книги из ГПНТБ / Мейкляр, М. В. Паровые котлы электростанций [учеб. пособие]

Они представляют собой тончайшие слои того же ферри­ та и столь же тонкие слои очень твердого вещества — цементита — химического соединения железа с углеродом. Прочность и твердость стали в значительной мере зави­ сят от количества находящегося в ней цементита.

При длительном воздействии высокой температуры пластинки цементита распадаются на отдельные части-

Рис. 3-1. Схемы строения котельной стали.

а и б — элементарные кристаллические ячейки соответственно гамма- и альфажелеза; в — схема взаимного сопряжения элементарных ячеек альфа-железа; г — вид под микроскопом ферритных и перлитных зерен в углеродистой стали марки 20; а — вид под микроскопом сфероидизированной стали маоки

40

цы, которые затем изменяют плоскую форму на шаро­ образную (сферическую). Прочность стали значительно уменьшается, и она может не выдержать действия на­ грузки. При температуре свыше 500 °С углеродистая сталь не может длительно работать в паровом котле.

При нагревании легированных сталей с ф е р о и д и з а - ция цементита начинается при более высокой темпе­ ратуре, чем у углеродистых. В частности, стали марок 12ХМФ и 12Х1МФ могут длительно работать при нагре­ ве до 585—590 °С.

Эти легированные стали обладают большей прочно­ стью и меньшей пластичностью, чем углеродистая сталь марки 20.

У котла ТГМ-94 производительностью 500 т/ч разорвался гори­ зонтальный коллектор наружным диаметром 325 мм, в котором по­ ступавший из барабана насыщенный пар распределялся между трубами пароперегревателя. Пар высокого давления, выходя с боль­ шой скоростью из места разрыва, произвел большие разрушения, чем затруднялось расследование причины аварии.

Коллектор был расположен вне газохода, над потолочным пе­ рекрытием, и не должен был омываться дымовыми газами. Насыщен­ ный пар был нагрет при 155 кгс/см2 лишь до 343 °С, и металл не мог иметь чрезмерно высокую температуру. Казалось, что наиболее вероятной причиной разрыва коллектора была какая-то скрытая тре­ щина пли другой дефект металла.

Однако металлографический анализ показал, что вблизи места разрыва имела место ефероидизация цементита и что, следовательно, основной причиной аварии являлся длительный нагрев стали 12Х1МФ

ходя через неплотности в обмуровке, омывать стенки коллектора, на­ гревая их до опасной температуры. Металлографический анализ по­ мог найти действительную причину аварии и в дальнейшем предот­ вратить ее повторение.

Аустенитные стали. Котлы, работающие при давлении 140 кгс/см2 без промежуточного перегрева пара, проек­ тируют обычно так, чтобы выходная часть пароперегре­ вателя обогревалась газами умеренной температуры. Благодаря этому температура стенок труб лишь немного превышает температуру пара и трубы могут быть изго­ товлены из низколегированной стали перлитного класса 12X1МФ. Но у крупных энергоблоков в этой части газо­ хода устанавливают промежуточный пароперегреватель, а трубы выходной части первичного пароперегревателя приходится размещать в зоне более нагретых дымовых газов. Эти трубы нагреваются до более высокой тем­ пературы и их изготовляют из высоколегированной жа­ ропрочной стали аустенитного класса ■

41

Описанное выше неодородное строение и наличие зйрен феррита и перлита присуще сталям перлитного клас­ са как углеродистым, так и легированным. Аустенитные же стали сохраняют гамма-строение и при комнатной температуре.

Однородные микроскопические зерна таких сталей имеют характерные прямоугольные очертания. Аустенит­ ные стали могут работать при более высокой температу­ ре, чем большинство перлитных сталей. В частности, применяемые в котлостроешш стали марок Х18Н9Т и Х18Н12Т рассчитаны на работу при температуре до

650°С.

Вэтих марках стали, как видно из их условного обозначения, содержится порядка 18% хрома и соот­ ветственно около 9 и 12% никеля. В них имеется лишь около 70% железа, в то время как, например, в хромо­ молибденованадиевой стали 12Х1МФ содержание железа превышает 96%. Кроме никеля и хрома, в аустенитные стали добавляют небольшое количество металла титана (вольфрама или ниобия).

Аустенитная сталь в несколько раз дороже, чем хромомолибденованадиевая. Кроме того, она подверже­ на растрескиванию при быстрых изменениях температу­ ры, что снижает надежность ее работы. Поэтому приме­ нение аустенитной стали стремятся по возможности со­ кратить. Из нее изготовляют только выходную часть пароперегревателя, в которой трубы работают при наи­ более высокой температуре.

Аустенитная сталь свободно выдерживает действие

кислот (из нее часто делают кислотоупорные сосуды для химической промышленности), но быстро разруша­ ется под воздействием щелочей. Трубы из аустенитной стали необходимо надежно отглушать в тех случаях,

рис. 3-2 показано, что сталь марки 20 не может длитель­ но работать при 550 °С, а сталь 12Х1МФ — при 600°. При таком нагреве происходит постепенное изменение их строения и возникает сфероидизация цементита, сни­ жающая их прочность. Кратковременно допускаемая на-

42

При 600°Z

(1,2кг)

12Х1МФ 2,2кг Х18Н12Т

Рис. 3-2. Сравнение нагрузки, допустимой для стержней одинакового диаметра, изготовленных из разных сортов стали и нагретых до раз­ личной температуры.

грузка обозначена на рис. 3-2 в скобках. Но трубы из этих сталей могут быть повреждены и при меньшем нагреве.

Из того же рис. 3-2 видно, насколько уменьшается прочность стали с повышением температуры и снижает­ ся нагрузка, какую эта сталь может выдержать без повреждения. Нагрев до температуры выше расчетной может привести к такому снижению прочности металла, что сталь, не выдержав нагрузки, растягивается и раз­ рывается.

Чрезмерный нагрев труб может возникнуть при не­ правильном сжигании топлива и недопустимом обогреве труб дымовыми газами. Иногда повышение температуры металла объясняется отложением накипи в трубах или другими причинами.

Дефекты металла. При различных нарушениях техно­ логического процесса на металлургическом или трубо­ прокатном заводе внутри труб остаются скрытые трещи­ ны или неметаллические (шлаковые) включения. Часть дефектных труб отбраковывают на котлостроительном заводе, а также при монтаже котла на электростанции. Но отдельные дефектные трубы остаются иногда у кот­ лов, вводимых в эксплуатацию. Под нагрузкой ослаб­ ленный дефектами металл может через некоторое время

разрушиться.

43

Большинство дефектных труб разрывается в первые недели эксплуатации новых котлов. Оставшиеся трубы с внутренними дефектами работают иногда по нескольку лет и разрываются первыми в случае временного перена­ пряжения, например при чрезмерном нагреве.

У котла, работавшего при 65 кгс/см2, необогреваемая труба разорвалась на шестом году эксплуатации. Разрыв возник в месте гиба. При изучении трубы в лаборатории было обнаружено большое количество мелких продольных трещинок на ее внутренней поверх­ ности. Эти трещины возникли при изготовлении трубы на трубо­ прокатном заводе вследствие нарушения требований по нагреву металла. При гибе трубы трещины несколько увеличились и в даль­ нейшем постепенно росли, пока одна из трещин не стала причиной аварийного разрушения.

В отдельных случаях повреждения труб возникают при совместном действии скрытых дефектов металла и временного ухудшения условий работы котла.

При эксплуатации котла ТП-230-2, работавшего^при 100 кгс/см2, не соблюдался водный режим и в наиболее обогреваемых трубах стала появляться накипь. Температура этих труб, изготовленных из стали марки 20 и расположенных против «ядра» пламени в топке,

двух трубах, но и на четырех других, на которых отдулины отсут­ ствовали. Вскоре после замены поврежденных участков пришлось опять аварийно остановить котел из-за того, что в одной из труб возник продольный разрыв на длине около 0,5 м. Отдулин на этой трубе не было.

Исследование металла показало, что в нем имелось большое количество шлаковых включений, что снижало прочность труб. Эти включения стали опасными при повышении температуры труб из-за накипи, но не препятствовали безаварийной работе котла после исправления водного режима.

Ползучесть стали. При работе стали под нагрузкой и при нагреве до высокой температуры неизбежно посте­ пенное ее растяжение, происходящее и тогда, когда рас­ четные условия работы металла не нарушаются. Такое

в дальнейшем значительно ускоряется и может стать причиной разрыва металла. Ускорение ползучести не должно наступить в течение расчетного срока работы при высокой температуре (100 тыс. ч, т. е. около 14 лет).

У всех котлов периодически измеряют вызываемое ползучестью увеличение диаметра труб и коллекторов, работающих при температуре свыше 450 °С. Ускоренная

44

ползучесть является обычно следствием либо наличия в стали металлургических дефектов, либо ее эксплуата­ ции при более высокой, чем по расчету, температуре.

Считается допустимым увеличение диаметра труб за первые 50 тыс. ч работы до 1,0%■ При всех условиях нужно незамедлительно заменять трубы при увеличении их диаметра на 2,5%.

Длительная прочность стали. Под действием как пол­ зучести, так и других причин прочность стали, длительно работающей при высокой температуре, постепенно сни­ жается. Но от стали требуется сохранение работоспособ­ ности в течение весьма длительного времени, которое обычно должно быть равно 100 тыс. ч. Поэтому при про­ ектировании котла учитывается не только прочность его труб и других деталей в начальный период работы, но и прочность, которая останется в стали к концу рас­ четного срока эксплуатации.

Приближенно считают, что увеличение температуры на 40 °С сверх расчетного значения приводит для под­ верженных внутреннему давлению элементов котла к со­ кращению длительности надежной работы стали в 10 раз, т. е. вместо 100 тыс. ч до 10 тыс. ч. Работа при

ности с повышением температуры происходит еще быстрее.

Длительность работы стали под давлением при ко­ леблющейся температуре зависит не только от ее сред­ него значения, но и от того, насколько максимальная температура превышает среднюю. Действие временных повышений температуры может быть значительным даже тогда, когда отклонения от расчетного режима работы возникают периодически и на ограниченное время.

Разрыв труб пароперегревателя иногда происходит не во время работы с чрезмерно высокой температурой, а намного позже. Первыми обычно повреждаются трубы, прочность которых была дополнительно ослаблена ка­ ким-либо дефектом металла, на который сразу обраща­ ют внимание при расследовании причин аварии. Не всег­ да удается установить, что при отсутствии чрезмерного повышения температуры трубы могли бы работать зна­ чительно более длительное время.

45

Еще быстрее снижается прочность стали, если под действием высокой температуры ускоряется сфероидизация или иное изменение строения металла.

Тепловая усталость стали. Усталостью металла назы­

и т. и.). Сначала появляются небольшие трещинки, но при каждом изменении нагрузки их края то расходятся, то смыкаются, и размеры трещин постепенно увеличива­ ются.

Усталостные трещины изредка возникают в турбинах, насосах и в вспомогательных механизмах котельного це­ ха. Но для самих котлов опасность представляет тепло­ вая усталость стали, возникающая при многократном быстром изменении ее температуры. При этом отдельные участки труб, 'барабанов и коллекторов оказываются бо­ лее нагретыми и стремятся расшириться, чему препятст­ вуют сопряженные с ними менее нагретые участки. На­ пример, при резком изменении температуры пара проис­ ходит расширение или сжатие соприкасающегося с ним слоя металла на внутренней поверхности коллектора па­ роперегревателя, но у основной массы металла этого коллектора температура изменяется не сразу. При этом во внутреннем слое металла на короткое время возника­ ет дополнительное напряжение, именуемое тепловым или термическим. Многократное быстрое нагревание или ох­ лаждение отдельных элементов котла сопровождается соответствующим многократным изменением таких на­ пряжений, в результате чего на поверхности стали появ­ ляются трещины.

При внедрении одной из конструкций пароохладителя (гл. 11) оказалось, что у котлов, установленных на ТЭЦ металлургических заводов, в пароохладителях появлялись трещины тепловой усталости после одного года эксплуатации. Но у таких же котлов, работавших на районных электростанциях, пароохладители работали без ремонта от трех до пяти лет. Объяснялось это тем, что на металлургических заводах в котлах сжигали излишек доменного газа, добавка кото­ рого в основное топливо приводит к значительному возрастанию температуры пара и соответствующему увеличению подачи в паро­ охладитель охлаждающей воды. Подача в котлы доменного газа периодически изменялась в больших пределах. Столь же резко изме­ нялась температура отдельных деталей пароохладителей (их трубных досок), которые с одной стороны омывались водой, а р другой сторо­ ны — паром.

46

У котлов районных электростанций колебания режима работы йароохладителей были гораздо меньшими.

Наиболее опасно резкое изменение температуры тол­ стостенных коллекторов и барабанов котла, в которых выравнивание температуры по толщине металла проис­ ходит медленнее, чем в тонкостенных трубах, вследствие чего в их стенках возникают более высокие напряжения. Отдельные режимы, связанные с быстрым нагреванием или охлаждением барабана и коллекторов, почти неиз­ бежны при различных затруднительных условиях, на­ пример в периоды аварийных остановок котла. Тем бо­ лее недопустимо неоправданное увеличение числа рез­ ких изменений температуры металла.

Котел ТП-85 производительностью 420 т/ч на 140 кгс/см2 работал на донецком каменном угле. Концы вертикальных змеевиков его па­ роперегревателя были приварены к коротким промежуточным шту­

а в 16 других штуцерах были обнаружены глубокие поперечные тре­ щины в непосредственной близости от сварных швов, соединявших их с коллекторами. Все повреждения были в средней части газохода, где змеевики пароперегревателя более всего нагреваются дымовыми газами.

При изучении причин аварии обратили внимание на то, что в пер­ вые годы эксплуатации котел работал с пониженной нагрузкой. В его топку через различные неплотности проходило большое количе­ ство наружного воздуха. Сгорание угля затягивалось, и языки пла­ мени систематически омывали отдельные змеевики пароперегревате­ ля. Произошло несколько аварийных разрывов этих змеевиков вслед­ ствие их чрезмерного нагрева.

В необогреваемые толстостенные коллекторы поступал пар из большого количества змеевиков, и температура стенок коллекторов была значительно ниже, чем температура пара в тех трубах, которые дополнительно обогревались языками пламени. Каждый раз, когда пламя достигало нескольких змеевиков, возникал большой перепад температур в зоне приварки к коллекторам промежуточных шту­ церов. В этой зоне появились трещины тепловой усталости, размеры которых постепенно увеличивались.

Наиболее опасна тепловая усталость аустенитной стали, в которой тепло передается примерно в 1,5 раза медленнее, чем в перлитной, вследствие чего выравни­ вание температуры продолжается большее время. В ча­ стности, опыт эксплуатации как отечественных, так и за­ рубежных электростанций свидетельствует о нежела­ тельности изготовления из аустенитной стали паропрово­ дов между котлом и турбиной, поскольку в толстостен­ ных трубах таких паропроводов почти всегда возникали трещины тепловой усталости.

47

Коррозия стали. Латинское слово к о р р о з и я означа­ ет разъедание. Примером коррозии металла является процесс ржавления стальных деталей. При этом проис­ ходит химическое соединение поверхностного слоя желе­ за с кислородом и водой и образуется лишенный проч­ ности слой ржавчины. По мере развития процесса кор­ розии прочность стальной детали постепенно уменьша­ ется.

В большинстве случаев процесс коррозии не ограни­ чивается химической реакцией поверхностного слоя ме­ талла с кислородом, серой или каким-либо иным веще­ ством. Обычно коррозия протекает в более сложных условиях. Известно, что сухая поверхность стальных де­ талей не ржавеет. На влажной же металлической по­ верхности могут оказаться участки, в которых начинают циркулировать слабые электрические токи. При этом одним из полюсов (анодом) становятся зерна самого металла, а другим полюсом (катодом)— всевозможные загрязнения и неметаллические включения в стали, а также находящиеся на ее поверхности ржавчина и окалина. Размеры элементарных анодов и катодов могут различаться во много раз.

Каждый из элементарных электрических токов обыч­ но очень слаб, и его действие сначала кажется ничтож­ ным. Но под действием такого тока происходит посте­ пенный перенос атомов металла от анода к катоду. По­ верхность стальных труб медленно, но непрерывно раз­ рушается.

Из физики известно, что электрические заряды кон­ центрируются преимущественно на различных острых углах, трещинах и других неровностях детали. В этих неровностях и особенно в трещинах коррозия металла протекает наиболее интенсивно.

Условия возникновения коррозии в отдельных эле­ ментах котлов описаны в § 10-6 и 12-4. В этой главе мы рассмотрим лишь с т о я н о ч н у ю коррозию, которая мо­ жет одновременно поражать разные элементы котельно­ го агрегата.

Стояночная коррозия. При наличии в энергетической системе достаточной мощности часть оборудования и прежде всего старые, менее экономичные котлы и турби­ ны периодически останавливают и оставляют в резерве. В нерабочем состоянии в поверхностном слое металла котлов иногда возникают различные химические процес-

48

еы, именуемые стояночной коррозией. Такая же корро­ зия может происходить и в периоды ремонта котлов.

Опасна не только стояночная коррозия самих котлов, но и коррозия при остановках оборудования во всем во­ дяном тракте электростанции — в подогревателях, тепло­ обменниках и т. д. После пуска в работу котла и турби­ ны возникшие в результате этой коррозии мельчайшие частицы окислов железа и меди вносятся в котлы, где, отлагаясь на внутренней поверхности труб, ухудшают условия передачи тепла. Было замечено, что такие ча­ стицы выпадают внутри труб преимущественно там, где передается максимальное количество тепла, т. е. в зоне «ядра» факела, где их отложение наиболее опасно.

Борьба со стояночной коррозией водяного тракта электростанции более всего затруднительна в прямоточ­ ных котлах, где очистка питательной воды должна про­ изводиться наиболее тщательно и недопустимо даже не­ большое ее загрязнение продуктами коррозии.

Стояночная коррозия наружной поверхности труб возникает иногда в случаях, когда очистка топки и газо­ ходов осуществляется путем их обмывки струей воды и когда после этой обмывки остаются неудаленными от­ дельные смоченные водой отложения золы и сажи. У кот­ лов, работающих на тощих углях и антраците, такие влажные отложения иногда оставались после водяной обмывки нижней части топки, в пространстве между трубами и обмуровкой. Смоченная водой зола, прилегая к трубам, способствовала очень быстрой их коррозии со стороны, обращенной к обмуровке.

Отдельные электростанции во избежание такой кор­ розии были вынуждены отказаться от обмывки экран­ ных труб струей воды и очищать эти трубы менее эффек­ тивными способами.

У других котлов влажная зола оставалась после во­ дяной обмывки между опорными конструкциями, под­ держивающими горизонтальные трубы. Коррозия этих труб возникала только между опорными стойками и име­ ла вид круглых или овальных язвин в металле.

3- 4. Консервация котлов

Различные мероприятия по предотвращению корро­ зии металла в период остановки котла (его консерва­ ция) осуществляются раздельно для наружной и вну­ тренней поверхностей труб.