4.2. Состав, структура и физические свойства отложений

Отложения на поверхностях нагрева бывают весьма разнообразными по химическому составу, структуре, плотности и коэффициенту теплопроводности. Наряду с рыхлыми пористыми отложениями, подобными пемзе или туфу, встречаются отложения, которые по твердости и прочности связи с металлом напоминают эмали. Разнообразны также состав и физические свойства котельного шлама.

Образующиеся в парогенераторах отложения могут быть по своему химическому составу подразделены на три основные группы: 1) щелочно-земельные; 2) железные; 3) медные.

В первую группу входят кальциевые и магниевые накипи (карбонатные, сульфатные, силикатные, фосфатные), в составе которых преобладают (до 90 %) СаСО₃, CaSO₄, CaSiO₃, 5CaO · 5SiO₂ · Н₂О, Ca₃(PО₄)₂, Mg(OH)₂.

Во вторую группу входят железоокисные Fe₂О₃, Fe₃O₄, железофоcфатные Fe₃(PО₄)₂, NaFePO₄ и железосиликатные накипи.

В третью группу входят отложения металлической меди и окислы меди СuО, Сu₂О.

Карбонатная накипь откладывается обычно в форме плотных кристаллических отложений на тех поверхностях нагрева или охлаждения, где отсутствует кипение воды, а среда –нещелочная. Этими поверхностями являются водяные экономайзеры, конденсаторы турбин, водоподогреватели, питательные трубопроводы, тепловые сети и др. В условиях же кипения щелочной воды (в парогенераторах, испарителях) СаСО₃ обычно выпадает в форме неприкипающего шлама.

Сульфатная накипь обладает большой твердостью и большой плотностью.

Силикат кальция образует твердую накипь, крепко пристающую к стенкам поверхности нагрева.

Сложные силикатные накипи имеют разнообразный минеральный состав, так как кремниевая кислота образует накипи не только с катионами кальция и магния, но и с катионами натрия, железа и алюминия (натроферросиликаты и натроалюмосиликаты). В составе сложных силикатных накипей содержится до 40–50 % кремниевой кислоты, 25–30 % окислов железа, меди и алюминия и 5–10 % окиси натрия. Количество же соединений щелочноземельных металлов в этих отложениях обычно не превышает нескольких процентов. Эти сложные бескальциевые силикатные накипи характеризуются разнообразием структур – от пористых и комковых отложений до твердых и плотных образований, ровным слоем покрывающих металлическую поверхность.

При повышенном содержании фосфатов и железа в котловой воде и низкой щелочности последней на внутренних поверхностях парообразующих труб откладываются рыхлые железофосфатные накипи Fe₃(PO₄)₂, NaFePO₄, которые при обстукивании труб сравнительно легко отваливаются от стенок. Характерным для железофосфатных накипей является равномерное распределение их по всей длине трубы.

На внутренней поверхности экранных труб в зонах наибольших температур факела, характеризующихся высокими местными тепловыми нагрузками, откладываются железоокисные накипи главным образом в форме магнетита Fе₃О₄. Анализ отложений, отобранных с внутренних поверхностей нагрева, парогенераторов с. к. д., показывает, что они на 95–98 % состоят из соединений железа. В железоокисных накипях нередко присутствует равномерно распределенная в толще слоя отложений металлическая медь.

При повышенном содержании соединений меди в питательной воде на участках парообразующих труб с плотностью теплового потока, равной или большей 230 кВт/м², или в местах глубокого упаривания котловой воды откладывается и прочно пристает к металлу слоистая накипь, одним из основных компонентов которой является металлическая медь. В отличие от железоокисных накипей распределение меди в толще медной накипи обычно таково, что верхний слой, омываемый котловой водой, содержит наибольшее количество металлической меди (70–90 % веса пробы), а последующие слои накипи по мере приближения к внутренней поверхности трубы содержат все меньший процент меди (10–25 %) при одновременном возрастании количества окислов железа, кремниевой кислоты, фосфатов кальция и других компонентов.

Накипи в большинстве случаев имеют смешанный характер, иногда со значительным преобладанием окислов железа, меди, фосфатов кальция, железо- и алюмосиликатов и других компонентов. В процессе эксплуатации парогенератора при изменениях его гидродинамического и теплового режимов, связанных с ростом нагрузки, возможно образование на стенках парообразующих труб временных натриевых отложений Na₂SO₄, Na₂SiO₃, NaCl, которые, будучи хорошо растворимыми в воде, полностью вымываются со стенок труб парогенератора при его останове либо резком снижении нагрузки.

Находящиеся в котловой воде взвешенные частицы увеличиваются в размере за счет кристаллизации на их поверхности веществ из котловой воды, а также взаимного сцепления, образуя на внутренних поверхностях парогенератора илистые шламовые отложения. В состав котельного шлама входят углекислый кальций СаСО₃, гидрокарбонат магния Mg(OH)₂ · MgCO₃, фосфат магния Mg₃(PО₄)₂, гидроксилапатит Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂, окислы железа Fe₂O₃, Fe₃O₄, окислы меди СuО, Сu₂О, органические вещества и т. д. При наличии в котловой воде кремниевой кислоты гидроокись магния вступает с нею в соединение, образуя при этом серпентин, который обычно выпадает в форме высокодисперсного шлама:

3Mg(OH)2 + 2SiO2 = 3MgO · 2SiO2 · 2H2O + H2O.

(4.2)

Следует различать:

а) шламы, не прикипающие к поверхностям нагрева и поэтому сравнительно легко выводимые наружу во время работы парогенератора путем периодической продувки последнего; к числу их относятся гидроксилапатит и серпентин, а также карбонат кальция в щелочной среде;

б) шламы, способные при известных условиях прикипать к поверхностям нагрева и являющиеся материалом для образования так называемых вторичных накипей; к числу прикипающих шламов могут быть отнесены гидроокись магния и фосфато-магнезиальные соединения. Отсюда следует, что одной из важных задач организации рационального водного режима парогенераторов с многократной циркуляцией является создание в котловой воде таких условий, при которых накипеобразователи, проникающие в парогенератор с питательной водой, выделялись бы только в форме шлама, неспособного прикипать к стенкам труб и удаляемого из парогенератора с продувочной водой.

Таблица 4.1

Средние значения коэффициентов теплопроводности для различных видов накипи

Вид накипи и ее химический состав	Характер отложений	Коэффициент теплопровод- ности, Вт/(м·°С)*
Накипь, содержащая масло	Твердая	0,116–0,175
Силикатная накипь (с содержанием SiO2, равным 20–25 % и выше)	Твердая	0,058–0,232
Гипсовая накипь (с содержанием СаSО4 до 50 %)	Твердая, плотная	0,580–2,900
Карбонатная накипь (с содержанием СаСО3 + MgСО3 больше 50 %)	От аморфного порошка до твердого котельного камня	0,580–7,000
Смешанная накипь, состоящая из гипса, карбонатов и силикатов кальция и магния	Твердая, плотная	0,800–3,500

Примечание. ^* 1 Вт/(м·°С) = 0,86 ккал/(м·ч·°С).

Теплоизолирующие свойства отложений характеризуются следующими физико-механическими показателями: структурой (пористостью), теплопроводностью, толщиной и силой сцепления их с поверхностью металла.

Структура накипи, характеризующаяся ее пористостью и твердостью, зависит от условий и кинетики образования отложений. Твердость и пористость отложений являются показателями, по которым можно судить о трудности удаления их с помощью скребков, шарошек и других механических способов. Теплопроводность отложений является важной характеристикой, определяющей надежность и экономичность работы парогенераторов и теплообменных аппаратов. Величины коэффициентов теплопроводности отложений зависят от их структуры и химического состава (табл. 4.1). Плотно приставшие к поверхности отложения менее опасны, чем слабосидящие, так как зазор, образующийся между металлической стенкой и отложениями, сильно увеличивает температурный напор и приводит к опасному местному перегреву металла.

Из приведенных данных видно, что наибольшую опасность представляют силикатная накипь и накипь, пропитанная маслом.

Рис. 4.1. Зависимость температуры стенки кипятильной трубы от толщины слоя накипи для различных значений коэффициента ее теплопроводности

На рис. 4.1 изображены кривые, характеризующие влияние толщины и теплопроводности накипи на температуру стенки парообразующей трубы парогенератора. Приведенные значения температур вычислены при следующих условиях: температура топочного пространства 1100 °С; температура котловой воды 200 °С; толщина стенки трубы 5 мм; коэффициент теплопроводности металла трубы 58 Вт/(м·°С); плотность теплового потока 174 кВт/м². Кривые показывают, что достаточно незначительного по толщине слоя (0,1–0,2 мм) малотеплопроводной накипи на поверхности наиболее теплонапряженных экранных труб, чтобы температура металла на внутренней поверхности стенки достигла 500 °С и больше. Температура наружной поверхности стенки трубы при этом еще на 30–40 °С выше, что за сравнительно короткий период работы парогенератора приводит к отдулинам и разрывам парообразующих труб.