Причины аварий и неисправностей котлов. Разрушения и производственный травматизм при взрывах паровых котлов. Причины взрывов паровых котлов и их предотвращение. Срыв в вакуум
5Агрессивность котловой воды определяется наличием в ней растворенной едкой щелочи и кремнекислоты, являющейся катализатором процесса межкристаллитной коррозии. За счет выпара воды в неплотностях соединений откладываются щелочи, значительно увеличивающие концентрацию щелочи. На рис. 11 показан шлиф заклепочного соединения. Черные пятна представляют собой места интенсивного ржавления поверхности шлифа под действием отложившихся в зазорах солей.
Рис. 11. Шлиф заклепочного соединения
Появление хрупких разрушений начинается с образования мелких невидимых волосных трещин, постепенно увеличивающихся в длину и углубляющихся по толщине листа. Трещины обычно появляются на соприкасающихся поверхностях металла и даже при значительном развитии могут не доходить до поверхности листа, что затрудняет своевременное выявление начавшегося процесса разрушения. При отсутствии у персонала навыков выявления процесса по внешним признакам межкристаллитная коррозия может привести к полному разрушению накладок (рис. 12) и обечаек барабана и вызвать тяжелую аварию котла.
Внешними признаками процесса образования хрупких разрушений являются пропаривания у кромок листов заклепочных соединений, в вальцовочных соединениях, у основания приклепанных штуцеров и воротниковых фланцев; появление солевых грибков в этих же местах и у наружных головок заклепок; отскакивание головок заклепок при их обстукивании молотком (известны случаи отскакивания головок заклепок и без обстукивания).
При появлении внешних признаков хрупких разрушений тщательно исследуют подозрительные места барабанов. Из вынутых заклепок делают шлифы. Заклепочные и трубные отверстия, а также поверхность металла возле отверстий зашлифовывают и после травления реактивами рассматривают в лупу. В необходимых случаях выявляют трещины ультразвуковым способом; для уточнения вынимают ряд заклепок и проверяют их магнитной порошковой дефектоскопией. Для выявления степени разрушений снимают часть накладки заклепочного шва, удаляют развальцованные концы труб, разбирают соединения труб, штуцеров и воротниковых фланцев с барабаном.
Наиболее эффективной мерой борьбы с появлением трещин является выполнение барабанов без заклепочных и вальцовочных соединений. Для предупреждения образования механических перенапряжений металла обеспечивают свободу расширения трубных систем котла и достаточную самокомпенсацию труб, закрепленных между барабаном и неподвижными камерами. Компенсационные зазоры нижних барабанов и труб в обмуровке при ремонте котлов очищают от золы, шлака и кусков кирпича.
Исключают причины, вызывающие прогибы барабанов. От местного обогрева газами барабаны водотрубных котлов надежно защищают обмуровкой и торкретом.
Питательная вода должна равномерно поступать в барабан по всей его длине и хорошо перемешиваться с котловой водой. При растопке котла равномерность температуры воды должна обеспечиваться паровым прогревом и усиленной продувкой нижних барабанов и камер. Заполнение холодного котла горячей водой и усиленная подпитка котла холодной водой для ускорения расхолаживания не допускаются. При горячем резерве котлы надежно отключают от паропровода.
Во время ремонтов все неплотности заклепочных и вальцовочных соединений устраняют. Нельзя оставлять даже самых малых пропариваний. Недопустима перевальцовка труб, приводящая к развальцовочной усталости металла трубных досок. Вводы в барабан паровых и водяных трубопроводов с температурой среды, отличающейся от температуры котловой воды, выполняют с рубашками.
Описанные мероприятия снижают механические и термические напряжения, однако они не всегда достаточны. В некоторых случаях требуется создать специальный режим котловой воды, снижающий ее агрессивность.
Выявленные хрупкие разрушения устраняют, заменяя отдельные вальцовочные соединения, части накладок, поврежденные заклепки, штуцеры и фланцы. Наиболее радикальным методом ремонта поврежденных заклепочных швов, а часто и единственно возможным, является замена заклепочных соединений барабанов сварными. При значительных повреждениях барабаны заменяют.
Рис. 12. Разрушение накладки барабана при межкристаллитной коррозии
Основными дефектами котлов являются коррозионные и термоусталостные разрушения металлических конструкций, потеря плотности вальцовочных соединений, разрывы и трещины труб и коллекторов в результате перегревов, неисправностей форсуночных и воз-духонаправляющих устройств, арматуры, контрольно-измерительных приборов и кирпичных кладок топок. Трубки водотрубных котлов чаще подвержены отказам, чем другие элементы, так как находятся в более тяжёлых условиях. К основным видам повреждений трубок следует отнести: утонение стенок, свищи, выпучины, трещины, разрывы, деформации (прогибы). Утонение трубок происходит из-за протекания процессов коррозии и эрозии.
Наиболее часто наблюдаются высокотемпературные - вана-диево-натриевые и низкотемпературные - сернистые и коррозионные разрушения наружных поверхностей нагрева.
Газовая коррозия представляет собой химическое взаимодействие металла трубок и других металлических конструкций котла с газообразными или твёрдыми агрессивными компонентами, находящимися в дымовых газах. В процессе газовой коррозии на поверхности металла образуется плёнка окислов железа (a-Fe203), защищая металл от дальнейшего разрушения.
Наличие в топливе ванадия способствует протеканию ванадиевой коррозии. Плавясь при температурах в диапазоне 600 - 700°С двуокись ванадия (V205), содержащаяся в золе продуктов сгорания, растворяет защитную плёнку окислов железа, способствуя диффузии кислорода и поверхности металла, интенсифицируя коррозионный процесс.
Присутствие в продуктах сгорания сульфата натрия (Na2S04) с температурой плавления 885°С способствует протеканию сульфидно-окисной коррозии из-за диффузии через окисную плёнку серы. Внедрение серы в кристаллическую решётку усиливает процесс окисления, и скорость коррозии увеличивается в несколько раз.
Для предотвращения коррозионного воздействия натрия и ванадия применяют специальные присадки в топливо, основу которых составляет МдО (нейтрализация ванадия), Si02 и Gr203 (нейтрализация натрия).
Следует отметить, что защитная окисная плёнка может быть разрушена вследствие механических и термических напряжений в плёнке, связанных с изменениями температурного состояния котла, например, при переходных режимах работы или выводе котла из действия.
Иные условия развития низкотемпературной сернистой коррозии. Органические соединения серы в процессе сжигания топлива (в топках котлов, газовых турбинах, ДВС), частично превращаются в агрессивную серную кислоту в её парообразной фазе, которые вызывают интенсивный коррозионный износ поверхностей нагрева, имеющих сравнительно низкую температуру. Температура, при которой происходит конденсация паров серной кислоты на поверхности нагрева, называется точкой росы, зависящая в свою очередь, от процентного содержания серы в топливе. В таблице показана зависимость температуры точки росы от содержания серы в топливе.
Влияние содержания серы S, % на температуру точки росы t°C
При снижении температуры газов ниже точки росы, толщина слоя отложения на поверхности трубок увеличивается. Отложения имеют плотную структуру, белого или светло-серого цвета, их величины неравномерны - от нескольких десятых миллиметра (0,2/0,4мм), до 1,5/2,Омм и, как правило, покрыты сверху слоем сажи и золы, толщиной 2/4мм. Слой отложений светлого цвета, имеющий блестящую (похожую на лужёную) поверхность, является характерным признаком низкотемпературной сернистой коррозии, протекающей под слоем загрязнений без доступа кислорода.
Возможность конденсации паров серной кислоты при температуре, равной температуре точки росы, является основной причиной, ограничивающей глубину утилизации тепла уходящих газов.
Радикальным средством борьбы с низкотемпературной сернистой коррозией хвостовых поверхностей котлов является повышение температуры поверхности нагрева.
Учитывая возможность возникновения застойных зон и неравномерности теплового потока в поперечных сечениях котла, температура газа на выходе из него должна поддерживаться в эксплуатации 10-15°С выше температуры точки росы.
Низкотемпературную коррозию могут вызвать вода или пар, попадающие на наружные поверхности нагрева вследствие нарушения герметичности (разрывы, трещины, свищи, неплотности вальцовочных соединений) трубных систем и коллекторов.
Занос поверхностей нагрева продуктами сгорания ухудшает условия теплообмена, снижая технико-экономические показатели работы котельных агрегатов.
Однако большую опасность представляют неравномерные величины загрязнений поверхностей нагрева, которые определяются неодинаковыми скоростями потока газов по фронтальному сечению. Причём, иногда, наблюдаются полные заносы межтрубных пространств на отдельных участках. Вследствие неравномерности отложений, создаются потоки газов с большой скоростью (от 10 до 16м/с), что является источником интенсивного конвективного теплообмена, воспринимаемого ограничивающими поток трубками.
В местах максимального тепловосприятия повышение температуры трубок может достичь 10%. Длительные воздействия повышенных температур увеличивают тепловые напряжения, ухудшают структуру материала, снижают их прочностные характеристики, а в сочетании с другими видами разрушающих воздействий (низко и высокотемпературные коррозионные разрушения) являются одной из основных причин образования свищей, трещин и разрывов трубок.
Поверхности нагрева подвержены коррозионному разрушению не только с внешней, но и с внутренней стороны. При высокой температуре котловой воды повышается её коррозионная активность, природа коррозии - электрохимическая. Вызывается растворённым в воде воздухом, который в виде пузырьков осаждается на внутренних поверхностях коллекторов и трубок. Так как концентрация кислорода внутри пузырька выше, чем в воде, то поверхность металла внутри пузырька около стенки оказывается катодом, а около стенки вне пузырька - анодом. В результате металл разрушается по периметру пузырька с внешней стороны. Скорость коррозии возрастает при увеличении кислорода, растворённого в воде, и зависит от внутренних факторов - увеличения концентрации солей в котловой воде и наличия в металле отдельных включений, являющимися сильными катодами. Опасно, когда сварной шов является анодом.
Утонение трубок может происходить при механической очистке их от накипи.
Деформации, выпучины, трещины и разрывы трубок являются следствием не только тепловых и разрушающих воздействий с внешней стороны, но и перегрева металла в связи с отложениями накипи или нефтепродуктов внутри трубок.
Низкая теплопроводность накипи и нефтепродуктов приводит к росту термического сопротивления теплопередаче, что вызывает рост температуры металла трубок. Перегрев возможен при установке неправильного угла наклона трубок, препятствующем свободному выходу пузырьков воздуха.
Иногда причиной повреждений трубок может явиться небрежное обслуживание. Отмечались случаи перегрева и разрыва трубок из-за попадания в питательную систему, а затем в трубки, волокон сальниковой набивки. Осевшая в трубках набивка может привести к местному перегреву металла трубок.
Прогиб трубок, являющийся следствием перегрева, зависит от длины трубок, угла наклона и площади её поперечного сечения.
Упуск воды в водотрубных котлах вызывает тяжёлые последствия - сгорание трубок и других металлических частей котла, примыкающих к топке, повреждение кирпичной кладки и арматуры, деформацию съёмных щитов, кожухов, дымохода, корпуса.
Неправильное вальцевание, неудовлетворительный отжиг концов трубок могут явиться причиной появления, идущих вдоль трубки, трещин и течей в месте входа трубки в барабан или коллектор.
Основными повреждениями барабанов, коллекторов и секций водотрубных котлов являются течи швов, трещины между трубными отверстиями, коррозионные разрушения, деформации. Течи швов барабана может быть следствием температурных напряжений, давлений выше рабочего, низкого качества сварки или клёпки, коррозии швов. Эти же причины, а также тяжёлые условия работы при неравномерном нагреве и высоких температурах, если имеются отложения накипи и межкристаллитная коррозия, приводят к образованию трещин. Коррозия барабанов и коллекторов может носить не только равномерный, но и локальный характер, т.е. в отдельных местах могут образовываться отдельные глубокие язвы и сквозные свищи.
При равномерной коррозии происходит утонение стенки барабана почти на одну и ту же величину по всей поверхности. Это опасно сточки зрения обеспечения прочности.
Эрозионные разрушения, вызываемые механическим воздействием быстродвижущихся капель влаги и других частиц, наблюдаются в коллекторах пароперегревателя. Коррозионному разрушению подвергаются стенки коллекторов и входящие в них трубки, причём концы развальцованных трубок разрушаются в основном в месте входа насыщенного пара.
Неисправности форсуночных и воздухонаправляющих устройств связаны обычно с их механическими повреждениями и износом; повышением производительности форсунок в результате увеличения проходного сечения, вызванного изнашиванием стенок соплового отверстия, расширением тангениальных канавок распылителей механических форсунок, ухудшающих качество распыливания топлива; деформацией деталей воздухонаправляющих устройств, ухудшающих качество перемешивания топлива с воздухом.
Наиболее часто встречающимися неисправностями арматуры котлов являются пропуски рабочих сред при закрытом состоянии клапанов, разрушение или потеря прозрачности стёкол (слюдяных пакетов), водоуказательных приборов, заклинивание стопорных устройств, несрабатывание главных предохранительных клапанов при повышении давления пара в паровом коллекторе.
Каменских А.С.
Заклинивание предохранительного клапана в открытом положении после срабатывания
Возможная причина: механические повреждения клапана
Действия оператора:
Разрыв стекла или водомерной колонки
Возможные причины: неправильные действия персонала при продувке водоуказательной колонки (ВУС - водоуказательного стекла), повреждение стекла из-за его старения
Действия оператора:
Действия оператора при снижении уровня воды в барабане ниже нижнего допустимого
Если уровень воды снизился ниже нижнего допустимого, но ещё определяется по водоуказательному стеклу, котёл можно подпитать, открыв задвижку на обводной (байпасной) линии вокруг регулирующего клапана. В противном случае, котёл должен быть немедленно отключён (остановлен) действием защит или персоналом. Поэтому, если в данной ситуации не сработала автоматика безопасности, оператор осуществляет аварийную остановку котла. Для этого необходимо немедленно прекратить подачу топлива и сопутствующих компонентов (воздуха, пара) и резко ослабить тягу.
Отключить котёл от главного паропровода и при необходимости выпустить пар через при-поднятые предохранительные клапана.
УПУСК ВОДЫ. Возможные причины:
- неисправность или отключение автоматики питания
- остановка или неисправность питательных насосов
- отсутствие воды в аккумуляторном баке деаэратора
- разрыв питательного трубопровода, экранных или кипятильных труб
- неправильные действия персонала при продувке котла
- большой пропуск продувочной или спускной арматуры
Действия оператора:
- Прекратить подачу топлива
- Прекратить вентиляцию топки путём остановки дымососа и вентилятора
- Если производилась продувка, - прекратить её
- Прекратить питание котла, закрыв вентиль на питательной линии
- Закрыть парозапорную арматуру котла.
Категорически запрещается подпитка котла. Заполнение котла водой с целью определения возможных повреждений при упуске воды можно производить только по распоряжению начальника котельной и охлаждения барабана котла до температуры окружающего воздуха.
Вскипание котловой воды
Сопровождается резким колебанием уровня воды в водоуказательных стёклах, гидроударами в котле
Возможные причины:
- резкое увеличение расхода пара и уменьшение давления в барабане
- повышение солесодержания или щёлочности котловой воды
- подача в котёл химических реагентов в большом количестве
Действия оператора:
- Прекратить подачу топлива
- Отключить котёл от паропровода путём закрытия главной парозапорной арматуры
- Прекратить питание котла, закрыв вениль на питательном трубопроводе
- Остановить дымосос и вентилятор
- Продуть водоуказательные колонки и определить уровень воды
Действия оператора при повышении уровня воды парового котла выше допустимого
Если уровень воды превысил допустимый, но ещё определяется по водоуказательному стеклу, воду можно слить через продувочные клапаны, в противном случае, котёл должен быть немедленно отключён (остановлен) действием защит или персоналом. Поэтому, если в данной ситуации не сработала автоматика безопасности, оператор осуществляет аварийную остановку котла. Для этого необходимо немедленно прекратить подачу топлива и сопутствующих компонентов (воздуха, пара) и резко ослабить тягу. Не сгоревшее твёрдое топливо залить водой, соблюдая при этом осторожность, чтобы вода не попала на поверхности нагрева элементов котла. Отключить котёл от главного паропровода и при необходимости выпустить пар через приподнятые предохранительные клапана.
ПЕРЕПИТКА КОТЛА
Возможные причины:
- неисправность водоуказательных приборов
- резкое уменьшение расхода пара
- отключение или неисправность автоматики питания котла
Действия оператора:
Если уровень воды повысился до установки срабатывания защиты, то необходимо
Если несмотря на принятые меры уровень продолжает расти, то необходимо
- уменьшить питание котла, закрыть запорную арматуру на питательной линии
- осторожно открыть продувочную линию нижнего барабана и если после продувки уровень снова начинает повышаться, то необходимо
- прекратить подачу топлива
- отключить котёл от паропровода
- закрыть главную парозапорную арматуру
- провентилировать топку в течение 10 минут
- остановить вентилятор и дымосос
- спустить воду до среднего уровня путём открытия запорной арматуры на линии периодической продувки.
Описание:
Сооружение котельных установок требует больших капитальных затрат. Надежность и удобство их эксплуатации часто имеет решающее значение для экономичности установки. Таким образом, весьма существенным фактором становится обучение обслуживающего персонала, поскольку нарушение нескольких установленных практических правил может привести к катастрофе.
Как избежать проблем при эксплуатации котлов
William L. Reeves , президент Института по исследованию окружающей среды (США)
Сооружение котельных установок требует больших капитальных затрат. Надежность и удобство их эксплуатации часто имеет решающее значение для экономичности установки. Таким образом, весьма существенным фактором становится обучение обслуживающего персонала, поскольку нарушение нескольких установленных практических правил может привести к катастрофе. Наиболее распространенными причинами аварий котлов являются: взрыв топлива, понижение уровня воды, недостатки водоподготовки, загрязнение котловой воды, нарушение технологии продувки, несоблюдение регламента разогрева, механическое повреждение труб, сверхнормативное форсирование, хранение в неподходящих условиях, понижение давления до вакуума.
Взрыв топлива
Взрыв в топке – одна из опаснейших ситуаций при эксплуатации котлов. Причиной большинства взрывов является «перенасыщение топливом» горючей смеси или недостаточная очистка топки. Перенасыщение горючей смеси происходит в том случае, когда в топке накапливается несгоревшее топливо. В зависимости от средств регулирования горелок это может случиться в силу ряда причин, в том числе из-за сбоя регуляторов, колебаний давления топливоподачи, повреждения оборудования.
Многие случаи взрывов в топке имели место после перебоев в работе горелок. Например, если засоряется топливная форсунка, некачественное распыливание вызывает нестабильность горения или отрыв пламени. При последующем впрыскивании топлива для возобновления горения в топке повышается концентрация паров топлива. Накопление несгоревшего топлива может произойти и в том случае, если горелка долгое время работает при некачественном распыливании.
Повторное зажигание горелки после перебоя может воспламенить взрывоопасную смесь. На рис. 1 показана полностью разрушенная взрывом котельная установка.
Таким образом, вспышка несгоревшего топлива становится причиной взрыва. Этого можно избежать, соблюдая следующее простое правило: никогда не впрыскивать топливо в темную загазованную топку. Вместо этого необходимо отключить вручную все горелки и тщательно продуть топку воздухом. После того как это сделано и устранены неисправности с зажиганием, можно снова включить горелки.
Понижение уровня воды
При температуре свыше 427°C структура углеродистой стали изменяется – теряется ее прочность. Поскольку рабочая температура топки превышает 982°C, охлаждение котла водой в его трубах является тем фактором, который предупреждает аварию. При длительной работе котла с недостатком воды стальные трубы могут в буквальном смысле расплавиться, наподобие сгоревших свечек (рис. 2).
Чтобы уменьшить вероятность аварий по этой причине, необходимо предусматривать отключение котла при снижении уровня воды. Для этого могут использоваться датчики уровня воды прямого действия или поплавкового типа. При этом критическим звеном в системе является байпас пускового устройства, который обычно служит для проверки этого устройства. Байпас позволяет обслуживающему персоналу продувать засорившиеся секции, очищать их от шлама и накипи и имитировать аварийную ситуацию для проверки контура отсечки, не прерывая работу котла.
Недостатки водоподготовки
В процессе водоподготовки из воды удаляются ионы жесткости. Причиной образования накипи обычно является кальциевая или магниевая жесткость воды. Нарастание накипи в трубах может привести к их повреждению из-за перегрева. Тепло от труб котла отводится потоком протекающей воды, а накипь в трубах представляет собой слой теплоизоляции, который ухудшает теплообмен. Если это длится достаточно долго, результатом может явиться местное прогорание труб.
Для предотвращения образования накипи содержание солей жесткости в котловой воде должно находиться в допустимых пределах. Требования к водоподготовке ужесточаются при повышении рабочей температуры и давления котельной установки.
Для котлов низкого давления обычно используются ионообменные установки, понижающие кальциевую и магниевую жесткость. Система умягчения воды показана на рис. 3. Для режимов с высоким давлением и температурой, характерных для котлов паротурбинных установок, необходима полная деминерализация воды, включающая удаление всех прочих примесей, например, силикатов. Если не удалять соединения кремния, они, испаряясь, смешиваются с водяным паром и могут образовывать осадок на оборудовании, например, на лопатках турбин.
Водоподготовка для котлов включает также обработку химреактивами. Эти реактивы связывают взвешенные частицы загрязнений и преобразуют их в шлам, который не образует осадка на поверхности и может быть удален при промывке котлов. Качество воды очень важно для продления срока службы котла. Недостаточная водоподготовка – это «разрушительная сила» для котла.
Загрязнение воды
Загрязнение воды котельных установок, представляющей собой смесь подпитки и обратного конденсата, – очень сложный вопрос. Этой проблеме и ее последствиям посвящены целые тома. Обычно в состав загрязнений входят кислород, смесь металлов и химикатов, масла и смолы.
Растворенный в воде кислород является постоянной угрозой целостности труб. Обычно котельная установка имеет нагреватель-деаэратор для удаления кислорода из подпиточной воды. В котельных установках с рабочим давлением до 7000 кПа в резервуар деаэратора обычно добавляют поглотитель кислорода – сульфит натрия. Он удаляет свободный кислород.
| Таблица 1
Максимально допустимые концентрации примесей в котловой воде, рекомендуемые Американской ассоциацией изготовителей котлов |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Язвенная кислородная коррозия – один из наиболее опасных видов кислородной коррозии. Язва – это концентрированная коррозия на очень маленьком участке поверхности. Сквозная ржавчина на трубе может образоваться даже при небольшом распространении коррозии в целом. Из-за быстрых катастрофических последствий кислородной коррозии необходимо регулярно проверять работу деаэраторов и поглотителей кислорода и контролировать качество воды.
Своевременно необнаруженное загрязнение возвратного конденсата – это еще одна причина загрязнения котловой воды. Состав загрязнений может быть различным: от таких металлов, как медь и железо, до масел и производственных химикатов. Металлы, попадающие в воду, – это конструктивные материалы оборудования и конденсатопроводов, а масла и производственные химикаты попадают из-за дефектов производственного оборудования или коррозионных утечек в теплообменниках, насосах, сальниковых уплотнениях и др.
Наибольший риск загрязнения воды связан с возможностью аварий технологического оборудования, из-за которых в котловую воду могут попасть в большом количестве опасные химикаты. Поэтому бережная эксплуатация котельной установки должна предусматривать постоянный мониторинг качества возвратного конденсата.
Попадание в воду ионообменных смол также может вызвать серьезное загрязнение котла. Это случается при повреждении внутренних трубопроводов или вспомогательной обвязки ионообменной установки. Очень дешевый и эффективный способ предотвращения этих явлений – установка смолоуловителей на всех коммуникациях ионообменной установки. Смолоуловители не только защищают котел, но и предотвращают в случае аварии потери ценного материала – ионообменных смол.
Загрязнение котловой воды может протекать как постепенное ухудшение или как мгновенная авария. Постоянное и качественное обслуживание позволит существенно снизить возможность неприятностей того и другого типа. Постоянный мониторинг качества котловой и подпиточной воды позволяет не только накапливать статистические данные, но и своевременно предупреждать об опасном уровне загрязнений.
Несоблюдение технологии продувки
Концентрация взвешенных твердых примесей в котловой воде уменьшается при постоянной продувке системы и периодической промывке поддонов. Максимально допустимые концентрации примесей согласно нормам Американской ассоциации производителей котлов (AMBA) приведены в таблице. Превышение концентрации или иные загрязнения котловой воды создают такие проблемы, как нестабильность уровня воды в барабане или вспенивание. Эти явления могут стать причиной ложного срабатывания аварийной сигнализации уровня воды, уноса капельной влаги паром, загрязнения пароперегревателей.
Правильно спроектированная система продувки осуществляет мониторинг состояния котловой воды и поддерживает такую интенсивность продувки, которая обеспечивает допустимую концентрацию примесей. Периодическая промывка поддонов и грязевиков необходима для предотвращения накопления шлама. Продолжительная продувка секций, образующих экраны топки, может привести к их повреждению из-за перегрева, вызванного изменением естественной циркуляции воды. Вместо этого рекомендуется открывать вентили продувки этих секций всякий раз при отключении котла, до того как давление в системе упадет до атмосферного.
Нарушение регламента разогрева
Отступление от правил разогрева относится к числу сильнейших испытаний, которым подвергается паровой котел. Во время процедур пуска и остановки все оборудование испытывает серьезные нагрузки, поэтому здесь требуется более строгое соблюдение правил эксплуатации, чем при постоянной работе в расчетном режиме. Корректный регламент и поэтапное прохождение пусковых операций способствуют продлению срока службы оборудования и уменьшают вероятность аварии.
В конструкции типового котла используются различные материалы: сталь большой толщины для барабана, более тонкая – для труб, огнеупорные и теплоизоляционные материалы, массивные чугунные элементы. Скорость прогрева и охлаждения всех этих материалов различна. Ситуация осложняется, если материал подвергается в одно и то же время воздействию различных температур. Например, паровой барабан при нормальном уровне воды в нижней части контактирует с водой, а в верхней части сначала с воздухом, а затем с паром. При холодном старте вода нагревается очень быстро, так что нижняя часть барабана подвергается тепловому расширению раньше, чем верхняя часть, не соприкасающаяся с водой. Следовательно, нижняя часть барабана становится длиннее верхней, что приводит к его деформации. При серьезной деформации это явление называют «горбатый барабан», следствием его является образование трещин на трубах между паровым и шламовым барабанами.
Слишком быстрый разогрев при холодном старте чаще всего повреждает обмуровку котла. Обмуровка имеет низкую теплопроводность и поэтому прогревается медленнее, чем металл. Пока топка еще не прогрета, материал обмуровки поглощает влагу из воздуха. Медленный прогрев необходим для того, чтобы постепенно просушить обмуровку и не допустить вскипание влаги, вызывающее растрескивание кирпичей. Стандартный график разогрева типового котла (рис. 4) предусматривает повышение температуры воды не более чем на 55°C в час.
Механическое повреждение труб
Если посмотреть на котел в процессе сборки, можно заметить, что одинаковых элементов практически нет. В особенности это относится к трубам, составляющим экраны топки и секции конвективного нагрева. Повреждение единственной трубы ценой в несколько сот долларов может привести к аварийной остановке котлоагрегата миллионной стоимости.
Учитывая, что трубы промышленных котлов могут иметь толщину стенки 3 или 2 мм, становится ясно, как легко можно их повредить. Наиболее распространенные причины механического повреждения труб следующие:
Удар острым предметом при изготовлении или сборке.
Некорректная направленность продувки для удаления сажи (используется обдув топочных экранов паром для удаления с поверхности сажи, копоти, золы).
Использование для сдува копоти влажного пара, что может вызвать коррозию труб.
При проектировании новых котлов наибольшим «камнем преткновения» является попытка увеличить толщину стенки труб. Это связано с увеличением стоимости, однако, дает запас по надежности на механические повреждения. Кроме того, при изгибе труб толщина стенки уменьшается, при первоначально малой толщине на сгибе она может стать меньше допускаемой стандартом.
Опасность форсированного режима
Для многих производств увеличение выпуска продукции и оборота повышает рентабельность. Эта стратегия побуждает к эксплуатации всего оборудования на максимум производительности.
Эксплуатация котлов на режимах выше максимально допустимой продолжительной нагрузки (MCR) долгое время была предметом дискуссий. В течение многих лет изготовители котлов рекомендовали для своего оборудования длительность пиковых нагрузок 110% MCR от 2 до 4 часов. При этом часто возникал вопрос: «Если котел может работать с нагрузкой 110% MCR в течение 4 часов, почему он не может так работать постоянно?» Ответить на этот вопрос не так просто.
Резервы надежности и безопасности вспомогательного оборудования котельной установки отнесены к определенной гарантированной нагрузке этих устройств. Эти резервы включают увеличение производительности и статического давления вентиляторов и насосов, расширенные возможности систем телеметрии и автоматики и т. п. Конструкторы паровых котлов должны иметь уверенность в том, что их возможности не ограничивает ни один из элементов вспомогательного оборудования. Обычно проектирование вспомогательных систем «с запасом» позволяет эксплуатировать котел при пиковых нагрузках более 110% MCR. При отсутствии ограничений со стороны вспомогательного оборудования интенсификация производства заставляет форсировать котлы (иногда очень сильно) в течение длительного времени.
Из-за физических ограничений в конструкции котла (размера топки и паропроводов) могут внезапно возникнуть серьезные проблемы, связанные с уменьшением теплоотдачи и падением давления пара, что снижает рабочую мощность котла. Есть и другие, не столь очевидные физические ограничения. Эти ограничения являются причиной ряда проблем, которые ассоциируются со значительным перегревом котла:
Разрушение материала труб, обмуровки, газоходов от кратковременного или длительного перегрева.
Эрозия труб, экранов, газоходов, золоочистителей.
Коррозия стенок топки и труб пароперегревателей.
Унос паром капельной влаги и твердых взвешенных частиц, становящихся причиной повреждения пароперегревателей, лопаток турбин и другого технологического оборудования.
Возникновение проблем, связанных с перегревом котла, существенно зависит от типа используемого топлива. Проблемы эрозии обычно ассоциируются с твердым топливом: уголь, дрова, торф, горючие отходы производства и т. п., при сгорании которых образуется зола и шлаки. Независимо от вида топлива форсирование котла означает увеличение объема и скорости дымовых газов с соответственным увеличением (в квадратичной пропорции) давления набегающего потока газов, что оказывает влияние на процесс эрозии. Кроме того, могут возникать вихревые эффекты в хвостовых газоходах котла, что также приводит к локальной эрозии.
Конструкторы котлов скрупулезно просчитывают тепловые потоки на топочные экраны, перегородки, определяют температуру стенок труб, обмуровки и прочих поверхностей. Перегрев топки приводит к увеличению тепловых потоков и температуры обмуровки. Общий расход пара связан с определенной величиной циркуляционных потоков в трубах и перепадом давлений, обеспечивающим адекватный отвод тепла от поверхностей топки. Перегрев котла вызывает увеличение перепада давлений и изменение режима циркуляции. Под воздействием этих двух факторов существенно повышается температура стенок труб и перегородок. Эффект кратковременного или длительного воздействия высоких температур может выразиться в потере прочности металла труб.
Проблемы с коррозией возникают в случае контакта частиц твердого или жидкого топлива с поверхностью труб при высокой температуре. Кроме того, форсаж топки может вызвать распространение пламени на поверхность экранов, что также является причиной местной коррозии.
Большинство правильно сконструированных котлов-парогенераторов может эксплуатироваться при нагрузках свыше MCR в течение непродолжительного времени. Эксплуатация периферийного оборудования в пределах физических возможностей также не вызывает проблем. И наоборот, длительная эксплуатация в форсированном режиме свыше MCR может вызвать такие долговременные и дорогостоящие проблемы в обслуживании котлов, которые не проявляются при кратковременной перегрузке. Если интересы производства требуют форсирования парогенераторного оборудования, бизнес-решение должно основываться на сравнительном анализе доходов от интенсификации производства и удорожания эксплуатации оборудования.
Неправильное хранение
В результате небрежного хранения котла может начаться коррозия поверхностей как со стороны газов, так и со стороны воды. Коррозия на газовой стороне случается, если в котле ранее использовалось сернистое топливо. В топке имеются такие участки поверхностей, с которых невозможно полностью удалить золу во время обычной продувки. Наиболее уязвимы в этом зазоры между трубами и перегородкой на входе в барабан и зазоры между трубами и обмуровкой. Когда котел разогрет, коррозия обычно не угрожает, так как влага на поверхностях не присутствует. Однако во время остановки зола и поверхности обмуровки абсорбируют влагу, а спустя некоторое время начинается коррозия. Локализованная язвенная коррозия может быть весьма серьезной, это можно обнаружить при простукивании по изменившемуся «звучанию» труб.
Теплое хранение – это один из способов избежать коррозии на газовой стороне. Такие методы, как использование шламового барабана в качестве обогревателя или продувка теплоносителем от работающего котла, обычно достаточны для того, чтобы поддерживать температуры поверхностей труб выше точки росы кислотных растворов. Другим способом, используемым для малых котлов, является сухое хранение. При этом входные отверстия котла уплотняются абсорбентом-осушителем, и затем в котел вдувается азот.
Срыв в вакуум
Конструкция котлов рассчитана на работу под избыточным давлением, но не предусматривает возможности вакуума (падения давления ниже атмосферного). Возникновение вакуума возможно при остановке котла. По мере охлаждения котла происходит конденсация пара и понижается уровень воды, что приводит к снижению давления, возможно, ниже атмосферного. Вакуум в котле приводит к утечкам через развальцованные концы труб, так как они рассчитаны на уплотнение избыточным давлением. Избежать этой проблемы можно приоткрыв вентиляционное отверстие в паровом барабане в то время, когда там еще имеется избыточное давление.
Меры предосторожности
Чаще смотреть на пламя, чтобы своевременно заметить неполадки с горением.
Определить причину погасания горелки, прежде чем предпринимать многочисленные попытки повторного зажигания.
Перед зажиганием горелок тщательно очистить топку. Это особенно важно, если в топку пролилось жидкое топливо. Продувка позволит удалить избыток горючих газов до того, как их концентрация станет взрывоопасной. Если есть сомнения – необходима продувка!
Проверять работу оборудования водоподготовки, убедиться, что качество воды соответствует нормам для данной температуры и давления. Притом, что абсолютным критерием является нулевая жесткость воды, необходимо соответствие нормативам для рабочих параметров котла. Никогда не использовать необработанную воду.
Регулярная промывка тупиковых участков водяного контура, водоохладителей и т. п. во избежание накопления шлама в этих зонах, что влечет за собой повреждение оборудования. Никогда не останавливать циркуляцию воды.
Контролировать наличие свободного кислорода в воде на выходе из деаэраторов, рабочее давление деаэраторов, температуру воды в баке-аккумуляторе (соответствие температуре насыщения). Необходима постоянная продувка деаэратора для удаления неконденсируемых газов.
Постоянный мониторинг качества возвратного конденсата для обеспечения немедленного слива в канализацию при загрязнении конденсата в результате аварии технологического оборудования.
Постоянная продувка котла для обеспечения качества котловой воды в пределах нормы, периодическая промывка барабана-грязевика (проконсультироваться со специалистом по водоподготовке). Не продувать поверхности топки во время работы котла.
Проверять поверхности котла со стороны воды. Если есть признаки отложения накипи, отрегулировать водоподготовку.
Регулярно проверять внутренние поверхности деаэратора на предмет коррозии. Это очень важно по соображениям безопасности, так как деаэратор может проржаветь насквозь. В этом случае в деаэраторе произойдет бурное вскипание воды и вся котельная заполнится острым паром.
Стандартный график разогрева котла (рис. 4) предусматривает для обычных котлов рост температуры воды не более чем на 55°C в час. После длительной эксплуатации котлов на минимальной нагрузке разогрев нередко протекает с превышением указанной скорости. Следовательно, для поддержания нормального темпа разогрева нужно предусматривать в стартовом режиме работу горелок с перерывами.
Убедиться в том, что обслуживающий персонал котельной понимает опасность механического повреждения тонкостенных труб. Поощрять рабочих сообщать о каждом случайном повреждении, чтобы своевременно их устранять.
Если производственная необходимость вынуждает форсировать котлы, регулярно проводить оценку потенциального воздействия перегрузки и доводить ее до сведения руководства.
Когда котел отключается на длительное время, поддерживать его в теплом состоянии. Заполнять азотом при охлаждении для предотвращения попадания воздуха и кислорода внутрь котла во время хранения, использовать сульфат натрия для поглощения кислорода из котловой воды. Если котел хранится в сухом состоянии, наряду с заполнением азотом поместить в барабаны абсорбент влаги.
Обеспечить открывание вентиляционного отверстия в паровом барабане при падении давления ниже 136 кПа.
Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE.
Перевод с английского О. П. Булычевой.
УДК 614.8.084
Разрушения и производственный травматизм
при взрывах паровых котлов.
Причины взрывов паровых котлов и их предотвращение
ГОУВПО «Московский государственный университет сервиса»
г. Москва
Проведен сравнительный анализ водогрейных котлов использующихся в технологических процессах ряда предприятий сферы сервиса. В частности для автономного обеспечения комбинатов химической чистки и прачечных.
В процессе взрыва происходит физическое или химическое изменение вещества, сопровождающееся мгновенным выделением большого количества энергии.
При взрыве парового котла в нем резко снижается давление, и вода мгновенно испаряется. Объем, занимаемый этим паром, будет в 700 раз больше объема воды.
Во всех случаях аварий паровых котлов последствия:
§ обрушения конструкций зданий;
§ разрушения за пределами зданий;
Части котла разлетаются на расстояние до 300-400 м, принося разрушения за территорией предприятия.
При неправильной эксплуатации паровых котлов причинами взрывов являются: недостаточное количество воды, большой слой накипи на стенках, превышение расчетного давления.
При недостаточном количестве воды в котле (вода упущена) стенки перегреваются, так как тепло горячих газов, рассчитанное на нагревание и испарение воды, не отводится.
В результате механическая прочность металла стенок котла уменьшается, и образуются выпучены. При дальнейшем повышении давления в котле в местах выпучин появляются трещины, и котел взрывается.
Стремление восполнить упущенную воду в котле путем немедленной ее подачи только ускоряет взрыв котла, поскольку вода, попадая на перегретые стенки, мгновенно испаряется и в котле возникает давление, превышающее расчетное.
Отложение на внутренних стенках котла накипи от воды и в связи с несвоевременной его чисткой, также приводит к перегреву стенок котла и снижению его прочности.
Кроме того, взрывы возможны из-за дефектов в металле, сварочных и заклепочных швах; изменений структуры металла стенок во время эксплуатации (изменение температуры, химическое воздействие воды и пара); нарушения прочности металла при неправильной технологии изготовления котла.
Во избежание аварий паровых котлов их установку, освидетельствование и эксплуатацию необходимо осуществлять в соответствии с правилами Ростехнадзора «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», ПБ – 10 – 115 – 06. Эти правила распространяются на стационарные и передвижные паровые котлы, паронагреватели водяные экономайзеры с рабочим давлением выше 0,7 МПа, а также на водогрейные котлы с температурой подогрева воды выше 115°C.
Номинальную толщину стенки барабана принимают не менее 6 мм, за исключением котлов паропроизводительностью не более 0,7 т/ч при рабочем давлении не выше 5 МПа, для которых номинальная толщина стенки принимается не менее 4 мм.
Рис. 1. Схема установки контрольно-измерительных приборов на паровом котле:
ВУВ – высший уровень воды; НУВ – низший уровень воды; 1 – водоуказательные приборы прямого действия; 2 – термометр; 3 – термопара; 4 – манометр; 5 – предохранительный клапан.
Следует иметь в виду, что с увеличением температуры стенки котла номинальное допустимое напряжение снижают.
Для изготовления паровых котлов применяют углеродистую или легированную сталь (листы, трубы).
На паровом котле устанавливают приборы, сигнализирующие об уровне воды в котле, давлении пара и температуре воды и пара, устанавливают на паровом котле. Постоянный контроль уровня воды осуществляется не менее чем двумя водоуказательными приборами прямого действия (см. рис. 1).
Водоуказательный прибор имеет заградительное приспособление во избежание поражения от разрыва стекла.
На котлах устанавливают также устройство, автоматически подающее звуковую или световую сигнализацию о предельных уровнях воды.
Автоматические уровнемеры конструктивно подразделяют на поплавковые, электромагнитные и ионизационные.
В стенке котла со стороны потолка топки устанавливают предохранительную пробку из легкоплавкого свинцово-оловянистого сплава. При недостатке воды в котле верхняя часть котла (небная) перестает охлаждаться, и тогда пробка, нагретая топочными газами, расплавляется. В образующееся отверстие начнет выходить пар и тушить огонь в топке. Возникший при этом шум явится также сигналом о том, что вода в котле упущена.
Для бесперебойного обеспечения котла водой устанавливают два насоса, один из которых является резервным. Привод этих насосов должен быть раздельным по применяемой энергии (например, один с электроприводом, а другой – с паровым).
Термометры или термопары для измерения температуры воды устанавливают на питательном трубопроводе и для пара – на выходе его из котла. По манометру контролируется фактическое давление пара в котле, пароперегревателе или экономайзере. Предельное рабочее давление, допускаемое данным котлом, указывается на шкале манометра красной чертой.
Эксплуатация манометров производится в соответствии с установленными правилами и графиком их периодической проверки, при которой их пломбируют. При отсутствии пломбы, неисправностей в механизме, несоблюдения сроков проверки манометры применять не допускается.
В случае превышения рабочего давления в котле в действие вступает предохранительный клапан. На котлах производительностью свыше 100 кг/ч устанавливают два предохранительных клапана, сообщающихся с паровым пространством котла. Один из них контрольный, извещает сигналом о предельном давлении в котле, а другой автоматически выпускает излишний пар.
Таблица 1
Давление в водогрейных котлах
|
Номинальное избыточное давление, МПа |
Давление в начале открытия предохранительных клапанов |
|
|
Контрольный клапан |
Рабочий клапан |
|
|
От 60 до 140 |
Рр +0,2 МПа |
Рр +0,3 МПа |
Примечание, Рр – рабочее давление.
Предохранительные клапаны проектируют на защиту котлов от превышения расчётного давления более 10%. По конструкции предохранительные клапаны подразделяют на пружинные, рычажные и импульсные. Предохранительные клапаны на паровых котлах регулируют на давление, не превышающее величин, приведенных в табл. 1. Предохранительный клапан при полном открытии должен пропускать пар в количестве для давления от 0,7 до 120 МПа.
Паровые котлы с камерным сжиганием топлива оборудуют автоматическим устройством, прекращающим подачу топлива к горелкам при снижении уровня воды ниже допустимого предела (НУВ) (см. рис. 1). Котлы, работающие на газообразном топливе, имеют автоматическое устройство, прекращающее подачу газа в горелки при падении давления воздуха ниже допустимого.
Смонтированный паровой котел до пуска в эксплуатацию предъявляют Ростехнадзору для регистрации. При этом предъявляется техническая документация на котел, котельное помещение, акт о качестве монтажа котла и лабораторный анализ воды, применяемой для его питания.
Техническое освидетельствование парового котла, выполняемое Ростехнадзором, имеет целью установить безопасность его эксплуатации. Проводится оно до пуска котла в эксплуатацию, периодически в процессе работы и досрочно (например, после ремонта или пуска в работу после консервации).
Освидетельствование котлов проводят путем внутреннего их осмотра и гидравлического испытания. При осмотре проверяется состояние стенок котла, швов, труб, вспомогательных механизмов и контрольно-измерительных приборов.
Гидравлическому испытанию подвергаются паровой котел, пароперегреватель, экономайзер и арматура. Паровой котел испытывается под рабочим и пробным давлением (см. таблицу 2).
Таблица 2
Давление парового котла.
Гидравлическое испытание производится водой с температурой не ниже 5°С с выдержкой под пробным давлением не менее 5 мин.
Если при этом испытании не будет обнаружено течи, разрывов и деформаций частей котла, считается, что котел выдержал гидравлическое испытание.
Результаты технического освидетельствования записываются в паспорт котла.
Безопасность эксплуатации паровых котлов обеспечивается мероприятиями по предохранению стенок котла от накипи: воду до поступления в котел обрабатывают. Способ обработки воды (умягчение) устанавливают после ее лабораторного анализа. Умягчение питательной воды содово-известковым раствором с последующей очисткой и фильтрацией позволяет отделить накипь до поступления воды в котел. Антинакипин вводят в котел совместно с водой. При этом на стенках котла образуется пленка, препятствующая отложению накипи. Последняя осаждается на дне и удаляется при продувке и промывке котла. Практикуется также магнитная обработка питающей котёл воды путем пропускания ее сквозь чередующиеся магнитные поля. В результате этой обработки на стенках котла слой накипи, как обычно, не откладывается, а образуется лишь рыхлый, легко смываемый порошок. Кроме того, эта вода приобретает свойство растворять ранее образовавшуюся накипь на стенках котла.
Во избежание ожогов при удалении золы и шлаков из котельной рабочие должны работать в респираторах, очках, брезентовых костюмах, кожаных сапогах, рукавицах. Горячую золу и шлак заливают водой в бункерах .
При работе в газоходах и котлах освещение допускается лишь электрическое при напряжении тока не выше 12 В.
Для необходимой эвакуации обслуживающего персонала при возникновении пожара в котельных помещениях устраивают не менее двух выходов наружу. Для своевременного тушения возникшего пожара котельная оборудуется средствами пожаротушения.
Котельное помещение с основными потребителями пара связывается телефоном или другими средствами сигнализации.
Освещенность контрольно-измерительных приборов должна быть не менее 50 лк. Аварийное освещение устраивают с самостоятельным источником питания электроэнергией.
