Ver. 1.0 121
Ch−¬ng 10. Kim lo¹i chÕ t¹o lß h¬i vµ
tÝnh søc bÒn c¸c chi tiÕt cña lß h¬i
10.1 §Æc ®iÓm lµm viÖc cña kim lo¹i trong lß h¬i
§iÒu kiÖn lµm viÖc cña kim lo¹i c¸c phÇn tö vµ chi tiÕt kh¸c nhau cña lß h¬i
rÊt kh¸c nhau. Khung lß lµm viÖc ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é kh«ng khÝ xung quanh. Kim
lo¹i èng bé sÊy kh«ng khÝ chÞu øng suÊt kh«ng ®¸ng kÓ. C¸c chi tiÕt kh«ng ®−îc lµm
l¹nh nh− gi¸ treo, gi¸ ®ì, mãc gi÷ lµm viÖc trong nh÷ng ®iÒu kiÖn rÊt nÆng, nhiÖt ®é
kim lo¹i c¸c chi tiÕt nµy cã thÓ ®Õn 800 oC. C¸c èng gãp ra vµ ®Æc biÖt c¸c èng bé qu¸
nhiÖt cña lß h¬i cao ¸p vµ siªu cao ¸p lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn nÆng nÒ nhÊt, v× m«i
tr−êng l−u ®éng bªn trong èng cã nhiÖt ®é cao. NhiÖt ®é v¸ch vµ ¸p suÊt bªn trong lµ
c¸c th«ng sè ®−îc dïng ®Ó x¸c ®Þnh viÖc chän m¸c thÐp.
NhiÖt ®é kim lo¹i t¨ng lªn th× kh¶ n¨ng lµm viÖc cña kim lo¹i sÏ gi¶m kh«ng
nh÷ng do gi¶m ®é bÒn mµ cßn do c¸c qu¸ tr×nh ¨n mßn sÏ x¶y ra m¹nh h¬n. Do cã ¨n
mßn mµ viÖc sö dông thÐp bÞ h¹n chÕ, vÝ dô thÐp cacbon cã thÓ dïng lµm bÒ mÆt ®èt
nÕu nhiÖt ®é bÒ mÆt kim lo¹i kh«ng lín h¬n 500 oC v× ë nhiÖt ®é cao h¬n thÐp sÏ gØ rÊt
m¹nh.
Tiªu chuÈn ®Ó ®¸nh gi¸ hiÖn t−îng r·o lµ ®é bÒn l©u dµi t
D
σ
, ®ã lµ kh¶ n¨ng
cña kim lo¹i tiÕp nhËn phô t¶i trong mét thêi gian nhÊt ®Þnh mµ kh«ng bÞ ph¸ hñy.
10.2 C¸c lo¹i thÐp dïng trong chÕ t¹o lß h¬i
10.2.1 Nh÷ng yªu cÇu chung ®èi víi thÐp ®Ó chÕ t¹o lß h¬i
ThÐp dïng ®Ó chÕ t¹o lß h¬i cÇn ph¶i ®¸p øng ®−îc nh÷ng yªu cÇu chung sau ®©y:
- Cã ®é bÒn vµ ®é dÎo cao;
- Cã ®é æn ®Þnh cÊu tróc cao. Trong qu¸ tr×nh lµm viÖc cña lß h¬i th× cÊu tróc
thÐp kh«ng ®−îc phÐp cã thay ®æi g× ®¸ng kÓ;
- Cã ®é bÒn nhiÖt cao, tøc lµ kh¶ n¨ng gi÷ nguyªn ®−îc nh÷ng ®Æc tÝnh bÒn cÇn
thiÕt khi lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn øng suÊt vµ nhiÖt ®é cao;
- Cã ®é æn ®Þnh hãa häc cao. TÝnh æn ®Þnh hãa häc lµ cÇn thiÕt ®Ó ng¨n ngõa ¨n
mßn bÒ mÆt ®èt cña lß;
- Cã hµm l−îng c¸c t¹p chÊt cã h¹i ë møc ®é tèi thiÓu (P, S, As, c¸c khÝ hßa
tan), v× chóng cã ¶nh h−ëng xÊu ®Õn tÝnh chÊt cña thÐp khi lµm viÖc l©u dµi;
- Cã tÝnh hµn tèt, kh«ng yªu cÇu dïng c¸c ph−¬ng ph¸p hµn vµ nhiÖt luyÖn phøc
t¹p vµ ®¾t tiÒn.
Trong thùc tÕ, thÐp cacbon, thÐp hîp kim thÊp vµ thÐp hîp kim cao ®−îc sö
dông réng r·i ®Ó chÕ t¹o c¸c bé phËn cña lß h¬i.
10.2.2 ThÐp cacbon
§a sè c¸c chi tiÕt cña lß h¬i ®−îc chÕ t¹o b»ng thÐp cacbon. Khi t¨ng hµm
l−îng cacbon (C) trong thÐp th× ®é bÒn cña nã t¨ng vµ tÝnh dÎo gi¶m xuèng. Trªn
Ver. 1.0 122
quan ®iÓm ®é bÒn th× dïng thÐp cã hµm l−îng C cao, tuy nhiªn khi ®ã chÊt l−îng mèi
hµn nèi sÏ gi¶m v× cã sù t«i thÐp trong kh«ng khÝ khi hµn. V× thÕ hµm l−îng C trong
thÐp cacbon dïng ®Ó chÕ t¹o lß h¬i ®−îc h¹n chÕ rÊt nghiªm ngÆt, cô thÓ lµ
0,25C%≤. Ngoµi ra, trong thÐp cßn cã c¸c thµnh phÇn kh¸c lµ Mn, Si, S, P vµ O2.
Mangan (Mn) ®−îc ®−a vµo thÐp ®Ó khö «xy cña thÐp trong qu¸ tr×nh nÊu ch¶y
vµ nã n»m trong thÐp d−íi tr¹ng th¸i hßa tan (víi sè l−îng 0,3 0,8%
÷
).
Silic (Si) còng gièng nh− Mn, ®−îc ®−a vµo thÐp ®Ó lµm chÊt khö «xy. Mét
l−îng nhá Si 0,5<% cßn l¹i sau khi khö «xy ®−îc hßa tan trong ferit. Si lµm t¨ng ®é
bÒn cña thÐp nh−ng còng lµm t¨ng c¶ khuynh h−íng kÕt tinh l¹i sau khi cã biÕn d¹ng
dÎo nhá.
Photpho (P) lµ nguyªn tè kh«ng muèn cã trong thÐp v× nã lµm gi¶m ®é dai va
®Ëp k
a vµ cã kh¶ n¨ng sinh ra gißn nguéi. Hµm l−îng P trong thÐp lß h¬i kh«ng ®−îc
lín h¬n 0,045%.
L−u huúnh (S) lµ t¹p chÊt cã h¹i v× nã t¹o ®iÒu kiÖn sinh ra gißn nãng, nghÜa lµ
ph¸ hñy gißn thÐp ë nhiÖt ®é 800 1200
÷
oC. Trong c¸c thÐp lß h¬i hµm l−îng S ®−îc
h¹n chÕ ë trÞ sè 0,03 0,045%÷.
¤xy (O2) còng nh− nit¬ (N2) vµ hydr« (H2) n»m l¹i trong thÐp do khö khÝ
kh«ng hoµn toµn. O2 trong thÐp víi mét l−îng nhá còng lµm gi¶m tÝnh chèng ¨n mßn
cña thÐp. Hµm l−îng O2 vµ N2 trong thÐp cã chÊt l−îng 0,01%
≤
vµ hµm l−îng H2
0,001%≤.
§Ó chÕ t¹o bao h¬i cña lß h¬i cã ¸p suÊt thÊp, ¸p suÊt trung b×nh vµ ¸p suÊt
n©ng cao, 6,0p< MPa, ta dïng thÐp cacbon cã chÊt l−îng nh·n hiÖu 15K, 20K, 25K
(cña Nga) hoÆc t−¬ng ®−¬ng. §èi víi lß h¬i cã ¸p suÊt 0,08p
<
MPa cã thÓ dïng
thÐp cacbon chÊt l−îng th−êng 3
CT , nÕu nhiÖt ®é kim lo¹i kh«ng lín h¬n 120 oC. §Ó
chÕ t¹o bao h¬i cña lß cao ¸p, 612,5p
=
÷ MPa th× ph¶i dïng thÐp cacbon nh·n hiÖu
®Æc biÖt 22K hoÆc t−¬ng ®−¬ng.
C¸c èng dÉn n−íc, dÉn h¬i vµ èng bÒ mÆt ®èt th−êng ®−îc chÕ t¹o tõ thÐp 10
vµ 20 vµ t−¬ng ®−¬ng. Khi Êy nhiÖt ®é kim lo¹i èng bÒ mÆt ®èt kh«ng ®−îc lín h¬n
500 oC, kim lo¹i èng gãp vµ èng dÉn h¬i kh«ng lín h¬n 450 oC.
10.2.3 ThÐp hîp kim thÊp vµ hîp kim cao
10.2.3.1. ThÐp hîp kim thÊp
10.2.3.2. ThÐp hîp kim cao
10.2.3.3. C¸c lo¹i thÐp ®Æc biÖt
C¸c gi¸ treo, gi¸ ®ì, c¸c chi tiÕt gi÷, thiÕt bÞ thæi tro bôi lµm viÖc trong ®iÒu
kiÖn nÆng nÒ kh«ng ®−îc lµm m¸t nªn thÐp dïng ®Ó chÕ t¹o c¸c chi tiÕt Êy ph¶i cã tÝnh
Ver. 1.0 123
chÞu nãng cao. C¸c m¸c thÐp dïng ®Ó chÕ t¹o c¸c chi tiÕt gi÷ gåm cã 30CrMo,
35CrMo, 38Cr, vµ 40Cr. Nh÷ng chi tiÕt nh− gi¸ ®ì, gi¸ treo, kÑp, thiÕt bÞ thæi th−êng
®−îc chÕ t¹o b»ng c¸c m¸c thÐp nh− ®−îc cho trong b¶ng 10.2.
10.3 TÝnh søc bÒn cña nh÷ng chi tiÕt chÝnh cña lß h¬i
10.3.1 Ph−¬ng ph¸p tÝnh
Yªu cÇu nhÊt thiÕt ®èi víi lß h¬i lµ ®¹t ®é an toµn tèi ®a khi tiªu hao kim lo¹i
lµ tèi thiÓu. ë ®©y tån t¹i hai ph−¬ng ph¸p tÝnh søc bÒn c¸c chi tiÕt cña lß h¬i lµ
ph−¬ng ph¸p øng suÊt giíi h¹n vµ ph−¬ng ph¸p phô t¶i giíi h¹n. C¸c nhµ khoa häc ®·
®i ®Õn kÕt luËn lµ tÝnh søc bÒn theo phô t¶i giíi h¹n sÏ kinh tÕ h¬n, v× ®èi víi mét chi
tiÕt cã thÓ cho phÐp mang phô t¶i lín h¬n phô t¶i øng víi øng suÊt giíi h¹n. Trong c¸c
tiªu chuÈn tÝnh to¸n ng−êi ta dïng ph−¬ng ph¸p phô t¶i giíi h¹n ®Ó tÝnh søc bÒn c¸c
chi tiÕt lß h¬i.
10.3.1.1. Chän øng suÊt cho phÐp
Tr−íc khi tÝnh søc bÒn ph¶i x¸c ®Þnh øng suÊt cho phÐp ®èi víi vËt liÖu ®· cho
vµ nhiÖt ®é tÝnh cña tõng chi tiÕt. øng suÊt cho phÐp ®−îc x¸c ®Þnh dùa vµo nhiÖt ®é
tÝnh to¸n cña v¸ch (nhiÖt ®é kim lo¹i) vµ m¸c thÐp.
TÝnh søc bÒn c¸c chi tiÕt lß h¬i theo øng suÊt cho phÐp sau:
*
c
p
c
p
σ
ησ
=, (11-6)
trong ®ã:
η
lµ hÖ sè kÓ ®Õn ®Æc ®iÓm cÊu t¹o vµ vËn hµnh cña chi tiÕt; *
c
p
lµ øng suÊt
cho phÐp ®Þnh møc, lÊy theo b¶ng. NÕu nh− thÐp sö dông mµ kh«ng cã nh÷ng sè liÖu
vÒ *
cp
th× nã ®−îc lÊy b»ng gi¸ trÞ nhá nhÊt trong ba gi¸ trÞ sau ®©y:
2,6
t
*b
cp
σ
σ
≤; 1, 5
t
*ch
cp
σ
σ
≤; 1, 5
t
*D
cp
σ
σ
≤, (11-7)
ë ®©y: t
b
σ
, t
ch
, t
D
σ
lµ nh÷ng gi¸ trÞ ®−îc b¶o ®¶m ë nhiÖt ®é lµm viÖc t cña v¸ch.
10.3.1.2. NhiÖt ®é tÝnh to¸n cña v¸ch
NhiÖt ®é tÝnh to¸n cña v¸ch ®Ó x¸c ®Þnh *
c
p
®−îc lÊy phô thuéc vµo lo¹i vµ
nhiÖt ®é m«i chÊt chøa trong phÇn tö tÝnh to¸n vµ vµo nh÷ng ®iÒu kiÖn ®èt nãng phÇn
tö bëi khãi vµ lµm l¹nh bëi m«i chÊt. Trong mäi tr−êng hîp nhiÖt ®é tÝnh to¸n cña
v¸ch kh«ng ®−îc lÊy thÊp h¬n 250 oC.
a- NhiÖt ®é tÝnh to¸n cña v¸ch bao h¬i vµ c¸c panen chøa chÊt láng hay h¬i b·o hßa
lÊy nh− sau:
- §èi víi bao h¬i ®Æt ngoµi ®−êng khãi hay c¸ch nhiÖt tèt th×
v bhßa
tt= (11-8)
Ver. 1.0 124
- §èi víi bao h¬i kh«ng c¸ch nhiÖt ®−îc ®Æt trong ®−êng khãi ®èi l−u, khi nhiÖt
®é khãi 600
khãi
t≤ oC:
1, 2 10,tt S=+ +
o
vbhßa C (11-9)
max
()
tb
tt t∆= − vµ kh«ng ®−îc lÊy nhá h¬n 10 oC;
µ
lµ hÖ sè khuÕch t¸n nhiÖt kh«ng
®Òu theo chu vi èng; max
q lµ c−êng ®é dßng nhiÖt lín nhÊt hay suÊt phô t¶i nhiÖt lín
nhÊt cña bÒ mÆt hÊp thu nhiÖt, kW/mK;
β
lµ tû sè gi÷a ®−êng kÝnh ngoµi vµ ®−êng
kÝnh trong cña èng //(2)
nt n n
DD D D S
β
== −; S lµ chiÒu dµy v¸ch (thµnh) èng,
mm;
λ
lµ hÖ sè dÉn nhiÖt cña kim lo¹i èng, kW/mK.
- §èi víi c¸c èng cña bé qu¸ nhiÖt ®èi l−u ë c¸c lß h¬i cã 2,5
lv
p≤ MPa vµ
nhiÖt ®é h¬i qu¸ nhiÖt kh«ng cao h¬n 425 oC th×:
70 o
vqn Ctt=+ (11-16)
e- NhiÖt ®é tÝnh to¸n cña v¸ch c¸c èng bé h©m n−íc ®−îc tÝnh theo c¸c c«ng thøc sau:
- §èi víi bé h©m n−íc cña lß cã tuÇn hoµn tù nhiªn vµ tuÇn hoµn c−ìng bøc
nhiÒu lÇn kiÓu kh«ng s«i:
30 o
v bhßa Ctt=+ (11-17)
- §èi víi bé h©m n−íc kiÓu s«i tÝnh theo c«ng thøc cña c¸c èng s«i.
- §èi víi bé h©m n−íc cña lß h¬i trùc l−u:
40 o
vtb Ctt t=+∆+ (11-18)
f- NhiÖt ®é tÝnh to¸n cña v¸ch èng gãp dµn èng sinh h¬i, èng gãp bé h©m n−íc vµ bé
qu¸ nhiÖt lÊy nh− sau:
- §èi víi nh÷ng èng gãp kh«ng bÞ ®èt nãng (®Æt ngoµi ®−êng khãi hay c¸ch
nhiÖt ch¾c ch¾n) cña bé h©m n−íc, cña dµn èng sinh h¬i vµ èng gãp h¬i b·o
hßa cña lß h¬i cã tuÇn hoµn tù nhiªn vµ tuÇn hoµn c−ìng bøc nhiÒu lÇn, èng
gãp vµo cña bé h©m n−íc ë lß trùc l−u, ta lÊy:
vtb
tt= (11-19)
- §èi víi c¸c èng gãp cña bé qu¸ nhiÖt (trõ èng gãp h¬i b·o hßa) lÊy:
vtb
ttxt=+∆, (víi 0,5x
=
) (11-20)
10.3.2. TÝnh søc bÒn mét sè chi tiÕt (phÇn tö) cña lß h¬i
10.3.2.1. ChiÒu dµy v¸ch cña chi tiÕt h×nh trô chÞu ¸p suÊt bªn trong (bao h¬i, èng
gãp):
ChiÒu dµy v¸ch cña chi tiÕt h×nh trô chÞu ¸p suÊt bªn trong (bao h¬i, èng gãp)
®−îc x¸c ®Þnh theo c¸c c«ng thøc sau:
- Khi tÝnh theo ®−êng kÝnh trong ta cã:
2
t
cp
pD
SC
p
ϕσ
=+
−, m (11-21)
- Khi tÝnh theo ®−êng kÝnh ngoµi ta cã:
Ver. 1.0 125
2
ng
cp
pD
SC
p
ϕσ
=+
−, m (11-22)
trong ®ã:
p lµ ¸p suÊt tÝnh to¸n, MPa;
D
t vµ Dng lµ ®−êng kÝnh trong vµ ®−êng kÝnh ngoµi, m;
ϕ
lµ hÖ sè bÒn cña chi tiÕt bÞ yÕu ®i do c¸c mèi hµn hay cã c¸c lç ®Ó nèi èng;
cp
lµ øng suÊt cho phÐp cña vËt liÖu, MPa;
C lµ bæ sung cho chiÒu dµy tÝnh to¸n cña v¸ch, khi chiÒu dµy tÊm thÐp nhá h¬n
20 mm lÊy C = 1 mm, khi chiÒu dµy tÊm thÐp lín h¬n 20 mm lÊy C = 0.
11.3.2.2. ChiÒu dµy v¸ch ®¸y bao h¬i cã d¹ng elip hay d¹ng cÇu:
ChiÒu dµy v¸ch ®¸y bao h¬i cã d¹ng elip hay d¹ng cÇu ®−îc x¸c ®Þnh theo
c«ng thøc sau:
42
tt
cp t
pD D
SC
zph
σ
=+
−, m (11-23)
nÕu tho¶ m·n ®iÒu kiÖn:
0,2; 0,1; 0,6.
t
ttt
hSC d
DDD
−
≥≤≤
Trong c«ng thøc trªn ký hiÖu:
p lµ ¸p suÊt tÝnh to¸n, MPa;
Dt lµ ®−êng kÝnh trong, m;
ht lµ chiÒu cao phÇn låi cña ®¸y tÝnh ®Õn bÒ mÆt bªn trong, m;
cp
lµ øng suÊt cho phÐp cña vËt liÖu, MPa;
C lµ bæ sung cho chiÒu dµy tÝnh to¸n, C = 0,05 (S - C) nh−ng kh«ng nhá h¬n 1
mm;
z lµ hÖ sè tÝnh ®Õn sù lµm yÕu ®¸y do cã c¸c lç, lÊy tuú thuéc th«ng sè
()
t
d
aDSC
=−:
khi 0,4a≤ lÊy z = 1,0; khi 0,4 2a
≤
< lÊy
()
2
1, 25 1, 5
za
=+; khi a > 2 lÊy z =
2(a + 2).