7.2 Износ поверхности нагрева летучей золой

При работе котла на твердом топливе конвективные поверхности нагрева подвергаются износу под ударами твердых частиц, уносимых потоком газа. В результате этого стенка трубы становится тоньше, уменьшается прочность, что может привести к разрыву трубы.

Трубы изнашивается неравномерно. Больше всего истираются трубы крайних змеевиков, прямые участки труб, отходящих от коллектора, места изгиба труб и др. Все места интенсивного износа характеризуются повышенной местной скоростью потока. Величина износа зависит от концентрации и абразивных свойств уноса (золы, несгоревшего углерода) и режима эксплуатации. Наибольшему износу подвергаются шахматные пучки, причем второй ряд изнашивается в среднем в 1,5 раза сильнее, чем остальные ряды. В коридорных участках износ меньше, поскольку трубы, начиная со второго ряда, находятся в аэродинамической тени. При движении газа внутри труб, как это имеет место, например, в воздухоподогревателе, наибольшему износу подвергаются входные участки труб примерно на длине 300 - 400 мм. На начальном участке режим движения неупорядочен, вероятность ударов твердых частиц о стенку трубы выше. При дальнейшем опускном движении потока в трубах твердые частицы движутся преимущественно в центре. Поэтому здесь вероятность удара твердых частиц о поверхность уменьшается.

В зависимости от угла, под которым поверхность встречается с набегающей струей запыленных газов, различают прямые и косые удары. Угол между осью потока и касательной к поверхности называют углом атаки. При угле атаки в 90° имеет место прямой, а при угле, меньшем 90° - косой или скользящий, удар.

Труба, находящаяся под действием запыленного потока, теряет свою первоначальную форму вследствие образования поверхностей износа. Максимальная величина износа трубы отвечает углу атаки 45°, причем характер износа остается одним и тем же при изменении скорости газа.

Интенсивность абразивного износа усиливается при снижении Г < 8000 , т.к. золовые частицы затвердевают и теряют свою пластичность.

уголок (защита) α

поток

газов

При поперечном омывании труб, абразивному износу подвергается поверхность трубы под углом = 40 − 500к направлению потока газов.

При продольном омывании труб наиболее интенсивному абразивному износу подвергается участок, находящийся на расстоянии от входа 2-3dВН.

91

Возникает в ядре факела (на топочных экранах) при сжигании твердых топлив с малым выходом летучих и сернистого мазута.

Основным коррозионно-активным компонентом является сероводород ( 2 ). Наиболее подвержены этой коррозии топочные экраны с набросом факела. Причина - местное (локальное) снижение коэффициента избытка воздуха (α) (восстановительная зона) при быстром росте температуры (1500оС) не позволяет сгореть 2 . При концентрации 2 = 0,04-0,07% скорость коррозии повышается примерно в 10 раз.

Первичный продукт коррозии → в сульфат железа (4), который отслаивается от стенки трубы и дает место дальнейшему протеканию процесса.

Скорость сернистой высокотемпературной коррозии может достигать 3-4 мм в год.

Меры борьбы:

1.максимально возможная равномерность раздачи топлива и воздуха по горелкам, для того, чтобы обеспечить > 1 (окислительную среду), где 2 быстро сгорит;

2.исключение касания факелом топочных экранов.

Высокотемпературная ванадиевая коррозия.

Характерна для труб конвективного пароперегревателя. Происходит при сжигании мазута, когда температура стенки (tСТ) превышает 610°С. В золе высокосернистого мазута содержится оксид 2 4, который в присутствии и других компонентов в золе переходит в 2 5

2 4 + → 2 5

2 5 - образует ванадат натрия (52 5 × 2 × 2 4) с температурой плавления

ПЛ ≈ 6000С.

Данное соединение образует жидкую агрессивную пленку на поверхности труб из углеродистой и слаболегированной аустенитной стали и разрушает металл.

Данной коррозии подвергаются крепежные детали, которые не имеют охлаждения. Коррозия эта усиливается при наличии в потоке окислов серы: 2, 3.

Наиболее опасен для металла пиросульфат натрия 2 2 7, который в сочетании с 2 5 создает повышенную агрессивность газов при температуре около 600°С. Максимальная скорость данной коррозии наблюдается при температуре СТ = 700− 7500С, которая характерна для неохлаждаемых крепежных деталей.

которые частично связывают 2 5;

3.выделение из мазута в процессе его подготовки ванадия и натрия;

4.снижение СТ до температуры ниже 600°С. Температура перегрева с учетом тепловой разверки не должна превышать 550-545°С.

Низкотемпературная коррозия ВЗП.

В продуктах сгорания содержатся водяные пары температура точки росы которых зависит от их парциального давления:

93

этом плёнка воды способствует доставке кислорода (Fe + O2 → Fe2O3).

Присутствие серы в топливе повышает температуру точки росы (S + O2 → SO2 и ~5% SO2 взаимодействует с кислородом SO2 + O → SO3 (при t > 1300ºC) → SO3 + H2O → H2SO4↑, но если tвзпст t Hp 2SO4 120 160 C, то будет сернокислотная коррозия Fe + H2SO4 → Fe2(SO4) + ↑H2).

Методы борьбы с низкотемпературной коррозией:

1.уменьшение Т (наддув).

2.удаление S из топлива и связывание SO2 в дымовых газах.

3.топочный режим (затянутый процесс горения снижает концентрацию SO3 за топкой);

4.коррозионно-стойкий материал (эмалевое покрытие, стекло, керамика);

5.увеличение температуры металла ( СТ) выше температуры точки росы (подогрев воздуха на входе в воздухоподогреватель в паровом калорифере или рециркуляцией горячего воздуха).

7.4Металлы котлостроения и расчет прочности основных элементов котлов

Взависимости от условий эксплуатации в качестве котельной стали

используются:

-углеродистая сталь низколегированная;

-легированная сталь перлитного и аустенитного классов.

1)Барабаны котлов.

Р< 100 атм (15К, 20К) – низколегированная сталь, Mn < 0,9%.

Р> 100 атм (16ГНМ, 16ГС – С = 0,16%, Mn > 0,9%, Ni > 0,7%, Mo < 1%).

2)Поверхности нагрева.

-экономайзер, топочные экраны и перегреватель (с tпе < 400ºC) – Ст10, Ст20.

-перегреватель с tпе = 400÷500ºС – 12Х1МФ (С = 0,12%, Сr > 1 ≈ 1,2%, Мо ≈ 0,55%, V ≈ 0,35%).

-перегреватель с tпе = 545÷560ºС – высоколегированный, Х18Н12Т (С очень мало,

Сr = 18%, Ni = 12%, T ≈ 0,5%).

- воздухоподогреватель и каркас котла (работают при Р = 1 атм и t < 400ºС) – Ст3 (самая дешёвая сталь).

94

Стали листовые для котлов и сосудов, работающих под давлением, применяют для изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин и других деталей. Они должны работать при переменных давлениях и температуре до

450°С.

Кроме того, котельная сталь должна хорошо свариваться. Для получения таких свойств в углеродистую сталь вводят технологическую добавку (титан) и дополнительно раскисляют ее алюминием. Выпускают следующие марки углеродистой котельной стали 12К, I5K, 20К, 22К, 25К (22К-для высокого давления 60-125 атмосфер, остальные-для P<60 атмосфер) с содержанием в них углерода от 0,08 до 0,25%. Эти стали поставляют в виде листов с толщиной до 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска.

В котлах сверхвысоких параметров (P>125 атмосфер) применяется сталь 16ГНМ. Широко применяются в котлостроении чугуны, но только для изготовления

деталей, не подверженных значительному давлению среды.

Например, ковкий чугун марок КЧ 30 – 6, КЧ – 37 – 12 или КЧ 60 – 3. Котлы из этого ковкого чугуна используют при производстве пароводяной ар матуры с давлением среды до 4 МПа и температурой до 300 0С. Высокопрочный чугун применяют вместо стали или ковкого чугуна для изготовления ответственных деталей.

Легированный чугун применяют для отливок повышенной жаропрочности: паровые котлы, работающие при высоких температурах топочных газов, не находящихся под давлением.

Обозначение основных материалов, применяемых в котлостроении:

М– молибден, Х – хром, Н – никель, В – вольфрам, Ю – алюминий, Ф – ванадий,

Г– марганец, Ц – кремний, Б – нобий, Т – титан, Д – медь.

Пример: нержавейка - Х18Н10Т – 0,1% углерода(С) (содержание углерода указывается перед всей маркировкой), ≈18% хрома, ≈10% никеля, <1% титана.

Чем выше содержание углерода – тем выше прочность, но меньше пластичность, что существенно ухудшает качество сварных соединений из-за воздушной закалки стали, поэтому содержание углерода в сталях для котлостроения ограничивается:

С<=0,25%.

Фосфор способствует возникновению хладноломкости – резкое уменьшение ударной вязкости стали при комнатных температурах и ниже. Содержание фосфора(Р) не должно превышать 0,045%.

Сера(S) способствует возникновению красноломкости – хрупкое разрушение стали при t=800-1200 оC. Красноломкость возникает в результате выделения лёгкоплавкой эфтетики и ослабление связи между зёрнами.

Содержание серы должно находится в пределах (0,03-0,045)%. Определение толщины стенки труб:

где S-толщина стенки(мм), P-давление(МПа), Dн-наружный диаметр (мм),

C-прибавка к расчетной толщине (по нормам расчета, мм), f-коэффициент прочности(обычно f=1),

95