Исследование причин возникновения трещин в барабанах паровых энергетических котлов

Аннотация. В данной работе проведено исследование и выявление причин появления трещин в барабанах паровых котлов, которые не рассматривались ранее.
Ключевые слова: барабанные котлы, водоопускные трубы, трещины, опорно-подвесная система, тепловое расширение.

В настоящее время на значительном количестве тепловых электростанций с конца 60-х годов прошлого века находятся в эксплуатации барабанные котлы, барабаны которых изготовлены из легированных сталей 16ГНМ и 22К. Примерно с конца 70-х годов в барабанах данных котлов стали выявляться трещины в районе отверстий под водоопускные трубы. Учитывая катастрофические последствия в случае разрушения барабана, различные научно-исследовательские институты и организации занялись изучением причин появления трещин. Однако, на данный момент механизм образования трещин досконально не изучен, трещины в барабанах, изготовленных из указанных марок сталей, продолжают образовываться. Поскольку стоимость нового барабана составляет 50 % стоимости всего котлоагрегата, вопрос предотвращения образования трещин актуален и сегодня [1; 32].

Результаты контроля показали, что трещины концентрируются главным образом в районе трубных гнезд водоопускных труб па полуэллиптических площадках, примыкающих к кромкам трубных гнезд, и наибольшее поражение отмечается в направлении оси барабана. Трещины поражают и внутреннюю поверхность гнезд, а также кромки приваренных штуцеров. Реже трещинами повреждаются трубные гнезда в паровом пространстве, а также сварные швы приварки внутрибарабанных устройств и в зоне термического влияния этих швов. Как правило, трещины имеют очень малое раскрытие и целиком выявляются только методом магнитопорошковой дефектоскопии при использовании суспензии с качественным магнитным порошком.

На сегодня известно, что появление трещин является следствием комплекса неблагоприятных факторов, связанных с конструкцией, технологией изготовления барабана, такие факторы относятся к конструктивно – технологическим. В значительной степени появление трещин связано с режимно – эксплуатационными характеристиками: скоростью разогрева и охлаждения при пусках и остановах котла, характером изменения давления и температуры при колебаниях нагрузки, непостоянством гидродинамики водяного объема барабана, особенно при недогреве питательной воды до температуры насыщения [2; 40]. Однако, этих факторов не достаточно для объяснения появления повреждений у отверстий после десяти – двадцати пусков, в особенности, если учесть, что допустимое число циклов определено с десятикратным запасом к числу циклов, вызывающему появление видимой трещины на образцах.

Расхождение между расчетными и фактическими данными о долговечности барабанов можно объяснить: во – первых, тем, что на некоторых стадиях эксплуатации отдельных барабанов допускаются скорости изменения температур, намного превышающие принятые в расчете. Во – вторых, влиянием других факторов, которые не могут быть учтены в расчетах.

К другим факторам, которые не учитывались в расчетах, я предлагаю отнести нарушения опорно-подвесной системы и нарушения тепловых расширений котла. На рис.1 представлена таблица, в которой изображены все факторы влияющие на разрушение барабана котла. Рис.1. Факторы, влияющие на разрушение барабана котла.

Отклонение несущей способности пружинной подвески опорно-подвесной системы в соответствии с действующими нормативами допускается в пределах ±15%. Это отклонение приведет к возникновению дополнительных напряжений в барабане в районе отверстий под водоопускными трубами.

Так, например, проектная нагрузка, приходящаяся, на одну пружинную подвеску составляет 20 тонн. Если отклонение воспринимаемой нагрузки пружинной подвески достигнет допустимых 15%, то возникнет нескомпенсированная весовая нагрузка, которая составляет Р = 3 тонны и направлена вниз по отношению к водоопускным трубам (Рис.2). Если учесть что плечо от вертикальной оси водоопускных труб до оси барабана равно 6,98 метрам, то не сложно подсчитать, какой изгибающий момент приходится на тело барабана. , где - изгибающий момент, который выражается, как произведение тонн на метр.

Напряжение, возникающее, в теле барабана от указанного изгибающего момента в сочетании с внутренним давлением от рабочей среды достигает предельно допустимых значений для стали, из которой изготовлен барабан. Как следствие, возникает образование трещин в перемычках между отверстиями под водоопускные трубы.

Что касается нарушений тепловых расширений котла, то из Рис.2 видно, что длинна водоопускных труб соизмерима с длинной труб экранов и имеет ту же самую рабочую температуру – 350 °С. Величина температурного удлинения котла составляет 110мм и рассчитывается по следующие формуле:
, где ∆L – величина температурного расширения,
K – коэффициент линейного расширения,
L – длина элемента,
∆t – разность температур.
Если допустить нарушение теплового расширения котла, то водоопускным трубам будет некуда расширяться, что приведет к их выламыванию из тела барабана. Рис. 2. Разрез котла БКЗ 420-140, где 1 – водоопусные трубы, 2 – фронтовой экран, 3 – задний экран

Список литературы
1.Гринь Е. А., Зеленский А. В., Анохов А. Е. Анализ состояния парка барабанов котлов высокого давления ТЭС в России. «Энергопрогресс», 2009, №3. С. 32-39
2.Гринь Е. А. Хрупкие разрушения барабанов котлов высокого давления – основные причины и способы предотвращения. «Теплоэнергетика», 2008, №2. С. 40-45

Г.Н. Булыгин