Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов

Подождите немного. Документ загружается.

имеются трубы, поврежденные

процессе эксплуатации,

то

делают вырезки

из

поврежденных

неповрежденных труб

с целью сравнительных исследований.

Металл, вырезанный

из

труб, подвергают испытаниям

объе-

мах, предусмотренных

ТУ на их

поставку. Целесообразны

ис-

следования микроструктуры поврежденных труб, измерения

твердости

размеров

на

кольцевых шлифах.

Если окажется,

что

механические свойства

не

отвечают

требованиям

ТУ на

поставку

или

глубина коррозии выше норма-

тивной, установленной

ОСТ 108.030.01-75, то

необходимы допол-

нительные вырезки удвоенного количества образцов.

Если результаты повторных исследований также ниже пре-

дъявляемых требований,

то все

дефектные трубы заменяют,

считая

при

этом,что

все

трубы пакета обладают неудовлетвори-

тельными свойствами.

4.7.

Подшламовая коррозия

водородное охрупчивание

Под слоем отложений

на

внутренней поверхности экранных

труб

контакте

котловой водой развивается

так

называемая

подшламовая коррозия

и она

часто носит язвенный характер.

Такой коррозионный процесс интенсивно развивается только

в отдельных точках поверхности металла,

где

образуются язвы,

которые могут привести

свищам. Язвы заполняются продукта-

ми коррозии,

поэтому

их не

всегда легко удается обнаружить.

При значительном развитии коррозионного процесса

на

внут-

ренней поверхности трубы

месте действия локальных коррози-

онных электрохимических элементов наблюдаются

как бы на-

росты. Между металлом трубы

отложениями находятся плотно

прилегающие продукты коррозии, образовавшиеся

из

металла

трубы. Между плотным слоем оксидов железа

слоем отложе-

ний находится слой более рыхлых оксидов

из

ионов металла,

перешедших

раствор

воде. Внутренний плотный слой состоит

практически

из

одного магнетита.

рыхлом слое оксиды железа

располагаются вперемежку

солями, состав которых определя-

ется «букетом солей» котловой воды.

Схема развития процесса сплошной подшламовой коррозии

представлена

на рис. 4.19. При

наличии теплового потока

стен-

ке трубы экрана

лобовой образующей имеет место градиент

температуры, возникающий из-за термического сопротивления

металла.

Еще

больший градиент температуры отмечается

слое

отложений,

так как они

обладают меньшей теплопроводностью,

чем металл.

пограничном ламинарном слое жидкости также

существует градиент температуры, связанный

процессом тепло-

отдачи

от

поверхности отложений

жидкости.

Равновесная концентрация солей может существовать лишь

в потоке жидкости.

пористом слое отложений происходит

упа-

Нагретая

сторона

Пароводяная

смесь

Температурный градиент

на загрязненной труде

J __L

Увеличение

концентрации

растворенных

веществ

Градиент концентрации

на отложении

' смеси

Анод

Катод**'.-2Н*+2е

Нагретая

сторона

Рис.

4.19. Схема развития процесса подшламовой коррозии:

а — схема, иллюстрирующая появление градиента температуры и концентрации при наличии внутрен-

них отложений на .экранной трубе, б— локальный коррозионный электрохимический элемент, функци-

онирующий в кислой среде и приводящий к хрупкому водородному разрушению; в — локальный

коррозионный электрохимический элемент, функционирующий в, щелочной среде и приводящий к

язвенному поражению или коррозии пятнами

ривание раствора и повышение концентрации солей. Так созда-

ется агрессивный в коррозионном отношении электролит. Вслед-

ствие неоднородности металла трубы и неравномерности тепло-

вого потока возникают локальные электрохимические элементы.

При значениях показателя рН < 7,0 скорость коррозии опре-

деляется скоростью восстановления ионов водорода. Ионы во-

дорода, имеющиеся в котловой воде, из-за ее диссоциации или

кислотного характера примесей восстанавливаются до водорода

(на катодных участках) и растворяются в металле. Происходят

интенсивная коррозия и насыщение водородом металла.

При значениях показателя рН> 7,0 образование ионов водо-

рода сильно подавлено. Выделившийся водород становится по-

током пароводяной смеси. В .потоке атомы водорода объединя-

ются в молекулы, транспортируемые вместе с паром через тракт

котла и турбины в конденсатор. Имеет место коррозионное по-

ражение, но отсутствует водородное охрупчивание.

Растворение водорода в металле происходит за счет диффу-

зии ионов водорода к поверхности металла, адсорбции ионов на

металлической поверхности, восстановления его до атомарного

состояния, перехода атомов водорода в кристаллическую ре-

шетку металла и миграции атомов водорода в кристаллической

решетке.

Между водородсодержащей средой и металлом через опреде-

ленный промежуток времени после возникновения контакта на-

ступает равновесие распределения водорода, т. е. металл насы-

щается водородом. Растворенный в стали атомарный водород

вызывает снижение прочности и пластичности и может приво-

дить к замедленному разрушению при нагрузках и температу-

рах, которые при отсутствии водорода безопасны. Водород сни-

жает при высоких температурах длительную прочность и дли-

тельную пластичность и может ускорять ползучесть. Это явление

называется водородной хрупкостью; оно свойственно не только

процессу подшламовой коррозии, но и всем случаям, когда ме-

талл насыщается водородом. В частности, при насыщении метал-

ла водородом в процессе сварки (водород попадает из влажной

обмазки электродов или ржавчины — гидрооксида железа) мо-

жет наблюдаться повышенная способность к трещинообразова-

нию наплавленного металла или околошовной зоны.

Водород, имеющий малый атомарный диаметр, легко диффун-

дирует в микропоры или на границы раздела фаз. На поверхно-

сти микропоры происходит десорбция с образованием молекул.

Давление резко повышается. При достижении критического со-

четания геометрии формы поры, давления в ней и уровня дейст-

вующих в конструкции напряжений происходит элементарный

акт разрушения — микронадрыв. Рост трещины происходит по-

следовательными скачками, пока она не достигнет критической

длины и ширины. Дальше произойдет практически мгновенное

окончательное разрушение. Процесс разрушения контролируют:

парциальное давление водорода на поверхности металла, струк-

турное состояние, наличие и форма микропор, вид и уровень

напряженного состояния и температура металла на поверхности

и в объеме.

На процесс диффузии водорода влияют поле напряжений,

градиент температуры и дефектность строения металла. В част-

ности, границы зерен и дислокации являются'каналами, облег-

чающими перемещение ионов водорода в стали.

Растворимость водорода в стали увеличивается пропорцио-

нально корню квадратному из парциального давления и возрас-

тает по экспоненте с увеличением температуры при постоянном

парциальном давлении водорода. При повышении температуры

от 300 до 500° С растворимость водорода в железе увеличива-

ется в пять раз. Легирующие элементы относительно слабо вли-

яют на растворимость водорода в стали, но могут существенно

изменять скорость диффузии.

Водород, растворенный в стали, взаимодействуя с углеродом

цементита, образует метан, который практически нерастворим

в стали, и он скапливается по границам зерен и в микропорах,

где его давление достигает весьма большой величины.

В то же время водород является поверхностно-активным ве-

ществом, приводящим к снижению поверхностной энергии стали,

облегчает таким образом уровень напряжений, необходимых для

образования и развития трещины.

Растворение водорода вызывает искажение кристаллической

решетки металла и уменьшает силы межатомного взаимодейст-

вия. При критической концентрации водорода возможны потери

когезивной связи между атомами в кристаллической решетке.

Критическая концентрация разная для различных уровней на-

пряженного состояния в конкретном локальном объеме: она тем

меньше, чем выше уровень напряжений. Важную роль в уско-

рении разрушения играет трехосное напряженное состояние,

ограничивающее возможность пластической деформации ме-

талла. При критической концентрации водорода или большей

трещина растет; при меньшей — растрескивания нет.

Важную роль играет взаимодействие ионов водорода с дис-

локациями в пластически деформированной зоне перед вершиной

трещины. Водород легче растворяется в искаженной кристалли-

ческой решетке дислокаций. Движущиеся дислокации транспор-

тируют растворенный водород к препятствиям — границам зерен,

включениям и пр. В скоплении дислокаций у препятствия кон-

центрация водорода существенно повышается, достигает крити-

ческого значения, после чего образуется трещина.

В результате водородного охрупчивания происходит сниже-

ние пластических свойств не только перлитных, но и высоколе-

гированных аустенитных сталей. Аустенитная сталь с мелким

зерном лучше сопротивляется водородному охрупчиванию, чем

крупнозернистая.

На трубчатые элементы водород действует тем сильнее, чем

меньше их толщина при одном и том же парциальном его давле-

нии на внутренней поверхности. При насыщении металла водо-

родом усиливается анизотропия свойств, связанная с текстурой.

При испытании на длительную прочность в водородсодержа-

щей среде достоверная информация о пределе длительной проч-

ности получается при использовании степенной зависимости

Ладп.

Можно применять и параметрическую зависимость

Ларсена — Миллера а

=f[T(C+

lgr)],

но если для перлитной

стали в нейтральной среде С = 20 — 22, то в водородсодержащей

среде С = 9 +-12. Чем выше стойкость стали к водороду, тем

ближе коэффициент С при испытаниях в водородсодержащей

среде и этот коэффициент при испытаниях в воздушной среде.

На рис. 4.20 представлено влияние легирования сильными

карбидообразующими элементами — хромом и молибденом на

стойкость против водородного охрупчивания перлитных сталей.

253035W50607080

4 6 8 10 12 № 16 18 20

Измененная

Парциальное давление

Sodopoda, МПа I

шкала

Рис.

4.20.

Влияние содержания легирующих элементов

на

стойкость стали против

водородного охрупчивания

Чем выше парциальное давление водорода

температура,

тем

сильнее охрупчивание.

При

температурах

давлениях, распо-

ложенных ниже линии

для

соответствующей стали

на рис. 4.22,

водородное охрупчивание практически

не

наблюдается. Повы-

шения стойкости против водородного охрупчивания позволяет

добиться также легирование стали титаном

ниобием.

При испытании

на

длительную прочность

водороде проис-

ходит поверхностное обезуглероживание,

что

способствует сни-

жению длительной прочности

приводит

проявлению масштаб-

ного фактора. Влияние обезуглероженного слоя сильнее

на

тон-

костенных деталях.

Водород вызывает также увеличение скорости ползучести ста-

лей

по

сравнению

испытаниями

нейтральных средах.

С водородным охрупчиванием связано бездеформационное

разрушение экранных труб отечественных барабанных котлов,

работающих

давлением пара

14 МПа [37].

На

рис. 4.21

представлен внешний

вид

трубы

из

стали

20 бо-

кового экрана котла БКЗ-320-140ГМ, которая внезапло разру-

шалась

процессе эксплуатации. Разрушения происходят

в об-

ласти высоких тепловых нагрузок. Охрупчивание металла отме-

чается

по

лобовой наиболее интенсивно обогреваемой образу-

ющей

на

локальном

по

высоте участке. Разрушение наступает

при увеличении наружного диаметра всего

на 0,5—1,0% и

уто-

нении стенки

0,1—0,5 мм.

Металл лобовой образующей

районе

разрушения обладает пониженной прочностью

пластичностью

по сравнению

металлом

исходном состоянии.

На

внутренней

поверхности труб со стороны

лобовой образующей имеются

цепочки язв. Внутритрубные от-

ложения состоят из оксидов

железа и меди. Разрушение но-

сит межкристаллитный харак-

тер.

Нет структурных признаков

перегрева стали — сфероиди-

зации или частичной перекрис-

таллизации.

По данным [37] в металле

около мест разрушения по лобо-

вой образующей

;

содержание

водорода на 1—2 порядка вы-

ше,

чем по тыльной образую-

щей, где он сохраняется на

уровне содержания в исходном

металле. Таким образом, все

перечисленные факты свиде-

тельствуют о том, что экранные

трубы разрушаются по меха-

низму водородного охрупчива-

Рис.

4.21. Внешний вид трубы бокового

нии пали. экрана котла БКЗ-320-140ГМ, разру-

Повреждения наблюдаются шающейся от водородной хрупкости

при работе котлов на мазуте

или на низкосортных высокозольных углях с подсветкой мазутом,

т. е. при повышенном радиационном восприятии теплоты в топоч-

ном объеме и больших локальных тепловых потоках.

Причиной наводороживания может служить переход от ус-

тойчивого пузырькового к нестабильному пленочному кипению

с колебаниями температуры стенки 100—200° С. Периодически

происходит кавитационное схлопывание пузырьков. На внутрен-

ней поверхности трубы нарушается сплошность оксидных пленок

из-за растрескивания и кавитационного износа и развивается

коррозионный процесс. Кислород воды расходуется на окисление

металла, а водород поступает в металл. Одновременно может

развиваться процесс коррозионно-термической усталости.

Отложения на внутренней поверхности трубы интенсифици-

руют процесс по механизму описанной выше подшламовой кор-

розии. Чем толще и чем менее теплопроводны отложения, тем

интенсивнее процесс подшламовой коррозии. Отрицательное вли-

яние оказывают флуктуации теплового потока со стороны то-

почного факела.

Повреждения экранных труб по механизму водородного ох-

рупчивания наблюдались на котлах ТП-100, ТГМ-96, ТГМ-84,

БКЗ-320-140ГМ и др.

Эффективными способами защиты служат снижение локаль-

ных тепловых потоков, улучшение качества котловой воды, уве-

личение скорости циркуляции и кислотные промывки для удале-

ния отложений. Хорошие результаты дает использование комп-

лексонного способа обработки воды. С целью снижения локаль-

ных тепловых потоков используется торкретирование экранов.

4.8. Эксплуатационная надежность труб топочных экранов

при водяной очистке

Топочные экраны котлов, работающих на канско-ачинских уг-

лях, подмосковном угле, эстонских сланцах и некоторых других

углях, подвержены интенсивному шлакованию. При этом увели-

чивается разверка тепловосприятий по трубам и экранам, кото-

рая может вызвать нарушение гидродинамики, а также снижа-

ется общее тепловосприятие топки и снижается КПД котла.

Наиболее эффективным средством очистки являются дальнобой-

ные аппараты водной очистки. Об этом свидетельствует опыт

Эстонской, Прибалтийской, Назаровской и Рязанской ГРЭС.

При отсутствии эффективной расшлаковки в случае сжигания

сильно шлакующих топлив возникает необходимость периодиче-

ской разгрузки котлов, а иногда и остановки для ручной рас-

шлаковки.

Водная обмывка топочных экранов осуществляется струей

технической воды с температурой 10—20° С при давлении 0,5—

0,6 МПа и расходе на один аппарат 8 кг/с. Водяная струя на-

правляется через топочную камеру на противоположную стену

наиболее шлакующихся поверхностей нагрева. На котлах П-59

это трубы нижней радиационной части. Струя равномерно пере-

мещается по горизонтали и одновременно смещается в верти-

кальной плоскости. Обдувка производится 5—7 раз в сутки. Струя

воды вызывает термоудар горячих шлаковых образований; кине-

тическая энергия струи и образующегося при ее испарении пара

также способствует разрушению шлака.

По данным [38] использование аппаратов М-ЗА на котлах

П-69 блоков 300 МВт Рязанской ГРЭС привело к увеличению

тепловосприятий нижней радиационной части на

10—12%.

Были

устранены образования больших глыб шлака. Улучшилась рав-

номерность тепловосприятий отдельных труб.

Однако при водяных обмывках не удается избежать попада-

ния струи воды на очищенную от шлака поверхность экранных

труб. На наружной поверхности трубы НРЧ при водной обмывке

бросок температуры на протяжении 3—5 мин достигает 40—60° С.

В результате многократного термоудара на наружной поверх-

ности экранных труб образуются трещины термической устало-

сти.

Такие трещины могут располагаться как вдоль оси трубы,

так и по кольцу, они занимают до половины периметра трубы.

Зарождению трещины предшествует инкубационный период. За-

тем наступает период относительно быстрого роста трещины.

Но,

так как

градиент температуры

при

термоударе

по

глубине

металла трубы быстро затухает,

конец трещины скруглен

ок-

сидами,

то в

дальнейшем рост трещины замедляется.

При

воз-

действии водных обмывок

на

котлах

П-59

трех блоков Рязан-

ской ГРЭС

результате эксплуатации длительностью

от 10 до

23,7 тыс. ч

максимальная глубина трещины

на

трубах

НРЧ

диа-

метром

32X5 мм из

стали 12Х1МФ

не

превышала

0,5 мм.

На основании статистической обработки зависимости макси-

мальной глубины трещин

от

количества водных обмывок

по ре-

зультатам металлографических исследований контрольных уча-

стков труб

НРЧ

получено уравнение:

0,02лг°>

где

б —

глубина трещины,

мм; п —

количество циклов водяных

очисток.

Со временем скорость роста трещин замедляется,

они как бы

увязают

металле. Рост трещин

не

вызывает опасности раз-

рушения экранных труб

до тех пор,

пока остаточная фактиче-

ская толщина стенки

(за

вычетом глубины трещины) удовлетво-

ряет условию прочности

при

статическом нагружений внутрен-

ним давлением согласно

ОСТ 108.031.02-75, так как

металл труб

достаточно вязок.

4.9.

Сернистая коррозия металла хвостовых поверхностей

нагрева

стальных коробов газоходов

При сжигании топлив

большим содержанием серы хвосто-

вые поверхности нагрева (экономайзеры

воздухоподогревате-

ли) подвергаются низкотемпературной сернистой коррозии. Этот

вид коррозии,

частности, имеет место

при

сжигании сернистых

мазутов, подмосковного, львовско-волынских

других углей

высоким содержанием серы.

От

сернистой коррозии разруша-

ются также стальные короба газоходов

дымовые трубы. Интен-

сивный коррозионный процесс

на

стенках коробов наблюдается

в местах повреждения тепловой изоляции,

где

происходят кон-

денсация водяных паров

образование серной кислоты из-за

переохлаждения уходящих газов.

При сгорании мазута

твердых топлив

высоким содержа-

нием серы из-за окисления органических соединений, содержа-

щих серу,

разложения минеральной части золы образуются

SO2

и SO3.

Сероорганические соединения

при

нагревании разла-

гаются

выделением преимущественно сероводорода, который

интенсивно окисляется кислородом воздуха:

S + 30

= 2S0

2Н

Относительно небольшая часть

интервале температур

1400—400°

окисляется

до S0

. При

используемых

настоя-

щее время топочных устройствах

методах сжигания

SO3 со-

ставляет

на

мазутных котлах около

1—2%

имеющегося

пла-

мени

SO2, а на

пылеугольных

—

около

0,5—0,8%.

Глубина окис-

ления

SO2 в SO3

зависит

от

избытка воздуха, температуры

ядре факела

времени пребывания продуктов горения

зоне

высоких температур.

В газовом тракте котла реакция окисления

SO2 в SO3 не до-

стигает равновесной концентрации из-за быстротечности про-

цесса перемещения газов

по

сравнению

со

скоростью реакции.

Важную роль

образовании

SO3

может играть контакт горячих

топочных газов

поверхностью труб фестона, ширм

конвек-

тивного пароперегревателя; оксиды железа

высшие оксиды

ванадия, входящие

состав окалины

отложений, служат

ка-

тализаторами

реакции окисления

SO2 в SO3.

Снижение избытка воздуха

—

эффективный метод подавления

образования

SO3.

Понижение избытка воздуха

а"—1,08

до

а" = 0,98 на

котле ТГМП-114 приводит

уменьшению содержа-

ния

SO3 в

продуктах сгорания сернистого мазута

четыре раза.

Имеется определенный положительный опыт сжигания сернис-

того мазута

малыми избытками воздуха

котлах средней про-

изводительности.

В то же

время

при

сжигании пыли углей

со

значительным содержанием серы организовать топочный процесс

с малыми избытками воздуха

не

удается.

Продукты сгорания мазута

или

твердого серосодержащего

топлива,

которых имеются

SO3 и

водяные пары, перемещаются

по газовому тракту котла

охлаждаются."

результате этого

при определенной температуре, называемой точкой росы паров

кислоты, начинается выпадение серной кислоты, которая конден-

сируется

оседает

на

поверхностях нагрева.

При

дальнейшем

охлаждении процесс конденсации ускоряется.

Концентрация серной кислоты, выпадающей

на

хвостовых

поверхностях нагрева, достигает

60—95% и

мало зависит

от

тем-

пературы продуктов горения.

При взаимодействии серной кислоты

металлом образуются

сульфаты железа

—

Fe2

(864)3

FeS0

В высокофорсированных топочных устройствах современных

мощных котлов

факеле происходит взаимодействие азота

кислорода воздуха

образованием смеси оксидов азота, условно

обозначаемой

NO*.

Количество образующихся оксидов азота

зависит

от

избытка воздуха.

топочных устройствах котлов

ТГМП-114, ТГМП-314

ТГМП-324,

по

данным ЭНИН, количе-

ство

NO*,

образующихся

факеле, монотонно возрастает

при

увеличении

а" от 0,95 до 1,15.

Рециркуляция газов снижает мак-

симальную температуру

ядре факела

заметно подавляет

образование токсичных оксидов азота:

при

увеличении степени

рециркуляции

с 18—19% до 26—29% на

номинальной нагрузке

котла ТГМП-114 количество оксидов азота

при а" =1,0

снижа-

ется приблизительно в два раза. По мере снижения нагрузки

влияние степени рециркуляции на образование оксидов азота

ослабевает. Чем выше степень форсировки топочного устройства,

тем относительно больше образуется N0*.

Наиболее эффективное подавление реакции образования про-

исходит при осуществлении рециркуляции через горелки. Наи-

менее, эффективна с этой точки зрения рециркуляция через подо-

вые шлицы.

Низкотемпературная коррозия хвостовых поверхностей котлов

может интенсифицироваться при конденсации оксидов азота.

Аналогичное влияние может оказывать и хлористый водород,

Но обычно содержание N0* и НС1 в продуктах горения относи-

тельно невелико, и ведущей фазой в низкотемпературном корро-

зионном процессе является SO3. На холодных поверхностях при

движении газов по каналам происходят частичная конденсация

H2SO4

и осаждение ее на поверхности нагрева и ограждениях га-

зоходов, вызывая тем самым интенсивную коррозию.

В регенеративных воздухоподогревателях из-за коррозии ин-

тенсивно разрушается нижняя, более холодная, часть набивки.

При забитых золой и продуктами коррозии каналах резко уве-

личивается сопротивление воздухоподогревателя. Поэтому при-

ходится производить его периодическую очистку.

Регенеративный воздухоподогреватель на рис. 4.22 состоит из

ротора, разделенного радиальными перегородками на секторы,

в которые уложены пакеты теплообменной набивки. Набивка

попеременно омывается горячими газами и более холодным воз-

духом (рис.

4.22).

Пакеты набивки изготавливаются из профи-

лированных стальных листов. По высоте набивка делится на

два слоя, отличающихся конфигурацией и размерами листов.

Рис.

4.22. Коррозия набивки регенеративного воздухоподогревателя:

а — схема регенеративного воздухоподогревателя, 1 — ротор, 2 — кожух; 3 — секторные плиты ра-

диального уплотнения; 4 — набивка холодного слоя; 5 — набивка горячего слоя; б — скорость сер-

нистой коррозии набивки из углеродистой стали от температуры поверхности металла