Почему разрушались трубы в поверхностном пароохладителе?

На одной из ТЭЦ Урала в котлах, работающих при давлении 3,2 МПа с температурой перегрева пара 400 °С, происходил занос водорастворимыми солями выходной части пароперегревателя, расположенной за поверхностным пароохладителем. При этом качество насыщенного и перегретого пара, согласно производимым анализам, было удовлетворительным. Индивидуальная промывка змеевиков пароперегревателя от выпадающих в них солей показала, что заносу солями подвержены только несколько змеевиков, расположенных у торца промежуточного коллектора. Через торцевую стенку этого коллектора осуществлялся ввод и вывод змеевиков, через которые пропускалась питательная вода с температурой около 100 °С.

Во время очередного ремонта было обнаружено на всех вводах змеевиков их равномерное местное утонение. На отдельных трубах в местах утонения отмечены сквозные повреждения металла. Через эти повреждения часть питательной воды во время работы котла проникла в промежуточный коллектор и вызвала локальный солевой занос труб выходной части пароперегревателя.

Для возможности изучения причин местного коррозионного износа труб в торце промежуточного коллектора в период ремонта была организована специальная пробоотборная точка. После пуска котла в пробах конденсата из этой точки было обнаружено необычно высокое содержание углекислоты. Если в «среднем» насыщенном паре концентрация свободной угольной кислоты находилась на уровне 5 мг/дм³, то в пробах конденсата из участка ее значения периодически были на порядок выше (рН около 5,0).

Анализ полученных данных позволил установить следующую картину происходящего.

Торец промежуточного коллектора плохо вентилируется из-за расположения пароподводящих и пароотводящих труб в некотором отдалении от него. Как результат этого, на «холодных» входных трубах питательной воды происходит образование «первичного» конденсата. Последний и вызывает локальную электрохимическую коррозию водородной деполяризацией.

Для устранения отмеченного недостатка руководству ТЭЦ было рекомендовано:

– несмотря на достаточно высокое значение рН питательной воды (катионитовая ВПУ имела предварительное известкование) ввести непрерывное аминирование питательной воды с дозой аммиака 2–3 мг/дм³;

– на одну из крайних паропроводящих труб, входящих в промежуточный коллектор, при очередном ремонте пароохладителя вставить патрубок, направляющий пар в его торец, это должно было препятствовать образованию в этой зоне газовых пузырей.

За счет указанных двух мероприятий значение рН конденсата пара из участка было поднято до 7–8. Дальнейшее локальное коррозионное разрушение труб пароохладителя после этого прекратилось.

Чем опасен котлам конденсат?

Заводы-изготовители создают для давления до 4,0 МПа агрегаты, приспособленные работать при питании их глубоко умягченной, но не обессоленной водой с общим ее солесодержанием до 500 мг/дм³.

В ряде случаев, однако, эти котлы по условиям технологической схемы паропотребления должны использовать для своего питания только производственный конденсат.

При таком режиме работы агрегатов могут возникнуть неполадки, вызываемые тремя причинами:

– невозможностью обеспечить без добавки нелетучей щелочи достаточно высокого значений рН котловой воды, требуемого по условиям предотвращения коррозии металла (особенно в чистом отсеке котлов со ступенчатым испарением);

– трудностью поддержания нормального режима фосфатирования для обеих ступеней испарения (особенно для котлов с большой мощностью солевого отсека);

– возникновением кислотной коррозии металла внутренних поверхностей котла вследствие безбуферности (отсутствие достаточной нелетучей щелочности) котловой воды при наличии в конденсате, возвращаемом с производства, потенциально кислых загрязнителей.

Рассмотрим пять случаев неполадок с котлами, иллюстрирующих изложенное.

Случай 1. Котел ДКВР-20-13 со ступенчатым испарением был использован в отопительной котельной при работе в комбинации с надстроенным бойлером. Весь конденсат возвращался в верхний барабан по линии. Добавка химически очищенной маломинерализованной воды (щелочность 0,4 ммоль/дм³) не превышала 2 % паропроизводительности котла и покрывала только расход пара на деаэрацию и непроизводительные потери рабочей среды из замкнутого цикла. Отвод неконденсирующихся газов из бойлера организован не был.

При работе в указанных условиях значение рН котловой воды в чистом отсеке не превышало 8,0. В целях его повышения котел был переведен на питание с большей добавкой химически очищенной воды. При этом щелочность котловой воды в чистом отсеке возросла с 0,2 до 0,5мг/дм³, однако значение рН существенно не увеличилось.

При очередном ремонте котла была обнаружена повышенная общая коррозия внутренней поверхности бойлера и котла, особенно значительная на участке паровой части барабана котла в районе стока по нему конденсата из бойлера. В процессе работы котла с надстроенным бойлером образующаяся в результате термического распада гидрокарбонатов углекислота скапливалась в нижней части бойлера и создавала кислую реакцию конденсата, возвращавшегося по линии в барабан котла.

По рекомендации НПО ЦКТИ указанный недостаток был устранен путем монтажа линии для непрерывного отвода неконденсирующихся газов в нижнюю часть колонки деаэраторов. Одновременно в котле было исключено ступенчатое испарение за счет подключения линий для выравнивания солесодержания котловой воды солевых отсеков с помощью труб к спускным трубам контуров чистого отсека. После осуществления этих мероприятий при размере добавки умягченной воды не более 2 % значение рН котловой воды стало превышать 9,5, а коррозия металла на участке прекратилась.

Случай 2. В котельных сахарных заводов довольно широко применяются котлы производительностью 20–50 т/ч пара давлением 1,4–4,0 МПа. В этих котельных для питания котлов обычно используется конденсат, в больших количествах возвращаемый из технологических цехов и загрязненный органическими продуктами сахарного производства.

В ГОСТ непосредственно не указывается допустимое содержание сахара в питательной воде котлов низких и средних параметров. В неявном виде этот показатель регламентируется допустимым содержанием маслообразных веществ, являющихся также органическими соединениями. Для котлов, работающих при давлении 1,4 МПа, их количество не должно превышать 3 мг/дм³.

По данным исследований НПО ЦКТИ, в ряде случаев при попадании в котлы значительных количеств сахаристых продуктов наблюдалось резкое понижение рН котловой воды вследствие окисления сахара до органических кислот. При этом отмечалась недопустимо сильная коррозия металла.

Для возможности использования загрязненных сахаром конденсатов было предложено:

– не допускать использования для питания котлов конденсата с концентрацией сахара выше 30 мг/дм³, а при концентрациях сахара до 30 мг/дм³ в котел одновременно подавать щелочную умягченную воду при отношении количества последней и конденсата не менее единицы;

– организовать подачу конденсата в котельную через систему двух специальных баков, в которых производить предварительный контроль возвращаемого с производства конденсата на содержание сахара;

– предусмотреть в схеме водоподготовки ввод смеси тринатрийфосфата и едкого натра для корректировки рН котловой воды в аварийных ситуациях.

Случай 3. На одном из химических комбинатов установлены двухходовые газотрубные котлы КУН-24/16. Питание таких котлов должно осуществляться щелочной умягченной водой. Фактически же на комбинате для этого была использована смесь глубокообессоленной воды и возвращаемого с производства конденсата, в который периодически попадали кислые продукты из технологических аппаратов, и в котловой воде при отсутствии щелочного буфера резко снижалось значение рН. По инициативе эксплуатационного персонала в цикле водоподготовки было организовано непрерывное подщелачивание питательной воды едким натром. Через несколько месяцев эксплуатации в таком режиме котел был остановлен в связи с образованием на трубах сквозных трещин межкристаллического характера. Очаги поперечных трещин, начинавшихся с внешней (водяной) стороны трубы, располагались преимущественно у задней (обогреваемой газами) трубной доски, в верхней ее части (в районе колебания уровня воды).

При односторонней вальцовке труб со стороны газового пространства между трубами и трубной решеткой имеются небольшие зазоры, в которых возможно глубокое концентрирование котловой воды. При высоком удельном содержании едкого натра на участках повышенного напряжения металла создаются условия для возникновения щелочной хрупкости металла. При низких значениях рН котловой воды на этих же участках, наоборот, происходит «кислотное травление» металла.

По рекомендации НПО ЦКТИ было осуществлено подщелачивание питательной воды смесью едкого натра с тринатрийфосфатом. При таком составе щелочных соединений в местах концентрирования солей в твердую фазу выпадает не агрессивный едкий натр, а менее растворимые и безопасные для металла фосфорнокислые соли натрия.

Указанный режим наряду с мероприятиями по уменьшению местных повышенных напряжений металла позволил предотвратить дальнейшее протекание процесса межкристаллитного разрушения металла.

Случай 4. В работавшем на мазуте котле ГМ-50-40 при очередном ремонте было обнаружено интенсивное коррозионное разрушение металла в зонах сварных швов труб, расположенных в чистом отсеке на участках, находившихся в условиях высоких тепловых нагрузок.

Котел питался к основном конденсатом с небольшой добавкой химически очищенной воды, и значение рН котловой воды в первой ступени испарения не превышало 9. В солевых отсеках, где значение рН котловой воды находилось на уровне 11,0, подобные повреждения отсутствовали.

При выполнении сочленения труб в заводских условиях методом контактной сварки в местах стыковки с внутренней стороны образуется небольшой бортик, из-за которого в зоне стыковки труб создаются гидродинамические условия, отличные от условий в остальной части трубы. При этом на участках по обеим сторонам от бортика периодически образуются и исчезают паровые пузыри, под которыми металл подвергается систематическим переменным тепловым нагрузкам. Последние вызывают разрушение защитной пленки оксидов железа и ускоряют протекание процесса пароводяной коррозии металла. Наиболее интенсивно этот процесс протекает в котловой воде при низких значениях рН, которые препятствуют быстрому восстановлению разрушенной пленки оксидов металла.

Для изготовителей котлов высоких параметров существует требование: «…не допускать расположения швов контактной сварки в зоне максимальных тепловых потоков». Для заводов-изготовителей котлов низких и средних параметров подобное требование отсутствует. Рассмотренный пример вызывает необходимость введения соответствующего указания для газомазутных котлов давлением 4 МПа.

В данном случае для устранения указанного дефекта НПО ЦКТИ рекомендовало при очередном ремонте произвести отбраковку дефектных контактных стыков с помощью ультразвуковой дефектоскопии и повысить рН котловой воды в чистом отсеке котла до значений не менее 9,6.

Случай 5. В котле ДКВР-20-13, работавшем в районе с сильно минерализованной природной водой, питавшемся дистиллятом от термоопреснительной установки, наблюдалась интенсивная общая и язвенная коррозия металла труб в контурах первой ступени испарения. Сухой остаток (до 50 мг/дм³) питательной воды общей щелочностью менее 0,1 ммоль/дм³ на 80 % состоял из хлорида натрия.

При очередном ремонте было решено заменить все трубы из углеродистой стали трубами из хромникелевой стали Х18Н10Т. Специалистами НПО ЦКТИ (куда были направлены данные для консультации) было установлено, что интенсивная общая коррозия труб является следствием работы котлов при недопустимо низких значениях рН котловой воды (менее 8) и весьма высокой концентрации в ней хлоридов. Язвенная коррозия происходила в периоды остановок котла без надлежащей консервации из-за насыщения воды кислородом и стимулировалась отсутствием в ней щелочного буфера.

Поскольку хромникелевая сталь Х18Н10Т не является достаточно коррозионно-устойчивым материалом в растворах солей с повышенным удельным содержанием хлоридов, было рекомендовано сохранить в котле трубы из углеродистой стали, но осуществить мероприятия по увеличению рН котловой воды, рассмотренные в первом и втором случаях, при одновременной организации лучшей консервации котлов в периоды их остановок.

Таким образом, котлы низкого и среднего давления как без ступенчатого, так и со ступенчатым испарением, изготовляемые заводами энергетического машиностроения, предназначены для работы на питательной воде с сухим остатком в пределах 10–250 мг/дм³ (в ряде конструкций – до 500 мг/дм³) при общей нелетучей щелочности не менее 0,15 ммоль/дм³, которая обеспечивает достижение в первой ступени испарения значения рН котловой воды не ниже 9,5. При более низких значениях щелочности или сухого остатка питательной воды по условиям предупреждения коррозии металла следует принимать специальные меры, обеспечивающие значения рН котловой воды в чистом отсеке котла не менее 9,5, причем принимать их следует в процессе проектирования котельных.