Коррозия водогрейных котлов и теплообменного оборудования. Коррозионные повреждения экранных труб газомазутных котлов Способы предупреждения коррозионного износа водогрейного котла

Коррозионные явления в котлах чаще всего проявляются на внутренней теплонапряженной поверхности и сравнительно реже - на наружной.

В последнем случае разрушение металла обусловлено - в большинстве случаев - совместным действием коррозии и эрозии, которая иногда имеет преобладающее значение.
Внешний признак эрозионного разрушения - чистая поверхность металла. При коррозионном же воздействии продукты коррозии обычно сохраняются на его поверхности.
Внутренние (в водной среде) коррозионные и накипные процессы могут усугублять наружную коррозию (в газовой среде) из-за теплового сопротивления слоя накипных и коррозионных отложений, и, следовательно, роста температуры на поверхности металла.
Наружная коррозия металла (со стороны топки котла) зависит от разных факторов, но, прежде всего, - от вида и состава сжигаемого топлива.

Коррозия газо-мазутных котлов
В мазуте содержатся органические соединения ванадия и натрия. Если на стенке трубы, обращенной в топку, накапливаются расплавленные отложения шлака, содержащего соединения ванадия (V), то при большом избытке воздуха и/или температуре поверхности металла 520-880 оС происходят реакции:
4Fe + 3V2O5 = 2Fe2O3 + 3V2O3 (1)
V2O3 + O2 = V2O5 (2)
Fe2O3 + V2O5 = 2FeVO4 (3)
7Fe + 8FeVO4 = 5Fe3О4 + 4V2O3 (4)
(Соединения натрия) + О2 = Na2O (5)
Возможен и другой механизм коррозии с участием ванадия (жидкая эвтектическая смесь):
2Na2O . V2O4 . 5V2O5 + O2 = 2Na2O . 6V2O5 (6)
Na2O . 6V2O5 + М = Na2O . V2O4 . 5V2O5 + MO (7)
(М - металл)
Соединения ванадия и натрия при сгорании топлива окисляются до V2O5 и Na2O. В отложениях, прилипающих к поверхности металла, Na2O - связующее. Жидкость, образующаяся в результате реакций (1)-(7), расплавляет защитную пленку магнетита (Fe3O4), что приводит к окислению металла под отложениями (температура расплавления отложений (шлака) - 590-880 оС).
В результате указанных процессов стенки экранных труб, обращенных к топке, равномерно утончаются.
Росту температуры металла, при которой соединения ванадия становятся жидкими, способствуют внутренние накипные отложения в трубах. И, таким образом, при достижении температуры предела текучести металла возникает разрыв трубы - следствие совместного действия внешних и внутренних отложений.
Корродируют и детали крепления трубных экранов, а также выступы сварных швов труб - рост температуры на их поверхности ускоряется: они не охлаждаются пароводяной смесью, как трубы.
Мазут может содержать серу (2,0-3,5 %) в виде органических соединений, элементарной серы, сульфата натрия (Na2SO4), попадающего в нефть из пластовых вод. На поверхности металла в таких условиях ванадиевая коррозия сопровождается сульфидно-оксидной. Их совместное действие в наибольшей степени проявляется, когда в отложениях присутствуют 87 % V2O5 и 13 % Na2SO4, что соответствует содержанию в мазуте ванадия и натрия в соотношении 13/1.
Зимой при разогреве мазута паром в емкостях (для облегчения слива) в него дополнительно попадает вода в количестве 0,5-5,0 %. Следствие: увеличивается количество отложений на низкотемпературных поверхностях котла, и, очевидно, растет коррозия мазутопроводов и мазутных емкостей.

Кроме описанной выше схемы разрушения экранных труб котлов, коррозия пароперегревателей, труб фестонов, кипятильных пучков, экономайзеров имеет некоторые особенности из-за повышенных - в некоторых сечениях - скоростей газов, особенно содержащих несгоревшие частицы мазута и отслоившиеся частицы шлака.

Идентификация коррозии
Наружная поверхность труб покрыта плотным эмалевидным слоем отложений серого и темно-серого цвета. На стороне, обращенной в топку, - утончение трубы: плоские участки и неглубокие трещинки в виде «рисок» хорошо видны, если очистить поверхность от отложений и оксидных пленок.
Если труба аварийно разрушена, то видна сквозная продольная неширокая трещина.

Коррозия пылеугольных котлов
В коррозии, образуемой действием продуктов сжигания углей, определяющее значение имеют сера и ее соединения. Кроме того, на течение коррозионных процессов влияют хлориды (в основном NaCl) и соединения щелочных металлов. Наиболее вероятна коррозия при содержании в угле более 3,5 % серы и 0,25 % хлора.
Летучая зола, содержащая щелочные соединения и оксиды серы, отлагается на поверхности металла при температуре 560-730 оС. При этом в результате происходящих реакций образуются щелочные сульфаты, например K3Fe(SO4)3 и Na3Fe(SO4)3. Этот расплавленный шлак, в свою очередь, разрушает (расплавляет) защитный оксидный слой на металле - магнетит (Fe3O4).
Скорость коррозии максимальна при температуре металла 680-730 оС, при ее увеличении скорость уменьшается из-за термического разложения коррозионных веществ.
Наибольшая коррозия - в выходных трубах пароперегревателя, где наиболее высокая температура пара.

Идентификация коррозии
На экранных трубах можно наблюдать плоские участки с обеих сторон трубы, подвергающихся коррозионному разрушению. Эти участки расположены под углом друг к другу 30-45 оС и покрыты слоем отложений. Между ними - сравнительно «чистый» участок, подвергающийся «лобовому» воздействию газового потока.
Отложения состоят из трех слоев: внешний - пористая летучая зола, промежуточный слой - белесые водорастворимые щелочные сульфаты, внутренний слой - блестящие черные оксиды железа (Fe3O4) и сульфиды (FeS).
На низкотемпературных частях котлов - экономайзер, воздухоподогреватель, вытяжной вентилятор - температура металла падает ниже «точки росы» серной кислоты.
При сжигании твердого топлива температура газов уменьшается от 1650 оС в факеле до 120 оС и менее в дымовой трубе.
Из-за охлаждения газов образуется серная кислота в паровой фазе, и при контакте с более холодной поверхностью металла пары конденсируются с образованием жидкой серной кислоты. «Точка росы» серной кислоты - 115-170 оС (может быть и больше - зависит от содержания в газовом потоке паров воды и оксида серы (SO3)).
Процесс описывается реакциями:
S + O2 = SO2 (8)
SO3 + H2O = H2SO4 (9)
H2SO4 + Fe = FeSO4 + H2 (10)
В присутствии оксидов железа и ванадия возможно каталитическое окисление SO3:
2SO2 + O2 = 2SO3 (11)
В некоторых случаях сернокислотная коррозия при сжигании каменного угля менее значима, чем при сжигании бурого, сланца, торфа и даже природного газа - из-за относительно большего выделения водяного пара из них.

Идентификация коррозии
Этот вид коррозии вызывает равномерное разрушение металла. Обычно поверхность шероховатая, с небольшим налетом ржавчины, и похожа на поверхность без коррозионных явлений. При длительном воздействии металл может быть покрыт отложениями продуктов коррозии, которые нужно осторожно снять при обследовании.

Коррозия во время перерывов в эксплуатации
Этот вид коррозии проявляется на экономайзере и в тех местах котла, где наружные поверхности покрыты соединениями серы. При остывании котла температура металла падает ниже «точки росы» и, как описано выше, если есть сернистые отложения, образуется серная кислота. Возможно промежуточное соединение - сернистая кислота (H2SO3), но она очень нестойкая и сразу превращается в серную кислоту.

Идентификация коррозии
Поверхности металла обычно покрыты нанесениями. Если их удалить, то обнаружатся участки разрушения металла, где были сернистые отложения и участки некорродированного металла. Такой внешний вид отличает коррозию на остановленном котле от вышеописанной коррозии металла экономайзера и других «холодных» частей работающего котла.
При обмывке котла коррозионные явления распределены более или менее равномерно по металлической поверхности из-за размывания сернистых отложений и недостаточной осушке поверхностей. При недостаточной обмывке коррозия локализована там, где были сернистые соединения.

Эрозия металла
Эрозийному разрушению металла при определенных условиях подвергаются разные системы котла как с внутренней, так и с наружной стороны обогреваемого металла, и там, где возникают турбулентные потоки с большой скоростью.
Ниже рассматривается только эрозия турбин.
Турбины подвергаются эрозии от ударов твердых частиц и капелек конденсата пара. Твердые частицы (оксиды) отслаиваются от внутренней поверхности пароперегревателей и паропроводов, особенно в условиях переходных тепловых процессов.

Капельки конденсата пара в основном разрушают поверхности лопаток последней ступени турбины и дренажные трубопроводы. Возможно эрозионно-коррозионное воздействие конденсата пара, если конденсат «кислый» - рН ниже пяти единиц. Коррозия также имеет опасный характер при наличии в водяных капельках пара хлоридов (до 12 % от массы отложений) и едкого натра.

Идентификация эрозии
Разрушение металла от ударов капель конденсата наиболее заметно на передних кромках лопаток турбин. Кромки покрыты тонкими поперечными зубцами и канавками (бороздками), могут быть наклонные конические выступы, направленные в сторону ударов. Выступы есть на передних кромках лопаток и почти отсутствуют на их задних плоскостях.
Повреждения от твердых частиц имеют вид разрывов, микровмятин и зазубрин на передних кромках лопаток. Бороздки и наклонные конусы отсутствуют.

Аварии паровых котлов, связанные с нарушением водного режима, коррозией и эрозией металла

Нормальный водный режим - одно из важнейших условий надежности и экономичности эксплуатации котельной установки. Применение воды с повышенной жесткостью для питания котлов влечет за собой образование накипи, перерасход топлива и увеличение расходов на ремонт и чистку котлов. Известно, что накипеобразование может привести к аварии парового котла вследствие пережога поверхностей нагрева. Поэтому правильный водный режим в котельной следует рассматривать не только с точки зрения повышения экономичности котельной установки, но и как важнейшее профилактическое мероприятие по борьбе с аварийностью.

В настоящее время котельные установки промышленных предприятий оснащены водоподготовительными устройствами, поэтому улучшились условия их эксплуатации и значительно снизилось число аварий, вызванных накипеобразованием и коррозией.

Однако на некоторых предприятиях администрация формально выполнив требование Правил котлонадзора об оснащении котлов водоподготовительными установками, не обеспечивает нормальных условий эксплуатации этих установок, не контролирует качество питательной воды и состояние поверхностей нагрева котлов, допуская загрязнения котлов накипью и шламом. Приведем несколько примеров аварий котлов по этим причинам.

1. В котельной завода сборных железобетонных конструкций из-за нарушений водного режима в котле ДКВР-6, 5-13 произошел разрыв трех экранных труб, часть экранных труб деформирована, на многих трубах образовались отдулины.

В котельной имеется двухступенчатая натрий-катионитовая водоочистка и деаэратор, но нормальной работе водоподготовительного оборудования не уделяли должного внимания. Регенерацию ка-тионитовых фильтров не проводили в установленные инструкцией сроки, качество питательной и котловой воды проверяли редко, сроки периодической продувки котла не соблюдали. Воду в деаэраторе не подогревали до требумой температуры и поэтому обескислороживания воды фактически не происходило.

Установлено также, что в котел часто подавали сырую воду, при этом не соблюдали требования «Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов», согласно которым запорные органы на линии сырой воды должны быть опломбированы в закрытом положении, а каждый случай питания сырой водой должен быть записан в журнал водоподготовки. Из отдельных записей в журнале водоподготовки видно, что жесткость питательной воды достигала 2 мг-экв/кг и более, при допустимой по нормам котлонадзора 0,02 мг-экв/кг. Чаще всего в журнал вносили такие записи: «вода грязная, жесткая», без указания результатов химического анализа воды.

При осмотре котла после остановки на внутренних поверхностях экранных труб обнаружены отложения толщиной до 5 мм, отдельные трубы почти полностью забиты накипью и шламом. На внутренней поверхности барабана в нижней части толщина отложений достигла 3 мм, передняя часть барабана на одну треть по высоте завалена шламом.

За 11 мес. до этой аварии аналогичные повреждения («трещины, отдулины, деформация) были выявлены в 13-ти экранных трубах котла. Дефектные трубы были заменены, но администрация пред приятия в нарушение «Инструкции по расследованию аварий, но повлекших за собой несчастных случаев на подконтрольных Госгор технадзору СССР предприятиях и объектах» не провела расследование этого случая и не приняла мер по улучшению условий эксплуатации котлов.

2. На энергопоезде сырую воду для питания однообарабанного водотрубного экранированного парового котла производительностью 10 т/ч с рабочим давлением 41 кгс/см2 обрабатывали методом катионного обмена. Вследствие неудовлетворительной работы катион и тового фильтра остаточная жесткость умягченной воды доходила до

0,7 мг-экв/кг вместо предусмотренной проектом 0,01 мг-экв/кг. Про дувка котла производилась нерегулярно. При остановках на ремонт барабан котла и коллекторы экранов не вскрывали и не осматривали. Из-за отложений накипи произошел разрыв трубы, при этом паром и горящим топливом, выброшенным из топки, был обожжен кочегар.

Несчастного случая могло не быть, если бы топочная дверка котла была закрыта на щеколду, как этого требуют правила безо* пасной эксплуатации котлов.

3. На цементном заводе был введен в эксплуатацию вновь смонтированный одно барабанный водотрубный котел производительностью 35 т/ч с рабочим давлением 43 кгс/см2 без химводоочистки, монтаж которой к этому времени не был закончен. В течение месяца питание котла производилось неочищенной водой. Деаэрация воды более двух месяцев не производилась, так как к дэаэратору не был подключен паропровод.

Нарушения водного режима допускались и после того, как во. доподготовительное оборудование было включено в работу. Котел часто подпитывали сырой водой; режим продувок не соблюдали; химическая лаборатория не контролировала качество питательной воды, так как не была снабжена необходимыми реактивами.

Из-за неудовлетворительного водного режима отложения на внутренних поверхностях экранных труб достигали толщины 8 мм; в результате чего на 36 экранных трубах образовались отдулины» значительная часть труб была деформирована, стенки барабана с внутренней стороны подверглись коррозии.

4. На заводе железобетонных изделий питание котла системы Шухова-Берлина производилось водой, обработанной электромагнитным способом. Известно, что при этом способе обработки воды должно быть обеспечено своевременное эффектное удаление шлама из котла.

Однако при эксплуатации котла это условие не выполнялось. Продувка котла производилась нерегулярно, график остановки котла на промывку и чистку не соблюдался.

В резульате этого внутри котла скопилось большое количество шлама. Задняя часть труб была забита шламом на 70-80% сечения, грязевик - на 70% объема, толщина накипи на поверхностях нагрева достигла 4 мм. Это привело к перегреву и деформа-ции кипятильных труб, трубных рсшсчок и головок трубчатых секций.

При выборе электромагнитного способа обработки йоды в данном случае не учли качество питательной воды и конструктивные особенности котла, при этом не были приняты меры по организации нормального режима продувок, что привело к скоплению шлама и значительным отложениям накипи в котле.

5. Исключительное значение приобрели вопросы организации рационального водного режима для обеспечения надежной и экономичной эксплуатации котлов тепловых электростанций.

Образование отложений на поверхностях нагрева котельных агрегатов происходит в результате сложных физико-химических процессов, в которых участвуют не только накипеобразопатели, но и окислы металлов и легкорастворимые соединения. Диализ отложений показывает, что наряду с солями накипеобразователей в них содержится значительное количество окислов железа, являющихся продуктами коррозионных процессов.

За прошедшие годы в нашей стране достигнуты значительные успехи в организации рационального водного режима котлов тепловых электростанций и химического контроля за водой и паром, а также во внедрении коррозионностойких металлов и защитных покрытий.

Применение современных средств водоподготовки позволило резко повысить надежность и экономичность эксплуатации энергетического оборудования.

Однако на отдельных тепловых электростанциях все ещё допускаются нарушения водного режима.

В июне 1976 г. по этой причине на ТЭЦ целлюлозно-бумажного комбината произошла авария на паровом котле типа БКЗ-220-100 ф паропроизводительностью 220 т/ч с параметрами пара 100 кгс/см2 и 540° С, изготовленном на Барнаульском котлостроительном заводе в 1964 г. Котел однобарабанный с естественной циркуляцией, выполнен по П-образной схеме. Топочная камера призматическая полностью экранирована трубами с наружным диаметром 60 мм, шаг которых 64 мм. Нижняя часть экранной поверхности образует так называемую холодную воронку, по откосам которой частички шлака в твердом виде скатываются вниз, в шлаковый комод. Схема испарения двухступенчатая, промывкой пара питательной водой. Первая ступень испарения включена непосредственно в барабан котла, второй ступенью служат выносные паросепарационные циклоны, включенные в схему циркуляции средних боковых блоков экрана.

Питание котла осуществляется смесью химически очищенной воды (60%) и конденсата, поступающего из турбин и производственных цехов (40%). Вода для питания котла обрабатывается по схеме: известковые - коагуляция - магнезиальное обескремнивание в

Осветлителях - двухступенчатое катионирование.

Котел работает на угле Интинского месторождения с относительно низкой температурой плавления золы. В качестве растопочного топлива используется мазут. До аварии котел отработал 73 300 ч.

В день аварии котел был включен в 00 ч 45 мин и работал без отклонения от нормального режима до 14 ч. Давление в барабане за этот период работы поддерживалось в пределах 84-102 кгс/см2, расход пара составлял 145-180 т/ч, температура перегретого пара-520-535° С.

В 14 ч 10 мин произошел разрыв 11-ти труб фронтового экрана в зоне холодной воронки на отметке 3,7 м с частичным разрушением

обмуровки. Предполагается, что сначала произошел разрыв водной или двух труб, а затем последовал разрыв остальных труб. Уровень воды резко снизился, и котел был остановлен автоматикой защиты.

Осмотр показал, что разрушению подверглись наклонные участки труб холодной воронки вне гибов, при этом от первого фронтового нижнего коллектора оторваны две трубы, от второго-девять. Разрыв носит хрупкий характер, кромки в местах разрыва тупые и не имеют утонения. Длина разорвавшихся участков труб составляет от одного до трех метров. На внутренней поверхности поврежденных труб, а также образцов, вырезанных из неповрежденных труб, обнаружены рыхлые отложения толщиной до 2,5 мм, а также большое число язвин, глубиной до 2 мм, расположенных цепочкой шириной до 10 мм по двум образующим вдоль границы обогрева трубы. Именно в местах коррозионных повреждений произошло разрушение металла.

В ходе расследования аварии выяснилось, что ранее в процессе эксплуатации котла уже были разрывы экранных труб. Так, например, за два месяца до аварии произошел разрыв трубы фронтового экрана на отметке 6,0 м. Через 3 дня котел был вновь остановлен из-за разрыва двух труб фронтового экрана на отметке 7,0 м. И в этих случаях разрушение труб явилось результатом коррозионных повреждений металла.

В соответствии с утвержденным графиком котел должен был быть остановлен на капитальный ремонт в третьем квартале 1976 г. В период ремонта намечалось провести замену труб фронтового экрана в районе холодной воронки. Однако котел не остановили на ремонт, и трубы не были заменены.

Коррозионные повреждения металла явились следствием нарушений водного режима, допускавшихся в течение длительного времени при эксплуатации котлов ТЭЦ. Котлы питали водой с повышенным содержанием железа, меди и кислорода. Общее содержание солей в питательной воде значительно превышало допустимые нормы, в результате чего даже в контурах первой ступени испарения содержание солей доходило до 800 мг/кг. Используемые для питания котлов производственные конденсаты с содержанием железа 400- 600 мг/кг не очищали. По этой причине, а также из-за того, что не было достаточной противокоррозионной защиты водоподготовительного оборудования (защита осуществлена частично), на внутренних поверхностях труб были значительные отложения (до 1000 г/м2), в основном, состоящие из соединений железа. Аминирование и гидра-зинирование питательной воды было введено лишь незадолго до аварии. Предпусковые и эксплуатационные кислотные промывки котлов не производили.

Возникновению аварии способствовали и другие нарушения Правил технической эксплуатации котлов. На ТЭЦ весьма часто растапливают котлы, причем наибольшее число растопок приходилось на котел, с которым произошла авария. Котлы оснащены устройствами для Парового разогрева, однако при растопке их не использовали. При растопках не контролировали перемещения экранных коллекторов.

Для уточнения характера коррозионного процесса и выяснения причин образования язвин преимущественно в первых двух панелях фронтового экрана и расположения этих язвин в виде цепочек материалы расследования аварии были направлены в ЦКТИ. При рассмотрении этих материалов было обращено внимание на то, что

котлы работали с резко переменной нагрузкой, при этом допускалось значительное снижение паропроизводительности (до 90 т/ч), при котором возможно местное нарушение циркуляции. Котлы растапливали следующим способом: в начале растопки включали две форсунки, расположенные встречно (по диагонали). Такой способ приводил к замедлению процесса естественной циркуляции в панелях первого и второго фронтовых экранов. Именно в этих экранах и найден основной очаг язвенных повреждений. В питательной воде эпизодически появлялись нитриты, за концентрацией которых контроль не осуществлялся.

Анализ материалов аварии с учетом перечисленных недостатков дал основание считать, что образование цепочек язвин на боковых образующих внутренних поверхностей труб фронтового экрана на скате холодной воронки является результатом длительного процесса подшламовой электрохимической коррозии. Деполяризаторами этого процесса явились нитриты и растворенный в воде кислород.

Расположение язвин в виде цепочек является, по-видимому, результатом работы котла при растопках с неустановившимся процессом естественной циркуляции. В период начала циркуляции на верхней образующей наклонных труб холодной воронки периодически образуются поровые пузыри, вызывающие эффект местных термопульсаций в металле £ протеканием электрохимических процессов в рбласти временного раздела фаз. Именно эти места явились очагами образования цепочек язвин. Преимущественное образование язвин в первых двук панелях фронтового экрана явилось следствием неправильного режима растопки.

6. На ТЙЦ вб время работы котла ПК-ЮШ-2 паропроизводп-тельностью 230 т/ч с параметрами пара- 100 кгс/см2 и 540° С было замечено парение на отводе от сборного коллектора свежего пара к главному предохранительному клапану. Отвод соединен с помощью сварки с литым тройником, вваренным в сборный коллектор.

Котел был аварийно остановлен. При осмотре обнаружена кольцевая трещина в нижней части трубы (168X13 мм) горизонтального участка отвода в непосредственной близости от места присоединения отвода к литому тройнику. Длина трещины на наружной поверхности- 70 мм и на внутренней поверхности-110 мм. На внутренней поверхности трубы в месте ее повреждения выявлено большое число коррозионных язвин и отдельные трещины, расположенные параллельно основной.

Металлографическим анализом установлено, что трещины начинаются от язвин в обезуглероженном слое металла и далее развиваются транскристаллитно в направлении, перпендикулярном к поверхности трубы. Микроструктура металла трубы - ферритные зерна и тонкие перлитные цепочки по границам зерен. По шкале, приведенной в виде приложения к МРТУ 14-4-21-67, микроструктура может быть оценена баЛлом 8.

Химический состав металла поврежденной трубы соответствует стали 12Х1МФ. Механические свойства удовлетворяют требованиям технических условий поставки. Диаметр трубы на поврежденном участке не выходит за пределы плюсового допуска.

Горизонтальный отвод к предохранительному клапану при неотрегулированной системе крепления можно рассматривать как консольную балку, приваренную к жестко закрепленному в коллекторе тройнику, с максимальными изгибными напряжениями в месте заделки, т. е. в зоне, где труба подверглась повреждениям. При отсутствии

дренажа в отводе и наличии контр уклона, из-за упругого изгиба на участке от предохранительного клапана до сборного коллектора свежего пара, в нижней части трубы перед тройником возможно постоянное скопление небольшого количества конденсата, обогащавшегося во время остановов, консервации и пусков котла в работу, кислородом из воздуха. При этих условиях происходило коррозионное разъедание металла, а совместное воздействие на металл конденсата и растягивающих напряжений вызывало его коррозионное растрескивание. В процессе эксплуатации в местах коррозионных язвин и неглубоких трещин в результате агрессивного воздействия среды и переменных напряжений в металле могут развиваться усталостно-коррозионные трещины, что, по-видимому, и происходило в данном случае.

Для того чтобы конденсат не скапливался, в отводе была сделана обратная циркуляция пара. Для этого труба отвода непосредственно перед главным предохранительным клапаном была соединена линией обогрева (труб диаметром 10 мм) с промежуточной камерой пароперегревателя, по которой подается пар с температурой 430° С. При небольшом перепаде избыточного давления (до 4 кгс/см2) обеспечивается непрерывный расход пара и температура среды в отводе поддерживается не ниже 400° С. Реконструкция отвода осуществлена на всех котлах ПК-ЮШ-2 ТЭЦ.

Для того, чтобы предотвратить повреждения отводов к главным предохранительным клапанам на котлах ПК-ЮШ-2 и подобных им рекомендуется:

Проверить ультразвуком нижние полупериметры труб отводов в местах приварки к тройникам;

Проверить, соблюдены ли требуемые уклоны и при необходимости отрегулировать системы крепления паропроводов к главным предохранительным клапанам с учетом фактического состояния паропроводов (веса изоляции, фактического веса труб, ранее проведенных реконструкций);

Сделать в отводах к главным предохранительным клапанам обратную циркуляцию пара; конструкцию и внутренний диаметр паропровода обогрева в каждом отдельном случае необходимо согласовать с изготовителем оборудования;

Все тупиковые отводы на предохранительные клапаны тщательно заизолировать.

(Из экспресс - информации СЦНТИ ОРГРЭС- 1975 г.)

Владельцы патента RU 2503747:

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для защиты от накипи нагревательных труб паровых и водогрейных котлов, теплообменников, бойлерных установок, испарителей, теплотрасс, систем отопления жилых домов и промышленных объектов в процессе текущей эксплуатации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Эксплуатация паровых котлов связана с одновременным воздействием высоких температур, давления, механических напряжений и агрессивной среды, которой является котловая вода. Котловая вода и металл поверхностей нагрева котла представляют собой отдельные фазы сложной системы, которая образуется при их контакте. Итогом взаимодействия этих фаз являются поверхностные процессы, возникающие на границе их раздела. В результате этого в металле поверхностей нагрева возникают явления коррозии и образования накипи, что приводит к изменению структуры и механических свойств металла, и что способствует развитию различных повреждений. Поскольку теплопроводность накипи в пятьдесят раз ниже, чем у железа нагревательных труб, то имеют место потери тепловой энергии при теплопередаче - при толщине накипи 1 мм от 7 до 12%, а при 3 мм - 25%. Сильное образование накипи в системе парового котла непрерывного действия часто приводит к остановке производства на несколько дней в году для удаления накипи.

Качество питательной и, следовательно, котловой воды определяется присутствием примесей, которые могут вызывать различные виды коррозии металла внутренних поверхностей нагрева, образования первичной накипи на них, а также шлама, как источника образования вторичной накипи. Кроме того, качество котловой воды зависит и от свойств веществ, образующихся в результате поверхностных явлений при транспортировке воды, и конденсата по трубопроводам, в процессах водообработки. Удаление примесей из питательной воды является одним из способов предотвращения образования накипи и коррозии и осуществляется методами предварительной (докотловой) обработки воды, которые направлены на максимальное удаление примесей, находящихся в исходной воде. Однако применяемые методы не позволяют полностью исключить содержание примесей в воде, что связано не только с трудностями технического характера, но и экономической целесообразностью применения методов докотловой обработки воды. Кроме того, поскольку водоподготовка представляет сложную техническую систему, она является избыточной для котлов малой и средней производительности.

Известные методы удаления уже образовавшихся отложений используют в основном механические и химические способы очистки. Недостатком этих способов является то, что они не могут производиться в ходе эксплуатации котлов. Кроме того, способы химической очистки часто требуют использования дорогостоящих химических веществ.

Известны также способы предотвращения образования накипи и коррозии, осуществляемые в процессе работы котлов.

В патенте US 1877389 предложен способ удаления накипи и предотвращения ее образования в водогрейных и паровых котлах. В этом способе поверхность котла представляет собой катод, а анод размещен внутри трубопровода. Способ заключается в пропускании постоянного или переменного тока через систему. Авторы отмечают, что механизм действия способа заключается в том, что под действием электрического тока на поверхности котла образуются пузырьки газа, которые приводят к отслоению существующей накипи и препятствуют образованию новой. Недостатком указанного способа является необходимость постоянно поддерживать протекание электрического тока в системе.

В патенте US 5667677 предложен способ обработки жидкости, в частности воды, в трубопроводе с целью замедления образования накипи. Указанный способ основан на создании в трубах электромагнитного поля, которое отталкивает растворенные в воде ионы кальция, магния от стенок труб и оборудования, не давая им кристаллизоваться в виде накипи, что позволяет эксплуатировать котлы, бойлеры, теплообменники, системы охлаждения на жесткой воде. Недостатком указанного способа является дороговизна и сложность используемого оборудования.

В заявке WO 2004016833 предложен способ уменьшения образования накипи на металлической поверхности, подвергающейся воздействию пересыщенного щелочного водного раствора, из которого способна образовываться накипь после периода воздействия, включающий приложение катодного потенциала к указанной поверхности.

Указанный способ может использоваться в различных технологических процессах, в которых металл находится в контакте с водным раствором, в частности, в теплообменниках. Недостатком указанного способа является то, что он не обеспечивает защиту металлической поверхности от коррозии после снятия катодного потенциала.

Таким образом, в настоящее время существует потребность в разработке улучшенного способа предотвращения образования накипи нагревательных труб, водогрейных и паровых котлов, который был бы экономичным и высокоэффективным и обеспечивал антикоррозионную защиту поверхности в течение длительного промежутка времени после воздействия.

В настоящем изобретении указанная задача решена с помощью способа, согласно которому на металлической поверхности создается токоотводящий электрический потенциал, достаточный для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии коллоидных частиц и ионов к металлической поверхности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенного способа предотвращения образования накипи нагревательных труб водогрейных и паровых котлов.

Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности исключения или значительного уменьшения необходимости удаления накипи в процессе эксплуатации водогрейных и паровых котлов.

Еще одной задачей настоящего изобретения является исключение необходимости использования расходных реагентов для предотвращения образования накипи и коррозии нагревательных труб водогрейных и паровых котлов.

Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности начала работы по предотвращению образования накипи и коррозии нагревательных труб водогрейных и паровых котлов на загрязненных трубах котла.

Настоящее изобретение относится к способу предотвращения образования накипи и коррозии на металлической поверхности, выполненной из железосодержащего сплава и находящейся в контакте с пароводяной средой, из которой способна образовываться накипь. Указанный способ заключается в приложении к указанной металлической поверхности токоотводящего электрического потенциала, достаточного для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии коллоидных частиц и ионов к металлической поверхности.

Согласно некоторым частным вариантам реализации заявленного способа токоотводящий потенциал устанавливают в пределах 61-150 В. Согласно некоторым частным вариантам реализации заявленного способа вышеуказанный железосодержащий сплав представляет собой сталь. В некоторых вариантах реализации металлическая поверхность представляет собой внутреннюю поверхность нагревательных труб водогрейного или парового котла.

Раскрытый в данном описании способ имеет следующие преимущества. Одним преимуществом способа является уменьшенное образование накипи. Другим преимуществом настоящего изобретения является возможность использования однажды закупленного работающего электрофизического аппарата без необходимости использования расходных синтетических реагентов. Еще одним преимуществом является возможность начала работы на загрязненных трубках котла.

Техническим результатом настоящего изобретения, таким образом, является повышение эффективности работы водогрейных и паровых котлов, повышение производительности, увеличение эффективности теплопередачи, снижение расходов топлива на нагрев котла, экономия энергии и пр.

Другие технические результаты и преимущества настоящего изобретения включают обеспечение возможности послойного разрушения и удаления уже образовавшейся накипи, а также предотвращения ее нового образования.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 показан характер распределения отложений на внутренних поверхностях котла в результате применения способа согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ согласно настоящему изобретению заключается в приложении к металлической поверхности, подверженной образованию накипи, токоотводящего электрического потенциала, достаточного для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии коллоидных частиц и ионов, образующих накипь, к металлической поверхности.

Термин «токоотводящий электрический потенциал» в том смысле, в каком он используется в данной заявке, означает переменный потенциал, нейтрализующий двойной электрический слой на границе металла и пароводяной среды, содержащей соли, приводящие к образованию накипи.

Как известно специалисту в данной области техники, носителями электрического заряда в металле, медленными по сравнению с основными носителями заряда -электронами, являются дислокации его кристаллической структуры, которые несут на себе электрический заряд и образуют дислокационные токи. Выходя на поверхность нагревательных труб котла, эти токи входят в состав двойного электрического слоя при образовании накипи. Токоотводящий, электрический, пульсирующий (то есть переменный) потенциал инициирует отведение электрического заряда дислокаций с поверхности металла на землю. В этом отношении он является токоотводящим дислокационные токи. В результате действия этого токоотводящего электрического потенциала двойной электрический слой разрушается, и накипь постепенно распадается и переходит в котельную воду в виде шлама, который удаляется из котла при периодических его продувках.

Таким образом, термин «токоотводящий потенциал» понятен для специалиста в данной области техники и, кроме того, известен из уровня техники (см., например, патент RU 2128804 С1).

В качестве устройства для создания токоотводящего электрического потенциала может, например, быть использовано устройство, описанное в RU 2100492 С1, которое включает в себя конвертер с частотным преобразователем и регулятором пульсирующего потенциала, а также регулятор формы импульсов. Подробное описание этого устройства дано в RU 2100492 С1. Также может быть использовано любое другое аналогичное устройство, как будет понятно специалисту в данной области техники.

Токоотводящий электрический потенциал согласно настоящему изобретению может быть приложен к любой части металлической поверхности, удаленной от основания котла. Место приложения определяется удобством и/или эффективностью применения заявленного способа. Специалист в данной области техники, используя информацию, раскрытую в настоящем описании, и используя стандартные методики испытаний, сможет определить оптимальное место приложения токоотводящего электрического потенциала.

В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения токоотводящий электрический потенциал является переменным.

Токоотводящий электрический потенциал согласно настоящему изобретению может быть приложен в течение различных периодов времени. Время приложения потенциала определяется характером и степенью загрязненности металлической поверхности, составом используемой воды, температурным режимом и особенностями работы теплотехнического устройства и другими факторами, известными специалистам в данной обрасти техники. Специалист в данной области техники, используя информацию, раскрытую в настоящем описании и используя стандартные методики испытаний, сможет определить оптимальное время приложения токоотводящего электрического потенциала, исходя из поставленных целей, условий и состояния теплотехнического устройства.

Величина токоотводящего потенциала, требуемая для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии, может быть определена специалистом в области коллоидной химии на основании сведений известных из уровня техники, например из книги Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. «Поверхностные силы», Москва, "Наука", 1985. Согласно некоторым вариантам реализации величина токоотводящего электрического потенциала находится в диапазоне от 10 В до 200 В, более предпочтительно от 60 В до 150 В, еще более предпочтительно от 61 В до 150 В. Значения токоотводящего электрического потенциала в диапазоне от 61 В до 150 В приводят к разряжению двойного электрического слоя, являющегося основой электростатической составляющей сил адгезии в накипи и, как следствие, разрушению накипи. Значения токоотводящего потенциала ниже 61 В являются недостаточными для разрушения накипи, а при значениях токоотводящего потенциала выше 150 В вероятно начало нежелательного электроэрозионного разрушения металла нагревательных трубок.

Металлическая поверхность, к которой может быть применен способ согласно настоящему изобретению, может быть частью следующих теплотехнических устройств: нагревательных труб паровых и водогрейных котлов, теплообменников, бойлерных установок, испарителей, теплотрасс, систем отопления жилых домов и промышленных объектов в процессе текущей эксплуатации. Данный список является иллюстративным и не ограничивает список устройств, к которым может быть применен способ согласно настоящему изобретению.

В некоторых вариантах реализации железосодержащий сплав, из которого выполнена металлическая поверхность, к которой может быть применен способ согласно к настоящему изобретению, может представляет собой сталь или другой железосодержащий материал, такой как чугун, ковар, фехраль, трансформаторную сталь, альсифер, магнико, альнико, хромистую сталь, инвар и др. Данный список является иллюстративным и не ограничивает список железосодержащих сплавов, к которым может быть применен способ согласно настоящему изобретению. Специалист в данной области техники на основании сведений, известных из уровня техники, сможет такие железосодержащие сплавы, которые могут быть использованы согласно настоящему изобретению.

Водная среда, из которой способна образовываться накипь, согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, представляет собой водопроводную воду. Водная среда также может представлять собой воду, содержащую растворенные соединения металлов. Растворенные соединения металлов могут представлять собой соединения железа и/или щелочно-земельных металлов. Водная среда также может представлять собой водную суспензию коллоидных частиц соединений железа и/или щелочно-земельных металлов.

Способ согласно настоящему изобретению удаляет ранее образовавшиеся отложения и служит безреагентным средством очистки внутренних поверхностей в ходе эксплуатации теплотехнического устройства, обеспечивая в дальнейшем безнакипный режим его работы. При этом размеры зоны, в пределах которой достигается предотвращение образования накипи и коррозии, существенно превышает размеры зоны эффективного разрушения накипи.

Способ согласно настоящему изобретению имеет следующие преимущества:

Не требует применения реагентов, т.е. экологически безопасен;

Прост в осуществлении, не требует специальных устройств;

Позволяет повысить коэффициент теплопередачи и повысить эффективность работы котлов, что существенно сказывается на экономических показателях его работы;

Может использоваться как дополнение к применяемым методам докотловой обработки воды, так и отдельно;

Позволяет отказаться от процессов умягчения и деаэрации воды, что во многом упрощает технологическую схему котельных и дает возможность значительно снизить затраты при строительстве и эксплуатации.

Возможными объектами способа могут быть водогрейные котлы, котлы-утилизаторы, закрытые системы теплоснабжения, установки по термическому опреснению морской воды, паропреобразовательные установки и пр.

Отсутствие коррозионных разрушений, накипеобразования на внутренних поверхностях открывает возможность для разработки принципиально новых конструктивных и компоновочных решений паровых котлов малой и средней мощности. Это позволит, за счет интенсификации тепловых процессов, добиться существенного уменьшения массы и габаритов паровых котлов. Обеспечить заданный температурный уровень поверхностей нагрева и, следовательно, уменьшить расход топлива, объем дымовых газов и сократить их выбросы в атмосферу.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ

Способ, заявленный в настоящем изобретении, был испытан на котельных заводах «Адмиралтейские верфи» и «Красный химик». Было показано, что способ согласно настоящему изобретению эффективно очищает внутренние поверхности котлоагрегатов от отложений. В ходе этих работ была получена экономия условного топлива 3-10%, при этом разброс значений экономии связан с различной степенью загрязненности внутренних поверхностей котлоагрегатов. Целью работы являлась оценка эффективности заявленного способа для обеспечения безреагентного, безнакипного режима работы паровых котлоагрегатов средней мощности в условиях качественной водоподготовки, соблюдения водно-химического режима и высокого профессионального уровня эксплуатации оборудования.

Испытание способа, заявленного в настоящем изобретении, проводилось на паровом котлоагрегате №3 ДКВр 20/13 4-ой Красносельской котельной Юго-Западного филиала ГУП «ТЭК СПб». Эксплуатация котлоагрегата проводилась в строгом соответствии с требованиями нормативных документов. На котле установлены все необходимые средства контроля параметров его работы (давления и расхода вырабатываемого пара, температуры и расхода питательной воды, давления дутьевого воздуха и топлива на горелках, разряжения в основных сечениях газового тракта котлоагрегата). Паропроизводительность котла поддерживалась на уровне 18 т/час, давление пара в барабане котла - 8,1…8,3 кг/см 2 . Экономайзер работал в теплофикационном режиме. В качестве исходной воды использовалась вода городского водопровода, которая соответствовала требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая». Необходимо отметить, что количество соединений железа на вводе в указанную котельную, как правило, превышает нормативные требования (0,3 мг/л) и составляет 0,3-0,5 мг/л, что приводит к интенсивному зарастанию внутренних поверхностей железистыми соединениями.

Оценка эффективности способа производилась по состоянию внутренних поверхностей котлоагрегата.

Оценка влияния способа согласно настоящему изобретению на состояние внутренних поверхностей нагрева котлоагрегата.

До начала испытаний был произведен внутренний осмотр котлоагрегата и зафиксировано исходное состояние внутренних поверхностей. Предварительный осмотр котла был произведен в начале отопительного сезона, через месяц после его химической очистки. В результате осмотра выявлено: на поверхности барабанов сплошные твердые отложения темно-коричневого цвета, обладающие парамагнитными свойствами и состоящие, предположительно, из окислов железа. Толщина отложений составляла до 0,4 мм визуально. В видимой части кипятильных труб, преимущественно на стороне обращенной к топке, обнаружены не сплошные твердые отложения (до пяти пятен на 100 мм длины трубы с размером от 2 до 15 мм и толщиной до 0,5 мм визуально).

Устройство для создания токоотводящего потенциала, описанное в RU 2100492 С1, было присоединено в точке (1) к лючку (2) верхнего барабана с тыльной стороны котла (см. Фиг.1). Токоотводящий электрический потенциал был равен 100 В. Токоотводящий электрический потенциал поддерживался непрерывно в течение 1,5 месяцев. По окончании этого периода было произведено вскрытие котлоагрегата. В результате внутреннего осмотра котлоагрегата было установлено практически полное отсутствие отложений (не более 0,1 мм визуально) на поверхности (3) верхнего и нижнего барабанов в пределах 2-2,5 метров (зона (4)) от лючков барабанов (точки присоединения устройства для создания токоотводящего потенциала (1)). На удалении 2,5-3,0 м (зона (5)) от лючков отложения (6) сохранились в виде отдельных бугорков (пятен) толщиной до 0,3 мм (см. Фиг.1). Далее, по мере продвижения к фронту, (на удалении 3,0-3,5 м от лючков) начинаются сплошные отложения (7) до 0,4 мм визуально, т.е. на этом удалении от точки подключения устройства эффект способа очистки согласно настоящего изобретения практически не проявился. Токоотводящий электрический потенциал был равен 100 В. Токоотводящий электрический потенциал поддерживался непрерывно в течение 1,5 месяцев. По окончании этого периода было произведено вскрытие котлоагрегата. В результате внутреннего осмотра котлоагрегата было установлено практически полное отсутствие отложений (не более 0,1 мм визуально) на поверхности верхнего и нижнего барабанов в пределах 2-2,5 метров от лючков барабанов (точки присоединения устройства для создания токоотводящего потенциала). На удалении 2,5-3,0 м от лючков отложения сохранились в виде отдельных бугорков (пятен) толщиной до 0,3 мм (см. Фиг.1). Далее, по мере продвижения к фронту (на удалении 3,0-3,5 м от лючков), начинаются сплошные отложения до 0,4 мм визуально, т.е. на этом удалении от точки подключения устройства эффект способа очистки согласно настоящего изобретения практически не проявился.

В видимой части кипятильных труб, в пределах 3,5-4,0 м от лючков барабанов, наблюдалось практически полное отсутствие отложений. Далее, по мере продвижения к фронту, обнаружены не сплошные твердые отложения (до пяти пятен на 100 п.мм с размером от 2 до 15 мм и толщиной до 0,5 мм визуально).

В результате этого этапа испытаний был сделан вывод о том, что способ согласно настоящему изобретению без применения каких-либо реагентов позволяет эффективно разрушать ранее образовавшиеся отложения и обеспечивает безнакипный режим работы котлоагрегата.

На следующем этапе испытаний устройство для создания токоотводящего потенциала было присоединено в точке «В» и испытания продолжались в течение еще 30-45 суток.

Очередное вскрытие котлоагрегата было произведено после 3,5 месяцев непрерывной эксплуатации устройства.

Осмотр котлоагрегата показал, что оставшиеся ранее отложения полностью разрушены и лишь в незначительном количестве сохранились на нижних участках кипятильных труб.

Это позволило сделать следующие выводы:

Размеры зоны, в пределах которой обеспечивается безнакипный режим работы котлоагрегата, существенно превышают размеры зоны эффективного разрушения отложений, что позволяет последующим переносом точки подключения токоотводящего потенциала произвести очистку всей внутренней поверхности котлоагрегата и далее поддерживать безнакипный режим его работы;

Разрушение ранее образовавшихся отложений и предотвращение образования новых обеспечивается различными по характеру процессами.

По результатам осмотра было принято решение продолжить испытания до конца отопительного периода с целью окончательной очистки барабанов и кипятильных труб и выяснения надежности обеспечения безнакипного режима работы котла. Очередное вскрытие котлоагрегата было произведено через 210 суток.

Результаты внутреннего осмотра котла показали, что процесс очистки внутренних поверхностей котла в пределах верхнего и нижнего барабанов и кипятильных труб завершился практически полным удалением отложений. На всей поверхности металла образовалось тонкое плотное покрытие, имеющее черный цвет с синей побежалостью, толщина которого даже в увлажненном состоянии (практически сразу после вскрытия котла) не превышала 0,1 мм визуально.

Одновременно подтвердилась надежность обеспечения безнакипного режима работы котлоагрегата при применении способа настоящего изобретения.

Защитное действие магнетитовой пленки сохранялось до 2-х месяцев после отсоединения устройства, что вполне достаточно для обеспечения консервации котлоагрегата сухим способом при переводе его в резерв или на ремонт.

Хотя настоящее изобретение было описано в отношении различных конкретных примеров и вариантов реализации изобретения, следует понимать, что это изобретение не ограничено ими и что оно может быть реализовано на практике в рамках объема приведенной ниже формулы изобретения

1. Способ предотвращения образования накипи на металлической поверхности, выполненной из железосодержащего сплава и находящейся в контакте с пароводяной средой, из которой способна образовываться накипь, включающий приложение к указанной металлической поверхности токоотводящего электрического потенциала в диапазоне от 61 В до 150 В для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии между указанной металлической поверхностью и коллоидными частицами и ионами, образующими накипь.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для защиты от накипи и коррозии нагревательных труб паровых и водогрейных котлов, теплообменников, бойлерных установок, испарителей, теплотрасс, систем отопления жилых домов и промышленных объектов в процессе эксплуатации. Способ предотвращения образования накипи на металлической поверхности, выполненной из железосодержащего сплава и находящейся в контакте с пароводяной средой, из которой способна образовываться накипь, включает приложение к указанной металлической поверхности токоотводящего электрического потенциала в диапазоне от 61 В до 150 В для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии между указанной металлической поверхностью и коллоидными частицами и ионами, образующими накипь. Технический результат - повышение эффективности и производительности работы водогрейных и паровых котлов, увеличение эффективности теплопередачи, обеспечение послойного разрушения и удаления образовавшейся накипи, а также предотвращение ее нового образования. 2 з.п. ф-лы, 1 пр., 1 ил.

Впервые наружная коррозия экранных труб была обнаружена на двух электростанциях у котлов высоко­го давления ТП-230-2, работавших на угле марки АШ и сернистом мазуте и находившихся до того в эксплуата­ции около 4 лет. Наружная поверхность труб подверга­лась коррозионному разъеданию со стороны, обращен­ной в топку, в зоне максимальной температуры факела. 88

Разрушались преимущественно трубы средней (по ширине) части топки, непосредственно над зажигатель­ным. поясом. Широкие и относительно неглубокие корро­зионные язвы имели неправильную форму и часто смы­кались между собой, вследствие чего поврежденная поверхность труб была неровной, бугристой. В середине наиболее глубоких язв появились свищи, и через них начали вырываться струи воды и пара.

Характерным было полное отсутствие такой коррозии на экранных трубах котлов среднего давления этих элек­тростанций, хотя среднего давления находились там в эксплуатации значительно "более длительное время.

В последующие годы наружная коррозия экранных труб появилась и на других котлах высокого давления, работавших на твердом топливе. Зона коррозионных разрушений распространялась иногда на значительную высоту; в отдельные местах толщина стенок труб в ре­зультате коррозии уменьшалась до 2-3 мм. Было заме­чено также, что эта коррозия практически отсутствует в котлах высокого давления, работающих на мазуте.

Наружная коррозия экранных труб была обнаружена у котлов ТП-240-1 после 4 лет эксплуатации, работающих при давлении в барабанах 185 ат. В этих котлах сжи­гался подмосковный бурый уголь, имевший влажность около 30%; мазут сжигали только при растопке. У этих котлов коррозионные разрушения также возникали в зо­не наибольшей тепловой нагрузки экранных труб. Осо­бенность процесса коррозии заключалась в том, что тру­бы разрушались как со стороны, обращенной в топку, так и со стороны, обращенной к обмуровке (рис. 62).

Эти факты показывают, что коррозия экранных труб зависит прежде всего от температуры их поверхности. У котлов среднего давления вода испаряется при темпе­ратуре около 240° С; у котлов, рассчитанных на давле­ние 110 ат, расчетная температура кипения воды равна 317° С; в котлах ТП-240-1 вода кипит при температуре 358° С. Температура наружной поверхности экранных труб обычно превышает температуру кипения примерно на 30-40° С.

Можно. предположить, что интенсивная наружная коррозия металла начинается при повышении его тем­пературы до 350° С. У котлов, рассчитанных на давле­ние 110 ат, эта температура достигается лишь с огневой стороны труб, а у котлов, имеющих давление 185 ат, она соответствует температуре воды в трубах. Именно поэтому коррозия экранных труб со стороны обмуров­ки наблюдалась только у этих котлов.

Подробное изучение вопроса было произведено на котлах ТП-230-2, работавших на одной из упомянутых электростанций . Там отбирались пробы газов и горя-

Щих частиц из факела на расстоянии около 25 мм от экранных труб. Близ фронтового экрана в зоне интен­сивной наружной коррозии труб топочные газы почти не содержали свободного кислорода. Вблизи же заднего экрана, у которого наружная коррозия труб почти от­сутствовала, свободного кислорода в газах было значи­тельно больше. Кроме того, проверка показала, что в районе образования коррозии более 70% проб газов

Можно "предположить, что в присутствии избыточно­го кислорода сероводород сгорает и коррозии не про­исходит, Но при отсутствии избыточного кислорода се­роводород вступает в химическое соединение с металлом труб. При этом образуется сульфид железа FeS. Этот продукт коррозии действительно был найден в отложе­ниях на экранных трубах.

Наружной коррозии подвержена не только углеро­дистая сталь, но и хромомолибденовая. В частности, у котлов ТП-240-1 коррозия поражала экранные трубы, изготовленные из стали марки 15ХМ.

До сих пор отсутствуют проверенные мероприятия для полного предупреждения описанного вида коррозии. Некоторое уменьшение скорости разрушения. металла до­стигалось. после наладки процесса горения, в частности при увеличении избытка воздуха в топочных газах.

27. КОРРОЗИЯ ЭКРАНОВ ПРИ СВЕРХВЫСОКОМ ДАВЛЕНИИ

В этой книге вкратце рассказано об условиях работы металла паровых котлов современных электростанций. Но прогресс энергетики в СССР продолжается, и теперь вступает в строй большое число новых котлов, рассчи­танных на более высокие давления и температуры пара. В этих условиях большое значение имеет практический опыт эксплуатации нескольких котлов ТП-240-1, рабо­тающих с 1953-1955 гг. при давлении 175 ат (185 ат в барабане). Весьма ценны, >в частности, сведения о кор­розии их экранов.

Экраны этих котлов были подвержены коррозии как с наружной, так и с внутренней стороны. Их наружная коррозия описана в предыдущем параграфе этой главы, разрушение же внутренней поверхности труб не похоже ни на один из описанных выше видов коррозии металла

Разъедание происходило в основном с огневой стороны верхней части наклонных труб холодной воронки и сопровождалось появле­нием коррозионных раковин (рис. 63,а). В дальнейшем число таких раковин увеличивалось, и возникала сплошная полоса (иногда две параллельные. полосы) разъеденного металла (рис. 63,6). Характер­ным являлось также отсутствие коррозии в зоне сварных стыков.

Внутри труб имелся налет рыхлого шлама толщиной 0,1-0,2 мм, состоявшего в основном из окислов железа и меди. Увеличение кор­розионного разрушения металла не сопровождалось увеличением толщины слоя шлама, следовательно, коррозия под слоем шлама не была основной причиной разъедания внутренней поверхности экран­ных труб.

В котловой воде поддерживался режим чистофосфатной щелоч­ности. Фосфаты вводились в котел не.непрерывно, а периодически.

Большое значение имело то обстоятельство, что температура металла труб периодически резко.повышалась и иногда была выше 600° С (рис. 64). Зона наиболее частого и максимального повыше­ния температуры совпадала с зоной наибольшего разрушения ме­талла. Снижение давления в котле до 140-165 ат (т. е. до давле­ния, при котором работают новые серийные котлы) не изменяло характера временного повышения температуры труб, но сопровож­далось значительным снижением максимального значения этой тем­пературы. Причины такого периодического повышения температуры огневой стороны наклонных труб холодной. воронки еще подробно не изучены.

В настоящей книге рассматриваются конкретные во­просы, связанные с работой стальных деталей парового котла. Но для изучения этих сугубо практических вопро­сов необходимо знать общие сведения, касающиеся строения стали и ее " свойств. В схемах, показывающих строение металлов, атомы иногда изображают в виде соприкасающихся друг с дру­гом шаров (рис. 1). Такие схемы по­казывают расстановку атомов в ме­талле, но в них трудно наглядно пока­зать расположение атомов друг отно­сительно друга. Эрозией называется постепенное разрушение поверх­ностного слоя металла под влиянием механического воз­действия. Наиболее распространенным видом эрозии стальных элементов - парового котла является их истира­ние твердыми частицами золы, движущейся вместе с ды­мовыми газами. При длительном истирании происходит постепенное уменьшение толщины стенок труб, а затем их деформация и разрыв под действием внутреннего давления.

Морской сайт Россия нет 05 октября 2016 Создано: 05 октября 2016 Обновлено: 05 октября 2016 Просмотров: 5363

Виды коррозии. В процессе работы элементы парового котла подвергаются воздействию агрессивных сред - воды, пара и дымовых газов. Различают коррозию химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия ,вызванная паром или водой, разрушает металл равномерно по всей поверхности. Скорость такой коррозии в современных судовых котлах низкая. Более опасна местная химическая коррозия, вызываемая агрессивными химическими соединениями, содержащимися в отложениях золы (серы, окислов ванадия и т. п.).

Наиболее распространенной и опасной является электрохимическая коррозия , протекающая в водных растворах электролитов при возникновении электрического тока, вызванного разностью потенциалов между отдельными участками металла, отличающимися химической неоднородностью, температурой или качеством обработки.
Роль электролита выполняют вода (при внутренней коррозии) или сконденсировавшиеся пары воды в отложениях (при наружной коррозии).

Возникновение таких микрогальванических пар на поверхности труб приводит к тому, что ион-атомы металла переходят в воду в виде положительно заряженныхионов, а поверхность трубы в этом месте приобретает отрицательный заряд. Если различие в потенциалах таких микрогальванических пар незначительно, то на границе металл-вода постепенно создается двойной электрический слой, который тормозит дальнейший ход процесса.

Однако в большинстве случаев потенциалы отдельных участков различны, что обусловливает возникновение ЭДС, направленной от большего потенциала (анода) к меньшему (катоду).

При этом с анода в воду переходят ион-атомы металла, а на катоде накапливаются избыточные электроны. В результате ЭДС и, следовательно, интенсивность процесса разрушения металла резко снижаются.

Это явление называется поляризацией. Если потенциал анода уменьшается в результате образования защитной оксидной пленки или роста концентрации ионов металла в районе анода, а потенциал катода практически не изменяется, то поляризация носит название анодной.

При катодной поляризации в растворе у катода резко падает концентрация ионов и молекул, способных удалять избыточные электроны с поверхности металла. Из этого следует, что основным моментом борьбы с электрохимической коррозией является создание таких условий, когда будут поддерживаться оба вида поляризации.
Практически достигнуть этого невозможно, так как в котловой воде всегда имеются деполяризаторы - вещества, вызывающие нарушение процессов поляризации.

К деполяризаторам относятся молекулы О 2 и СО 2 , ионы Н + , Сl - и SO - 4 , а также окислы железа и меди. Растворенные в воде СО 2 , Cl - и SO - 4 тормозят образование на аноде плотной защитной оксидной пленки и тем самым способствуют интенсивному протеканию анодных процессов. Ионы водорода Н + снижают отрицательный заряд катода.

Влияние кислорода на скорость коррозии стало проявляться в двух противоположных направлениях. С одной стороны, кислород увеличивает скорость коррозионного процесса, так как является сильным деполяризатором катодных участков, с другой оказывает пассивирующее действие на поверхность.
Обычно детали котла, изготовленные из стали, имеют достаточно прочную первоначальную оксидную пленку, которая защищает материал от воздействия кислорода до тех пор, пока не будет разрушена под действием химических или механических факторов.

Скорость гетерогенных реакций (к которым относится и коррозия) регулируется интенсивностью следующих процессов: подводом к поверхности материала реагентов (в первую очередь деполяризаторов); разрушением защитной оксидной пленки; удалением продуктов реакции от места ее протекания.

Интенсивность же этих процессов во многом определяется гидродинамическими, механическими и тепловыми факторами. Поэтому меры по снижению концентрации агрессивных химических реагентов при высокой интенсивности двух других процессов, как показывает опыт эксплуатации котлов, обычно малоэффективны.

Отсюда следует, что решение проблемы предотвращения коррозионных повреждений должно быть комплексным, когда учитываются все факторы, влияющие на исходные причины разрушения материалов.

Электрохимическая коррозия

В зависимости от места протекания иучаствующих в реакциях веществ различают следующие виды электрохимической коррозии:

• кислородную (и ее разновидность - стояночную),
• подшламовую (иногда называемую „ракушечной"),
• межкристаллитную (щелочная хрупкость котельных сталей),
• щелевую и
• сернистую.

Кислородная коррозия наблюдается в экономайзерах, арматуре, питательных и опускных трубах, пароводяных коллекторах и внутриколлекторных устройствах (щитах, трубах, пароохладителях и т.п.). Особенно сильно подвержены кислородной коррозии змеевики второго контура двухконтурных котлов, утилизационных котлов и паровых воздухоподогревателей. Кислородная коррозия протекает во время действия котлов и зависит от концентрации кислорода, растворенного в котловой воде.

Скорость кислородной коррозии в главных котлах низкая, что обусловлено эффективной работой деаэраторов и фосфатно-нитратным водным режимом. Во вспомогательных водотрубных котлах она нередко достигает 0,5 - 1 мм/год, хотя в среднем лежит в пределах 0,05 - 0,2 мм/год. Характер повреждения котельных сталей - язвы небольших размеров.

Более опасной разновидностью кислородной коррозии является стояночная коррозия , протекающая в период бездействия котла. В силу специфики работы все судовые котлы (а вспомогательные особенно) подвержены интенсивной стояночной коррозии. Как правило, стояночная коррозия не приводит к отказам котла, однако металл, подвергшийся коррозии во время остановок, при прочих равных условиях более интенсивно разрушается при работе котла.

Основной причиной возникновения стояночной коррозии является попадание кислорода в воду, если котел заполнен, или в пленку влаги на поверхности металла, если котел осушен. Большую роль при этом играют хлориды и NaOH, содержащиеся в воде, и водорастворимые отложения солей.

При наличии в воде хлоридов интенсифицируется равномерная коррозия металла, а если в ней содержится незначительное количество щелочей (меньше 100 мг/л), то коррозия локализуется. Чтобы избежать стояночной коррозии при температуре 20 - 25 °С в воде должно содержаться до 200 мг/л NaOH.

Внешние признаки коррозии с участием кислорода: локальные язвы небольшого размера (рис. 1, а), заполненные продуктами коррозии бурого цвета, которые образуют бугорки над язвами.

Удаление кислорода из питательной воды является одним из важных мероприятий по снижению кислородной коррозии. С 1986 г. содержание кислорода в питательной воде для судовых вспомогательных и утилизационных котлов ограничивается 0,1 мг/л.

Однако и при таком кислородосодержании питательной воды в эксплуатации наблюдаются коррозионные повреждения элементов котла, что свидетельствует о преобладающем влиянии процессов разрушения оксидной пленки и вымывании продуктов реакции из очагов коррозии. Наиболее наглядным примером, иллюстрирующим влияние этих процессов на коррозионные повреждения, являются разрушения змеевиков утилизационных котлов с принудительной циркуляцией.

Рис. 1. Повреждения при кислородной коррозии

Коррозионные повреждения при кислородной коррозии обычно строго локализованы: на внутренней поверхности входных участков (см. рис. 1, а), в районе гибов (рис. 1, б), на выходных участках и в колене змеевика (см. рис. 1, в), а также в пароводяных коллекторах утилизационных котлов (см. рис. 1, г). Именно на этих участках (2 - область пристенной кавитации) гидродинамические особенности потока создают условия для разрушения оксидной пленки и интенсивного вымывания продуктов коррозии.
Действительно, любые деформации потока воды и пароводяной смеси сопровождаются возникновением кавитации в пристенных слоях расширяющегося потока 2, где образующиеся и тут же схлопывающиеся пузырьки пара обусловливают разрушение оксидной пленки вследствие энергии гидравлических микроударов.
Этому способствуют также знакопеременные напряжения в пленке, вызванные вибрацией змеевиков и колебаниями температуры и давлений. Повышенная же локальная турбулизация потока на этих участках вызывает активное вымывание продуктов коррозии.

На прямых выходных участках змеевиков оксидная пленка разрушается из-за ударов о поверхность капелек воды при турбулентных пульсациях потока пароводяной смеси, дисперсно-кольцевой режим движения которой переходит здесь в дисперсный при скорости потока до 20-25 м/с.
В этих условиях даже невысокое кислородосодержание (~ 0,1 мг/л) обусловливает интенсивное разрушение металла, что приводит к появлению свищей на входных участках змеевиков утилизационных котлов типа Ла Монт через 2-4 года эксплуатации, а на остальных участках - через 6-12 лет.

Рис. 2. Коррозионные повреждения змеевиков экономайзеров утилизационных котлов КУП1500Р теплохода "Индира Ганди".

В качестве иллюстрации к изложенному рассмотрим причины повреждения змеевиков экономайзеров двух утилизационных котлов типа КУП1500Р, установленных на лихтеровозе «Индира Ганди» (типа "Алексей Косыгин"), который вступил в эксплуатацию в октябре 1985 г. Уже в феврале 1987 г. из-за повреждений заменены экономайзеры обоих котлов. Через 3 года и в этих экономайзерах появляются повреждения змеевиков, расположенные на участках до 1-1,5 м от входного коллектора. Характер повреждений свидетельствует (рис. 2, а, б) о типичной кислородной коррозии с последующим усталостным разрушением (поперечные трещины).

Однако природа усталости на отдельных участках различна. Появление трещины (а ранее - растрескивание оксидной пленки) в районе сварного шва (см. рис. 2, а) является следствием знакопеременных напряжений, обусловленных вибрацией пучка труб и конструктивной особенностью узла соединения змеевиков с коллектором (к изогнутому штуцеру диаметром 22x3 приварен конец змеевика диаметром 22x2).
Разрушение же оксидной пленки и образование усталостных трещин на внутренней поверхности прямых участков змеевиков, удаленных от входа на 700-1000 мм (см. рис. 2, б), обусловлены знакопеременными термическими напряжениями, возникающими в период ввода котла в действие, когда на горячую поверхность подается холодная вода. При этом действие термических напряжений усиливается тем, что оребрение змеевиков затрудняет свободное расширение металла трубы, создавая дополнительные напряжения в металле.

Подшламовая коррозия обычно наблюдается в главных водотрубных котлах на внутренних поверхностях экранных и парообразующих труб притопочных пучков, обращенных к факелу. Характер подшламовой коррозии - язвы овальной формы с размером по большой оси (параллельной оси трубы) до 30-100 мм.
На язвах имеется плотный слой окислов в виде „ракушек" 3 (рис. 3). Подшламовая коррозия протекает в присутствии твердых деполяризаторов - окислов железа и меди 2, которые осаждаются на наиболее теплонапряженных участках труб в местах активных центров коррозии, возникающих при разрушении оксидных пленок.
Сверху образуется рыхлый слой накипи и продуктов коррозии 1. Образующиеся „ракушки" из продуктов коррозии прочно сцеплены с основным металлом и могут быть удаленытолько механическим путем. Под „ракушками" ухудшается теплообмен, что приводит к перегреву металла и появлению выпучин.
Для вспомогательных котлов этот вид коррозии не характерен, но при высоких тепловых нагрузках и соответствующих режимах водообработки не исключено появление подшламовой коррозии и в этих котлах.