stal czy żeliwo
W małych kotłach wodnych zasilanych paliwami stałymi stosuje się wymienniki ciepła:
Spawane z elementów stalowych, z kanałami spalinowymi pionowymi lub poziomymi. Spotyka się również konstrukcje mieszane (z kanałami pionowymi i poziomymi) oraz wymienniki z kanałami z rur stalowych.
Składane z odlewanych członów żeliwnych, z pionowym ustawieniem członów. Człony łączone są ze sobą za pomocą tulei dwustożkowych wciskanych lub walcowych gwintowanych i stężane za pomocą zewnętrznych śrub oraz nakrętek. Wymienniki rozbudowywane są w kierunku poziomym, poprzez dołączanie kolejnych członów.
| WYMIENNIKI STALOWE SPAWANE | WYMIENNIKI ŻELIWNE SKŁADANE Z CZŁONÓW PIONOWYCH |
| Współczynnik przewodności cieplnej stali węglowych i niskostopowych 42-50W/m*deg. Gęstość 7850 kg/m3 | Współczynnik przewodności cieplnej żeliwa szarego 45-58 W/m*deg. Gęstość 7000 – 7500 kg/m3 |
| Grubość ścianek kotłów wykonanych z blachy stalowej dla ścianek mających kontakt ze spalinami musi wynosić co najmniej 5 mm (zgodnie z wymogami według normy PN-EN 303-5 dla stali węglowych). | Możliwe do uzyskania grubości ścianek elementów żeliwnych odlewanych (4-6 mm) są porównywalne z grubością ścianek kotłów wykonywanych z blachy stalowej. |
| Stale węglowe w środowisku utleniającym w wysokiej temperaturze ulegają szybkiej i nieodwracalnej korozji. Na powierzchni stali tworzą się warstwy tlenków o bardzo małym współczynniku przewodzenia ciepła, zwiększające podatność na osadzanie się pyłów i sadzy na powierzchni wymiennika, z możliwością tworzenia zwartych narośli, zmniejszając współczynnik przewodzenia ciepła. | Na powierzchniach żeliwnych będących w kontakcie z płomieniem i produktami spalania bardzo trudno tworzą się warstwy zwartych osadów mających wpływ na zmniejszenie współczynnika przewodzenia ciepła. |
| Zdolność osadzania kamienia kotłowego na powierzchniach stalowych jest duża. Złogi kamienia są zwarte, trudne do usunięcia. Zjawisko to skutkuje szybkim zmniejszaniem się zdolności eksploatacyjnych kotłów stalowych, gdyż współczynnik przewodzenia ciepła dla kamieni kotłowych zwartych jest minimalny (0,8-1,2 W/m*K). | Na powierzchni żeliwa warstwy kamienia kotłowego tworzą się b. trudno. Kamień kotłowy na wyrobach żeliwnych ma strukturę mało zwartą (złogi luźne – muliste, łatwe do usunięcia metodą płukania), dlatego jest łatwo wypłukiwany przez wodę obiegową i może jedynie tworzyć złogi denne. |
| W kontakcie z płomieniem i produktami spalania paliw konstrukcje stalowe ulegają nadmiernemu nawęgleniu, co skutkuje zmianą ich wytrzymałości mechanicznej i kruchością oraz stanowi jedną z przyczyn występowania rozszczelnień przestrzeni wodnych kotłów stalowych (pękanie spoin). | Przy długotrwałym przebywaniu żeliwa w atmosferze panującej w kotle jedynie cienka warstwa zewnętrzna ulega przemianom z powodu wypalania płatków grafitu lub przejścia w strukturę cementytową (pow. 570 ºC). Długotrwałe przebywanie żeliwa szarego w strefie nawęglania (C + wysoka temp.) nie wpływa ujemnie na ogólne właściwości żeliwa. |
| Powierzchnia przepon stalowych od strony spalin jest podatna na silne i częste występowanie zjawisk korozyjnych (powierzchniowych i punktowych), co skutkuje pocienieniem materiału oraz stanowi jedną z przyczyn awarii kotłów (rozszczelnienie przestrzeni wodnych). | Żeliwo jest odporne na korozję chemiczną i elektrochemiczną. Znacznie lepiej niż stale węglowe znosi pracę w środowiskach korozyjnych wysoko-temperaturowych oraz w atmosferach zawierających związki siarki, fosforu, węgla. |
| Elementy stalowe nie są odporne na pracę na tzw. niskich parametrach wody grzewczej i spalin wylotowych, co stwarza potrzebę stosowania dodatkowych elementów kosztownej armatury zewnętrznej (zawory wielodrogowe, pompy mieszające itp.) | Elementy żeliwne mogą długotrwale pracować na tzw. niskich parametrach wody grzewczej i spalin wylotowych bez obawy o korozję. |
| Mała odporność na korozję wodną. | Duża odporność na korozję wodną. |
| W przypadku kotłów małej mocy (do 50 kW) ilość spoin ułożonych na niewielkiej powierzchni w celu uzyskania szczelnych przestrzeni wodnych powoduje występowanie bardzo dużych naprężeń wewnątrz materiałowych wywołanych skurczem spawalniczym oraz zmiany struktury materiału wywołane działaniem ciepła w tzw. strefie wpływu ciepła spoin. Znaczne naprężenia w konstrukcji wpływają ujemnie na jej żywotność i powodują zwiększoną korozyjność zmęczeniową materiału. | Odlewy żeliwne – ze względu na swoją strukturę są pozbawione dużych naprężeń wewnątrz materiałowych oraz dobrze tłumią drgania. W zakresie temperatur pracy do 400ºC żeliwo szare jest całkowicie odporne na zmiany rozszerzalności cieplnej (naprężenia wewnątrz materiałowe wywołane podwyższoną temperaturą są bliskie zera). |
| Technologia spawania wymiennika z elementów stalowych (płyty, płaskowniki, kształtowniki itp.) stwarza duże możliwości optymalizacji konstrukcji z punktu widzenia ułatwienia dostępu do wymagających czyszczenia powierzchni. | Konstrukcja członów żeliwnych pionowych do kotłów wodnych opalanych węglem jest skomplikowana (zostały one zaadaptowane z kotłów opalanych koksem) i może stwarzać duże problemy z zanieczyszczaniem się powierzchni wymiennika pyłem i sadzą oraz osadami smołowymi. Czyszczenie okresowe takich kotłów jest bardzo uciążliwe i czasochłonne. Dostęp do czyszczonych powierzchni jest utrudniony. |
| Spawanie wymiennika z elementów stwarza możliwości wykonywania skomplikowanych kształtów, optymalnych z punktu widzenia hydrauliki przepływu mediów i efektywności wymiany ciepła. | Technologia rdzeniowego odlewania członów żeliwnych w pewnym stopniu ogranicza możliwości kształtowania formy wymiennika. Część powierzchni czynnych członów elementarnych wymienników po zmontowaniu w całość nie bierze udziału w bezpośredniej wymianie ciepła poprzez brak kontaktu ze spalinami (boki i powierzchnie przylgowe). Rozbudowa powierzchni wymiany ciepła poprzez dokładanie członów elementarnych następuje w kierunku poziomym. Zmienia się w tym przypadku geometria paleniska, co jest niekorzystne w przypadku palników retortowych. |
| Duży zakres prac ręcznych w procesie spawania wymiennika stalowego jest przyczyną częstego występowania znacznych odchyłek wymiarowych i zwichrowania konstrukcji. | Odlewy żeliwne, w przeciwieństwie do konstrukcji stalowych spawanych ręcznie, są powtarzalne i w pełni zamienne. |
| Wysokie koszty produkcji. Wykonanie wymienników stalowych spawanych wymaga dużych nakładów pracy (w tym w znacznej części pracy ręcznej). Technologie spawalnicze wiążą się z dużym zużyciem energii i materiałów (zużycie materiałów spawalniczych oraz straty materiału podstawowego po wykrojeniu niezbędnych elementów konstrukcyjnych wymiennika). Ze względu na grubość materiału powierzchni przeponowych wymiennika wymagane jest stosowanie stężeń punktowych lub liniowych, co skutkuje potrzebą wykonywania przebić technologicznych powłok. | Wysokie koszty produkcji. Człony żeliwne wykonywane są metodą odlewniczą z zastosowaniem drogich technologii rdzeniowania. Po odlaniu wymagają szeregu zabiegów technologicznych (piaskowanie zewnętrzne, usunięcie nadlewek, usunięcie resztek rdzeni). Powierzchnie członów i elementy łączące człony elementarne muszą być poddane obróbce wiórowej na specjalistycznych obrabiarkach. Wykonanie odlewu członu rdzeniowego żeliwnego wymaga specjalistycznego i drogiego sprzętu do rdzeniowania, formowania, odlewania i obróbki mechanicznej. |
UWAGA:
Kolorem niebieskim zaznaczono cechy pożądane, pozytywne z punktu widzenia efektywności wymiany ciepła, funkcjonalności oraz ceny i żywotności kotła, kolorem czerwonym – cechy niepożądane, negatywne.
Jak wynika z przedstawionego powyżej zestawienia, żeliwo zdecydowanie góruje nad stalą jako materiał do konstrukcji wymienników ciepła dla kotłów wodnych zasilanych paliwem stałym, dzięki większej odporności na korozję spalinową i wodną, mniejszej podatności na osadzanie się narostów zmniejszających przewodność powierzchni wymiany ciepła oraz całkowitej odporności na zmiany struktury wewnętrznej materiału i naprężenia wewnątrz materiałowe wywołane oddziaływaniem spalin i wysokiej temperatury.
Koszty wytwarzania wymienników w obu technologiach – spawania z elementów stalowych i składania z odlewanych członów żeliwnych – są wysokie. Technologie spawania wiążą się z wysokimi kosztami materiałów i energii oraz dużym udziałem pracy ręcznej wysoko kwalifikowanych ślusarzy i spawaczy. Odlewanie żeliwnych członów wymiennika wymaga zaawansowanych technik odlewniczych z zastosowaniem rdzeniowania oraz dużego zakresu czynności wykończeniowych, pracochłonnych i wymagających drogiego sprzętu specjalistycznego.
Technologie odlewania górują nad technologiami spawania ręcznego pod względem jakości i powtarzalności wyrobów, umożliwiając ich pełną zamienność. Natomiast technologie spawania wymienników z elementów stalowych dają możliwości tworzenia konstrukcji doskonalszych z punktu widzenia hydrauliki przepływu mediów, efektywności wymiany ciepła oraz łatwości i skuteczności czyszczenia powierzchni wymiennika.
W dyskusjach porównujących wymienniki stalowe i żeliwne często krytykuje się żeliwo jako materiał mało odporny na szoki termiczne – błędnie twierdząc, że nagły dopływ zimnej wody może spowodować jego pęknięcie. W rzeczywistości odlewy żeliwne nie tracą swoich właściwości, dopóki temperatura ich pracy nie przekroczy 400ºC. W warunkach pracy wymiennika w kotle wodnym nie ma możliwości, aby temperatura jego ścianki przekroczyła tę wartość (pod warunkiem, że w wymienniku jest woda). Przy grubości ścianki żeliwnej 5-6mm, różnica temperatur po obu jej stronach nie przekracza 60ºC – nie ma więc możliwości, aby temperatura ścianki od strony spalin osiągnęła 400ºC. Nagły dopływ zimnej wody niczym w takim przypadku nie grozi. Co innego jeśli kocioł “pracowałby” bez wody – wtedy rzeczywiście przekroczenie temperatury 400ºC na powierzchni ścianki wymiennika jest możliwe. Podwyższona temperatura na ściance wymiennika może też wystąpić w przypadku silnego zanieczyszczenia przestrzeni wodnych złogami osadów – wtedy – po prostu – po drugiej stronie ścianki nie ma wody, która mogłaby odebrać od niej ciepło.
Mocno przesadzone są również argumenty o mniejszych kosztach i większej łatwości remontu uszkodzonych wymienników stalowych od żeliwnych. Remonty wymienników stalowych nie są ani tanie, ani łatwe. W przypadku potrzeby naruszenia powłok kotła wykonanego ze stali – najczęściej należy go zdemontować i przetransportować do miejsca naprawy. Aby usunąć uszkodzony fragment powłok wewnętrznych, niezbędne jest wycięcie odpowiedniego kształtu i wielkości otworu w powłoce zewnętrznej, usunięcie nalotów korozyjnych i wspawanie tzw. “łaty”, a następnie zamknięcie powłoki zewnętrznej nakładką blaszaną przyspawaną do istniejących powłok. W trakcie prowadzenia takich prac bardzo często okazuje się, że nie ma możliwości wykonania prawidłowej spoiny, ponieważ warstwa skorodowana jest zbyt rozległa. Całkowity koszt naprawy przekracza często realną wartość kotła.
Tzw. “ankry” (prawidłowa nazwa – to elementy stężające lub kotwy profilowe), czyli elementy zwiększające odporność powłok płaszcza wodnego na jego odkształcenia spowodowane ciśnieniem wody, to nic innego jak łączniki leżących naprzeciw siebie powłok (blach). Aby można je było zastosować zgodnie z prawidłami dobrej techniki, trzeba nimi trwale połączyć oba płaszcze. Wymaga to najczęściej wykonania wielu otworów i położenia wielu spoin. Każde takie miejsce, to potencjalne źródło korozji wywołanej niejednorodnością materiału, zwiększonym naprężeniem mechanicznym itp. Aby powłoki kotła wodnego wykonanego z blach stalowych wytrzymały ciśnienie badawcze 4 bar, stężenia te muszą być wykonane co ok. 250mm. Nakłady pracy na taką konstrukcję i poziom jej korozyjności są znaczne, a każda dodatkowa spoina jest jej realnym źródłem.
Kocioł prawidłowo wykonany z członów żeliwnych jest wytrzymalszy od kotła stalowego spawanego (musi wytrzymać próbę ciśnieniową 8bar), a jego rzetelna naprawa przez fachowca kosztuje mniej. W przypadku wystąpienia uszkodzenia powłoki przestrzeni wodnych kotła wykonanego w technice odlewanych członów żeliwnych, wymienia się uszkodzone elementy na nowe, tego samego typu. Prace te można bez problemu wykonać w miejscu posadowienia kotła.
Na forach internetowych, bardzo licznie odwiedzanych przez dyskutantów, spotyka się szczególnie dużo argumentów mających pozory prawdy. Wynika to ze skromnej wiedzy technologicznej dyskutantów i zamętu marketingowego wprowadzanego przez producentów i handlowców. Zacytujemy tu niektóre z nich: „Sprzedawca mówił, że płomienice są robione z cieńszych rurek ciśnieniowych, więc sprawność kotła powinna być lepsza.” „Grubsza ścianka wymiennika ciepła pogarsza wymianę ciepła i obniża sprawność kotła.”
Jest to typowa „prawda marketingowa”. Pocienienie przegrody stalowej pomiędzy spalinami a wodą rzeczywiście zwiększa wymianę ciepła, a tym samym sprawność. Jednakże zmiana tej grubości o 1 mm skutkuje zmianą sprawności o niecały 1 %. O sprawności kotła nie decydują grubości blach, tylko konstrukcja wymiennika – wielkość powierzchni wymiany ciepła i prędkości przepływu spalin w kanałach spalinowych. Poza tym, minimalne grubości ścianek w kotłach są normowane i nie można ich przekraczać – dla ścianek mających kontakt z płomieniem jest to 5 mm, dla kanałów spalinowych (bez płomienia) 4 mm dla ścianek płaskich i 3,2 mm dla rurek o przekroju kołowym. Te wymiary dotyczą ścianek ze stali węglowej. Dla stali stopowych grubości mogą być mniejsze, ale stale stopowe mają gorszy współczynnik przewodzenia ciepła, więc nie przyniosłoby to poprawy sprawności.
Grubości ścianek są natomiast bardzo ważne z punktu widzenia żywotności kotła – im grubsza, tym dłużej musi ją „zżerać” korozja. Jednakże w konstrukcjach spawanych z grubszych blach występują większe naprężenia „pospawalnicze”, które osłabiają wytrzymałość i zwiększają podatność na korozję. W dodatku grubsze ścianki wymagają istotnych zmian w technologii spawania, które znacznie podrażają kocioł.
Bardzo chwytliwym argumentem marketingowym jest informacja o wymiennikach wykonanych ze stali kotłowej zamiast stali węglowej. Natomiast stal kotłowa to jest po prostu stal węglowa modyfikowana tak, że ma wyższą wytrzymałość (przede wszystkim zwiększoną odporność na działanie naprężeń termicznych) w wysokich temperaturach. Stale kotłowe wykazują swoją wyższość nad stalami konstrukcyjnymi dopiero w temperaturach przekraczających 400OC (patrz: Rudnik S., „Metaloznawstwo”, PWN, Warszawa, 1983). Przeznaczone są one dla kotłów parowych oraz elementów urządzeń pracujących w tak wysokich temperaturach.
W kotle wodnym na powierzchni ścianki wymiennika nie mogą wystąpić temperatury wyższe niż 150°C, gdyż z drugiej strony ścianki jest przecież woda o temperaturze poniżej 100°C. Nie jest to poziom wartości, przy których parametry wytrzymałościowe (granica pełzania, wytrzymałość na pełzanie, granica plastyczności) stali węglowej konstrukcyjnej i stali węglowej przeznaczonej do pracy w podwyższonych temperaturach (stali kotłowej) różnią się w sposób pozwalający na jednoznaczne określenie wyższości jednego rodzaju materiału nad drugim. W takich warunkach walory stali kotłowej są bezużyteczne.
Dla porównania przedstawiamy parametry wytrzymałosciowe stali St3S (stali węglowej konstrukcyjnej uspokojonej) i P265GH (tzw. stali kotłowej) w temp. do 200 st. C – w nawiasach wartości dla P265GH:
Re min[MPa] 235 (235); Rm [MPa] 340-470 (360-480); A5min [%] 26 (24).
I jeszcze skład chemiczny obu stali:
Cmax [%] 0,17 (0,16); Mn [%] 1,6 (1,6); Si [%] 0,5 (0,4); P+S [%] 0,04 (nie oznaczone).
Przy okazji warto zwrócić uwagę, że do spawania stali kotłowej niezbędne jest posiadanie kadry spawaczy z uprawnieniami do spawania tej stali. Stale kotłowe są droższe i wymagają utrzymania ostrzejszych reżimów w technologii ich spawania, co w sposób znaczący podwyższa koszty produkcji (patrz: Jakubiec M., Lesiński K., Czajkowski H., „Technologia konstrukcji spawanych”, WNT, Warszawa, 1987). Konkurentem materiałowym stali węglowej może być w takim przypadku tylko żeliwo, które wykazuje istotnie lepsze własności w tych warunkach.
Cały artykuł jest wierną kopią artukułu zamieszczonego na blogu http://zawijan.wordpress.com/