Е) Стали для пружин

Д) Стали для крепежных изделий и пружин

Г) Стальные отливки

В) Стальные поковки

Б) Стальные трубы

А) Стальные листы

Металлические полуфабрикаты

Механические свойства стали контролируются путем испытания на растяжение при 20°С с определением временного сопротивления, условного предела текучести при остаточной деформации 0,2 или 1 % или физического предела текучести. Показателями пластичности при испытаниях на круглых цилиндрических образцах служат относительное удлинение и сужение. Значение относительного сужения допускается приводить в качестве справочных данных. В случаях, когда нормируется относительное сужение, контроль относительного удлинения можно не производить. Нормированные значения предела текучести следует приводить в стандартах и технических условиях листов, используемых для изготовления деталей с рабочей температурой выше 150 °С. При этом условный предел текучести должен являться сдаточной характеристикой, а временное сопротивление, относительное сужение или удлинение должны представляться как справочные данные.

Испытания на ударную вязкость обязательны при толщине листов 12 мм и более. Испытаниям на ударную вязкость при отрицательных температурах необходимо подвергать металл листов для фланцев трубопроводов, проложенных на открытом воздухе, в грунте, каналах или необогреваемых помещениях. Эти испытания становятся обязательными в случае, когда температура металла в эксплуатации может быть меньше 0°С.

Испытаниям на ударную вязкость после механического старения следует подвергать металл листов из углеродистой и низкоуглеродистой кремниймарганцовистой стали, которые в процессе изготовления из них деталей подвергаются пластической деформации, не проходят отпуска и эксплуатируются в интервале температур от 200 до 350°С. В этом интервале возможно охрупчивание вследствие старения указанных сталей.

Листы из углеродистой стали обыкновенного качества не допускается использовать для деталей, нагреваемых радиационным излучением факела в топке или горячими газами с температурой выше 600°С. Для изготовления плоских фланцев, предназначенных для работы при давлении до 2,5 МПа и температуре до 300 °С, разрешается применение листа из сталей ВСтЗспЗ, ВСтЗсп4 и ВСтЗспб. При давлении до 1,6 МПа и температуре до 200°С допускается применение для этих целей листов из сталей ВСтЗпс, ВСт2пс, ВСтЗкп и ВСт2кп, поставляемых по второй и третьей категориям.

Организационно-технические мероприятия по предупреждению или учету влияния холодного климата на материалы котлов и трубопроводов и методики учета такого влияния должны быть утверждены министерствами, в ведении которых находятся предприятия–изготовители объектов котлонадзора.

Углеродистая и низколегированная листовая сталь, идущая на изготовление сосудов с рабочим давлением свыше 10 МПа при толщине более 60 мм, должна подвергаться полистному ультразвуковому контролю или другим равноценным методам дефектоскопии. Листы толщиной более 25 мм для сосудов, работающих с давлением более 4 МПа, также должны проходить ультразвуковой контроль или контроль другими равноценными методами.

Общие требования к определению механических свойств металла труб аналогичны таковым для листов. Гарантии по жаропрочности металлических труб, работающих при высоких температурах, являются непременным условием создания надежного энергетического оборудования. Гарантии жаропрочности обеспечиваются строгим соблюдением технологического процесса по всему циклу изготовления труб и производства деталей котлов, трубопроводов и сосудов, работающих под давлением. За жаропрочными свойствами металла труб и изделий из них осуществляется контроль путем периодической вырезки образцов и испытаний на длительную прочность.

Следует иметь в виду, что для необогреваемых участков труб, соединяющих змеевики из аустенитной или нержавеющей хромистой стали с коллекторами, в порядке исключения допускается применение труб из сталей 12Х1МФ или 12Х2МФС1 при температуре до 600 °С. Для труб из углеродистых сталей температура металла не должна превышать 500 °С, для низколегированных кремниймарганцовистых – 470 °С, для xpoмомолибденовых – 570 °С, для хромомолибденованадиевых– 600 °С и для высокохромистых сталей – 630 °С.

Кроме ограничений по температурам существует более жесткая регламентация, определяемая Нормами расчета на прочность и вызванная необходимостью обеспечения достаточно высокой коррозионной стойкости в продуктах сгорания энергетических топлив.

Бесшовные трубы, используемые для изготовления котлов и трубопроводов, должны изготавливаться из катаной, кованой или центробежной заготовки. Горячекатаные трубы из углеродистой стали могут поставляться без термической обработки, если температура конца прокатки не ниже 850–875 °С. Если эта температура ниже или труба проходила прокатку или волочение в холодном состоянии, то обязательна термическая обработка. Все трубы из легированных сталей независимо от температуры конца прокатки подвергаются термической обработке, режим которой указывается в технических условиях.

Бесшовные плавниковые трубы используются для изготовления панелей ограждения газоплотных котлов и, реже, для изготовления ширм с целью повышения тепловой эффективности и уменьшения склонности к шлакованию. Плавниковые бесшовные трубы имеют два продольных ребра–плавника. Такие трубы изготавливаются методом горячего прессования или холодной прокатки. Электросварные трубы с продольным или спиральным сварным швом должны подвергаться 100%-ному контролю сварных швов по всей длине методами ультразвуковой дефектоскопии или радиографическому контролю.

К трубам, используемым для изготовления элементов котлов, трубопроводов и сосудов, работающих под давлением, предъявляется требование высокой стабильности свойств от партии к партии, возможно более узкого интервала геометрических размеров (толщин и наружных диаметров). Для получения стабильности свойств и размеров труб состав стали должен быть отработан в металлургическом цикле производства, и при его осуществлении должна поддерживаться строгая производственная дисциплина. В трубном производстве важную роль играет высокое качество трубной заготовки, так как ее дефекты переходят в готовую трубу, а также состояние оборудования прокатных и волочильных станов или прессов для изготовления труб; требуется своевременная замена изношенной оснастки.

Готовые трубы должны проходить сплошной или выборочный контроль качества. В зависимости от условий эксплуатации этот контроль может быть сплошным или выборочным.

На отечественных котлостроительных заводах накоплен определенный опыт повышения надежности котлов сверхкритических параметров пара путем контроля и отбраковки дефектных труб поверхностей нагрева. Эти трубы проходят внешне осмотр и дефектоскопический контроль с помощью токовихревых дефектоскопов на трубопрокатном заводе.

Для обеспечения максимальной эксплуатационной надежности, учитывая высокую стоимость потерь от вынужденных остановок, трубы для мощных энергетических блоков подвергаются повторному дефектоскопическому контролю на котлостроительном заводе.

Участки для выполнения входного контроля труб оснащены установками для проверки качества труб, ротационной установке для контроля УЗК сплошности плавниковых труб и др.

Установки оснащены совершенными средствами механизации с автоматической подачей труб, маркировкой, мягким сбросом в контейнеры, изоляцией отбракованных труб и др.

Участки входного контроля труб являются специализированными организационными подразделениями и не подчиняются цехам, выпускающим товарную продукцию. Основная задача участков состоит в том, чтобы проверить сплошность труб, марку стали, величину зерна и максимально отбраковать дефектные трубы.

Металл для котлов высокого и сверхкритического давления подвергается контролю микроструктуры на продольных образцах по всей толщине стенки. При этом загрязненность по сульфидам, оксидам и силикатам должна находиться в заданных техническими условиями пределах.

Радиографическому, ультразвуковому или другим видам равноценного дефектоскопического контроля должны подвергаться все трубы поверхностей нагрева, коллекторов и необогреваемые трубы паровых котлов, работающие при давлении более 6,4 МПа. Такой контроль не обязателен для плавниковых труб, так как для них пока еще не созданы надежные методы дефектоскопического контроля.

Трубы для котлов и трубопроводов должны проходить следующие технологические испытания в зависимости от наружного диаметра:

– при диаметре до 60 мм на загиб вокруг оправки или на раздачу;

– при диаметре до 108 мм на раздачу и сплющивание;

– от 108 до 152 мм – на сплющивание;

– от 152 до 530 мм – на сплющивание или загиб полосы;

– при наружном диаметре более 530 мм – на загиб полосы по сварному шву.

Если сварные трубы используются для вальцовочных соединений, то для них обязательно проведение испытания на раздачу. Все сварные швы по всей длине должны подвергаться радиографическому или ультразвуковому дефектоскопическому контролю. Для труб с наружным диаметром 425 мм и более необходимо проводить механические испытания сварного шва на растяжение и на ударную вязкость.

Для изготовления деталей трубопроводов пара и горячей воды используются прямошовные и спиральношовные электросварные трубы из углеродистых сталей ВСтЗспЗ, ВСтЗсп4, ВСтЗсп5, сталей 10 и 20, а также низколегированных кремниймарганцовистых сталей 17ГС, 17Г1С и 17Г1СУ повышенной прочности.

Прямошовные трубы и трубы со спиральным швом могут применяться в котлах, трубопроводах и сосудах при условии 100%-ного дефектоскопического контроля сварных швов методами ультразвуковой дефектоскопии или радиографии. Максимальные давления в котлах, сосудах и трубопроводах для труб этого типа ограничены. Связано это с потенциальной возможностью пропуска дефектов при контроле сварных швов и изменениями свойств металла в зоне сплавления и околошовной зоне.

При контроле труб, сваренных под слоем флюса, встречаются следующие дефекты: дефекты стального листа или ленты, дефекты формовки трубной заготовки, сварки и отделки труб, а также брак сварных соединений, связанный с наложением ремонтных швов. Наиболее распространенный дефект листа – вмятины от окалины или других инородных предметов под прокатные или правильные валки.

При формовке трубной заготовки возможно смещение кромок листа сверх допускаемых пределов. Это приводит к резкому снижению прочности сварного соединения. На кромке трубной заготовки возможно образование продольных и поперечных гофр. В сварном шве могут быть пористость и шлаковые включения, трещины в самом шве и околошовной зоне, непровары и прожоги. Трещины в сварном шве не допускаются. На остальные дефекты устанавливаются нормы, определяющие их допустимость и недопустимость, а также допускаемые размеры; нормы дефектов устанавливаются стандартами на поставку и дефектоскопический контроль труб.

Допускается использовать для изготовления деталей котлов и трубопроводов поковки из сталей 20 и 25, поставляемых по группе II при условном диаметре изготавливаемых деталей до 100 мм включительно, если температура не превышает 350°С (без ограничения давления).

Категория и группа качества поковок выбираются конструкторской организацией.

Независимо от технических условий на поставку все поковки, используемые для изготовления деталей котлов с рабочим давлением более 6,4 МПа, а также для изготовления деталей трубопроводов первой и второй категории, должны проходить контроль радиографическими методами или ультразвуковой дефектоскопический контроль, если один из габаритных размеров поковки превышает 200 мм или толщина поковки более 50 мм.

Наряду с поковками допускается применение круглого проката с наружным диаметром до 80 мм для изготовления деталей котлов и трубопроводов путем обработки резанием. Для производства полых круглых деталей с толщиной стенки не более 40 мм и длиной до 200 мм разрешается использование круглого проката с наружным диаметром не более 160 мм. Прокат обязательно должен быть подвергнут контролю ультразвуковой дефектоскопией или рентгеном по всему объему и либо на заводе–изготовителе проката, либо на заводе–изготовителе изделия. Можно указанный контроль проводить после промежуточной механической обработки или на готовом изделии.

В случаях использования для изготовления деталей проката диаметром более 80 мм контроль механических свойств должен проводиться на образцах, вырезаемых в тангенциальном направлении.

Поковки могут поставляться индивидуально и партиями. Партия состоит из изделий, полученных из металла одной плавки и прошедших термическую обработку в одной садке.

На каждой поковке должна быть маркировка, содержащая номер плавки, номер партии поковок или номер поковки, обозначение чертежа и клеймо технического контроля. Место маркировки указывается на чертеже. Партия поковок отправляется заказчику с сертификатом, в котором указывают: наименование изготовителя, обозначение чертежа, марку стали, номер плавки, химический состав, способ выплавки, номер партии или номер поковки, результаты всех проведенных испытаний, температуру и время выдержки при режимах термической обработки, а также заключение технического контроля.

Для литых деталей, работающих под давлением при умеренных температурах, применяют преимущественно углеродистую сталь, для деталей, работающих при повышенных температурах и давлениях – жаропрочную легированную сталь, для деталей, работающих при высоких температурах, а также эксплуатируемых в контакте с агрессивными средами используют коррозионно-стойкие нержавеющие стали. Стальные отливки изготавливают только из спокойной стали.

При изготовлении деталей котлов и трубопроводов минимальная толщина стенки отливки после механической обработки должна быть не менее 6 мм. Для изготовления отливок из углеродистой стали, подвергающихся сварке без предварительного подогрева, должна применяться сталь с содержанием углерода не выше 0,28%. Каждая полая отливка должна проходить гидравлическое испытание. Если отливка проходила сплошной радиографический или ультразвуковой контроль, то ее гидравлическое испытание можно совмещать с испытанием узла или объекта пробным давлением, предусмотренным техническими условиями для узла или объекта.

Отливки, используемые для изготовления деталей котлов и трубопроводов, эксплуатируемые при давлении 6,4 МПа и выше, а также отливки, идущие на изготовление деталей трубопроводов первой и второй категорий согласно классификации по Правилам устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов горячей воды и пара должны подвергаться радиографическому или ультразвуковому контролю. Объем контроля должен быть определен в технических условиях на отливки. Обязательному контролю подвергаются концы патрубков, свариваемых с другими деталями котлов или трубопроводов.

Отливки из нелегированных сталей поставляются по трем группам: группа I – отливки общего назначения; группа II – отливки ответственного назначения, группа III – отливки особо ответственного назначения.

К группе I относятся отливки для деталей, форма и размеры которых определяются только конструктивными и технологическими соображениями. К группе II – отливки для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при статических и циклических нагрузках. К группе III – отливки для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при динамических нагрузках.

Контролируемые показатели качества отливок группы I – их внешний вид, соответствие размеров отливки указанным на чертеже и химический состав. Для отливок группы II, кроме того, определяют временное сопротивление разрыву при комнатной температуре и относительное удлинение по результатам испытаний на пятикратных образцах.

Для отливок группы III контролируются те же показатели, что и по группе II, и дополнительно определяют ударную вязкость.

Для изготовления элементов котлов и трубопроводов, работающих под давлением, применяются только отливки, поставляемые по группам II и III.

Отливки изготавливаются из мартеновской или электростали и в случае согласия потребителя могли быть изготовлены и из конвертерной стали.

Для деталей котлов и трубопроводов применяются отливки из углеродистой стали марок от 15Л до 35Л. Металл отливок должен содержать не более 0,3% хрома, никеля и меди (каждого элемента).

Нормы механических свойств для более толстостенных отливок устанавливаются по соглашению между изготовителем и потребителем. Механические свойства металла изготовитель проверяет в каждой партии отливок, проверку осуществляют на пробных литых брусках.

По требованию потребителей в число дополнительных контролируемых показателей могут быть включены: твердость, излом металла, механические свойства для отливок с толщиной стенки более 100 мм, механические свойства при повышенных и пониженных температурах, герметичность, микроструктура, плотность, коррозионная стойкость, жаростойкость, стойкость против межкристаллитной коррозии и др.

Отливки должны подвергаться термической обработке. Отливки из нелегированной стали марок 15Л и 20Л должны пройти нормализацию или нормализацию с отпуском, отливки из остальных нелегированных сталей – нормализацию с отпуском или закалку с отпуском.

При согласии потребителя допускается не производить термическую обработку отливок I группы из нелегированных и легированных сталей. Число полных термических обработок должно быть не более трех.

Пример условного обозначения сталей для отливок, применяемых представителем заказчика:

25Л К 20 ГОСТ 977-88.

Первые две цифры и буква – марка стали, индексы К или КТ являются условным обозначением категории прочности. Индекс К соответствует нормализованной или нормализованной и отпущенной отливке, индекс КТ – закаленной и отпущенной.

Отливки должны быть очищены от формовочной смеси, окалины и пригара. Прибыльные части и питательная система отливок должны быть удалены. Места отрезки питателей и прибылей должны быть зачищены или обрублены в пределах допусков по чертежу отливки. При использовании для удаления огневой руки эта операция должна выполняться до окончательной термической обработки. При устранении дефектов заваркой она должна проводиться также до окончательной термообработки.

Механические свойства металла отливок определяются по результатам испытаний на растяжение одного образца и при испытаниях на ударную вязкость двух образцов. При неудовлетворительных результатах механических испытаний по одному из показателей механических свойств проводят переиспытание на удвоенном количестве образцов, взятых от пробных брусков той же партии. При неудовлетворительных результатах повторных испытаний отливки данной партии совместно с пробными брусками подвергают вторично термической обработке и вновь испытывают на механические свойства. При неудовлетворительных результатах и в этом случае допускается третья термическая обработка, результаты последних испытаний распространяются на всю партию.

Каждая партия отливок сопровождается сертификатом, в котором должны быть приведены следующие сведения: товарный знак предприятия–изготовителя; номер чертежа или отливки; условное обозначение отливки; количество и масса отливок; номер партии; номер плавки; марка стали; результаты химического анализа; вид термической обработки; результаты окончательных механических испытаний; результаты дополнительных испытаний, установленных нормативно-технической документацией на конкретную продукцию; обозначение стандарта, по которому выплавляются отливки.

Каждая отливка должна иметь маркировку. Знаки маркировки могут быть литыми, выбитыми клеймами или нанесенными несмываемой краской. Каждая отливка сопровождается документом о качестве изготовления.

Материал крепежных изделий – шпилек, болтов, гаек и хомутов должен обладать высоким пределом текучести, хорошо сопротивляться релаксации напряжений, обладать малой чувствительностью к концентрации напряжений, большой длительной пластичностью, стабильностью структуры и свойств в процессе длительной эксплуатации, иметь коэффициент линейного расширения, близкий или равный коэффициенту линейного расширения сопрягаемых деталей, обладать хорошей сопротивляемостью задиранию и технологичностью при резании.

При высоких температурах в шпильках, болтах и гайках, а также в ряде других деталей энергоустановок происходит снижение напряжений в результате перехода упругой деформации в пластическую при постоянной суммарной начальной деформации, т. е. наблюдается релаксация напряжений.

Для обеспечения плотности фланцевых соединений затяжкой гаек шпилькам придают первоначальный натяг. Однако напряжения в шпильках, вызванные натягом, постепенно снижаются, так как упругая деформация переходит в пластическую.

Из-за снижения напряжений в шпильках уменьшается удельное давление на прокладку фланцевого соединения и возникает опасность нарушения плотности. Чтобы избежать этого, шпильки после определенного срока работы подтягивают. После каждого последующего подтягивания релаксационная кривая идет более полого и напряжения в шпильках снижаются не так быстро. Время до последующего подтягивания может быть значительно больше, чем до предыдущего. Чем выше рабочая температура, тем ниже релаксационная стойкость стали. Колебания температуры резко снижают релаксационную стойкость, и ее снижение зависит от марки стали, колебания температуры и продолжительности цикла. При расчете деталей, работающих в условиях релаксации напряжений при изменяющихся температурах, следует ориентироваться на верхнюю температуру цикла.

Для повышения релаксационной стойкости в сталь вводят Мо, V и Сг. Релаксационностойкие стали содержат больше углерода, чем стали для труб, поковок и литья (0,20–0,40% С). Это возможно, так как крепежные детали не подвергаются сварке.

Требования к материалу шпилек и болтов обычно более жесткие, чем к материалу гаек. В резьбовом соединении напряжения, возникающие в шпильке или болте, существенно выше напряжений в гайке.

На фланцах из перлитных сталей должны применяться шпильки из перлитных или ферритно-мартенситных сталей, коэффициенты линейного температурного расширения которых близки. На фланцах из аустенитной стали должны применяться шпильки также из аустенитной стали.

При разных коэффициентах линейного расширения либо возможна разгерметизация фланцевого соединения из-за уменьшения давления на прокладку, либо обрыв шпилек из-за их перегрузки.

Разница коэффициентов линейного расширения не должна превышать 10%. При большей разнице в коэффициентах линейного расширения требуется подтверждение работоспособности фланцевого соединения путем расчета на прочность и плотность. Подтверждение работоспособности фланцевого соединения можно обеспечить путем экспериментального исследования. Подтверждения работоспособности соединения не требуется, когда температура крепежных деталей не превышает 50 °С.

Если крепежные детали изготавливаются с применением холодной пластической деформации, то такие детали должны подвергаться отпуску для снятия наклепа. Накатка резьбы не требует последующей термической обработки.

Для предотвращения заедания резьбовых соединений, работающих при высоких температурах, шпильки и гайки следует изготавливать из разных сталей, причем материал гайки должен быть мягче. Хорошие результаты дает применение медно-графитовых смазок, а также смазок из дисульфида молибдена. Обычные машинные масла не применяют, так как они способствуют пригоранию поверхностей.

В котлах и трубопроводах применение болтов допускается при давлении рабочей среды до 3 МПа и при температуре до 400 °С. При более высоких параметрах среды должны применяться шпильки. Если болты или шпильки из углеродистой стали обыкновенного качества применяются при температуре выше 200 °С, то их материал должен проходить испытание на ударную вязкость после старения.

Механические свойства материала гаек должны контролироваться только по твердости.

Шпильки и болты из аустенитной стали с накатанной резьбой допускается применять при температуре среды до 500 °С.

Крепежные изделия поставляются различных классов прочности. Класс прочности болта или шпильки обозначается двумя числами; первое число, умноженное на 100, определяет величину минимально допускаемого временного сопротивления при комнатной температуре; второе число, умноженное на 10, определяет отношение предела текучести к временному сопротивлению

Заготовки для изготовления крепежных изделий, выпускаемых по II – IV категориям качества должны подвергаться сплошному визуальному и выборочному входному контролю на твердость и макроструктуру предприятием–изготовителем крепежных изделий. Не менее 2% партии заготовок должны контролироваться по твердости. Структура металла, твердость должны соответствовать техническим условиям стали.

В зависимости от условий эксплуатации и ответственности соединения крепежные детали должны поставляться по пяти группам качества, отличающимся видами и объемами контроля.

При подборе пар «болт или шпилька – гайка» твердость гайки должна быть меньше твердости болта или шпильки не менее чем на 118 МПа. На резьбовой поверхности готового изделия обезуглероженный слой не допускается.

Сталь, используемая для изготовления пружин, должна обеспечивать линейную зависимость между деформацией и нагрузкой, т. е. иметь высокий предел упругости. При превышении упругой деформации (например, при навивке пружин) сталь должна обладать определенным запасом пластичности. Если пружина работает при изменяющихся нагрузках, то ее материал должен хорошо сопротивляться усталости. Пружины, работающие при высокой температуре, должны быть стойкими против релаксации напряжений и обладать достаточно высокой длительной прочностью.

Свойства, необходимые для пружин, достигаются легированием стали кремнием, марганцем, хромом и ванадием, а также выбором оптимального режима термической обработки. Обычно используются закалка в масле и средний или высокий отпуск.

Пружины подвесок паропроводов изготовляются из сталей 60С2 и 50ХФА. Пружины, работающие в воде, изготовляются из сталей 30X13, 14Х17Н2 и ХН35ВТ. Из стали 40X13 изготовляются пружины импульсных предохранительных клапанов.

Типичный режим термической обработки пружинной перлитной стали – патентирование: нагрева катанки до аустенитного состояния с последующим резким охлаждением до верхней области температур пониженной устойчивости аустенита в расплавах солей или металлов и изотермической выдержкой до полного распада аустенита. Температурно-временные режимы патентирования зависят от химического состава стали и диаметра заготовки. Применяют также закалку со средним отпуском.

В процессе гибки и навивки проволока или пруток получают значительный наклеп и остаточные напряжения, которые сильней снижают предел упругости, почти не влияя на временное сопротивление. Для снижения этих напряжений, повышения предела упругости и релаксационной стойкости готовые пружины после: операций навивки или гибки подвергают низкотемпературному отпуску при 200–300°С. В результате этого отпуска предел упругости возрастает примерно на 100%, а временное сопротивление всего на 10%. Релаксационная стойкость пружин после отпуска повышается в два раза.

На работоспособность пружин, особенно в случае вибраций и знакопеременных нагрузок, большое влияние оказывает состояние поверхности. Всякие неровности на поверхности играют роль концентраторов напряжения, сильно снижающих предел усталости пружин из малопластичных материалов. На проволоке, прутках и ленте не допускаются плены, волосовины, расслоения, закаты и другие дефекты, поэтому проволоку для пружин шлифуют.