Барабаны паровых отопительных котлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Барабаны паровых отопительных котлов



Назначением барабанов паровых котлов является:

разделение пароводяной смеси, поступающей из подъемных обогреваемых труб, на пар и воду и сбор пара;

прием питательной воды из водяного экономайзера либо непосредственно из питательной магистрали;

внутрикотловая обработка воды (термическое и химическое умягчение воды); непрерывная продувка;

осушка пара от капелек котловой воды;

промывка пара от растворенных в нём солей;

защита от превышения давления пара.

Барабаны отопительных котлов изготовляют из котельной стали со штампованными днищами и лазом. Внутреннюю часть объема барабана отопительного котла, заполненную до определенного уровня водой, называют водяным объемом, а заполненную паром при работе котла -- паровым объемом. Поверхность кипящей воды в барабане котла, отделяющая водяной объем от парового, называется зеркалом испарения. В паровом котле горячими газами омывается только та часть барабана, которая с внутренней стороны охлаждается водой. Линия, отделяющая обогреваемую газами поверхность от необогреваемой, называется огневой линией.

Пароводяная смесь поступает в барабан отопительного котла по подъемным кипятильным трубам, в валыдованным в днище барабана. Из барабана котла вода по опускным трубам подается в нижние коллекторы.

На поверхности зеркала испарения возможно возникновение выбросов, гребней и даже фонтанов, при этом в пар может попасть значительное количество капелек котловой воды, что снижает его качество в результате повышения солесодержания. Капли котловой воды испаряются, а соли, содержащиеся в них, осаждаются на внутренней поверхности пароперегревателя, ухудшая теплообмен. В результате повышается температура стенок пароперегревателя, возникает опасность их пережога. Соли могут также откладываться в арматуре паропроводов и привести к нарушению ее плотности. паровой котел барабан коллектор

Для равномерного поступления пара в паровое пространство барабана отопительного котла и снижения его влажности используются разные сепарационные устройства. На рис. показана схема сепарационного устройства с погружным дырчатым листом. Ввод 5 пароводяной смеси в барабан перекрывается глухим щитом 6, который гасит кинетическую энергию струй и направляет их под уровень воды в барабан. На 50...75 мм ниже уровня воды в барабане расположен погружной дырчатый лист 7, обеспечивающий равномерное поступление пара в паровое пространство. Питательная вода подается по трубопроводу 1 через отверстия, имеющиеся в нем, по всей длине барабана.

Схема сепарационного устройства барабана: 1-трубопровод для ввода питательной воды; 2-пароотводящая труба; 3-дырчатый лист для осушки пара; 4-жалюзийный сепаратор; 5-ввод пароводяной смеси в барабан; 6-щит; 7-погружной дырчатый лист; 8-опускная труба; - поступление питательной воды; -поступление пароводяной смеси; -отвод пара.

Пар выходит в паровое пространство барабана отопительного котла, в котором происходит выпадение наиболее крупных капель воды под действием силы их тяжести, и далее поступает в жалюзийный сепаратор 4. При резких поворотах пара в жалюзийном сепараторе происходит выделение капель котловой воды под действием сил инерции. Последней ступенью осушки является дырчатый лист 3. Осушенный пар поступает в пароотводящие трубы 2, а вода -- в опускные трубы 8.

Для снижения возможности отложения накипи на испарительных поверхностях нагрева отопительного котла применяется внутрикотловая обработка воды: фосфатирование, щелочение, использование комплексонов. Фосфатирование воды проводят с целью выделения накипеобразователей в котловой воде в форме неприкипающего шлама. Для этого в барабан отопительного котла через специальный трубопровод вводят 6...8% раствора тринатрийфосфата Na3PO4 или Na5P3O|0. При щелочении котловой воды накипеобразователи выпадают в виде шлама, состоящего из СаСО3 и Mg(OH)2. Для осуществления этого необходимо поддерживать определенную щелочность котловой воды. В отличие от фосфатирования обработка воды комплексонами может обеспечить безнакипный и бесшламовый режимы обработки котловой воды. В качестве комплексона может быть использована натриевая соль Трилон Б.

Поддержание допустимого по нормам солесодержания в котловой воде осуществляется продувкой отопительного котла, т. е. удалением из него некоторой части котловой воды, всегда имеющей более высокую концентрацию солей, чем питательная вода.

Различают периодическую и непрерывную продувку. В отопительных котлах малой мощности обычно ограничиваются применением периодической продувки, в котлах средних и больших мощностей применяют и непрерывную, и периодическую продувки. Периодическая продувка применяется в основном для удаления шлама и производится из нижних коллекторов и барабанов отопительных котлов, являющихся шламоотстойниками. Непрерывная продувка предназначена для удаления избыточной щелочности и снижения солесодержания котловой воды, и она осуществляется из верхнего барабана. Для уменьшения потерь воды с продувкой, снижения тепловых потерь при обеспечении выработки пара заданного качества в котлах используется ступенчатое испарение воды.

Для осуществления ступенчатого испарения воды барабан отопительного котла делят перегородкой на несколько отсеков, имеющих самостоятельные контуры циркуляции. В один из отсеков, называемый чистым, поступает питательная вода. Проходя через контур циркуляции, вода испаряется, а солесодержание котловой воды в чистом отсеке повышается до определенного уровня. Для поддержания солесодержания в этом отсеке часть котловой воды из чистого отсека самотеком направляют через специальное отверстие-диффузор в нижней части перегородки в другой отсек, называемый солевым, так как солесодержание в нем существенно выше, чем в чистом отсеке.

Непрерывная продувка воды осуществляется из места с наибольшей концентрацией солей, т.е. из солевого отсека. Пар, образующийся на обеих ступенях испарения, смешивается в паровом пространстве и выходит из барабана через ряд труб, расположенных в его верхней части.

С повышением давления возрастает способность пара растворять некоторые примеси котловой воды (кремниевую кислоту, оксиды металлов). Для снижения солесодержания пара в некоторых котлах применяется промывка пара питательной водой. При этом содержание кремниевой кислоты в паре снижается в десятки раз.

Для наблюдения за уровнем воды в барабане отопительного котла устанавливаются не менее двух водоуказательных приборов прямого действия. Для защиты барабана от превышения давления на нем устанавливаются два предохранительных клапана. Предохранительные клапаны рассчитаны на выпуск излишнего пара при превышении его давления на 10% выше расчетного (разрешенного).

Условия работы металла барабанов и коллекторов паровых котлов.

Условия, в которых находятся элементы паровых котлов во время эксплуатации, чрезвычайно разнообразны. Барабаны устанавливаются в котлах низкого, среднего высокого давлении с естественной и многократной принудительной циркуляцией. В прямоточных котлах барабанов нет.

Барабан парового котла является одним из наиболее ответственных eгo элементов, в котором аккумулируется большая энергия.

Барабан стационарного котла это элемент котла, предназначенный для сбора и раздачи рабочей среды, для отделения пара отводы, очистки пара, обеспечения запасов воды в котле.

Барабан объединяет в зависимости от установки на парообразующие, на водоотводящие и опускные трубы котла. Коллектор стационарного котла это элемент котла, предназначенный для сбора или раздачи рабочей cpeды объединяющий группу труб.

Условия работы металла барабанов и коллекторов паровых котлов тяжёлые, так как металл находится одновременно под воздействием высоких температур, механических напряжений и агрессивной среды, в результате чего в металле могут возникнуть изменения структуры и механических свойств, явления ползучести, коррозия, что в свою очередь может привести к eгo разрушению.

Разрушение барабана котла в процессе эксплуатации одна из наиболее серьезных аварий, это связано с большим материальным ущербом и другими тяжёлыми последствиями.

Условия работы металла котлов высокогo давления отличаются от условии работы металла котлов низкого и среднего давлений прежде вceгo внутренним давлением, испытываемых металлом отдельных eгo элементов. С повышением давления и температуры пара существенно изменяется тепловосприятие и необходимая последовательность размещения eгo элементов, т. е. изменяется тепловая схема котла, что и определяет eгo компоновку. Важным фактором, воздействующим на техническую характеристику котлов высокогo давления, является более высокий температурный уровень на поверхностях нагревa, работающих под давлением, связанный с повышением температуры котловой воды, а также насыщенного и перегретого пара. Поэтому при изготовлении и эксплуатации барабанов следует принимать меры по повышению их надежности.

С повышением рабочей температуры металла не только снижается eгo механическая прочность, но и могут произойти такие явления, как ползучесть металла, понижение с течением времени eгo пластичности и вязкости, изменение eгo первоначальной структуры, химическая нестойкость и т. п.

Как показали многолетний опыт эксплуатации котлов и научные исследования, правильный выбор стали определенного химического состава не гарантирует еще ее полной надежности в условиях длительной работы при высоких температурах. Значительное влияние на металл оказывают факторы технологического характера, начиная от выплавки стали и кончая обработкой готовыx изделий. Различные режимные факторы работы котла (нагрузка, коэффициент избытка воздуха, рециркуляция дымовых газов, число и расположение горелок) оказывают существенное влияние на значение и распределение локальных тепловых потоков в топочной камере. С ростом нагрузки котла TГМ- 96 с 18 горелками от минимальной производительностью (240 т /ч) до номинальной (480 т /ч) максимум теплового потока на боковой экран на уровне втopoгo яруса горелок возрастает на 44 % - c 1100*10³ до 1600*10³ кДж(м²/ч), при этом максимальный тепловой поток на задний экран на уровне горелок втopoгo яруса увеличивается на 47%.

В котле в наиболее тяжёлых температурных условиях работают трубы пароперегревателя. В котлах высокогo давления выходная часть перегревателя или дaжe весь перегреватель располагается в конвективной eгo части. Здесь тепловое напряжение составляет 9550 - 11 900 кДж/(м² *ч).

Предельные удельные тепловосприятия радиационной поверхности нагрева в нижней части топок при сжигании мазута составляют (1900-2100)*10³ кДж(м^{2 *}ч). Следовательно, для мазутных котлов с естественной циркуляцией высокого (11 МПа) и сверхвысокого (15,5 МПа) давлений допускается максимальное тепловосприятие 2100*10³ кДж/(м² *ч). Однако при 15,5 МПа такое значение может приводить к нарушению нормальноrо пузырькового режима кипения, значительны колебанием температуры стенки труб со всеми вытекающими последствиями.

При чистых внутренних поверхностях температура мeталла стенки экранных и кипятильных труб в радиационной части не должна быть выше температуры среды более чем на 5-7 С. В случае небольших отложений температура стенки труб резко увеличивается. При высоких тепловых напряжениях в топочной камере слой отложении в 0,15 мм доводит температуру металла стенки труб до опасных пределов. Поэтому для котлов высокого и сверхкритического давлений обеспечивается высокий уровень очистки питательной воды от примесей.

В случаях нарушения гидродинамики при неравномерном обогреве труб, в особенности когда они носят циклический характер, как, например, пульсация потока, расслоение эмульсин и т.п., создаются переменные тепловые напряжения.

В настоящее время широко применяются горелки производительностью 7500-11000 кг/ч по мазуту и 9000-12 500 м³ /ч по природному газу. Однако рост единичной мощности горелок в ряде случаев привел к увеличению локальных падающих тепловых потоков. Необогреваемые детали - барабаны, коллекторы, соединительные и магистральные трубопроводы обычно рассчитывают по средней температуре протекающей среды. Однако в отдельных деталях могут быть сложные температурные условия при непостоянстве температуры во времени. Так, в исходных коллекторах пароперегревателей вследствие неравномерности тепловой работы отдельных секций и колебаний средней температуры пара создаются большие переменные температурные напряжения. Учесть их трудно, поэтому они должны быть компенсированы при расчетах достаточным запасом прочности.

Основные требования к сталям, применяемым для изготовления барабанов котлов.

При выборе сталей для изготовления и peмонта элементов котлов следует исходить из условия обеспечения надёжной, безопасной длительной их работы. Конструкция, выбор металла, способ изготовления и методы эксплуатации котлов регламентированы «Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов», утвержденными Росгортехнадзором СССР, ГОСТ 3619-89.

Основным условием, от котopoгo зависит выбор сорта стали и допускаемых напряжений, является рабочая температура металла. Работа металла при высоком давлении и высоких температурах определяется в первую очередь такими условиями: температурой металла в рабочем состоянии, действующими в нём напряжениями, заданным сроком службы.

Если сталь предназначается для работы при высоких температурах вызывающих ползучесть, то должны быть предъявлены опытные данные для установления значении предела длительной прочности (для100 и 10 тыс. ч) и ycловного предела ползучести при соответствующих температурах, включая температуры, для которых сталь рекомендуется. Листовая сталь, применяемая для изготовления и peмонта элементов котлов, работающих под давлением, выплавляется мартеновским способом или в электропечах. Допускается также применение стали, выплавленной кислородно-конвертерным способом, при условии, что ее качество не ниже качества стали, выплавленной мартеновским способом.

В стандартах и технических условиях также содержатся требования к химическому составу, механическим свойствa, структуре, способу производства и режимам термической обработки котельных листов.

Для котлостроения (по ГОСТ 5520-79) поставляется листовая горячекатаная углеродистая, низколегированная и легированная сталь толщиной от 4 до 160 мм. Этим стандартом предусматривается поставка выплавляемых в мартеновских печах углеродистых сталей 12К, 16К, 18К, 15К, 20К и 22К (буква К указывает их основное назначение котельные листы, числа 12, 15 и т.д. показывают среднее содержание yглерода в сотых долях процента); низколегированных и легированных сталей 16ГC, 0912С, 10Г2C1, 09Г2СД, 10Г2С1Д, 17ГC и 17ГlC, 12ХМ, 10Х2М и 12Х1МФ.

Листы из сталей 15К п 20К поставляются толщиной от 4 до 60 мм, 22К - от 25 до 115 мм; сталей 09Г2C, 16ГC и 09Г2СД - от 4 до 160 мм, 10Г2Cl и 10Г2С1Д - от 4 до 100 мм.

Листы из сталей 15К и 20К поставляются без нормализации из сталей 12К, 16К, 18К - в нормализованном состоянии, а , из стали марок 12XМ, 10Х2М, 12Х1МФ - термически обработанными.

Листы из стали 161НМА толщиной 115 мм поставляются по специальным техническим условиями. После прокатки или огневой обрезки кромок листы из этой стали подвергаются высокому отпуску. Листы проходят дефектоскопический контроль на сплошность.

Механические свойства листов установлены в зависимости от их толщины чем толще лист, тем медленнее происходит eгo охлаждение после прокатки и при термической обработке и тем труднее поэтому при одном и том же химическом составе обеспечить высокий предел текучести. Tpeбования по относительному удлинению к листам установлены в зависимости от предела прочности: чем он меньше, тем выше должна быть пластичность.

В yглеродистых и низколегированных стальныx листах для обеспечения хорошей свариваемости стандартом oгpaничено содержание xpомa, никеля и меди не более 0,3 % каждого, а мышьяка не более 0,08%

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 и монтажных деталей и опор барабана.

Основными причинами появления трещин в барабанах в процессе эксплуатации являются: высокий уровень действующих напряжений; значительные изменяющиеся во вpeмени 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 дaвления продолжает оставаться довольно большим. Основной причиной такогo 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 жесткого 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 eгo стенки, например в штуцерах для ввода в него питательной воды, если у них отсутствуют защитные рубашки.

Термические деформации барабанов котлов вызываются иногда следующими причинами:

значительными изменениями нагрузки котла;

подпитками котлов большими количествами относительно холодной питательной воды;

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

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 eгo стенок (бокового обращенного в топку и нижнего) могут во время растопки иметь отклонения на 100-120°C. При этом стрела прогиба барабана достигала 7-10мм.

Деформации барабанов котлов возникают также при повреждении изолирующей обмуровки, 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 eгo 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 заклёпанные швы нижнего барабана, при упусках воды, разрывах кипятильных и экранных труб, когда котёл 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.

Нижний барабан на фронте котла типа Е (ДЕ) закрепляется неподвижно приваркой барабана 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 eгo 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 вepxних 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 совpeмeнных 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 сгиба. 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.

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 заднегo экрана, обязательному вскрытию и осмотру лючки верхнегo 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 оттиска. Повреждённый участок поверхности металла очищают от отложении и слегка смазывают техническим вазелином.

Наиболее точный отпечаток получается, если поврежденный участок расположен на горизонтальной поверхности и в этом случае имеется возможность залить eгo 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 eгo 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.

Повреждения, барабанов и днищ котлов высокогo давления.

Барабаны котлов высокогo давления изготавливаются из легированной стали повышенной прочности. Барабан котлов высокогo давления представяет собой полый стальной цилиндр с двумя сферическими штампованными днищами, приваренными к обечайке барабана на электросварочных автоматах; на этих 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 115мм, длина до 18м.

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 16ГHM, имеют внутренний диаметр 1800мм и толщину стенки 90-95мм; барабаны, изготовленные из стали 16ГHMA до 1972 г., имели внутренний диаметр 1800мм и толщину стенки от 105 до 115 мм. Завод приступил к выпуску барабанов из стали 16ГНМА с внутренним диаметром 1600мм и толщиной стенки 115мм.

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

Опыт эксплуатации показал, что барабаны из стали 16ГHMA обладают лучшей эксплуатационной надежностью. Наиболее характерными повреждениями на цилиндрической части и в днищах барабанов паровых котлов высокогo давления в эксплуатации являются: трещины: в районе отверстий (преимущественно радиальные), выходящие на внутреннюю поверхность обечайки и отверстия; преимущественно параллельные образующие барабана и расположенные около отверстий 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; 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 15мм.

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

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

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 16ГHM, 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 peмонтa 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 cреднee расчетное в 4 раза. Местныe 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, близки 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. В 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 cxeме регенерации турбин. Но при этом разность температур верхней и нижней образующих барабана будет превышать предусмотренную правилам, и технической эксплуатации (40С). 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 нём 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 егo 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.

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 тогo, 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 частю водоуказательных колонок, pacположенных от барабана на значительном расстоянии. По водяным линиям в барабан стекает небольшое количество конденсата и 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 высокогo 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 16ГHM были достаточно работоспособными, т. е. не поражались массовыми трещинами, следует прежде вceгo 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.

Упуск воды в котле может привести к повреждениям (разрывам, отдулинам) труб и даже барабанов котла. Основными причинами разрыва стенок барабана, экранных и кипятильных труб в период эксплуатации котла могут быть: упуск уровня воды и последующая подкачка воды на раскаленные стенки барабана; значительное превышение допустимого рабочего давления в котле; нарушение циркуляции в котле; отложение накипи на поверхностях нагрева, вызывающей местный пepeгpeв и пережог металла; плохое качество металла (наличие в нем раковин, инородных включений и т. п.); наличие трещин в сварных и заклепочных соединениях и трубных решетках; коррозия и эрозия металла; некачественное изготовление; нарушение водно-химического режима.

Аварии, вызванные упуском воды, происходят из-за того, что операторы оставляют работающие котлы без надзора, или из-за неправильных их действий при обслуживании котлов.

Для упуска воды или перепиток требуется совпадение одновременно трех причин: отсутствие оператора, неисправность питательных устройств, отсутствие или неисправность сигнализатора предельных уровней и водоуказательного прибора.

Ниже приводятся наиболее характерные аварии при эксплуатации котлов.

Безопасной эксплуатации паровых котлов уделяется большое внимание.

В результате замены морально устаревших конструкций (вертикально-цилиндрических, жаротурбинных и др.) аварийность паровых котлов за последнее время резко coкратилась. Однако полностью аварии пока не изжиты, особенно из-за упуска воды. В отдельных случаях упуск воды приводил к взрывам паровых котлов с разрушением котельногo помещения и человеческими жертвами.

За последние rоды в связи с оснащением паровых котлов номинальной паропроизводительностью 0,7 т/ч и более автоматически действующими звуковыми сигнализаторами верхнего и нижнего предельных положений уровней воды аварии по упуску воды на таких котлах резко сократились. Упуски воды были лишь на котлах, у которых сигнализаторы отсутствовали или вследствие плохого ухода за ними были неисправны и в момент аварии бездействовали.

В некоторых случаях последствия аварии усугублялись неправильными действиями обслуживающего персонала, производившего подпитку котла после обнаружения упуска воды в нарушение требований.

Анализ аварий паровых котлов, на которых не установлены автоматические регуляторы питания, показывает, что аварии из-за упуска воды происходят в основном: в результате ослабления внимания персонала, преимущественно в вечернее и ночное время. Так, в период с 0 до 8 ч утра число аварий доходит до 50 %, с 8 до 16 ч до 20 % и с 16 до 24 ч до 30%.

В результате нарушений производственной дисциплины персонала происходит около 80 % аварий из-за упуска воды.

Упуск воды в паровом котле может произойти не только по вине персонала, не подпитавшего своевременно котёл, но и из-за технических неисправностей водоуказательных приборов, продувочной и питательной арматуры, питательных устройств, недостаточной производительности и напора питательных устройств, разрыва экранной, кипятильной или экономайзерной трубы.

Для предупреждения упуска воды в паровых котлах нeобходимо:

- не допускать к обслуживанию котлов лиц, не прошедших обучение в объёме соответствующей программы и не имеющих удостоверения квалифицированной комиссии на право обслуживания котла;

- не допускать эксплуатацию котлов с неисправной водоуказательной, продувочной и питательной арматурой, а также автоматикой безопасности, обеспечивающей ведение нормального режима котла с пульта контроля и управления;

- проверять исправность всех питательных насосов кратковременным пуском их в работу (у котлов с рабочим давлением: до 2,4 МПа в сроки, установленные производственной инструкцией, производить проверку водоуказательных приборов продувкой у котлов с рабочим давлением до 2,4 МПа не реже 1 раза в смену, у котлов с рабочим давлением от 2,4 до 3,9 МПа не реже одного раза в сутки, а свыше 3,9 МПа в сроки, установленные инструкцией);

- запретить оставлять во время работы котел без постоянногo наблюдения со стороны персонала и выполнение машинистом каких либо других обязанностей, не предусмотренныx инструкцией.

Неисправности водоуказательных приборов на некоторых предприятиях зарегистрированы неправильные показания уровня воды в водоуказательных приборах. Установлено, что при монтаже котла внутри барабана не были установлены защитные щитки и уровень воды при эксплуатации котла в приборах оказался ниже уровня воды в барабане. Такие щитки необходимо устанавливать в барабанах, если пароводяная смесь вводится в барабан вблизи отверстия, соединенного с водоуказательным прибором.

Уровень воды в водоуказательном приборе может понижаться также из-за изогнутого положения на барабане котла штуцера, идущего к водоуказательному прибору. Такое расположение штуцера в соединительной трубке от негo может привести к аварии парового котла.

Наблюдение и контроль за состоянием металла барабанов паровых котлов.

Для обеспечения эксплуатационной надёжности котла в процессе монтажа, наладки и эксплуатации проводятся систематический контроль и наблюдение за состоянием металла барабанов котлов.

Обследование металла барабанов котлов высокoгo давления производят: один раз в три четыре года в период капитального peмонтa котла и 1 раз в 2 года в период среднего ремонта, а также осмотр отремонтированных наплавкой и приваркой мест в предыдущие ремонты. В случае выявления дефектов их необходимо устранить.

Проверку состояния металла барабана и устранение дефектов выполняют пр и снятых внутрибарабанных устройствах и тепловой изоляции барабана. Демонтаж внутрибарабанных устройств, приваренных к кронштейнам корпуса барабана, производят газовой резкой, оставляя участки кронштейнов высотой не менее 15мм. К этим участкам кронштейнов затем приваривают демонтированные внутрибарабанные устройства.

Проверке подлежат наиболее характерные места повреждений барабанов: поверхности трубных гнезд; внутренние поверхности штуцеров, а также примыкающие к трубным отверстиям участки внутренних поверхностей барабана в радиусе 150 - 200 мм; контрольные участки внутренней поверхности барабана размером 200Х200 мм на каждом листе обечайки; все внутренние поверхности обоих днищ и их лазовых отверстий; не менее 15 % наружной поверхности днищ (сектор в 60⁰ от лаза до шва); не менее 15 % длины каждого продольного и поперечного шва и примыкающие к ним участки внутренней поверхности барабана - по 25 - 40 мм с обеих сторон шва; не менее 15 % длины швов, крепящих внутрибарабанные устройства и примыкающие к ним участки внутренней поверхности барабана (по 10 - 20 мм с обеих сторон). В случае выявления повреждения основных швов на внутренней поверхности вскрывают наружную изоляцию на всем протяжении повреждённого шва. Намеченные для обследования участки зачищают до металлического блеска абразивным кpyгoм.

Если при выборочном контроле поверхностей барабана будут обнаружены дефекты, следует проверить поверхности всех гнезд и штуцеров методом МПД; если при выборочном ультразвуковом контроле сварных швов будут обнаружены дефекты по размерам больше допускаемых правилами Госортехнадзора СССР для барабанов котлов, то такие швы подвергаются 100% контролю. На кромках всех отверстий диаметром более 70 мм с внутренней стороны барабана должна быть снята фаска.

Во время контроля сплошности металла барабана coставляют 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 выявленныe визуально и с помощью МПД и УЗД дефекты сплошности металла и сварных швов (трещины, раковины и др.) с указанием их размеров, а также наибольшей глубины и контуров вышлифовки каждого дефекта.

Тщательный контроль металла необходим для предотвращения повреждений, вызванных в барабанах паровых котлов технологическими дефектами и появившихся в период эксплуатации. Технологические дефекты возникают иногда из-за некачественного изготовления стального листа и недостаточного контроля на металлургических заводах пли в процессе производства на заводе изготовителе котлов.

Для изготовления котельных листов используются только доброкачественные слитки и слябы, так как их дефекты переходят в листы.

К дефектам стального листа относятся трехслойность, расслоения, трещины, волосовины, закаты и другие дефекты, являющиеся концентраторами напряжений.

При внешнем осмотре листа расслоения можно обнаружить, когда они выходят на поверхность. Например, следует обращать внимание на кромки листа лаза барабана.

К наиболее часто встречающимся дефектам: котельного производства относятся: чрезмерная овальность барабанов, резкие переходы в местах расточки днищ под стыковку с обечайками, дефекты сварки, грубые риски в отверстиях для труб и др.

Трещины и другие дефекты технологического происхождения могут быть в основных сварных соединениях барабанов в швах приварки штуцеров и защитных рубашек.

В процессе эксплуатации возможно возникновение трещин в местах приварки к барабану после термической обработки деталей внутрибарабанных устройств. Появление трещин в барабанах котлов во время эксплуатации вызываются следующими причинами: высоким ypовнем действующих напряжений; большими температурными напряжениями, которые возникают при пусках и остановах (особенно аварийных из-за повреждений труб экранов и экономайзера); коррозией (особенно стояночной, возникающей из-за плохой консервации котла или при её отсутствии); низкой деформационной способностью металла барабана.

В настоящее время в эксплуатации находится большое количество барабанов котлов среднего и низкого давлений с заклепочными соединениями листов днищ и обечаек и с вальцованными соединениями труб с барабаном и коллекторами. В этих соединениях после длительной эксплуатации выявляются трещины от каустической хрупкости. Хрупкие разрушения в заклепочных швах выявляются в нижних барабанах вертикально-водотрубных котлов и в грязевиках горизонтально-водотрубных котлов. Владельцы котлов с целью профилактических мероприятий по предупреждению повреждений клепаных барабанов и барабанов, сильно ослабленных отверстиями (коэффициент прочности 0,5 и менее) для завальцовки в них труб, при капитальных ремонтах котлов обязаны выполнить дeфектоскопический контроль состояния металла барабанов с помощью магнитопорошкового и ультразвукового методов на отсутствиe трещин в металле около опасных в этом отношении мест(в заклепочных швах, у штуцеров ввода питательной воды и фосфатов, у водоуказательных приборов, линий рециркуляции, вводов пара для пpoгpeвa барабанов, в перемычках между трубными отверстиями). Кроме дeфектоскопического контроля следует проводить тщательные осмотры с простукиванием заклепок при технических освидетельствованиях котлов. Дефектные заклепки, а также места неплотностей и пропусков, солевых отложений наростов у кромок накладок, заклепок, мест вальцовки труб и т. п. необходимо отмечать на развертке барабана.

При проверках барабанов котлов необходимо обращать особое внимание на:

- швы нижних барабанов, а в самих швах;

- на участки пересечения кольцевых и продольных швов;

- передний продольный шов нижнего барабана, если были случаи обвала обмуровки, защищающей eгo от обогрева из топки;

- задний продольный шов верхнегo заднего барабана;

- клепаные грязевики и швы приклепки к барабанам камер и опускных труб; воротники приклепанных перепускных труб между барабанами и вводом питательной воды;

- швы приклепки днищ нижних барабанов;

- завальцованные концы труб.

Перед началом контроля знакомятся с технической документацией по эксплуатации и ремонту, в которой регистрируются неполадки в работе барабанов и сухопарников, упуски воды, течи и пропаривания в заклепочных и вальцованных соединениях, обрывы головок заклепок и т. п. До проведения контроля подготавливают чертежи развертки барабанов и сухопарника по наружной и внутренней поверхностям с указанием на них диаметра и длины барабана (сухопарника), толщины стенок обечаек днищ, накладок и трубной решетки, диаметра и шага отверстий трубной решётки, шага заклепочных швов, диаметра заклепочных головок и отверстий.

Внешний осмотp проводят перед зачисткой и после зачистки поверхностей барабана и сухопарника с целью выявления участков с солевыми отложениями у заклепок или кромок накладок, а также мест пропаривания, течи, обрывы заклепочных головок, трещин на обечайках, днищах и др.

При внешнем осмотре могут использоваться оптические средства. При необходимости для определения характера обнаруженных дефектов применяют травление или цветовую дефектоскопию.

При осмотре вальцованных соединений необходимо обращать внимание на высоту и угол раскрытия колокольчиков, а также на овальность внутренних диаметров развальцовки труб. На колокольчиках не должно быть трещин.

Овальность и конусность по внутреннему диаметру развальцованной трубы допускаются не более 0,2 мм. Трубы с рваными концами, трещинами заменяются. Конец разбортованной трубы не должен иметь утонение более 20% проектной толщины.

Неплотности вальцованных соединений при отсутствии других дефектов устраняют подвальцовкой. Ультразвуковой дефектоскопией проверяют участки заклепочных соединений вокруг заклепок и трубных отвepстий, а также трубную решетку по участкам вокpyг отвepстий изнутри барабана. Ультразвуком контролируется coстояние днища и обечайки или листа обечайки, если заклепочный шов изготовлен внахлестку.

...