Предупреждение АВАРИЙ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

Повреждения барабанов и днищ котлов высокого давления

Барабаны котлов высокого давления изготавливаются из легированной стали повышенной прочности. Барабан котлов высокого давления представляет собой полый сталь­ной цилиндр с двумя сферическими штампованными дни­щами, приваренными к обечайке барабана на электросва­рочных автоматах; на этих же автоматах сваривают отдель­ные звенья обечайки. Остаточные напряжения в сварных швах снимают термообработкой барабана в печах.

Внутренний диаметр барабанов современных паровых котлов достигает 1800 мм, толщина стенки 115 мм, длина до 18 м.

Следует отметить, что при одном и том же расчетном давлении пара на выходе из котла в барабаны заложены разные запасы прочности.

При давлении 14 МПа барабаны котлов таганрогского котельного завода (ТКЗ), изготовленные из стали 16ГНМ, имеют внутренний диаметр 1800 мм и толщину стенки 90— 95 мм; барабаны, изготовленные из стали 16ГНМА до 1972 г., имели внутренний диаметр 1800 мм и толщину стен­ки от 105 до 115 мм. Завод приступил к выпуску барабанов из стали 16ГНМА с внутренним диаметром 1600 мм и тол­щиной стенки 115 мм.

Барабаны котлов Барнаульского котельного завода, из­готовленные из стали 16ГНМА, имеют внутренний диаметр 1600 мм и толщину стенки 115 мм.

Опыт эксплуатации показал, что барабаны из стали 16ГНМА обладают лучшей эксплуатационной надежностью.

Наиболее характерными повреждениями на цилиндри­ческой части и в днищах барабанов паровых котлов высо­кого давления в эксплуатации являются:

Трещины: в районе отверстий (преимущественно ради­альные), выходящие на внутреннюю поверхность обечайки и отверстия; преимущественно параллельные образующим барабана и расположенные около отверстий и на неослаб­ленных участках, в основном в нижней части барабана; на поверхности отверстий и под вальцованными соединениями; около швов приварки кронштейнов крепления внутрибара - банных устройств; около швов приварки лапы затвора лаза; на внутренней поверхности в местах отбортовки штампо­ванных днищ; в местах приварки заводских монтажных деталей; кольцевые у шва приварки кольца укрепления кромки лаза;

Коррозионные разъедания обечаек и днищ барабанов;

Язвины, цепочки язвин и раковины на наружной и вну­тренней поверхностях обечаек и днищ и поверхности отвер­стий;

Расслоения в листах, в том числе выходящие на поверх­ность барабана и днища.

С целью выявления трещин во время ремонта из бараба­на необходимо удалить все внутрибарабанные устройства, очистить металл около отверстий шлифовальным кругом.

Демонтаж внутрибарабанных устройств следует произ­водить газовой резкой таким образом, чтобы длина остав­шейся части кронштейна была не менее 15 мм.

При внешнем осмотре до шлифовки трещины на внутрен­ней поверхности барабана можно выявить по образующим­ся над ними валикам оксидов. В сомнительных случаях при­бегают к ультразвуковой или магнитной дефектоскопии.

При внутренних осмотрах были выявлены многочислен­ные трещины на барабанах котлов ТП-230, ПК-10 и ТП-170. Трещины появились возле отверстий водоопускных труб экранов и выводов линий рециркуляции экономайзеров.

На рис. 2.1, 2.2 показаны наиболее часто встречающиеся повреждения в металле барабанов, изготовленных из сталей 16ГНМ, 16ГНМА и 22К.

Трещины тем больше и тем глубже, чем ближе к нижней образующей барабана расположен ряд труб.

^Ось (Тараіїана

Рис. 2.2. Развитие повреждений днища барабана. Цифры—глубина

Трещин, мм

Обычно трещины располагаются в пределах водяного пространства, реже трещинами бывают поражены трубные отверстия, чаще всего трещины распространяются на глу­бину 5—7 мм.

Ширина трещин по глубине металла неодинакова, они становятся то шире, то уже.

Одни трещины встречаются в различных местах бара­банов, другие располагаются в зоне трубных отверстий как на поверхности, так и внутри и имеют закономерную ориен­тацию относительно максимальных растягивающих от вну­треннего давления напряжений.

Большая часть барабанов, пораженных трещинами (уча­стки около отверстий), изготовлена из стали 16ГНМ, однако были выявлены трещины и на барабанах из сталей 22К и 15М. < ■

Установлено, что трещины в той или иной степени свя­заны с металлургическими или технологическими дефекта­ми изготовления, монтажа или ремонта барабанов.

Возникновение типичных трещин связано с высокими напряжениями на краях отверстия, которые являются сум­мой трех видов напряжений: химических, термических и тех­нологических. Существенное значение в образовании и раз­витии трещин имеют и колебания напряжений.

Как показали расчеты, максимальное напряжение на кромке отверстия превышает среднее расчетное в 4 раза. Местные растягивающие напряжения могут возрастать при наличии овальности из-за местного изгиба стенки барабана.

При первом гидравлическом испытании барабана возни­кают пластические деформации и остаточные напряжения на кромках отверстий.

Действительные напряжения около отверстий выше тех, которые предусматриваются коэффициентами ослабления по нор-мам. Это не опасно до тех пор, пока металл достаточ­но пластичен, а котловая вода не очень агрессивна.

В ФРГ во время эксплуатации на трех барабанах были выявлены трещины около отверстий. Трещины выбрали и затем заварили электродуговой сваркой.

Демонтированные барабаны были подвергнуты испыта­нию внутренним давлением при комнатной температуре с тензометрированием напряжений и доведением их до раз­рушения. Все три барабана разрушились хрупко при рас­четных напряжениях, вычисленных по нормам расчета на прочность и значительно меньших предела текучести. Кон­центрация напряжений, местная подкалка, сварочные напряжения и неудовлетворительная обработка ограничили способность металла пластически деформироваться и бло­кировать возникающие трещины.

В то же время барабан, подвергнутый отжигу и высо­кому отпуску до приварки штуцеров и затем опять высокому отпуску после их приварки, разрушился после значитель­ной пластической деформации при вычисленных по нормам напряжениях, близких к временному сопротивлению [6].

Указанные эксперименты подтвердили важность термо­обработки для достижения высокой пластичности металла барабанов котлов.

Предположительно причины образования трещин в бара­банах связывали с резкими колебаниями температуры стен­ки барабана при разрушёнии экранных труб, быстрым про­ведением ремонта и заполнением котла холодной питатель­ной водой, а также недостатками водного режима. Режим избыточной гидратной щелочности приводит к росту трещин, а режим фосфатной щелочности способствует их концентра­ции [6].

В [44] образование трещин в опускных отверстиях объ­яснялось пульсацией температуры в опускных трубах, вы­зывающей знакопеременные тепловые напряжения и раз­рушение от усталости. Чтобы избежать образования трещин при колебании температуры стенки барабана, необходимо соблюдать установленный режим расхолаживания котлов при остановах. При плановом останове котла после гаше­ния топки закрывается сброс пара, котел «закупоривается» и давление в котле снижается до нуля (в зависимости от качества работы направляющих устройств, состояния изо­ляции, арматуры котла, температуры в цехе и т. п.).

При ускоренном расхолаживании котла большая часть аккумулированной теплоты может быть использована в схе­ме регенерации турбин. Но при этом разность температур верхней и нижней образующих барабана будет превышать предусмотренную правилами технической эксплуатации (40°С). При вынужденном останове котла, вызванном раз­рывом трубы пароперегревателя, давление в котле снижа­ется до нуля примерно за 5—10 ч, а разность температур верха и низа барабана достигает 80—100 °С.

В случае разрыва экранных труб давление снижается значительно быстрее и разность температур верха и низа барабана достигает 100—130 °С. Расхолаживание барабана будет происходить при отсутствии в нем воды.

Различие температур верха и низа барабана при расхо­лаживании котла объясняется тем, что верхняя часть ба­рабана, омываемая застойным паром или паром, имеющим низкие скорости, охлаждается медленно, а нижняя часть, омываемая кипящей водой, охлаждается быстрее. А при раз­рывах экранных труб нижняя часть опорожненного бараба­на в основном охлаждается влажным паром, выходящим из экранной системы и опускных труб.

При опорожнении барабана без применения расхола­живающих устройств температура металла при давлении в котле оказывается выше температуры насыщения на 50— 60 °С.

Для устранения возможности развития трещин в метал­ле барабана при останове котла внутреннюю поверхность его целесообразно орошать водой с температурой, пример­но равной температуре насыщения. При этом условия охлаждения различных устройств и участков барабана ста­новятся близкими, что предотвращает возникновение боль­ших разностей температур.

В барабанах котлов высокого давления ТП-170, ПН-10, ЛК-19, ТП-230 и др. при неудачной конструкции или отсут­ствии «рубашек» обнаруживались трещины от тепловой усталости в местах ввода питательной воды - и раствора фосфата, около штуцеров водоуказательных колонок и ли­ний рециркуляции.

Трещины тепловой усталости в металле барабана обра­зуются, если температурные напряжения достигают боль­шой величины и повторяются многократно.

Особое внимание необходимо обращать на ввод линии рециркуляции экономайзера, по которой временами воз­можно поступление холодной воды в барабан, когда вентиль на линии неисправен или не закрывается при периодических подпитках котла во время растопки.

Вводы необходимо снабжать - проточной защитной ру­башкой и, кроме того, дырчатой водораспределительной трубой, распределяющей поступающую воду в барабан в потоке котловой воды. То же относится к штуцерам для входа и выхода перегретого пара в пароохладитель, рас­положенный внутри барабана, и к штуцерам, соединяющим барабан с водяной частью водоуказательных колонок, рас­положенных от барабана на значительном расстоянии.

По водяным линиям в барабан стекает небольшое ко­личество конденсата, иногда сильно охлажденного, а при

Подпитке котлах повышением уровня в барабане, наоборот, поступает горячая вода.

В связи с этим возможны частые и большие температур­ные изменения, чем и объясняется появление трещин около вводов на многих котлах высокого давления даже при на­личии заводских защитных рубашек. Для предупреждения появления трещин вводы необходимо выполнять с рубашка­ми и заводить линию внутрь барабана на 200—300 мм, за­канчивая в барабане небольшой емкостью. При выявлении трещин в металле барабана около вводов питательной во­ды, кольцевых трещин в завальцованных концах труб или продольных трещин на линиях подхода необходимо срочно переделать вводы, снабдив их эффективными защитными рубашками.

При переходе на изготовление барабанов высокого дав­ления, работающих при температуре 350 °С и давлении 15,5 МПа, была применена легированная сталь 16НГМ, предел текучести которой при рабочей температуре в 1,5 раза выше, чем стали 22К. Чтобы барабаны из стали 16ГНМ были достаточно работоспособными, т. е. не поражались массовыми трещинами, следует прежде всего снизить уро­вень фактически действующих напряжений. Наилучший эф­фект в борьбе с. трещинами можно получить за счет сниже­ния фактически действующих напряжений следующим образом: уменьшением концентрации напряжений вышли - фовкой трещин на действующих барабанах; снятием фасок у трубных отверстий; проточкой обечаек барабанов и умень­шением неточности их стыковки при сварке; точным соблю - - дением технологии при изготовлении и ремонте; увеличени­ем толщины стенки и уменьшением диаметра вновь изготов­ляемых барабанов; повышением качества металла за счет снижения содержания вредных примесей в нем (серы, фос­фора и Др.); уменьшением внутренних напряжений путем приварки внутрибарабанных устройств к телу барабана с подогревом и последующей термообработкой; стопроцент­ной дефектоскопией листа и сварных соединений в процес­се изготовления, а также контролем сварных швов в ме­талле барабана в процессе ремонта.

Допускаемые напряжения в барабане котла принима­ются согласно ОСТ 108.031.02-75.

Для барабанов котлов, проекты которых закончены до 1 апреля 1977 г., допускаемое напряжением при провероч­ных расчетах принимается: для барабанов из стали І6ГНМ [(у]=173 МПа (17,3 кгс/мм2); для барабанов из листов

С гарантированным пределом текучести при температуре 350 °С не ниже 270 МПа (27 кгс/мм2) — 180 МПа (18кгс/ /мм2); для барабанов, изготовленных из сталей 22К, 16М и других аналогичных марок сталей, равным минимально­му пределу текучести, указанному в паспорте котла, при рабочей температуре, деленному на запас прочности 1,5, но не более 130 МПа (13 кгс/мм2).