Kotlovski Materijali i Opterecenja

  • View
    233

  • Download
    1

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Materijal iz predmeta Savremeni mašinski materijali.

Text of Kotlovski Materijali i Opterecenja

  • 2. KOTLOVSKI MATERIJALI I OPTEREENJA U EKSPLOATACIJI

    Strana 13

    2.2 Optereenja kotlovskih materijala u eksploataciji Kotlovski materijali su eksploataciji izloeni velikom broju razliitih vrsta optereenja, koja najee ne djeluju pojedinano nego u kombinaciji sa drugim vrstama optereenja. Poznavanje optereenja koja djeluju na materijal u eksploataciji je od izuzetnog znaaja, kako bi se moglo predvidjeti ponaanje materijala u datim uslovima, metalurka nestabilnost i opasnost od loma i havarija nakon odreenog vremenskog perioda. Optereenja se mogu generalno podijeliti u etiri grupe ovisno o vrsti dominantnog optereenja:

    Termika optereenja, Mehanika optereenja, Hemijska-koroziona optereenja, i Triboloka optereenja.

    2.2.1 Termika optereenja Za kotlovske materijale je karakteristian rad na povienim temperaturama, tako da termiko optereenje u kombinaciji sa ostalim tipovima optereenja ini jedno od osnovnih optereenja u eksploataciji. Sve komponente sistema kotla koje su pod pritiskom izloene su dejstvu toplote, kao i dejstvu pritiska vode ili vodene pare u cijevnom sistemu kotla, pa su samim tim izloeni i uticaju puzanja materijala.

    Slika 2.6 Kriva puzanja Na prikazanoj krivoj puzanja, Slika 2.6, razlikuju se tri vremenska intervala puzanja:

    U prvom intervalu puzanje se odvija nejednakom brzinom i to na poetku velikom, a pri kraju smanjenom brzinom,

    U drugom intervalu brzina puzanja je u sutini konstantna i predstavlja stacionarno stanje puzanja, i

    U treem intervalu brzina puzanja raste, vrstoa materijala se smanjuje i na kraju dolazi do loma.

    Def

    orm

    acija

    , %

    Vrijeme, h

    I II III

  • 2. KOTLOVSKI MATERIJALI I OPTEREENJA U EKSPLOATACIJI

    Strana 14

    Puzanje materijala zapravo predstavlja termomehaniki tip optereenja obzirom da se u procesu puzanja materijal sporo plastino deformie pri statikom optereenju znatno niem od granice razvlaenja, a ova pojava je kod veine metala izraena pri povienim temperaturama. Oblik krive puzanja u pojedinim intervalima uglavnom zavisi od inteziteta optereenja (napona) i temperature. Vei naponi i vie temperature openito poveavaju brzinu puzanja i bre dovode do loma. Osnovna posljedica puzanja je promjena dimenzija (deformacija) nakon ega dolazi i do loma. Lom usljed puzanja nastaje mehanizmom stvaranja i rasta naprslina, pri emu se na granicama kristalnih zrna stvaraju mikropukotine ili pore koje se vremenom gomilaju, povezuju u lance i prelaze u makropukotine koje izlaze na povrinu metala. Na Slici 2.7 su prikazane pregrijake cijevi koje su doivjele lom usljed puzanja materijala.

    Slika 2.7 Lom usljed puzanja

    U sluaju da je materijal izloen temperaturama viim od maksimalno dozvoljenih na dui vremenski period (dani, sedmice, mjeseci) onda govorimo o dugotrajnom pregrijavanju materijala. Maksimalna dozvoljena temperatura u eksploataciji je u funkciji strukture materijala, tako da ovisno o sadraju legirajuih elemenata (npr. Cr, Mo) ona moe varirati. Ovaj tip optereenja je uzrok jednog broja havarija zbog toga to se materijalu smanjuju karakteristike vrstoe, pa se lom moe desiti i pri nominalnom pritisku sa porastom temperature. Efekat dugotrajnog pregrijavanja zavisi o temperaturi i vremenu pregrijavanja, kao i strukturi materijala. Ovom tipu optereenja su najee izloeni pregrijai, meupregrijai i isparivai, dok su zagrijai vode (ekonomajzeri) rijetko izloeni uticaju dugotrajnog pregrijavanja, [3]. Cijevi koje su posebno izloene pregrijavanju obino sadre znaajne depozite (naslage) materijala sa unutranje strane cijevi, imaju reducirano hlaenje, preveliki unos toplote sa plamene strane ili su u blizini gorionika. Oteenja i lomovi cijevi usljed dugotrajnog pregrijavanja se obino deavaju u relativno irokoj oblasti i obuhvataju vei broj cijevi, npr. cijevi isparivaa na priblino istoj visini kotla. Takoe treba istai da svaki oblik dugotrajnog pregrijavanja ima izraen uticaj i na proces puzanja materijala u smislu bre degradacije i skraenja ivotnog vijeka materijala u eksploataciji. Na Slici 2.8 je prikazan lom na cijevi izazvan viestrukim dugotrajnim pregrijavanjem.

  • 2. KOTLOVSKI MATERIJALI I OPTEREENJA U EKSPLOATACIJI

    Strana 15

    Slika 2.8 Lom usljed dugotrajnog pregrijavanja Kao rezultat dugotrajnog pregrijavanja u nekim sluajevima materijal moe biti izloen i termikoj oksidaciji (izgaranju materijala). Prilikom termike oksidacije na unutranjim i vanjskim povrinama cijevi stvara se tanki, krti i tamni oksidni sloj koji sadri longitudinalne naprsline i pukotine. Naprsline se formiraju kao rezultat ekspanzije i kontrakcije cijevi izazvane deformacijama usljed pregrijavanja i/ili termikih napona. Ukoliko temperatura pree kritinu vrijednost za odreeni materijal u duem vremenskom periodu, proces termike oksidacije postaje intezivniji. Takoer, usljed cikline termike oksidacije moe doi do smanjenje debljine stijenke cijevi rezultujui na kraju lomom, kao to je prikazano na Slici 2.9.

    Slika 2.9 Oksidni sloj izazvan termikom oksidacijom, [3] Kratkotrajno pregrijavanje ili termiki ok se deava kada se temperatura znatno povea iznad dozvoljenih vrijednosti u kraem vremenskom periodu, odnosno kada je materijal izloen naglim i velikim promjenama temperature. Ovakav vid optereenja moe izazvati lom materijala, posebno ako se termiki okovi ponavljaju u nekom vremenskom periodu. Pukotine koje nastaju na ovaj nain ire se kroz proces termikog zamora. Termiki zamor se javlja na komponentama koje su u eksploataciji izloene visokoj temperaturi usljed temperaturnih promjena koje izazivaju cikline termike napone koji mogu izazvati lom. Pri normalnim eksploatacionim uslovima termiki ok se ne deava esto, ali se moe desiti ukoliko radni parametri premae svoje dozvoljene vrijednosti. S druge strane, svako putanje u pogon i izlazak iz pogona kotla zapravo predstavlja jedan vid termikog oka materijala usljed velikih oscilacija temperatura.

  • 2. KOTLOVSKI MATERIJALI I OPTEREENJA U EKSPLOATACIJI

    Strana 16

    Na Slici 2.10 je prikazan karakteristian izgled loma na cijevi usljed termikog oka materijala.

    Slika 2.10 Lom usljed termikog oka

    2.2.2 Mehanika optereenja Komponente kotla su osim termikih optereenja izloeni i znaajnim mehanikim optereenjima koja mogu djelovati kao isto mehanika ili u sprezi sa nekim drugim vidom optereenja. Mehanika optereenja koja djeluju na komponente kotla, a koja se ujedno uzimaju u proraun prilikom projektovanja istih, openito moemo podijeliti u sljedee grupe, [4]:

    Pritisak vode i vodene pare u cijevima, Optereenja izazvana promjenama pritiska ili temperature (promjenjiva optereenja), Teina svih komponenti pod pritiskom i njihov sadraj, zajedno sa depozitom npr.

    pepela i praine, i Optereenja izazvana vezama izmeu sistema kotla sa ostalim komponentama.

    Komponente kotla su izloene promjenjivim optereenjima kao rezultat oscilacija pritiska fluida u cijevima, vibracija ili turbulentnog toka fluida, posebno pri visokim brzinama toka. Gotovo sve komponente kotla su takoe izloene ciklinim promjenama pritiska i temperature pri ulasku i izlasku kotla iz pogona. Ukoliko pojedine komponente kotla pod pritiskom u eksploataciji doivljavaju znaajne promjene vrijednosti mehanikih optereenja onda su izloene zamoru. Zamor materijala predstavlja proces postepenog razaranja putem nastanka i razvoja naprsline do loma pod dejstvom promjenjivih optereenja koja su nia od statikih optereenja, a u najveem broju sluajeva u nastalom lomu nema vidljivih znakova plastine deformacije. Uzroci zamora materijala mogu biti:

    Oscilacije u pritisku fluida, Oscilacije temperature (termiki zamor),

  • 2. KOTLOVSKI MATERIJALI I OPTEREENJA U EKSPLOATACIJI

    Strana 17

    Ograniena ekspanzija i kontrakcija materijala, Vibracije, i Varijacija vanjskih optereenja.

    Zamor materijala rezultuje iz plastinog deformisanja kristalnih zrna metala, [5]. Ako je plastino deformisanje ogranieno na mikroskopske regije, u inae elastino optereenoj komponenti, onda je velika vjerovatnoa da e se pojaviti naprslina na mjestu maksimalnog lokalnog napona i minimalne lokalne vrstoe u unutranjoj strukturi. Mikrostrukturni diskontinuiteti kao to su ukljuci, granice zrna i sl. su uobiajena mjesta za poetak nastanak naprslina. Do loma e doi samo u sluaju velikog broja ciklusa optereenja (visokociklini zamor) i obino nema makroskopskih obiljeja plastine deformacije. Sa druge strane, kada je plastino deformisanje prostranije, naprsline e se inicirati na vie diskonuiteta nakon manjeg broja ciklusa optereenja (niskociklini zamor) i bie vidljivo makroskopsko obiljeje plastine deformacije. Na Slici 2.11 prikazane su naprsline u presjeku cijevi izazvane zamorom materijala.

    Slika 2.11 Naprsline izazvane zamorom materijala

    Zamor materijala kotlovskih komponenti se obino ne javlja kao isto mehaniko optereenje, nego u sprezi sa drugim vrstama optereenja poput termikih i korozionih. Mehanike vibracije nisu jedini izvor ciklinih optereenja. Termiki gradijenti unutar komponente mogu prouzrokovati plastino deformisanje i ako se ovi gradijenti ponovljivo javljaju rezultujua ciklina deformacija moe uzrokovati lom, [6]. Ovaj proces je poznat kao termiki zamor. Naprslina usljed termikog zamora se inicira du povrine cijevi i napreduje prema unutranjosti, Slika 2.12. Orijentisana je normalno na povrinu, a moe biti pojedinana ili grupna. Komponente kotla mogu biti izloene i naponskoj koroziji ako su ispunjeni uslovi da su naponi koji vladaju u materijalu dovoljno visoki, a materijal se nalazi u koroziono agresivnoj sredini. Za ugljine elike u kotlu specifian korodent je natrijum hidroksid, dok je za nehrajue elike to natrijum hidroksid ili hloridi. U toku rasta naprsline izazvane naponskom

  • 2. KOTLOVSKI MATERIJALI I OPTEREENJA U EKSPLOATACIJI

    S