Способы повышения надежности топочных экранов котлов

Козлов Ю. В., êàíä. òåõí. íàóê, Зройчикова Т. В., Белов В. А., инженеры

ВТИ – ТЭЦ-26 Мосэнерго

Надежность экранных поверхностей нагрева котлов высокого давления (15,5 МПа) в значительной степени зависит от количества внутритрубных отложений, которые в основном состоят из оксидов железа. Отложения имеют как наносный характер (оксиды приходят с питательной водой), так и образуются непосредственно за счет коррозии экранных труб.

Количество железа в питательной воде не должно превышать 20 мкг/дм3, но может быть и больше при существенной коррозии экономайзера и питательного тракта.

Отложения неравномерно распределяются по поверхности экранных труб: максимальное их количество находится в зоне наибольшего местного теплового потока возле горелок и над ними (по высоте топки) и в середине каждой из стен топки.

Величина максимального местного теплового потока зависит от вида топлива и конструктивного оформления горелок (и их наладки). Допустимая температура наружной поверхности металла труб из стали 20 (450°С) близка к температуре экранных труб при использовании в качестве топлива мазута (около 430°С при отсутствии отложений), поэтому на ряде котлов, предназначенных для этого топлива, часть экранов в зоне горелок изготавливают из стали 15М или 12ХМФ.

Для котлов, работающих на газе с малыми добавками мазута (менее 10%), температура металла труб (при допустимой загрязненности стенки не более 400 г м2) составляет примерно 410°С.

Для котлов, работающих на пылеугольном топливе, при налаженных горелочных устройствах температура экранных труб не превышает обычно 390°С, что определяется меньшей величиной максимального теплового потока. Допустимыми для этих котлов считаются максимальные отложения в трубах 500 – 600 г м2.

Загрязнения удаляются проведением эксплуатационной химической очистки труб экранов. Необходимость проведения очистки определяется по периодически вырезаемым образцам из труб в зоне максимального теплового потока. Периодич- ность вырезки образцов один-два года, химиче- ская очистка проводится при достижении предельной загрязненности.

По опыту эксплуатации котла при средней его нагрузке определяется скорость роста отложений. Для газомазутных котлов скорость роста отложений в среднем составляет около 20 – 25 мг (м2ч) при средней нагрузке примерно 90% номинальной.

В таблице в качестве примера для оценки возможных отклонений от средних значений скорости роста отложений приведены результаты измерений на котлах ТГ-104 (670 т ч, газ).

	g,ã/ì2
	1000
	800	Cë
			Cïð
	600		Ë
							Cïð
				Cë	Cïð	Cïð
	400
								Ë	Ñïð
									Ñïð
					Ë
	200								Ñë
				Ïð		Ç		Ñë
									Ç
	0
	1994		1995	1996	1997	1998	1999	2000	2001
						Ãîäû
	+ % , ! # ) *-./0-1
пунктирная линия – котел ¹ 1; сплошная линия – котел ¹ 2; экран: Ë – левый; Ïð – правый; Ñë – солевой левый; Ñïð – солевой
правый; Ç – задний; – кислотная промывка

2003, ¹ 5

17

1

~880

~880

2

$ 3 & "

"-./ 0

1 – средний коллектор бокового экрана; 2 – дополнительный штуцер Dó 20

Вырезки образцов в основном выполнены на отметке 14 м (второй ярус горелок). На отметке 18 м тепловой поток может быть примерно в 2 раза ниже максимального. На отметке 16 м тепловой поток может составить 85 – 90% номинального, соответственно больше может быть скорость роста отложений в зоне максимального теплового потока.

Приняв в качестве среднего расчетного значе- ния скорость роста отложений, например, 20 мг (м2ч) и 7000 ч работы котла в год, получим за 2 года 280 г м2 отложений.

При вырезке образцов с интервалом в один-два года можно получить достоверный прогноз для определения сроков последующей вырезки или оценки срока очередной очистки. Такой подход справедлив для большинства котлов, имеющих двухступенчатое испарение и аналогичное качество питательной воды. Среднее качество питательной воды блоков Сургутской ГРЭС-1 (ТГ-104, 670 т ч) приведено далее.

Жесткость, мкг-экв дм3	0,96	– 1,18
SiO2, ìêã äì3	15	– 21
Na, ìêã äì3	5,2 – 31,85
Fe, ìêã äì3	17	– 45

Из приведенных данных может показаться, что скорость роста загрязнений менее, например, 10 мг (м2ч) нереальна. Однако это не так. На котлах ТГМ-96Б ТЭЦ-26 Мосэнерго после 1996 г. рост загрязнений был в отдельные периоды относительно невелик (ðèñ. 1), или практически отсутствовал (по результатам измерения образцов), хотя до 1995 г. его максимальное значение превышало 50 мг (м2ч) несмотря на сравнительно высокое качество питательной воды (таблица). Отложения содержали повышенное количество меди.

Высокое качество питательной воды обеспе- чивается благодаря трехступенчатому обессоливанию добавочной воды котлов.

Наряду с этим имели существенное значение следующие мероприятия:

внедрение продувок котлов при пусках и остановах, которые позволили смывать какую-то часть рыхлых отложений и препятствовали их превращению в плотные;

увеличение полноты удаления шлама из нижних коллекторов установкой дополнительных штуцеров (ðèñ. 2);

увеличение расхода непрерывной продувки с 0,5 до 1%;

контроль полноты периодической продувки (90 с ежедневно) благодаря установке манометри- ческих датчиков на общем коллекторе продувки.

( , # ) 1 ! * ( ) 2(

			Отметка	Интервал	Максимальное	Скорость роста
	Номер		вырезки	между
		Экран			количество отложений,	отложений
	блока		образцов,	вырезками
					ã ì2	ìã (ì2 ÷)
			ì	образцов, ч
	3	Задний	14	20 000	360	18
	4	Правый	14	17 160	462	27
	5	Левый	18	~ 20 000	(> 665)	(> 34)
	6	Правый	14	19 772	316	16
	7	Левый солевой	14	27 433	576	21
	8	Левый солевой	18	7383	(> 445)	(> 60)
	9	Задний	13	20 659	397	19,2
	10	Левый солевой	16	19 075	~ 666	~ 35
	12	Задний	14	18 107	524	29
	13	Задний	16	17 920	~ 310	~ 17,3
	14	Задний	18	19 738	(> 480)	(> 24,4)
	15	Левый солевой	14	20 585	497	24,2
	16	Левый солевой	16	23 384	466	~ 20

П р и м е ч а н и е . В скобках дано максимальное количество отложений на огневой стороне.

18

2003, ¹ 5

	Среднее качество питательной воды котлов			ва добавочной воды путем использования трех-
	ТГМ-96Б ¹ 1 и ¹ 2 ТЭЦ-26 Мосэнерго приведе-			ступенчатого обессоливания.
	но далее.			2. Непрерывная продувка котла не должна быть
	Жесткость, мкг-экв дм3	0,2		существенно ниже 1% номинального расхода пара.
	SiO2, ìêã äì3	2,6 – 4,1		3. При снижении нагрузки котла непрерывную
	Na, ìêã äì3	3,1 – 4,6		продувку уменьшать не следует. Целесообразно в
				этот период производить периодическую продувку
	Fe, ìêã äì3	4,8 – 11,6
				нижних коллекторов.
				4. В соответствии с рекомендациями ОРГРЭС
	Выводы			при пуске котла следует производить периодиче-
				ские продувки при давлении 3, 6 и 9 МПа.
	1. Для повышения надежности экранных по-			5. При останове котла целесообразно произво-
	верхностей нагрева котлов высокого давления це-			дить периодическую продувку при таких же дав-
	лесообразно принять меры для повышения качест-			лениях.

Ремонт барабана котла ТГМЕ-206, поврежденного сквозными трещинами, и оценка его работоспособности

Гринь Е. А., Анохов А. Е., кандидаты техн. наук

ÂÒÈ

По мере старения и износа энергетического оборудования важную роль приобретают вопросы восстановительного ремонта барабанов котлов. Технологические аспекты ремонта барабанов котлов высокого давления регламентируются [1]. При значительных объемах ремонтных работ сваркой требуется проведение термической обработки отремонтированных зон по режиму высокого отпуска. Несмотря на то, что в готовящейся к выпуску новой редакции [1] предусмотрены более масштабные объемы ремонта барабанов сваркой, при серьезных повреждениях металла, в частности, при наличии сквозных трещин, ремонт барабанов должен проводиться под руководством специализированной научно-исследовательской организации.

В настоящей статье рассмотрены вопросы восстановительного ремонта и оценки дальнейшей работоспособности барабана с повреждениями в виде сквозных трещин в зоне отверстий под опускные трубы на примере ремонта барабана котла типа ТГМЕ-206.

У этого барабана была предыстория, согласно которой первоначально сквозные повреждения были обнаружены в 1998 г. Барабан был подвергнут восстановительному ремонту с применением послесварочной термообработки. После эксплуатации восстановленного барабана в течение года в зоне проведенного ремонта повторно (в 1999 г.) были выявлены сквозные трещины. По предвари-

тельной оценке при проведении послесварочной термообработки не были выдержаны температур- но-временные условия рекомендованного режима высокого отпуска. Это могло явиться одной из основных причин повторного развития трещин на отремонтированном участке барабана.

Вертикально водотрубный однобарабанный котел типа ТГМЕ-206 изготовлен на заводе “Красный котельщик” (г. Таганрог).

Основные характеристики котла приведены далее.

	Расчетное давление (в барабане),	158
	êãñ/ñì2
	Расчетное давление за паропе-	140
	регревателем, кгс/см2
	Расчетная температура перегре-	545
	òîãî ïàðà, °Ñ
	Паропроизводительность, т/ч	670

Барабан котла сварной, состоит из шести обе- чаек и двух цельноштампованных днищ с лазами. Внутренний диаметр барабана 1600 мм, толщина стенки 15 мм, длина 24 310 мм. Барабан эксплуатируется при давлении 158 кгс/см2 (15,8 МПа) и температуре насыщения примерно 345°С.

Барабан изготовлен из стали марки 16ГНМА (ТУ 108.3-537-75). Котел находился в эксплуатации с 1979 г. Наработка на время капремонта 1/XI 1999 г. составила около 125 тыс. ч при числе пусков 317. Число пусков котла по годам приведено далее.

2003, ¹ 5

19

Ãîä	Число пусков
1979	14
1980	9
1981	16
1982	9
1983	13
1984	12
1985	11
1986	9
1987	11
1988	10
1989	12
1990	11
1991	12
1992	13
1993	17
1994	13
1995	21
1996	16
1997	37
1998	31
1999	20

По результатам внутреннего осмотра барабана и последующего контроля методом магнитно-по- рошковой дефектоскопии (МПД) на участке проведенного ранее ремонта (т.е. в зоне отверстия линии рециркуляции и соседних отверстий под водоопускные трубы) была составлена схема расположения трещин. Эта предварительная дефектограмма, иллюстрирующая систему трещин, показана, на ðèñ. 1, à размеры трещин по внутренней поверхности барабана приведены в òàáë. 1.

Видно, что максимальные размеры по поверхности имеют трещины ¹ 1, 2 è 4 в зоне отверстия линии рециркуляции и трещины ¹ 3, 5 â çîíå ñî-

Ò à á ë è ö à 1

		Номер	Длина трещины
			по внутренней
	Отверстие	трещины
			поверхности
		(ðèñ. 1)
			барабана, мм
	Отверстие рециркуляции,	1	90
	диаметром 158 мм	2	73
		3	10
		4	76
	Отверстие водоопускных	1	18
	труб диаметром 95 мм,	2	18
	отверстие ¹ 1
		3	67
		4	22
		5	73
	Отверстие водоопускных	1	17
	труб диаметром 95 мм,
	отверстие ¹ 2

		12
		Отверстие
		рециркуляции
9		3
	158	¹ 3
¹ 2

¹ 1

95 ìì

95

9

¹ 5

ìì135

9

6

¹ 1

12

95

6

12

95

¹ 4

Отверстие под водоопускную

трубу ¹ 1

3

¹ 2

¹ 3

¹ 4

¹ 1

Отверстие под

водоопускную трубу ¹ 2

3

6

Продольная ось барабана

# 4 &

& " ) " ! *

¹ 1 – 5 – номер трещины; 3, 6, 9, 12 – часовое расположение отверстий

седнего отверстия водоопускной трубы. Сетка более мелких трещин выявлена на кромке и поверхности отверстия ¹ 2 под водоопускную трубу, смежного с аналогичным отверстием ¹ 1 (см. ðèñ. 1), т.е. отстоящего от отверстия рециркуляции через одно отверстие водоопускной трубы. Все обнаруженные трещины были подвергнуты выборке абразивным инструментом с последующим контролем мест выборок методами МПД и цветной дефектоскопии (ЦД) на выявление остаточных трещин. После подтверждения полноты выборок была составлена схема (дефектограмма) расположения выборок, показанная на ðèñ. 2. Размеры выборок приведены в òàáë. 2.

Барабан котла был подвергнут полному контролю в объеме требований [2]. Проверка барабана включала: контроль методами УЗК и МПД основных сварных соединений (продольных и попереч- ных) в объеме 25% протяженности каждого шва; контроль методом МПД сварных швов приварки внутрибарабанных устройств – по всей протяженности в доступных местах; МПД контрольных участков поверхности обечаек (200 200 мм) и

20

2003, ¹ 5

Отверстие для рециркуляции

	6
	5
Вставка	4

	1	15
2	9	3
7	8
		Отверстие
		для водоопускной
Граница		трубы
		10

наплавленного		11
металла
14
	13	12

$ ( # !*

& & " ) *!

1 – 15 – номер выборки; пунктирная линия – граница плавного перехода выборок на номинальную толщину

днищ (25% площади поверхности); контроль методом МПД поверхности лазовых отверстий, включая прилегающую поверхность металла – 100%; контроль методами МПД и ЦД отверстий в водяном объеме барабана – 100%, включая кромки и поверхность отверстий и штуцеров, а также поверхность мостиков между отверстиями; контроль методом МПД отверстий в паровом объеме барабана – 15%, а также контроль методами МПД и ЦД угловых сварных швов приварки штуцеров с примыкающими участками наружной поверхности барабана – 10% общего числа, в том числе швы штуцеров трубы рециркуляции и соседних водоопускных труб.

Кроме того, выполнены контроль толщины стенки барабана и измерения твердости металла портативным прибором. На основании проведенного анализа установлено следующее: на внутренней поверхности барабана котла обнаружена зна- чительная поврежденность металла трещинами в зоне отверстий линии рециркуляции и соседних с ним отверстий водоопускных труб. Ряд трещин проходил насквозь по всей толщине обечайки. В результате проверки всех остальных отверстий в водяном и паровом объемах барабана не было обнаружено трещин и других недопустимых дефектов поверхности металла.

Результаты контроля толщины стенки барабана подтвердили отсутствие недопустимых отклонений от проектных данных. Твердость металла барабана, в том числе непосредственно в поврежденной зоне (ðèñ. 2), находится в пределах регламентированного диапазона твердости для низколегированной стали [3], что косвенно подтверждает со-

ответствие прочностных характеристик металла требованиям технических условий и другой нормативной документации. Указанные факты дают основание предполагать, что интенсивное трещинообразование в зоне отверстия линии рециркуляции связано с нарушениями в работе этой линии.

Предположительно при работе котла в стационарном режиме происходил заброс охлажденной воды в барабан через трубу рециркуляции. Это может происходить при неисправности запорной арматуры на линии рециркуляции либо в связи с ошибками в работе обслуживающего персонала. Забросы охлажденной воды через рециркуляционную трубу приводят к локальному охлаждению прилегающей зоны барабана и, как следствие, к появлению значительных термонапряжений в этой зоне. Учитывая также, что высота защитной рубашки оказалась ниже проектных требований (фактическая высота рубашки от поверхности барабана составляла 10 – 15 мм), негативное воздействие указанного фактора могло существенно возрастать.

После полного удаления трещин вокруг отверстий образовалось 15 выборок, две из которых проходят вдоль образующей отверстия опускной трубы на всю толщину стенки барабана. Протяженность выборок колеблется от 20 до 120 мм (ðèñ. 2).

Все ремонтные выборки имели профиль с плавными очертаниями и углом скоса свариваемых кромок 10 – 20°. Радиус скругления был не менее 5 мм для мелких выборок и не менее 25 мм для глубоких.

Две группы выборок: 4, 5, 6 и 10, 11, 12 – обрабатывали под одну общую выборку для каждой группы. Изоляцию в зоне патрубка рециркуляции

	Ò à á ë è ö à	2
	Номер выборки	Длина, мм	Ширина, мм	Глубина, мм
	по схеме рис. 2
	1	78	11	26
	2	120	15	14
	3	105	15	15
	4	8	13	65
	5	22	9	8
	6	21	23	75
	7	135	12	17
	8	72	12	6
	9	55	10	4
	10	48	10	8
	11	35	25	Насквозь
	12	75	10	10
	13	85	12	10
	14	77	20	Насквозь
	15	75	34	5

2003, ¹ 5

21

7

600

	5 6
A 2	1		A
	3	600
9	8
	4

À-À

2 3

9 8

' ( % 4 5 6 7 * *

сняли с наружной стороны барабана по кольцу шириной 1,0 м. Удалили штуцер опускной трубы, где были обнаружены дефекты, и обеспечили доступ к опускному отверстию с внутренней и наружной стороны. Внутреннюю поверхность барабана (кроме зоны сварки) закрывали изоляционными матами на ширину не менее 3 м в обе стороны от зоны сварки. Подогрев под сварку производили с наружной стороны, а контроль температуры подогрева – с внутренней стороны.

Заварку ремонтных выборок выполняли с предварительным и сопутствующим подогревом при температуре 200 – 250°С. Скорость подъема температуры не превышала 100°С. В качестве сварочных материалов применяли электроды марки УОНИ 13 55 диаметром 3 – 4 мм. Сварку начинали с восстановления поверхности отверстий под трубу рециркуляции и опускную трубу. Затем осуществляли наплавку выборок вокруг отверстия рециркуляции, опускной трубы и на мостике между отверстиями. Заполнение выборок послойное, с обеспечением усиления сварного шва не менее 2 мм.

При использовании электродов диаметром 3 мм сила тока была 90 – 100 А, а при использовании электродов диаметром 4 мм – 150 – 170 А.

В процессе сварки осуществлялся послойный визуальный контроль на наличие в наплавленном металле видимых трещин, пор, шлаковых и газовых пузырей.

Местная термическая обработка осуществлялась электронагревом с внутренней и наружной сторон двумя независимыми источниками. Разрыв между операцией сварки и термообработки был минимален и не превышал 24 ч.

Нагрев с наружной стороны выполняли с помощью установки МИТ-100 токами повышенной частоты. Ширина зоны нагрева была около 600 мм. В качестве индуктора использовали голый медный провод типа МГ или М сечением 50 – 70 мм2. Нагрев с внутренней стороны производили методом электросопротивления с помощью девяти нагревателей типа КЭН-4, а площадь, закрытая нагревателями, составила 1,5 1,5 м.

Термическую обработку барабана осуществляли по режиму высокого отпуска при температуре 620 – 650°С с выдержкой при заданной температуре 5 ч.

Перепад температур между зоной сварки (термопары 4 è 5) и остальной поверхностью барабана (термопара 7) не превышал 200°С (ðèñ. 3).

Перепад температур по толщине стенки в зоне сварки (термопары 2, 9 и 3, 8) не превышал 30°С, а по периметру поверхности барабана в зоне ремонта (600 600 мм) температура соответствовала заданному режиму термообработки. Скорость прогрева барабана при термообработке не превышала 50°С ч. Контроль температуры осуществляли автоматически регистрирующим потенциометром КСП-4 с размещением термопар как с наружной, так и с внутренней стороны по периметру барабана (ðèñ. 3).

По окончании термообработки охлаждение металла барабана в зоне ремонта до температуры 150°С выполняли при скорости охлаждения не более 30°С ч, далее происходило естественное охлаждение барабана.

Чистое время термообработки составило 36 ч, в том числе: 11 ч – нагрев, 5,5 ч – выдержка (с уче- том времени выравнивания температуры) и 19,5 ч – контролируемое охлаждение до 150°С. Контроль температуры осуществляли посредством 10 термопар, четыре из которых были установлены снаружи барабана: по одной термопаре на верхнем и боковом участках, а две термопары – в нижней ча- сти. Все 10 термопар были продублированы запасными термопарами.

В процессе проведения ремонта осуществляли пооперационный контроль за выполнением технологических требований на ремонтные работы. Участки с выборками металла проверяли на отсутствие резких переходов, острых углов и чистоту поверхности. После сварки и термообработки поверхность сварных швов зачищали заподлицо с основным металлом. Зона вокруг сварных швов на расстоянии 100 мм также зачищалась до металли- ческого блеска. Все сварные швы (в том числе сварные швы металлической вставки) проверяли

22

2003, ¹ 5

методами МПД и УЗК на отсутствие поверхностных и внутренних дефектов.

Расчеты на прочность отремонтированного барабана выполняли в соответствии с действующими нормативно-техническими документами [4] и [1].

Выполненным расчетом было установлено, что заложенный при проектировании барабана коэффициент запаса прочности составляет примерно 1,67 против нормативного коэффициента запаса 1,5. Таким образом проектный коэффициент запаса прочности барабана на 11% превышает нормативное значение. Данный фактор немаловажен, так как после проведения ремонта для восстановленного сваркой участка должны приниматься более низкие значения допускаемых напряжений в связи с пониженными механическими свойствами наплавленного металла. Оценка условий прочности для отремонтированного сваркой участка барабана показала, что расчетный коэффициент проч- ности в зоне ремонта ниже допускаемого значения [ ] = 0,755.

Таким образом в локальной зоне перемычки между отверстиями трубы рециркуляции и водоопускной трубы после проведенного ремонта нормативные условия (запасы) прочности не соблюдаются. Последнее означает, что в данной зоне не следует допускать дополнительного ослабления по толщине стенки, например, за счет плавных выборок, оставляемых без заварки. Толщина стенки рассматриваемого поперечного мостика должна быть по завершению ремонта не ниже номинальной толщины стенки барабана. Кроме того, работоспособность барабана в рассматриваемой зоне должна быть подтверждена расчетом на малоцикловую усталость. Такой расчет был выполнен в соответствии с методикой [3] и его результаты показали, что суммарное накопленное повреждение барабана может достигать: a 0,93 при предельно допустимом значении [a] = 1. Следовательно, основной критерий циклической прочности барабана на данный момент выполняется. Вместе с тем, учитывая уникальность проведенной ремонт-

ной операции, было признано необходимым через 2 года эксплуатации провести обследование барабана и оценить его техническое состояние на предмет дальнейшей работоспособности.

Выводы

1.В процессе эксплуатации котла ТГМЕ-206 произошло интенсивное повреждение металла барабана системой сквозных трещин в зоне отверстий трубы рециркуляции и соседней водоопускной трубы. Это потребовало ремонта барабана путем сварки с последующей местной термообработкой.

2.Интенсивное трещинообразование в зоне отверстия линии рециркуляции связано с нарушениями в работе этой линии. Расчет циклической долговечности барабана принципиально подтвердил возможность образования трещин в зоне отверстия линии рециркуляции на относительно ранних стадиях эксплуатации в случае перманентных нарушений в работе этой линии.

3.Для восстановления барабана разработана и реализована технология ремонтной сварки барабана и последующей его местной термической обработки по режиму высокого отпуска.

4.Проведенные расчеты на прочность и исследования металла барабана показали, что гарантируется безопасная эксплуатация восстановленного барабана на срок не менее 4 лет.

Список литературы

1.ÐÄ 34.26-608. Основные положения по обследованию и технологии ремонта барабанов котлов высокого давления из стали 16ГНМ, 16ГНМА и 22К. М.: Союзтехэнерго, 1978.

2.ÐÄ 10-262-98; РД 153-34.1-17.421-98. Типовая инструкция по контролю металла и продлению срока службы основных элементов котлов, турбин и трубопроводов тепловых электростанций. М.: ОРГРЭС, 1999.

3.ÐÄ 34.17.442-96. Инструкция по порядку продления срока службы барабанов котлов высокого давления. М., 1996.

4.ÐÄ 10-249-98. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды. Л.: ЦКТИ, 1949.

2003, ¹ 5

23