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

Подождите немного. Документ загружается.

могут изготавливаться

приварными

или

вварными штуцерами,

а также

отверстиями

для

приварки

или

вальцовки труб.

Обечайки, днища

крышки лазовых затворов сварных бара-

банов котлов

номинальным рабочим давлением

1,0 МПа и

выше изготавливают

из

котельной листовой стали

15К, 20К,

16ГС

09Г2С

по

ГОСТ

5520-79*

толщиной

от 12 до

мм или

применяют лист

из

стали

22К

толщиной

от 25 до

115 мм.

Для изготовления барабанов

рабочим давлением

15,5—

16,0

МПа

использовалась сталь 16ГНМ, применялись листы

из стали 16ГНМА, которая чище

по

сере

фосфору

проходит

контроль

на

расслоение ультразвуковым способом.

Для

бара-

банов

на

давление

11,0—11,5 МПа

используется сталь

22К.

Ранее применялись стали

20 и 16М.

Толщина стенки барабанов,

рассчитанных

на 11,0—11,5 МПа,

составляет

67—105 мм,

на давление

155—165 МПа — 90—115 мм.

При одном

и том же

расчетном давлении пара

на

выходе

из котла

барабаны заложены разные запасы прочности,

так,

при давлений

на

выходе

из

котла

14 МПа

барабаны котлов

Таганрогского котельного завода «Красный котельщик» (ТКЗ),

изготовленные

из

стали 16ГНМ, имеют внутренний диаметр

1800

мм при

толщине стенки

90—95 мм. При

переходе

со

стали

16ГНМ

на

сталь 16ГНМА также

не

было сразу достигнуто

единообразия размеров.

Так,

барабаны котлов

ТКЗ,

изготовлен-

ные

из

стали 16ГНМА, имели внутренний диаметр

1800 мм при

толщине стенки

от 105 до 115 мм. На ТКЗ

приступили

выпуску

барабанов

из

стали 16ГНМА

внутренним диаметром

1600 мм

и толщиной стенки

115 мм. Все

барабаны котлов Барнаульского

котельного завода

из

стали 16ГНМА-имеют внутренний диаметр

1600

мм при

толщине стенки

115 мм.

Опыт эксплуатации показал,

что

барабаны

из

более каче-

ственной стали 16ГНМА, имеющие относительно большую

толщину стенки, обладают лучшей эксплуатационной надеж-

ностью. Однако

это не

нашло отражения

инструкции

по

конт-

ролю

за

металлом барабанов

эксплуатации. Объем контроля

и сроки

для

всех барабанов одинаковы.

При рабочем давлении

на

выходе

из

котла

до 10 МПа

вклю-

чительно

для

изготовления штуцеров применяются бесшовные

трубы

из

стали

20. При

более высоком давлении

—

бесшовные

трубы

из

стали

20 или

поковки

из

стали 16ГНМА.

После штамповки

или

вальцовки днища

обечайки под-

вергаются тщательному осмотру.

На

поверхности металла

не допускаются трещины, раковины, плены

расслоения.

Вы-

боины, риски

вмятины глубиной

до 3 мм

подлежат зашлифовке

с плавным переходом.

местах выборки дефектов толщина

стенки листа

не

должна выходить

за

пределы минусо-

вого допуска.

Овальность обечаек

A = 2

V»B*C-V

HM 100

о/

^макс ^мин

где £>

акс и £)

ин — наибольший и наименьший наружные диа-

метры, измеренные в одном сечении. Овальность в любом сечении

не должна превышать 1%.

Перелом осей при сварке обечаек не должен быть

более 2 мм на каждый 1 м длины обечайки.

Обечайки барабанов с наружным диаметром до 200 мм

должны иметь не более двух сварных швов. При сборке бара-

бана сварные швы обечаек не должны быть продолжением

один другого. Швы должны быть смещены на расстояние

не менее двукратной толщины листа, но не менее чем

на 100 мм от опор.

В местах расположения сварных швов из-за наличия уси-

ления с наружной стороны и механической обработки под сты-

ковку кромок с внутренней стороны имеет место концентрация

напряжений. Механические свойства листа, швов и около-

шовных зон не одинаковы. Поэтому нежелательно распо-

лагать отверстия, опоры и другие детали, также вызывающие

концентрацию напряжений, рядом со сварными швами.

Места пересечения сварных швов;являются местами повы-

шенной жесткости конструкции. В этих местах чаще встре-

чаются дефекты сварных соединений. Здесь же возникают

максимальные остаточные напряжения при сварке.

Расстояние от кромки ближайшего сварного шва обечайки

или днища до оси отверстий, предназначенных для приварки

или развальцовки труб или штуцеров, не должно быть менее 0,9

диаметра отверстия. В виде исключения допускается распо-

лагать единичные отверстия для приварки труб или штуцеров

в сварном шве. При этом оси отверстий и сварного шва

не должны совпадать. Не допускается располагать отверстия

на пересечении кольцевого и продольного швов. Смещение

оси одиночного отверстия по отношению к оси шва должно

быть не более 5 мм.

Расстояние между центрами двух соседних отверстий в обе-

чайке барабана в продольном направлении не должно быть

менее 1,4 диаметра отверстия. Если два отверстия разного

диаметра расположены близко, то расстояние между их осями

должно быть не менее 1,4 полусуммы их диаметров.

Расстояние между центрами отверстий в окружном направ-

лении по среднему диаметру не должно быть менее двух диа-

метров отверстий.

Как правило, днища с толщиной стенки более 30 мм должны

изготавливаться из одного листа.

В технически обоснованных случаях допускается при согла-

совании

Госгортехнадзором СССР изготовление таких днищ

из двух сваренных

до

штамповки листов.

Шов

должен иметь

двусторонний провар. Сварку можно выполнять электрошла-

ковым методом.

Шов

должен располагаться

по

хорде, отстоящей

от центра днища

на

расстояние

не

более

0,2 его

диаметра.

Днища

толщиной стенки

до 30 мм

можно изготавливать

штамповкой

или

обкаткой

на

специальных машинах

из

листовых

заготовок

со

сварными швами, расположенными,

как

показано

на

рис. 4.26.

Размер

должен быть

не

более

0,2D

днища.

Круговой

шов

должен находиться

на

расстоянии

не

более 0,25D„

от центра днища.

Большие

оси

лазовых отверстий

днищах должны совпадать

с горизонтальной осью барабана. Смещение горизонтальной

оси

лаза

барабана относительно друг друга

не

должно пре-

вышать

5 мм.

Расстояние между кромками двух соседних отверстий

в 'выпуклых днищах, измеряемое

по

хорде, должно быть

не менее диаметра меньшего отверстия. Допускается располагать

отверстия

днище

так,

чтобы расстояние

от

кромки отверстия

до внутренней поверхности днища было

не

менее

10%

внутрен-

него диаметра барабана. Расстояние

от

кромки отверстия

до начала закругления отбортованного воротника

или

при-

варного штуцера

днище, измеренное

по

хорде,

не

должно

быть менее толщины стенки днища.

Отклонения формы днища

от

эллиптической

или

шаровой

проверяются шаблоном

внутренней поверхности. Допускаемые

отклонения определяют

по

просвету между шаблоном

дни-

щем,

они не

должны превышать величин, указанных

ОСТ 108.030.39-80

«Барабаны сварные стационарные паро-

вых котлов. Общие технические условия».

Утонение толщины стенки днища

месте перехода

эллип-

тическую

или

шаровую форму должно быть

пределах

10%

номинальной -толщины листа.

Отверстия

барабане, предназначенные

для

развальцовки

а)

Рис.

4.26.

Допускаемое

расположение сварных

швов

на

заготовках штам-

пованных днищ

труб, должны сверлиться после окончательной термической

обработки, с тем чтобы их поверхность была свободной

от окалины.

Штуцера привариваются к барабану при помощи автомати-

ческой или ручной электродуговой сварки. После приварки

всех штуцеров и проведения термической обработки барабана

его поверхность изнутри и снаружи очищается от окалины,

грязи, шлака и брызг и подвергается тщательному осмотру.

Обнаруженные дефекты устраняют.

Сталь, применяемая для изготовления внутрибарабанных

устройств, не работающих под давлением, выбирается про-

ектной организацией.

Внутрибарабанные сепарационные устройства собираются

и устанавливаются в барабане на заводе-изготовителе. Детали

для крепления сепарационных устройств привариваются до тер-

мической обработки барабана..

В процессе изготовления барабана применяются приварные

технологические крепления. Места их приварки зачищают

до металлического блеска.

Приварка технологических деталей к элементам барабанов

из сталей 22К и 16ГНМА на давление 10 МПа и выше выпол-

няется теми же сварочными материалами и методами сварки,

что и сварка самих элементов барабана. Технологические

детали удаляются механическим способом, а места удаления

подвергают 100%-ному контролю

магнитопорошковой дефекто-

скопии. Сварочные материалы и методы сварки должны

обеспечивать механические свойства сварного шва после тер-

мической обработки не ниже свойств основного металла, уста-

новленных техническими условиями.

Контроль качества сварных соединений производится внеш-

ним осмотром и измерением, механическими испытаниями,

металлографическими исследованиями, ультразвуковой дефекто-

скопией или просвечиванием и гидравлическим испытанием.

Проверка механических свойств производится на образцах,

вырезанных из контрольной пластины.

Контрольная пластина для контроля продольных швов при

сварке барабана прихватывается таким образом, чтобы сварной

шов на пластине был продолжением продольного шва на бара-

бане.

Пластина для контроля кольцевого шва может свари-

ваться отдельно, но обязательно с соблюдением всех условий

сварки производственных стыков.

Из каждого контрольного сварного соединения вырезают

два образца для испытания на растяжение, два образца для

испытания на изгиб и три образца для испытания на удар-

ную вязкость.

Стыковые, угловые и тавровые сварные соединения под-

вергают замерам твердости сварного шва, если этот вид

контроля предусмотрен техническими условиями на изго-

товление конкретного изделия.

Металлографическое исследование макроструктуры про-

водится для проверки сплошности сварных швов, выявления

трещин, . пор, раковин, непроваров и шлаковых включений.

Сварное соединение не должно иметь трещин, несплавлений

между слоями и наплавленным и основным металлом, пор

и шлаковых

(

включений недопустимых размеров. Видимые

невооруженным глазом мелкие поры и шлаковые включения

допускаются в количестве не более 5 шт., на 1 см

в месте

их наибольшего скопления. Максимальный линейный размер

отдельного дефекта не должен превосходить 1,5 мм, а их сумма

должна быть не более 3 мм.

Стыковые сварные соединения барабанов с толщиной стенки

более 30 мм подвергаются ультразвуковой дефектоскопии

по всей длине. Стыковые сварные соединения барабанов с тол-

щиной стенки 30 мм и менее могут контролироваться как

ультразвуковой дефектоскопией, так и просвечиванием по всей

длине швов. Места пересечения сварных швов, кроме того,

контролируются еще и рентгенопросвечиванием, независимо

от толщины стенки барабана.

Сварные швы бракуются, если в них при просвечивании

находят трещины любых размеров и направлений, несплавле-

ния, цепочки или сплошные линии шлаковых включений, сплош-

ную сетку газовых пор или в количестве более 5 шт. на 1 см

шва,

а также отдельные шлаковые включения или поры размером

более 10% толщины стенки (при толщине стенки от 10 до 50 мм)

и более 5 мм при толщине стенки свыше 50 мм.

Ультразвуковому или рентгеновскому контролю подвергают

все вварки штуцеров в барабан при внутреннем диаметре

штуцера 100 мм и более.

Дефектные сварные соединения подлежат ремонту: выборке

дефекта с последующей подваркой. После ремонта сварные

соединения подвергают повторной дефектоскопии.

Сварные соединения барабанов на рабочее давление 10 МПа

и более обязательно контролируют при помощи магнитопорош-

ковой дефектоскопии. В этих барабанах тем же методом контро-

лируют металл внутренней поверхности около отверстий под

штуцера на отсутствие трещин.

Гидравлическое испытание проводят для проверки прочности

и плотности сварных соединений, его выполняют после контроля

сварных соединений всеми другими методами и после терми-

ческой обработки. При рабочем давлении свыше 0,5 МПа

гидравлическое испытание барабана проводят давлением,

превышающим на 25% рабочее, но не менее р

ра

б + 0,3 МПа.

На днище готового барабана прикрепляют табличку с ука-

занием марки завода-изготовителя, номера барабана, расчет-

ного давления, года изготовления, регистрационного номера

и клейма отдела технического контроля завода.

Барабан должен быть окрашен или законсервирован иным

способом, обеспечивающим его защиту от атмосферной кор-

розии. Внутренние поверхности барабана и внутрибарабанные

устройства консервации не подвергаются. Для защиты от кор-

розии и загрязнения все отверстия в барабанах, фланцевые

соединения, лазовые отверстия и концы штуцеров смазывают

антикоррозионной смазкой. Все отверстия закрывают пробками.

Одновременно с отгрузкой барабана завод-изготовитель

передает заказчику сертификаты на использованные при изго-

товлении материалы, данные о сварщиках, испытаниях, основ-

ных и сварочных материалах и сварных швов, термической

обработке, а также эскиз с обозначением всех листов, швов

мест контроля дефектоскопией, клейм сварщиков, толщин

стенок и т. п.

В процессе эксплуатации при контроле состояния металла

барабанов приходится сталкиваться с двумя группами дефектов:

технологическими и появившимися в процессе эксплуатации.

Несмотря на жесткие требования и тщательный контроль,

на заводах имеются случаи выявления технологических дефек-

тов в барабанах действующих котлов. Это технологические

дефекты, возникшие из-за некачественного изготовления листа

на металлургическом заводе, или технологические дефекты

котельного производства.

К дефектам стального листа относятся трехслойность, рас-

слоения, трещины, волосовины и др.

Дефекты котельного листа металлургического происхожде-

ния: обезуглероженный слой, трещины, плены, закаты, рас-

слоения и вмятины от окалины и шлака. На стали 16ГНМ

возможен специфический дефект поверхности, связанный

с поверхностным окислением при термической обработке —

чешуйчатость поверхности. Расслоения листа можно выявить

при осмотре в тех случаях, когда они выходят на поверхность.

В частности, необходимо обращать внимание на кромки листа

в пазовом отверстии.

Наиболее часто встречаемые дефекты котельного произ-

водства—чрезмерная' овальность, резкие переходы (кон-

центрация напряжений) в местах расточки днищ под стыковку

с обечайками, дефекты сварки, грубые риски в отверстиях

для труб и пр.

При приварке к барабану после термической обработки деталей

сепарации, опор и арматуры для крепления тепловой изоляции

в эксплуатации возможно возникновение трещин. Поэтому

такая приварка недопустима.

При контроле днищ барабанов в эксплуатации обнаружи-

вались трещины около швов приварки лапы затвора лаза, а

также кольцевые трещины у шва приварки кольца укрепления

кромки лаза. Встречаются трещины на внутренней поверхности

штампованных днищ в местах отбортовки и в местах приварки

заводских монтажных деталей.

На ряде барабанов обнаружены трещины в сварных швах

приварки штуцеров к барабанам; чаще они наблюдаются при

обварке прежних вальцовочных соединений для обеспечения

их плотности. Имелись трещины и в сварных швах штуцеров

с рубашками, обеспечивающими тепловую изоляцию в местах

ввода относительно холодной питательной воды и фосфата.

На внутренней поверхности штуцеров найдены также язвы

или цепочки язв.

При контроле основных продольных и кольцевых сварных

швов в ряде случаев находились трещины в наплавленном

металле или околошовной зоне, непровары, поры и шлаковые

включения.

На ряде электростанций при внутренних осмотрах и спе-

циально проводимых проверках обнаружены многочисленные

трещины в больших барабанах котлов ТП-230, ПК-Ю и ТП-170.

Трещины появляются возле отверстий опускных труб экранов

и выводов линий рециркуляции водяных экономайзеров. Такие

же трещины выявлены и на поверхностях отверстий под

эти трубы.

Напряжения в обечайке барабана распределяются неравно-

мерно. В местах сверления трубных отверстий при нагружении

внутренним давлением происходит концентрация напряжений,

она учитывается в конструкторском расчете на прочность при

выборе толщины стенки барабана введением коэффициента ср.

Экспериментальная проверка фактических напряжений,

возникающих при нагружении одним внутренним давлением и

при постоянной температуре, показала, что напряжения около

отверстий в

2,5—4,0

раза выше, чем вдали от них.

Изменения температуры среды при подпитке котла через

барабан, при колебаниях давления в переходных и даже в квази-

стационарном режиме сказываются в первую очередь на напря-

женном состоянии металла, прилегающего к отверстиям. Это

явление и послужило причиной того, что металл обечаек около

отверстий под опускные трубы в барабанах и металл концов

опускных труб, входящих в эти отверстия, оказался наиболее

уязвимым для образования трещин. Трещин тем больше и они

тем глубже, чем ближе к нижней образующей барабана рас-

положен ряд труб. Обычно трещины располагаются в пределах

водяного объема, реже трещинами поражены все трубные

отверстия.

Трещины могут быть различно ориентированы по отношению

к оси барабана: часто охватывают зону максимальных растя-

гивающих напряжений от внутреннего давления (располагаются

преимущественно вдоль продольной оси барабана), иногда

распределяются равномерно по всей окружности вокруг

отверстия. Трещины распространяются чаще всего на глубину

5—7 мм и заполняются оксидами. Ширина трещин по глубине

металла периодически изменяется: трещины становятся

то шире, то уже. Около отверстий в барабанах возникает кон-

центрация напряжений. На кромке отверстия максимальное

растягивающее напряжение превышает расчетное среднее

в 3—4 раза. Местные растягивающие напряжения могут суще-

ственно возрастать при наличии овальности из-за местного

изгиба стенки барабана.

Проведенные расчеты напряжений, действующих в бара-

банах отечественного производства, показали, что при хорошем

водном режиме и мерах, принятых для предупреждения' стоя-

ночной коррозии, барабаны способны выдержать более.

3000

пус-

ков и остановов без появления трещин. Язвы в отверстиях

под трубы и на внутренней поверхности штуцеров могут быть

следствием стояночной коррозии, химических промывок чрез-

мерно агрессивными реагентами, а также термических ударов,

вызывающих разрушения оксидной пленки.

В процессе эксплуатации на внутренней поверхности бара-

бана и трубной системы при температуре выше 230° С и хорошей

деаэрации образуется магнетитовая пленка. При разрушении

этой пленки в отсутствии кислорода происходит ее быстрая

регенерация. Если же в воде присутствует кислород (плохая

деаэрация, плохая консервация при остановах или ее отсут-

ствие),

то в местах повреждения магнетитовой ' пленки обра-

зуются язвенные поражения. Язвы являются концентраторами

напряжений, резко снижают долговечность при усталостных

нагружениях. Язвы могут образовываться при нарушениях

правил кислотных промывок.

Сульфиды железа снижают долговечность в водной среде,

они являются микроконцентраторами напряжений и образуют

микрогальванические элементы. Долговечность' стали 16ГНМА

выше долговечности 16ГНМ при малоцикловом термическом

нагружений примерно в 20 раз.

На барабанах из стали 16ГНМ в эксплуатации трещины

наиболее часто возникают на кромках трубных отверстий, тогда

как на барабанах из стали 22К трещины концентрируются

в основном на поверхности отверстий. Эксплуатационные тре-

щины чаще наблюдаются в водяном объеме в чистых отсеках

барабанов. Значительно реже их можно найти в водяных

объемах в соленых отсеках и в паровом пространстве обоих

отсеков, они редко наблюдаются в верхних разделительных

барабанах двухбарабанных котлов. Именно в чистые отсеки

попадает недогретая до кипения вода из экономайзеров —

это причина «тепловых ударов».

Трещины распространяются транскристаллитно в направ-

лении, перпендикулярном внутренней поверхности барабана.

Сталь 16ГНМА обладает пониженной долговечностью при

малоцикловой усталости по сравнению со сталью 22К при

340—

350° С из-за пониженной деформационной способности и повы-

шенной релаксационной стойкости. Аналогичные выводы полу-

чаются по анализу результатов испытаний на термическую

усталость в условиях стесненной деформации.

В ряде случаев основной причиной образования трещин

может служить коррозия в местах нарушения сплошности маг-

нетитовых пленок, образование язв, резкая- концентрация напря-

жений и развитие коррозионно-усталостных трещин при термо-

циклах. В процессе эксплуатации наблюдается замедление

развития трещин. С глубиной градиент температуры при термо-

циклах резко падает. Аналогичная картина наблюдается при

развитии трещин термической усталости в экранах паровых

котлов, подвергаемых водным обмывкам. Кроме того, конец

растущей трещины выходит из зоны конструктивного концентра-

тора напряжений.

Наблюдения, проводимые в процессе эксплуатации, позволили

установить, что скорость роста трещин и язв с течением вре-

мени затухает.

На основании металлографических исследований строения

трещин в образцах, подверженных испытаниям на термическую

усталость, коррозионно-уСталостным испытаниям, и металла

образцов из поврежденных барабанов котлов высокого давления

в [127] делаются выводы о преобладающей роли коррозионного

процесса и об идентичности механизма образования трещин

в барабанах и гибах водоопускных труб.

Авторы [127] считают, что существенную роль играет вод-

ный режим при гидравлических испытаниях и растопках. Адсор-

бированные примеси могут долго сохраняться на поверхности

труб уже после изменения водного режима.

Туляков Г. А. [129, 130, 131] считает, что основным фак-

тором, определяющим механизм образования трещин около

отверстий в барабанах котлов высокого давления, является

термическая усталость.

В процессе эксплуатации металл барабанов из сталей 16ГНМ

и 16ГНМА не претерпевает структурных изменений, различимых

под оптическим микроскопом. Но изменения субструктуры есть.

Происходит выделение дисперсных карбидов размером

менее 0,1 мкм на границах зерен и дислокациях, что приводит

к снижению пластичности и трещиностойкости металла.

Туляковым Г. А. разработан и промышленно опробован

способ повышения надежности металла эксплуатируемых бара-

банов посредством восстановительной термообработки перегре-

тым паром стороннего источника с температурой 510—560° С.

Установлено, что такая обработка приводит к повышению

прочности металла, его пластичности и трещиностойкости

в результате растворения дисперсных карбидов и образования

субструктуры полигонального типа, а также к созданию

на поверхности барабана механически устойчивой пленки

магнетита.

Результаты промышленного опробования показали высокую

эффективность и экономичность такого способа восстановле-

ния свойств металла барабанов.

В стационарном режиме работы мощного котла высокого

давления на внутренней поверхности барабана, особенно

в работе опускных труб, имеют место колебания температуры,

достигающие 30° С. Это явление связано с подачей в барабан

недогретой до кипения воды, а также в связи с колебаниями

давления в нем. Амплитуда и частота колебаний зависят

от производительности котла, его конструкции и вида топлива.

Частота может меняться от нескольких циклов в час до несколь-

ких циклов в минуту. При этом возникают дополнительные

термические напряжения от 30 до 100 МПа.

На равномерную скорость подъема параметров среды в бара-

бане при пуске котла или его останове накладываются допол-

нительные колебания температуры, связанные с процессом

начала циркуляции воды в контурах. Наиболее сильно это

явление наблюдается в двухбарабанных котлах, где наряду

с колебаниями температуры до 50° С с ориентировочной частотой

50—60

циклов за пуск имеют место высокоскоростные коле-

бания температуры среды с размахом до 100° С.

Повышенные напряжения от внутреннего давления воз-

никают в барабанах при гидравлических испытаниях пробным

давлением, превышающим рабочее на 25%.

Наиболее серьезные поражения барабанов трещинами

обнаруживались на котлах, работающих на менее 7—10 лет

в условиях эксплуатации с частыми пусками и остановами

или имевших многократные разрывы экранных труб.

Основные причины, которые могут вызывать сильные колеба-

ния температуры стенки барабана в эксплуатации, следующие.

Это резкое падение температуры при разрывах экранных труб,

подача относительно холодной питательной воды в неостывший

опорожненный барабан после аварийного останова. Большие

термические напряжения также возникают при быстром останове

котла с последующим заполнением барабана водой с темпера-

турой 60—80° С для опрессовки экономайзера. Недопустимо

попадание в барабан питательной воды по линии рециркуляции

экономайзера. Питательная вода может попадать из-за неплот-

ности задвижек на линии рециркуляции или при ошибочном

открытии этих задвижек. В процессе растопки котла необходимо

осуществлять контроль за температурным режимом барабанов.