Tiểu luận lò hơi, Thiết kế cơ học của bộ phận áp suất ( Mechanical Design of Pressure Parts)

Lò hơi được phân loại là một bình chịu áp suất nung. Các bộ phận của lò hơi được áp suất bên trong cao của hơi nước hoặc nước được gọi là bộ phận áp suất. Ống, trống và khoang đầu là những ví dụ về các bộ phận chịu áp lực. Các thành phần khác như đầu đốt, v.v., không phải chịu áp suất bên trong như vậy. Như vậy chúng được phân loại như các bộ phận không áp suất. Lựa chọn vật liệu cho các bộ phận áp suất của lò hơi và chúng thiết kế và xây dựng cơ khí là những khía cạnh quan trọng của thiết kế lò hơi. Trong những ngày đầu của cuộc cách mạng công nghiệp, nhiều vụ tai nạn đã xảy ra khi lò hơi các tàu bị vỡ dưới áp lực, giết chết nhiều nhân viên vận hành. Gần đây hơn, một hỏng mặt bích lò hơi trong một con tàu của Hải quân Hoa Kỳ đã giết chết mười thủy thủ (Peterson, 1997). Những sự cố như vậy đảm bảo sự cẩn thận tối đa trong thiết kế cũng như vận hành của bộ phận áp suất. Các bộ phận áp suất của lò hơi được kiểm tra định kỳ theo luật định của các cơ quan chức năng để vận hành an toàn. Các cơ quan chức năng này đặt ra các hướng dẫn và quy định của riêng họ chi phối việc thiết kế và vận hành nồi hơi ở quốc gia cụ thể của họ. Bài báo cáo này trình bày các nguyên tắc liên quan đến việc lựa chọn vật liệu và trong thiết kế cơ khí của các bộ phận áp suất về các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu, các đặc tính cơ học quan trọng, và các đặc tính của kim loại có thể được cải thiện như thế nào bằng cách thay đổi thành phần của nó và bằng cách gia công cơ khí phù hợp, các phương pháp thiết kế.

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hồ Chí Minh

Khoa Đào tạo Chất lượng cao

Báo cáo

Môn học: Lò hơi

Đề tài: Mechanical Design of Pressure Parts Thiết kế cơ học của bộ phận áp suất

GVHD:

Nhóm 4:

Thủ Đức, ngày 20 tháng 10 năm 2022

Nhận xét của giảng viên

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Bảng phân công công việc

MỤC LỤC

A PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng nghiên cứu 1

4 Phương pháp đánh giá 1

B PHẦN NỘI DUNG 2

CHƯƠNG 1: LỰA CHỌN VẬT LIỆU 2

1.1 Chi phí tương đối 2

1.2 Tính chất cơ học 2

1.3 Phương pháp sản xuất 2

1.4 Khả năng mở rộng quy mô 3

1.5 Bảo trì 3

CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CƠ HỌC QUAN TRỌNG CỦA CÁC VẬT LIỆU KHÁC NHAU 4

2.1 Tính chất chung 4

2.2 Tính chất nhiệt độ cao 5

2.3 Tính hàn 5

CHƯƠNG 3: HOẠT ĐỘNG LUYỆN KIM CƠ BẢN ĐỂ CẢI THIỆN TÍNH CHẤT THÉP 7

3.1 Quy trình luyện kim 7

3.2 Tính chất vật lý của luyện kim 7

3.3 Xử lý nhiệt 8

3.4 Gia công cơ khí 8

3.5 Tác dụng bổ sung các nguyên tố hợp kim khác nhau 8

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 11

4.1 Thiết kế bằng phương pháp quy tắc 11

4.2 Thiết kế bằng phương pháp phân tích 11

4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ học của thép 12

C KẾT LUẬN 14

D TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

A PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Lò hơi được phân loại là một bình chịu áp suất nung Các bộ phận của lò hơi được

áp suất bên trong cao của hơi nước hoặc nước được gọi là bộ phận áp suất

Ống, trống và khoang đầu là những ví dụ về các bộ phận chịu áp lực Các thành phần khác như đầu đốt, v.v., không phải chịu áp suất bên trong như vậy Như vậy chúng được phân loại như các bộ phận không áp suất Lựa chọn vật liệu cho các bộ phận áp suất của lò hơi và chúng thiết kế và xây dựng cơ khí là những khía cạnh quan trọng của thiết kế lò hơi

Trong những ngày đầu của cuộc cách mạng công nghiệp, nhiều vụ tai nạn đã xảy

ra khi lò hơi các tàu bị vỡ dưới áp lực, giết chết nhiều nhân viên vận hành Gần đây hơn, một hỏng mặt bích lò hơi trong một con tàu của Hải quân Hoa Kỳ đã giết chết mười thủy thủ (Peterson, 1997)

Những sự cố như vậy đảm bảo sự cẩn thận tối đa trong thiết kế cũng như vận hành của bộ phận áp suất Các bộ phận áp suất của lò hơi được kiểm tra định kỳ theo luật định của các cơ quan chức năng để vận hành an toàn Các cơ quan chức năng này đặt

ra các hướng dẫn và quy định của riêng họ chi phối việc thiết kế và vận hành nồi hơi ở quốc gia cụ thể của họ

Bài báo cáo này trình bày các nguyên tắc liên quan đến việc lựa chọn vật liệu và trong thiết kế cơ khí của các bộ phận áp suất về các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu, các đặc tính cơ học quan trọng, và các đặc tính của kim loại có thể được cải thiện như thế nào bằng cách thay đổi thành phần của nó và bằng cách gia công cơ khí phù hợp, các phương pháp thiết kế

2 Mục đích nghiên cứu

Việc nghiên cứu thiết kế cơ khí bộ phận áp suất, cụ thể là lựa chọn vật liệu, tính chất cơ học của các vật liệu khác nhau, luyện kim để cải thiện tính chất thép và phương pháp thiết kế

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu bao gồm thiết kế cơ khí bộ phận áp suất, cụ thể là lựa chọn vật liệu, tính chất cơ học của các vật liệu khác nhau, luyện kim để cải thiện tính chất thép và phương pháp thiết kế

4 Phương pháp đánh giá

Để có thể đạt được những mục đích đã đề ra như trên, nhóm đã áp dụng những phương pháp nghiên cứu như sau:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Đọc, tra cứu, nghiên cứu tài liệu từ các trang mạng, kênh tài liệu có liên quan đến vật liệu nghiên cứu

- Phương pháp phân tích tổng hợp: Để hiểu được ý nghĩa, chức năng, phạm vi sử dụng

- Phương pháp thống kê: Nhằm xử lí các thông tin thu được một cách chính xác

để đưa ra phương hướng đề xuất sử dụng vật liệu nghiên cứu

B PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: LỰA CHỌN VẬT LIỆU

Các bộ phận áp suất chính của nồi hơi, chiếm khoảng 20% tổng số trọng lượng lò hơi, bao gồm thùng đựng, khoang đầu và ống cho bộ quá nhiệt, bộ hâm nóng và bộ tiết kiệm nhiên liệu Chúng được làm từ thép Kể từ năm 1920, rất nhiều loại thép đã còn phát triển Tất cả những loại thép này về cơ bản là hợp kim sắt - carbon; nhưng chúng khác nhau đáng kể về hàm lượng carbon và trong nhiều trường hợp về số lượng các nguyên tố hợp kim khác có mặt Các đặc tính của thép đã được cải thiện đáng kể nhờ ứng dụng của khoa học luyện kim

Để xây dựng các bộ phận lò hơi chịu áp lực và các bộ phận gắn liền không thể thiếu của chúng, nhà thiết kế phải tính đến một số yếu tố, bao gồm cả chi phí tương đối, các đặc tính cơ học, phương pháp sản xuất, khả năng chống đóng cặn và bảo trì Các yếu tố này được mô tả chi tiết dưới đây

1.1 Chi phí tương đối

Chi phí tương đối và khả năng chống oxy hóa được biểu thị bằng nhiệt độ bề mặt hoạt động mức tối đa cho phép tính bằng , c℃, c hủ yếu quyết định sự lựa chọn của vật liệu Tỷ lệ ứng suất cho phép ở nhiệt độ trung bình của tường có thể thay đổi chi phí tương đối và phải được cân nhắc để đạt được sự lựa chọn kinh tế

Hơn nữa, tốc độ thay đổi tải trọng nhanh chóng có thể dẫn đến việc lựa chọn vật liệu có độ bền cao để giảm độ dày thành của các bộ phận như thùng đựng

Bảng 17-1 đưa ra chi phí tương đối gần đúng của các ống và theo quy ước đã sử dụng trên nhiệt độ bề mặt tối đa cho các ống được làm nóng đến các thông số kỹ thuật ASMWASTM

Bảng 17-1: Chi phí tương đối của ống và nhiệt độ bề mặt tối đa của chúng

Vật

liệu

SA 192

SA210 Gr.Al

SA210 Gr.C

SA209 Tl

SA209 TIA

SA213 T11

SA213 T12

SA213 T22

SA213 T91

MST

MST°T 850 850 850 900 900 1025 1025 1075 1200

1.2 Tính chất cơ học

Các tính chất cơ học như độ bền kéo cuối cùng, độ bền chảy, độ trượt, độ bền đứt gãy, độ dẻo,… là những yêu cầu được xem xét để thiết kế lò hơi

Một cột chống đỡ một tòa nhà, chịu nén, yêu cầu cường độ nén và độ cứng Nó không yêu cầu nhiều về độ dẻo hoặc độ dai Mặt khác, bộ phận áp suất của lò hơi cao

áp phải có đủ các đặc tính cơ học không chỉ ở nhiệt độ môi trường mà còn ở nhiệt độ hoạt động Nó cũng phải có đủ độ dẻo và độ dai để có thể chịu được các biến dạng và chấn động không thể tránh khỏi trong quá trình chế tạo, hàn và trong hoạt động vận hành, không bị nứt hoặc gãy

2

1.3 Phương pháp sản xuất

Hàn, tạo hình nguội, tạo hình nóng và giãn nở là một số phương pháp sản xuất hiện đại được sử dụng để chế tạo một vật liệu cụ thể thành các hình dạng yêu cầu Việc xem xét các phương pháp này là quan trọng, vì sản phẩm chế tạo ít tốn kém nhất, có các đặc tính phù hợp chứ không phải là loại thép rẻ nhất nên quy định sự lựa chọn

1.4 Khả năng mở rộng quy mô

Cần chống đóng cặn ở nhiệt độ bề mặt tối đa, đặc tính trượt ở nhiệt độ tường trung bình và sự sẵn có của vật liệu hàn với các đặc tính thích hợp phải được xem xét

1.5 Bảo trì

Bảo trì dễ dàng và khả năng tương thích với khả năng chống trượt ở nhiệt độ hoạt động cao, cũng như các yếu tố ăn mòn và ăn mòn trong môi trường cũng cần được xem xét

CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CƠ HỌC QUAN TRỌNG CỦA CÁC VẬT LIỆU

KHÁC NHAU 2.1 Tính chất chung

Các tính chất cơ học sau đây là quan trọng ở mọi nhiệt độ

2.1.1 Độ bền kéo

Kiểm tra độ căng tiêu chuẩn cung cấp dữ liệu về độ bền kéo, độ bền dẻo và

dẻo dai Khi kim loại được kéo với tải trọng gia tăng không theo trục, vật liệu căng ra Tải trọng trên một đơn vị diện tích được gọi là ứng suất, và kéo dài trên một đơn vị chiều dài ban đầu là gọi là sức căng Không có biến dạng vĩnh viễn Vì vậy biến dạng biến mất khi tải trọng tác dụng được loại bỏ

Tiếp tục tăng tải vượt quá điểm chảy dẫn đến nhựa biến dạng dẻo và cuối cùng là mẫu thử bị vỡ Tải trọng phá vỡ chia cho diện tích mặt cắt ngang ban đầu tạo ra độ bền kéo cuối cùng Không dễ dàng xác định được điểm chảy đối với các vật liệu cứng hơn như thép, nhưng cường độ chảy có thể dễ dàng xác định và được định nghĩa là ứng suất cần thiết để tạo ra một giá trị cụ thể (0,1% hoặc 0,2%) của biến dạng dẻo Nó còn được gọi là độ bền uốn

Hầu hết các thông số kỹ thuật yêu cầu thử nghiệm độ bền kéo ở nhiệt độ phòng Thiết kế xác định các giá trị tối thiểu của độ bền kéo cuối cùng và độ bền chảy và xác nhận rằng độ dẻo được chỉ định được đáp ứng

2.1.2 Độ dẻo

Độ dẻo là thước đo lượng biến dạng dẻo mà thép sẽ chịu đựng trước khi bị gãy

Nó thường được biểu thị bằng tỉ lệ phần trăm độ giãn dài hoặc độ giảm diện tích tiết diện của biến dạng dẻo của mẫu thử được biểu thị bằng thép Nó tỷ lệ nghịch với độ bền kéo Thép cường độ cao thường biểu hiện độ dẻo kém hơn thép cường độ thấp, mềm hơn Đặc tính này rất quan trọng đối với quá trình sản xuất và vận hành Độ dẻo cho phép thép chịu được các hoạt động chế tạo như uốn, hoặc các hoạt động lắp đặt như mở rộng hoặc hàn Do đó, nhiều thông số kỹ thuật dạng sản phẩm - đáng chú ý nhất là những thông số kỹ thuật cho ống và ống, yêu cầu các thử nghiệm biến dạng khác nhau như làm phẳng, loá hoặc uốn cong

2.1.3 Độ uốn

Tính uốn là khả năng kim loại có thể mở rộng vĩnh viễn theo mọi hướng khi chịu lực nén

2.1.4 Độ cứng

Độ cứng là thước đo khả năng chống biến dạng dẻo và có liên quan đến độ bền kéo Nó cũng được sử dụng như một chỉ số về khả năng gia công và khả năng chống mài mòn của thép Trong các vật liệu mà độ dẻo là quan trọng đối với khả năng làm việc của nó, độ cứng tối đa của nó được quy định

2.1.5 Độ dai

Độ dẻo dai là khả năng của vật liệu chống lại chế độ hư hỏng giòn khi chịu tải trọng tập trung ở nhiệt độ thấp Các thử nghiệm va đập khác nhau đánh giá độ bền Phạm vi nhiệt độ mà nó xảy ra được gọi là phạm vi chuyển tiếp Vật liệu trong hoặc dưới phạm vi nhiệt độ chuyển tiếp có thể bị nứt nếu chịu tải trọng va đập hoặc nếu các chi tiết xây dựng có thể ngăn cản sự chảy cục bộ

2.1.6 Độ mỏi

4

Độ bền mỏi là độ lớn của ứng suất tuần hoàn mà vật liệu có thể chống lại trong một số chu kỳ xác định trước khi hỏng Ứng suất mỏi mà vật liệu có thể chịu được trong điều kiện ứng dụng lặp đi lặp lại và loại bỏ tải trọng nhỏ hơn những gì nó có thể chịu được trong điều kiện tĩnh Sức mạnh năng suất chỉ có thể được sử dụng như một hướng dẫn trong các thiết kế cho vật liệu chịu tải trọng tĩnh Tải trọng động và tải trọng theo chu kỳ gây ra trượt và làm việc nguội ở các khu vực nhỏ được khoanh vùng tại các ranh giới hạt và tại các rãnh tập trung ứng suất thuộc nhiều loại khác nhau Khi

đủ cứng, các vết nứt siêu nhỏ sẽ hình thành và phát triển cho đến khi kết quả là đứt gãy hoàn toàn

Ở mức ứng suất đủ thấp nhiều cấp độ, nhiều vật liệu có thể chịu đựng một số lượng chu kỳ gần như vô hạn Các khu vực có ứng suất cao nhất, chẳng hạn như thay đổi mặt cắt hoặc các rãnh tập trung ứng suất thúc đẩy sự tập trung cục bộ của các chủng có chu kỳ Các ống có thể bị nứt tại các điểm tập trung ứng suất cao (chẳng hạn như phần cuối của đinh tán phẳng được hàn vào ống) dưới rung động do dòng chảy gây ra Do đó, chúng cần có các thiết bị hạn chế chống rung để điều chỉnh thiết kế

2.2 Tính chất nhiệt độ cao

Các tính chất sau rất quan trọng cho các hoạt động ở nhiệt độ cao

2.2.1 Trượt (rão)

Trượt là biến dạng dẻo chậm của kim loại khi chịu ứng suất không đổi Nó trở nên quan trọng trong nồi hơi ở nhiệt độ vận hành 450-650 °C Trượt có thể diễn ra và dẫn đến hiện tượng đứt gãy ở tải trọng tĩnh kéo dài thấp hơn nhiều mà điều này sẽ gây ra năng suất hoặc vỡ khi tải trong thời gian ngắn Tốc độ kéo dài thay đổi theo khoảng thời gian ở nhiệt độ hoạt động Trong mã lò hơi ASME, tốc độ rão là 0,01% trong

1000 giờ và ứng suất trượt đến vỡ trong 100.000 giờ được xem xét Do đó, nó trở nên cần thiết để thực hiện các thử nghiệm về độ rão và đứt gãy ứng suất ở một số mức ứng suất, nhiệt độ khác nhau và trong khoảng thời gian càng lâu càng tốt Đối với mục đích thiết kế, độ bền kéo cuối cùng, ứng suất chống và độ bền đứt gãy ở nhiệt độ hoạt động tất nhiên là mong muốn

2.2.2 Tương tác độ trượt và độ mỏi

Khi vật liệu tiếp xúc với tải tuần hoàn trong khi hoạt động ở nhiệt độ trong phạm

vi độ trượt của chúng, hiệu ứng trượt có thể làm giảm tuổi thọ mỏi của chúng Sự khác biệt về độ giãn nở nhiệt của các ống đầu nối bộ quá nhiệt, được hàn với đầu ra, các vòng đệm và ở vỏ lò, thường gây ra các vết nứt theo chu vi trong ống ở đầu mối hàn ống với đầu nối Chu kỳ căng gây ra các vết nứt này bắt đầu và lan truyền theo cách gây ra mỏi

Các vết nứt gây ra do rung động nói chung là xuyên hạt, là đặc điểm

của độ mỏi Vết nứt trong ống ở đầu ra của bộ quá nhiệt thường là giữa các hạt Trong một thời gian dài hơn ứng suất trượt, một vết nứt giữa các hạt là điển hình Tải trọng biến dạng cao chu kỳ thấp trong phạm vi trượt có khả năng tạo ra sự nứt nẻ giữa các hạt chứ không phải là xuyên hạt

2.3 Tính hàn

Khả năng hàn của vật liệu là một yếu tố quan trọng trong sản xuất Bên cạnh vật liệu gốc, điện cực hàn, chi tiết hàn và kỹ thuật hàn cũng đóng một vai trò quan trọng Các vấn đề hàn phải được khắc phục bao gồm

a) Nứt hóa rắn

b) Nứt vùng hóa lỏng bị ảnh hưởng nhiệt

c) Sự nứt vỡ do hydro gây ra

d) Nứt phiến

e) Làm nóng lại sự nứt vỡ

Bản chất của vấn đề và các phương pháp để tránh chúng được thảo luận dưới đây: (a) Quá trình nứt hóa rắn xảy ra nếu độ dẻo của vật liệu hàn bị hạ thấp do sự hiện diện của các màng chất lỏng còn sót lại đến mức mà nó không thể thích ứng với biến dạng co lại của các tinh thể đông đặc Biện pháp khắc phục thường liên quan đến việc giảm biến dạng trong quá trình hàn bằng cách cải tiến các phụ kiện, sửa đổi quy trình bọc và gá, và tránh làm nóng trước các mối hàn khác trong vùng lân cận Khi hàn xung quanh miếng vá hoặc vòi phun, hàn theo từng bước thay vì hàn liên tục sẽ giúp ích Các điện cực được phủ cơ bản chịu được lưu huỳnh tốt hơn và giảm tỷ lệ nứt này

(b) Nhiệt độ cực đại cao gây ra sự nóng chảy cục bộ ở ranh giới hạt trong thép ferit

do sự hình thành sulfideeutectic Đây là nguyên nhân gây nứt vùng ảnh hưởng nhiệt Biến dạng nhựa đi kèm có thể mở ra các vết nứt nhỏ ở ranh giới hóa lỏng Khi mối hàn nguội đi, các vết nứt này không lành lại và sự hiện diện của các màng đông đặc giòn làm giảm độ bền đứt gãy của các vùng bị ảnh hưởng nhiệt đến mức không thể chấp nhận được Sự hiện diện của phốt pho và lưu huỳnh có ảnh hưởng quan trọng đến tính nhạy cảm Kiểm soát nhiệt đầu vào cũng như kiểm tra và kiểm tra vật liệu để hàn là biện pháp khắc phục chính

(c) Vết nứt do hydro có thể xảy ra vài tuần sau khi hàn nếu không tiến hành xử lý nhiệt sau khi hàn Chọn vật liệu không bị cứng trong vùng ảnh hưởng nhiệt là rất quan trọng Để tránh kiểu nứt này, người ta có thể (a) sử dụng điện cực hydro khô và được kiểm soát, (b) sử dụng MIG và quy trình hồ quang chìm, hoặc (c) chọn đầu vào nhiệt thích hợp trong khi hàn dựa trên khái niệm đương lượng cacbon

(d) Xảy ra nứt lớp mỏng nếu độ dẻo xuyên qua độ dày rất thấp trong khi hàn các mối nối 3 nhánh Cải tiến thiết kế mối hàn, sử dụng các sản phẩm rèn, kiểm tra không phá hủy tấm, sử dụng tấm khử khí chân không và sử dụng kim loại hàn thấp là một số biện pháp khắc phục

(e) Làm nóng lại vết nứt khi hình dạng của mối nối và tính chất tương đối của vật liệu hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt không đạt yêu cầu Việc định hình các đầu ngón chân của mối hàn phi lê bằng cách mài, kiểm soát lưu huỳnh, sử dụng vật liệu hàn có

độ bền thấp và làm sạch bề mặt mối hàn là có lợi

6