МЕТАЛЛ ПАРОВОГО КОТЛА

ВЛИЯНИЕ СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ЦЕЛЬНОТЯНУТЫХ ТРУБ

У современного парового котла все работающие под давлением трубы (как обогреваемые, так и необогре - ваемые) изготовляются цельнотянутыми, т. е. без продольного сварного шва. Из таких же цельнотянутых 30 труб (но значительно большего Диаметра) делают ци­линдрическую часть сборных камер (коллекторов). Лишь в воздухоподогревателе устанавливают трубы ■с продольным сварным швом.

Способы изготовления цельнотянутых труб в этой книге рассматриваются в объеме, необходимом при изу­чении дефектов, которые выявляются во время эксплуа­тации паровых котлов на электростанциях. Основными операциями при изготовлении труб являются: прошивка заготовки, т. е. изготовление из нее пустотелой стальной гильзьі', и получение из этой гильзы тонкостенной трубы.

Трубы. А—на валковом стане, б— на дисковом стане.

Цилиндрическую заготовку предварительно нагрева­ют в печи до температуры 1 100—1 250° С. Прошивка производится при движении раскаленной заготовки между вращающимися в одну сторону валками или дисками (рис. 20). При этом заготовка 1 начинает вра­щаться в обратную сторону. Кроме того, валки или диски сообщают заготовке поступательное движение и обжимают ее, вследствие чего несколько уменьшается ее диаметр и в выходящем из обжатия торце появляется воронкообразное углубление. В это углубление вставля­ют носик оправки 2, причем для более точной установки торец заготовки предварительно центруется. При даль­нейшем движении заготовки оправка (называемая так­же дорном) врезается в раскаленный металл и осуще­ствляет прошивку.

Вторая операция — раздача трубы до требуемых размеров—производится различными способами. На рис. 21,а схематически показаны валки, между которыми растягивается гильза и уменьшается толщина ее стенки.

На рис. 21,б схематически изображена одна из конструк­ций пилигримового стана, валки которого при каждом обороте ударяют по гильзе, куют ее и вытягивают. В промежутках. между ударами гильза подается немно­го вперед и одновременно поворачивается.

Трубы малого диаметра часто изготовляют на ре­дукционных станах, валки которых по конструкции

Близки к валкам, изображен­ным на рис. 21,а. Уменьше­ние диаметра происходит при последовательном про­хождении трубы через боль­шое число круглых отверстий между различными валками. Оправку в трубу не встав­ляют, и толщина стенки тру­бы на редукционном стане не уменьшается.

Дефекты, возникающие при изготовлении цельнотя­нутых труб, можно разде­лить на три основные группы: 1. Неметалл и ч е с к и е включения остаются в стали

Вследствие нарушения тех­нологии ее изготовления на металлургическом заводе. Эти включения имеют вид тонкой плены или отдель­ных близко расположенных зерен.

Рис. 21. Схемы прокатки цель­нотянутой трубы. А — на автоматическом стане; б — на пилигримовом стане; прокаты­ваемая гильза (на схеме а не пока­зана); неподвижная оправка; 3—оправка, перемещаемая вместе с трубой; 4—валки.

При небольшом количестве таких включений труба может работать вполне надежно. Если же включений много и они образуют сквозную или почти сквозную плену, то трубу обычно отбраковывают на трубопрокат­ном или котлостроительном заводе либо при гидравли­ческом испытании в период монтажа котла на электро­станции. Однако отдельные трубы отбраковываются только при эксплуатации котла, когда ослабленный ме­талл не выдерживает длительного напряжения и разры­вается. Такие разрывы чаще происходят на гибах труб, поскольку при операции гиба в холодном состоянии уве­личиваются имеющиеся небольшие трещины.

Кптел паропроизводительностью 220 т/ч на давление 100 ат, будучи включенным в работу после монтажа, проработал несколь­ко дней, после чего был отключен для осмотра. При этом обнару­жилось, что из трех труб ширмового пароперегревателя бьет струя пара. Когда котел несколько остыл, парение заметили уже в шести местах, а еще через 4 ч неплотными оказались трубы 14 ширм, у пароперегревателя рассматриваемого котла ширмы включены по

Рис. 22. Схема расположения пакетов труб ширмового пароперегревателя у котла ТКЗ паропроизводительностью 220 т/ч на дав­ление 100 ат.

Две последовательно; трещины были расположены во вторых по ходу пара трубных пакетах, в нижних гибах труб (рис. 22).

Трубы этих пакетов были изготовлены в соответствии с проек­том из легированной стали марки 12ХМФ. в которой имелось большое количество посторонних включений, имевших вид отдель­ных зерен (рис. 23). Однако хотя эти включения и уменьшили проч­ность стали, их наличие не было единственной причиной поврежде - ия труб.

Трубы из жаропрочной стали после изготовления подвергают гермической обработке, в процессе которой их нагревают до тем - ературы, когда происходит перестройка кристаллической решетки

М. В. Мейкляр. 33

Рис. 23. Трещина на гибе ширмового паропере­гревателя.

А — внешний вид трещины иа гибе трубы диаметром 42X4,5 мм, изготовленной из стали марки 12ХМФ; б—вид трещины, проходящей через посторонние включения в ме­талле при увеличении в 200 раз.

Металла в гамма-структуру, и затем медленно охлаждают. В рас сматриваемом случае при термической обработке трубы были н" догреты и при охлаждении металл приобрел неравномерное строе ние, характеризуемое неодинаковыми размерами отдельных зерсі и наличием очень крупных зерен феррита (рис. 24). Это такжі уменьшило прочность стали.

Все же сквозных трещин не было ни при изготовлении шир;»Н ни при их работе под нагрузкой. Но после отключения котла про исходит конденсация оставшегося в пароперегревателе пара. Обра зуюхцаяся при этом вода стекает в нижние гибы труб и быстро ох лаждается. Над слоем воды стенки труб имеют температуру, близкуі к температуре насыщенного пара. Неравномерное охлаждение вы зывает дополнительное напряжение в металле, которое и лривел к разрыву ослабленных стенок труб ширмового пароперегревателя

2. Разностенность (неодинаковая толщина стенки но окружности) труб чаще всего вызывается неравномер­ным по сечению нагревом заготовки или неравномерным ее остыванием перед прошивкой. Проходя между валка­ми, заготовка растягивается сильнее с более нагретой стороны, по которой у гильзы получается меньшая тол-

Рис. 24. Наличие в стали марки 12ХМФ зерен феррита различной величины вследствие недоста­точного нагрева при термической обработке (уве­личено в 200 раз).

Щнна стенки. Вследствие вращения заготовки три про - шпвке разностенность получается винтовой (рис. 25).

Разность температур в сечении обычно одинакова по всей длине заготовки, поэтому разностенность, как тра­вило, не изменяется по длине трубы.

Иногда разностенность возникает по причине износа трубопрокатного оборудования или неправильной его настройки. Но и в этих случаях она (практически полу­чается одинаковой по длине трубы. Отсутствие разно - стенности всегда проверяют только по торцам труб.

При анализе различных повреждений трубной си­стемы котла иногда возникало предположение о том, что 3* 35
■их причиной явилась разностенность труб только в их средней части по длине. Однако проверка обычно пока­зывала, что обнаруженная местная разностенность воз­никала не при изготовлении труб, а при эксплуатации котла на электростанции. Такую разностенность, связан­ную с односторонним чрезмерным нагреванием металла, легко можно отличить по увеличению периметра дефор­мированных труб.

Ность трубы.

3. Трещины и плены возникают как на наружной, так и на внутренней поверхностях труб, а иногда и в /толще металла. Трубы с наружными трещинами почти всегда отбраковывают до пуска котла в работу, по-

Этому условия образования таких трещин ниже не рас­сматриваются. На внутрен­ней поверхности труб тре-

И многими другими причинами: износом валков или вставляемой в трубу оправки, недогревом или чрезмерным нагревом металла при его прошивке или прокатке, чрез­мерным обжатием заготовки между валками либо другими нарушениями технологического процесса изго­товления труб. Для работников электростанций обычно вопрос о том, какое именно нарушение технологии по­влекло за собой образование трещин в том или ином слу­чае, является второстепенным. Для них гораздо важнее другой вопрос — как отличить трещины, возникшие при изготовлении труб, от других повреждений поверхностей нагрева, и можно ли после замены участков труб с та кими трещинами допустить котел к дальнейшей эксплуа­тации.

На такие вопросы нельзя, конечно, дать один исчер­пывающий ответ, охватывающий все многообразные практические случаи. Поэтому в каждом отдельном слу­чае необходимо тщательно анализировать условия, при которых произошло то или другое повреждение, и опре­делять действительные причины, вызвавшие это повреж дение. В результате этого можно выработать практиче­ские мероприятия для предупреждения аналогичных по вреждений в будущем. В связи с этим полезно привесті несколько кенкретньих примеров.

А) На рис 26,а показана схема образования трещин при не­правильной прошивке заготовки, а на рис. 26,6 — структура метал­ла с одной из этих трещин при увеличении в 90 раз. При рас­смотрении структуры можно заметить, что вблизи трешины металл несколько светлее, чем вдали от нее. Объясняется это тем, что на­грев стали до высокой температуры сопровождается постепенным обезуглероживанием ее поверхностного слоя, из которого углерод выходит (диффундирует) наружу. В результате этого перлит исче-

Рис. 26 Образование трещин при неправиль­ной прошивке заготовки трубні.

Зает н в поверхностном слое остается только феррит, что обнару­живается под микроскопом в виде более светлой окраски протрав­ленной поверхности металла. Одновременно с этим происходит постепенное проникновение (диффузия) кислорода внутрь металла, вследствие чего в поверхностном слое появляются окислы железа.

Обезуглероживание поверхностного слоя стали марки 20 воз­можно при ее длительном нагреве до температуры 600—700° С или кратковременном нагреве примерно до 1 000° С. Нагрев до такой температуры не возможен на котлостроительном заводе, где трубы из углеродистой стали не подвергаются термической обработке. Трубы экономайзера не испытывают такого нагрева и при эксплуа-

Тации котла. Следовательно, если в трубах экономайзера вокруг обнаруженных трещин имеется слой обезуглероженного металла, можно утверждать, что трещины возникли не при зксплуатаціг» котла, а при изготовлении труб на трубопрокатном заводе.

Б) В котле, работавшем при давлении 64 ат, произошел раз­рыв необогреваемой трубы, по которой вода из барабана напрап, лялась к выносному сепарационному цнклону. Эта труба находи­лась в эксплуатации около 4 чет.

Уже при первом наружном осмотре обратили внимание на то что при наружном диаметре 8а мм труба разорвалась на длит 640 мм. Разрыв на столь большой длине свидетельствовал о значи тельном понижении прочности металла Анализ показал, ч ), труба была изготовлена из углеродистой стали марки 10, имеющей более высокую пластичность, чем сталь марки 20. Разрыв произо /пел на гибе трубы. На внутренней поверхности стенок при небольшом увеличении были обнаружены глубокие раковины и бо­розды, направленные по длине грубы. Отдельные трещины имел: глубину более 1 мм.

На кромке разрыва при увеличении были ясно видны две раз­личные зоны: пористая — с внутренней стороны трубы и гладкая — с наружной стороны. Глубина пор. істой зоны превышала половину толщины стенки. Внутри отдельных трещин находился твердый осадок фосфатов всегда имеющихся в котловой воде. Во многи местах иа внутренней поверхности был слой продуктов коррозия толщиной до 0 3 мм.

Эти борозды и трещины не могли возникнуть при работе не­обогреваемой трубы под нагрузкой. Они могли появиться толькс при нарушении технологии изготовления трубы на трубопрокатне* заводе. Мелкие трещинки увеличились во время гибки трубы в дальнейшем они стали очагами коррозионного разрушения мг талла.

Нарушение технологического процесса изготовления трубы но сило, по-видимому, случайный характер, ибо в дальнейшем в те челне нескольких лет аналогичных повреждений металла на эти< котлах не было.

В) В период окончания монтажа котла ТП-150-1, рассчитан­ного на давление 32 ат, при проверке трубной системы шар диамет - ром 25 мм не прошел через 15 змеевиков пароперегревателя внут ренним диаметром 31 мм. Два из этих змееьиков разрезали. В ни: обнаружили винтовую плену, вызвавшую отслоенне внутреинел слоя металла толщиной до 1 мм от стеики трубы. Выло решені трубы с пленой не заменять. При эксплуатации котла наличие пле ны вызвало разрушение только двух труб.

Этот случай показывает возможность длительной надежной ра боты труб, имеющих неглубокую внутреннюю плену, ари отсутств I разрушающего действия коррозии.