Повреждения барабанов и коллекторов паровых котлов

2.3. Повреждения барабанов и коллекторов паровых котлов

Количество аварийных остановов котлов из–за повреж­дений барабанов сравнительно невелико. Однако необходи­мо отметить, что повреждения барабанов и коллекторов котлов из–за упуска воды – основная причина все еще име­ющих место взрывов котлов.

На надежность котлов при эксплуатации отрицательно влияют дефекты, не выявленные при изготовлении в свар­ных швах, на поверхности корпуса барабана, а также в ме­стах приварки внутрибарабанных устройств; технологиче­ских, монтажных деталей и опор барабана.

Основными причинами появления трещин в барабанах в процессе эксплуатации являются: высокий уровень действующих напряжений; значительные изменяющиеся во вре­мени температурные напряжения, которые возникают при остановах (особенно аварийных) и пусках котлов; корро­зия и низкая деформационная способность металла бара­бана. Повреждения барабанов трещинами, как правило, про­исходят в результате развития коррозионно–механической усталости.

Число отказов в работе барабанных котлов высокого дав­ления продолжает оставаться довольно большим. Основной причиной такого положения является внутренняя коррозия. Коррозионное повреждение труб, включенных в пароводя­ной тракт, приводит к аварийному останову мощного котла столь же быстро, как и малопроизводительного котла. Раз­ница – в несоизмеримо большем ущербе от последствий такого останова.

Повреждения котлов иногда происходят из–за жестко­сти соединения элементов и затрудненности их тепловых деформаций, вследствие чего в местах загибов стальных ли­стов, в заклепочных швах, в местах вальцовки и трубных решетках во время работы возникают высокие местные на­пряжения.

Дополнительные местные механические нагрузки в ме­талле могут возникать из–за конструктивных недостатков, а также в результате неудовлетворительного монтажа и экс­плуатации котла. Например, при зажатии барабанов и кол­лекторов котла в обмуровке возникают большие механиче­ские напряжения в местах крепления кипятильных труб, удлиняющихся при нагревании. Напряжения возникают так­же при зажатии экранных труб в местах прохода их, через обмуровку или обшивку котла. Повышенные местные на­пряжения могут возникать при большой разности темпера­тур котловой воды в барабане и питательной воды, непо­средственно попадающей на его стенки, например в штуце­рах для ввода в него питательной воды, если у них отсутствуют защитные рубашки.

Термические деформации барабанов котлов вызываются иногда следующими причинами:

1) значительными изменениями нагрузки котла;

Рекомендуемые материалы

2) подпитками котлов большими количествами относитель­но холодной питательной воды;

3) оставлением котлов в горячем резерве без отключения их от паропроводов действующих котлов;

4) неправильными режимами растопки и расхолаживания
котлов.

Деформации барабанов наблюдаются при растопке вер­тикально–водотрубных котлов, имеющих нижние барабаны.

Испытания показывают, что при отсутствии парового подогрева воды в нижнем барабане температуры металла отдельных участков его стенок (бокового обращенного в топку и нижнего) могут во время растопки иметь откло­нения на 100–120  ºС, при этом стрела прогиба барабана достигала  7–10 мм.

Деформации барабанов котлов возникают также при повреждении изолирующей обмуровки или торкрета, упусках воды, например, при разрывах кипятильных или экранных труб, при местном (части барабана) охлаждении наружным холодным воздухом.

При недостаточной тепловой изоляции верхнего бараба­на со стороны газов и высокой температуре упуск воды ве­дет к перегреву его металла, короблению и нарушению плот­ности вальцованных соединений труб. Известны также слу­чаи возникновения трещин между отверстиями для труб в барабане.

Особое место занимают механические напряжения тер­мического характера, возникающие в барабанах котлов при авариях и неполадках, например при обвале защитной фу­теровки топки, когда обнажаются заклепочные швы нижне­го барабана, при упусках воды, разрывах кипятильных и экранных труб, когда котел остается без воды при горя­чей еще кладке, при быстром заполнении холодного котла горячей водой или еще не остывших барабанов холодной водой. Такое же влияние на барабаны котлов (деформа­ции, коробление) оказывает и местное охлаждение их в зимнее время из–за присоса холодного воздуха в топку.

Перегрев и коробление коллекторов экранов (а также пароперегревателей, экономайзеров) происходит при омывании их дымовыми газами высокой температуры, при чрез­мерной длине коллекторов (коробление), а также при пло­хой тепловой изоляции и недостаточном их охлаждении.

По указанным причинам возможны повреждения кол­лекторов (появление отдулин, поверхностных и сквозных трещин в металле).

Особое внимание следует уделять перемещению реперов (указателей)  у барабанов и коллекторов. После ремонта необходимо проверить положение реперов. Реперы в холод­ном состоянии должны быть установлены на 0, перед рас­топкой котла. Перемещение у коллекторов от теплового удлинения экранных труб записывают в формуляр.   Нормальные тепловые удлинения элементов котла указываются в чертежах завода–изготовителя и в инструкции по монтажу, эксплуатации и обслуживанию котлов.

Расчетные предельные продольные тепловые перемеще­ния блоков котлов (нижних барабанов) приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 – Тепловые перемещения котлов типа Е (ДЕ)

Нижний барабан на фронте котла типа Е (ДЕ) закреп­ляется неподвижно приваркой барабана к подушке попе­речной балки опорной рамы. Тепловое расширение нижнего барабана предусмотрено в сторону заднего днища, для чего задние и средняя опоры (для котлов паропроизводитель­ностью 16 и 25т/ч) выполнены подвижными. На заднем днище нижнего барабана устанавливается репер для конт­роля за его перемещением. Установка реперов для контро­ля за тепловым перемещением в вертикальном и попереч­ном направлениях не требуется, так как конструкция котлов обеспечивает свободное перемещение в этих направлениях.

Для котлов большой производительности экраны с их необогреваемыми водоопускными трубами висят на верх­них коллекторах или барабанах. Барабаны либо подвешены к балкам каркаса котла, либо лежат на опорах.

Экранные трубы при растопке котла от нагревания удли­няются на 40–60 мм, а иногда и более и при останове вновь укорачиваются.

Удлиняются также при нагревании барабаны и коллек­торы. Свободное тепловое перемещение барабанов достига­ется тем, что их подвески выполняются шарнирными, а опо­ры–роликовыми.                                   

Для большинства современных котлов обогреваемые экранные трубы свободно висят на верхних камерах и при нагревании удлиняются вниз беспрепятственно.

В начальный период работы котла недостаточное тепло­вое перемещение труб приводит к тому, что трубы обрывают или ломают крепления, а иногда поднимают с опор барабан.

Изредка такие повреждения возникают и у котлов, про­работавших длительное время.

После нескольких лет эксплуатации экранные трубы котла ТП–230–2 удлинились настолько, что при остывании остановленного котла нижние экранные камеры перестали подниматься со своих опор. Удлинение и укорочение труб при остановах и растопках котла происходило только за счет их сгибания и разгибания в местах гиба. Затем было замечено протекание воды через изоляцию нижней камеры. При осмотре выявилось, что вблизи камеры в трех трубах появились трещины из–за чрезмерного напряжения в зоне их присоединения к камере.

При отсутствии данных теплового удлинения их подсчи­тывают по формуле, мм:

,

где а – коэффициент линейного расширения, равный 1,2 мм/м длины при нагревании на 100 ºС для углеродистой стали и 1,8 мм/м для аустенитной стали; t_ср – температура стенок труб, ºС, принимаемая для экранов равной темпера­туре насыщения, а для пароперегревателя и экономайзе­ра – средней температуре среды; L – длина трубы, м.

При подсчете теплового удлинения экранов необходимо учитывать компенсирующую способность изгибов труб.

При капитальном ремонте котла необходимо проверить состояние креплений барабанов, коллекторов и труб, с тем, чтобы убедиться в отсутствии повреждений опор, в их пра­вильном положении. При проверке предварительно очищен­ных от загрязнений креплений все обнаруженные неисправ­ности необходимо отмечать в специальном ремонтном фор­муляре, например неисправность шарнирных соединений, сползание (сдвиг) опор, наклонное положение пружин, хо­мутов или тяг, защемление подвижных частей и т. п.

Особое внимание при внутреннем осмотре барабанов уделяется проверке состояния поверхностей в районе труб­ной решетки, изогнутых участков днищ, сепарационных и питательных устройств. Осмотр трубных отверстий бара­бана и коллекторов производится после удаления концов труб или штуцеров. Проверка диаметра отверстий осущест­вляется при помощи шаблона.

На барабанах и коллекторах с приварными патрубками и штуцерами следует проверить отсутствие трещин в местах их приварки.

При каждом ремонте котла проверяется щупом, не за­сорены ли зазоры, обеспечивающие тепловое расширение. Зазоры контролируют на всей их протяженности в соответ­ствии с чертежом. Следует тщательно очищать подвижные опоры барабанов и коллекторов, так как они в процессе эксплуатации засоряются и создают добавочные сопротив­ления перемещению.

Внутреннему осмотру, например, выведенного в ремонт котла типа Е (ДЕ) подлежат барабаны и коллекторы зад­него экрана, обязательному вскрытию и осмотру – лючки верхнего коллектора заднего экрана. Для выявления участ­ков барабана, поврежденных коррозией, поверхность необходимо осмотреть до внутренней очистки. При определении интенсивности коррозии измеряют глубину повреждения металла.

Равномерное коррозионное повреждение измеряется по толщине стенки, в которой для этой цели сверлится отвер­стие диаметром около 8 мм. После измерения в отверстие устанавливают пробку и обваривают с двух сторон.

Основные коррозионные повреждения металла или яз­вины измеряют по оттискам. Поврежденный участок поверх­ности металла очищают от отложений и слегка смазывают техническим вазелином.

Наиболее точный отпечаток получается, если повреж­денный участок расположен на горизонтальной поверхности и в этом случае имеется возможность залить его расплав­ленным металлом с низкой температурой плавления, ибо затвердевший металл образует точный слепок поврежденной поверхности.

Для получения слепков используют баббит, олово, по возможности применяют гипс.

Оттиски повреждений, расположенных на вертикальных и потолочных поверхностях, получают, используя воск и пла­стилин.

Слепки и оттиски необходимо сохранять и сравнивать с новыми, получаемыми при последующих осмотрах тех же мест.

В сварных барабанах проверяют швы, а в коллекто­рах – швы приваренных донышек. Проверку при наличии трещин необходимо производить 2 раза – до внутренней очистки поверхностей и после нее.

Контроль поверхности барабана, трубных отверстий, шту­церов и сварных соединений при обследовании металла и выборке дефектов производится внешним осмотром и с по­мощью магнитопорошковой дефектоскопии (МПД). Поверх­ность металла и его сварные швы проверяют ультразвуко­вым дефектоскопом (УЗД).

Во время контроля сплошности металла барабана со­ставляют формуляр развертки барабана, на котором про­нумеровывают все трубные отверстия; отмечают отверстия с трещинами, коррозионными язвами на их поверхности и в зонах, прилегающих к трубным отверстиям; наносят выявленные визуально и с помощью МПД и УЗД дефекты сплошности металла и сварных швов (трещины, раковины и т. п.) с указанием их размеров, а также наибольшей глу­бины и контуров вышлифовки каждого дефекта.

2.3.1. 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:

1) 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 внутрибара­банных 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;

2) коррозионные разъедания обечаек и днищ барабанов;

3) язвины, цепочки язвин и раковины на наружной и вну­тренней поверхностях обечаек и днищ и поверхности отвер­стий;

4) 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.

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.

Рис. 2.1. Трещины на  поверхности обечайки, на стенках трубных отверстий и внутренней поверхности штуцера

Рис.   2.2.   Развитие  повреждений   днища   барабана.   Цифры – глубина трещин, мм

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

Возникновение типичных трещин связало 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 нормам. 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.

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 разрушении 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.

Образование трещин в опускных отверстиях объ­ясняется 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 ºС). 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 ºС.

В случае разрыва экранных труб давление снижается значительно быстрее и разность температур верха и низа барабана достигает 100–130 ºС. 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 ºС.

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, АК–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.

Обратите внимание на лекцию "5 Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов".

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 котла с 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 ºС 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 вышлифовкой трещин на действующих барабанах; снятием фасок у трубных отверстий; проточкой обечаек барабанов и умень­шением неточности их стыковки при сварке; точным соблю­дением 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 16ГНМ [σ]=173 МПа   (17,3 кгс/мм²); для    барабанов из листов с гарантированным пределом текучести при температуре 350 ºС не ниже 270 МПа (27 кгс/мм2) – 180 МП а (18 кгс/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).