МЕТАЛЛ ПАРОВОГО КОТЛА

ТЕПЛОВАЯ УСТАЛОСТЬ КОТЕЛЬНОЙ СТАЛИ

Еще в первой половине XIX в. без видимой причины! ломались после многолетней работы, валы машин, оси колес и т. п. Причину таких повреждений долго не могли объяснить. Сначала предполагали, что с течением време­ни изменяется структура стали. Однако многочисленные исследования показали, что в местах поломки строение кристаллической решетки стали не отличается от обыч­ного. Качество металла в поломанных деталях было вполне удовлетворительным, а рабочие нагрузки не пре­вышали допустимых.

Было замечено, что при переменных нагруз­ках в деталях возникают трещины, которые постепен­но увеличиваются и. проникают в глубь изделий. Края трещин при изменениях нагрузки то расходятся, то омы-

Каются. В основании трещин периодически возникает более высокое напряжение, чем в неповрежденном сече­нии. Это вызывает дальнейшее развитие трещин.

Было установлено, что при переменных нагрузках первые трещины появляются преимущественно в местах, где по каким-либо причинам получается концентрация напряжений, т. е. там, где напряжения в детали значи­тельно больше среднего. Концентрация напряжений воз­никает, например, в надрезах, острых выточках и т. п. (рис. 55,о и б).

В прошлом столетии такие разрушения металла были названы' его у сталостью. Этот термин сохранился до настоящего времени.

Усталостные трещины иногда возникают у вспомога­тельных механизмов котельного цеха электростанции. Но для самих котлов наиболее опасны не колебания ме­ханической нагрузки, а многократные резкие изменения температуры металла. При работе котла стенки бараба­нов, камер и труб всегда нагреты неравномерно. Более нагретые участки металла стремятся расшириться, но

Этому препятствуют менее нагретые участки. Вслед­ствие этого в металле воз­никают дополнительные н аіпр я жен ия, ,н а зьив а ем ы е температур н ы м и. Колебания температуры вызывают соответствую­щие колебания величины Рис. 55. Правильная (а) и вызыва - температурных напряже - ющая усталость металла (б) кон- ний, И если металл МНОГО - струкции оси паровоза [Л. 17]. кратно быстро нагревать

И охлаждать, в, нем обра­зуются трещины, именуемые трещинами тепловой усталости (рис. 56).

Такие трещины появлялись, например, при движении пароводяной смеси в горизонтальных участках труб пря­моточных котлов Рамзина. Они возникали преимуще­ственно в трубах, расположенных на стенах топочной камеры. При движении пароводяного потока в этих го­ризонтальных трубах происходило расслоение пароводя­ной смеси: вода текла в нижней части труб, а ,пар дви­гался над ней. Температура в нижней и верхней частях 74
труб различалась тогда на несколько десятков градусов. При этом в зоне колеблющегося уровня воды металл то резко охлаждался водой, то снова нагревался.

В обычные экранных трубах обращенная к топке сторона также всегда нагревается при работе котла до более высокой температуры, чем сторона, обращенная в сторону обмуровки. При этом в. металле, конечно, воз­никают дополнительные напряжения, но не появляются трещины, так как почти отсутствуют резкие колебания температуры.

Разрушение металла вследствие тепловой усталости может происходить у различных пароохладителей, в ко­торых систематически резко изменяется температура охлаждающей воды. Уже сравнительно давно обрати­ли внимание на то, что в от­дельных пароохладителях поверхностного типа после эксплуатации в течение 1—2 лет появляются неплотности в трубных досках. Было за­мечено также, что большин­ство быстро изнашивавших­ся пароохладителей работа­ло не ща районных электро­станциях, а на металлурги­ческих заводах. Последнее объяснялось тем, что темпе­ратура перегретого пара рез­ко возрастает при сжигании доменного газа, который на большинстве мет аллургиче-

Ских заводов в котельную периодически подается в раз­ном количестве, что вызывает многократные резкие изме­нения температуры 'Металла при включениях, и выключе­ниях .пароохладителей.

В последние годы широкое распространение получи­ли пароохладители впрыскивающего типа, в которых снижение температуры пара происходит при впрыске от­носительно холодной воды. Капли этой воды, падая на стенки коллектора 3 (рис. 57), могли бы вызвать их

Растрескивание. Поэтому внутри пароохладителя уста­новлена защитная рубашка 5, в которой отсутствуют ме­ханические напряжения и которая растрескивается го­раздо .медленнее, чем находящийся под давлением кол­лектор. К тому же рубашка может длительно работать и с трещинами.

Трещины возникали и в трубах радиационных паро­перегревателей среднего давления, расположенных по­добно экранным трубам на стенах топочной камеры. Эти трещины появлялись при отсутствии в трубах капель относительно холодной воды и, следовательно, при менее резких изменениях температуры. Образование трещин объяснялось изменением структуры металла при высо­кой температуре и уменьшением прочности труб. 76

На рис. о8 показана одна из конструкций защитной рубашки, устанавливаемой в месте входа в барабан пи­тательной водьп. Здесь стенка барабана не соприкасает­ся непосредственно с трубой, по которой .подается вода, и колебания температуры не вызывают опасных колеба­ний напряжений. Такие рубашки следует ставить не только в местах присоединения к барабану питательны* труб и труб для ввода фосфатов, но и вокруг нижних штуцеров водоуказательных колонок. Последнее объяс­няется тем, что Et верхней половине всех водоуказатель­ных колонок непрерывно происходят охлаждение пара и

Конденсация его. Излишек воды отводится по нижней трубке в барабан и по пути дополнительно охлаждается. При продувке водоуказательной колонки температура в штуцере резко увеличивается до температуры воды в барабане, а после. продувки она снова снижается.

Барабан котла паропроизводительностью 70 т/ч при давлении 120 ат был изготовлен из стали, содержавшей около 5% никеля. Труба к водоуказательной колонке (из стали марки 15М) присо­единялась к барабану без защитной рубашки. Колонка была отне­сена от барабана на 12 м, что способствовало более интенсивной конденсации пара, чем у других котлов.

После 4 ООО ч работы этого котла в барабане была обнаружена сквозная трещина, которая начиналась от нижнего штуцера водо­указательной колонки и доходила до соседнего отверстия в барабане.

Тепловая усталость деталей парового котла. может стать причиной аварий с тяжелыми последствиями.

У котла паропроизводптельностью 120 т/ч с параметрами пара 65 ат и 450° С доступ внутрь коллекторов перегретого пара обес­печивался тем, что на их торцы были установлены на резьбе и затем приварены фланцы, к которым болтами присоединили за­глушки. В годы войны на ТЭЦ временно создались тяжелые усло­вия эксплуатации и происходило большое число бросков воды из барабана в пароперегреватель. При этом происходило резкое по-| нижение температуры перегретого пара. Температура коллектора также многократно быстро снижалась на 180—200а С4 фланец же охлаждался гораздо медленнее. Сравнительно мало охлаждалась и соединенная с фланцем торцовая часть коллектора. В результате в металле возникли трещины тепловой усталости, которые не были вовремя замечены.

Отрыв торца коллектора произошел вблизи кольцевого сварного шва, по которому был приварен фланец. Торцовый участок вместе с фланцем и заглушкой были отброшены далеко от котла, а струя пара из отверстия причинила большие разрушения.

Аналогичные трещины были впоследствии обнаружены на та­ком'же коллекторе однотипного котла. Немедленное выключение из работы этого котла было бы связано с большими трудностями, поэтому к поврежденному коллектору приварили «уши», к кото­рым присоединили стальные прутья, прочно удерживавшие торцо­вую конструкцию. Когда, наконец, котел был отключен, дополни­тельное крепление сняли; после этого при первом же ударе кувал­дой торцовая часть коллектора вместе с фланцем и заглушкой от­ломилась по имевшимся трещинам.

ГЛАВА ШЕСТАЯ КОРРОЗИЯ СТАЛИ

Коррозией металла называется его постепенное раз­рушение, возникающее на поверхности и происходящее вследствие химического или электрохимического воздей­ствия окружающей среды. В бытовых условиях наибо­лее распространенным видом коррозии является химиче­ское соединение железа с кислородом воздуха (ржавле­ние). Этот вид коррозии является весьма опасным для металла современного шарового котла, в котором при высоком давлении и температуре реакция протекает весьма интенсивно.

Коррозия не всегда является только химическим про­цессом. На омоченной водой поверхности металла появ­ляется большое число элементарных участков, в кото­рых начинает протекать слабый электрический ток. При этом в углеродистой стали анодами становятся зерна феррита, а катодами — загрязнения и неметаллические включения, а также находящиеся на поверхности метал­ла ржавчина и окалина. Очень слабые электрические токи возникают даже между зернами феррита и перли­та. Размеры элементарны'Х анодов и катодов могут раз­личаться во много раз. 78

Под действием электрического тока. происходят элек­тролитическое разрушение поверхности металла и посте­пенное накапливание на ней перенесенных током час­тиц. Такое же накапливание продуктов. коррозии проис­ходит и при чисто химическом разъедании металла. Как при химической, так и. при электрохимической коррозии поверхность труб или барабана котла с течением време­ни покрывается тонким слоем продуктов разрушения металла. Они образуют защитную пленку, .которая пре­пятствует дальнейшей химической реакции, а также соз­дает дополнительное сопротивление для прохождения электрического тока.

Практически химический и электрохимический виды коррозии могут быть опасными только тогда, когда по каким-либо причинам защитная пленка не образуется или происходит систематическое разрушение этой плен­ки. В результате коррозии поверхность металла стано­вится неровной, бугристой, на ней с течением времени могут появиться глубокие коррозионные язвины.