Повреждения пароперегревателей из-за повышения температуры перегретого пара

5.3. Повреждения пароперегревателей из–за повышения температуры перегретого пара

Во время работы котлов имеют место значительные от­клонения температуры перегрева пара от нормальной при неудовлетворительном топочном режиме.

Надежная работа перегревателя будет обеспечена, ес­ли температура стенки трубы не превышает максимально допустимого значения по условиям прочности металла. Тем­пература стенки зависит от температуры перегретого па­ра (с учетом разверки), тепловой нагрузки и коэффициен­та теплоотдачи.

5.3.1. Основные причины повреждений пароперегревателей

В практике эксплуатации нередки случаи аварийного повреждения змеевиков пароперегревателей (особенно ширм и выходной ступени конвективной части), а также промежуточного пароперегревателя. Более часто повреж­даются змеевики из стали XI8Н12Т, обладающей повы­шенной склонностью к окалинообразованию, при работе котла на мазуте.

Повреждения пароперегревателей на котлах с давлени­ем пара 14 МПа составило до 50 % всех отказов, а по кот­лам с давлением 10 МПа – до 40 %.

К основным причинам, вызывающим повреждения пароперегревателей, относятся:

1) длительная работа металла труб с повышенной по сравнению с расчетной температу­рой, приводящая к изменению структуры металла и образованию трещин;

2) кратковременная работа металла с чрез­мерно высокой температурой, вызывающая отдулины или разрывы труб;

Рекомендуемые материалы

3) наружная и внутренняя коррозия труб;

4) ме­ханический наружный износ (эрозия) труб летучей золой и уносом или струей пара;

5) отложения солей на внутренних поверхностях перегревателя из–за высокого солесодержания котловой воды;

6) исчерпание ресурса длительной проч­ности;

7) систематические колебания температуры металла труб, вызывающие разрушение металла с образованием кольцевых трещин. Это явление усиливается, если трубы защемлены и их удлинение затруднено.

Перегрев металла труб может быть в результате по­вышения средней температуры перегретого пара или повы­шения температуры пара в отдельных змеевиках перегре­вателя. В последнем случае средняя температура пара на выходе из перегревателя может находиться в пределах нормы.

Чрезмерное повышение средней температуры пара мо­жет быть вызвано причинами эксплуатационного и конст­руктивного характера.

Наиболее частыми причинами чрезмерно высокой тем­пературы пара являются эксплуатационные причины. На­пример, перевод котла на сжигание топлива ухудшенного качества с повышенной влажностью или зольностью или на другой вид топлива с более низкой теплотворной спо­собностью приводит к перераспределению тепловосприятия между радиационной и конвективной поверхностями нагрева. При выполнении перегревателя конвективным это приводит к повышению температуры пара. Такое же влияние оказывают: неудовлетворительный топочный ре­жим с большим избытком воздуха (что ведет к увеличению объемов и скоростей дымовых газов); чрезмерно высокое распределение факела в топке; затягивание горящего фа­кела в конвективный пучок и продолжение горения в обла­сти пароперегревателя; загрязнение и шлакование поверх­ностей нагрева котла, расположенных до пароперегревате­ля; снижение температуры питательной воды.

Повышение температуры пара может быть и при ма­лом избытке воздуха в результате догорания газов в об­ласти пароперегревателя.

Причины конструктивного характера, приводящие к по­вышению средней температуры перегретого пара, связаны с завышением поверхности нагрева пароперегревателя (ошибка расчета).

При необходимости целесообразнее сократить поверх­ность нагрева горизонтального перегревателя путем удале­ния отдельной секции, а вертикального перегревателя – путем вырезки одинаковых участков труб у всех змееви­ков.

Другой способ уменьшения поверхности нагрева пе­регревателя состоит в удалении части змеевиков по воз­можности равномерно по ширине газохода, но при этом не­избежно появление коридоров.

Решение о целесообразности уменьшения поверхности нагрева перегревателя может быть принято только на осно­вании исследования работы котла и установления невоз­можности применения других, более простых способов снижения температуры перегретого пара.

Одной из важных задач обеспечения надежности блоч­ных установок является автоматическое поддержание тем­пературы перегретого пара в заданных, обычно весьма уз­ких, пределах. Стабильность температуры зависит от це­лого ряда режимных факторов, но основные ее колебания связаны с изменением нагрузки.

При развитом конвективном перегревателе температура пара растет с увеличением нагрузки; наоборот, при мощ­ном радиационном перегревателе температура в этих усло­виях снижается.

На практике даже комбинированные радиационно–конвективные перегреватели в эксплуатационных условиях не обеспечивают постоянства температуры перегретого пара в пределах допустимых отклонений, в связи, с чем каждый котел оборудуется устройством для регулирования темпера­туры перегретого пара. Наибольшие допустимые отклоне­ния температуры перегретого пара от номинального зна­чения установлены ГОСТ 3619–82Е (табл. 5.3).

Таблица 5.3 – Отклонения от номинальных значений температуры пара (по ГОСТ 3619–82Е)

Примечание. Для котлов на номинальную температуру пара 225 и 250 ºС предельные отклонения установлены при работе с номинальной паропро­изводительностью,   для   остальных   котлов – при   диапазоне   нагрузок 100–70 %.

При чрезмерном повышении температуры пара металл
становится пластичным. Под действием внутреннего дав­ления перегретого пара появляются отдулины в трубе, а затем труба разрывается вдоль образующей. Размеры по­врежденного участка с повышением температуры стенки увеличиваются. С большой скоростью пар из места разры­ва истекает в газоход, что приводит к усиленному охлаж­дению трубы, вследствие чего температура стенки трубы в месте разрыва уменьшается, а это прекращает дальней­шее увеличение размеров разрушенного участка. Следует иметь в виду, что струя пара, выходящего из разрушенной трубы, может повредить соседние трубы.

Многие повреждения труб перегревателя являются ре­зультатом неправильного режима его работы, во время ра­столок и остановов котла, когда расход пара через перегре­ватель мал. В это время трубы перегревателя подвергают­ся нагреву за счет теплоты газов, а при останове – за счет излучающего действия раскаленной обмуровки и шлака.

Особая осторожность необходима при растопке котлов высокого давления, снабженных радиационными перегре­вателями. В эти периоды охлаждение труб, перегревателя должно производиться их продувкой. Для этого также ре­гулируют предохранительные клапаны после перегревате­ля, которые обеспечивают их охлаждение паром в случае резкого сокращения расхода перегретого пара. Эти кла­паны открываются раньше предохранительных клапанов, установленных на барабане котла.

При резком сокращении отбора пара от котла и подъ­еме клапана после перегревателя необходимо немедленно начать продувку его, одновременно уменьшая форсировку топки.

5.3.2. Дефекты изготовления, монтажа или ремонта пароперегревателей

Повреждения змеевиков перегревателей вызываются также дефектами изготовления, монтажа или ремонта. Де­фектами изготовления трубок являются трещины,    плены, закаты, разностепенность и т. п. При монтаже или замене трубок во время ремонта используют иногда вместо леги­рованных сталей углеродистые или легированные другой марки. Ошибочно установленные трубы несоответствующей марки стали, попадая в условия высоких температур, раз­рушаются.

Поэтому следует внимательно проверять по сертифика­там заводов–поставщиков марку стали труб перед уста­новкой их на место. После монтажа или ремонта встреча­ются повреждения перегревателей из–за наличия посторон­них предметов в коллекторах и трубах перегревателя.

Основной причиной пережога труб перегревателя одно­го из котлов после монтажа является забивание их оксида­ми железа, образовавшимися при длительном хранении труб перегревателя на открытом складе.

Повреждения перегревателей происходят также из–за плохого ремонта: неудовлетворительной сварки труб (не­правильная стыковка концов труб; некачественные элект­роды или присадочный материал, непровар швов и т. п.); некачественной развальцовки труб (недовальцовка, пере­вальцовка, плохая подготовка концов труб и очков для них в коллекторах); применения несоответствующих труб для замены дефектных змеевиков, а также корродирован­ных труб и др.

Дефекты вальцовки и отбортовки концов труб перегре­вателя могут быть причиной вытягивания и вырывания их из гнезд. Такие же повреждения имеют место при непра­вильном (чрезмерно жестком) распределении змеевиков, затрудняющем тепловые расширения труб.

5.3.3. Надежность работы перегревателей из аустенитных сталей

Первые исследования аустенитных сталей на котлах сверхвысоких параметров пара были проведены на Черепетской ГРЭС.

Гибы первых пароперегревателей паровых котлов, на которых были применены трубы из аустенитных сталей, не проходили аустенизации. Пароперегреватели котлов, изго­товленные из стали 15ХМ, состоят из трех ступеней: радиа­ционный настенный перегреватель составляет 6,9 % всей его поверхности, ширмовый (ленточный) перегреватель – 21,1% и конвективный перегреватель – 70%. Последний выполнен в виде двух пакетов – холодного из стали 15ХМ и горячего из аустенитной хромоникелевой стали 1Х18Н12Т и 1Х14Н12В2М (ЭИ257).

Пример 5.1. За период эксплуатации котлов № 1–3 в аустенитных пакетах перегревателей имелось большое количество повреждений, в основ­ном это были кольцевые трещины в сварных швах, продольные и по­перечные трещины в гибах змеевиков (табл. 5.4).

Таблица 5.4 – Повреждения пароперегревателей котлов

Основное количество повреждений происходило на гибах змееви­ков из–за наклепа металла в результате, гиба труб на заводе в холод­ном состоянии; повреждения имели вид кольцевых трещин в сварных соединениях, продольных и поперечных трещин в гибах. Трубы Ø 32×5,5 мм подвергались гибу с радиусом 55 мм, при этом наружные волокна получил вытяжку примерно на 29 %. При температуре металла труб около 600 ºС наклепанная сталь переходит в хрупкое состояние и под действием температурных напряжений и внутреннего давления появляются трещины.

Для предотвращения повреждений была проведена аустенизация гибов, которая помогла устранить остаточные напряжения, и аварии, вызванные разрушением гибов, прекратились.

Повреждения перегревателей, изготовленных из стали 1Х18Н12Т, на прямых участках труб явились следствием ползучести металла (табл. 5.5).

Таблица 5.5 – Повреждения труб пароперегревателей из стали 1Х18Н12Т

В местах разрыва диаметр труб увеличился от 32 до 40 мм. Со­поставление времени работы до разрушения с данными испытаний об­разцов на длительную прочность при 650 и 700 ºС показало, что наблюдаемая деформация металла труб за время эксплуатации от 15 до 30 тыс. ч могла развиться только при температурах стенки в преде­лах 650–660 ºС, что превышает расчетную температуру  (633ºС).

В целях повышения надежности и снижения аварийности темпера­тура пара снижена до 550–555 ºС.

Следует отметить, что разрушению подвергались трубы с мелко­зернистой структурой, ибо этот металл склонен к распаду при высоких температурах. Металл с крупнозернистой структурой при тех же тем­пературах не имел следов деформации.

Хромоникелевые аустенитные стали типа ЭИ257 склонны к меж­кристаллитной коррозии в случаях присутствия слабых растворов элек­тролитов, к числу которых относится конденсат пара.

В период останова котла, а также после гидравлического испыта­ния в нижних коленах вертикальных змеевиков скопляется часть кон­денсата, что может явиться причиной межкристаллитного растрескива­ния металла. Замеры температур в нижних гибах змеевиков по­казали, что в начальный период растопки котла температура металла равна температуре насыщения и такое условие сохраняется длитель­ное время (в опытах – до 4 ч). Значит, все это время нижние гибы еще залиты водой, а выпаривание идет медленно. После происходит быстрое нарастание температуры стенки, и через 15 мин разность тем­пературы стенки и температуры насыщения достигает 120 ºС – это свидетельствует о полном выпаривании воды, что создает условия для охлаждения паром всех змеевиков. Резкая смена температур приво­дит к кратковременным и большим температурным напряжениям в ме­талле, что также способствует ускорению межкристаллитной коррозии аустенитных сталей и в конечном счете – его разрушению.

Таблица 5.6 – Характерные неполадки пароперегревателя

Окончание табл. 5.6.

Наиболее часто встречающиеся характерные неполадки в работе пароперегревателя и меры устранений их приведе­ны в табл. 5.6.