С, свойства стали практически остаются неизменными. Но уже при нагревании до 250-300° С происходит незначительное повышение прочности и снижение пластичности. При такой температуре сталь становится более хрупкой. В данном случае не рекомендуется подвергать её деформациям или оказывать ударное воздействие. В результате нагрева свыше 400°С происходит резкое падение предела текучести и временного сопротивления, а при дальнейшем повышении температуры до 600° С сталь теряет свою несущую способность, как следствие наступившей температурной пластичности. В данном случае при воздействии высоких температур с уменьшением толщины стенки происходит потеря прочности и переход из упругого состояния в упруго-пластичное.

Таким образом, при влиянии на металл значительных температур, падают пределы упругости, текучести, прочности и твердость, а сопротивление удару, удлинение и уменьшение поперечного сечения при разрыве растут. При повышении температуры происходит проявление способности металла к очень медленному, но непрерывному изменению размеров под действием слабых и постоянных по времени напряжений. Металл удлиняется, «ползет». Это явление называется «ползучесть». При постепенном удлинении металла появляются микропустоты и трещины с концентрацией напряжений вокруг них и, в конечном счете, происходит разрыв.

Ползучесть стали является практически одним из наиболее важных проявлений влияния высоких температур на сталь при длительной внешней нагрузке. Под действием постоянной по величине нагрузки нагретый металл начинает непрерывно деформироваться (ползти), причем величина напряжения, вызвавшего пластическую деформацию, может быть значительно ниже предела текучести, определенного при этой температуре. Практически считают, что, начиная с 400°, расчеты следует проводить, принимая во внимание ползучесть. Необходимо учитывать явление ползучести при выборе материала для изготовления различного рода конструкций, особенно для деталей турбин, авиационных двигателей, энергетических установок, которые работают при высоких температурах.

Таким образом, воздействие высоких температур практически на любой строительный материал приводит к отрицательным последствиям, в результате чего происходит потеря прочностных свойств и несущей способности. Для того чтобы оградить материалы от отрицательных температурных воздействий необходимо устраивать защитные слои из огнестойких материалов, либо использовать для изготовления конструкций и оборудования специальные особо прочные материалы, предназначенные для применения в высокотемпературных средах.

Источник