МЕТАЛЛ ПАРОВОГО КОТЛА

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БАРАБАНОВ НА ИХ ПРОЧНОСТЬ

Изготовление барабана котла является, пожалуй, наиболее сложным и ответственным процессом во всем котлостроении. Цилиндрическая часть (обечайка) бара­бана изготовляется различными способами. Иногда она состоит из двух полуцилиндров, которые получаются при сгибании стальных листов большой толщины на гидрав­лическом прессе (рис. 45,а). У советских котлов высоко­го давления большинство обечаек состоит из нескольких

Звеньев (рис. 45,6), которые сгибают на мощных валь­цах. Конечно, во всех случаях листы изгибают, нагревая 11Х до высокой температуры.

Днища штампуют (также в нагретой! состоянии) из стальной заготовки на гидравлическом прессе большой мощности.

Соединение между собой отдельных элементов бара­бана осуществляется при помощи электросварочных ма­шин. Раньше сварку кромок изогнутых стальных листов

Рис. 45. Схема сопряжения отдельных элементов бара­бана котла высокого давления. а — обечайка 1 состоит из двух „корыт*, согнутых из стального листа на особом гидравлическом прессе; б — обечейка 2 состоит из нескольких звеньев; 3— днища.

Гроизводили путем. многократного наложения небольшо­го слоя присадочного металла. Такая операция отнимала много времени. Кроме того, для снятия возникающих при сварке внутренних напряжений требовался промежуточ­ный нагрев барабана в печи после наложения нижней по­ловины каждого из сварных швов. Ввиду этого изготов­ление барабанов еще более усложнялось и удорожалось.

В настоящее время котлостроительные заводы освои­ли так называемую электрошлаковую сварку, при которой звено барабана устанавливается вертикально и сварочный аппарат медленно движется вдоль шва снизу вверх (рис. 46). Привычная для сварщиков электриче­ская дуга здесь отсутствует. Действие электрического то­

Ка заключается в нагревании слоя присадочного мате­риала (шлака), покрывающего сварной шов При этом выделяется во много раз большее количество тепла чем при нагреве металла электрической дугой. Столь боль­шой подвод тепла делает возможным создание в сварном шве широкой ванны жидкого металла, ограниченной двух сторон свариваемыми кромками стальных листов, я с других двух сторон—медными пластинами, которые непрерывно охлаждаются проточной водой. Присадочная проволока подается особым автоматическим устройством и расплавляется под поверх­ностью жидкого шлака.

Движение вверх свароч­ного аппарата рассчитано так, что из-под аппарата ос­вобождается уже застывший металл. Сварочный аппарат лишь один раз перемещает­ся вдоль шва.

Днища котельных бара­банов в настоящее время из­готовляют из стального лис­та, имеющего толщину, при­мерно вдвое большую, чем у обечайки. Расчет показы­вает, что толщину стальной заготовки можно было бы значительно уменьшить, если 'бы днище не было ослав­лено лазовым отверстием, вокруг которого резко увели­чивается напряжение в металле (рис. 47). Вследствие этого заготовка должна иметь в середине гораздо боль­шую толщину и по ее краям приходится удалять значительную часть металла.

Днище можно изготовлять и из плоского листа, но тогда его среднюю часть приходится усиливать путем присоединения электросваркой дополнительного сталь­ного кольца.

Рис. 47. Усилия, стремящиеся разорвать стенку барабана (рез­ко увеличиваются у края ла­зового отверстия).

При изготовлении котельных барабанов и камер не­обходимо считаться с тем, что металл, из которого они выполняются, имеет не вполне однородное строение. Объясняется это условиями затвердевания жидкой ста­ли после ее выпуска из металлургической печи. Снача­ла затвердевает поверхностный слой стального слитка,

Внутренняя Же его часть остается расплавленной бо­лее длительное время. Находящиеся в стали примеси распределяются при таком остывании неравномерно то толщине слитка. После проката, когда стальной сли­ток принимает вид толстого листа, в нем остаются зоны с повышенным содержанием серы, имеющие пониженную прочность.

На рис. 48 изображена камера, в которой днище изготовлено на токарном станке из листового металла большой толщины. Для котлов высокого давления заготовку такого днища проковывают; при этом сернистый марганец и другие примеси, сосредоточенные

Рис. 48. Трещина в плоском днище камеры пароперегревателя. А — вид конца камеры с трещиной, появившейся на границе кольцевого сварного шва; б— приварка днища 2 к цилиндрической части I камеры; в—трещины в металле; г — структура металла днища (увеличено В 35 раз).

В зонах пониженной прочности, рассредоточиваются в большом объеме металла. На рисунке показана также трещина в плоском днище камеры пароперегревателя, появившаяся после 2 лет экс­плуатации и вызванная гем, что заготовка днища была недостаточ­но тщательно прокована на котлостроительном заводе.

Все котельные барабаны после изготовления подвер­гаются термической обработке; однако и после нее струк­тура металла в швах, а также вблизи швов значитель­но отличается от структуры основного металла. Трещи - 64 цьі в наплавленном металле возникают чаще, чем в ос­новном металле. В сварном шве допустимо сверление лишь единичных отверстий малого диаметра, поскольку у стенок отверстий возникают тем большие дополнитель­ные напряжения, чем больше диаметр отверстий.

При механической обработке внутренней поверхности кованого барабана с внутренним диаметром 1 300 мм было допущено мест­ное уменьшение толщины стенки и для восстановления ее проект­ной толщины наплавлен слой металла 9 мм. После 4 300 ч работы были обнаружены трещины в зоне наплавки глубиной до 35 ям, расположенные между трубными отверстиями для пароперепускных труб (рис. 15). Барабан был демонтирован и заменен новым.

Перед изготовлением барабана качество металла про­веряется отдельно у каждого стального листа. В готовом барабане при поімощи рентгеновских аппаратов прове­ряют качество сварных швов. Однако иногда необнару­женные дефектьи выявляют при монтаже или ремонте кот­ла Они должны немедленно полностью устраняться, по­скольку разрыв стенки барабана может привести к очень большим разрушениям.

Во время капитального ремонта однобарабаиного котла паро­производительностью 50 т/ч при давлении 80 ат была обнаружена трещина в сварном шве на внутренней поверхности днища. Про­травливание кислотой поверхности металла вокруг трещины и свер­ление контрольных отверстий позволили установить, что трещина была старой и что она была обнаружена при приварке днища к обечайке барабана на заводе. Было видно, что тогда металл в зо­не трещины был вырублен и затем образовавшуюся щель заплавилн электросваркой. Однако вырубка не была осуществлена на всю глубину трещины. Внутренняя трещина постепенно увеличивалась и, наконец, появилась на поверхности металла.

Срок ремонта котла пришлось удлинить. Металл вокруг трещи­ны был вырублен на большую глубину и заново наплавлен.

Барабаны обычно не обогреваются дымовыми газа­ми, и температура их стенок не может быть выше тем­пературы кипения воды в котле; поэтому для изготовле­ния барабанов обычно применяют качественную углеро­дистую или слабо легированную сталь.

В СССР у первых котлов высокого давления бараба­ны были изготовлены' из молибденовой стали марки 15М, содержащей около 0,5% молибдена. До последнего вре­мени наиболее часто применяли сорта стали марок 22К и 16ГНМ (см. табл. 1).

5 М. В. Мейкляр. 65

19. ПОВРЕЖДЕНИЯ В МЕСТЕ ПРИСОЕДИНЕНИЯ КОНЦОВ ТРУБ К БАРАБАНАМ И КОЛЛЕКТОРАМ КОТЛА

Одним из наиболее старых способов присоединения концов труб к барабанам и сборным камерам является их развальцовка. Процесс развальцовки заключается в том, что с помощью особого инструмента (вальцовки) концы труб несколькб раздаются, т. е. увеличиваются в диаметре, чем обеспечивается-их прочное прижатие к краям трубных отверстий. Особыми роликами про из в о. дится отбортовка торцового участка труб, выступающее ро внутрь барабана или коллектора, т. е. несколько боль­шее увеличение его диаметра, чем на развальцованном участке.

Увеличение диаметра конца трубы является пласти­ческой деформацией металла и может происходить толь­ко тогда, когда напряжение в нем при развальцовке до­стигает предела текучести. Металл барабана вблизи трубного отверстия испытывает несколько меньшее на­пряжение, чем вальцуемый участок трубы, но, как по­казали измерения, в нем также возникает небольшая пластическая деформация.

При развальцовке происходит не только увеличение диаметра деформируемого конца трубы, но и его удлине­ние. Выступающий внутрь барабана небольшой участок (колокольчик) увеличивается в длине примерно на ,Ъмм. Наружный слой металла трубы перемещается в длину только до того момента, пока труба не будет прижата к краям трубного отверстия, после чего металл в на­ружном слое трубьи почти перестает удлиняться. Удлине­ние же внутреннего слоя продолжается, и он несколько перемещается относительно наружного. Чем длиннееt развальцованный участок трубы, тем больше это взаим­ное смещение слоев металла.

Канавки 4 в стенках отверстий для труб (рис. 49,с) делают не столько для увеличения прочности, сколько для уменьшения высоты каждого из развальцованных участков и соответствующего снижения напряжения в металле. На этом же рисунке показано, что у «отлов высокого давления развальцовка труб в толстостенных барабанах производится лишь на части высоты трубного отверстия. Увеличение высоты развальцованного участка привело 'бы к возрастанию перемещения внутреннего 66

Слоя трубы относительно наружного, что создало бы в металле дополнительные напряжения.

Повреждение вальцовочных соединений иногда объяс­няется неудовлетворительной развальцовкой концов - груб: их недовальцовкой, перевальцовкой, недостаточной предварительной очисткой сопрягающихся поверхностей, дефектами инструмента и пр. Однако большие внутрен­ние напряжения всегда имеются и при травильной раз-

/,4

Рис. 49. Присоединение труб к барабану котла высокого давления. А — вальцовочное; б—сварное; 1 — стенка барабана; 2—приварном штуцер; 3 — труба; 4— кольцевая канавка в трубном отверстии барабана котла-

Вальцовке. Если какая-либо труба подвергается воздей­ствию чрезмерных усилий, то первым повреждается ее развальцованный участок как наиболее слабое место. Тогда между трубой и стенкой трубного отверстия в ба­рабане или коллекторе возникает неплотность, а иногда появляются трещины. Как правило, трещины сначала поражают трубу, и лишь в дальнейшем они появляются в стенках барабана или коллектора. Даже ничтожные неплотности могут с течением времени увеличиваться, поэтому их нужно своевременно устранять. Места не­плотностей можно обнаружить и на неработающем котле по слою солевых отложений вокруг них. S* 67

To

У труб трещины обычно появляются на наружной по­верхности и, как правило, имеют вид кольцевых (рис. 50). В теле барабана трещины обычно расходятся как лучи от трубных отверстий (рис. 51).

Повреждение вальцовочных соединений во время экс. плуатации парового котла может быть вызвано различ-

Рис. 50. Кольцевые тре­щины на наружной по­верхности развальцован­ного участка трубы.

Ными причинами. Рассмо­трим некоторые из них.

1. Это может. произой­ти при недостаточном теп ловом расширении экран­ных труб в период рас­топки или остановки котла вследствие, например, не­правильного монтажа растяжек или от того, что трубы, удлиняясь при нагревании, упираются в обмуровку или лежащий на обмуровке слой золы.

При первых растипках котлов после реконструкции топочной камеры экранные трубы перемещались вниз. В период работы кот­лов жидкий шлак протекал между дополнительно установленными кирпичами и застывал вокруг труб, «приклеивая» их к неподвиж­ным кирпичным конструкциям. Охлаждаясь после прекращения ра­боты котлов, грубы не могли свободно укорачиваться и с большой силой тянули барабан вниз. Вследствие этого в местах разваль­цовки труб возникали чрезмерные напряжения и появлялись коль­цевые трещины.

2. Вальцовочные соединения могут быть повреждены при быстром их охлаждении. При омывании относитель­но холодной водой развальцованные концы труб сжи-

Рис. 52. Конструкция холодной воронки, в которой возникло защемление нижней части экранных труб.

69

Маются и немного отстают от стенок трубных отверстий. В результате етого образуются неплотности, которые обычно не изчезают и после выравнивания темпера­туры. Опасно даже случайное кратковременное и срав­нительно небольшое охлаждение развальцованных кон­цов труб.

При резком нагревании вальцовочных соединений (например, при заполнении котла перед растопкой отно­сительно горячей водой) концы труб нагреваются гораз­до быстрее массивного барабана. Такая разность темпе­ратур менее опасна, поскольку трубы, расширяясь, не отстают от стенок трубных отверстий, а еще сильнее прижимаются к ним.

Развальцовку труб производят изнутри барабана или через особые лючки на коллекторах. Наличие большого количества таких лючков у котлов высокого давления не­желательно, так как это увеличивает возможность появ­ления неплотностей; поэтому почти у всех котлов высо­кого давления трубьи присоединены к сборным коллекто­рам на сварке. Начиная с 1956 г., таким же способом присоединяют трубы и к барабанам.

Сварное соединение прочнее вальцовочного. Кроме того, отверстия в барабане можно сверлить не по наруж­ному, а по внутреннему диаметру труб. Стенки барабана меньше ослабляются трубными отверстиями. При одина­ковых толщине и качестве металла барабан с приварны-_ ми трубами может иметь больший диаметр, чем бара­бан, в котором трубы развальцованы.

При наложении сварного шва на поверхность толсто­стенной камеры наплавленный металл быстро охлаж­дается и в нем возникают высокие напряжения. Для их снятия необходима термическая обработка камеры. Такая термическая обработка не может быть произведе­на в монтажных условиях, поэтому на котлостроительном заводе к барабанам и камерам приваривают короткие штуцера 2 (ом. рис. 49,6), а при монтаже котла трубы приваривают к этим штуцерам. Приварка штуцеров к ка* мерам производится на зазоде особыми сварочными автоматами.

Повреждение мест приварки штуцеров к камерам возникает редко даже в котлах, у которых эта привар­ка была произведена вручную. 70