Текст
Практическое руководство компании НАЛКО по анализу повреждения котлов
Практическое руководство компании НАЛКО по анализу причин повреждения котлов
Nalco Chemical Company
Авторы:
Роберт Д. Порт Харви М. Херроу
McGraw-Hill, Inc.
Данные каталогизации публикации. Библиотека Конгресса США
Порт. Роберт Д.
Практическое руководство компании НАЛКО по анализу причин повреждения
котлов / Nalco Chemical Company: авторы Роберт Д. Порт. Харви М. Херроу.
ISBN 0-07-0458723-1
I. Паровые котлы Аварии - Руководст ва, справочники и пр.
Херроу, Харви, Nalco Chemical Company Ш.Заголовок.
TJ298.P67 1991
621,i’83-dc20
90-40834
С1Р
Книга посвящается д-ру Уильяму К. Бейру, организатору ее издания
Авторские права 1991 г. принадлежат издательству McGraw-Hill, Inc.
Вес права сохраняются. Отпечатано в США Любая часть данной публикации неможетбыть воспроизведена или распространена в любом виде, а также сохранена в базе данных или в информационной системе без письменного согласия издателя, за исключением случаев, разрешенных Законом об Авторских Правах США от 1976 гола.
67890 КРКР 9987
ISBN 0-07-045683-L
Издатель-спонсор данной книги Роберт У. Хаусермен, редактор Алфред Бернарди, дизайнер Наоми Ауэрбах, продюсер Томас Г. Ковальчик.
Отпечатано и переплетено в Kingsport press.
Содержание
Предисловие
Глава 1 Отложения из воды и пара
Глава 2. Длительный перегрев
35
Глава 3. Кратковременный перегрев
53
Глава 4. Щелочная коррозия
63
Глава 5. Хелатная коррозия
Глава 6. Коррозия при низких значениях pH в эксплуатационный период
87
Глава 7. Коррозия при низких значениях pH в процессе кислотной очистки
Глава 8. Кислородная коррозия
КОРРОЗИЯ СО СТОРОНЫ ТОПКИ 127
Глава 9. Коррозия под действием мазутной золы 129
Глава 10. Коррозия под действием каменноугольной золы 135
Глава 11. Коррозия топочных экранов и наружных стенок котла 141
Глава 12. Коррозия на холодной стороне котла во время эксплуатации 149
Глава 13. Коррозия в точке росы во время перерывов в работе 155
Глава 14. Повреждения под действием водорода 163
Глава 15. Коррозионно-усталостное растрескивание 175
Глава 16. Коррозионное растрескивание под напряжением 187
Глава 17. Эрозия 197
Глава 18. Кавитация 227
Глава 19 Дефекты изготовления 235
Глава 20. Дефекты в сварных швах 245
Глава 21. Недостаточно высокое качество материалов 261
Глава 22. Коррозия типа графитизации 267
Глава 23. Разрушение сплавов 273
Словарь терминов
279
Дополнительная литература
Указатель образцов
Указатель промышленности Об авторах
289
291
293
Предисловие
Данная книга служит всесторонним, авторитетным руководством по повреждениям котлов. Содержащаяся в ней информация собрана в результате проводившегося на фирме Nalco Chemical Company в течение сорока лет анализа неисправностей, включающего свыше 10 000 примеров из практи-
и конструкций и проведено обсуждение неполадок почти во всех зонах
повреждений.
Кр
служит наиболее важным факто-
нако, эта книга не может заменить хорошо обученного и опытного аналитика. Анализ неисправностей - навык, который приобретается опытом. Книга поможет и новичку, и более опытному специалисту быстро и просто определить наиболее возможные причины дефектов. Путем прямого сравнения со многими рисунками и фотографиями реальных повреждений читатель научится определять многие проблемы и точно находить место возможных повреждений. Объяснять дефекты станет легче, упростится интерпретация и обсуждение данных отчетов по анализу неисправностей.
Книга не предназначена для того, чтобы служить заменой тшатсльнно-му анализу повреждений. Скорее всего, информация, содержащаяся в пей, должна послужить вспомогательным средством при расследованиях, проводимых па предприятии, и в качестве легкодоступного справочного пособия в данной облает. Хотя опытный специалист может выявить и пра-
осмотра. последний не всегда может заменить лабораторное исследование.
В книге обсуждаются темы перегрева, химической коррозии как со стороны топки, так и со стороны воды, а также растрескивания, образования
ниже разделах.
Местоположение. Общее описание.
Указано точное местонахождение повреждений.
но обсуждение причин и источников агрессивного воздействия.
Важнейшие факторы. Перечислены наиболее важные или решающие факторы, вызывающие повреждения. Особо выделены морфология и характер агрессивного воздействия.
Выявление повреждений. Рассмотрены процедуры визуального осмотра. Проведено обсуждение методов . с помощью которых специальные металлографические процедуры смогут прояснить механизмы повреждений.
Устранение. Приведено перечисление и пояснение необходимых профилактических и/или корректирующих мер для устранения или уменьшения серьезности повреждений.
Меры предосторожности. Проведено сравнение различных механизмов, которые приводят к возникновению повреждений со схожими внешними признаками
Сопутствующие проблемы. Приведено описание сопутствующих про-
В каждой из глав приведены примеры частных случаев из практики . имевших место в прошлом. Примеры отобраны таким образом, чтобы проиллюстрировать как сходство, так и различия между реальными и «классическими» повреждениями, и показывают различные возможности реального возникновения аварийных ситуаций.
Фирма Nalco Chemical Company занята подготовкой нового справочного пособия по анализу причин выхода из строя системы водяного охлаждения такого же формата, как и настоящая книга. Эта вторая книга должна появиться в 1991 г.
Выражение благодарности
Авторы выражают благодарность фирме Nalco Chemical Company за великодушную поддержку в период работы над книгой. Особую признательность авторы выражают коллеге Джеймсу Дж. Диллону всвязи с его вкладом в отбор фотографий и частных случаев из практики. Особой благодарности заслуживает также Майкл Дж. Дзико. предоставивший несколько фотографий. Самую сердечную благодарность авторы выражают Теду К. Ньюмену, нашему наставнику. Искренняя признательность Дэвиду Л. Питаема в связи с его помощью в самом начале работы над данным проектом, а также Дональду Г. Уилтсиза его превосходную проверку рукописи и Валери Дж. Вуйтсх за неоценимую помощь в подготовке рукописи. Выражаем также благодарность. Памеле Дж. Энтрикин за окончательное редактирование рукописи, ее руководство в подготовке дизайна обложки, а также за ее помощь в координировании производства книги с компанией McGraw-Hill.
Глава
1
Отложения из воды и пара
Места скопления отложений
Накипь может появиться в любом месте котловой системы, где присутствуют вода или пар. Хотя боковые экранные трубы обычно портятся больше всего, в трубах свода и пода топки также часто происходит накопление отложений. Пароперегреватели и промежуточные подогреватели часто со-
стему с котловой водой. Парообразование в экономайзерах происходит редко. Отложения на их трубах, обычно, состоят из продуктов коррозии, перенесенных из мест их первоначального образования.
Образование отложений может оказаться значительным в процессе генерирования пара. Место образования отложений и их количество могут в значительной степени зависеть от ориентация труб. Отложения обычно наиболее велики па горячей стороне труб системы парообразования. Из-за прохождения пара по определенным каналам скопление отложений может
клонных труб. Кроме того, отложения часто образуются непосредственно после подкладки под окружной сварной шов трубопровода, которая является препятствием для потока и благоприятным местом для образования Паровой пленки. Поскольку, отложения имеют тенденцию сосредоточиваться в самых горячих местах труб парогенератора, трубы, расположенные вблизи низа задней стенки котлов с цепной колосниковой решеткой, а также боковые экранные трубы особенно часто накапливают отложения.
У'частках и в тех местах, где скорость потоков невелика.
Конструкция экономайзеров в основном рассчитана на их работу без образования пара. Отложения, причиной образования которых служит во
да. обычно пеступшбт в экономайзер из таких источников, как возвратный конденсат (обычно не подвергаемый дополнительной очистке). Оксиды, образующиеся до экономайзера или внутри него в результате повышенного содержания кислорода, могуч быть перенесены и откладываться в экономайзере.
Грязесборники и паровые коллекторы часто содержат отложения. Поскольку эти места легко доступны, их визуальный осмотр может многое сказать о химическом составе воды и процессах образования в ней отложений. Например, блестящие черные кристаллы магнетита могут отлагаться в паровых коллекторах, где при разложении органических комплексных соединений происходит выделение железа.
Отложения в пароперегревателях образуются в результате уноса котловой воды, иногда связанного с ценообразованием или высоким уровнем воды в котле. Эти отложения обычно концентрируются вблизи ввода в пароперегреватель или рядом с подвесными U-образпыми коленами. Загрязненная вода, вводимая для охлаждения пара, также может вызывать образование отложений непосредственно за точкой ее ввода. Чешуйки накипи и частицы отслоенных оксидов могут, пройдя через пароперегреватель, накапливаться в U-образпых коленах, или - что гораздо более серьезно-достигать паровых турбин.
Общие сведения
Отложениями называются те вещества, которые образуются где-либо прежде и переносятся к месту их накопления. К отложениям нельзя отнести продукты коррозии, образующиеся здесь же, хотя к ним вполне можно отнести продукты коррозии, которые образуются прежде и затем отлагаются в данном месте. Оксиды, образующиеся за счет окисления металла котла, нельзя считать отложениями, сели они не были перенесены с места своего образования. Это различие является фундаментальным.
Котловые отложения образуются из четырех источников: находящихся в воде минеральных веществ, химических реагентов для водообработки , продуктов коррозии, протекающей до котла н в самом котле и загрязнений. Отложения из разных источников могут взаимодействовать между собой. что увеличивает скорость накопления отложений или образования более прочного слоя . а также способствует образованию зародышей кристаллов. Указанные выше вещества могут быть оксидами металлов, медью, фосфатами, карбонатами, силикатами, сульфатами и просто загрязнениями, а также многими другими органическими и неорганическии-ми соединениями.
Один из процессов образования отложений состоит в концентрировании растворимых и нерастворимых веществ в тонкой пленке, граничащей с поверхностью металла, в ходе образования пузырьков пара 8(Рис. 1.1). Вещество накапливается на границе раздела пар — вода, перемещается вдоль этой границы и отлагается у основания пузырьков ио мере их роста . Другой механизм основан на выделении из раствора и осаждении крупных частиц. Растворение, обратно пропорциональное температуре, приводит к образованию отложений в тех местах, где вели-
Тенденция к образованию отложений связана с локализацией подвода тепла, турбулентностью воды н составом воды у стенки трубы или вблизи нее. Когда паровой пузырек отрывается от стенки трубы, отложения смываются водой. Скорость, с которой образуется отложение, зависит от скорости образования пузырька и активной растворимости отложения. В случаях усиленного поступления тепла может образоваться стабильная паровая подушка, которая вызывает концентрирование водорастворимого вещества (Рис. 1.2). Обратного растворения отложений в паровых подушках не происходит, поскольку поверхность не может быть промыта водой, если к ней нет доступа из-за паровой подушки (Рис. 1.3). Последняя также образуется. если на поверхности груб есть неровности, которые нарушают равномерность потока воды. За такими неровностями образуются зоны с пониженным давлением, благоприятствующие накоплению пара. а. следовательно. и последующему накоплению отложений.
Образование пара в экономайзерах происходит нечасто. Отложения здесь обычно богаты железом. Оксиды железа образуются в системе предварительного подогрева котла или в самом экономайзере (Рис. 1.4 и 1.5).
Тепловые напряжения способствуют отслаиванию оксидов. Расслаивание оксидов, образующихся в пароперегревателях и подогревателях за счет
тепла, могут вызывать накапливание чешуек оксидов в U-образных коленах и на горизонтальных трубопроводах большой длины (Рис. 1.6 н 1.7). Температуры образования накипи (выше которых образование оксидов происходит очень быстро) для различных сплавов приведены в таблице 2.1. Могут также накапливаться отложения из воды, попадающей сюда за счет
переброса при пеиообразовании, захлебывании или водной промывке. Вещества, растворимые в паре, могут проходить через пароперегреватель и оседать на турбинах. Если в воле присутствуют хлориды и сульфаты, их гидратация может стать причиной серьезной коррозии , вызванной гидроли-
лення, отложение на пей - почт и частый карбонаткальция. Труба в центре содержит силикаты, фос-
Важнишие условия для накопления отложений
Скорость, с которой отложения образуются на тенлопередаюших поверхностях, зависит в основном от растворимости и физической цепкости отложений, а также от степени промывки отложений водой в тех местах, в которых образуется пар. Растворимость, цепкость отложения и промывка водой, в свою очередь, зависят от других факторов, в частности от концент-
Оксид магния (MgO)
Фосфат кальция |Са,(К>)4)4.
Кварц (SiO-J
[БТЕ-фуг)/(ч-фуг-’Ф)
16,’1(752°Ф), 14,4(212°Ф)
рации растворенных веществ, температуры образования, структуры скопления и турбулентности воды. Однако первостепенным условием для накопления значительных отложений обычно служит образование пара. Фактически отложения могут накапливаться даже в тех случаях, когда парообразование невелико (Рис. 1.10). Если же происходит пузырьковое кипение, теплопередача определяется теплопроводностью стенки труб и отложения, а также температурой на стороне пара. Значения теплопроводности для отложений и сплавов различного вида приведены в таблице 1.1.
Соли с обратной зависимостью растворимости от температуры легко образуют отложения на теплопередающих поверхностях. Например, сульфат и фосфат кальция осаждаются, откладываются преимущественно в горячих зонах, когда увеличивается температура. Вероя тнее всего, здесь возникает пленочное кипение, и последующее выпаривание отложения досуха Приводит к увеличению концентрации веществ, растворяющихся при нормальной температуре (Рис. 1.11). Часто отложения наименее растворимых вещств обнаруживаются в охлаждаемых водой трубах, имеющих самую высокую способность к теплопередаче, например в боковых экранных трубах. В тех местах, где происходит выпаривание досуха, обычно обнаружи-
ваются одновременно и растворимые, н нерастворимые отложения.
Даже относительно небольшие отложения могут вызвать значительный рост температуры стенки. По мерс повышения температуры стенки усиливается тенденция к образованию паровой подушки (Рис. 1.3), которая препятствует движению теплового потока. вызывая перегрев и разрыв металла (см. Главу 2 «Длительный перегрев»).
Качество воды также оказывает значительное влияние на процесс образования отложений. В таблице 1.2. приведены рекомендуемые показатели качества воды как функции давления в котле .13 таблице показано, что чем выше давление в котле, тем меньше загрязнений в нем допустимо. Изолирующее воздействие отложений при повышении давления становится все менее допустимым, поскольку при этом перегрев становится более вероятным, Максимально допустимые концентрации солей в котловой воде приведены в таблице 1.3. Рекомендовано 100-кратпое уменьшение содержания растворимых твердых веществ с повышением давления с 100 фунт/кв. дюйм (0.69 МПа) до 2000 фунт/кв. дюйм (13.8 МПа). При этом допустимые уровни содержания диоксида кремния уменьшаются в 250 раз, взвешенных частиц в 500 раз.
Практическое правило, касающееся чистоты труб, гласит, что котлы высокого давления (выше 1800 фунт/кв. дюйм = 12,4 МПа) считаются от-
100 328
200 382
300 417
500 467
600 486
750 510
900 532
1000 545
1500 596
2000 636
2500 668
3200" 705
5000.00 500
4000.00 350
3500.00 300
3000.00 60
2500.00 50
2000.00 40
1000.00 20
500.00 10
150.00 3
50.00 1
10.00 0
0.02 О
900 250.00
800 200.00
700 175.00
600 40.00
500 35.00
300 30.00
200 20.00
50 10.00
О 3.00
О 1.00
О 0.50
О 0.02
150 150 100
70 NR NR NR NR NR
NR
NR
NR
NR
NR
NR
90-100
80-90
60-70 45-608 30-45
25-30 15-20 NR
NR NR
NR
ИСТОЧНИК:
Neu- York. /982.
носительно чистыми, если в охлаждаемых водой трубах содержится отложении менее 15 мг/см2 (около 14 г/кв. фут). Это количество отложений типично практически для любых чистых котлов независимо от химической обработки воды, типа котла или топлива. Для некоторых котлов слон пористого магнетита до 11 мг/см2 (10 r/кв. фут) не приводят к Существенному ухудшению теплопередачи. Котельные трубы со средним загрязнением содержат от 15 до 40 мг/см2 (от 14 до 37 г/кв. фут) отложений, а котельные трубы, содержащие более 40- мг/см2 (37 г/кв. фут), считаются очень загрязненными. Рекомендуемые значения для котлов высокого давления приведены в таблице 1.4. Теплопередача резко падает, когда нагрузка отложений становится чрезмерной. Одна крупная фирма-изготовитель рекомендует очистку котлов низкого давления производить при отложениях 32 мг/см2 (30 г/кв. фут). Продолжительная работа при массе отложений, превышающей максимально допустимую, может привести к серьезной коррозии и авариям, вызванным перегревом. Однако
одна лишь масса отложении не всегда точно указывает на тенденции к перегреву. На теплопередачу оказывают воздействие также и состав, и структура отложений.
Идентификация соединений, присутствующих в отложениях
На состав отложений оказывают влияние химические реагенты для обработки котлов , состав питательной воды и подвод тепла. При давлениях 2500 фунт/кв. дюйм (17.2 МПа) и выше обычно используют гидразин. Обессоливание питательной воды и топкая очистка конденсата служат дополнительными широко применяемыми на практике мерами водоочистки. Это означает вероятность содержания в отложениях только оксидов железа, образующихся при коррозии внутренних поверхностей, а также присутствия в них меди, никеля и други металлов и загрязнений (Рис. 1.12); химические реагенты, применяемые для водоочистки, или продукты их реакции обычно не обнаруживаются. При более низком давлении могут быть обнаружены и другие вещества. Типичные соединения, наиболее вероятные места скопления отложений и их характеристики приводятся в таблице 1.5.
Оксиды железа
Гладкий, черный, цепкий, плотный слой магнетита обычно нарастает на С| альиых стенках в восстановительной среде на поверхностях котла со стороны воды (Рис. 1.13). Магнетит образуется путем прямой реакции воды с металлом труб. В котлах высокого давления магнетит состоит из двух слоев, которые обычно видны только при исследовании под микроскопом. Отложение
Таблица 1.5 Компоненты отложений из воды
Минерал Формула Характер отложения Обычное место расположения и вт
Акмит NajO • Fe.O, 4SiO, Твердое, адгезивное Накипь на трубах под гидроксиапатите ИДИ серпентином
Альфа-квари SiO, Твердое, адгезивное Лопатки турбин, трязесборпик, накипь: трубах
Амфибол MgO • SiO. Липкое связующее Накипь на трубах и шлам
Анальцит Na. О • AI.O, • 4SiO. • 2H,O Т верное, адгезивное Накипь на трубах под гидроксиллатито или серпентином
Ангидрит CaSO4 Твердое. адгезивное Накипь на трубах, трубы парогеисрато)
Арат онит CaCO, Твердое, адгезивное Накинь на трубах, шпате льныс линии.
Брупит Mg(OH). Твердое, адгезивное Шлам в 1'рязесборниках и верхней часы шкальных экранов
Медь Cu Элек гроосаждаемыб слои Котельные трубы и лопатки турбин
Куприт Cu,0 Липкий слой Накипь па трубах, трубы napoi'eiicpaioj
Г ипс CaSO. • 2H.0 Твердое, адгезивное Лопатки турбин, отложения в котле
Гематит Гидроксиапатит FC;O,| Cal„(OH).(POJ6 Связующее Флокулянт По всему котлу Грязесборник. линии воды. шлам
Фосфат магния Mg,(РОД Липкое связующее Грубы, грязесборник. линии воды
Магнетит Fc-O, Защитная пленка Все внутренние поверхности
Нозелит Пектолит 3Na.O • 3A1.O, • 6SiO- • Na,SO4 Na2O • 4CaO 6SiO2 - H2O* Твердое, адгезивное Накипь в трубах Накинь в трубах
Серпентин 3MgO • 2SiO. • H.O Флокулянт Шлам
Содалит 3Na.O - 3AI.O, • 6SiO, - 2NaCI 1 верное, адгезивное Накипь в трубах
Ксонолпт scad ssio. • н.о Твердое, адгезивное Накипь в трубах
ИСТОЧНИК: С разрешении Chemical Publishing Company, The Chemical Treatment ofBoiler Waler, .lames W. McCoy. New York, 1982
ра. Шпильки концентрируют тепло, вызывают повышение скорое-ni об-разоваикя пара и. как следствие, па
дений на поверхности или же пере-
частиц оксида железа может происходить поверх гладкого слоя магнетита, образовавшегося в условиях высоких температур, если скорость осаждения высока и/или значительно парообразование (Рис. 1.14), Обычно состоящий из грубых частиц магнетит не сцепляется прочно с поверхностью, если он не перемежается другими отложениями. Блестящие черные, крупнокристалличес-кие иглы магнетита часто присутствуют вблизи участков щелочной коррозии. Подобные кристаллы магнетита иногда образуют блестящую поверхность, покрывающую паровые коллекторы и трубы (Рис. 1.15 и 1.16). Если соскоблить некоторое количество этого вещест ва с поверхности и подвергнуть воздействию магнита, то можно определить, присутствует ли в нем железо.
С другой стороны, образованию гематита благоприятствуют несколько более низкие температуры и более высокие концентрации кислорода. Гематит обладает связующими свойствами и имеет тенденцию накапливать и удерживать в отложениях другие вещества. Гематит может быть красного цвета, если он образуется там. где концентрация кислорода высока. Он обычно присутствует в экономайзерах, где происходит кислородная корро-
Прочие металлы и их оксиды
Медь откладывается либо при прямом обмене с железом, либо при восстановлении из оксида меди водородом, образующимся в процессе коррозии. Обычно можно видеть крупные красноватые пятна элементарной меди с промежуточными слоями таких продуктов коррозии, как магнетит и гема-
Местевщупш.
тит. рядом с участками щелочной коррозии в связи с образованием в ней водорода (Рис, 1.12). Красноватый цвет поверхности напоминает гематит. Элементарную медь можно легко отличить от других веществ с помощью теста на нитрат серебра. Одна капля реактива почти сразу вызовет осаждение белых кристаллов серебра, если в слое присутствует элементарная медь. Оксид меди, образующийся в условиях котла, имеет черный цвет и не имеет магнитных свойств. Гальваническая коррозия, вызывающая отложения меди (элементарной или ее оксида), в хорошо пассивированных котлах происходит крайне редко.
Вместе с отложениями меди иногда можно обнаружить оксиды цинка и никеля. Этого следует ожидать, поскольку цинк и никель присутствуют в бронзе и мельхиоре, часто служащих конструкционными материалами для конденсаторов и нагревателей питательной воды. Обычно эти элементы откладываются при меныпей концентрации, чем медь. Оксид никеля проявился как «связующее» соединение, способствующее образованию хорошо сцепляющихся с поверхностью отложений. Однако никель обычно присутствует в относительно низких концентрациях и может быть обнаружен химическим анализом методами флуоресценции или дифракции рентгеновских лучей.
При кипении первыми откладываются наименее растворимые соединения. Очень быстро накапливаются отложения карбоната кальция, образуя белый рассыпчатый слой, который под действием соляной кислоты начинает вспениваться (Рис. 1.17). Для отложения сульфата кальция необходима его более высокая концентрация, чем для отложения карбоната. Вывод о присутствии фосфатов можно сделать иногда но наличию рыхлых отложений (но менее рыхлых, чем карбонат кальция).
Фосфат магния действует как связующее, способствующее образованию очень твердых, прочно сцепленных с поверхностью отложений. Отложения фосфата магния в основном бесцветны, по становятся красными, коричневыми или черными, если в них сеть примеси оксидов железа.
Нерастворимые силикаты присутствуют во многих котлах. Многие из них отличаются высокой твердостью и практически нерастворимы в кислотах. за исключением фтористоводородной. Сложные силикаты, например анальцит (Na2O • AI2O3 - 4SiO2 • 2Н2О), акмит (Na2O - Fe2O3 • 4SiO2) или содалит (3Na2O • ЗА12ОЗ 6SiO2 • 2NaCl), могут стать свидетельством образования паровой подушки, поскольку промежуточные соединения натрия растворимы в воде. Анальцит часто образуется в тех случаях, когда из отстойников уносится алюминий (Рис. 1.18).
В целом, водорастворимые отложения могут сохраняться только в тех случаях, когда локальные механизмы концентрирования очень сильны. Поэтому1 наличие таких отложений, как гидроксид, фосфат и сульфат натрия, следует рассматривать как доказательство полного испарения .Есть данные, что сильный запах сероводорода, образующегося при разложении сульфита. был обнаружен рядом с котлом, в котором имелись места перегрева.
Гидролизуемые соли, в частности хлорид магния, могут попадать в котловую воду при утечках из конденсаторов морской воды. Хлориды, накапливаемые в пористых отложениях, подвергаются гидролизу с образова-
пнем соляной кислоты. Разложение нефти, консистентной смазки и других органических загрязнителей также будет создавать кислотную среду.
Морфология отложений
В предыдущей части главы были в основном рассмотрены вопросы идентификации отложений, основанной только на индивидуальной химической природе каждого из них. Однако реальные отложения в основном содержат большие количества смешанных соединений. Морфология отложений может определять характер их существующих видов, а также давать ключ к разгадке условий подвода тепла, состояния воды и механизмов коррозии, в которых эти отложения формируются.
Особенно нежелательно любое отложение, устойчивое к промывке. В частности, большой вред наносит нерастворимое неплотное отложение, состоящее из крупных частиц. Ойо способствует концентрированию в своих порах растворимых соединений. Поэтому в смеси с пористыми нерастворимыми отложениями можно обнаружить и гидроксид натрия. Порист ые виды отложений часто предшествуют концентрированию веществ с более высокой растворимостью.
Говоря вообще, чем ст арше отложение, тем оно тверже и более прочно сцеплено со стенками груб. По мерс старения отложения происходит заполнение существующих в нем пустот твердым веществом, что приводит к увеличению его массы, плотности и твердости. Из данного правила есть исключения, и эти суждения, безусловно, несколько субъективны. Тем не менее, присутствие твердых и прочных отложений часто указывает на то, что они образовались в течение длительного времени при высоких температурах металла.
Слоистость отложения указывает на изменение в химическом составе воды, подводе тепла и т.д. При тщательном осмотре и анализе слоистой накипи часто можно обнаружить отложения, образованные при различных программах водоочистки. Историю хронологического накопления отложений можно определить по тому порядку, в котором происходило его формирование.
Предупреждение образования отложений
Нежелательны любые отложения , и в конечном итоге их образование тесно связано с химическими свойствами воды или практикой эксплуатации котла. Правильное проведение процесса водообработки позволит уменьшить образование отложений. Общие правила обработки воды очевидны. Нарушения в составе воды и изменения в режиме эксплуатации должны быть сведены к минимуму'.
Образования отложений можно избежать, работая при проектной нагрузке или несколько ниже нее и обеспечивая правильное функционирование всех компонентов котла. Наиболее важной эксплуатационной характеристикой котельной системы, влияющий на образование отложений, считают практику обогрева котла. Чтобы избежать образования отложений.
необходимы ликвидация участков перегрева, сохранение заданного уровня воды и работа при постоянной нагрузке. Кроме того, уменьшения отложений можно добиться за счет правильного размещения горелок, тщательной настройки системы подачи топлива и применения соответствующих методов продувки.
Меры предосторожности
Отложение редко состоит из одного единственного соединения. Для определения количества и видов разнообразных химических соединений в от ложении часто необходим химический анализ. Растворимые в воде соединения могут быть вымыты, когда котел охлажден и па регенерация прекращается. Промывка иногда влияет на результаты лабораторных анализов, и они не точно отражают состав отложений во время работы котла. Обычно бывает безопаснее предположить, что концентрации хорошо растворимых отложений при лабораторном анализе окажутся заниженными. Присутствие любого хорошо растворимого вещества обычно служит достаточным доказательством отклонения от режима пузырькового кипения.
Количество, состав н слоистость отложений часто изменяются вблизи места разрыва металла. Изливающиеся жидкости могут смыть отложения, расположенные рядом с разрушенным участком. Иногда на внутренние поверхности вблизи мест разрыва могут проникать продукты сгорания со стороны наружной стенки котла. Обычно бывают занижены также результаты определения количества отложений вблизи вздутий или разрывов поверхности по сравнению с значениями в период эксплуатации.
За отложения могут быть приняты продукты коррозии. Это особенно касается пароперегревателей, подвергаемых дейст вию кислородной коррозии в период простоя, когда бугристую коррозию труб иногда принимают за принос твердых частиц с котловой водой (см. Главу 8. «Кислородная коррозия»). Иглы магнетита, образование которых связано с низкими значениями pH. можно также перепугать с частицами железа, приносимыми из
Сопутствующие проблемы
См. также Главу 2 («Длительный перегрев»); Главу 3 («Кратковременный перегрев»); Главу 4 («Щелочная коррозия»); Главу 6 («Коррозия при низких значениях pH во время эксплуатации»); Главу 7 («Коррозия при низких значениях pH при кислотной очистке»); и Главу 8 («Кислородная кор-
Промышленность:
Местоположение образца:
Ориентация образца:
Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане:
Характеристики труб:
Средство обогрева:
Целлюлозно-бумажная
Труба экономайзера котла-утилизатора вблизи верхнего коллектора
Искривление (с горизонтального на вертикальное
J-образно)
10
Хелатная
600 фунт/кв. дюйм (4,13 МПа); давление питательной воды 820 фунт/кв. дюйм (5,65 Мпа) Наружный диаметр 2 дюйма (51 мм)
Черный щепок
При выемке поврежденных труб экономайзера в них неожиданно были обнаружены мощные внутренние отложения. Внутренние поверхности некоторых труб экономайзера были частично покрыты неровным слоем мягкого чешуйчатого оксида железа. Нижележащие оксиды были черного цвета. Рыхлое вещество толщиной I дюйм (25 мм), скопившееся в колене трубы, показано на Рис. I. I9. Более тщательное' обследование показало, что накопленный слой вещества состоит из частиц антрацита и шариков смолы (Рис. 1.20). Отложение было образовано в результате переноса смолы из разрушенного слоя.. Металлическая поверхность под отложением имела впадины и утончения.
Накопленное отложение задерживало охлаждающий поток охладителя, однако до перегрева дело не доходило, поскольку температура дымовых газов была слишком низкой (около 555°Ф или 288°С). И все-таки отклонение от режима пузырькового кипения под отложением имело место, что привело к концентрированию гидроксида натрия и связанной с ним коррозии (см. Главу 4. «Каустическая коррозия»).
необходимы ликвидация участков перегрева, сохранение заданного уровня воды и работа при постоянной нагрузке. Кроме того, уменьшения отложений можно добиться за счет правильного размещения горелок, тщательной настройки системы подачи топлива и применения соответствующих методов продувки.
Меры предосторожности
Отложение редко состоит из одного единственного соединения. Для определения количества и видов разнообразных химических соединений в отложении часто необходим химический анализ. Растворимые в воде соединения могут быть вымыты, когда котел охлажден и парогенерация прекращается. Промывка иногда влияет на результаты лабораторных анализов, и они не точно отражают состав отложений во время работы котла. Обычно бывает безопаснее предположить, что концентрации хорошо растворимых отложений при лабораторном анализе окажутся заниженными. Присутствие любого хорошо растворимого вещества обычно служит достаточным доказательством отклонения от режима пузырькового кипения.
Количество, состав и слоистость отложений часто изменяются вблизи места разрыва металла. Изливающиеся жидкости могут смыть отложения, расположенные рядом с разрушенным участком. Иногда на внутренние поверхности вблизи мест разрыва могут проникать продукты сгорания со стороны наружной стенки котла. Обычно бывают занижены также результаты определения количества отложений вблизи вздутий или разрывов поверхности по сравнению с значениями в период эксплуатации.
За отложения могут быть приняты продукты коррозии. Это особенно касается пароперегревателей, подвергаемых действию кислородной коррозии в период простоя, когда бугристую коррозию труб иногда принимают за принос твердых частиц с котловой водой (см. Главу 8. «Кислородная коррозия»). Иглы магнетита, образование которых связано с низкими значениями pH, можно также перепутать с частицами железа, приносимыми из докотелыюй системы.
Сопутствующие проблемы
См, также Главу 2 («Длительный перегрев»); Главу 3 («Кратковременный перегрев»); Главу 4 («Щелочная коррозия»); Главу 6 («Коррозия при низ
ких значениях pH при кислотной очистке»); и Главу 8 («Кислородная коррозия»).
Промышленность: Целлюлозно-бумажная
Местоположение образца: Труба экономайзера котла-утилизатора вблизи верхнего коллектора
Ориентация образца: Искривление (с горизонтального на вертикальное J-образно)
Срок службы, годы: Программа водоочистки: 10 Хелатная
Давление в барабане: 600 фунт/кв. дюйм (4,13 МПа); давление питательной воды 820 фунт/кв. дюйм (5,65 Мпа)
Характеристики труб: Средство обогрева: Наружный диаметр 2 дюйма (51 мм) Черный щепок
При выемке поврежденных труб экономайзера в них неожиданно были обнаружены мощные внутренние отложения. Внутренние поверхности некоторых труб экономайзера были частично покрыты неровным споем мягкого чешуйчатого оксида железа. Нижележащие оксиды были черного цвета. Рыхлое вещество толщиной 1 дюйм (25 мм), скопившееся в колене грубы, показано на Рис. 1.19. Более тщательное обследование показало, что накопленный слой вещества состоит из частиц антрацита и шариков смолы (Рис. 1.20). Отложение было образовано в результате переноса смолы из разрушенного слоя.. Металлическая поверхность под отложением имела впадины и утончения.
Накопленное отложение задерживало охлаждающий поток охладителя, однако до перегрева дело не доходило, поскольку температура дымовых газов была слишком низкой (около 555°Ф или 288°С). И все-таки отклонение от режима пузырькового кипения под отложением имело место, что привело к концентрированию гидроксида натрия и связанной с ним коррозии (см. Главу 4. «Каустическая коррозия»).
Такие отложения обычно вызывают разрушение труб. Вместо этого в результате эрозии внешних поверхностей и кислородной коррозии оказались поврежденными другие блцзлежашнс трубы. Тогда и были обнаружены внутренние отложения.
Разрушение слоя смолы обнаружено не было, кока не были найдены отложения в экономайзере. Эти отложения должны были быть вынесены в другие части котла, однако их присутствие никаких повреждений ие вызвало.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 1.2
Целлюлозно-бумажная
Выход из пароперегревателя Вертикальная (обрубком вниз)
Промышленность:
Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб: конец, низколегированная сталь (Сг -1,5%) Топливо: Каменный уголь
Фосфатная
900 фунт/кв. дюйм (6,21 МПа)
Наружный диаметр 2 дюйма (51 мм), заглушенный
Секция трубы пароперегревателя с обрубленным и заглушенным концом длиной 2 фута (60 см) была полностью забита отложениями, которые были к тому же пропитаны водой, когда труба была разрезана. Секцию слегка подогревали в течение 3 суток для сушки отложения. После сушки белое отложение можно было видеть на обрубленном конце трубы (в самой нижней точке трубы.
Труба содержала около 2 фунтов (0.9 кг) отложений на каждых двух дюймах (51 мм) своей длины. В противоположном от обрубленного конце трубы отложение содержало около 80 вес.% магнетита, а также 7% гидрооксида и карбоната натрия. Были обнаружены также небольшие количества серы, хлора, фосфора. хрома и марганца. Со стороны обрубка отложения почти наполовину состояли из гидроксида и карбоната натрия.
Причиной отложений стали хроническое загрязнение охлаждающей воды и/или унос котловой воды в верхнюю часть пароперегреват еля из парового коллектора. Вода превращалась в пар, оставляя твердый осадок, который накапливался в течение значительного периода времени в застойных зонах с низкими •скоростями потоков, подобных обрубленному концу трубы.
Разница в цвете отложений на обрубленном конце и в прямой части указывает на отдельное скопление растворимого щелочного вещества в самой нижней части трубы. Оно вызвано просачиванием воды, богатой растворенным веществом, в обрубленный конец. Тот факт, что после сушки белое вещество оказалось
Очистка таких обрубленных и заглушенных концов - очень грудная зада-ча.Тем не менее, очистка или удаление таких концов необходимы для предотвращения щелочной коррозии и перегрева.
Рис. 1.21 Гор>1зопт.и1ыю разрелшпыв »глувк|||1ыЛ когкц nuxiyuioit грубы in пароперегревателя.
Промышленность:
Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб: Средство обогрева:
Целлюлозно-бумажная
Переходная труба
Горизонтальная
20
Фосфатная
800 фунт/кв.дюйм (5,52 МПа)
Наружный диаметр 2,5 дюйма (64 мм)
Черный щепок и мазут
Переходная труба содержала небольшое вздутие н трещину. Белый, рыхлый слой отложения с плотностью 16 г/кв. фуг (17 мг/кв, см.) находился на внутренней поверхности с горячей стороны; с холодной стороны плотность составила I г/кв. фут. Отложения были отделены с обеих сторон четкими границами (Рис. 1.22). Эти границы показывают пределы паровой подушки. Отложение было связано с кратковременным эпизодом подвода большого количества тепла со стороны топки, который и привел к перегреву н разрушению.
рехолнон грубы. Некоторое коаннсегио отложений отслоилось у неглубокого
лучики
Отложения состоят из основного фосфата кальция (гидроксиапатита). гидросиликата натрия и алюминия, магнетита, силиката магния и небольших количеств других соединений. Некоторое количество алюминия было унесено из отстойника. Практика сжигания топлива и очистка воды была проверена и соответствующим образом изменена.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 1.4
Промышленность: Местоположение образца: Целлюлозно-бумажная Первичный пароперегреватель, подвесной U-об разный изгиб
Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб: Вертикальная 11 Фосфатная 1250 фунт/кв. дюйм (8,62 Мпа) Наружный диаметр 1,75 дюйма (44,5 мм); Сг-2,25%, Мо-1%
Топливо: Щепа и каменный уголь
Подвесная U-образиая секция пароперегревателя была демонтирована из-за разрушения металла со стороны топки в результате разъедания шлаком, При исследовании внутренней поверхности был обнаружен мощный иузырьчатый слой магнетита (Рис, 1.23). Произошло разрушение данного слоя, которое могло привести к эрозии турби-
Откалывание (отслаивание) оксидов вызывается переменными, обычнотермическими. напряжениями. Напряжения могут увеличиваться, если происходи т зашлаковывание труб. Прохождение топочных газов по определенным каналам может вызвать возникновение мест перегрева. Разрушение шлака, в частности во время продувки для удаления сажи, может вызвать резкие колебания температуры поверхности, но доказательств, что одна лишь отдувка сажи может вызвать отслаивание, не существует.
Пузырьки магнетита разрастаются, т.к. образуюпшейся при высокой температуре магнетит занимает больший объем. чем металл, из которого он образуется. Поэтому в нарастающих слоях могут возникать сжимающие напряжения, приводящие к их короблению. Когда температура высока, оксид вместо разрушения может медленно деформироваться..
Фактически для всех пароперегревателей отмечено некоторое отслаивание магнетита по мере увеличения длительности эксплуатации. Однако зашлаковывание, резкие колебания нагрузки, механические вибрации и изменения в режиме работы увеличивают напряжения, которые и приводят к отслаиванию.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 1.5
Промышленность:
Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб:
Топливо:
Установка для производства энергосредств
Сетчатый фильтр перед турбиной
Вертикальная
Координированная фосфатная
2200 фунт/кв. дюйм (15,2 Мпа)
Проволока из мягкой стали диаметром
0,035 дюйма (0,88 мм): размер отверстий в сетке фильтра 0,040 дюймов (0.12 мм)
Каменный уголь
После проведения профилактического осмотра пароперегревателя было обнаружено. что происходит скалывание и отспанваш1е магнетита с внутренних поверхностей. Для осмотра были демонтированы участки фильтров грубой и тонкой очистки, установленные на входе в турбину.
Приблизительно 10% отверстий в фильтре тонкой очистки были забиты чешуйчатой иакипыо из магнетита. Небольшие отслоившиеся чешуйки при продувке проходили через пароперегрева тели и откладывались па фильтре (Рис. 1.7). Было обнаружено также несколько осколков и капель застившегося металла, образовавшихся при работе с газовой горелкой. На фильтре для грубой очистки остались чешуйки магнетита толщиной 0.010 дюйма (0,25 мм) и шириной 0.15 дюйма (0.38 мм). На его боковых частях, обращенных в сторону парового потока, были найдены следы от удара летящими частицами.
В последнее время было замечено некоторое ухудшение рабочих характеристик турбины, и возникло подозрение, что оно вызвано эрозией лопаток 'твердыми части-
нами, образующимися при отс а ок 11 с, у шие осмотры турбины
Для уменьшения шлакования была предложена химическая обработка, а также была пересмотрена супкстзующая практика отдувки сажи. Химическую очистку
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 1.6
Химическая установка
Труба переднего экрана, на 6 футов (1,8 м) выше коллектора подового экрана
Горизонтальная
Срок службы, годы: Программа водоочистки:
Полимерная
425 фунт/кв. дюйм (2,93 МПа)
Наружный диаметр 3,25 дюйма (82,6 мм)
Природный газ и мазут № 6
иаружено. что внутреннюю поверхность труб покрывал толстый рыхлый слой отложения (Рис. 1.24). Все отложения со стороны горячей части составлял 100 г/кв. фуг
содержали карбонат, силикат и фосфат кальция, а также гндросиликат магния.
Котел работал периодически с нагрузкой до 90 000 фунтов (40 900 кг) пара в чае в течение 1 года (проектная нагрузка 75 000 фунт/ч или 34 000 кг/ч). В качестве топлива попеременно использовали природный газ и мазут № 6, а за один месяц до аварии стали использовать исключительно мазут. Горелки были заменены более мощными.
По существу, причиной отложений был подвод избыточного тепла на стороне наружных стенок котла. Перегрев, которому способствовало нарастание отложений, вероятнее всего и привел к аварии. Кроме того, конструкция горелок и чрезмерно высокое производство пара внесли значительный вклад в образование отложений и, в конечном счете, в вероятность перегрева.
Глава
2
Длительный перегрев
Места скопления отложений
Неисправности, вызываемые длительным перегревом, появляются в трубах, охлаждаемых водой и паром, в частности в боковых экранах, циркуляционных трубах, в трубах пароперегревателей, промежуточных пароперегревателей и в сводовых трубах. Почти 90% всех разрушений, вызванных длительным перегревом, происходят в пароперегревателях, промежуточных пароперегревателях и в боковых экранах топки. В экономайзерах и подовых трубах длительный перегрев происходит редко. Особенно подвержены перегреву трубы, содержащие значительные отложения, с пониженным расходом охлаждающей жидкости, с чрезмерным подводом тепла со стороны топки или расположенные непосредственно вблизи или прямо напротив горелок.
Длительному перегреву обычно подвергаются трубы, расположенные вблизи механической топки с цепной колосниковой решеткой и по соседству с каналами или другими проходами для топочных газов. Подвержены перегреву также секции с поврежденной огнеупорной облицовкой. В котлах-утилизаторах перегрев обычно происходит' на экранных трубах, расположенных вблизи слоя расплавленного металла без верхней затвердевшей корки или слоя углеродистого вещества. Скошенные трубы с выступами особенно подвержены длительному перегреву из-за каналирования пара. Перегрев дымогарных труб происходит редко.
Неисправности обычно охватывают относительно обширные зоны с большим числом труб, например, в середине вертикального экрана, причем приблизительно на одной и той же высоте. Обычно происходит разрыв или вспучивание одновременно нескольких труб.
Общие сведения
Длительным перегревом считают такие г_____________ ____________.....
оборудования, при которых температура металла превышает проектные пределы в течение многих суток, недель, месяцев и более. Этот вид перегрева становится причиной большего числа аварий, чем любые другие механизмы. Поскольку при повышенных температурах сталь теряет большую часть своей прочности (Рис. 2.1), по мере повышения температуры вызываемые нормальным для данных условий внутренним давлением разрывы становятся все более вероятными.
Максимально допустимая температура, предусмотренная при проектировании оборудования, зависит в основном от металлургических свойств материала труб. В результате увеличения количества легирующих добавок в сталь, особенно хрома и молибдена, могут допускаться и более высокие температуры, поэтому в пароперегревателях и промежуточных пароперегревателях используют трубы из специальных сплавов (Таблица 2.1). Длительный перегрев зависит от температуры, длительности периода воздействия данной температуры и от металлургических свойств материала трубы.
Труба из мягкой стали, находившаяся под действием температур около 850°Ф (454°С) более нескольких суток, может оказаться подвергнутой длительному перегреву. Если температуры остаются повышенными в
условия эксплуатации
Углерод 1025 550
1, уд,* 1050 570
It Г*г-1<,Мл 1070 580
ICr-b.Mo 1100 600
’Cr-'/jMo 1100 600
2'ь4Сг-1Мо IlOO 600
BCr-'i.Mo-Mo-l'/.Si 1400 760
5Cr-'/,Mo 1150 650
5Cr-'/,Mo-IV,Si 1550 850
5Cr-V,Mo-Ti 1150 650
7Cr-SMo 1250 680
9Cr-lMo 1371) 770
12Cr 1420 770
l7Cr 1550 850
ISCr-8Ni 1600 870
18Cr-8Ni. Ti 1700 930
ISCr-SNi. Sb 1650 900
18Cr-8Ni. Mo 1650 900
25Cr-l2Ni 2000 1100
25Cr-20Ni 2000 IlOO
27Cr 2000 1IOO
течение более длительного периода, перегрев обязательно произойдет. С повышением температур, действующих в течение определенного периода времени, опасность последствий перегрева увеличивается. При этом видимые признаки значительной деформации или тепловых повреждений могут и нс появляться.
Температура топочных газов часто превышает 2000’Ф (1093°С), Теплопередача к котельной трубе частично зависит от теплоизоляционных свойств вещества вблизи внутренних и наружных поверхностей (см. Главу I. «Отложения из воды и пара»). На теплопередачу оказывет заметное влияние тонкая газовая иленка, которая обычно присутствует на внешних поверхностях. Перепад температур через пленку иногда достигает величины свыше ЮОО’Ф (537°С). Отложения, продукты коррозии, огнеупорные и другие вещества, присутствующие на внешних поверхностях, также слегка снижают температуру металла. Термическое сопротивление труб может вызвать лишь небольшой перепад температур через стенку.
Когда рассматривается теплопередача через поверхность трубы со стороны воды, эффект воздействия отложений становится обратным. Слои пара и отложений препятствуют охлаждающему влиянию воды на металл, что приводит к уменьшению теплопередачи к воде и увеличению температуры металла.
Разрыву обычно предшествует вздутие. Во многих случаях вздутие появляется их-затого, что температура трубы со стороны топки (горячая сторона) на ее разных участках оказывается различной, и в отдельных местах возникает локальный перегрев. Вздутие может принимать различные формы; некоторые из них неглубоки и покаты, в то время как другие имеют резко оборванный профиль (Рис. 2.2). Могут появиться одно или несколько вздутий. Когда вдоль горячей стороны возникают несколько вздутий, это свидетельствует о значительности внутренних отложений.
Вздутия обычно вызывают отслоение отложений, что приводит к снижению температуры металла в этом месте. Однако вздутие из-за своей формы нарушает поток воды, а это с большей вероятностью приводит к пленочному кипению (в охлаждаемых водой трубах), что вызывает повышение температуры. Кроме того, вздутия увеличивают площадь поверхности, что приводит к локальному росту подвода тепла со стороны топки. В целом температура металла в местах вздутий выше, чем на окружающих участках. Во многих случаях длительное существование вздутий достаточно для того, чтобы произошел перегрев, даже если вызвавшие их отложения и были удалены.
Термическое окисление («горение» металла)
Одним.из признаков длительного перегрева может быть толстый, хрупкий, Темный слой оксида как на внутренней, так и на внешней поверхност и (Рис. —j и 2.4). Если температура металла превышает определенное значение, ха-
Рис. 2.5 „ Hojiuepi TllllIicB термическому разрушению металл разорванной экранной трубы котла
рактерпое для каждого сплава, термическое окисление становится чрезмер-
туры образования накипи), приводятся в таблице 2.1. Часто слой оксида, образовавшегося в результате термического окисления, содержит продоль-
(Рис. 2.5). Трсшины и места отслоения возникают в результате расширения и сжатия трубы, вызванных деформацией во время перегрева и/или под действием термических напряжений. В результате циклического термического окисления и отслоения может происходить утончение стенки трубы. Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока вся стенка не превратится в оксид и в пей нс возникнет отверстие (Рис. 2.6).
Разрушение при ползучести (под действием напряжений)
Разрушение при ползучести (под действием напряжений) - форма повреждения, вызваного долговременным перегревом и обычно имеющего вид разрыва с толстыми краями на вершине вздутия. Ползучесть вызывает медленно действующие пластические деформации и вероятность слияния микрополостей в металле во время перегрева. Часто па вершине подвергшегося сильному окислению вздутия образуется небольшая продольная трещина (Рис. 2.7). В других случаях разрыв может иметь большие размеры и форму «рыбьего рта» (Рис. 2.8). Разрушение обычно приводит к образованию притупленных и слегка зазубренных краев. Рядом могут образоваться похожие, но меньшей величины, продольно ориентированные разрывы и трещины.
Цепочечная графитизация
При длительном перегреве может произойти повреждение несколько необычной формы - цепочечная графитизация. Это повреждение начинается, когда частицы карбида железа (они обычно присутствуют в обыкновенной углеродистой или низколегированной стали) разлагаются с образованием графитовых узелков в результате длительного перегрева при температурах выше 800°Ф (427°С). Графитовые узелки, если они равномерно распределены в стали, редко вызывают повреждения. Однако иногда они объединяются в цепочки, образуя расположенные в одной плоскости пустоты, заполненные графитом. Узелки обычно образуются в местах микроструктурных дефектов или в присутствии химических примесей, а также вдоль линий дей-
ствия напряжений. Напряжения, создаваемые внутренним давлением, вызывают разрушение металла вдоль цепочек узелков, во многом сходное с тем, как почтовый штемпель разрывай' бумагу вдоль перфорированных краев.
Цепочечная графитизация обычно обнаруживается в сварных швах (Рис. 2.9). Реже такие повреждения возникают вне сварных швов, образуя спиральные трещины на поверхности труб (Рис. 2.10). Эти повреждения иногда nf о овреждения. вызванные ползучестью, однако тщательные микроскопические исследования помогают выявить присутствие графитовых узелков на краях разлома или вблизи него.
Важнейшие условия для появления длительного перегрева
Длительный перегрев - проблема скорее хроническая, чем временная. Он является результатом длительного накопления отложений и/или продолжительных сбоев в работе системы. Образование значительных внутренних отложений - и на горячей, и на холодной сторонах экранных труб - часто свидетельствуют об изоляции ими стенки трубы от охлаждающего дейст вия воды, что и приводит к перегреву.
Опыт показывает, что при соотношении толщины отложений на горячей и холодной сторонах водоохлаждаемых труб, превышающем 3, подвод тепла со стороны топки с горячей стороны существенно выше, чем с холодной. Когда это отношение достигает 10, подвод тепла с горячей стороны по отношению к подводу с холодной может оказаться чрезмерным. Во многих случаях это отношение будет ниже 3: когда подвод тепла с горячей стороны
не слишком высок, когда химическая очистка воды недостаточна или когда вода содержит слишком большое количество химических загрязнений.
Перегрев могут вызвать отложения на трубах пароперегревателя, появившиеся из-за уноса и/или загрязненной охлаждающей воды. В большей части охлаждаемых паром труб перепад тепловых потоков между горячей и холодной сторонами не слишком велик. Получаемые в результате отложения скорее образуют загрязнения, чем чрезмерный подвод тепла. К другим причинам перегрева относятся пережог топлива, неправильный режим горения, недостаточный поток охлаждающей воды, неадекватный температурный контроль и сплавы неподходящего состава.
Идентификация длительного перегрева
Свидетельством длительного перегрева служит присутствующий вблизи места разрушения толстый, хрупкий слой магнетита. При чрезмерно завышенных температурах (кратковременном перегреве) снижение прочности металла таково, что разрушение происходит раньше, чем успеет образоваться значительное количество оксидов.
Образование вздутий и пластическая деформация почти всегда происходят. если труба находится под давлением. При разрушении в результате длительного перегрева на поврежденных участках обычно присутствуют вздутия и пластические деформации. Разрыв почти всегда продольный, в форме «рыбьего рта». Края разрыва могут быть тонкими или толстыми в зависимости от времени, температуры и уровня действующих напряжений. Возможно появление многочисленных вздутий.
На стороне воды обычно присутствуют отложения, часто плотные и слоистые. Они как правило «прикипаю! » к стенке и становятся твердыми и хрупкими. Отложения чаще всего состоят из нескольких слоев различного цвета и текстуры, причем внутренние слои наиболее тверды и прочно сцеплены с поверхностью.
Визуального осмотра вполне достаточно для выявления окисления, отслаивания и вздутии, Полезным источником информации часто служат результаты измерений во время эксплуатации, проводимые с помощью термопар. Наиболее падежным способом убедиться в том, что был длительный перегрев, должно стать металлографическое исследование разрушенной трубы.
Предупреждение длительного перегрева
Для устранения длительного перегрева необходимо исключить хронические дефекты системы. Коллекторы, U-образные изгибы, горизонтальные участки большой длины и самые горячие зоны подлежат контролю для обнаружения преград для потоков, накипи, отложений и других посторонних объектов. Избыточные отложения необходимо удалять химической или механической очисткой. а также принимать меры против их появления в дальнейшем. Должны быть проверены процедуры сжигания топлива, его теплотворная способность, а также рабочие температуры в топке вблизи зон перегрева. Небходим также пересмотр процедуры регулирования температуры впрыском охлаждающей воды. Если необходимо, должны быть введены изменения в состав кой
струкннонных сплавов, в экранирование труб, а также должно быть предусмотрено тщательно продуманное использование огнеупорных материалов.
Источник значительных отложений должен быть выявлен и устранен. Обычными причинами отложений могут быть нарушения в технологии обработки воды, загрязнения системы, ошибки в эксплуатации котла и/или чрезмерный подвод тепла. Каждая из возможных причин должна быть тщательно рассмотрена .
Меры предосторожности
Было бы ошибочным считать, что длительный перегрев автоматически вызывает значительные повреждения труб. В стенках труб при этом могут возникать небольшие микроструктурные изменения, но они практически не вызывают значительного уменьшения срока службы или прочности трубы. Однако, если перегрев продолжается слишком долго, вероятность повреждений значительно увеличивается.
Разрушения за счет'длительного и кратковременного перегрева могут выглядеть одинаково. Часто свидетельство и длительного, и кратковременного перегрева может присутствовать в одной и той же картине разрушения. Разрушения. вызванные длительным перегревом, иногда связаны с химической коррозией и другими причинами значительной потери металла, в то время как химическая коррозия при кратковременном перегрева происходит' крайне редко. Наличие коррозии не исключает действия длительного перегрева. Если после длительного перегрева последует значительный кратковременный перегрев, определение последовательности данных тепловых явлений может оказаться затруднительным без микроскопических исследований.
Сопутствующие проблемы
См. также Главу 1 («Отложения из воды и пара»); Главу 3 («Кратковременный перегрев»): Главу 4 («Щелочная коррозия») и Главу 14 («Повреждения. вызванные водородом»)
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 2.1
Ориентация образца:
Характеристики труб:
Продукты переработки газа
Пароперегреватель, 3 фута (1м) над подом топки вблизи центра котла
Фосфатная
Проектное 700 фунт/кв. дюйм (4,8 МПа), рабочее 600 фунт/кв. дюйм (4,13 МПа) Наружный диаметр - 2 дюйма (51 мм), SA-213-T22
Природный газ
Хрупкий черный слой магнетита покрывал внешнюю и внутреннюю поверхности трубы пароперегревателя. Оксид, образованный термическим путем, имел разломы и отслоения, что существенно уменьшило толщину стенки (Рис. 2.11). Утончение стенки было более значительным вдоль стороны секции, примыкающей к кирпичной стенке.
Рис. 2.11 Серьезное термическое окисление и скалывание магнетита на наружной поверхности. Слоистый характер накипи указывает на многочисленные анизолы преобразования сколов и оксидов.
Большая часть металла была потеряна с наружных поверхностей за счет термического окисления при температурах от 1100 до 1350°Ф (600-727’С). Движение газа по определенным каналам и повышенные температуры были характерны для стороны труб, примыкающей к кирпичной стенке. Эти факторы ускорили процессы окисления и скалывания.
В прошлом близлежащие трубы были разрушены в результате утончения труб, связанного с термическим окислением. На внутренних поверхностях отложений не было, и подачу охлаждающей воды не проводили. В данном периодически работающем котле ошлакования труб со стороны топки не было отмечено.
Разрушения становятся хронической проблемой, связанной с конструкцией и условиями эксплуатации системы. Близость разрушений к кирпичной стенке четко определяет в качестве их причины перегрев, связанный с конструкцией котла.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 2.2
Промышленность: Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Сталелитейная Центр точечного экрана Вертикальная 8
Программа водоочистки: фосфатная
Давление в барабане: Характеристики труб: Топливо: 1200 фунт/кв. дюйм (8,3 МПа) Наружный диаметр 3 дюйма (76 мм) Доменный газ
Продольные трещины и толстостенные разрушенные вздутия присутствовали вдоль горячей стороны этой секции (Рис. 2.12). Поверхности были покрыты неравномерным слоем желтовато-коричневого шлака, а внутренняя поверхность вблизи сквозной трещины приобрела пестрый вид.
Разрушение и растрескивание оыли вызваны очень длительным воздействием па металл температур от 850 до 1050°Ф (454-566°С). Йаличие признаков такого воздействия заставляет предположить, что воздействие данных температур могло продолжаться несколько лег. Перегрев был вызван чрезмерным подводом тепла по сравнению е расходом охлаждающей воды.
На близлежащих трубах были признаки подобных, хотя и менее серьезных, разру-
лее 20 г/кв. фуг (22 мг/см2). Последнюю очистку котла проводили за 3 года до аварии.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 2.3
Установка для производства энергосредств
Ориентация образца:
Вертикальная
Программа водоочистки:
Полимерная
620 фунт/кв дюйм (4,3 МПа) Наружный диаметр 3 дюйма (76 мм)
Каменноугольная пыль
Труба имеет несколько заметных вздутий, расположенных продольно на гребне горячей стороны (Рис. 2.2). Толстые слои твердого, прочно сцепленного с поверхностью оксида железа покрывают каждое вздутие, за исключением тех мест, где скалывание изменило местоположение оксида. Внутренние поверхности на горячей стороне трубы покрыты губчатыми отложениями. которые расположены поверх твердо-
сколько разрушений. Котел подвергался частым изменениям нагрузки и работал с
Длительный перегрев грубы происходил в местах вздутий при температурах от 950 до 1 )50°Ф (510-620oC). Причиной образования отложений был дисбаланс между расходом охлаждающей воды и подводом тепла со стороны топки. Вес отложений
на горячей стороне. Причинами отложения стали пересыщение раствора веществами с инверсной растворимостью, повышение их концентрации за счет испарения и механический упос пылевидного вещества.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 2.4
Ориентация образца: Срок службы, годы:
Сталелитейная
Пучек труб первичных пароперегревателей
Вертикальная подвеска 16
Полимерная
1200 фунт/кв. дюйм (8,3 МПа;
Наружный диаметр 2,25 дюйма (57 мм)
Коксовый газ
На прямых ответвлениях U-ооразнои секции имеются три оольшнх вздутия. Каждое из них на своей вершине имеет разрыв. Диаметр трубы в месте вздутия увеличен до 2.5 дюйма (64 мм) по сравнению с первоначальным диаметром 2.25 дюйма (57 мм). Вздутия показаны на Рис. 2.13 и 2.14. На внутренней поверхности отложения незначительны, в то время как наружные поверхности покрыты прочно сцепленным с поверхностью фрагментированным слоем оксида. Аналогичное разрушение произошло па других одиннадцати трубах. Котел работает на отходящем тепле слябинговой печи.
Рис. 2.13 Вздутый и разрушенный U-образный изгиб пароперегревателя; ГбрлзонтнльвыО истин трубы слегка расширились.
Перегрев трубы происходил в течение нескольких суток или больше при температурах свыше 1000°Ф (540°С), по ниже 1350°Ф (730°С). При высоких температурах происходило уменьшение прочности стенки, а также утончение и ослабление труб под влиянием термического окисления. В результате такого двойного эффекта Уменьшения прочности ла трубах возникли вздутия с последующим их разрывом.
Рабочие записи показали нов...сипе температуры пара почти на 100°Ф (56°С)
Приблизительно за 2 месяца до аварии. Это повышение совпало с изменениями в режиме Обогревав связи с переменами в работе слябинга.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 2.5
Установка по производству энергосредств Ввод в первичный пароперегреватель;
секция с самыми горячими топочными газами Горизонтальная
20
Фосфатная
1200 фунт/кв. дюйм (8,3 МПа)
Трубы с круговым сварным швом, наружный диаметр 2,25 дюйма (57 мм) После аварии уголь (серы 1 %, зольность менее 10%); в период за 6 месяцев до аварии использовали мазут (серы 2%, ванадия 200-400 ч/млн)
да, образованного при высоких температурах.
В секции произошло образование значительного продольного разрыва с толстыми краями, который появился рядом с кольцевым сварным швом. Разрыв произошел непосредственно за сварным швом, вызвав изгиб трубы в форме L. Разрушение на другом конце проявилось в виде пары поперечных разрывов с толстыми краями (Рис. 2,15). Толстый, прочно сцепленный с поверхностью слой магнетита по-
врывает наружные поверхности, за исключением участков рядом с разрывом, где оксид растрескался и откололся. На внутренних поверхностях имеются места, покрытые элементарной медью и другими отложениями.
Рис. 2.15 Значительный разрыл с толстыми краями, иы шинный пол-разрыва. Под действием рафьпш труба изогнулась под углом 90’
Разрушение было вызвано длительным перегревом при температурах свыше 1050°ф (570°С). Сам разрыв произошел за счет пластических деформаций (ползучести). Причинами были неравномерность потока охлаждающей воды за сварным швом, вызванная выступами шва внутрь трубы, а также внутренние отложения, которые привели к уменьшению теплопередачи. Кроме того, переход с мазута на Уголь наверняка привел к изменению подвода тепла со стороны топки.
Пароперегреватель ранее подвергался воздейст вию уноса котловой воды, а колебания нагрузки были обычным явлением. Не менее, чем за 2 года до рассматриваемой, в .этом же месте произошла предыдущая авария.
Глава
3
Кратковременный перегрев
Участки, наиболее подверженные кратковременному перегреву
Разрушения, вызванные кратковременным перегревом, практически происходят лишь в трубах, охлаждаемых паром и водой, включая сливные трубы, вертикальные экраны, своды, пароперегреватели и промежуточные пароперегреватели. Чаще всего разрушениям подвергаются пароперегреватели и промежуточные перегреватели из-за своей высокой рабочей температуры. Аварии, вызванные кратковременным перегревом, почти никогда не происходят в экономайзерах, где температуры не так высоки.
Когда происходит снижение уровня воды, часто происходят разрушения у верхней части топочных экранов вблизи паросборника. Одна разорванная труба среди других уцелевших труб заставляет предположить забивку или другие нарушения, вызвавшие затруднения в нормальном течении потока.
Ошибки в регулировании температуры обычно не вызываю т кратковре-
мепного перегрева, ио в этом случае может происходить длительный перегрев. Разрушения пароперегревателей и нагревателей могут также происходить в пусковой период, когда поток пара ограничен.
Общие сведения
Кратковременный перегрев происходит, когда температура трубы на короткий промежуток времени превышает проектные пределы. Во всех случаях температура металла достигает не менее 850°Ф (454°С) и часто превышает 1350°Ф (730°С). При определенных температурах авария может произойти в течение очень короткого промежутка времени. Ее причиной обычно становится нарушение режима работы котла. К условиям, приводящим к кратковременному перегреву, относятся частичное или полное засорение труб и недостаточный расход охлаждающей жидкости из-за нарушения режима и/или чрезмерного подвода тепла со стороны топки,
Важнейшие условия для кратковременного перегрева
Кратковременный перегрев возникает из-за необычного сочетания обстоятельств. например после сбоя в работе системы, действовавшего в течение короткого промежутка времени. Поэтому особенно важной для установления причины аварии может стать тщательная идентификация необычных событий, непосредственно предшествовавших аварии.
Поскольку кратковременный перегрев практически не связан с химическим составом воды, все внимание должно быть сосредоточено на технологических процедурах и конструкции системы. Произошла ли авария при пуске или остановке котла? Производилась ли недавно кислотная очистка? Не были ли забиты коллекторы или U-образные изгибы выше места разрыва? Не предшествовало ли данной аварии другое нарушение? Были ли изменения в режиме обогрева? Не было ли необычных колебаний нагрузки? Был ли нормальным уровень воды? Не происходило ли быстрое падение давления в котле до или во время аварии?
Идентификация кратковременного перегрева
Для идентификации кратковременного перегрева рекомендуют чаще всего применять металлографические исследования. Для проведения анализов необходимо разделение труб на секции. Другие методы идентификации признаны менее эффективными.
Для разрушений, вызванных кратковременным перегревом, часто бывают характерны несколько обстоятельств: равномерное расширение трубы, отсутствие значительных внутренних отложении, отсутствие большого количества образовавшегося при термическом воздействии магнетита, мощные разрывы.
Кратковременный перегрев может вызвать вздутие. При очень быстром перегреве могут происходить продольные разрывы с толстыми краями (Рис. 3.1) или продольные разрывы, имеющие форму «рыбьего рта» (Рис. 3.2).
Рис. 3.1 Продольный разрыв п трубе пароперегревателя, вызванный частичной забивкой грубы до места разрыва, которая, в свою очередь, вызвала кратковременный перегрев. Видны толстостсн-
с ним. Такие разрушения часто происходят. когда температура превышает 135О’Ф (730’0
При повышенных температурах прочность металла заметно снижается (Рис. 2.1). Действительно, если температура поднимается до очень высоких уровней, разрушение происходит очень быстро. Если это произошло, вздутие может отсутствовать, а разрушение будет очень мощным, иногда с изгибанием трубы почти пополам и с ее повторными разрывами (Рис. 3.3). В случае разрывов с толстыми краями окружность трубы в месте разрыва иногда почти в точности равна окружности трубы в стороне от разрыва. Окружность трубы можно приблизительно измерить с помощью куска веревки.
Края разрыва могут быть затуплены и могут сохранять первоначальную толщину стенки трубы, или толщина будет постепенно уменьшаться, и края наконец примут ножевую или долотообразную форму. В некоторых случаях диаметр трубы может равномерно расшириться без разрыва. Многочисленные вздутия обычно не образуются, но может появиться одно с разрывом, особенно если ранее уже происходил длительный перегрев (Рис. 3.4).
При быстром разрыве значительные внутренние отложения обычно отсутствуют, поскольку они вряд ли являются причиной разрушения. Кроме того, если отложения все же присутствуют, они обычно рассыпчаты и легко поддаются удалению мягким соскабливанием, не прикипая к поверхности, что характерно для длительного перегрева. Будет отсутствовать и накопленный толстый слой металла, подвергшегося термическому разрушению.
Предупреждение кратковременного перегрева
Решение проблемы кратковременного перегрева, который часто вызывается небольшими нарушениями рабочих условий, состоит в устранении этих Нарушений. Если есть подозрение в уменьшении расхода охлаждающей воды из-за забивки труб, необходима проверка коллекторов, барабанов, U-образных изгибов, длинных горизонтальных участков труб и других зон, в которых могут накапливаться остатки посторонних веществ. Это особенно касается тех случаев, когда авария происходит вскоре после очистки котла. Уровень воды в котле, процедуры сжигания топлива, а также процедуры продувки и пуска должны быть тщательно проверены. Особую настороженность должно вызывать возникновение кратковременного сбоя непосредственно после предыдущей аварии, которая могла нарушить циркуляцию, сместить отложения и продукты коррозии, а это, в свою очередь, могло повлиять на теплопередачу.
Меры предосторожности
Сам по себе продольный разрыв с толстыми краями не достаточен, чтобы гарантировать правильность диагностики кратковременного перегрева. Необходима чрезвычайная осторожность, если разрыв произошел в сварном или трубном шве или если вблизи разрыва обнаружены признаки износа металла. 1 азрывы с толстыми краями, вызванные кратковременным перегревом, мож
но легко принять за разрушения под действием д лительного перегрева из-за ползучести, за разрушения, вызванные водородным охрупчением или же определенными дефектами металла труб. Отсутствие отложений вблизи разрыва иногда можно объяснить счищающим действием жидкости, вытекавшей из места разрыва. Кроме того, кратковременный перегрев может произойти и после длительного перегрева. Для определения характера разрушения все эти механизмы обычно требуют металлографических исследований.
Микроструктурные изменения, происходящие в течение кратковременного перегрева, не всегда ведут к аварии. Кроме того, не обязательно заменять трубы, которые подверглись кратковременному перегреву. При перегреве значительное изменение механических свойств происходит далеко не всегда.
Сопутствующие проблемы
См. Главу 2 («Длительный перегрев»).
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 3.1
Местоположение образца:
Ориентация образца:
Срок службы, годы:
Давление в барабане: Характеристики труб:
Установка для производства энергосредств
Топочный экран, секция свода
Наклонная
Координированная фосфатная 1800 фунт/кв. дюйм (12,4 МПа) Наружный диаметр 2,5 дюйма (64 мм);
с внутренним рифлением Каменноугольная пыль
Данная секция свода топочного экрана с внутренним рифлением содержит большой разрыв с толстыми краями. Края имеют длину 12 дюймов (300 мм) и зазубренный контур (Рис. 3.5). Гладкие внутренняя и наружная поверхности покрыты тонкими, прочно сцепленными с поверхностью темными слоями оксидов. Значительные слои отложений нигде не обнаружены.
Авария произошла вскоре после пуска котла. Микроструктурные признаки указывают, что металл трубы вблизи разрыва подвергался воздействию температуры 1600°Ф (870°С). Никаких значительных отложений образованного под влиянием термического воздействия оксида па представленной секции обнаружено не было.
Внутреннее рифление иногда используют для уменьшения каналообразования в потоке пара и.подавления образования паровой подушки. На внутренних поверхностях никаких признаков образования паровой подушки или границы раздела жидкость - пар не обнаружено. Не было никаких изменении и в .микроструктуре металла с холодной стороны, указывающих на то, что труба содержала воду во время разрыва. Скорее всего разрыв был вызван недостаточным расходом охлаждающей жидкости во время пуска.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 3.2
Промышленность: Нефтеперерабатывающая
Местоположение образца: Ориентация образца: сРок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб: Электростанция, трубы вблизи паросборника Слегка наклонная 25 Фосфатная 800 фунт/кв. дюйм (5,5 МПа) Наружный диаметр 3,25 дюйма (S3 мм)
Котел, из которого была удалена труба, подвергался значительным колебаниям нагрузки после монтажа новых парогенераторов, утилизирующих отходящее тепло. Котел часто содержат в резервной готовности, поддерживая очень слабый обогрев или полностью отключая от системы. Пар низкого давления возвращают в па-росборни для небольшого подогрева (без циркуляции).
Произошло образование мощного продольного разрыва с тонкими краями. Вниз вдоль трубы от угла отверстия разрыва идет узкая прямая трещина (Рис. 3.6). Внутренние поверхности гладкие, за исключением неглубоких следов, оставшихся от инструмента после изготовления. В стороне от разрыва присутствует топкий равномерный слой светлых отложений.
Авария была вызвана серьезным перегревом, возникшим в результате ограничения подачи охлаждающей воды. Небольшой дефект (след от инструмента) совпал с линией разрыва, но он не мог послужить существенным фактором в образовании разрыва.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 3.3
Промышленность: Местоположение образца: Установка для производства энергосредств Пароперегреватель котла-утилизатора
Ориентация образца: Вертикальная
Срок службы, годы: Программа водоочистки:' Давление в барабане: Характеристики труб: 10 Полимерная 600 фунт/кв. дюйм (4,13 МПа) Наружный диаметр 3 дюйма (76 мм), со спирально
накрученными ребрами 7/16x3/16 дюйма (15 мм)
Топливо: Отходящее тепло после газовых турбин
Разрыв длиной 4.25 дюйма (108 мм) и шириной 1,6 дюйма (41 мм) находится в месте вздутия (Рис. 3.7). На внутренней и на наружной поверхности имеется толстый черный слой образовавшегося при термическом воздействии оксида, более толстый вдоль горячей стороны трубы. В трубе обнаружены отложения, содержащие натрий, кальций, кремний и железо, в количестве 38 г/кв. фут (41 мг/см'). Часто происходил унос котловой воды в пароперегреватель во время сильного подъема уровня воды и ее вспенивания. Котел никогда не чистили.
перегрев с разрушенном соседних труб.
Температура отходящих газов составляла 1200-1800°Ф (650-980°С). Труба подверглась разрушению вместе с несколькими другими трубами. Трубы, расположенные рядом с образцом, были разрушены в результате длительного перегрева (ползучести), в то время как другие - в результате кратковременного перегрева. Выло установлено. что секция в течение значительного периода времени подвергалась умеренному перегреву, однако была разрушена при внезапном кратковременном перегреве, когда температура превысила 1350°Ф (730°С). Возможно, кратковременный перегрев был вызван нехваткой охлаждающей жидкости вследствие утечек из других 'Разрушенных труб, расположенных выше по потоку.
Глава
Щелочная коррозия
Места коррозионных повреждений
Щелочная коррозия обычно происходит в следующих местах. I. Водоохлаж-даемыс трубы в зонах с большим расходом тепла. 2. Наклонные или горизонтальные трубы. 3. Места, расположенные под толстыми о тложениями. 4. Зоны теплопередачи вблизи подкладных колец в сварных швах или рядом с ними и другими устройствами, препятствующими нормальному потоку .
Общие сведения
Термины щелочное «выедание» и пластичное образование выемок относятся к коррозионному взаимодействию достаточно концентрированного раствора гидроксида натрия с металлом, в результате которого происходит образование отчетливых полусферических или эллиптических углублений. Эти углубления могут быть заполнены плотными продуктами коррозии, которые иногда содержат блестящие кристаллы магнетита. Иногда место коррозии бывает покрыто коркой твердых отложений и продуктов коррозии, содержащей кристаллы магнетита. Поврежденные поверхности металла имеют мягкую, закругленную форму.
Чувствительность стали к воздействию гидроксида натрия основана на амфотерном характере оксидов железа, т.е. оксиды железа корродируют в Условиях как низких, так и высоких значений pH (Рис. 4.1). Вещества с высоким значением pH, в частности гидроксид натрия, растворяют магнетит:
4NaOI-I + Fc3O4 -> 2NaFeO, + Na2FeO2 + 2H2O
Когда магнетит удален, гидроксид натрия может реагировать непосредственно с железом:
Fe + 2NaOH -> Na2FeO2 + H2
Важнейшие условия, приводящие к коррозии
Для щелочной коррозии необходимы два важнейших условия. Первое -присутст вие гидроксида натрия или солей, создающих щелочную среду (т.е. солей, раствор которых может образовать основание). Гидроксид натрия часто специально добавляют в котловую воду в количествах, не вызывающих коррозии. Он может также попадать в воду случайно, если в подпиточную воду попадут химические реагенты из умягчителя воды, восстанавливаемого путем добавки гидроксида натрия. Соли, создающие щелочную среду, могут также загрязнять конденсат в результате просачивания в конденсатор или попадания из технологических потоков. Плохо контролируемое или неисправно работающее оборудование для подачи химических реагентов также может стать причиной повышенной щелочности.
Второе условие - влияние механизма концентрирования. Поскольку гидроксид натрия и соли, создающие щелочную среду, редко присутствуют в количестве, достаточном для коррозии, должны существовать процессы, приводящие к их концентрированию. Существуют три основных механизма такого концентрирования.
1. Кризис пузырькового кипения (КПК). Термин пузырьковое кипение определят' условия, при которых на поверхности металла зарождаются
Разность температур,’С
•отдельные пузырьки пара. Обычно при формировании пузырьков пара на Металлической поверхности остаются мельчайшие твердые частицы, содержавшиеся в котловой воде, как правило, на поверхности раздела пузырьков неводы. Когда пузырек отделяется от поверхности металла, вода будет вновь растворять такие растворимые вещества, как гидроксид натрия (Рис. 1.1).
В начале появления пузырькового кипения скорость образования пузырьков превышает скорость растворения. В этих условиях начнется концентрирование гидроксида натрия, а также других растворимых твердых веществ или взвешенных твердых частиц (Рис. 1.3 п Рис. 4.2). Присутствие концентрированного гидроксида натрия и других концентрированных веществ. вызывающих коррозию, приведет к разрушению тонкой пленки оксидов железа, что вызовет потери металла.
В условиях полного развития процесса пузырькового кипения формируются устойчивая паровая пленка или подушка. Коррозионные вещества концентрируются на краях этой подушки, что вызовет потери металла по периметру. Металл, покрытый подушкой, остается относительно неповрежденным.
2- Отложения. Подобная же ситуация возникает, когда отложения эк-ЩаИйруют металл от основной массы воды. Пар, который образуется под таким термически изолирующим отложением, выходит из-под него, оставляя агрессивный остаток, который может глубоко въесться в поверхность Зтеталла (Рис. 4.3).
3- Испарение по краям уровня линии воды. Если уровень воды существует, при ее испарении может происходить концентрирование агрессивных ве-Щесгв. что в результате приводит к коррозии металла по краям уровня воды.
В горизонтальных или наклонных трубах может происходить образование пары параллельных продольных канавок (Рис. 4.4). Если труба почти заполнена водой, параллельные канавки сольются вместе в одну горизонтальную продольную выемку, расположенную в верхней части трубы (Рис. 4.5). В вертикально расположенных трубах сконцентрированные агрессивные вещества по краям уровня воды будут вызывать образование выемки по окружности тру-
Идентификация щелочной коррозии
Если к поврежденной поверхности возможен доступ, щелочная коррозия может быть обнаружена простым визуальным осмотром. Если доступа нет. то могут потребоваться неразрушающие методы испытаний, например ультразвуковой метод. Для идентификации щелочной коррозии может быть также проведено исследование пара с применением водородного анализатора.
Рис. 4.4 Щелочное «выедание» по продольной линия уровня волы (Сразрешения Национальной
Предупреждение щелочной коррозии
При одновременном присутствии гидроксида натрия или солей, создающих щелочную среду, и действии механизма концентрирования вероятность щелочной коррозии резко возрастает. Ниже перечислены меры, которые помогут исключить коррозию, вызванную гироксидом натрия или солями, создающими щелочную среду.
Уменьшение количества свободного гидроксида натрия. Это базовая концепция, которая служит основой для координированных программ фосфатной очистки, применяемых в котлах высокого давления.
Предотвращение случайного попадания химических реагентов, обеспечивающих щелочную регенерацию, из деминерализаторов подпиточной воды.
Предотвращение попадания солей, создающих щелочную среду, в конденсаторы. Благодаря мощным концентрирующим механизмам, которые могут действовать в котле, попадание загрязнении в количестве лишь нескольких частей на миллион частей воды Может оказаться достаточным, чтобы вызвать локализованную коррозию.
Предотвращение загрязнения пара и конденсата технологическими потоками.
Приведенные выше меры помогут исключить коррозию, которая происходит в присутствии гидроксида натрия или солен, создающих щелочную среду, однако предотвращение локализованного концентрирования считается наиболее эффективным средством предотвращения щелочной коррозии: в то же время его выполнение представляет наибольшие трудности. Ниже перечислены методы предотвращения локализованного концентрирования.
Предотвращение кризиса пленочного кипения. Это обычно требует исключения участков локального перегрева, что достигается регулированием рабочих параметров котла. Образование участков перегрева происходит в результате чрезмерного пережога или недожога топлива, неправильной регулировки горелок, перехода па другое топливо, образования каналов при движении газов, чрезмерной продувки и т.п.
Предотвращение значительных отложений на стороне воды.
Для измерения относительной толщины и количества отложений, накопившихся па трубах, рекомендуют периодическое (обычно ежегодное) проведение пробоотбора труб. Практика отбора образцов труб приведена в стандарте ASTM D887-82. Следует обратиться к изгот овителям котлов за рекомендациями по кислотной очистке.
Предотвращение образования уровня воды в трубах. Наклонные и горизонтальные трубы особенно подвержены образованию уровня воды. Работа котла при чрезвычайно низких уровнях воды шш чрезмерно
высокие скорости продувки могут стать причиной образования уровня воды в трубах. Его образование может происходить также при чрезмерном снижении нагрузки, когда давление остается постоянным. В данной ситуации скорость воды в котельных трубах иногда снижается до части скорости. соответствующей полной нагрузке; Если скорость становится достаточно низкой, происходит расслоение пар - вода, что создает стабильные или метастабильные уровни воды.
Меры предосторожности
С помощью простого визуального осмотра очень трудно отличить локализованное воздействие веществ с высоким значением pH от локализованного воздействия веществ с низким значением pH. Может потребоваться формальное металлографическое исследование. При этом значительную помощь может оказать оценка разновидностей поддающихся концентрированию агрессивных веществ, которые могут загрязнять котловую воду.
Поскольку продукты коррозии могуг заполнять углубления, образовавшиеся в результате щелочной коррозии, возможна ошибочная оценке степени и глубины повреждения участка, и можно даже не заметить существующие места коррозии. Прощупывание подозреваемой зоны с помощью твердого остроконечного инструмента может помочь в этом, однако, поскольку продукты коррозии часто имеют очень большую твердость, место коррозии может остаться необнаруженным. Наличие блестящего кристаллического магнетита не обязательно указывает на результаты щелочной коррозия.
Сопутствующие проблемы
См. также Главу I («Отложения из воды и пара») и Главу 6 («Коррозия при Низких значениях pH в эксплуатационный период»).
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 4.1
Ориентация образца:
Программа водоочистки:
Давление в барабане:
Установка для производства энергосредств Задняя стенка энергетического котла Вертикальная
Координированная фосфатная
1500 фунт/кв.дюйм (10,3 МПа)
Наружный диаметр 2,75 дюйма (70 мм)
Выемка была обнаружена через
При визуальном осмотре были обнаружены твердые слои черных кристаллических продуктов коррозии, покрывающих место воздействия. Измерение показало 42%-ное уменьшсни толщины стенки трубы. Микроскопические исследования выявили умеренный перегрев в зоне коррозионной выемки. Было установлено, что ответственными за концентрирование щелочи в этом случае стало пленочное кипение, а не отложения. В качестве причин предполагали также пережог топлива во время пуска котла и низкий расход питательной воды.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 4.2
Промышленность: Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб: Топливо:
Установка для производства энергосредств Вход в камеру, топочный экран Вертикальная и наклонная, S-образная 25
Координированная фосфатная
2000 фунт/кв. дюйм (13,8 МПа)
Наружный диаметр 3 дюйма (76 мм)
Размолотый уголь
Установка для производства энергосредств Вход в камеру, боковой экран Вертикальная и наклонная, S-образная 25
Координированная фосфатная
2000 фунт/кв. дюйм (13,8 МПа)
Наружный диаметр 3 дюйма (76 мм) Размолотый уголь
При визуальном осмотре рядом с закруглением был обнаружен утолщенный участок т вердых продуктов коррозии (Рис. 4.7). Прорыва в стенке нс произошло, однако поперечный разрез через это место показал существенную потерю металла (Рис. 4.8).
Образование выемки произошло под действием гидроксида натрия, концентрация которого увеличилась до агрессивного уровня вдоль участка стабильной паровой подушки или. возможно, на изолированном участке отложении. выполняющих роль термоизоляционного слоя. Разрушения данного типа в данной зоне котла прежде не происходили. Котел 4 года назад прошел хелатную очистку, н его эксплуатацию про-водилии в пиковых условиях. Более тщательный контроль над программой водооочи-стки смог бы помочь в предотвращении подобных разрушений в будущем.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 4.3
Промышленность: Установка для производства энергосредств
Местоположение образца: Труба фильтра подового шлака Ориентация образца: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб:
Наклонена на 15
Координированная фосфатная 2200 фунт/кв. дюйм (15,2 МПа)
Наружный диаметр 3 дюйма (76 мм)
В нижних трубах шлакового фильтра котла стало расти число небольших утечек. Одна из протекающих груб была извлечена для обследования.
На рис. 4.9 показано, как выглядит внутренняя поверхность в зоне утечек, В рифленой трубе в центре большого эллиптического участка, где происходили значительные потери металла, было обнаружено небольшое отверстие на гладкой поверхности металла с закругленным контуром (Рис. 4.10), покрытой толстой кучкой неправильней формы из произвольно расслоенных оксидов железа. На остальной части внутренней поверхности никаких потерь металла не было*.
Поскольку отложений не было, а признаки уровня воды также отсутствоввали. можно предположить, что концентрирование щелочного вещества было вызвано чрезвычайно локализованным непузырьковым кипением. Рифление внутренней по-
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 4.4
Промышленность: Химическая промышленность, аммиачная установка
Местоположение образца: Кртел-угилизатор низ пучка U-образных труб
Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: 8 Координированная фосфатная 1500 фунт/кв. дюйм (10,3 МПа)
Характеристики труб: Топливо: Наружный диаметр 0,75 дюйма (19 мм) Газ е реформинг-установки
Большое продольное отверстие было обнаружено в секции этой трубы. Разрушение произошло в результате утончения ее внутренней поверхности. Потери металла были сосредоточены в верхней части трубы, а участок с потерей металла имел длину около 19 дюймов (483 мм) (Рис. 4.11).
Обследование выявило отчетливую канавку, расположенную на внутренней поверхности вдоль верхней части трубы; ширина и глубина этой канавки постепенно уменьшались по мере loro, как труба приобретала вертикальную форму. Коррозия вертикальных поверхностей не происходила. Поверхность канавки была очень слал-Ной, слегка закругленной и была покрыта неравномерным слоем черного оксида железа. Поверхность по периметру канавки отличалась многочисленными глубокими полусферическими раковинами, которые образовали четко выраженную полосу
Рис. 4.11 Канавка на рассгояшш около I4 дюймов (356 мм) от сквозного отверстия
Канавка образовалась в результате концентрирования гидроксида натрия в связи с накапливанием пара и его каналированием вдоль верхних горизонтальных и наклонных участков внутренних поверхностей. В дополнение к той значительной роли. которую сыграла горизонтальная и наклонная ориентация трубы, накапливание пара происходило из-за чрезмерного подвода тепла в панной зоне или неправильного движения потоков охлаждающей воды по трубам. Проблему можно было бы решить снижением подвода тепла в данной части котла или увеличением скорости воды, проходящей по трубам.
Такие разрушения можно также предотвратить путем использования рифленых труб. Болес тщательный контроль над программой химической обработки воды для котла также смогла бы помочь в устранении разрушений данного типа.
Рис. 4.12 Полоса полусферических раковин ралом с канавкой (увеличение в 6.5 раз).
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 4.5
Промышленность:
Ориентация образца:
Программа водоочистки:
Давление в барабане:
Сахарная
Верхняя часть вертикального стояка у входа в паровой коллектор
Наклонная
Полимерная
450 фунт/кв. дюйм (3,1 Мпа)
Внутренний диаметр 3 дюйма (76 мм)
Мазут № 6
Визуальные обследования выявили наличие продольной канавки на внутренней поверхности вдоль верхней части трубы (Рис. 4.13). Сквозное отверстие отсутствовало, однако до 60% стенки трубы оказались изъеденными коррозией.
виде отчетливой полосы (Рис. 4.14). которая сужается и заканчивается заострением У ввода трубы в паровой коллектор. В канавке и вокруг нее видны блестящего черные кристаллы магнетита. В целом аналогичному воздействию подверглись шесть рядом расположенных труб.
Каналированное движения пара вдоль верха наклонной секции привело к кой-центрировапню гидроксида натрия. Такое каналирование может указывать на локальный или общин чрезмерно высокий подвод 'тепла. Если соответствующее пзме-
стать применение рифленых труб.
Котел с указанными нарушениями находился в непрерывной эксплуатации в течение двух периодов по 100-150 дней в году: в промежутках между ними его эксплуатация прерывалась.
Рис. 4.14 Внутренняя новерх1Юси; со слеламп «выеденного» металла
Глава
5
Хелатная коррозия
Участки, наиболее часто подвергающиеся хелатной коррозии
Наиболее часто подвергается хелатной коррозии паросборник. Этому виду коррозии наиболее подвержено оборудование, используемое для отделения пара, особенно то, которое предназначено для центробежного отделения пара. Хелатная коррозия может дейст вовать в линиях распределения питательной воды, в экономайзере, на концах сливных труб и в зонах высоких тепловых потоков в охлаждаемых водой трубах. Могут также корродировать крыльчатки из меди и медных сплавов у насосов подачи питательной воды, если они подвергаются действию хелатных добавок.
Общие сведения
Концентрированные хелатные добавки могут воздействовать на магнетит в Соответствии со следующей реакцией:
Fe3O4 + Fe + 8Н‘ + 4( «хелат») -» 4Ре(П)(«хелат») + 4Н,О
Поверхности, подвергшиеся хелатной коррозии, обычно имеют гладкий вид без резко выраженных особенностей. В тех ситуациях. когда жидкость движется с достаточно высокой скоростью, поверхности могут иметь плавный контур с метками в виде «хвоста кометы» и подковообразными углублениями (Рис. 5.1). Эти особенности ориентированы в направлении движения потока. Металлическая поверхность неравномерно покрыта субмикроскопической матовой или блестящей пленкой черного вещества. Поверхность после хелатной коррозии свободна от отложений и продуктов корро-’зии.так как они уже подверглись воздействию хелата.
Иногда, если в чрезмерно больших количествах присутствует кислород, внешний вид металла меняется. Корродировавшая поверхность принимает вид четко выраженных островков целого металла, окруженных гладкими плоскими участками изъеденного металла (Рис. 5.2). Есть сообщения о том. что влияние хелатных добавок привело к образованию зазубренных шероховатостей, подобных тем. которые образуются при воздействии сильной кислоты.
Важнейшие условия для возникновения хелатной коррозии
Хелатная коррозия может происходить при различных условиях. Есть сообщения, что коррозия происходит при передозировке хелатных добавок. Однако при рекомендованных остаточных содержаниях хелата коррозия возможна в зонах, в которых действует механизм его концентрирования. Основным и, возможно, единственный механизмом концентрирования остается испарение, поэтому хелатная коррозия может происходить там, где происходит кризис пузырькового кипения (Рис. 5.3).
Хелатная коррозия разделительного оборудования в паросборниках , у которых нет поверхностей теплопередачи, явно связана с высокими скоростями движения жидкости. Этот вид коррозии особенно чувствителен к эрозионному действию высокоскоростных потоков жидкости и иногда встречается там, где они существуют, даже в отсутствие теплопередачи. Избыток растворенного кислорода, возможно, приводит к его синергическому действию совместно с избыточными количествами хелатных добавок, вызывая образование зазубренных контуров на поверхности металла.
Идентификация хелатной коррозии
Хелатная коррозия может быть обнаружена визуально, если к поврежденному оборудованию возможен доступ. Когда же доступ очень ограничен, как это имеет место в случае труб, могут быть использованы методы нераз-рушающих испытаний, например, ультразвуковые.
Внутренние детали паросборников особенно чувствительны к хелатной коррозии. В случаях разрушительной коррозии от корпуса циклонных сепараторов находили лишь кружевоподобные остатки.
Предупреждение хелатной коррозии
Важнейшим требованием является тщательное регулирование концентрации хелатных добавок и контроль над содержанием растворенного кислорода. Для предотвращения хелатной коррозии могут быть приняты определенные меры.
Во-первых, особое внимание потребуется в условиях плохого качества питательной воды, а также в чех случаях, когда хелатные добавки вводят в неочищенные котлы. Во-вторых, устранение мест перегрева в топке сможет предотвратить хелатную коррозию в охлаждаемых водой трубах. Причиной появления мест перегрева часто становятся ошибки в эксплуатации котла или в его техническом обслуживании, а также недостатки его конструкции. Чрезмерный пережог или недожог топлива, неправильно отрегулированные горелки; переход на другое топливо, каналирование газа, чрезмерная продувка и повреждения в огнеупорном покрытии также приводят к возникновению мест перегрева. Ущерб от хелатной коррозии во многих случаях может быть уменьшен или полностью ликвидирован путем снижения скоростей жидкости и устранения турбулентности движения потока.
Меры предосторожности
Хелатная коррозия может приводить к образованию на металлической поверхности пятна с ровным контуром без каких-либо особенностей. Эта черта совместно с тем фактом, что поврежденные халатной коррозией металлы обычно имеют черную поверхность без четко выраженных признаков коррозии, маскирует весьма активное действие коррозии. В данных случаях его можно определить путем измерения толщины стенки в подозреваемых зонах.
Простая эрозия под действием потока пара или воды, движущегося с высокой скоростью, может также приводить к повреждениям поверхности, которые очень похожи на действие хелатной коррозии.
Необходимо принятие всех возможных мер, чтобы исключить воздействия хелатных добавок на медные сплавы.
Сопутствующие проблемы
См. также Главу 7 («Коррозия при низких значения pH во время кислотной очистки»), и Главу 17 («Эрозия»),
Промышленность:
Местоположение образца:
Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб: Средство обогрева:
Металлургическая
Экранные трубы в нижней части коллектора
топочного экрана
Вертикальная
Хелатная
900 фунт/кв. дюйм (6,2 МПа)
Внутренний диаметр 2,5 дюйма (63 мм) Мазут № 6 и различные сбросные газы
При гидронспытаннях произошло разрушение секции, соседней с трубой, показанной на Рис. 5.4. Значительные внутренние потери металла оказались на длине от 6 до 9 дюймов (I52-229 мм) в каждой из четырех соседних труб. Потери металла внутри подвергшейся разрушению зоны были различны. В зонах серьезных потерь металла поверхность была гладкой и волнообразной. В зонах умеренных потерь были видны отдельные изолированные раковины.
Чрезвычайно локализованная коррозия в этой секции свидетельствует о важной роли, которую играют скорость и турбулентность потоков жидкости в эрозионно-коррозионном процессе с участием хелатных добавок. Потерь металла больше в зонах турбулентности у входа в трубу из коллектора. Коррозия становится умеренной по мере удаления ог входа, пока она не прекратится полностью там. где установлен ламинарный режим движения потока. Один хелатные добавки не достаточно агрессивны. чтобы вызывать коррозию - потери металла происходят благодаря их синергическому действию совместно с локальной турбулентностью.
Промышленность:
Местоположение образца: Ориентация образца:
Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб: Топливо:
Металлургическая
Экранная труба
Вертикальный изгиб
25
Хелатная
800 фунт/кв. дюйм (5,5 МПа)
Внутренний диаметр 3 дюйма (76 мм)
Доменный газ
впервые. Произошел разрыв с тонкими краями, вдоль внутренней поверхности трубы образовалось множество подковообразных раковин, ориентированных в направлении потока. Микроструктурные исследования установили, что перегрева нс было.
Разрушение произошло на холодной стороне трубы. Изоляция, использованная для защиты холодной стороны 'грубы, по-видимому, была разрушена ударами струн пара, выбрасываемого из протекающей трубы пароперегревателя. Горячие топочные газы, которые достигали незащищенной обратной стороны трубы, вызывали нестабильное пленочное кипение и кОнЦентйрованиё хелата в котловой воде.
лата и повышенной скорости жидкости. вызвавшей утончение трубы со стороны внутренней поверхности. Утончение стенки трубы продолжалось до тех пор. пока напряжения, создаваемые нормальным внутренним давлением, нс превысили сопротивление разрыву утонченной стенка трубы.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 5.3
Промышленность: Химическая технология
Местоположение образца: Крыльчатка насоса для подачи питательной поды
Ориентация образца: Вертикальная
Срок службы, годы: Программа водоочистки: Характеристики труб: Материал: 3 Хелатная Внутренний диаметр 8 дюймов (203 мм) Бронза
Крыльчатка, показанная па Рис. 5.5. была снята с пятой ступени насоса для подачи питательной воды. Видны обширные зоны общего износа. Места потери .металла в принципе ограничены зонами высокой турбулентности, в частности кромками .то-
Тщательное обследование разрушенных поверхностей под стереомикроскопом с
небольшим увеличением обнаружило дендриты и другие микроструктурные следы литья. Хелатные добавки вызывают коррозионное разрушение мели и медных сплавов, поэтому их следует вводить в процесс по ходу потока ниже оборудования с крыльчатками из медных сплавов.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 5.4
Промышленность:
Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане*. Характеристики труб:
Пивоварение
Конец сливной трубы со стороны паросборника 10-15° от вертикали
35
Хелатная
485 фунт/кв. дюйм (3.3 МПа)
Внутренний диаметр 2,5 дюйма (63 мм)
Ча Рис, 5.6 показано, как выглядит внутренняя поверхность 12-тн соседних циркуляционных труб, которые подверглись действию серьезной внутренней коррозии. Несмотря на то, что в течение 17 лег применяли одну и ту же программу обработки
Рис. 5.6 Внутренняя поверхность славной трубы.
Подвергшиеся ее воздействию трубы расположены в копие котла на расстоянии в 9 дюймов (229 мм) от линии ввода питательной воды в паросборник. Высказано предположение о том, что питательная вода проходила через эту зону но самому короткому пути.
Внутренняя поверхность сланной трубы со следами хелатной коррозии. которой ыюсоб-
По всему краю уровня воды в паросборнике, а также в камерах отделения пара, видны результаты точечной кислородной коррозии. Они служат свидетельством того. что в питательной воде был избыток растворенного кислорода. Слишком большие концентрации кислорода совместно с присутствием хелатных добавок н привели к наблюдаемой коррозии. На поверхности участков коррозионного разрушения в результате потери металла образовались ровные, закругленные и волнообразные контуры повреждений и островки неповрежденного металла (Рис. 5.7)
Вся внутренняя поверхность была слегка покрыта отложениями и оксидами железа. Под слоем отложении и оксидов подвергшийся коррозии металл был покрыт тонкой блестящей пленкой. Слой оксидов и отложений, покрывающий корродировавшие поверхности, показывает, что коррозия нс всегда была активна и что. следовательно, она действовала с перерывами, а нс постоянно.
Разрушения данного типа можно предотвратить, строго контролируя уровень содержания растворенного кислорода. Решению нроолемы может также способствовать устранение короткозамкнутого потока питательной воды.
Глава
6
Коррозия при низких значениях pH в эксплуатационный период
Участки, наиболее часто подвергающиеся коррозии
Обычно кислотная коррозия, происходящая в период эксплуатации, oipa-ничеиа водоохлаждаемыми трубами в зонах интенсивных потоков тепла, наклонными или горизонтальными трубами, местами под сильными отложениями и зонами теплопередачи в точках расположения подкладных колец в сварных швах или рядом с ними, а также рядом с другими устройствами, которые нарушают поток воды.
Общие сведения
Снижение pH во всей массе воды может происходить, хотя и относительно редко, при поступлении в котел некоторых загрязнений. В котлах, которые работают на воле с низкой буферной способностью, может происходить снижение величины pH основной массы воды ниже 5, если она загрязнена морской водой, соляной или серной кислотой.
Однако в данной главе рассматриваются более вероятные возможности появления условий для локализованных значений pH. Для создания таких условий должны одновременно действовать два обстоятельства. Во-первых, котел должен работать без соблюдения рекомендованных химических рабочих параметров. Это может произойти, если возникнут утечки в конденсаторе при использовании морской воды или воды из системы циркуляции воды, содержащей градирни. Другим источником загрязнений могут стать попадающие в систему питательной воды химические регенты для кислотной регенерации из деминерализатора подпиточной воды.
Вторым условием, которое должно существовать для образования низких значений pH. является механизм концентрирования солен, создающих кислотную среду. Это условие существует гам. где происходит кипение, а присутствие пористых или т рещиноватых отложений препятствует нормальному перемешиванию. В присутствии отложений и трещин концентрирование солей, создающих кислотную среду, может привести к гидролизу и созданию локальных низких значений pH, в то время как основная масса воды остается щелочной.
М+СГ + Н2О -» MOI-14-+ Н+СГ
При низком значении pH тонкая пленка оксида железа растворяется, и начинается коррозия металла. Результатом становится разрушение массы металла. В местах потери металла на поверхности образуются впадины с ровными закругленными контурами, напоминающие результаты щелочной коррозии. Изъеденные участки часто бывают покрыты оксидами железа, не защищающими от коррозии.
Важнейшие условия для снижения pH
Снижению pH способствуют два решающих условия. Первое из них - наличие свободной кислоты или солей, создающих кислотную среду (т.е. кислых солей, раст воры которых в воде могут становиться кислотой). Случайное поступление свободной кислоты может происходить в результате попадания в подпиточную воду химических реагентов для кислотной регенерации деминерализатора подпит очной воды. Соли, создающие кислотную среду, могут загрязнять конденсат в результате просачивания через конденсаторы или попадания из технологических по токов. Под влиянием мощного механизма концентрирования. который может действовать в котле, попадание загрязнений в количестве всего нескольких частей на миллион может оказаться достаточным, чтобы вызвать локальную коррозию при низких pH без буферной защиты котловой воды. Загрязнения, оставшиеся после химической очистки, плохо регулируемое или неисправное оборудование для химической обработки питательной воды может'также способствовать локальному снижению значений pH.
Вторым важным условием служит' механизм концентрирования. Поскольку свободная кислота или соли, создающие кислотную среду, обычно не присутствуют в общей массе воды в количест ве, достаточном для коррозии, должны существовать определенные условия для их концентрирования. Известны три основных механизма концентрирования.
1 .Кризис пузырькового кипения (КПК). Термин пузырьковое кипение относится к условиям, когда отдельные пузырьки пара зарождаются на поверхности металла. Обычно при формировании пузырьков пара на металлической поверхности будут концентрироваться мельчайшие твердые частицы, содержащиеся в котловой воде, чаще всего на границе раздела пузырьков и воды. Когда пузырек отделяется от поверхности металла, вода будет вновь растворять выделившиеся твердые растворимые вещества ( Рис. I. I).
Н начале выхода из режима пузырькового кипения скорость образования пузырьков превышае т скорость растворения. В этих условиях начнется
концентрирование растворимых твердых веществ или взвешенных твердых частиц (Рис. 1.3). Присутствие концентрированных веществ, вызывающих коррозию, может повредить тонкую пленку оксидов железа, что вызовет разрушение металла.
В условиях полного развития кризиса пузырькового кипения произойдет формирование устойчивой паровой подушки. Вещества, вызывающие коррозию, будут концентрироваться на краях подушки, что приведет к разрушению металла по се периметру. Внутри подушки металл останется относительно неповрежденным.
2.Отложения. Подобная же ситуация возникает, когда отложения изолируют металл от основной массы воды. Пар. который образуется под таким теплоизолирующим отложением, выходит наружу, оставляя коррозионный остаток, ко торый может глубоко въедаться в поверхность металла (Рис. 4.3).
3.Испарение по краю уровня воды. Если существует уровень воды, может произойти коцентрнрование агрессивных веществ в результате испарения воды, что может привести к выеданию металла по краю уровня воды. В горизонтальных или наклонных трубах может произойти образование пары параллельных продольных канавок. Если труба почти заполнена водой, параллельные канавки сольются в одну, и образуется горизонтальная продольная выемка, протянувшаяся по верху трубы. В трубах с вертикальной ориентацией концентрирование коррозионных веществ по краю уровня воды будет вызывать образование выемки по окружности трубы.
Идентификация коррозии при низких pH
Простого визуального осмотра будет достаточно, если возможен легкий доступ к корродирующей поверхности. В противном случае MOiyr потребоваться методы псразрушающих испытаний, например ультразвуковой метод. Для обнаружения коррозии при локальных низких значениях pH можно также проводить исследование пара с применением водородного анализатора.
Предупреждение коррозии при низких значениях pH
При одновременном присутствии свободной кислоты или кислых солей и действии механизма концентрирования создаются условия для коррозии при локальном снижении величины pH. Для предупреждения коррозии, обусловленной присутствием свободной кислот ы и кислых солей, рекомендовано применение следующих мер.
Предотвращение случайного выброса химических реагентов, применяемых для кислотной регенерации, из деминерализатора подпиточной воды.
• Предотвращение просачивания солей, образующих кислоту, йапример хлоридов кальция и магния, в конденсаторы. Благодаря мощному механизму концентрирования. ко торый может действовать в кот
ле, попадание загрязнений в количестве всего нескольких частей на миллион может оказаться достаточным, чтобы вызвать локальную коррозию,
Предотвращение загрязнения пара и конденсата технологическими потоками.
Указанные меры смогут устранить коррозию, вызванную присутствием свободной кислоты или солей, которые создают кислотную среду, однако наиболее эффективной мерой предотвращения коррозии при пониженных pH остается предупреждение локализованного концентрирования, Осуществление данной меры связано с наибольшими трудностями. Существуют следующие методы предотвращения локального концентрирования.
Предотвращение пузырькового кипения. Это обычно требует исключения мест перегрева, что достигается правильным регулированием рабочих параметров котла. Места перегрева образуются в результате чрезмерного пережога или недожога топлива, ошибок в регулировке горелок, перехода на топливо другого вида, каналирования при движении газов и чрезмерной продувки.
Предотвращение избыточных отложений на стороне воды. Можно проводить периодический отбор образцов груб (обычно ежегодно) для измерения относительной толщины и количества отложений, образующихся в трубах. Практика отбора образцов труб приведена в стандарте ASTM D887-82. Могут оказать помощь рекомендации изготовителей котлов, касающиеся процессов кислотной очистки.
Предотвращение образования уровня воды в трубах. Наклонные и горизонтальные грубы особенно подвержены образованию уровня воды. К их появлению в трубах могут привести работа котла при чрезвычайно малом заполнении водой или чрезмерно высокие скорости продувки. Границы уровня воды могут также появиться при чрезмерном снижении нагрузки, когда давление остается постоянным. В этой ситуации скорость воды в котельных трубах снизится до части скорости при полной нагрузке. Если скорость воды становится достаточно низкой, начинается расслоение пар - вода, что создаст стабильные или метастабильные уровни воды.
Меры предосторожности
Один лишь визуальный осмотр недостаточен, чтобы отличить локальную коррозию при низкой величине pH от коррозии при высокой величине pH. Определение различий между двумя данными видами коррозии может потребовать применения классических методов металлографического исследования. При определении различий может помочь оценка природы концентрирующихся коррозионных веществ, которые могут загрязнять котловую воду.
Поскольку продукты коррозии могут заполнять выемки, образованные в результате коррозии при низкой величине pH. можно неправильно оценить степень и глубину корродировавшего участка или даже не обратить внимания на место коррозии. Прощупывание подозреваемой зоны с помо-
шью твердого острого инструмента может помочь в этом определении, од-
нако, поскольку продукты коррозии часто имеют высокую твердость, место коррозии может остаться не обнаруженным.
Сопутствующие проблемы
См. также Главу 4 («Щелочная коррозия») и Главу 14 («Повреждения под действием водорода»).
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 6.1
Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб:
Установка для производства энергосредств
Боковой экран
Вертикальная
35
Координированная фосфатная
2000 фунт/кв. дюйм (13,8 МПа)
Внутренний диаметр 3 дюйма (76 мм)
Рис. 6.1 Разрутснис трубы » результате пыеланпя металла яри низком pH
Глубокие повреждения па внутренней поверхности (увеличение в 7.5 раз).
На Рис. 6.2 видны степень коррозионного выедания и его внешние признаки. Выемка заполнена толстым слоем твердых оксидов железа и элементарной меди. (Основные изъеденные места оказались расположенными после окружных сварных швов.)
Анализ продуктов коррозии с внутренней поверхности выемки показал присутствие значитшшного количества хлоридов.
Высокий процент случаев коррозии в местах непосредственно после окружных сварных швов показывает, что основной причиной возникновения участка концентрирования коррозионных веществ стало прерывание потока воды, вызванное свар-
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 6.2
Промышленность:
Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб:
Установка для производства энергосредств
Боковой экран
Слегка наклонная
26
Координированная фосфатная
1900 фунт/кв. дюйм <13,1 МПа)
Внутренний диаметр 3,25 дюйма (83 мм)
На Рис. 6.3 и 6.4 показано мощное разрушение, которое произошло в отдельной зоне больших потерь металла вдоль внутренней поверхности трубы. Окружающие участки внутренней поверхности не были разрушены и оставались достаточно ровными. Микроструктурные исследования выявили в стенках трубы ниже зоны коррозии обширные повреждения под дейст вием водорода.
Разрушение. связанное с коррозионным вйшанисм при ипзипом pH.
Внешний вид и микроструктурные признаки поврежденного участка соответствовали картине коррозионного повреждения при низких значениях pH. Водородные повреждения, которые ассоциируют с низкими pH, показывают, что коррозия происходила в процессе эксплуатации котла.
Концентрирование коррозионных веществ при низких значениях pH может происходить под отложениями, отслоившимися от внутренней поверхности во время разрушения. Возможно также, что концентрирование происходило в результате присутствия паровой подушки, образовавшейся в процессе испленочного кипения.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 6.3
Промышленность:
Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб:
Установка для производства энергосредств
Топочный экран
Наклонная (выступающий свод)
10
Всесторонняя борьба с загрязнениями 2700 фунт/кв. дюйм (18,6 МПа) Внутренний диаметр 3 дюйма (76 мм)
На Рис. 6.5 показана одна из многих труб, которые подверглись одинаковой жестокой коррозии. Вдоль верха (гребня) каждой из труб расположены канавки. Конец постепенно сходящейся канавки, заметный на Рис. 6.5, показывает точку, в которой наклонная часть трубы перешла в вертикальную. Ниже данной точки потери металла обнаружены не были.
Корродировавшие участки покрыты черными порошкообразными отложениями (Рис. 6.6). Эти отложения покрывали и второй слой евстло-окпашенного вещества, которое находилось непосредственно на поверхности металла. Данное вещество присутствовало лишь на участках, где произошла коррозия. С обеих сторон канавки гладкую внутреннюю поверхность покрывал твердый защитный слой магнетита.
Микроструктурный анализ показал, что стенка грубы с канавкой подвергалась умеренному перегреву. Анализ веществ, покрывающих подвергшиеся коррозии поверхности. позволил установить, что светлоокрашенное вещество на поверхности металла имело высококр с .-скую структуру и состояло из железа и фосфора. Исследования этого материала методом дифракции рентгеновских лучей показали, что это фосфат железа и двойной фосфат натрия и железа.
После гравитационного расслоения воды и пара в верхней части наклонных труб установились относительно стабильные паровые каналы. Причиной образования агрессивных веществ послужило концентрирование растворенных твердых веществ в результате испарения воды, происходящего в таком канале. Тщательный химический анализ позволил установить, что фосфат железа и двойной фосфат натрия и железа были сосредоточены на корродировавшей поверхности металла.
Такую коррозию можно было бы посчитать щелочным выеданием, однако и микроструктурные контуры корродировавших поверхностей, и отсутствие плотного
став воды в котле в данном случае заставляют предполагать наличие коррозии под
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 6.4
Промышленность: Химическая технология
Местоположение образца: Экономайзер
Ориентация образца: Горизонтальная
Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб: Хелатная 155 фунт/кв.дюйм (1,1 МПа) Внутренний диаметр 2 3/8 дюйма (60 мм)
ла, работающего на газе. Повреждения возникали только в начале оребренного участка на горячем конце экономайзера (Рис. 6.8). Потоки тепла здесь более чем на 40% превышали проектные значения.
Под действием коррозии образовалось большое эллиптическое углубление, покрытое толстым неравномерным слоем твердых темных оеидов железа. Микроструктурные исследования оксидов железа, покрывающих эту выемку, выявили слоистую структуру. типичную для коррозии при низких значениях pH.
Непузырьковое кипение в данной зоне экономайзера (вызванное чрезмерно высокими потоками тепла) создало условия для концентрирования агрессивных веществ, способствующих снижению pH. Источник солей, создающих кислотую среду, нс был установлен, однако, возможно, это произошло в результате просачивания
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 6.5
Промышленность:
Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб:
Химическая технология
Труба из печи пиролиза на этилен
Горизонтальная
Не известен
Добавки против билогического обрастания
175фунт/кв.дюйм (1,2МПа)
Внутренний диаметр 4,5 дюйма (114 мм)
Сквозное отверстие, показанное на Рис. 6.9, появилось в нижней части входа первой Трубы в зону конвекции печи. По трубе проходили пар н этан в соотношении 1:3.
Разрушение металла, показанное на Рис. 6.10, произошло на внутренней поверхности трубы и привело к появлению сквозного о тверстия. Коррозия вызвала образование углубления на поверхности, имеющего плавный закругленный контур.
Корродировавший участок окружали темные отложения, которые при увлажнении показывали низкий pH. Анализ отложений и продуктов коррозии позволил определить высокое содержание фосфора и железа. Возможно, вдоль горячей сторо-1ГЬ1 трубы происходило накопление фосфорсодержащего вещества с кислотной реакцией, приведшее к разрушению поверхности трубы.
Глава
Коррозия при низких значениях pH в процессе кислотной очистки
Места, наиболее часто подвергающиеся коррозии
Коррозия внутренних поверхностей котла, которая является результатом влияния низких pH, может происходить в процессе кислотной очистки, если правила процедуры очистки не были соблюдены. В первую очередь коррозия происходит на концах труб внутри грязесборников и паросборников. Местом ее действия могут также стать крышки люков для рук, люки-лазы и сварные швы на корпусе. Серьезному воздействию могут подвергаться теплопередающие поверхности (Рис. 7.1) и сварные соединения (Рис. 7.2). Изолированные места внутри трещин, за подкладными кольцами и под оставшимися отложениями могут помешать полной нейтрализации кислоты, применявшейся для очистки. После того как котел будет введен в экскплуатацию, это приведет к серьезной локальной коррозии металла. Как правило, коррозия может происходить на любой поверхности, которая подвергалась контакту с кислотой (Ряс. 7.3).
Общие сведения
Коррозия сильной кислотой любой металлической поверхности котла Обычно определяется безошибочно. На поверхности в зависимости от серьезности коррозии появляются шероховатости или зазубрины (Рис. 7.1 и 7-4). Более тщательное исследование может выявить отдельные раковины, часто е подрезами. В трубах котла раковины часто оказываются ориентированными вдоль стенки трубы (Рис. 7.1).
Рис. 7.3 Кислотная коррозия крепежного оборудования.
Коррозия стали под действием кислоты - естественное следствие термодинамической нестабильности стали в данных условиях. Сталь будет корродировать самопроизвольно в большей части кислот. В ходе коррозионной реакции железо вытесняет водород из раствора. Это значит, что железо окисляется, и ионы железа переходят в раствор. Происходит реакция восстановления ионов водорода, и на поверхности металла образуются пузырьки водорода.
Fe + 2Н+ + СГ -> Н2Т+ Fe2+ + СГ
Для подавления коррозионного процесса в растворы кислоты, исполь-
зуемые для очистки котлов, добавляют ингибиторы коррозии.
Важнейшие условия, способствущие кислотной коррозии
Неуправляемая кислотная коррозия во время очистки котла обычно происходит в результате непредвиденных и непреднамеренных отклонений от стандартных условий шли стандартной практики. Существует возможность отклонений различного вида, в том числе такие события, как термическое разложение ингибитора, неправильный выбор средства для очистки или его концентрации, длительный контакт с ним, слишком высокие температуры при контакте, а также неполная нейтрализация.
Идентификация кислотной коррозии
Простого визуального осмотра обычно вполне достаточно, чтобы определить наличие кислотной коррозии. Последствия коррозии можно наблюдать в первую очередь на концах труб в грязесборниках и паросборниках, на кромках тонких или толстых стальных листов, на концах болтов. Не все зоны котла могут подвергаться разрушению кислотой в одинаковой степени. Металл под напряжением, сварные соединения, трещины и другие скрытые зоны могут пострадать сильнее. Оценка повреждений в недоступных для визуального обследования местах может потребовал, применения методов неразрушающих испытаний (например ультразвукового) или удаления части трубы.
Предупреждение кислотной коррозии
Борьба с коррозией котельного оборудования, вызванной низкими значениями pH в процессе кислотной очистки, требует тщательного регулирования всей процедуры очистки. Ниже приводятся примеры различных рабочих параметров, которые подлежат контролю И оценке при выполнении процедуры.
Определение массы отложения. Выбор нескольких труб для измерения массы отложений поможет определить нужную концентрацию кислоты, длительность обработки и общее количество кислоты, необходимое д ля очистки котла.
Анализ отложения. Анализы отложений помогут определить соответствующие средства очистки и последовательность, в которой эти средства следует использовать.
Температура очищающего раствора. 1'1 температура раствора, и температура металла должны быть значительно ниже точки термического разложения ингибитора.
Контроль. Через периодические интервалы времени необходим контроль над содержанием железа и меди, а также над крепостью очищающего раствора во все время очистки котла. После кислотной обработки котла необходим контроль над химическими свойствами нейтрализатора.
Визуальный осмотр. После проведения очистки необходима проверка труб, грязесборников и паросборников.
Меры предосторожности
За коррозию под действием сильной кислоты можно принять Пйтгинг (сильную кислородную точечную коррозию) и кавитационные повреждения. В общем случае правильно определить различия между ними можно, проверив, все ли поверхности пострадали от действия сильной кислоты. Кислородная коррозия имеет тенденцию воздействовать на специфические зоны, например на экономайзер, возвратные колена в пароперегревателе или, возможно, на границу уровня воды в паросборнике. Повреждения от кавитации также имеют тенденцию проявляться в определенных местах, причем чаще всего на крыльчатке насосов. Кислотную коррозию могут напоминать определенные виды хелатной коррозии , но и в данном случае они характерны для внутренних деталей паросборника.
Сопутствующие проблемы
См. также Главу 5 («Хелатная коррозия»); Главу 8 («Кислородная коррозия») и Главу 18 («Кавитация»).
Давление в барабане: Характеристики труб:
Установка для производства энергосредств
Экранные трубы
Вертикальная 30
Фосфатная, в труднодоступных местах гидроксидная
875 фунт/кв. дюйм (6,0 МПа)
Внутренний диаметр 2,5 дюйма (63 мм)
Минеральная кислота
рывиые трещины, проходящие вдоль их внутренней поверхности. Трещины, которые, казалось, совпадали с рядом слабых следов от оправки, были глубже на том конце труб, который входил в паросборник. Показанная на Рис. 7.6 труба также имела глубокую поперечную трещину в том месте, где она входит в сборник. Исслс-
резы и отсутствие обычно присутствующих оксидов железа.
Коррозия под действием сильной минеральной кислоты приводит к формированию и углублению следов от оправки, проходящих по окружности трубы, а также к развитию глубоких трещин вблизи конца труб, где они развальцованы для входа в паросборник Формирование и углубление следов от оправки связано также с остаточными напряжениями в металле в этих местах как следствие процесса изготовления труб. Наличие глубоких трещин различной ориентации на концах, входящих в паросборник, связано с остаточными напряжениями, возникшими в результате трубопрокатного процесса. Для сильной минеральной кислоты характерна более интенсивная коррозия на участках металла с остаточным напряжением, чем в зонах без напряжении; что вызвано высоким содержанием энергии остаточных напряжений, сохраненной в металле.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 7.2
Промышленность:
Местоположение образца: Ориентация образца:
Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб: Очищающий раствор:
Установка для производства энергосредств Экранные трубы
Вертикальная 15
Соответствующий контроль
1960 фунт/кв. дюйм (13,5 МПа)
Внутренний диаметр 2,5 дюйма (63 мм)
Лимонная кислота
Коррозия металлических поверхностей под действием органических кислот существенно отличается от коррозии, которая вызвана сильными минеральными кислотами. При эквивалентных воздействиях органические кислоты обычно вызывают меньшую коррозию. Кроме того, структура поверхности металлов, подвергшихся избыточному контакту с органическими кислотами, обычно отличается меньшей Шероховатостью и меньшими подрезами, чем в случае коррозии сильными минеральными кислотами.
Коррозия под действием лимонной кислоты показана на Рис. 7.7. Визуально поверхность кажется протравленной и имеет блестящий металлический внешний вид. При более тщательном рассмотрении можно выявить островки некорродировавшего металла неправильной формы, которые в данном случае возвышаются над окружающей корродировавшей поверхностью на 0,005 дюйма (0,12 мм). По существу вся внутренняя поверхность (и на горячей, и на холодной стороне) повреждена одинаково. Данное состояние поверхности соответствует коррозии в процессе кислотной очистки.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 7.3
Промышленность:
Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб: Очищающий раствор:
Установка для производства энергосредств Экранная труба
Вертикальная
30
Разносторонний контроль
1500 фунт/кв. дюйм (10,3 МПа) Внутренний диаметр 3 дюйма (76 мм) Минеральная кислота
На Рис. 7.2 н 7.8 показана картина коррозии внутренних поверхностей экранных труб, расположенных напротив наружных кольцевых сварных швов. Профили поперечного сечения внутренней поверхности корродировавших участков помогают обнаружить подрезы и зазубренности. Остаточные напряжения в результате сварочных работ способствуют преимущественной коррозии именно этих участков при контактах с сильной кислотой.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 7.4
Давление в барабане:
Установка для производства энергосредств Боковые экранные трубы
Вертикальная
30
Разносторонний контроль
1500 фунт/кв. дюйм (10,3 МПа) Внутренний диаметр 3 дюйма (76 мм) Минеральная кислота
Ряд довольно глубоких перекрывающих друг друга раковин был обнаружен в кольцевой части внутренней поверхности напротив кольцевых сварных швов, расположенных на наружной поверхности труб (Рис. 7.9). Другие корродировавшие участки были замечены и в тех местах, где сварных швов не было (Рис. 7.Ю). Коррозия на данных участках была наиболее явной вдоль трубного шва.
изошла в прошлом - возможно, во время последней кислотной очистки котла.
Преимущественую коррозию у сварных швов можно объяснить остаточными напряжениями. связанными с этими швами, или порами и трещинами, существующими в зоне сварного шва. Преимущественную коррозию трубного шва можно объяснить
Промышленность: Целлюлозно-бумажная
Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Нижняя плита Горизонтальная 16
Программа водоочистки: Полимерная
Давление в барабане: 600 фунт/кв, дюйм (4,13 МПа)
Очищающий раствор: Минеральная кислота
Визуальный осмотр поверхностей нижней плиты выявил мелкие пятна неравномерного разрушения металла на Bcpxtuix и нижних поверхностях. Места разрушения металла в основном были расположены параллельными рядами. На Рис. 7.11 приведен внешний вид участков с разрушенным металлом, причем острые края скрыты под тонким слоем оксида железа.
На данном примере можно видеть, как важны дополнительные наблюдения при определении коррозии при низком pH в качестве причины разрушения металла. На Рис. 7.11 отсутствует классический зазубренный профиль поверхности с подрезами, обычно ассоциирующийся с коррозией под действием сильной кислоты. И все-таки важным подтверждением правильности диагноза служат следующие дополнительные наблюдения:
Расположение участков коррозии параллельными рядами, ориентированными в направлении прокатки стали, из которой плита была изготовлена.
Преимущественная коррозия сварных швов и концов труб в паросборнике,
Зазубренные, е подрезами поперечные профили поверхностей нижней плиты, обнаруженные при металлографическом исследовании.
Рис. 7.11 Разрушение металла пол
Промышленность: Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики трубы: Очищающий раствор:
Целлюлозно-бумажная
Экранная труба
Вертикальная
13
Координированная фосфатная 1250фунт/кв. дюйм (8,6МПа) Наружный диаметр 2,25 дюйма (57 мм)
Минеральная кислота
Комбинация дефектов кольцевых сварных швов и коррозии в зоне сварки сильной минеральной кислотой при проведении ряда операций кислотной очистки (более пята за 13 лет) привела к образованию в трубах сквозных отверстий. Эти отверстая в местах сварки вызвали вторичные разрушения в соседних трубах в результате эрозии выбросами пара, происходившими с высокой скоростью .
Более тщательное исследование внутренних поверхностей сварных швов позволило обнаружить чрезвычайно локализованные зоны коррозии, которая способствовала образованию контуров поверхности с зазубринами и подрезами, типичных для коррозии сильной минеральной кислотой (Рис. 7.12).
Открытые трещины, поры и раковины в зонах сварки - это как раз те места, в которых кислота может Сохраниться при проведении операций нейтрализации, следующей за кислотной очисткой. Кислотная коррозия может расширить и углубить данные участки, что приведет в конечном итоге к образованию сквозных отверстий в стенке трубы в том месте, где расположен сварной шов.
Рис. 7.12 Коррозия внутреннем поверхности вдоль сварного шва пол действием кислоты (увеличе-
Промышленность:
Местоположение образца: Ориентация образца: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики трубы: Очищающий раствор:
Текстильная
Жаровая труба
Горизонтальная
Фосфатная
100 фунт/кв. дюйм (0,69 МПа)
Наружный диаметр 2,5 дюйма (63 мм) Минеральная кислота
Гидроиспытание, последовавшее за кисло тной очисткой котла, позволило обнаружить несколько протекающих труб. При обследовании одной из труб было найдено множество участков точечной коррозии (Рис. 7.13 и 7.14). Наружные поверхности были покрыты пленкой коричневых оксидов железа.
Точечная коррозия могла частично произойти в результате чрезвычайно высоких уровней содержания кислорода в котловой воде во время перерывов в работе Котла, однако основной их причиной были недостаточные меры контроля пал контактами с сильной минеральной кислотой в процессе кислотной очистки. Обращает на себя внимание большое число участков точечной коррозии, общее разрушение и внешний вид тонких продольных трещин, характерных для коррозии сильной :кислотой (Рис. 7.13).
Глава
8
Кислородная коррозия
Места, наболее чувствительные к кислородной коррозии
Кислородная коррозия в работающих котлах происходит сравнительно редко, однако для простаивающих котлов она часто становится проблемой. Данный вид коррозии можно наблюдать на любом участке котельной системы, однако наиболее частым местом ее разрушающего действия становятся трубы пароперегревателя. Чувствительны к ней также трубы промежуточного пароперегревателя, особенно места накопления влаги в коленах и провесах труб.
У работающего котла повреждения под действием кислородной коро-зии происходят в первую очередь в экономайзере и подогревателе питательной воды. В присутствии очень большого избытка кислорода повреждения могут происходить и в других зонах котла, например, на внутренней поверхности паросборника по границе уровня воды и в оборудовании для отделения пара. Во всех случаях повреждения могут оказаться значительными даже после не очень длительного периода контакта с кислородом.
Общие сведения
Одной из наиболее вероятных причин кислородной коррозии считают контакт металла котла с растворенным в воде кислородом. Поскольку наиболее естественными и стабильными соединениями железа являются его оксины, Неизбежно самопроизвольное превращение стали в эту форму, если условия для такого превращения будут термодинамически благоприятны, '-'оычно условия становятся благоприятными, если сталь, не покрытая за-Р'Щйщающей ее формой оксида железа (магнетитом) подвергается контакту
с водой, которая содержит кислород. В этом случае происходит следующая реакция:
2Fe + Н2О + О; -> Fe,O3 + 2НТ
Эта реакция - основа широко применяющейся на практике механической и химической деаэрации воды, которая стала нормой для надежных программ водообработки. Такая практика обычно обеспечивает определенный успех. Действительно, кислородная коррозия в котлах присходит в основном в период их простоя.
Например, влага, содержащаяся на стенках труб неработающего пароперегревателя, будет растворять атмосферный кислород. В защитном слое магнетита под действием сжимающих напряжений в результате охлаждения пароперегревателя до температуры окружающей среды появляются трещины. На участках с трещинами создаются анодные участ ки, в которых содержащая кислород влага может реагировать с непокрытым и незащищенным металлом. Результатом могут стать глубокие, отчетливо выраженные, почти полусферические раковины (Рис. 8.1), которые могут быть покрыты слоем продуктов коррозии. (Рис. 8.2). Часто точечная коррозия будет возникать на дне U-образных подвесных секций пароперегревателя, где может скапливаться влага (Рис. 8.3).
Кроме образования сквозных отверстий в стенках труб, кислородная коррозия опасна и другими ее проявлениями. Кислородные раковины могут действовать как места концентрации напряжений, что приводит к развитию коррозионно-усталостных трещин, трещин в результате щелочной короозии и других разрушений, связанных с напряжениями.
Важнейшие условия, способствующие кислородной коррозии
Началу кислородной коррозии и ее развитию способствуют три важнейшие условия: наличие влажности или воды, присутствие растворенного кислорода и незащищенная поверхность металла.
Коррозионная способность воды возрастает с повышением ее температуры и содержания растворенных веществ и с уменьшением значения pH. Ее агрессивность в целом с увеличением содержания кислорода увеличивается.
Образование незащищенной металлической поверхности происходит в трех условиях:
Поверхность металла остается ничем не покрытой, например после кислотной очистки.
Поверхность металла покрыта защищающим лишь в малой степени слоем оксида железа, в частности гематита (Fe^Oj красного цвета).
Поверхность металла покрыта защитным слоем оксида железа, например магнетита (Fc5O4 черного цвета), однако в покрытии имеются просветы или трещины.
Разлом или растрескивание магнетита происходит из-за механических и термических напряжений, возникающих при нормальной работе котла. Эти напряжения растут (и, следовательно, становятся более опасными) в период пуска котла, при его остановке и при резких колебаниях нагрузки. При нормальной работе котла существующие условия благоприятствуют быстрой ликвидации разрывов в защитном слое магнетита. Однако в присутствии избыточного количества кислорода (при работе котла или во время перерывов в работе) полного зарастания трещин в магнетите произойти не может, и тогда начинается коррозия.
Идентификация кислородной коррозии
Для этого достаточно простого визуального осмотра, если к корродировавшим поверхностям есть доступ. Если они не доступны для осмотра, могут потребоваться иеразрушагощис методы испытаний, в частности ультразвуковой метод.
Предупреждение кислородной коррозии
Кислородную коррозию в котле определяют три важнейших фактора: присутствие влажности или воды, присутствие кислорода и недостаточно надежно защищенная поверхность металла.
Работающий котел
В работающем котле всегда присутствует вода. Кроме того, защитное магнетитовое покрытие находится в состоянии непрерывного повреждения и восстановления. В любой момент времени в магнетите могут присутствовать разе рывы и трещины, даже при очень небольшой доли всей внутренней поверхности, на которой они образуются. Следовательно, поскольку в наличии и вода, и участки для коррозии, подавление кислородной коррозии достигается значительным уменьшением уровня содержания растворенного кислорода.
Возможными причинами избыточного содержания растворенного кислорода могут быть, например, неисправный деаэратор, неправильная загрузка химических поглотителей кислорода или просачивание в воду воздуха (см. в данной главе раздел, озаглавленный «Источники попадания воздуха»). Рекомендован непрерывный контроль уровня содержания кислорода на входе в экономайзер, особенно при пуске и при малых нагрузках.
Простой котла в состоянии заполнения водой
Для простаивающего котла, когда он заполнен водой, в отношении кислородной коррозии действительны все те условия, которые существуют для работающего котла. Поэтому здесь следует применять аналогичный метод профилактики: снижение содержание кислорода до очень низких уровней и постоянный контроль для предупреждения их повышения. В целом эта процедура требует максимально возможного заполнения котла, достаточно высокого содержания химических поглотителей кислорода и поддержания тщательно отрегулированных значений pH, а также периодического включения циркуляции воды.
Простой котла в сухом состоянии
Успешной защиты простаивающего котла, когда он находится в сухом состоянии, достигают непрерывным удалением влаги н/или кислорода. В процедуру зашиты котла в сухом состоянии можно включить применение осушителей и азотной подушки или непрерывной циркуляции осушенного воздуха (с относительной влажностью менее 30%).
Котел после химической очистки
Защита котла после кислотной очистки-достигается созданием на поверхности металла защитного покрытия из оксидов железа. Для этого обычно проводят тщательную промывку поверхности с последующей отпаркой. На стадии отпарки - пассивации можно использовать раствор карбоната натрия или других Щелочных веществ.
Меры предосторожности
Продукты коррозии, имеющие вид мелких бугорков, которые часто покрывают участки с раковинами, иногда ошибочно принимают за обычные отложения. Правильная идентификация данного бугристого изъязвления может быть достигнута, если помнить следующее:
Бугристое изъязвление должно покрывать корродировавшие участки. Под действием достаточно большой скорости воды бугорок может стать продолговатым в направлении движения потока.
Бугорок сильно структурирован и обычно состоит из твердой хрупкой внешней оболочки красноватых продуктов коррозии, внутри которой находится ядро из мягких, объемистых продуктов коррозии темного цвета.
120
Промышленность: Целлюлозно-бумажная
Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы,годы: Программа водоочистки: Характеристики трубы: Пароперегреватель Горизонтальная, вертикальная 10 Простой в сухом состоянии под азотной подушкой Наружный диаметр 2 дюйма (51 мм)
Кислородные раковины, показанные на Рис. 8.1 и 8.4, были обнаружены во время гндроиепытаний котла-утилизатора, который в заполненном водой состоянии нахо--дащея асе лето. Секция пароперегревателя находилась в сухом состоянии под азотной подушкой;
На Рис. 8.1 видно, что произошло опускание под действием силы тяжести продуктов коррозии из мест их образования на вертикальных участках. Эллиптические кольца, окружающие раковину па горизонтальной части подвесной секции. указывают па то, что имелось небольшое количество конденсата (Рис. 8.4). Более тщательное обследование под сгереомикроскопом с небольшим увеличением выявило трещины сжатия и защитном слое магнетита на участках раковин. Очевидно, что меры Предосторожности и проведение осушки в трубах не смогли предотвратить влияния конденсированной влаги и атмосферного кислорода.
Промышленность: Целлюлозно-бумажная
Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Конвекционный пучок Различная 15 Простой с водой, гидразин, морфолин 700 фунт/кв. дюйм (4,8 МПа)
Характеристики трубы: Наружный диаметр 2 дюйма (51 мм)
На Рис. 8.5-8.7 показана типичная кислородная точечная коррозия, вызванная неправильным выполнением процедуры простоя с заполнением водой. Причиной этого могло быть недостаточное количество химических поглотителей кислорода
и/или ошибки при поддержании циркуляции воды.
На Рис. 8.5 видно, что продукты коррозии опускались под действием силы тяжести. Это свидетельствует о застое ил» очень медленном движении потока воды во время простоя. Значительные перемещения воды привели бы к изменению ориентации линий опускания в направлении потока воды. Типичные бугорки продуктов
Рис. 8.6 Бугорки поверх раковин, вызванных кислородной коррозией.
Промышленность: Паровое отопление
Местоположение образца: Жаротрубный котел
Ориентация образца: Горизонтальная
Срок службы, годы: Программа водоочистки: Характеристики трубы: Полимер и сульфит натрия Наружный диаметр 2 дюйма (51 мм)
На Рис. 8.8 показана наружная поверхность котла с жаровыми трубами, которые подверглись жестокой кислородной коррозии. В подаче поглотителя кислорода произошли перерывы, продолжавшиеся до педели. Возможно, что точечная коррозия началась и прогрессировала именно во время этих перерывов. Отложения, которые также могли бы послужить инициаторами точечкой коррозии (коррозии под действием отложений), на трубе отсутствовали.
Промышленность: Паровое отопление
Ориентация образца: Горизонтальная
Срок службы, годы: 9
Характеристики трубы: Наружный диаметр 1,25 дюйма (32 мм)
На Рис. 8.9 приведен пример периодически возникавшей проблемы в одной из зон
признаком того, что здесь действовала кислородная коррозия.
в ней имеет температуру 220°Ф (104°С). Хотя кислород в этих условиях и мог присутствовать в системе, более вероятно, что источником кислорода стал воздух, заса-
Шыо создающего пленку амина вместо простого нейтрализующего амина, i ио, была бы более успешной в решении проблемы коррозии данного тана.
Экономайзер
Горизонтальная
Давление в барабане:
Характеристики трубы:
Полимер и поглотитель кислорода 600 фунт/кв. дюйм (4,13 МПа)
Наружный диаметр 2,5 дюйма (63 мм)
ные оксидом железа раковины (Рис. 8.2). - типичные признаки воздействия на сталь о >ера воды с избыточным содержанием растворенного кислорода. Точеч-
стоянкой проблемой. Повреждения здесь случались каждые 3-4 месяца.
рованы документально. Котел находился в непрерывной эксплуатации. Источник
вергшихся воздействию коррозии, существовало избыточое содержание кислорода
Коррозия со стороны топки
Введение
Выражаясь простым языком, горение представляет собой быструю | реакцию кислорода с основными химическими компонентами топлива -Гуглеродом. водородом и серой - с выделением тепла и образованием [ продуктов сгорания (Рис. 9.1). «Постороннее» вещество, присутствующее в топливе, образует побочные продукты сгорания, называемые золой.
ПОБОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ
Водяной пар
Независимо от первоначального физического состояния топлива процесс горения может привести к преобразованию компонентов топлива любое или во все три состояния вещества - твердое, жидкое и газообразно! В установках для сжигания температура топочных газов может составлял от 3000°Ф (1650°С) в пламени до 300°Ф (121°С) и ниже в дымовой трубе. 11 мере охлаждения продуктов сгорания по пути к дымовой трубе может пр< исходить конденсация газообразных продуктов до жидкого состояния замораживание жидких продуктов с образованием твердого вещества. Эч > охлаждение может происходить быстро на поверхностях теплообмена, к< -торые считают холодными по сравнению с топочным газом, т.е. на стенка , труб котла или пароперегревателя.
Кроме того, продукты сгорания редко остаются в виде отдельных оке; дов, чаще всего они реагируют друге другом с образованием новых разновидностей соединений и комплексов. Иногда эти новые вещества моп г иметь температуру плавления более низкую, чем вещества, из которых они были образованы. Присутствие таких жидких веществ может вызвать ело,. -иости, связанные с коррозией со стороны топки.
В главах с 9 по 13 настоящей книги рассмотрены различные виды ко: -розии со стороны топочного пространства.
Глава
9
Коррозия под действием мазутной золы
Места премущественной коррозии
Коррозия под действием мазутной золы представляет собой высокотемпе-ратурное явление, происходящее в жидкой фазе, главным образом в местах, где температура металла достигает 11ОО-15бО°Ф (593-816°С). Она происходит в секциях пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя котла, особенно в котлах установок для производства энергосредств. Она может вызывать повреждения в охлажденных трубах, в крепежных или опорных устройствах, которые работают в условиях более высоких
Г^ёмператур поверхности, чем трубы.
Общие сведения
^Коррозия со стороны топки может вырасти в большую проблему, если происходят изменения в поставках топлива или переход на другие его виды. Такие изменения могут привести к образованию «агрессивной» золы. Коррозия под действием мазутной золы происходит тогда, когда на стенке трубы накапливается расплавленный шлак, содержащий соединения ванадия. Л указанной ниже последовательности:
11- Соединения ванадия и натрия, присутствующие в топливе, окисляются ;В пламени до V2OS и Na2O.
1'2. Частички золы прилипают к поверхности металла, причем Na,0 действует в качестве связующего.
3. УгО5 и Na2O реагируют друг с другом на поверхности металла, образуя Жидкость (эвтектическую смесь).
4. Образовавшаяся жидкость расплавляет магнетит. что приводит к быс-Грому окислению находящегося ниже металла.
Считают, что коррозия происходит путем каталитического окислени । металла пятиокисью ванадия (V2OS) или сложными ванадатами. Вызыва. мое этим быстрое окисление металла уменьшает его толщину, которое. . свою очередь, уменьшает площадь участка, несущего нагрузку. Это умен шение площади приводит к увеличению напряжений в утонченной облает Комбинированное влияние роста напряжений и высоких температур м таила приводит к аварии, вызванной ползучестью.
Коррозия труб пароперегревателя и промежуточного пароперегреват ля под действием шлака, имеющего температуру плавления в интерва. 1100-1300°Ф (593-704°С), в конце концов заставила отказаться от стреми. • ния работать при более высоких температурах пара, которое существова. i > в начале 60-х годов. Практически все котлы-утилизаторы в дальнейше i стали проектировать в расчете на максимальные температуры пара в hi -тервале от 1000 до 1025°Ф (538-551 °C).
Важнейшие условия, благоприятствующие коррозии
Накопление коррозионного шлака может происходить при использов -нии в качестве топлива мазута с высоким содержанием ванадия, натр> я или серы либо комбинаций данных элементов, если для образования V/ 5 имеется достаточно большой избыток воздуха или когда температуры м -талла достигают значения И00°Ф (593°С). По мере роста температур •< происходит значительное увеличение числа композиций, содержат; \ Na3O • VjO5, которые образуют жидкости (Рис. 9.2).
На Рис. 9.3 можно видеть, как по мере увеличения толщины внутренней накипи растет также и температура металла, поскольку накипь действует как • теплоизоляция. Поэтому в старых устройствах, в которых может происходить накопление толстых слоев внутренней накипи, температура металла будет увеличиваться и может превыси ть температуры, при которых натриево-ваиадиевые комплексные соединения становятся жидкими. Если это произойдет. могут внезапно возникнуть неожиданные проблемы с коррозией под действием мазутной золы, даже если рабочие параметры и химический состав топлива не изменялись.
Идентификация коррозии под действием мазутной золы
На Рис. 9.4 показано, как выглядит участок трубы из низколегированной стали, корродировавший под действием мазутной золы. Секция трубы промежуточного пароперегревателя из нержавеющем стали, корродировавшая под действием мазутной золы, показана на Рис. 9.5, а на Рис. 9.6 показаны Разрушения трубы in нержавеющей стали в местах стыковки. Участок стыковки, выступающий в поток газа, действовал как теплопередающее ребро, повышая температуру металла у основания стыка. В результате произошла серьезная коррозия под действием мазутной золы, когда темпера тура Металла превысила 1100°Ф (593°С).
Предупреждение коррозии под действием мазутной золы
Первым шагом в борьбе с коррозией под действием мазутной золы додже стать химический анализ топлива и золы для определения возможно!
присутствия в них агрессивных компонентов. Важно также знать темпера туру плавления золы. Ежегодные проверки толщины стенки трубы с поме шью ультразвуковых испытаний помогут заранее предупредить о надвш; ющихся осложнениях. Если разрушение трубы уже произошло, контрол толщины стенки поможет определить степень серьезности проблемы.
Предупредить коррозию под действием мазутной золы можно путем ликвидации основых условий, благоприятствующих ее появлению. Во-первых, если нет возможности использовать топливо с очень низким содержанием ванадия, натрия и серы, то можно порекомендовать применение добавок к топливу, предотвращающих образование эвтектических смесей с низкой температурой плавления. Применение соединений магния доказало свою экономическую эффективность в ликвидации проблем с коррозией. Происходящей под действием мазутной смолы. Магний образует с ванадием комплексное соединение (3MgO • V2O5), температура плавления которого значительно выше той, которую обычно поддерживают в секциях пароперегревателей и промежуточных пароперегревателей. Во-вторых, топливо в котле рекомендуют сжигать при небольшом избытке воздуха, чтобы замедлить образование V2Oj. В-третьих, температура металла пароперегревателей и промежуточных пароперегревателей не должна превышать 1100°Ф (593°С). Котлы, имеющие секции пароперегревателей и промежуточных па-роперегревателяей со стоком, должны периодически проходить химическую очистку с целью предотвращения образование внутренней накипи.
Глава
10
Коррозия под действием каменноугольной золы
Места преимущественной коррозии
I Коррозия под действием каменноугольной золы является высокотемпературным процессом, протекающим в жидкой фазе, она происходит на металлах, температура поверхности которых находится в интервале от 1050 до । 135О°Ф (566-732°С). В котлах действие коррозии данного вида обычно ограничивается секциями пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя.
Общие сведения
Коррозия под действием угольной золы может происходить при изменениях в топливоснабжении или при переходе на другой вид топлива, при сгорании которого образуется агрессивная зола.
При сжигании угля содержащиеся в нем минеральные вещества подвергаются действию высоких температур с выделением летучих щелочных соединений и оксидов серы. Коррозия происходит, когда летучая зола отлагается на металлических поверхностях, находящихся при темпера туре 1050-1350°Ф (566-732°С). С течением времени происходит конденсация летучих Щелочных соединения и соединений серы на летучей золе и реакция между ними с образованием на границе раздела металла и отложений сложных Щелочных сульфатов, в частности K;Fe(SO4)3 и NajFe(SO4)3, Расплавлеи-
ный шлак плавит защитный слой оксида железа, покрывающий трубу, что приводит к ускоренному окислению металла.
С уменьшением толщины стенки трубы под действием механизма коррозии происходит значительное увеличение напряжений в утонченной стенке. Высокие напряжения совместно с высокими температурами метал
ла могут привести к окончательному разрушению металла в результате разрыва под напряжением.
Важнейшие условия, благоприятствующие коррозии
Важнейшие условия, приводящие к коррозии под действием угольной зо лы. это использование угля, при сжигании которого образуется агрессии пая зола, и условия, при которых происходит повышение температуры ме талла до 1050-1350°Ф (566-732°С).
Идентификация коррозии под действием каменноугольной золы
Коррозию под действием угольной золы можно определить по накоплении шлака на стенке трубы и связанным с ним разрушением металла. Поверх ность груб из аустенитной нержавеющей стали может приобретет рябой вид. На трубах из низколегированной стали обычно появляется пара плос ких участков разрушенного металла, которые расположены с обеих сторон трубы под углом от 30° до 45". Повреждения на корродировавшей поверх ности имеют вид канавок или шероховатостей (Рис. 10.1).
Обычно, если коррозия произошла, она будет наибольшей в трубах наиболее высокой температурой пара. С наивысшей скоростью коррозп i протекает главным образом в выходных трубах радиационного napoiiepv |ревателя или на плитах промежуточного пароперегревателя.
Скорость коррозии определяется как нелинейная функция температур: которая достигает максимума при температурах в интервале от 1250 до 1350‘ ‘' (677-732°С). При более высоких температурах скорость коррозии быстро ci i жается из-за термического разложения коррозионных веществ (Рис. 10.2).
Коррозия почти всегда связана со спекшимися или шлакообразными отложениями, которые прочно сцеплены с поверхностью металла. Эта отложения состоят из грех отчетливо видных слоев (Рис. 10.3). Внешний массивный слой состоит из пористой летучей золы; промежуточный слой состоит из белесоватых водорастворимых щелочных сульфатов, которые в основном и вызывают коррозионное разрушение. Третий слой обычно имеет толщину от 1/32 до 1/4 дюйма (0,8-6.35 мм): этот внутренний слой состоит из блестящих черных оксидов железа и сульфидов, покрывающих поверхность металла. Толщина этого слоя редко превышает 1/8 дюйма (3.2 мм).
Ультразвуковые измерения толщины, проведенные под углом от 30° до 45° на обеих сторонах трубы, должны показать, насколько серьезны разрушения металла.
l Коррозия под действием угольной золы может происходить при использовании любого битуминозного угля, но наиболее вероятна она для углей, ^содержащих более 3,5% серы и 0,25% хлора.
Предупреждение коррозии
Для определения вероятности присутствия в топливе тех или иных агрессивных составляющих обычно рекомендуют проводить химический анализ топлива и отложений золы. Может оказаться полезным также определение температур плавления золы.
Если известно, что коррозия неизбежна, может оказаться полезным и ультразвуковое исследование толщины стенок, чтобы определить масштабы и серьезност ь возможной коррозии. Если коррозия не очень велика, экономически эффективными могут стать периодические замены труб, выбор труб с более толстыми стенками, применение распыляемых теплоизоляционных покрытий или наплавление сварного слоя. Продлевает срок службы труб и применение защитных экранов из нержавеющей стали в зонах, которые подвергаются действию коррозии.
Для зашиты от жестокой коррозии может потребоваться плакировка труб коррозионностойкими сплавами. Добавки к топливу в борьбе с коррозией под действием угольной золы пока экономически эффек тивными не стали .
С учетом важнейших факторов, которые способствуют данному виду коррозии, может быть полезным использование смеси разных сортов угля для уменьшения содержания в них агрессивных компонентов, а также снижение температуры металла. Для снижения температуры металла можно осуществлять снижение температуры пара, периодическую очистку секций пароперегревателя и водонагревателя после слива остатков воды для предотвращения образования внутренней накипи, а также изменение конструкции повреждаемых участков, что поможет уменьшить тепловые потоки.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 10,1
Местоположение образца:
Ориентация образца:
Давление в барабане:
Температура пара:
Характеристики трубы:
Установка для производства энергосредств Выход из вторичного пароперегревателя
Очистка от летучих примесей всех видов 2500 фунт/кв. дюйм (17,2 МПа) 1050°Ф (566°С)
Наружный диаметр 2 1/8 дюйма (54 мм);
аустенитная нержавеющая сталь (SS321)
Восточный уголь, зольность 10%, серы 7%
Подвески на выходе из вторичного пароперегревателя котла, с которого были сняты трубы, показанные на Рис, 10.4 и 10.5, хронически подвергались коррозии. В течение трех лет произошло десять отдельных разрушений. Котел работал непрерывно.
Труба, подвергнутая анализу, не были разрушена, однако на наружной поверх^ пости вдоль одной из сторон находился участок жестокой коррозии в виде полосы шириной 1 дюйм (25 мм). Измерения показали уменьшение толщины стенки на 0.085 дюйма (2,2 мм).
Микроструктурные исследования позволили обнаружить шлак из затвердеете, эвтектики, накопившийся на наружной поверхности корродировавшего участка Химический анализ вещества, покрывающего зону коррозии, показал высокое со держание железа, серы и калия, а также компонентов летучей золы.
Визуальный, микроструктурный и химический анализы позволили установит, разрушение металла, вызванного коррозией под действием угольной золы в резуль тате образования на метал тов щелочных металлов.
сульфа
Глава
11
Коррозия трубных экранов со стороны топки
Места преимущественной коррозии
Как показывает заголовок настоящей главы, здесь будет рассмотрена коррозия со стороны топки трубных экранов котлов, работающих на каменном угле. Коррозии данного вида часто подвергаются котлы, у которых расстояния между горелкой и боковым или задним экраном невелики. Коррозия часто происходит вблизи горелки или в зоне поддувала.
Общие сведения
Коррозия трубных экранов со стороны топки может развиваться, когда происходит неполное сгорание топлива (восстановительные условия). Неполное сгорание приводит к выделению летучих соединений серы, способных к образованию пиросульфатов. Пиросульфаты натрия и калия (Na2S2O7 и K2S,O-) могут иметь температуры плавления 800°Ф (427°С) и ниже. Оба соединения отличаются высокой химической активностью. Эти расплавленные щлакн могут плавить магнетитовый защитный слой на поверхности труб, вызывая ускоренное разрушение металла на их гребне .
В зависимости от содержания SO-, в соли температура плавления может быть ниже 770°Ф (396°С) для K,S,O- и около 754’0 (387°С) для Na,S,O, (Рис. 11 1). Когда температура растет, содержание SO3, необходимое для образования жидкой фазы, также значительно увеличивается. Поэтому пиросульфаты натрия и калия вряд ли будут находиться в жидком состоянии, за исключением относительно холодных поверхностей, в частности труб-«Ых экранов.
Важнейшие условия, способствующие коррозии
Основным фактором в развитии коррозии трубных экранов служит нехватка кислорода в зоне горелок. Высокотемпературную среду для коррозии создают плохое горение и постоянный или прерывистый контакт пламени со стенками топки в сочетании с углями, способными к образованию золы с низкой температурой плавления.
Идентификация коррозии трубных экранов
Коррозия трубных экранов со стороны топки часто проявляется в повреждении металла вдоль гребня труб, она может распространяться неравномерно на разные трубы на определенных участках (Рис. 11.2). Корродировавшие места могут быть покрыты необычно толстыми слоями продуктов коррозии оксида железа и сульфида железа. Иногда в местах разрушения металла заметны следы потоков жидких пиросульфатов.
Предупреждение коррозии
Поскольку основные факторы, определяющие данную форму разрушения, относятся к характеристикам процесса горения, уменьшение отрицательного влияния или полная ликвидация проблемы могут быть достигнуты внесением изменений в процесс горения. Изменения могут представлять собой повышение эффективности горения путем размалывания угля для образования более мелких частиц практически одинакового размера; сбалансированную подачу топлива к отдельных горелкам; регулировку горелок для предотвращения наброса пламени на стенку топки; увеличение подвода и перераспределение вторичного воздуха.
Однако опыт показал, что от этих мер можно ожидать лишь незначительных улучшений. Для достижения более существенных результатов может оказаться необходимой реконструкция топки. Введение добавок в топливо пока не приводило к достаточно высоким экономическим достижениям в борьбе с коррозией экранных труб со стороны топки.
Для определения степени серьезности повреждений следует использовать ультразвуковой контроль толщины сгенок труб. Если повреждения не-
дения серьезны, могут стать экономически оправданными установка более толстых труб или труб из коррозионностойких сплавов, напыление термоизоляционных покрытий, плакирование труб и использование защитных экранов.
Промышленность: Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Установка для производства энергосредств Трубы свода Горизонтальная 35 Всесторонний контроль 2150 фунт/кв. дюйм (14.8 МПа)
Температура пара: Характеристики трубы: 1050-Ф (566”С) Наружный диаметр 3 дюйма (76 мм), со стержнями
Топливо: Уголь, зольность 13%
торый показан на Рис. 11.3, Разрушались лишь трубы свода.
Визуальный осмотр наружной поверхности одной из труб выявил наличие глубокой продольной трещины рядом с заклейкой (Рис. 11.3). Поверхность была покрыта твердым светлым шлаком, прочно сцепленным с поверхностью. Химический анализ шлака, находящегося на стороне тонки, показал содержание 45% серы и |8" натрия. Величина pH суспензии нз одного процента отложения оказалась равной
Микроструктурные исследования не показали никаких термических изменений металла трубы. Однако были обнаружены начинающиеся с наружной поверхности глубокие межкристаллитные трещины, заполненные сложной сульфатной эвтектической смесью.
Визуальные и микроструктурные исследоианин. дополненные химическим анализом шлака, показали. что треншиы. которые видны на Рис. 11.3, явились результатом проникновения расплавленного пиросульфата натрия через промежутки вдоль границ зерен металла труб во время работы котла, Напряжения, создаваемые нормальным внутренним давлением. действовали совместно с расплавленным шлаком, ‘по приводило к межкристаллитному проникновению. Микроструктурные исследования показали также, что коррозия была локальной и ограничивалась небольшим участком вокруг первичной трещины.
Присутствие пиросульфатов натрия указывает на го. что в топке существуют восстанови тельные условия или происходит неполное сгорание, которые, возможно. связаны с нехва ткой кислорода в зоне горелки иля неудовлетворительным размолом угля. Нехватка кислорода в зоне горелки может быть вызвана недостаточным количеством подводимого воздуха.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 11.2
Промышленность:
Местоположение образца:
Ориентация образца: Срок службы, годы: Характеристики трубы:
Целлюлозно-бумажная
Рядом с местом ввода первичного воздуха, котел-утилизатор
Вертикальная 10
Наружный диаметр 3 дюйма (76 мм), углеродистая сталь, оболочка из нержавеющей стали
Средство обогрева:
Черный щелок
На Рис. 11.4 показано разрушение металла па наружной поверхности рядом с продольно ориентированной радиаторной пластиной. Разрушение металла ограничивается 'глиптическим участком с центром в месте расположения радиаторной пластины. Коррозии подверглась оболочка из нержавеющей стали, а также расположенная под ней стейка из углеродистой стали.
Корродировавший участок был покрыт слоем коричневого продукта коррозии ‘Сложениями. Химический анализ этого слоя показал содержание 52%. железа, 24% Йатрия и 14% углерода.
Результаты визуального наблюдения и микроструктурного псслелования совместно с данными анализа продуктов коррозии указывали па то, что разрушение металла было вызвано контактом с расплавленной солью натрия. Температура плавления соли могла быть снижена из-за присутствия карбоната.
Скорость разрушения металла при коррозии данного вида изменяется в зависимости от температуры металла и конструкции топки. Существуют сообщения о скорости коррозии, достигавшей 0.03 дюйм/год (0.76 мм/год).
. Решение данной задачи потребует изменения конструкции концов груб таким образом, чтобы уплотнения не пропускали топочных газов. Кроме того, должны быть устранены щели, в которых моту» накапливаться коррозионные вещества.
Ремонт повреждении станет наиболее успешным, если использован, иаваривас-ыыс накладки из нержавеющих сталей с высоким содержанием никеля и напыляемые геромонзоляционные покрытия.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 11.3
Промышленность: Местоположение образца: Целлюлозно-бумажная Экранные трубы, котел-утилизатор
Ориентация образца: Срок службы, годы: Давление в барабане: Вертикальная 13 Полимерная 875 фунт/кв. дюйм (6 МПа)
Характеристики трубы: Средство обогрева: Наружный диаметр 2,5 дюйма (63 мм) Черный щелок
Коррозия, показанная на Рис. 11.5 и 11.6. действовала на очень небольшом участке стенки на расстоянии 40 футов (12.2 м) над подом и 4 футов (1.2 м) над мазутными форсунками. Повреждения данного вида никогда прежде не встречались.
Рассматриваемый образец перед взятием был промыт водой, которая, согласно сообщениям, удалила слой затвердевшего расплава. Котел со стороны топки подвергали промывке водой два раза в год.
Отверстие размером 3/8 дюйма (9,5 мм) на Рис. 11.5 находится в центре участка наиболее серьезной коррозии вдоль гребня трубы. Коррозия вызвала глубокие и широкие углубления, которые придают поверхности округлые очертания. Микроструктурные исследования выявили признаки перегрева.
Тот факт, что коррозия была локализована в зоне мазутных форсунок, заставляет предположить, что восстановительные условия, созданные на данном месте во время работы форсунок, привели к образованию коррозионной расплавленной фазы с низкой температурой плавления. В данном случае коррозия могла происходить лишь во время периодического пользования мазутной форсункой. Однако действовавшая в течение 13 лег работы коррозия оказалась достаточной, чтобы вызвать
аварию.
Глава
12
Коррозия на холодном конце котла во время эксплуатации
Места преимущественной коррозии
Коррозия на холодном конце происходит, если температура металла падает ниже точки росы серной кислоты, содержащейся в топочных газах. Проблемы. вызванные коррозией этого вила, возникают главным образом в таких сравнительно низкотемпературных компонентах котла, как экономайзер. подогреватель воздуха, вытяжной вентилятор. скруббер топочных газов и дымовая груба.
Общие сведения
В большей части систем сжигания температура топочных газов может быть в интервале от 3000°Ф (1650°С) в факеле до 250°Ф (121°С) и менее в дымовой трубе. Такие перепады температуры могут вызвать многочисленные химические и физические изменения в компонентах топочных газов. Одним из наиболее чреватых осложнениями изменений становится реакция между водяным паром и триоксшюм серы с образованием серной кислоты.
В результате охлаждения топочных газов происходит образование паровой фазы серной кислоты. При контакте данных паров с относительно холодной поверхностью может начаться их конденсация с образованием жидкой серной кислоты. Температура, при которой начинается конденсация серной кислоты (точка росы серной кислоты), варьируется от 240 до 330°Ф (116-166°С) и выше в зависимости от содержания триоксида серы и водяных паров в топочных газах. Коррозия, происходящая в результате Конденсации серной кислоты па поверхности металла, и называется корро
зией на холодном конце, потому что она в основном вызывает коррозию в холодных зонах системы сжигания.
В целом проблема связана с процессом горения топлива, которое содержит серу или ее соединения. Сера, находящаяся в топливе, окисляется до диоксида серы согласно следующему уравнению:
S + О, -> SO,
Небольшая доля (1-3%) всего полученного диоксида серы дополнительно окисляется до триоксида серы за счет прямой реакции с атомарным кислородом в пламени горелки:
SO,+ О -> SO,
Возможно также и каталитическое окисление до SO,, если присутствуют
оксид железа, пентоксид ванадия или никель:
SO,+ 1/20 + катализатор —♦ SO,
От содержания триоксида серы и влаги в топочных газах зависит температура, при которой достигается точка росы. График на Рис. 12.1 показывает общее соотношение между концентрацией триоксида серы и точкой
Коррозия может происходить, если температура металла оказывается ниже точки росы серной кислоты. При температуре ниже точки росы происходит образование серной кислоты на металлических поверхностях, что и вызывает коррозию металла в соответствии со следующей реакцией:
H,SO4 + Fe -» FeSO4 + H2T
Седует отметить, что важнейшее значение имеет температура металла, а нс температура топочных газов. Даже если температура топочных газов оказывается значительно выше точки росы, коррозия вполне возможна, если температура металла ниже точки росы.
Важнейшие условия, благоприятствующие коррозии
Важнейшими условиями, приводящими к коррозии на холодном конце, являются достаточное для коррозии содержание триоксида серы, присутствие влаги в топочных газах и наличие металлов, температура поверхности которых оказывается ниже точки росы серной кислоты.
Количество образующегося триоксида серы увеличивается с ростом избытка воздуха, времени нахождения газов в топке, температуры газов, количества наличного катализатора и содержания серы в топливе (Рис. 12.2).
Количество образующейся влаги зависит от многих факторов. Ее источниками становятся само топливо, процесс его сжигания, утечки из котельных труб, а также пар. используемый при обдувке сажи.
Металл, температура поверхности которого ниже точки росы серной кислоты, чувствителен к коррозии на холодном конце. Точка росы увеличивается. когда повышается количество триоксида серы в топочном газе и содержание в нем водяного пара.
Серьезность коррозии на холодном конце наиболее остра при сжигании «Кислых» газообразных видов топлива и менее остра для мазута. Серьезность коррозии наименьшая при использовании каменного угля. Совместное сжигание мазута, содержащего серу и ванадий, с природным газом дает худшие результаты, чем использование одного мазута, из-за выделения водяного пара при сжигании природного газа.
Идентификация коррозии на холодном конце
Коррозия на холодном конце часто вызывает коренное равномерное разрушение металла без каких-либо четко выраженных особенностей. Можно также наблюдать шероховатые поверхности цвета ржавчины.
Предотвращение коррозии
Коррозию на холодном конце можно предотвратить, взяв под контроль условия. которые ее вызывют. Сюда относятся присутствие в топочных газах достаточного для коррозии количества триоксидов серы и излишков влаги и наличие металлических поверхностей, температура которых оказывается ниже точки росы серной кислоты.
Чтобы избежать присутствия достаточного для коррозии количества триоксида серы в топочных газах, необходимо, чтобы котел работал при 5%-ном или меньшем избытке подачи воздуха на горелки, был сведен к минимуму подсос воздуха и попользовалось топливо с низким содержанием серы.
Для устранения избыточной влаги в топочных газах необходимо использовать топливо с минимальной влажностью, предотвращать утечки воды из труб и снижать количество пара при обдувке сажи.
Часто необходимы и существенные конструктивные изменения для исключения металлических поверхностей, температура которых ниже точки росы серной кислоты. Эти изменения выходят за рамки данного руководства.
В котлах, которые оборудованы несколькими воздухоподогревателями, можно изолировать один из них и оперативно выполнить его промывку без прекращения работы всей системы.
Есть и химическое решение данной проблемы в виде применения добавок в топливе и/или на холодном конце системы.
Меры предосторожности
Металлические поверхности, которые подверглись коррозии на холодном конце, могут быть покрыты отложениями и/нли продуктами коррозии, что затрудняет визуальное обследование мест коррозии. Кроме того, в результате коррозии на холодном конце обычно появляются участки равномерных разрушений металла без каких-либо четко выраженных особенностей, очертания которых очень напоминают очертания первоначальной не корродировавшей поверхности. Измерения толщины с применением ультразвуковых методов неразрушаюших испытаний могут помочь в правильной оценке коррозии. Определить признаки коррозии на холодном конце поможет также визуальное сравнение профилей поверхности и толщины металла в секциях, вырезанных из рабочего оборудования..
Промышленность:
Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Давление в барабане: Характеристики трубы: Средство обогрева:
Целлюлозно-бумажная
Экономайзер, котел-утилизатор
Вертикальная
600 фунт/кв. дюйм (4,13 МПа) Наружный диаметр 2,5 дюйма (63 мм) Черный щелок
На Рис. 12.3 приведена крупным планом фотография наружной поверхности трубы экономайзера. которая была подвергнута обширной коррозии. Можно видеть очертания рябой поверхности. Коррозия происходила в тех зонах экономайзера, где из топочных газов конденсировалась серная кислота. Эта конденсация, если оиа происходит, обычно оказывает агрессивное действие на трубы в конце экономайзера, куда поступает питательная вода. т.е. там. где температура металла самая низкая.
B»V I 2.3 I . - i.... I : .. - ... I .,. ’I . I'1
Промышленность:
Местоположение образца:
Сахарная
Экономайзер
Горизонтальная
Наружный диаметр 1 7/8 дюйма (48 мм)
Мазут № 6 (серы 1,9 %)
Следы коррозии и сквозные отверстия, видные на Рис. 12.4. стали хронической п, . " й поверхности, включая поверхности тепл >
юе обширное разрушение металла. Серы : ' ' во многих ie
обменных ребер, пре
пая коррозия вдоль линии закрепления тешь стах к отделению их от стенки трубы.
Глава
13
Коррозия в точке росы во время перерывов в работе
Места преимущественной коррозии
Коррозия в точке росы во время перерывов в работе может происходить в
Г экономайзере. а также в тех зонах котла, где наружные поверхности покры-
та сернистыми отложениями, и в них может происходить образование кис-
Общие сведения
Коррозия в точке росы может привести к значительным коррозионным Повреждениям наружных металлических поверхностей во время перерывов в работе котла. Когда ко тел остывает, температура его наружной поверх
ности падает ниже точки росы, что вызывает образование влаги на поверхности труб. Влага в сочетании с сернистыми отложениями может образо-
вать электролит с низким pH. под влиянием которого скорость коррозии может достигать 0,5 дюйм/год (12.7 мм/год). На Рис. 13.1 показана покрытая золой труба, подвергшаяся коррозии в точке росы до того, как отложения были удалены. На Рис. 13.2 показана поврежденная коррозией поверхность зрубы уже после удаления отложений.
Важнейшие условия, способствующие коррозии в точке росы
Коррозия в точке росы происходит в присутствии отложений сернистой ?9Лы на поверхностях труб при снижении температуры металла внутри кот-
ла до температуры ниже точки росы. Отложения сернистой золы в присут-
ствии влаги могут образовать электролит с низким pH.
Идентификация коррозии в точке росы
После того как отложения удалены, обнаружить коррозию в точке росы поможет простой визуальный осмотр (Рис. 13.2). В типичном случае коррозия металла должна быть ограничена участками поверхности, которые были покрыты отложениями сернистой золы. При коррозии часто образуются отчетливо видные участки разрушения металла и островки практически нетронутого металла.
При идентификации коррозии в точке росы может оказаться полезным анализ отложений золы, покрывающих трубу. Обычно этот вид коррозии происходит в результате контакта с сернистыми отложениями, которые образуют с водой растворы с низкими pH.
Предупреждение коррозии в точке росы
Для предупреждения коррозии необходимо взять под контроль важнейшие условия, которые приводят к коррозии. Коррозии в точке росы благоприятствуют следующие два фактора: присутствие отложений сернистой золы, которые при перемешивании с водой образуют электролиты с низкими pH. и снижение температуры металла со стороны топки до температуры ниже точки росы.
Для того чтобы исключить присутствие отложении сернистой золы, могут быть приняты следующие меры:
Использование топлива с низким содержанием серы. Это уменьшит или устранит образование коррозионноспособной золы.
Удаление отложений с металлических поверхностей на стороне топки немедленно после остановки котла путем промывки струями воды под высоким давлением. Затем должна последовать промывка поверхностей известковым раствором для нейтрализации оставшихся кислотных веществ. Металлические поверхности следует просушить на воздухе.
Металл со стороны топки можно защитить от образования ржавчины нанесением легкого масляного покрытия.
Контейнеры с негашенной известью, помещенные в топку на период простоя котла, будут поддерживать воздух сухим. Известь следует периодически менять.
Поддерживать температуру металла выше точки росы не всегда возможно, если температура котловой воды не превышает точку росы.
Меры предосторожности
Коррозия не может быть определена визуально, пока не будут удалены отложения. Отличить ее от коррозии на холодном конце могут помочь места неравномерного разрушения металла, типичные для коррозии в точке росы.
Сопутствующие проблемы
См. главу 12 («Коррозия на холодном конце котла во время эксплуатации»).
Промышленность: Целлюлозно-бумажная
Местоположение образца: Ориентация образца: Экранная труба (котел-утилизатор) Вертикальная
Срок службы, годы: Давление в барабане: Характеристики трубы: 10 600 фунт/кв. дюйм (4,13 Мпа) Наружный диаметр 2 дюйма (51 мм)
Средство обогрева: Черный щелок
На Рис. I3.3 показано, как выглядит наружная поверхность экранной трубы. Обширные разрушения металла привели к образованию шероховатой поверхности. Микроструктурные исследования показали, что наружная поверхность покрыта плотным слоем оксида железа, поверх которого находится слой сульфида железа. Коррозия происходила в периоды простоя, когда влага (возможно, от излишней водной промывки) совместно с внешними содержащими серу отложениями образовала кислотный раствор.
Промышленность: Целлюлозно-бумажная
Местоположение образца: Передний ряд труб экономайзера (котел-утилизатор)
Ориентация образца: Изгиб, наклонная
Срок службы, годы: 11
Давление в барабане: 600 фунт/кв. дюйм (4,13 МПа)
Характеристики грубые Наружный диаметр 2 дюйма (51 мм)
Средство обогрева: Черный щелок
Труба экономайзера, показанная на Рис. 13.4, имеет изрытую раковинами поверхность. покры тую сверху не защищающими ее продуктами коррозии и отложениями. Внешний вид этой поверхности характерен для коррозии, происходящей в периоды простоя, когда соли, образующие кислотную сред}', совместно с атмосферной влагой создают условия, блаприятные для коррозии.
Промышленность: Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Давление в барабане: Характеристики трубы: Средство обогрева: Целлюлозно-бумажная Экранная труба, на 2 фута (0,6 м) ниже свода Вертикальная 12 600 фунт/кв. дюйм (4,13 МПа) Наружный диаметр Здюйма(76мм) Черный щелок
Коррозия, показанная на Рис. 13.5. соответствовала повреждениям. обнаруженным в верхней части топки котла вокруг отверстий. Коррозия произошла только под слоем огнеупора. Котел промывали водой дважды в год и после промывки не сушили. Измерения показали уменьшение толшины стенки грубы на 16%.
Коррозия произошла в результате присутствия на металлической поверхности серосодержащих отложений, которые нс были удалены во время промывки водой. Коррозия данного вида вполне обычна для застойных зон, в том числе и для участков под огнеупорным покрытием. Есть данные о том, что в подобных условиях скорость коррозии достигала 0,05 дюйм/год (1,27 мм/год).
Промышленность: Местоположение образца: Целлюлозно-бумажная Труба парогенератора. 2 фуга (0,6 м) над грязесборником
Ориентация образца: Вертикальная
Срок службы, годы: Давление в барабане: 21 750 фунт/кв. дюйм (5,2 МПа)
Характеристики трубы: Средство обогрева: Наружный диаметр 2,5 дюйма (63 мм) Черный щелок
Разрушение металла, показанное на Рис. 13.6, было обнаружено на всем пучке труб парогенератора, что потребовало реконструкции козла. Проблема стала Очевидной после появления сильной утечки, заставившей прекратить эксплуатацию котла. Такая коррозия прежде нс наблюдалась. Промывку наружных поверхностей котла водой проводили каждые 4 месяца.
Измерения позволили обнаружить уменьшение толщины стенки трубы приблизительно на 20%. Корродировавшая поверхность была шероховатой, но остались островки прежней неповрежденной поверхности.
Микроструктурные исследования не обнаружили никаких признаков коррозии внешней поверхности под действием высокотемпературного шлака. Коррозия происходила в периоды простоя. Из-за недостаточной промывки водой наружных поверхностей котла там могли остават ься коррозией неспособные серосодержащие соли. создающие кислотную среду. Остат ки солей совместно с влагой могли вызвать коррозию, следы которой можно видеть на трубе.
Промышленность:
Местоположение образца:
Сталелитейная
Сливная труба, в 12 дюймах (300 мм) от паросборника Наклонная на 45°
Наружный диаметр 2,5 дюйма (63 мм)
Мазут с высоким содержанием серы
Труба, покачанная на Рис. 13.7. была одной из одинаковых труб, обнаруженных при осмотре со стороны топки. Труба в котле проходила под углом 45. Большая канавка со сквозным отверстием была расположена вертикально. Установлено, что ориентация канавки совпадала с движениями капель воды, падавших из расположенной над ней секции экономайзера.
Осмотр секции экономайзера выявил еще ряд труб с канавками. Эти канавки совпадали с направлением движения капель воды, которые падали из секции воздухоподогревателя. расположенной над экономайзером.
Осмотр дна секции воздухоподогревателя, который недавно промывали водой, показал скопления влажных отложений, из которых капала вода. Эти капли воды имели pH, равный 2. Анализ отложений методом рентгеновской флуоресценции показал в них высокий уровень содержания серы.
Глава
14
Повреждения под действием водорода
Места преимущественного повреждения
Данный вид повреждений является прямым результатом коррозии под влиянием электрохимических реакций, при которых происходит выделение атомарного водорода.’Повреждения обычно ограничиваются внутренними поверхностями заполненных водой труб, которые подвергаются активной коррозии.
Повреждения, вызванные водородом, по большей части ограничены трубами, охлаждаемыми водой. Разрушения обычно происходят в зонах с мощными тепловыми потоками, под толстыми слоями отложений, в наклонных или горизонтальных трубах, а также на участках теплопередачи рядом с подкладными кольцами сварных швов либо другимии устройствами, препятствующими свободному движению потоков..Опыт показал, что повреждения, вызванные водородом, происходят в котлах, работающих под давлением ниже 1000 фунт/кв. дюйм (6.9 МПа).
Общие сведения
Повреждения, вызванные водородом, могут появиться в местах, где в результате коррозионных реакций происходит образование атомарного водорода. Повреждения могут быть вызваны коррозионной реакцией как при высоких, так и при низких значениях pH. Повреждения при высоких pH представляют собой простую щелочную коррозию (см. Главу 4 «Щелочная коррозия»).
Концентрированный гидроксид натрия растворяет магнитный оксид железа в соответствии со следующей реакцией:
4NaOH + Fe,O4 -» 2NaFeO2 + Na2FeO, + 2H2O
После того как защитный слой оксида разрушен, вода способна реагировать непосредст венно с железом с выделением атомарного водорода:
3Fe + 4Н2О -» FeA + 8Н?
Сам гидроксид натрия может также реагировать с железом с образова-
3Fe + 2NaOH -> Na2FeO2 + 2НТ
Если происходит выделение атомарного водорода, он способен диффундировать в сталь. Некоторое количество диффундировавшего атомарного водорода в результате реакции присоединения образует на границах кристаллитов или включений в металл молекулы водорода, либо по реакции с карбидами железа, содержащимися в металле, образует метан:
Fe,C + 4Н-> СН4 +3Fe
Поскольку ни молекулярный водород, ни метан не способны диффундировать через сталь, образующиеся газы накапливаются, главным образом на границах кристаллитов. Иногда под давлением газов в металле из-за его
расщепления на границах гранул будут возникать межкристаллитные микротрещины (Рис. 14.1). В результате скопления микротрещин прочность трубы начнет уменьшаться до тех пор, пока напряжения, создаваемые дав-
лением в котле, не превысят предел прочности при разрыве у неповрежден-
ного металла. В данной точке может появиться продольный разрыв с тол-
стыми краями (Рис. 14.2). В зависимости от степени водородных повреждений возможен прорыв крупных прямоугольных участков стенки с образованием зияющего отверстия (Рис. 14.3).
Повреждения под действием водорода могут происходить в работающем котле и в результате коррозионной реакции при низких pH (см. Главу 6. «Коррозия при низких значениях pH в эксплуатационный период»). В процессе коррозии может происходить выделение атомарного водорода, что приведет к появлению локальных низких pH. Как было указано выше, атомарный водород способен диффундировать в металл и реагировать с ним с образованием молекулярного водорода или метана. Водородная коррозия при низких pH и механически, и физически идентична коррозии в условиях высоких pH. Различия здесь лишь в источнике атомарного водорода.
Важнейшие условия, способствующие водородной коррозии
Важнейшие факторы, приводящие к повреждениям под действием водорода в результате коррозии при высоких pH. идентичны тем, которые были указаны для щелочной коррозии в главе 4 («Щелочная коррозия»). Условия, способствующие повреждениям под действием водорода в результате коррозии при низких pH. идентичны тем, которые указаны для кислотной коррозии в главе 6 («Коррозия при низких значениях pH в эксплуатационный период»).
Идентификация водородной коррозии
Определить визуально водородное повреждение в принципе невозможно вплоть до аварии. В котлах, работающих под давлением более 1000 фунт/кв. дюйм (6,9 МПа), следует уделить основное внимание зонам, в которых происходила коррозии при высоких и низких значениях pH.
Обычно водородное повреждение трудно обнаружить даже с примене-нением методов неразрушающих испытаний, несмотря на то что разработаны сложные ультразвуковые методики для обнаружения металла, подвергшегося повреждению под действием водорода. Определить корродировавшие участки, которые следует считать в данном отношении подозрительными. помогут проверки толщины стенок ультразвуковыми методами.
Образование раковин и водородное повреждение, происходящие в условиях низких pH. можно отличить от повреждений в условиях высоких pH. если известны химические процессы, протекающие в котловой воде и в вероятных источниках загрязнений. Например, частым источником загрязнения котловой воды являются утечки из конденсатора. От источника охлаждающей воды зависит, какую, кислотную или щелочную среду создают утечки. Свежая вода из озер и рек обычно содержит растворенные вещества. кот орые в условиях котловой воды подвергаются гидролизу с образованием соединении, создающих среду с высоким pH. в частности гидроксида натрия. И наоборот, морская вода и вода из рециркуляционных систем водяного охлаждения с градирнями могут содержать растворенные вещества, которые при гидролизе образуют кислотные растворы.
Предупреждение водородной коррозии
Повреждение под действием водорода происходит при двух важных условиях: присутствие веществ, создающих среду с высокими или низкими pH. и механизм конце1ггрирования. Дэя того, чтобы водородные повреждения произошли, оба условия должны действовать одновременно.
Для исключения влияния веществ, создающих среду с высокими или низкими pH, необходимо принятие следующих мер:
Уменьшение содержания свободного гидроксида натрия. Данную меру рекомендуют применять в случае водородных повреждений, вызванных высокими pH.
Предотвращение случайного попадания регенерационных химических веществ из деминерализаторов подпиточной воды.
Предотвращение утечек из конденсатора. Благодаря мощным концентрирующим механизмам, которые могут действовать в котле, утечки за-грязни гелей в количестве лишь нескольких частей на миллион частей воды могут оказаться достаточными, чтобы вызвать локализованную коррозию и повреждения под действием водорода.
Предотвращение загрязнения пара и конденсата технологическими потоками.
Предотвращение локализованного концентрирования коррозионных веществ оказалось наиболее эффективным из всех мер предупреждения водородных повреждений. Но оно также и наиболее трудно выполнимо. Предотвращение кризиса пузырькового кипения, чрезмерных отложений со стороны воды и образования уровня воды (ватерлиний) в трубах может помочь в устранении локализованного концентрирования коррозионных веществ. '
Предотвращение кризиса пузырькового кипения. Эта мера обычно требует ликвидации мест перегрева путем тщательного регулирования рабочих параметров котла. Появление мссг перегрева может происходить из-
за чрезмерного пережога или недожога топлива, неправильной регулировки горелок, перехода на другие виды топлива, каналирования газов и излишней продувки.
Предотвращение чрезмерных отложений на стороне воды. Для устранения чрезмерных отложений на стороне воды можно периодически проводить отбор образцов труб (как правило ежегодно) для измерения относительной толщины слоя и количества отложений, образовавшихся на трубах. Практические указания по отбору образцов труб приводятся в стандарте ASTM D887-82. Можно обратиться за рекомендациями по вопросам кислотной очистки к изготовителям котлов.
Предотвращение образования уровня воды (ватерлинии). В наклонных и горизонтальных трубах образование ватерлиний наиболее вероятно. К их появлению могут привести работа котла с чрезмерно низким уровнем воды или слишком высокие скорости продувки. Образование ватерлинии может происходить также при излишнем снижении нагрузки, если давление остается постоянным. Когда нагрузка уменьшается при сохранении давления, скорость воды в котельных трубах снижается пропорционально уменьшению нагрузки. При слишком малых нагрузках происходит расслаивание системы пар - вода и образуется стабильная или метастабильная ватерлиния.
Меры предосторожности
Повреждения под дейст вием водорода обычно приводят к разрывам с толстыми краями. Другие механизмы, способствующие образованию разрывов с толстыми краями, это коррозионное растрескивание под напряжением. коррозионная усталость, разрывы под дейст вием напряжений, а также (в некоторых редких случаях) сильнейший перегрев. Может оказа ться затруднительным визуально отличить разрушения, вызва1шые водородным повреждением, от других видов разрушений, однако здесь могут помочь некоторые их особенности.
Например, водородное повреждение почти всегда связано с образованием раковин в металле (см. меры предосторожности, приведенные в Главах 4 и 6). Другие виды разрушений (за исключением, возможно, коррозионной усталости, которая часто начинается в отдельных раковинах) обычно не связаны с сильной коррозией.
Аварии труб в результате водородного повреждения металла часто проявляются в виде образования в стенке трубы прямоугольного «окна», что не характерно для других видов разрушений.
Полная диагностика водородного повреждения может потребовать официального металлографическое расследования.
Сопутствующие проблемы
См. также главу 2 («Длительный перегрев»), главу 3 («Кратковременный перегрев»), главу 4 («Щелочная коррозия»), главу 6 («Коррозия при вязких значениях pH в эксплуатационный период»); главу 15 («Коррозионно-усталостное растрескивание») и главу 16 («Коррозионное растрескивание под напряжением»).
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 14.1
П ромы тленность:
Местоположение образца:
Ориентация образца:
Срок службы, годы:
Давление в барабане:
Установка для производства энергосредств Носовая секция Наклонная
25
Координированная фосфатная
2075 фунто/кв. дюйм (14,3 МПа)
Наружный диаметр 2 дюйма (5'1 мм)
Котел, из которого была взята секция, показанная на Рис. 143. представляет собой агрегат с принудительной циркуляцией, вырабатывающий 2.5 млн. фунтов (1134 тонн) пара в час. Котел находился в эксплуатации с пиковыми нагрузками в течение 2 лет.
Повреждения часто возникали в носовой секции и в трубах свода. Была проведена кислотная очистка котла. Разрушение, показанное на Рис. 14.3. - одно из нескольких. которые произошли после кислотной очистки.
Можно видеть большое прямоугольное отверстие, оставшееся после того, как участок был буквально вырван из трубы . Края разрушения толстые, тупые и имеют неправильные очертания. Вдоль края разрушения видны многочисленные мелкие вторичные трещины.
Тщательное изучение иллюстрации позволяет обнаружить с внутренней сторо-
ков неглубоких впадин утраченного металла. Корродировавшие участки местами
видны глубокие продольные трещины.
Микроструктурные исследования зоны образования трещин позволили обнаружить многочисленные дискретные межкристалли п гые микро трещины. Термических
покрывающие корродировавший участок на внутренней поверхности, имели слегка
В результате жестокой водородной коррозии данной трубы был вырван большой участок стенки грубы. Признаки микроструктурных изменений (расслоение оксидов железа) заставляют предположить, что водородное повреждение произошло, когда котловая вода в результате утечек из конденсатора была загрязнена солями, создавшими кислотную среду (в частности хлоридами).
Местопс
Срок службы, годы:
Установка для производства энергосредсте
Топочный экран
Вертикальная
Давление в барабане: Характеристики труб:
Соответствующий контроль
2100 фунт/кв. дюйм (14,5 МПа)
Наружный диаметр 2,5 дюйма (63 мм)
: на Рис. I4.2, является последним в серии из четырех одина-
ковых повреждений, которые были локализованы в зоне над горелками. Можно вн-
ести отложений нет.
1с пронз
Микроструктурные исследования пою ориентированные микротрещииы, расположенные непосредственно под корродировавшими участками, что типично для повреждений под действием водорода. Термические превращения микроструктуры, вызванные перегревом, обнаружены не были, Оксиды железа, покрывающие участки коррозии, имели четкую слоистую структуру.
снижению pH котловой волы. Присутствие солей, создающих кислот ную среду, в сочетании с кризисом пузырькового кипения на участке разрушений и стало причиной аварии.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 14.3
Промышленность:
Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Характеристики труб:
Установка для производства знергосредств Топочный экран Вертикальная
2
Координированная фосфатная
Наружный диаметр 2,5 дюйма (63 мм)
Многочисленные аварии в результате повреждений под действием водорода, вызванных щелочной коррозией, потребовали реконструкции котла и внесения значительных изменений в программу' химической обработки воды. Программу, основанную на сохранении низкого содержания растворенных веществ и свободной щелочности. заменила координированная фосфатная программа водообработки. Разрушение. показанное на Рис. 14.4. произошло в трубе, замену которой проводили в то время, когда происходило изменение процесса химической водообработки.
На аварийной трубе виден разрыв с толстыми краями, проходящий сквозь участок с выеденным металлом на внутренней поверхности. Это разрушение произошло непосредственно за кольцевым сварным швом, выступающим во внутрь грубы.
Микроструктурные исследования не выявили термических изменений .микроструктуры металла, происходящих в качестве последствий перегрева. Однако в стенке трубы рядом с выеденными участками находились тонкие дискретные межкристаллитные микротрешины. Выеденные участки были покрыты толстыми слоями плотных оксидов железа со слоистой структурой.
Образование впадин и водородное повреждение было вызвано высоко локализованным концентрированием коррозионноспособных веществ на металлической
поверхности. Концентрирование лих веществ произошло в результате кризиса пу-
го выступающим во внутрь сварным швом. Слоистый характер оксидов железа, которые покрывали корродировавшие участки, указывает на то, что коррозия и водородное повреждение были вызваны средой с низким pH. которая была образована
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 14.4
Местоположение образца:
Срок службы, годы: Программа водоочистки:
Установка для производства энергосредств Труба опорной плиты
Координированная фосфатная
2080 фунт/кв. дюйм (14.3 МПа)
Наружный диаметр 2.5 дюйма (63 мм)
Крупная авария с разрушением трубы, показанная на Рис. 6.3 и 6.4 (сгр93), стала первой такой аварией на данной установке. Это произошло через 6 месяцев после
Продольный разрыв с толстыми краями ограничен корродировавшим участ ком. в то время как остальная часть внутренней поверхности осталась гладкой без заметных следов коррозии.
Микроструктурные исследования не установили каких-либо термических разру шений в микроструктуре. Непосредственно после корродировавшего участка в стенке трубы было обнаружено большое количество дискретных межкристаллит иых микротрещин.
Внешний вид и микроструктура трубы показывают, что разрушение произошло из-за водород—г ---------
среду с низкими pH, Источник таких веществ и режим их кс
вызвано веществами, создающими
таллом трубы во время работы котла. Водородное повреждение, вызвавшее даниск разрушение, началось только в процессе работы котла.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 14.5
Характеристики труб:
Установка для производства энергосредств
Носовой скат, топочный экран
25
Координированная фосфатная
2000 фунт/кв. дюйм (13.В МПа)
Наружный диаметр 3 дюйма (75 мм)
Разрыв с толстыми краями, показанный на Рис, 14,5, стал одним из многочисленны одинаковых повреждений, периодически происходивших и в секции носовой арки * в трубах свода, что потребовало реконструкции котла. Котел ло этого работал с пн ковыми нагрузками.
Разрыв совпал с четко очерченной зоной глубоких раковин в металле на вну i ренней поверхности (Рис. 14.6). Волнистая поверхность зоны коррозии покрыта черным оксидом железа.
Исследование микроструктуры нс выявило в ней никаких термических измеж ний. Непосредственно под корродировавшим участком в стенке трубы были обна ружены многочисленные произвольно ориентированные межкристаллитные микро-трещины.
ксида натрия, а оно в свою очередь вызвало на данном участке глубокое щелочит выедание. Повреждение иод действием водорода и возникшее в результате разруш-пне были прямым следствием щелочного выедания.
Глава
Коррозионно-усталостное растрескивание
Наиболее вероятные места коррозионной усталости
Коррозионная усталость может появиться в любом месте, где действуют циклические напряжения достаточно большой величины. Коррозионно-усталостные разрушения чаще всего происходят в котлах, которые работают с пиковыми нагрузками, с перерывами или в других режимах цикличности. Быстрый запуск или остановка котла могут значительно увеличить вероятность коррозионной усталости. Некоторые серьезные проблемы, связанные с коррозионной усталостью, устранялись простым введением соответствующих изменений в скорость пуска и остановки.
Обычными местами появления коррозионно-усталостных трещин являются боковые экраны, грубы промежуточного пароперегревателя, пароперегревателя и экономайзера, деаэраторы и края перегородки топочных трубных экранов. Кроме того, коррозионная усталость обычна в местах прикрепления оборудования или жестких связей, например в точках подсоединения к входному или выходному коллектору, затяжках и опорных стой-
Появление трещин также наблюдали у канавок вдоль внутренней поверхности котельных труб, которые были лишь частично заполнены водой (трещины обычно проходили поперек канавок), в местах появления ряда прерывистых паровых пузырей внутри груб парогенератора, у кислородных раковин на линиях воды (ватерлиниях) или трубопроводах для подачи питательной воды, в сварных швах ( в шлаковых карманах или точках неполного провара), в линиях обдувки сажи, где действовали вибрационные Напряжения . и в линиях продувки.
Общие сведения
Коррозионная усталость представляют собой вид повреждений, которые могут происходи ть без концентрирования коррозионнспособных веществ. Данный термин относится к трещинам, которые распространяются в металле в результате циклических изменений растягивающих напряжений, действующих в коррозионной для металла среде. Термин и определение, приведенные выше, в применении к котлам могут ввести в заблуждение, поскольку нормального окисления металла до магнетита вполне достаточно, чтобы в присутствии значительных циклических растягивающих напряжений вызвать коррозионную усталость.
Развитие трещин происходит в следующей последовательности:
В первой фазе циклических напряжений стенка трубы подвергается расширению. Поскольку слой оксида более хрупкок по сравнению со стенкой трубы, он может разламываться с образованием микроскопических трещин, проходящих скозь слой оксида плоть до поверхности металла.
Рис. 15.3 Сеть продольных трешнн, no iiihl-iiikx в результате ко.тсйа-
Инженерен ио Коррозии),
Открытая поверхность металла у корня трещины окисляется, и на ней образуется микроскопическая бороздка (Рис. 15.1).
Во время следующего цикла оксид будет иметь тенденцию разрушаться вдоль этой бороздки, что приводит к ее углублению.
С продолжением этого циклического процесса клинообразная трещина распространяется по стенке трубы (Рис. 15.2), пока в ней не произойдет разрушение или трещина не пройдет сквозь всю толщину стенки.
Трещины всегда распространяются в направлении, перпендикулярном направлению действия основного напряжения, В результате, если главное циклическое напряжение создано колебаниями внутреннего давления, возникают продольные трещины (Рис. 15.3). Если главное циклическое напряжение есть напряжение при изгибе, вызванное тепловым расширением и сжатием трубы, то трещины будут поперечными (Рис. 15.4). Коррозионно-усталостное растрескивание обычно происходит вблизи мест физических ограничений. Трещины могут появиться на наружной поверхности, на внутренней поверхности или одновременно на обеих поверхностях. Трещины, появившиеся на внутренних поверхностях, часто сопровождаются раковинами. Участок с раковинами служит местом концентрации напряжений и предпочтительным местом коррозионно-усталостного растрескивания.
Важнейшие условия, приводящие к коррозионно усталостному растрескиванию
Циклические напряжения при растяжении и благоприятная среда для окисления открытой поверхности металла служат двумя основными условиями, которые благоприятствуют коррозионной усталости. Двумя обычными источниками циклических напряжений при растяжении служат циклически меняющееся внутреннее давление и тепловое расширение и сжатие при наличии ограничений.
В дополнение к среде, в которой происходит окисление открытой металлической поверхности, есть и другие факторы, способствущие коррозионно-усталостному растрескиванию. Это уровень pH и содержание растворенного кислорода. Работа при низких значениях pH или при слишком высоком содержании растворенного кислорода может привести к точечной коррозии (питтингу). Изъязвления будут действовать как места концентрации напряжений и появления коррозионно-усталостных трещин.
Идентификация коррозионно-усталостного растрескивания
Коррозионно-усталостные трещины обычно бывают прямыми и без разветвлений. Они имеют игольчатую или клинообразную форму и распространяются перпендикулярно поверхности металла. Они часто располагают ся в виде многочисленных параллельных трещин (Рис. 15.3 и 15.4) очень малой ширины, что делает их трудно распознаваемыми без проведения тщательного обследования. Иногда они могут иметь вид лишь мелких канавок в слое магнетита. Как правило, они распространяются по поверхности трубы на небольшое расстояние. Нередко коррозионно-усталостные трещины развиваются одновременно в двух или нескольких частях одного и того же участка.
Для распознавания трещин пользуются методами неразрушающих испытаний, включая ультразвуковое и рентгенографическое обследование, цветную и магнитно-порошковую дефектоскопию.
Предупреждение коррозионно-усталостного растрескивания
Предотвращение или уменьшение степени коррозионно-усталостного растрескивания осуществляют путем уменьшения циклических напряжений при растяжении и контроля над условиями окружающей среды, а также путем реконструкции котла. Уменьшение времени или полная ликвидация циклической работы котла, продление периодов пуска и остановки могут помочь в предотвращении или уменьшении возможности появления коррозионно-усталостного растрескивания.
Устранить процессы окисления, происходящие на верху вновь возникших трещин, невозможно. Это окисление будет происходить и при очень низких уровнях содержания в воде растворенного кислорода. Регулирование величины pH и борьба с избыточными количествами растворенного кислорода могут оказаться полезными для предотвращения питтинговой (язвенной) коррозии, что исключит появление вероятных мест коррозионно-усталостного растрескивания.
В случаях устойчивого коррозионно-усталостного растрескивания, с которым трудно бороться, могут потребоваться такие меры, как оконтуривание сварных швов и реконструкция мест прикрепления труб для устранения или уменьшения ограничений для термического расширения и сжатия.
Меры предосторожности
Полностью сформировавшийся в результате коррозионно-усталостного растрескивания излом обычно имеет толстые края и характеризуется очень небольшой пластичностью. Такой излом вполне можно принять за другие виды разрушений, например за разрушение под действием напряжений, за растрескивание под действием водородного повреждения, за коррозионное растрескивание под напряжением и за некоторые результаты серьезного перегрева. Коррозионно-усталостные трещины часто трудно заметить, поскольку они заполнены плотными оксидами железа. Иногда они выглядят как короткие, неглубокие канавки в слое магнетита, покрывающем трубу.
Сопутствующие проблемы
См. также главу 2 («Длительный перегрев»), главу 3 («Кратковременный перегрев»), главу 14 («Повреждения под действием водорода») и главу 16 («Коррозионное растрескивание под напряжениям»).
Местоположение образца:
Давление в барабане: Характеристики труб:
Установка дпя производства энергосредств Трубопровод подогрева охлажденного пара в 20 дюймах от нагнетания турбины Горизонтальная
350 фунт/кв. дюйм (2,4 МПа)
Наружный диаметр 14 дюймов (356 мм), бесшовная
Трещины, показанные на Рис. 15.4, были ограничены участками в 5-10 футов (1.5-3,0 м) с обеих сторон места соединения с линией подогрева. Разрушения нс произошло, однако подобные трещины наблюдались раньше в однотипном агрегате. Поперечные разрывы и трещины сопровождались (и связаны были с ними) множеством мелких рако-
Микроструктурныс исследования позволили обнаружить множество тупых V-образных разрывов в стенке со стороны внутренней поверхности. Самые глубокие трещины проникали в толщу трубы на 25°/».
Трещины в этом случае были вызваны циклической деформацией трубопровода. Мелкие раковины кислородной коррозии, возникшие в результате воздействия на внутреннюю поверхность влаги и кислорода во время простоев, послужили центрами зародышеобразования для коррозионно-усталостных трешнн.
Смягчения серьезности этой проблемы можно достичь, устранив кислородный питтинг во время простоев в работе и уменьшив или устранив циклическую лефор-машио трубопровода.
Промышленность: Местоположение образца: Установка для производства энергосредств Дренажный трубопровод из коллектора промежуточного пароперегревателя
Характеристики труб: Наружный диаметр 1 7/8 дюйма (48 мм), низколегированная сталь
Глубокие перекрестные трещины и разрывы расположены в четко ограниченной зоне на внутренней поверхности вокруг одного из концов дренажной линии (Рис. 15.6 и 15.7). Трещины и разрывы в других местах, кроме данного конца, отсутствуют.
стенку трещины, вызванные термической усталостью. Кроме того, обнаружены признаки умеренного перегрева.
Термическая усталость может появиться, если нагретый металл периодически подвергают быстрому охлаждению. Быстрое охлаждение поверхности металла создает интенсивные трехосные напряжения, которые могут вызвать образование перекрестных трещин, аналогичных показанных на этих рисунках. Быстрое охлаждение может быть вызвано локализованным .действием водяных пробок на трубопровод. Для решения этой проблемы необходимо устранить циклы быстрого охлажле-
Промышленность: Местоположение образца: Целлюлозно-бумажная Трубы на передней стенке вокруг первичного ввода
воздуха (котел-утилизатор) Ориентация образца: Наклонная
Срок службы, годы: 15
Давление в барабане: Характеристики труб: 900 фунт/кв. дюйм (6,2 МПа) Наружный диаметр 3 дюйма (76 мм), с заклепками
Трещины, показанные на Рис. 15.8 и 15.9, были локализованы на участке вокруг первичного ввода воздуха. Эти короткие поперечные трещины были особенно заметны вблизи основания стержней (Рис. 15.9). Измерения показали проникновение трещин
Микроструктурные исследования поверхности выявили глубокие клинообразные разрывы, начинающиеся на наружной поверхности, и неглубокие острые трещины на внутренней поверхности.
Поперечная ориентация трещин и разрывов показывает, что они возникли в результате циклической деформации труб, вызванной термическими расширениями и сжатиями. Проявление трещин у оснований заклепок может быть вызвано разницей в свойствах заклепок и стенки трубы и в их реакции на термические расширения и сжатия. Внешний вид таких коррозионно-усталостных трещин на трубах с заклепками послужил основанием для описания этого явления с помощью термина «слоно-
вья кожа». Опыт подсказывает, что такой вид имеют участки теплопередачи вы кой интенсивности, которые могут оказаться в трубах, не покрытых расплавом.
Промышленность: Местоположение образца: Целлюлозно-бумажная Пароперегреватель вблизи выходного коллектора (энергетический котел)
Ориентация образца: Вертикальная
Срок службы, годы: Давление в барабане: Характеристики труб: 5 Координированная фосфатная 1250 фунт/кв. дюйм (8,6 МПа) Наружный диаметр 1 3/4 дюйма (44 мм), низколегированная сталь
жить вторичные трещины (Рис. I5.l I). Микроструктурные исследования стенки трубы подтвердили наличие и изнутри, и снаружи вблизи излома серии неразветвляю-щихся транскристаллитных трещин. Кольцевая ориентация трещин показала, что напряжения создавали циклические изгибающие напряжения, причиной которых,
Рис. 15.11 Вторичные
Глава
16
Коррозионное растрескивание под напряжением
Места преимущественной коррозии
В принципе коррозионное растрескивание под напряжением может произойти в любом месте, где одновременно присутстуют коррозионные вещества и созданы достаточно большие растягивающие напряжения. Благодаря более совершенным программам водоподготовки и улучшенной конструкции котла появление трещин в результате щелочной коррозии под напряжением происходит не так часто, как это было много лет назад. Однако в водяных трубах, трубах пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя все еще иногда происходит коррозионное растрескивание под напряжением. Оно может также произойти в таких находящихся под напряжением деталях паросборника, как болты (Рис. 16.1).
Общие сведения
Термин коррозионное растрескивание под напряжением относится к разрушению металла, вызванному синергическим взаимодействием растягивающего напряжения и определенного коррозионного вещества, к которому металл чувствителен. Растягивающие напряжения могут быть приложенными, в частности внутренним давлением, или остаточными (например, в сварных
швах). В котельных системах углеродистая сталь особенно чувствительна к концентрированному гидроксиду натрия, а нержавеющая сталь и к концентрированному гидроксиду натрия, и к концентрированным хлоридам.
Для коррозионного растрескивания иод напряжением совсем не обязательно мощное агрессивное воздействие на металл, и в действительности такое воздействие не сопровождается коррозионным растрескиванием. Совместное воздействие концентрированного гидроксида натрия, некоторого количества растворенного диоксида кремния и растягивающих напряжений будет приводить к образованию в углеродистой стали непрерывных межкристаллитных трещин (Рис. 16.2). При разрастании трещин прочность оставшегося целым металла уменьшается, и в определенный момент происходит образование хрупкого излома с толстыми краями.
Важнейшие условия, приводящие к коррозии
Существуют два основных фактора, которые в условиях котла приводят к коррозионному растрескиванию под напряжением. Во-первых, металл в данной зоне должен находиться под достаточно сильным влиянием растягивающих напряжений. Напряжения могут быть следствием действующих сил и/или остаточными. Во-вторых, должно произойти концентрирование на участке с металлом под напряжением специфичного коррозионного вещества. Для углеродистой стали это гидроксид натрия; для нержавеющей стали такими веществами могут быть гидроксид натрия или хлориды. (Концентрирование таких веществ может происходить вследствие создания любого из режимов, рассмотренных в главе 4 «Щелочная коррозия»). Концентрирование коррозионного вещества может также произойти в результате небольших утечек.
Случаи щелочного коррозионного растрескивания под напряжением в металле котла, работающего при температурах ниже 300°Ф (149°С), очень редки. Растрескивание может быть вызвано концентрациями гидроксида натрия всего лишь около 5%, а при концентрациях в пределах 20-40% растрескивание резко возрастает.
Идентификация коррозионного растрескивания под напряжением
Разрушения, вызванные коррозионным растрескиванием под напряжением, независимо от степени пластичности металла всегда приводят к образованию разрывов с толстоостенными гранями. Для таких трещин часто бывают характерны разветвления. Пока разрушение не произошло, коррозионное растрескивание под напряжением трудно заметить невооруженным глазом, поскольку обычно образуются очень тонкие и узкие трещины. Иногда на месте возникновения трещин можно видеть признаки присутствия концентрированного гидроксида натрия в виде беловатых высокощелочных отложений или кристаллического магнетита.
Предупреждение коррозионного растрескивания под напряжением
Для решения проблем, связанных с коррозионным растрескиванием под напряжением, необходимо взять под контроль растягивающие напряжения или процессы концентрирования коррозионных веществ.
Растягивающие напряжения могут быть созданы работающими агрегатами или быть остаточными. Напряжения от работающих агрегатов, включая окружные напряжения, создает внутреннее давление, а напряжения при изгибе создают термические расширения и сжатия. Обычно окружные напряжения поддаются контролю с трудом, поскольку содержания веществ под давлением требуют основные функции котельных труб и другого оборудования. Однако напряжения при изгибе могут быть уменьшены или устранены путем изменения рабочих параметров или конструкции самого оборудования.
Термин остаточные напряжения относится к тем напряжениям, которые присущи самому' металлу. Они являются результатом таких процессов изготовления, как сварка швов или изгибание труб. Остаточные окружные напряжения могут также сохраниться после процесса их изготовления. Эти напряжения могут быть снижены путем применения правильных методов отжига.
Наиболее эффективным способом уменьшения или исключения коррозионного растрескивания под напряжением является предотвращение образования концентрированных коррозионных веществ. Первыми шагами должны стать предупреждение кризиса пузырькового кипения, борьба с образованием на внутренних поверхностях значительных отложений и с образованием линий пара и воды в компонентах обрудования, принимающих большие тепловые потоки. Прочие меры могут состоять в предотвращении утечек солей, создающих щелочную среду, из конденсаторов, теплообменников, технологических линий и систем деминерализации со щелочной регенерацией; в предотвращении загрязнения воды, вводимой для устранения перегрева и для охлаждения, щелочными веществами или хлоридами; в предотвращении уноса котловой воды.
Для уменьшения коррозионного растрескивания под напряжением вполне успешным оказалось применение ингибиторов, в частности нитрата натрия или комбинация нитрата натрия с одним из множества органических веществ. Может оказаться полезной также и координированная фосфатная программа водоподготовки, которая разработана для предотвращения образования свободного гидроксида натрия.
Меры предосторожности
Трещины, образующиеся при коррозии под напряжением, обычно трудно идентифицировать при визуальном осмотре. Присутствие таких трещин можно обнаружить с помощью цветной и магнитно-порошковой дефектоскопии и ультразвукового обследования подозреваемых зон. С учетом того факта, ч,то эти трещины обычно очень узки, должно быть увеличено время пребывания веществ, применяемых при цветной дефектоскопии.
Понятно, что коррозионное растрескивание под напряжением можно принять за другие виды растрескивания с образованием изломов с толстыми краями, например за повреждения под действием водорода, коррозионной усталости, ползучести и некоторых видов серьезного перегрева. Для под тверждения диагноза коррозионного растрескивания под напряжением необходимо металлографическое обследование.
Сопутствующие проблемы
См. также раздел, озаглавленный «Разрушение при ползучести», в главе 2 («Длительный перегрев»), главу 3 («Кратковременный перегрев»), главу 14 («Повреждение под действием водорода») и главу 15 («Коррозионно-усталостное растрескивание»).
Промышленность: Целлюлозно-бумажная
Местоположение образца: Линия подачи пара в систему обдувки сажи (котел-утилизатор)
Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб: Вертикальная 15 Удаление кислорода 400 фунт/кв. дюйм (2,8 МПа) Наружный диаметр 2 3/8 дюйма (60 мм), нержавеющая сталь 304
На Рис. 16.3 показан один из i
зпроводов из нержавеющий стали для
ружающес пространство.
В трубопроводе образов
щин с толстыми краями и длиной до
но с разошедшимися в стороны краями, что необычно для коррозионного растаскивания под напряжением.
Более тщательные визуальные и микроструктурные обследования позволили ус-
турные обследования выявили также на металле серьезный наклеп.
Не загрязненная часть трещины была исследована под сканирующим электронным микроскопом, снабженным устройством для энергодисперсивной спектроскопии. Элементарный анализ вещества, покрывающего поверхность трещины, позволил обнаружить присутствие хлора.
Трубопровод был разрушен в результате коррозионного растрескивания под напряжением после воздействия на ее наружную поверхность хлоридов неизвестного происхождения. Продольное направление растрескивания указывает на то. что их причиной были кольцевые (окружные) напряжения. Расширение краев трещин в стороны и наличие в микроструктуре признаков наклепа металла показывают, что в трубе сохранились большие остаточные окружные напряжения, накапливавшиеся в процессе ее изготовления. Расчет показал, что уровень остаточных напряжений составил 29 000 фунт/кв. дюйм (200 МПа). Эти остаточные напряжения совместно с рабочими напряжениями, создаными внутренним давлением, при образовании трещин действовали синергически с хлоридами.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 16.2
Промышленность: Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб:
Целлюлозно-бумажная Экономайзер Изгиб 15 Фосфатная
800 фунт/кв. дюйм (5,5 МПа)
Наружный диаметр 2 дюйма (51 мм)
На участке трубы экономайзера, имеющем в середине изгиб под углом 90. видна пара трещин с толстыми краями, расположенных на противоположных сторонах трубы (Рис. 16.4). Труба в месте изгиба имела не круглое, а скорее овальное сечение, и трещины располагались на противоположных концах длинной оси овала.
На внутренней поверхности была образована неглубокая зона значительного разрушения металла. С данной коррозией связывают появление блестящих кристаллов черного магнетита.
Микроструктурные исследования показали, что трещины начинались на дне неглубоких коррозионных раковин. По мере того как трещины распространялись через стенку трубы, они разветвлялись. Трещины в основном проходили через кристаллиты металла (транскристаллитнос проникновение).
Для коррозионного растрескивания под напряжением в углеродистых сталях необходимо совместное действие концентрированного гидроксида натрия и растягивающих напряжений. По-видимому, концентрирование гидроксида натрия происходило под пористым слоем отложений оксида железа, который присутствовал на внутренней поверхности. О воздействии концентрированного гидроксида натрия свидетельствует наличие кристаллического магнетита. Неглубокие раковины выполняли роль концентраторов напряжений, повышающих нормальный уровень напряжений. Кроме того, напряжения от внутреннего давления оказались максимальными в направлении меньшей оси поперечного сечения овала, где и возникли трещины. Продольная ориентация трещины показывает, что напряжения, необходимые для появления трещин, были созданы внутренним давлением.
градусного ее изгиба. Подобная же
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 16.3
Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водоочистки: Давление в барабане: Характеристики труб:
Средство обогрева:
Целлюлозно-бумажная
Пароперегреватель (котел-утилизатор) Вертикальная
Координированная фосфатная 1200 фунт/кв. дюйм (8.3 МПа) Наружный диаметр 2 дюйма (51 мм), нержавеющая сталь 304
Черный щелок
В секции пароперегревателя котла часто происходили разрушения вида, показанного на Рис. 16.5 и 16.6. Видны тонкие трещины, расположенные рядом и параллельно сварному шву. На Рис. 16.6 видно ветвление трещины на поверхности.
Микроструктурные обследования позволили обнаружить разветвленные трещины. проходящие через кристаллы (транскристаллитныс трещины), образование которых начиналось на внутренней поверхности. Трещины были сосредоточены в зоне действия тепла в непосредственной близости от сварного шва.
Это разрушение стало следствием щелочного коррозионного растрескивания иод напряжением. Источником гидроксида натрия, ио-видимому, был унос из паросборника. Напряжения были остаточными, сохранившимися от сварки, как показывает характер кольцевого расиространеии трещин по трубе и близость их к сварному шву. Трещины от напряжений, создаваемых внутренним давлением, были бы направлены вдоль трубы.
Ориентация образца:
Нефтехимическая
Пароперегреватель (первая ступень)
Вертикальная
... 3 недели
Программа водообработки: Фосфатная
Давление в барабане: 600 фунт/кв. дюйм (4,13 МПа)
Характеристики труб: Наружный диаметр 1,5 дюйма (38 мм),
нержавеющая сталь 304
Средство обогрева: Отходящие газы
Труба, показанная на Рис. 16.7. - одна из многочисленных труб, которые были повреждены в этом котле. Во время монтажа трубы подвергали умеренной холодной гибке без отжига для устранения остаточных напряжений. Паросборник не был оборудован соответствующими устройствами для разделения пара и воды, и часто происходили колебания нагрузки, которые, возможно, вызвали унос котловой воды.
Микроструктурный анализ позволил обнаружить кристаллиты, подвергшиеся пластической деформации в результате холодной гибки. Трещины были сильно разветвлены и проходили между кристаллитами (межкристаллитные трещины.
ма аварий и эксплуата
глов. В котле, работающем
щии. Меры по продлению срока службы
ли применять трубы из нержавеющей стали. Во-вторых, в трубах были выполнены
остаточных напряжений. Грубы
Глава
Эрозия
Введение
Основных мест появления эрозии в котле четыре: сторона топки, система до котла, система после котла и сторона воды и пара.
Механизмы процессов со стороны топки вызывают наибольшие повреждения, связанные с эрозий, и могут быть далее подразделены на эрозию, связанную с обдувкой сажи, с воздействием пара и летучей золы, с соударением с угольными частицами и с падающим шлаком. Иногда серьезной эрозии подвергаются котлы с псевдоожиженным слоем и другие котлы специального назначения. Котлы, работающие на древесной стружке и багассс, часто подвергаются эрозии под действием таких загрязнителей, как песок и другие посторонние механические примеси, содержащиеся в топочных газах. Подобные проблемы, связанные с эрозией на стороне топки, осложняют эксплуатацию мусоросжигательных печей. Поскольку механизмы. действующие со стороны топки, приводят к появлению основной части связанных с эрозией повреждений, каждый из этих механизмов будет детально рассмотрен.
Эрозионное разрушение металла на поверхностях со стороны воды происходит сравнительно редко. Однако иногда это случается. Неоднородности на внутренних поверхностях или посторонние предметы, оказавшиеся внутри труб, могут нарушить поток воды, вызвав турбулентность и, как следствие, износ поверхности.
Система до котла ограничена главным образом системой питательной воды. В зонах после котла эрозия часто происходит в турбинах. Подвержены эрозии также и сопла горелок, трубы сдувки, трубопровод возврата конденсата и некоторые другие детали оборудования котла.
Эрозия от сажеобдувочного аппарата
Места, наиболее часто подвергающиеся эрозии
Как показывает термин эрозия от сажеобдувочного аппарата, повреждения оказываются в местах вблизи или на пути сброса из аппарата. Часто воздействию подвергаются трубы пароперегревателя. Обычные места по-
вреждений это трубы вдоль пути потоков, создаваемых всасывающими сажеобдувочными аппаратами, и особенно трубы, которые находятся ближе всего к стенным входам выдвижных воздуходувок. Другие места повреждений это углы топки напротив обдувочных аппаратов. Часто жертвой эрозии оказываются плиты в конвекционной секции, а также любые трубы, расположенные вблизи неисправных обдувочных аппаратов.
Общие сведения
Возможно, наиболее частой причиной эрозии в котлах становится воздействие сажеобдувочного аппарата. Обычно при неправильном управлении аппаратом создаваемая в нем высокоскоростная струя пара или воздуха, несущая капельки водного конденсата, соударяется непосредственно с поверхностью зруб вместо прохождения между ними. Физическое истирание и ускоренное окисление вызывают разрушение металла. Разрушение может также ускорить соударение с топочной золой, которая увлекается высокоскоростной струей пара, направленной на поверхность зруб. Эрозионное утончение стенки часто ведет к разрыву труб (Рис. 17.1 и 17.2).
Важнейшие условия, способствующие эрозии
Эрозия от сажеобдувочных аппаратов связана с их неправильной центровкой при монтаже. Агрессивное воздействие ускоряет также унос водного конденсата или летучей золы, попадающих в отходящие газы. Увеличение давления обдувки приводит к увеличению скорости газа, способствуя повреждениям захваченной летучей золой. Следовательно, наиболее частыми причинами разрушений становятся ошибки в центровке аппарата и в его эксплуатации.
Идентификация эрозии
Подвергшиеся эрозионному разрушению поверхности металла местами утончены и обычно образуют выравненные в продольном направлении плоские участки, ограниченные с обеих сторон краями нетронутого металла. Если рассматривать поперечное сечение трубы, то труба выглядит как обструганная вдоль своей длины (Рис. 17.1 и 17.2). На ней будут присутствовать канавки и неровные следы воздействия, если в потоке газа четко выделяются завихрения и каналы.
Поверхность металла имеет гладкий или слегка волнообразный внешний вид. На поверхности может присутствовать тонкий темный слой оксида железа либо он будет полностью отсутствовать, если воздействие имело место недавно. Если воздействие происходило давно или же было периодическим (как это часто бывает с сажеобдувочными аппаратами), утонченную поверхность будут покрывать оксид и отложения. Однако слои оксида и отложений обычно более тонки, чем на соседних неповрежденных поверхностях. Более тщательное визуальное обследование утонченных поверхностей часто позволяет обнаружить очень неглубокие волнообразные бороздки, прочно въевшиеся в поверхность металла (Рис. 17.3 и 17.4). Бороздки на поверхности будут направлены перпендикулярно потоку пара через поверхность.
Агрессивное воздействие обычно начинается у отверстия для клапана сажеобдувочиого аппарата и продолжается вдоль потока, создаваемого аппаратом, с уменьшением интенсивности по мере увеличения расстояния. Часто аппарат бывет неправильно центрирован, прочно закреплен в одном положении или вдувает пар с высокой влажностью из-за уноса воды.
На подвергшихся эрозии трубах с внутренним давлением вздутия обычно отсутствуют. Разрыв обычно бывает продольным, но может также следовать в направлении имеющихся на поверхности канавок. Края разрушения тонкие и неровные.
Предупреждение эрозионного разрушения
Для уменьшения вредных последствий эксплуатации сажеобдувочного аппарата необходимо исключить ошибки в его работе, обеспечить его правильное пространственное положение и выполнение им предусмотренных функций. Рекомендуется проводить периодическую проверку положения сопла и его корректровку. Исключить влагу во вдуваемом паре можно путем соответствующего нагрева пара и своевременного слива остатков воды из трубопроводов для подачи пара. Применение методов металлизации, наплавки и плазменного напыления позволит увеличить толщину стенок на поврежденных участках и этим продлить срок службы труб. Однако процессы нанесения покрытий могут несколько уменьшить теплопередачу в этих местах и в целом не решают основную проблему.
Меры предосторожности
Повреждения, вызываемые сажеобдувочным аппаратом, могут походить на коррозию, вызываемую мазутной или угольной золой, а также па эрозию под действием летучей золы. Если на утонченных стенках трубы присутствуют значительные отложения, повреждение могло быть вызвано коррозией под действием мазутной или каменноугольной золы, даже если на этих трубах имеются другие характерные признаки эрозии. Особенно вероятна эрозия котлов, работающих на дровах, багассе и других отходах, поскольку в продуктах сгорания могут быть песок, грязь и цементная пыль, уносимые отходящими газами. Агрессивное воздействие, вызванное увлеченными частицами, напоминает воздействие сажеобдувочного аппарата. Правильная диагностика повреждения в этом случае требует, чтобы оно обязательно находилось на пути потока из аппарата.
Сопутствующие проблемы
См. также главу 9 («Коррозия под действием мазутной золы»), главу 10 («Коррозия под действием каменноугольной золы»), а также разделы данной главы, озаглавленные «Подрезка паром из соседних поврежденных труб». «Эрозия под действием летучей золы», «Эрозия под действием угольных частиц» и «Эрозия от падающего шлака».
Подрезка паром из соседних поврежденных труб
Места наиболее вероятных повреждений
Подвергнутые данному воздействию трубы могут быть обнаружены в любой части котельной системы. Подрезка бывает наиболее серьезной при высоких внутренних давлениях и, следовательно, температурах. Поэтому чаще всего подвергаются сильным разрушениям пароперегреватели и промежуточные пароперегреватели. В непосредственной близости всегда присутствуют поврежденные трубы. Обычно повреждение весьма локализовано и бывает самым разрушительным на линии прямой видимости близлежащих поврежденных труб. Иногда, если первоначальное повреждение во-врсмя не обнаружено, авария в одном месте может привести к цепной реакции с многочисленными разрывами труб.
Общие сведения
Повреждение в результате выброса потоков, протекающих с высокой скоростью, обычно вызывает подрезку паром расположенных вблизи труб. Механизм потери металла по существу тот же самый, что и в случае влияния сажеобдувочного аппарата. Однако воздействие более локализовано, и разрушение происходит очень быстро.
Важнейшие условия, способствующие эрозии
Давление выбрасываемых потоков и близость подвергаемых их воздействию труб определяют потенциальную возможность появления разрушений. Ин
тенсивность разрушений увеличивается с повышением давления (следовательно, и температуры) и уменьшением расстояния от объектов разрушений.
Идентификация эрозии
Подвергшиеся разрушеню поверхности иногда напоминают поврежденные под действием сажеобдувочного аппарата (см. раздел, озаглавленный «Эрозия от сажеобдувочного аппарата»). Поверхности, находяшися в непосредственной близости к поврежденным трубам, с высокой вероятностью приобретут некоторую волнистость с канавками (Рис. 17.5 и 17.6). Неравномерность разрушений растет с уменьшением расстояние до источника эрозии. На поверхностях, недавно подвергшихся эрозии, практически отсутствуют оксиды и отложения. На них обычно образуются линзообразные углубления или бороздки, и они приобретают волнообразные очертания. Часто повреждения могут быть непосредственно связаны с разрушениями, наблюдаемыми на продолжении линии прямой видимости.
Предупреждение подрезки паром
Поскольку подрезка паром происходит в результате других непредсказуемых повреждений труб, а такие повреждения могут оказаться в любом месте котла, то практически невозможно принять или спланировать какие-либо конструктивные меры ее предупреждения. Единственным способом борьбы с разрушениями может стать уменьшение вероятности других разрушений.
Меры предосторожности
Подрезка паром обычно вполне очевидна, поскольку она связана с другим или несколькими другими повреждениями. Однако такое повреждение иногда можно принять за повреждение под действием других видов эрозии со
стороны топки, включая действие летучей золы, угольных частиц и падающего шлака. Кроме того, после того как началась утечка из подрезанной паром трубы, вытекающие потоки из следующих поврежденных труб могут изменить внешний вид находящегося поблизости повреждения, которое и было основной причиной эрозии (см. Пример 17.10).
Сопутствующие проблемы
См. также разделы данной главы, озаглавленные «Эрозия от сажеобдувочного аппарата», «Эрозия под действием летучей золы», «Эрозия под действием угольных частиц» и «Эрозия от падающего шлака».
Эрозия под действием летучей золы
Места преимущественной эрозии
Повреждения данного вида часто происходят в экономайзере, пароперегревателе, промежуточном пароперегревателе и трубах свода, хотя воздействию могут быть подвергнуты и другие трубы. Поскольку эрозионная активность летучей золы обычно становится выше со снижением температуры частиц золы, ее воздействию чаше подвергаются экономайзеры. Области входа в промежуточные пароперегреватели часто подвергаются эрозии из-за высокой скорости топочных газов и создания в них завихрений. Зоны пароперегревателя, в которых происходит усиленное шлакообразование, являются наиболее проблемными, поскольку скорость газа в зауженных шлаком каналах увеличивается. Любое место, где в потоке топочных газов происходит образование каналов и завихрений, становится чувствительным к этому виду эрозии. Эрозия обычно локализована и часто ограничивается зазорами между рядами труб, пучками труб и стенками коробов.
Общие сведения
Эрозия под действием летучей золы вызывается ударами частиц, содержащихся в движушихся с высокой скоростью топочных газах. Основными факторами, ускоряющими это действие, являются высокая скорость газов и большие количества абразивных компонентов в летучей золе. Эти факторы ускоряют износ с увеличением кинетической энергии, приходящейся на удар, и с увеличением числа соударений в единицу времени на данной площади, В Таблице 17.1 приведены максимальные проектные скорости топочных газов для различных режимов сжигания или видов топлива.
Эрозия под действием летучей золы обычна для котлов с топками, оснащенными механическими загрузчиками с верхней подачей топлива, при которой в поток топочных газов могут легко попадать значительные количества золы. В таких котлах снизить содержание твердых частиц в газах можно при помощи системы острого воздушного дутья. Горение в режиме с частичной взвесью приводит к поступлению в поток топочных газов большего количества твердых частиц, поэтому в данных случаях обычно применяют пы-лесборинки. При неисправных сборниках повреждения увеличиваются.
Котлы, в которых сжигают топливо, загрязненное песком и грязью, например древесную стружку, разрушаются от повреждений, аналогичных эрозии, вызываемой летучей золой.
Таблица 17.1 Проектная скорость топочных газов
(фут/с или - 0,3, м/с) через чисто безнапорные зоны в трубных пучках, которая обеспечивает предотвращение эрозии, вызываемой летучей
золой
Режим горения или вид топлива Многопроходные Однопроходные
Пылевидный уголь 75 75*
Топка с распределителем 50 60
Топка с цепным колосником (антрацит) 60 75
Топка с цепным колосником 60 75
Топка с цепным колосником (битуминозное топливо) 100 100
Топка с нижней подачей топлива 75 100
Доменный газ 75 100
Циклонная топка 100
Древесные или другие отходы, содержащие:
Цементную пыль
- багассу
сг известную тенлеииию вызывать абразивный взнос (корейские или цснгралыго-вцдийскис уг-
(1X5 м/с)1" С Р"С РМ "”Р 1 Р ’
ИСТОЧНИК: с разрешения Babcock & Wilcox, Steam/Hs Generation and Use («Пар. ею генерирование и наюльзование»), Babcock & Wilcox, Nsr York. 1972.
Важнейшие условия, способствующие эрозии летучей золой
Разрушение металла под действием эрозии увеличивается с ростом твердости частиц, скорости потока и содержания золы. Из всех этих факторов наиболее важны скорость потока и содержание золы в газах (Рис. 17.7). Потери от эрозии увеличиваются с ростом угла, под которым происходит соуда-
рение газового потока с поверхностью металла. Прямой удар летучей золы причиняет больший вред, чем скользящий. С увеличением температуры потери металла от эрозии уменьшаются, поскольку твердые частицы становятся мягче.
Эрозионное воздействие зависит также от размеров, твердости и состава твердых частиц. Частицы размером более 0,001 дюйма (0,025 мм), а также с высоким содержанием соединений алюминия и кремния, вызывают более интенсивную эрозию в связи с более высокой их твердостью и кинетической энергией.
Идентификация эрозии летучей золой
Эрозия под действием летучей золы вызывает образование гладко отполированных поверхностей. В некоторых случаях на поверхности остаются следы неравномерного потока и образуются канавки в результате завихрений вокруг кусков шлака, подвесок, кронштейнов и т.д. (Рис. 17.8). В экстремальных случаях может даже произойти разрушение. Эрозия может быть локализованной или обширной.
Отличить эрозию под действием летучей золы от других видов эрозии со стороны топки можно при наличии дополнительных данных.
Важную информацию для определения мест в котле, где может происходить эрозия, дают сведения о местах расположения дефлекторов, количествах унесенной летучей золы и локальной скорости топочного газа. В зонах эрозионного износа слои оксидов и отложений со стороны топки обычно значительно тоньше, что позволяет его отличить от эрозии, вызванной коррозией под действием угольной или мазутной золы, при которой отложения и продукты коррозии накапливаются в больших количествах. Никакого химического воздействия, которого можно было бы ожидать при коррозии на холодном конце, здесь нет. Когда разрушения уже произошли, они обычно имеют тонкие края. Более тщательный осмотр разрушенного участка часто позволяет обнаружить утончение наружной поверхности без следов перегрева и коррозии. Металлографическое исследование может выявить микроскопическую пластическую деформацию утонченных поверхностей в результате их соударения с движущимися с высокой скоростью частицами.
Предупреждение эрозии
Для уменьшения эрозии под действием летучей золы необходим системный подход, который включает проверку правильности функционирования дефлекторов, пылесборников, прочности огнеупорных покрытий и прочие действия. В экстремальных условиях может потребоваться реконструкция котельного оборудования. Конечно, ограничить повреждения можно путем уменьшения количества и скорости летучей золы. В экстремальных случаях может потребоваться переход на топливо, не образующее при горении эрозионной золы. Высокие нагрузки и избыточный воздух увеличивают скорость топочных газов, а следовательно и эрозионное воздействие.
Образование шлаков способствует эрозии под действием летучей золы, вызывая каналирование движения газов и увеличивая завихрения. Соответствующие добавки в топливо и обдувка сажи могут уменьшить шлако
образование. Для более равномерного распределения топочных газов, а следовательно и летучей золы, используют дефлекторы. Однако там, где поток топочных газов проходит сквозь трубные пучки горизонтально, дефлекторы обычно отсутствуют. Для предотвращения попадания кусков шлака в горизонтальные трубные пучки используют специальные ограждения. В некоторых местах, где эрозия наиболее вероятна, с успехом можно применять экранирование и напыляемые металлические покрытия.
Меры предосторожности
Эрозия под действием летучей золы напоминает другие виды эрозионных разрушений, например эрозию, вызванную работой сажеобдувочного аппарата, воздействием утечек из близлежащих труб, эрозию угольными частицами, падающим шлаком, а также воздействием угольной и мазутной золы. Коррозию на холодном конце также можно принять за эрозию, вызываемую летучей золой. Для правильной диагностики повреждений важно определить наиболее вероятные места разрушений и хорошо знать работу котла.
Сопутствующие проблемы
См. выше раздел «Меры предосторожности».
Эрозия под действием угольных частиц
Места преимущественной эрозии
Чаще всего данному виду эрозии подвергаются водоохлаждаемые трубы, которые граничат с цилиндрической камерой сгорания с циклонными угольными горелками. Не полностью сгоревшие частицы угля могут также ускорить эрозию, вызываемую летучей золой в пароперегрева телях и экранных трубах. Такая эрозия обычна в котлах установок для производства энсргосредств.
Общие сведения
Эрозия чаще всего происходит в трубах, граничащих с циклонной горелкой. Эрозия становится ярко выраженной, когда повреждены или изношены огнеупорное покрытие или износозащитная облицовка труб и обнажены незащищенные поверхности. Угольные частицы, движущиеся со скоростями до 300 фут/с (90 м/с), например в котельных системах установок для производства энсргосредств, соударяются со стенками труб, что вызывает их быстрый износ. Такие повреждения по внешнему виду похожи на эрозию под действием летучей золы.
Важнейшие условия, благоприятствующие эрозии угольными частицами
Разрушение огнеупорного покрытия и износозащитной облицовки увеличивают масштабы эрозии. Угли с низким содержанием кремния приносят
меньше вреда.
Идентификация эрозии угольными частицами
В большинстве случаев диагност ика эрозии под действием угольных частиц очень проста. Повреждения очень похожи на действие летучей золы, но происходят у циклонной горелки или рядом с ней, разрушая огнеупорное или изпосозащитпое покрытие. Выявит ь поврежденные зоны и места разрушения огнеупорного покрытия обычно можно с помощью простого осмотра.
Предупреждение эрозии угольными частицами
Часгыс проверки и периодическое техническое обслуживание огнеупорного и износозащитного покрытия помогут исключить основные повреждения.
Меры предосторожности
Нс все подвергнутые воздействию трубы требуют обязательной замены. Однако, после того как было обнаружено повреждение труб, их необходимо осмотреть для определения толщины стенок.
Сопутствующие проблемы
См. обсуждение в разделе «Эрозия под действием летучей золы» данной главы.
Эрозия под действием падающего шлака
Места повреждений
Данный вид повреждений редок и обычно ограничивается наклонным» эк-
ляют непосредственно в зольный бункер. Повреждения в основном происходят вблизи боковых экранов, где в больших объемах накапливается шлак, следовательно боковых экранов с большей вероятностью может поражать данные участки.
Общие сведения
Эрозию обычно вызывают частицы шлака, падающие сверху. Частицы ударяются о наклонные трубы.что и вызывает их износ. Если падают крупные куски шлака, они могут образовать в трубах вмятины и прогибы.
Важнейшие условия, способствующие эрозии падающим шлаком
Масштабы повреждений -зависят от количества падающего шлака на единицу площади и вероятности падения шлака. Образованию шлака благо-
сокими скоростями топочных газов; сжигающие уголь с образованием шлака с высоким содержанием натрия и хлора; имеющие низкие температуры топочных газов; характеризующиеся цикличностью термических нагрузок и/или высокими температурами труб. В этих случаях шлак может легко обрушиваться.
Идентификация эрозии падающим шлаком
Эрозия под действием падающего шлака приводит к образованию гладких пятен на наклонных трубах. При ударах падающих с большой высоты крупных кусков шлака по поверхности труб на них могут образоваться вмятины и деформации. Микроскопическое исследование часто обнаруживает пластическую деформацию, сопровождающую повреждения.
Предупрежднение эрозии падающим шлаком
Уменьшение шлакообразования приводит к уменьшению указанных повреждений. Для этого может потребоваться переход на другой сорт угля. Чем выше температура плавления коксовой золы, тем ниже интенсивность шлакообразования. Применение химических добавок к топливу может также снизить вероятность шлакообразования. Для продления срока службы труб рекомендованы конструктивные меры, в частности увеличение толщины труб в экранах и применение электродугового плакирования или износозащитных накладок.
Меры предосторожности
Эрозия под действием падающего шлака может напоминать эрозию, вызванную летучей золой, угольной пылью, работой сажеобдувочных аппаратов и подрезкой паром. Однако для данного случая определяющим фактором служат большие площади повреждений на наклонных трубах вблизи зольных бункеров.
Сопутствующие проблемы.
См. обсуждение в разделе «Эрозия под действием летучей золы» данной
Эрозия систем до и после котла
Места наиболее вероятной эрозии
Эрозии часто подвергаются детали насоса питательной воды, в частности крыльчатки, фитинги, клапаны и корпуса. Менее обычны эрозионные воздействия на трубопроводы, трубные колена и детали сдувки.
Эрозия системы после котла преимущественно ограничивается турбинами. Из-за высоких скоростей, характерных для работающей турбины, ее детали часто страдают от эрозии. Лопатки турбины изнашиваются от ударов как твердых частиц, так и капелек попавшей в пар воды. Наиболее часто от ударов капелек воды страдают лопатки последней ступени. Повреж-
дснис трубопроводов из углеродистой стали могут происходить под действием влажного пара, движущегося с большой скоростью, и вызванные им повреждения больше относятся к категории эрозионно-коррозионного воздействия. Штоки клапанов, блоки сопел, диафрагмы и лопатки первых ступеней турбины обычно страдают от эрозии, вызванной твердыми частицами оксидов, которые отслоились от стенок труб пароперегревателей, промежуточных паропере1'реватслсй, соединительных концов основного паропровода и трубопроводов горячего подогрева.
Общие сведения
Эрозия - это разрушение металла, вызванное ударами твердых частиц или жидкости. Агрессивное воздействие усиливается при турбулентном движении жидкости с большими скоростями. Образованию струй и турбулентности способствуют резкие изменения давления. К износу также приводят резкие изменения направления движения потока и попадание в жидкость твердых частиц. Несмотря на кажущуюся простоту, процесс эрозии достаточно сложен. Причиной разрушения металла часто считают физическую деформацию повсрхности.Лишь после нее в деформированных зонах появляются сдвига и разрушения под действием ударов частиц, вызывающих эрозию.
Факторы, определяющие скорость разрушения металла, связаны с количеством, углом соударения . скоростью и плотностью частиц, вызывающих эрозию. Разрушение металла находится в строгой зависимости от кинетической энергии частиц. Эрозионное повреждение можно грубо считать обратно пропорциональным твердости сплава. В отсутствие значительной коррозии, как правило, чем тверже сплав, тем более он будет устойчив к эрозионному воздействию. Разрушение металла в сильнейшей степени зависит от скорости частиц, вызывающих эрозию. Удвоение скорости может увеличить потери металла в 4 и более раз. Если частицы увлечены потоком, то их воздействие зависит также от массы, размеров отдельных частиц и распределения частиц по размерам.
Важнейшие условия, способствующие эрозии
Система питательной воды. Наибольшее эрозионное воздействие вызывают удары движущегося с высокими скоростями турбулентного потока воды. Увлеченные им частицы могут увеличить разрушение металла. Если газы смешиваются с жидкостью, более характерна кавитация (см. ( лаву 18 «Кавитация»), чем «простая» эрозия.
Турбина. Турбины подвергаются эрозии, вызванной ударами твердых частиц и капелек водного конденсата. Эрозию под действием твердых частиц вызывают оксиды, отслоившиеся главным образом от пароперегревателей, промежуточных пароперегревателей и основных паропроводов. Оксиды часто отслаиваются под действием переменных напряжений, связанных с переходными тепловыми процессами. Удары капелек водного конденсата вызывают износ лопаток последней ступени, а также дренажных линий и трубопроводов. Если жидкий конденсат имеет низкую величину pH, то более значительной становится эрозионно-коррозионное воздейст-
Идентификация эрозии
Система до котла. Эрозия, вызванная турбулентными потоками воды в насосах, обычно имеет вид плавных канавок, раковин и общего утончения (Рис. 17.9). Слой оксида на эродированных участках более тонкий или полностью отсутствует, обычно имеет другой цвет и более гладкую текстуру поверхности, чем соседние участки, не подвергшиеся эрозии. Под каплей кислоты, нанесенной на углеродистую сталь, которая недавно подвергалась эрозии, уже через нескольких секунд появляется блестящий металл (для поверхностей, на которых эрозия не происходила, появление чистого металла обычно требовало значительного времени). На поверхности часто имеются четкие следы потоков.
Если захвата твердых частиц потоками не происходило, тщательная визуальная проверка не обнаружит отдельных царапин или вмятин. Обычно такие повреждения обнаруживаются только в тех случаях, когда жидкость увлекает значительное количество твердых частиц.
Система после котла. Эрозия, вызванная соударением капелек воды с лопатками последних ступеней турбины, вызывает общий износ, который наиболее заметен на передних кромках лопаток (Рис. 17.10). Эги кромки покрыты тонкими поперечными зубцами и канавками (Рис. 17.11). На поверхности могут появиться конические выступы (Рис. 17.12). Часто эти выступы наклонены, и их оси совпадают с направлением удара, поэтому выступы обычно присутствуют на передних кромках лопаток и гораздо менее многочисленны или полностью отсутствуют на задних плоскостях лопаток. Подобные конические выступы могут появиться на повехности из углеродистой стали, например па поверхности дренажного трубопровода турбины (Рис. 17,13).
Повреждения, вызванные эрозией под действием твердых частиц, приводят к разрывам и появлению микровмятин в передних кромках лопаток. Бороздки и наклонные конусы обычно отсутствуют. На кромках часто образуются зазубрины,
Предупреждение эрозии
Для уменьшения разрушений необходимо исключить присутствие эрозионных веществ, уменьшить их кинетическую энергию, экранировать поверхности или заменить сплавы более стойкими к эрозии. Если насосы, клапаны и трубопроводы имеют необходимые размеры и конструкцию и эксплуатируются правильно, то их эрозия происходит редко. Эрозия турбины может стать причиной гораздо более трудно устранимых проблем.
Отслаивание магнетита с поверхности труб пароперегревателей, нагревателей и паропроводов (см. главу 1 «Отложения из воды и пара») становятся основной причиной эрозии в турбинах под влиянием твердых частиц. Процесс отслаивания замедляется при снижении термических напряжений в трубах и температуры труб. Если система труб пароперегревателя и помежуточ-
Рис. 17.11 Тонкие бородатые канавки на передней плоскости лопатки последней ступени тур-
ного пароперегревателя стара, вероятнее всего, что в трубах будут присутствовать значительные количества оксидов, образовавшихся в результате термических процессов. Для удаления толстых слоев оксидов может потребоваться замена труб или их химическая очистка. Фильтры на входе в турбину и экранирующие устройства должны постоянно проходить ремонт.
Сплавы, используемые для изготовления лопаток турбин и широко известные во всем мире, представляют собой хромистые нержавеющие стали. Однако все большее распространение находят сплавы на основе кобальта, титана, а также специальные запатентованные металлические сплавы. На последних ступенях турбины применяют щитки для зашиты от эрозии, изготовленные из сплавов на основе кобальта.
Эрозионные потери металла усиливаются коррозией. Почти все метал-
лы при контакте с паром или водой в той или иной степени подвергаются действию коррозии. Следовательно, любые эрозионные процессы в системе котла, содержащей воду или пар, становятся эрозионно-коррозионными. Только в том случае, когда коррозия оказывает относительно небольшое влияние на процесс разрушения металла, этот процесс можно назвать эрозионным. Если эрозия доминирует, химические ингибиторы обычно мало эффективны для уменьшения агрессивного воздействия. Если же коррозия значительна, то применение ингибиторов и/или модификаторов pH может оказаться весьма успешным.
Меры предосторожности
С эрозией тесно связана кавитация. Повреждения от нее происходят под действием высокоскоростных турбулентных потоков жидкостей. Повреждения от кавитации могут на первый взгляд быть похожи на эрозию, вызванную твердыми частицами. Однако кавитация не происходит в паровых линиях, и вероятность образования плавных волнистых или покрытых канавками поверхностей под ее воздействием невелика.
Коррозия под действием концентрированной хелатной добавки значительно увеличивается с ростом скорости потока. Образовавшиеся канавки и общее утончение, вызванные хелатной коррозией, очень напоминают дсйсг-вие эрозии. Хелатная коррозия в трубопроводах для питательной воды, в паросборниках и трубах парогенераторов часто принимают за эрозию.
Сопутствующие проблемы
См. также главу 5 («Хелатная коррозия»), главу 18 («Кавитация)» и раздел дайной главы, озаглавленный «Эрозия под действием падающего шлака».
Эрозия со стороны воды и пара
Эрозия в трубах, охлаждаемых водой и паром, происходит очень редко. Износ возникает там, где движению потока препятствуют посторонние объекты, скопления накипи и т.д. Однако прежде, чем эрозия сможет привести к серьезным повреждениям, разрушения иногда происходят в результате таких сопутствующих явлений, как перегрев (см. пример из практики 17.4).
П ромышленность: Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водообработки: Давление в барабане: Характеристики труб: Топливо: Установка для производства энергосредств Пароперегреватель Вертикальная 5 Координированная фосфатная 2400 фунт/кв. дюйм (16.5 МПа) Наружный диаметр 2,5 дюйма (64 мм), SA-213 Пылевидный уголь
Ряд аварий труб naponeperpei ближних труб с дефектами изг-щиы. Эти трещины появились i труб (рис. 17,5). Следует отметить, что пов года назад и фактически по то? ла труб, некоторые дефектные кис трещины. оставались в pal новые повреждения. Когда эти изошла серьезная подрезка па] зателя происходил после массовой замены труб. У отовления были обнаружены глубокие сквозные трс-з ходе эксплуатации, вызвав подрезку паром соседних рождения, подобные указанному, возникли почти 2 i же причине. Несмотря на замену значительного чис-трубы не были обнаружены. Трубы, имеющие глубо-эоте в течение почти двух лет, прежде чем возникли дефектные трубы в конце концов разрушились, прозам соседних труб.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИ1 КИ 17.2
Промышленность: Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водообработки: Давление в барабане: Характеристики труб: Топливо: Установка по производству энергосредств Подвеска первичного пароперегревателя Вертикальная подвесная 25 Координированная фосфатная 1800 фунт/кв. дюйм (12,4 МПа) Наружный диаметр 2 3/8 дюйма (60 мм) Каменный уголь
Труба пароперегревателя подо па. Разрушение произошло в pt Утечка была относительно неб ложные опоры (Рис. (7.6). Из-' паром потребовалась замена б< за коррозионной усталости. ерглась разрушению у подвесного U-образного коле-пультате коррозионно-усталостного растрескивания. за возникших в результате цепной реакции подрезок эльшего числа труб, чем эго пришлось бы сделать из-
Промышленность:
Местоположение образца:
Нефтеперерабатывающая
Холодильник дымовых газов, используемый для предварительного подогрева питательной воды Вертикальная
Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водообработки: Полимерная
Давление в барабане: 150 фунт/кв. дюйм (1,0 МПа) в трубах охладителя
Характеристики труб: Наружный диаметр 2 дюйма (51 мм)
: на одну треть толщины
На внутренней поверхности разрезанной продольно секции охладителя топочных газов, используемого для предварительного подогрева питательной воды, образовались винтовые канавки (Рис. 17.14). В некоторых местах канавки оказались глубоко проникшими в стенку трубы, что вызвало образование винтообразных трещин, в то время как в -----..—- •—----------------у"—-----------~~
стенки. Канавки были подрезаны в направлении потока топочных газов.
Эрозия произошла вдоль змеевика, вставленного в трубу. Он был предназначен -----------------..... ............................. i отложений.
для увеличения турбулентное™ потока и предут Поток дымовых газов с высокой скоростью о чтобы вызвать эрозионное разрушение.
вставленный во внутрь трубы, вытвйл повышенную локальную турбулентность.
Целлюлозно-бумажная
U-образное колено пароперегревателя
Давление в барабане: Характеристики труб: Средство обогрева:
570 фунт/кв. дюйм (3,9 МПа) Наружный диаметр 1,5 дюйма (38 мм) Черный щелок
Серьезные локальные потери металла на внутренних поверхностях вызвали образо-
трубы. Это была единственная труба, которая подверглась такому повреждению.
ной близости от сквозного отверстия (Рис. 17.15). В зоне износа сохранились осгров-
вышеиием скорости воды и повышенной турбулентностью вблизи постороннего
Промышленность: Установка для производства энергосредотв
Местоположение образца: Угловая труба в топочном экране
Ориентация образца: Вертикальная
Срок службы, годы: 1 9
Программа водообработки: Координированная фосфатная
Давление в барабане: 2250 фунт/кв. дюйм (15,5 МПа)
Характеристики труб: Наружный диаметр 3 дюйма (76 мм)
Топливо: Пылеобразный уголь
Разрыв произошел в ремонтном сварном шве. Сварка была выполнена для увеличения толщины стенки на 50% по сравнению с первоначальной толщиной и имела целью восстановление разрушенного металла на поверхности трубы со стороны толки.
Разрушение металла было вызвано эрозией под действием летучей золы, содержащейся в топочных газах. В стенку трубы были врезаны глубокие канавки (Рис. 17.8).
В котельной системе ранее происходило усиленное шлакообразование. Высокое содержание твердых част иц и диоксида кремния в топливе усилило агрессивное воздействие.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 17.6
Промышленность: Целлюлозно-бумажная
Местоположение образца: Секция высокого давления конденсационной турбины, последний ряд, конденсационная секция
~ ' Горизонтальный вал турбины
Срок службы, годы:
Программа водообработки: Хелатная
Давление в барабане: Турбина мощностью 45 МВт, 3600 об/мин,
830°Ф (450°С), перегретый пар
Лопатки турбины были серьезно повреждены в области передних кромок. На кромках образовались бороздки и канавки (Рис. 17.11). Эрозия была вызвана высокоскоростными потоками пара, которыми были унесены капельки воды. Повреждения от эрозии каплями воды в последних ступенях конденсационных турбин нередки.
Обратный клапан на линии отбора пара (65 фунт/кв. дюйма или 0.45 МПа) после срабатывания неправильно сел в свое седло. Пар из коллектора под давлением 65 фупт/дюйм (0,45 МПа) проник в турбину (работающую в условиях вакуума). Скорость турбины увеличилась до 5000 об/мин (проектная мощность 3600 об/мин), пока турбина не была отключена вручную.
Ориентация образца: Срок службы:
Промышленность: Установка для производства энергосредств
Местоположение образца: Разделительная стенка в циркуляционном котле с псевдоожиженным слоем Вертикальная
18 месяцев, в работе только 6 месяцев из-за многочисленных остановок на техническое обслуживание
Давление в барабане: ' " ‘
1275 фуит/кв. дюйм (8,8 МПа), температура наружной поверхности около 1700°Ф (930°С) Наружный диаметр 3 дюйма (76 мм), углеродистая
Характеристики труб:
Топливо:
Печная взвесь древесных стружек с песком и глиной
В секции произошел большой продольный разрыв на участке с серьезным разрушением металла па наружной поверхности (Рис. 17.16). Разрыв был вызван эрозией наружной поверхности. Микроструктурное исследование установило, что из псевдоожиженного слоя в газы попадали твердые частицы (песок). Удары песка по трубам уменьшили толщину стенки, т.е.привелн к сильному ее утончению. Разрушение произошло, когда внутренне давление превысило предел текучести утонченной трубы.
Нагнетательный вентилятор поддерживал перепад давления, необходимый для псевдоожижения слоя, на уровне 60-50 дюймов (15-17,5 см) водяного столба. На стороне разрушения не было никаких огнеупорных покрытий или других средств защиты поверхности в виде заклепок или износозащитных накладок.
Нефтеперерабатывающая
Коллектор возвратного конденсата
Вертикальная
Точно не известен (более 5)
Наружный диаметр 6,5 дюйма (165 мм), углеродистая сталь
Внутренние поверхности на некоторых участках были покрыты гладким черным
выделяющихся участках (Рис. 17.17). Разрушение металла привело к образованию
Конденсатные трубопроводы часто подвергаются коррозии углекислотой. Однако на данной трубе были признаки одной лишь эрозии. Разрушение металла локализовано и четко ориентировано в направлении потока. Такие признаки характерны для эрозии. Они подтверждают, что разрушение металла вызвано частицами
Рис. 17.18 Следы эрозии иакра-
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИ1 КИ 17.9
Промышленность: Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водообработки: Давление в барабане: Характеристики труб: Средство обогрева: Целлюлозно-бумажная Экономайзер Изогнутая, преимущественно вертикальная 8 Фосфатная 1200 фунт/кв. дюйм (8,3 МПа) Наружный диаметр 2 дюйма (51 мм), углеродистая Черный щелок
Существенное утончение стенки трубы с наружной поверхности произошло у внутренней стороны изгиба в трубе экономайзера. Сквозной разрыв с неровными краями произошел на участке сильного утончения (Рис. 17.19). В стороне от разрыва поверхности остались практически нетронутыми.
Разрушение было вызвано утончением стенки под действием эрозии. Труба не
в месте эрозии и разрушилась.
Эрозия была вызвана ударами твердых частиц, увлеченных топочными газами. На всех наружных поверхностях остались следы умеренной коррозии на холодном конце.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 17.10
Промышленность:
Срок службы, годы: Давление в барабане:
Топливо:
Установка для производства энергосредств Передний конвекционный экран Вертикальная
2500 фунт/кв. дюйм (17,2 МПа)
Наружный диаметр 2,75 дюйма (70 мм), SA201 AI
Труба разрушилась у места расположения приваренной опоры. Вырвавшаяся вода срезала опору и пробила соседнюю трубу (Рис. 17.20).
прос. которое из них произошло первым. Если имеет место серьезная эрозия, первоначальное повреждение может быть полностью уничтожено. Здесь же в снятую секцию были предусмотрительно включены и другие рядом находившиеся опоры. Тщательная визуальная проверка позволила обнаружить коррозионно-усталостные трещины в плохо проваренных сварных швах на опорах. Микроскопические исследования отдельных частей обнаружили мелкие трещины, появившиеся вблизи первоначального разрушения и почти идентичные тем (но гораздо глубже), которые были найдены на соседних опорных стойках. Следовательно, первоначальное повреждение вероятнее всего вызвано коррозионной усталостью приваренной опоры.
A
Глава
18
Кавитация
Места, чаще всего подвергающиеся кавитации
Кавитация происходит в любых местах, где в воде создаются зоны низкого давления. Кавитации способствуют резкие изменения давления и турбулентные потоки. Повреждения могут происходить только при контакте воды с поверхностью. Наиболее часто подвергаются кавитации крыльчатки насосов и другие детали котла. Линии сдувки и клапаны также часто подвергаются кавитации. Повреждение крыльчаток насосов чаще происходит со стороны всасывания, клапанов со стороны нагнетания. Конденсатные трубопроводы и детали турбин подвергаются кавитации довольно редко.
Общие сведения
Кавитация - процесс, при котором в жидкости происходит быстрое образование и схлопывание пузырьков пара. Появлению паровых пузырьков способствуют перепады давления в жидкости. Жидкость фактически вскипает при пониженном давлении. Паровые пузырьки быстро схлопываются, что приводит к образованию микроструй, соударяющихся с поверхностью металла. Повреждение может происходить лишь в обычном защитном слое оксида, но в серьезных случаях оно может непосредственно затронуть лежащий под ним металл, физически выбивая менее устойчивые фазы сплава.
Для формирования кавитационных пузырьков требуется энергия. Часть этой энергии расходуется на создание поверхности пузырьков. Поскольку формирование пузырька на готовой поверхности происходит с меньшей затратой энергии, то формирование кавитационных пузырьков на ней облегчается. На движущихся поверхностях или рядом с ними давление может быть самым низким, а турбулентность самой высокой. Кроме того, центрами зародышеобразования пузырьков становятся разрывы на поверхности пузырьков.
долей секунды. Схлопывание каждого пузырька вызывает относительно не
ния повреждение накапливается. Как только на поверхности появятся неравномерности. кавитационные разрушения начнут концентрироваться у по-
Важнейшие условия, благоприятствующие кавитации
Кавитацию в насосах часто вызывают слишком большие перепады давле-
давления способствует дросселирование на стороне всасывания насоса. Образованию пузырьков может способствовать газ, уносимый через иегермс-
содержашихся в воде. Неожиданно часто вызывают трудности также и неправильно сконструированные крыльчатки и другие детали насосов.
быточпых потоках и резких изменениях направления продувки. Кавитация обычно происходит во время периодически производимых вручную проду-
ко меняется. Она может быть очень сильной, если высока скорость продув-
Мягкие, пластичные металлы и хрупкие низкопрочные сплавы, в частности
как хромистые нержавеющие стали, устойчивы к кавитации в самых раз-
давления. Во многих случаях кавитацию можно считать пороговым явлением. Когда турбулентность падает ниже критического уровня, она полно-
Идентификация коррозии
шейного металла с сильно изъеденной поверхностью. Обычно бывает от-
подвергшихся кавитации, может присутствовать (или отсутствовать) слой продуктов коррозии. Однако, если кавитация действовала незадолго до осмотра детали, продукты коррозии будут присутствовать, но в минимальном количестве. Коррозия обычно ускоряет разрушение металла, однако кавитация может действовать и в отсутствие коррозии. Кавитации может подвергнуться даже стекло.
Характернейшей чертой кавитационного повреждения служит его локальность. Износ наиболее серьезен в лопастях крыльчатки насоса по внешнему периметру, где скорость крыльчатки и, по-видимому, турбулентность наиболее высоки (Рис. 18.3). Разрушения наиболее серьезны на задних кромках лопастей, где образуются области низкого давления (Рис. 18.4). Например, валы насосов могут подвергаться локальной кавитации в тех местах, где поверхности находяться в условиях турбулентности (Рис. 18.5). Соседние поверхности обычно лишь слегка отшлифованы или почти полностью лишены повреждений. Все кромки, углы и выступы усиливают турбулентность, создают участки зародышеобразования для пузырьков пара и становятся областями предпочтительного повреждения.
Если детали вибрируют, то повреждение может появиться на всех поверхностях, находящихся в контакте с водой. Однако более часты режимы вибрации, когда движение детали осуществляется в одной плоскости, и в этих слу-
Рис. 18.4 Разрушение со стороны низкого давления лопастей крыльчатки из бронзы, установлен-
чаях кавитация воздействует на противоположные стороны детали.
Кавитацию работающего насоса иногда можно определить по звукам, которые исходят от него. При активной кавитация они похожи на звуки при ударе камней по металлической поверхности. Однако шум насоса и вибрация обычно маскируют эти звуки.
Предупреждение кавитации
Повреждения от кавитации могут быть уменьшены путем изменений в конструкции, выбора подходящих сплавов, применения покрытий и/или обработки поверхности. Принципы изменения конструкции направлены на уменьшение турбулентности, вибраций и быстрых изменений давления. Поддержание достаточного давления на выходе, предотвращение утечек в сальниках и дросселирования на стороне нагнетания снижают вероятность повреждения насосов. Шлифовка поверхности крыльчатки и применение покрытий из эластомеров предотвращают повреждения, уменьшая число центров зародышеобразования и, соответственно, поглощая энергию взрывающихся пузырьков.
Часто рекомендуют применять твердые, стойкие к кавитации сплавы, в частности нержавеющие стали 18-8. Некоторый успех в борьбе с кавитационными разрушениями уже получен от применения методов плазменного напыления и повышения твердости поверхности.
Меры предосторожности
Повреждения от кавитации похожи на кислотную коррозию. Несмотря на некоторую схожесть с явлениями соударения и эрозии, кавитация приводит к образованию четко отличающихся от них разрушений. Благодаря своеобразным характеристикам этих повреждений микроскопические исследования часто убедительно показывают, что произошла именно кавитация.
Сопутствующие проблемы
См. также главу 7 («Коррозия при низких значениях pH в эксплуатационный период») и главу 17 («Эрозия»).
Промышленность: Местоположение образца: Химическая производство Продувочный трубопровод, доходящий до тройника
Ориентация образца: Срок службы, годы: Давление в барабане: Характеристики труб: Горизонтальная 6 Фосфатная 1200 фунто/кв. дюйм (8.3 МПа) Наружный диаметр 2,5дюйма(64мм), углеродистая сталь
Топливо: Мазут № 6, природный газ
Серьезный локализованный износ внутренней поверхности привел к повреждению трубопровода. Близи места соединения трубопровода и тройника образовалось сквозное отверстие (Рис. 18.1). Кавитация ограничивалась губчатыми участками разрушения металла с острыми выступами; окружающие поверхности не подверглись существенным повреждениям.
Разрушение происходило во время проводившейся вручную продвуки. Продувку проводили часто из-за загрязнения питательной воды в системе до котла.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 18.2
Промышленность: Местоположение образца: Целлюлозно-бумажная Крыльчатка насоса подачи питательной воды в котел
Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водообработки: Давление в барабане: Характеристики труб: Вертикальная Фосфатная 1200 фунт/кв. дюйм (8,3 МПа) Наружный диаметр 10,5 дюйма (270 мм), 7 лопастей, чугун
Средство обогрева: Черный щелок
Питательная вода не удовлетворяла требованиям, выполнение которых было необходимо для работы котла. Крыльчатка насоса для подачи питательной воды была серьезно изношена, и ее лопасти были истерты почти полностью. Износ был ограничен периферийной частью крыльчатки (Рис. 18.3).
Износ был явно вызван кавитацией в связи с недостаточным давлением на выходе.
ПрЛММН1ПАИН<ЮТЬ* Сталелитейная
Местоположение образца: Конденсатный трубопровод
Ориентация образца: Горизонтальная
Срок службы, годы: 3
Программа водообработки: Полимерная
Давление в барабане: 900 фунт/кв. дюйм (6.2 МПа)
Характеристики труб: Наружный диаметр 4,5 дюйма (114 мм)
Топливо: Природный газ
В конденсатном трубопроводе появились несколько небольших сквозных отверстий. Когда его вскрыли, трубопровод оказался изрешеченным множеством изъязвлений неправильной формы (Рис. 18.6). Некоторые из них пересекались, образуя более крупные участки разрушенного металла. При более тщательном визуальном осмотре изъязвлении на внутренней поверхности были обнаружены зазубренные участки неправильных очертаний.
Изьязвления сильно напоминали кислородную коррозию (См. главу 8 «Кислородная коррозия»). Однако микроскопические исследования позволили обнаружить признаки серьезной пластической деформации и механических ударов внутри (и только внутри) изъязвлений. Дальнейшие исследования показали в данном трубопроводе признаки действия «парового молота» и других вибраций.
Возможно, еще до того, как i------: ~~--------—.........—у“‘---------. * лись раковины от кислородной коррозии. Однако ясно, что именно кавитация сыграла основную роль в углублении этих раковин и образовании сквозных отверстий.
i к серьезным поз
Глава
19
Дефекты изготовления
Места обнаруживаемых дефектов
Дефекты изготовления, которые оказывают влияние па эксплуатационные качества оборудования, обычно обнаруживают в трубах. Но помимо этого
скольку дефектный материал может случайно оказаться в любой зоне с тру-
Общие сведения
Разрушения, вызванные дефектами изготовления, относительно редки. Фактически на такие дефекты приходится менее 1% всех происходящих разрушений. Из всех повреждений, вызванных данной причиной, есть два вида дефектов, которые достаточно часты: это дефекты трубного шва или закат для бесшовных труб и дефектные сварные швы в местах соединений труб.
Дефекты трубного шва это трещины в стали, стенки которых сомкну-
трубах как следствие присутствия внутренних пустот или трещин в болванке, из которой труба была изготовлена. Дефекты трубного шва могли быть также результатом ошибочных методов прокатки стали на металлургическом заводе.
вара в процессе изготовления труб.
Важнейшие условия, способствущие появлению дефектов изготовления
Важнейшими факторами, приводящими к применению конструкционных материалов, ставших дефектными в результате ошибок при изготовлении, считают недостаточное соблюдение изготовителем материалов установленной практики при производст ве или контроле качества и. возможно, недостаточное соблюдение изготовителем котлов установленной практики при контроле качества.
Идентификация дефектов
Дефекты трубного шва или закат возникают в поперечном сечении в виде прямых или слегка изогнутых трещин, которые могут проходить вдоль трубы на некоторое расстояние (Рис. 19.1). Хотя дефект обычно возникает на поверхности, его трудно заметить, поскольку поверхности покрыты слоем оксида железа или неметаллических включений.
Дефектные сварные швы в трубопроводах могут часто быть обнаружены визуально, после того как удалены покрывающие их продукты коррозии или отложения. Дефекты будут выглядеть как перемежающиеся или непрерывные отверстия или трещины, которые идут по прямой линии вдоль трубы.
Подобные дефекты в котельных трубах обычно приводят к разрыву под напряжением или разрушениям, связанным с усталостью. При низких температурах дефекты могут привести к питтинговой коррозии по всему дефектному участку.
Исключение применения дефектных изделий
Обычно, после того как сооружение закончено, больше нет никаких экономически эффективных способов обнаружения дефектов изготовления. Если дефекты существуют и являются серьезными, их присутствие обычно обнаруживают после разрушения дефектной детали.
Если в результате дефекта изготовления произойдет разрушение, можно порекомендовать проверку на наличие дефектов аналогичных деталей. Это обычно требует применения неразрушающих методов испытаний, желательно ультразвукового метода.
Меры предосторожности
Разрушения с толстыми краями, вызванные перегревом, иногда неправильно диагностируют на местах как дефекты материалов. Подтверждение причины разрушения может потребовать металлографического исследования.
Сопутствующие проблемы
См. также главу 2 («Длительный перегрев») и главу 3 («Кратковременный перегрев»).
Рис. 19.1 Дефект с искривлением на внутренней поверхности бесшовной трубы. Он проходил вдоль трубы на длине I8 дюймов (457 мм). С разрешения НационалыюЛ accoiuiaunn инженеров по коррозии.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИ1 КИ 19.1
Промышленность: Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водообработки: Давление в барабане: Характеристики труб: Средство обогрева: Целлюлозно-бумажная Экранная труба (котел-утилизатор) Вертикальная Координированная фосфатная 1200 фунт/кв. дюйм (8.3 МПа) Наружный диаметр 2,5 дюйма (63 мм) Черный щелок
Продольное разрушение трубы, показанное на Рис. 19.2, имеет длину 1,5 дюйма (38 мм). И визуальные, и микроструктурные обследования показали, что разрушение произошло вдоль трубного шва. Контуры этого шва ясно видны по длине трубы.
Исследование поперечного сечения, проведенное на некотором расстоянии от сквозного разрыва стенки, показало, что непроверенный трубный шов проходит на глубину, составляющую 40% толщины стенки грубы, и покрыт плотным слоем оксида железа (Рис. 19.3). Это дефект сварки трубного шва. появление которого было допущено во время изготовления трубы. Кислотная очистка котла вызвала разрушение металла с образованием раковин, которые можно видеть вблизи поверхности на Рис. 19.3. Внешние разрушения металла на соседней трубе в результате эрозии под действием пара и воды, выбрасываемых из сквозного разрыва, видны на Рис. 19.2.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 1 9.2
Промышленность: Местоположение образца: Целлюлозно-бумажная Труба холодильника, расположенная в застойной зоне (энергетический котел)
Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водообработки: Давление в барабане: Характеристики труб: Вертикальная 25 Фосфатная 900 фунт/кв. дюйм (6,2 МПа) Наружный диаметр 4 дюйма (102 мм)
Крупное повреждение, показанное на Рис. 19.4, появилось во время эксплуатации котла. Давление в барабане в момент разрушения составляло 800 фунт/кв. дюйм (5,5 МПа). Такое же повреждение произошло за год до этого в таких же условиях. Котел работал с перерывами и находился в простое в течение 5 месяцев до аварии. Труба питает нижний коллект ор бокового экрана.
На рис. 19.5 показан хрупкий разрыв. Следует отметить многочисленные параллельные борозды, идущие вдоль кромки разрыва.
го шва на одной оси с разрывом. Микроструктурные исследования позволили установить, что разрушение произошло вдоль трубного шва. Данные обследования также позволили обнаружить глубокие трещины и раковины вдоль трубного шва. вызванные контактом с кислотой при кислотной очистке котла.
По-видимому, трубный шов при изготовлении трубы был проварен не полностью. Кислота, накопленная в узкой трещине, избежала нситрализаиии. Следовательно, когда котел был включен в работу после кислотной очистки, серьезная коррозия проявилась вдоль трубного шва, вызвав его углубление. Очевидно, напряжения, созданные циклической работой котла, вызвали рост трещины по механизму коррозионной усталости. Когда трещина достигла критической глубины, произошло разрушение оставшейся нетронутой части стенки трубы, которая не смогла выдержать напряжений, созданных внутренним давлением. Перегрев здесь отсутсгво-
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 19.3
Вертикальная
Промышленность: Установка для производства энергосредств
Местоположение образца: Подвеска вторичного пароперегревателя Ориентация образца: Срок службы, годы: Давление в барабане:
2500 фунт/кв. дюйм (17,2 МПа) Наружный диаметр 1 3/4 дюйма (44 мм), SA-213 Т22, бесшовная труба
Топливо:
Разрушение, показанное на Рис. 19.6. имеет вид разлома длиной 8 дюймов (203 мм) с т олстыми краями: оно началось на внутренней поверхности (Рис. 19.1). При исследовании торца разрушения был обнаружен очень гладкий контур, изогнутый в направлении к внешней поверхности (Рис. 19.7). Гладкая зона простирается на 60-80% толщины стенки трубы и проходит вдоль трубы на длину 18 дюймов (457 мм). Мес-
ные 20-40% разлома, примыкающие к внешней поверхности, имеют неоднородную поверхность, не покрытую слоем оксидов железа.
Микроструктурные обследования обнаружили признаки умеренного перегрева. Неметаллические включения и сами зерна металла расположены вдоль очертаний гладкой части разлома.
Данное разрушение стало прямым результатом дефект а изготовления, который захватил 60-80% первоначальной толщины стенки трубы. Напряжения, возросшие из-за уменьшения поперечного сечения трубы, совместно с умеренным перегревом привели к окончательному разрушению под действием напряжений в ост авшейся нетронутой части стенки грубы. Дефект связан с внутренним закатом или непроваром трубного шва, возможно, вызванным остатками внутренних пустот в стальной болванке, из которой была изготовлена труба.
Разрушение трубы привело к быстрому и сильному локальному утончению стенок сосщших труб из-за эрозии пол действием пара и воды, выбрасываемых из раз-
секцни пароперегревателя 4 года назад. Удивительно, что труба с дефектом такого масштаба смогла прослужить 5 лет в котле под таким давлением.
грубы (с I
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 19.4
Промышленность: Автомобильная
Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Программа водообработки: Паропровод Горизонтальная 20 Полимерная
Давление в барабане: Характеристики труб: 210 фунт/кв. дюйм (1.4 МПа) Наружный диаметр 4,5 дюйма (114 мм)
Дефект трубного шва, показанный на Рис. 19.8, потребовал замены 25-футовой (7.6 м) секции парового трубопровода. Разрывы в таком же дефектном трубопроводе произошли за год до этого. Трещина, которая начиналась в трубном шве, прошла в внешнюю поверхность более чем на 4 дюйма (102 мм).
Микроструктурные исследования позволили обнаружить обезуглероживание металла, а также присутствие в зоне трубного шва игл нитрида железа и неметаллических включений. Сквозная трещина совпала с направлением дорожек, оставленных нитридными иглами.
В неполностью проваренном трубном шве образовалась узкая трещина, которая послужила местом концентрации напряжений. Коррозионно-усталостные трещины, образовавшиеся под воздействием циклических изменений давления, распространились от вершины первоначальной трещины. Развитие этих третий было ускорено охрупчивающим действием нитридных игл, присутствующих в зоне трубного шва. Уменьшение поперечного сечения стенки, вызванного непроваром в сочетании с коррозионно-усталостными трещинами, образовашимися у корня раскрытого шва. и нитридными иглами, привело к сквозному разрушению по всей длине трубы.
Глава
20
Дефекты в сварных швах
Места образования дефектов
Крупный котел может содержать более 50 000 сварных швов. Каждый из этих швов может стать местом дефекта. В основном благодаря жестким требованиям стандартов ASME, касающихся емкостей под давлением, повреждения сварных швов составляют лишь 2,5% от всех повреждений котлов. Из-за относительно суровых условий, существующих в секциях пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя, многие повреждения сварных швов происходят именно в этих секциях.
Общие сведения
Назначение сварного шва заключается в соединении двух металлических деталей путем расплавления их в месте контакта. Образуется металлургическая связь, которая обеспечивает плавное, непрерывное, микроструктурное сопряжение через сварной шов. Сварной узел не должен быть пористым и содержать неметаллические включения, он должен образовать единую поверхность с плавным переходом от одной детали к другой, и в нем не должны сохраняться значительные остаточные напряжения, вызванные сваркой.
Полное перечисление возможных дефектов сварки выходит за рамки данного руководства. Будут представлены лишь наиболее частые разрушения, происходящие в сварных швах.
Важнейшие условия, способствующие образованию дефектов
Все дефекты сварки представляют собой результат невыполнения одного или нескольких требований, приведенных выше. Однако следует иметь в виду,
дарты, относящиеся к сварным швам, допускают наличие дефектов, но устанавливают ограничения для степени их опасности. Приемлемый сварной шов не тот, который полностью лишен дефектов, а тот, в котором существующие дефекты не исключают удовлетворительной работы сварных деталей.
Пористость
Идентификация пористости. Пористость означает захват газовых пузырьков расплавленным металлом в связи с уменьшением растворимости газа в металле, когда он охлаждается, или в связи с химическими реакциями, протекающими в металле сварного шва (Рис. 20.1). Обычно пористость при взгляде на поверхность места сварки не видна. Результат распределения пор внутри сварного шва можно классифицировать как равномерно рассеянную, кластерную или линейную пористость. Поры, расположенные вблизи поверхности, оказывают значительное влияние на механические свойст ва сварного шва.
Ограничение пористости. Пористость может быть ограничена, если применять чистые и сухие материалы и обеспечивать достаточное электропитание сварочных работ и требуемую длину сварочной дуги.
Шлаковые включения
Идентификация включений. Термин шлаковые включения относится к неметаллическим твердым веществам, попавшим во внутрь сварного покрытия или находящимся между металлом сварного шва и металлом основы. Шлак образуется в ходе высокотемпературной химической реакции, кото-
рая может происходить в процессе сварки. Его включения могут быть представлены в виде отдельных частиц либо непрерывных или прерывистых полос. На Рис. 20.2 показано линейное шлаковое включение, находящееся на границе раздела металла шва и металла основы. Шлаковые включения не
Разрушения, происходящие во время работы, обычно связаны с выходящими на поверхность шлаковыми включениями или с такими включениями, размеры которых существенно уменьшают площадь поперечного сечения стенки.
Уменьшение количества шлака. Количество и размер шлаковых включений может быть сведен к минимуму, если сохраняется низкая вязкость расплавленного металла, предотвращающая быстрое затвердевание, и поддерживается достаточно высокая температура металла сварного шва.
Избыточная глубина проплавления (прожог)
Идентификация прожога. Термин избыточное проплавление относится к прорыву сварного валика за пределы корня сварного шва. Этот прорыв может проявиться в виде избыточного металла на обратной стороне сварного шва, похожего на «сосульки» (Рис. 20.3), или в виде вогнутости на об-
И В
Первый из них нежелателен потому, что избыточный металл может нарушить поток охладителя, вызвав локальную коррозию дальше места дефекта (водяная труба) или локальный перегрев дальше места дефекта (паровая труба).
Второй из них, если происходит в знчительной степени, может вызвать образование трещин в проходе при заварке корня шва. Эти трещины могут остаться не обнаруженными при рентгенографическом обследовании. Кроме того, вогнутость существенно снижает усталостную долговечность, а чрезмерная ее величина может привести к разрушениям при термической усталости.
сто недоступны для ремонта, меры борьбы с ними сводятся в основном к мерам их предупреждения. Избыточное проплавление часто происходит в результате неправильного выбора метода сварки, плохой подготовки соединения под сварку и последующей плохой центровки соединения.
Неполное расплавление сварного соединения
Идентификация неполного расплавления. Данный термин, который сам говорит за себя, относится к неполному расплавлению смежных концов
сварного шва, между основным металлом и металлом шва или в любой точке сварной канавки.
ностей сварки, происходят нечасто, если этот недостаток не слишком велик (менее10% толщины стенки). Однако неполное расплавление на внешних поверхностях более серьезный дефект, который может привести к разрушению под влиянием механической усталости, термической усталости и коррозионного растрескивания под напряжением.
Предупреждение неполного расплавления. Неполное расплавление может происходить в связи с нсрасплавлетшем основного металла или ранее нанесенного металла шва. Его можно предотвратить путем увеличения
плавление может быть также вызвано прилипанием необработанных неметаллических веществ к свариваемым поверхностям. Это обстоятельство мо-
ществ с поверхностей, подлежащих сварке.
Сопутствующие проблемы. См. раздел данной главы, озаглавленный
Прорезание канавки
Иде к I ч прорезания канавки. Термин прорезание относится к со
ном металле на любой из поверхностей (у кромки лицевой поверхности
бины и остроты канавки прорезание может вызве янием механической или термической усталости.
Предупреждение прорезания канавки. Серьезное прорезание можно ликвидировать путем шлифовки или наплавкой дополнительного металла. Прорезание обычно происходит при использовании для определенного сварочного электрода слишком большой силы тока или слишком длинной дуги.
Неполное проплавление или непровар соединения
Идентификация непровара. Термин неполное проплавление соединения, как показывает само наименование, относится к неполному проникновению сварного шва через толшу соединения (Рис. 20.6). Он обычно применяется к начальному проходу шва или к проходу, который выполняют с одной или обеих сторон сварного соединения. В соединениях с двойным сварным швом дефект может оказаться внутри стенки (Рис. 20.7).
Недостаточное проплавление соединения - один из самых серьезных дефектов сварных швов. Оно вызывает повреждения и в емкостях высокого давления, и в трубах. С ним связаны разрушения в результате механической и термической усталости, а также коррозионного растрескивания под напряжением и простой коррозии.
Предупреждение недостаточного проплавления соединения. Недостаточное проплавление или непровар соединения обычно связывают с неправильной формой сварной канавки, сваркой слишком широким электродом, с чрезмерно высокой скоростью сварочных операций или с недостаточной мощностью сварочного тока.
Сопутствующие проблемы. См. раздел данной главы под заголовком «Неполное расплавление».
Растрескивание
И. р! л ц я растрескивания. Трещины выглядят как вытянутые отверстия на поверхности металла. Они могут быть широкими, но чаще они очень узки. Эти трещины обычно имеют толстые края и несут следы очень незначительной пластической деформации, если она происходила. Трещины в металле сварного шва могут быть опасны, т.к. приводят к частым разрушениям при работе котла. Трещины в основном металле (у кромок шва, под валиком шва) также опасны и могут вызвать разрушения. Трещины могут быть поперечными или продольными (Рис. 20.8).
Растрескивание в сварных соединениях может происходить в самой различной форме.
Горячее растрескивание в наплавленном валике. Происходит
сразу же при затвердевании расплавленного металла в шве.
Холодное растрескивание в наплавленном валике. Происходит после того, как сварной шов остыл. Трещины могут появиться через несколько дней после завершения сварочной процедуры.
Горячее растрескивание основного металла. Происходит при затвердевании расплавленного металла в шве.
Холодное растрескивание основного металла. Происходит после того, как сварной шов остыл.
Прсдупреясаениерастрескивания. В целом, трещины являются результатом неправильного режима сварки, несоответствующей подготовки свариваемого соединения, применения непригодных электродов, неправильного предварительного прогрева и слишком высокой скорости охлаждения.
Если трещины образуются в металле шва, предотвратить их могут следующие меры:
1. Снижение скорости сварки.
2. Предварительный прогрев участка сварки, особенно при большой толщине сварного сечения.
3. Применение электродов с низким содержанием водорода.
4. Применение сухих электродов.
5. Правильная последовательность проходов сварки с учетом усадочных напряжении.
6. Исключение условий, которые вызывают быстрое охлаждение.
Если трещины образуются в основном металле, предотвратить их могут следующие меры:
I. Предварительный прогрев участка сварки, особенно при большой толщине сварного сечения.
2. Тщательное регулирование подвода тепла.
3. Применение электродов требуемых
4 Применение сухих электродов.
гипоразмеров.
бует заключения опытною инспектора по сварке.
Графитизация
гаться иелегированная сталь и сталь с содержанием 0,5% молибдена. Эти стали применяют в секциях пароперегревателей и промежуточных пароперегревателей, работающих при низких температурах. Повреждения более
Обшие сведения. Термин графитизация относится к самопроизвольному термическому разложению карбида жслех, г.рпсутстсушщсгс с сгстсас стали, на свободный углерод (графит) и чистое железо. Это явление связано со временем и температурой, оно происходит в температурном интервале 800-1200°Ф (427-649°С). Время, необходимое для того, чтобы началась графитизация, уменьшается с увеличением температуры металла.
ях, связаны с образованием непрерывных графитовых цепочек, которые имеют тенденцию выстраиваться вдоль низкотемпературного края зоны влияния температуры в основном металле. Эти непрерывные цепочки или
сти, сквозь которые могут легко распространяться трещины. Это может вызвать разрушение нелегированных сталей и сталей с содержанием до 0,5% молибдена. Разрушения, вызванные графитизацией, наносят серьез-
Важнейшие
ацни. Факторы, кото-иых с графитизацией.
териала и влияние на сварное изделие температур в интервале 800-1200Ф (426-649°С) в течение длительного времени.
Чувствительный материал может быть делегированной или легирован-
ходе сталелитейного upoi
взятым в количествах, превы-
Идентификация граф Р рушения, связанные с графитизаци-
мени действию температур от 800 до 1200°С Разрушения про-
исходят в основном металле после воздействия на него высокой температу-
разрушающих методов для ш
лизании не существует.
Предупреждение графитизации. Исключение воздействия на сваренный
лучшим способом предупреждения возможной 1рафитизации в конкретном
материале. Для предупреждения аварий, вызываемых графитизацией, вполне оправдал себя выбор нечувствительных к графитизации материалов уже на стадии проектирования.
Дополнительные соображения
Отходы процесса сварки. Такие отходы процесса сварки, как брызги расплавленного металла, обрезки, опилки и стружки, остающиеся после шлифовки концов трубы, и даже сварочный инструмент могут попасть в трубы после их ремонта. Если эти отходы не удалить своевременно, они могут вызвать частичную забивку прохода для охладителя и привести к разрушениям в результате перегрева, в частности к разрушению от перенапряжений. Такие аварии могут произойти через много месяцев после завершения ремонтных работ.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 20.1
Выходной коллектор пароперегревателя
Программа водообработки: Аммиак, гидразин
3800 фунт/кв. дюйм (26,2 МПа)
Визуальная проверка сварного шва и торца повреждения показала, что большие участки в корне сварного шва остались непроплавленными. Радиальные борозды на торце разлома начинались в зоне иепроплавления.
Образец разрушился в сварном шве, который соединял трубу с коллектором. Трещины начинались в корне шва, где оказалось неполное пропавление, и распространились от данного участка под действием механизма коррозионной усталости. В не-проплавленной части сварного шва образовались трещины с острыми краями, которые действовали как участки к<-------------------“ -----
обычные рабочие напряжения.
В данной зоне котла часто действуют циклические напряжения, вызываемые разницей скоростей и направлений термического расширения в коллекторе и трубах. Они часто воздействуют на концевые трубы, которые могут растрескиваться у кромок сварного шва даже в тех соединениях, которые были правильно сварены. Напряжения, создаваемые термическим расширением и сжатием, часто возникают при пуске и остановке котла.
.но увеличивающие
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 20.2
Топливо:
Промышленность:
Местоположение образца:
Ориентация образца:
Срок службы,годы:
Программа водообработки: Координированная фосфатная
Давление в барабане: Координированная фосфатная
Характеристики труб: 1500фунт/кв. дюйм (10,3 МПа)
Наружный диаметр 3 дюйма (76 мм)
Каменный уголь
Установка для производства энергосредств
Экранная труба
Наклонная под углом 45
20
С горячей стороны трубы было вырезано «окно», показанное на Рис. 20.11. и в данном месте на нее с наружной поверхности был вварен новый отрезок.
Поперечный разрез, проходящий через вваренное окно, выявил глубокие трещи-
ны. связанные со сварными швами (Рис. 20.12). Внешний вид данного дефекта заставляет предположить, что образованию нормального металлургического соединения помешали захваченные шлак, грязь и флюс. Дефекты данного типа могут приводить к образованию сквозных усталостных трещина в стенке или к коррозионной усталости из-за эффекта концентрирования напряжений в трещинах.
256
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 20.3
Промышленность: Установка для производства энергосредств
Местоположение образца: Ориентация образца: Труба в зоне циклонных горелок Вертикальная
Срок службы, годы: 22
Давление в барабане: 1500 фунт/кв. дюйм (10,3 МПа)
Характеристики труб: Наружный диаметр 1,5 дюйма (76 мм)
В котле, из которого была взята труба, показанная на Рис. 20.13, регулярно происходили разрушения от перегрева в зонах вокруг циклонных горелок и у пода топки. Котел работал с пиковыми нагрузками в течение последних шести лет.
Рсмонт поврежденных участков проводили путем приваривания накладок. На рисунке видно, что метал сварного шва не П|юник на всю толщину стенки трубы, оставив псзаварениой трещину с толстыми краями, которая появилась в результате эксплуатационного перегрева. Такие трещины действуют как участки концентрации
и высоких рабочих температур у концов трещины сформировались трещины ползучести (См. Главу 2 «Длительный перегрев»). Разрушение отремонтированной с по-
Промышленность: Местоположение образца: Ориентация образца:
Программа водообработки: Давление в барабане: Характеристики труб: Топливо:
Установка для производства энергосредств Экранная стенка Вертикальная
Координированная фосфатная 900 фунт/кв. дюйм (6,2 МПа) Наружный диаметр 2 дюйма (51 мм} Каменный уголь
На Рис. 20.14 показан большой разрыв вдоль наплавленного валика сварного шва, соединяющего перегородку со стенкой трубы. Микроструктурные обследования позволили обнаружить ровную цепочку графитовых узелков в зоне воздействия высоких температур, расположенную рядом с валиком сварного шва. Разрушение произошло по этой цепочке. Близость графитовых узелков друг к другу и расположение их по одной оси способствовали образованию плоскости наименьшего сопротивления, по которой разрушение могло легко распространиться под действием нал ряже-
Глава
21
Недостаточно высокое качество материалов
Места преимущественных повреждений
Недостатки материалов, рассматриваемые в данной главе, стали результатами непродуманного применения нелегированных сталей там, где рекомендованы легированные стали. Основными зонами в котельной системе, страдающими от указанных причин, становятся зоны с охлаждаемым паром оборудованием, и в первую очередь трубы пароперегревателей и промежуточных пароперегревателей.
Общие сведения
За исключением, вероятно, чугуна, наиболее часто используемым в промышленности металлом'осталась нелегированная, обыкновенная углеродистая сталь. Легированные стали используют не так широко из-за их высокой стоимости. В большинстве промышленных котлов и энергетических котлов общего назначения используют трубы для котловой воды или смеси воды и пара, изготовленные из обыкновенной углеродистой стали. Низколегированные стали, содержащие небольшие количества хрома и молибдена, обычно предназначаются для изготовления труб, несущих пар, например труб пароперегревателей и промежуточных пароперегревателей, из-за высоких температур, при которых эти трубы работают. Для замедления термического разрушения, которое происходит при данных температурах, в нелегированную сталь добавляют хром и молибден. Хром обычно вводят в количествах от 0,25 до 2,25% для замедления высокотемпературного окисления металла и повышения сопротивления ползучести. Молибден добавляют в количествах от 0,25 до 1% также для увеличения сопротивления металла ползучести.
Важнейшие условия, в которых проявляются недостатки материалов
Основные условия для проявления недостатков материалов это температура образования окалины и чувствительность к ползучести. Температура образования окалины это та температура, при которой начинается термическое окисление металлов с высокой скоростью (Рис. 21.1). В Таблице 2.1 перечислены стали, используемые в котельных трубах, и их соответствующие температуры окалинообразования .
От содержания в стали легирующих добавок зависит также их сопротивление ползучести. Добавки хрома и молибдена повышают сопротивление ползучести.
Недостатки материала проявляются, когда их используют в условиях, в которых превышаются возможности материала сохранить термическую стабильность. Обычно это относится к применению нелегированной углеродистой стали в высокотемпературных секциях пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя, где нормальные рабочие температуры требуют применения низколегированных сталей.
Идентификация непригодности материала
Местами, где проявляются недостатки материалов, являются трубы пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя, в которых может происходить интенсивное окалинообразование и/или разрушение с толстыми краями (разрушение при ползучести). И низколегированные стали могуг не выдерживать таких условий, когда перегрев оказывается очень сильным, однако в обычной углеродистой стали указанные явления будут происходить при гораздо более низких температурах. Эго делает обычную углеродистую сталь менее стойкой к
данному виду разрушений в условиях, типичных для пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя. Изучение технических характеристик материалов, применяемых для изготовления секций пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя, поможет правильно выбрать сталь требуемого типа.
На месте трудно определить состав материала. Секция трубы должна быть подвергнута анализу на определение состава сплава.
Предупреждение выбора неподходящего материала
Основная ответственность за предотвращение применения непригодных для данной цели материалов лежит на изготовителе котла, его конструкторе и покупателе котла. При этом необходимо тщательное выполнение процедуры контроля качества, начиная с проектирования оборудования и кончая его монтажом.
Меры предосторожности
Разрушения под влиянием термической деструкции (чрезмерное окалинообразо-вание, разрушение при ползучести) труб пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя могут происходить и в правильно выбранных и использованных для монтажа низколегированных сталях, и в трубах из ошибочно примененной обычной углеродистой стали. Следовательно, появление разрушений при термической деградации не может служить доказательством неправильного выбора материала. Если разрушения данного типа происходят в эксплуатируемых по правилам секциях пароперегревателя и промежуточного пароперегрева теля, скорее всего это произошло в результате ошибочного выбора материала.
Сопутствующие проблемы
См. также главу 2 («Длительный перегрев»),
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 21.1
Ориентация образца:
Вторичный пароперегреватель, первый проход Вертикальная
Программа водообработки: Координированная фосфатная
Наружный диаметр 2,75 дюйма
Древесная кора
за исключением полугодовой остановки на техническое обслуживание.
Края разрыва толстые и имеют долотообразные очертания. Наружная поверхность местами покрыта похожим на древесную кору слоем подвергшегося термической деструкции металла. Внутренняя пог*—~ ’ " " "
ннй и продуктов коррозии.
Микроструктурное обследования мег; трубы графита и сфероидальных частиц к;
леза (результат термической деструкции металла),.
Труба в течение длительного времени находилась в эксплуатации при температурах выше температуры окалинообразования металла (приблизительно 1000-1050°Ф или 538-566°С для обыкновенной углеродистой стали). Предыдущие разрушения, первое из которых произошло через год после пуска котла, показывают возможную диспропорцию между тепловым потоком и расходом охладителя в данной секции пароперегревателя. Однако разрушения не произошло бы, если бы трубы были изготовлены из низколегированной стали (SA-213 Т22).
сность гладкая и не содержит отложе-
.г__J_____по всей стенке
. На всех поверхностях бы-ого окисления, а также толстые слои оксидов же-
Промышленность: Местоположение образца: Ориентация образца: Срок службы, годы: Установка для производства энергосредств Промежуточный пароперегреватель Вертикальная 20
Программа водообработки: Давление в барабане: Координированная фосфатная 2875 фунт/кв. дюйм (19,8 МПа)
Характеристики труб: Топливо: Наружный диаметр 2.25 дюйма (57 мм) Каменный уголь
Наружные поверхности покрыты толстым слоем черного оксида железа (терми-
Микросгруктурное обследование металла позволило обнаружить в стенке трубы массу графитовых узелков и сфероидальных вкраплений карбидов железа. На всех поверхностях явно происходило межкристаллитное окисление.
Разрушение трубы стало прямым результатом работы в условиях, превышающих возможность сохранения термостойкости металла. Труба из низколегированной стали (SA-213 Т22), которая была приварена встык к разрушенной трубе, нс пострадала и подверглась лишь умеренному термическому разрушению.
Глава
22
Коррозия типа графитизации
Места преимущественной коррозии
Коррозии данного вида подвергаются насосы питательной воды, трубопроводы водоснабжения, клапаны и другие компоненты, изготовленные из чугуна (содержащего графит). Поскольку чугун в основном используют в зонах до котла, коррозионное разрушение обнаруживают главным образом в оборудовании предварительной водообработки и водоподачи.
Общие сведения
Коррозия типа графитизации (графитизация) возможна только в тех конструкциях, которые выполнены из чугуна, содержащего частицы графита. Чувствительность к коррозии проявляют узловатый, ковкий и серый чугун. Узловатый и ковкий чугун иногда считают невосприимчивым к графитизации, однако они все же часто корродируют. Серый чугун применяют более широко, и он подвергается более четко выраженной и легко опознаваемой коррозии, чем другие виды чугуна.
Когда слегка агрессивная вода соприкасается с поверхностью металла, между частицами графита, включенными в отливку, и окружающей массой металла происходит гальваническое взаимодействие (электрохимический эффект). Графит по отношению к соседнему металлу действует как катод. Часть металла подвергается коррозии. Иногда отливка превращается в ржавую массу, содержащую частицы графита. Коррозия ускоряется, если вода умеренно кислая, имеет высокую электропроводность, мягкая и/или содержит высокие концентрации агрессивных анионов, в частности сульфата.
Важнейшие условия для графитизации
Графитизация обычно развивается медленно, для появления существенных повреждений могут потребоваться месяцы и годы. С уменьшением pH коррозия ускоряется. Графитизации способствуют застойные условия, особенно в тех случаях, когда вода содержит большие количества сульфатов. Значительная графитизация происходит в периоды простоя системы. Если созданы условия турбулентности (например, в насосах), то продукты коррозии могут смещаться, что также ускоряет износ.
Идентификация коррозии типа графитизации
22.2). Частицы продуктов коррозии пачкают руки и могут оставлять следы на бумаге, как если бы корродировавшим веществом был графит из карандаша (Рис. 22.3). Разрушение часто происходит достаточно равномерно, и все поверхности корродируют практически на одинаковую глубину (Рис.
22.4 и 22.5). Если присутствуют локальные отложения, то те из них, которые содержат сульфат и хлорид или другие кислотные соединения, могут вызывать коррозию, ограниченную отдельными карманами. Если коррозия очень сильна или действовала длительное время, в продукты коррозии превращается вся деталь. При этом часто сохраняется форма поверхности и се внешний вид. Разрушение обычно не заметно, пока поверхность не будет поцарапана или продавлена.
Корродировавшие участки можно проламывать рукой или легким постукиванием твердым инструментом. Можно сделать углубления в мягких черных продуктах коррозии. Концом ножа можно определить глубину проникновения ржавчины.
Коррозионное разрушение можно уменьшить путем замены чугуна сплавом. применения химической обработки и/или изменения режима работы. Замена сплавом полностью исключает графитизацию, если вместо чугуна используют сплав, нс содержащий графита. Выбор замещающего сплава определяется требованиями, специфичными для каждого конкретного случая.
Увеличение pH воды до нейтрального или слегка щелочного уменьшает коррозию, особенно если в воде присутствуют в относительно высоких концентрациях такие агрессивные анионы, как хлорид и сульфат. Разумное ис-
ния до минимума. Когда расход воды невелик (например, во время длительных остановок и периодов простоя), коррозионное разрушение увеличивается. Следует избегать застойных условий, способствующих графитизации.
Меры предосторожности
Графитизации может подвергаться только серый чугун, содержащий графит. Из-за микроструктурных различий в размерах частиц графита и их распределении, а также других различий в составе сплава, коррозия бывает особенно сильной у серого чугуна.
Трубы и другие компоненты оборудования могут корродировать очень сильно, однако они могут и остаться целыми. Продукт коррозии обладает некоторой механической прочностью, ио достаточно хрупок. Если корродированные компоненты находятся под напря-----------~--------
оказаться катастрофическим.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 22.1
Технология производства пищевых продуктов
Глава
23
Разрушение сплавов
Места наиболее вероятных разрушений
Разрушение сплавов, в отличие от серого чугуна (см. главу 22 «Коррозия типа графитизации»), обычно представляет собой коррозию сплавов, содержащих медь. Коррозия главным образом происходит в системах питательной воды и в зонах после котла. Коррозии могут подвергаться подогреватели питательной воды высокого давления, бронзовые крыльчатки насосов, сетчатые фильтры грубой очистки пара из монель-металла и периферийные устройства в котле, например латунные фитинги для установки манометров. Кроме того, коррозии данного вида часто подвергаются конденсаторы и теплообменники.
Общие сведения
Разрушение сплавов представляет собой процесс коррозии, которому подвергается преимущественно один или несколько компонентов сплава. Корродировавший участок обычно имеет совершенно другую структуру, чем первоначальный сплав. Однако макроскопические размеры корродированной детали часто сохраняются неизменными. Процесс также часто называют селективным выщелачиванием, или избирательной коррозией. Очевидно, что разрушение может происходить только в тех сплавах, которые состоят из двух или нескольких элементов. Особенно чувствительны к разрушению медно-никелевые сплавы (из которых удаляется никель) и латуни (из которых выщелачиваются цинк и алюминий). Названия конкретных процессов происходят от названий выщелачиваемых элементов. Например, для латуни, из которой удаляется цинк, процесс называется обесцинкованием. В ситуациях, когда из медно-никелевых сплавов удаляется никель, разрушение сплава называется обезникеливанием.
Существуют две различные формы обесцинкования: «пробочная» или «слойная». Небольшие локальные зоны потерь металла возникают на стенках труб, образуя «пробки», которые под действием высокого давления мо-
гут быть выбиты из трубы (Рис. 23.1). Более общий случай коррозии так называемое слойное обесцинкование (Рис. 23.2). Медно-никелевые сплавы чаще подвергаются «слойной» коррозии, чем «пробочной». Однако разрушение медно-никелевых сплавов обычно менее серьезно по сравнению с коррозией в латуни. Возможно, основные механизмы «пробочной» и «алойной» коррозии одинаковы. Однако «пробочная» коррозия может' вызывать локальный износ со скоростями до нескольких десятых долей дюйма в год, в то время как при «алойной» коррозии потери оказываются более уме-
«Дестаннирование» (потеря олова) может происходить в случае пушечной бронзы и некоторых фосфористых бронз. Это особенно характерно для зон с паром и горячей питательной водой. Паровые фильтры, выполненные из монель-металла. корродировали под действием пара, содержащего соединения серы, при повышенных температурах (рис. 23.3).
Есть сообщения о «деалюминировании» дуплексной алюминиевой бронзы в воде, причем как при высоких, так и при низких pH.
Важнейше условия, способствующие разрушению сплавов
Ускорение основных видов разрушения сплавов, содержащих медь, вызывают отложения, мягкая вода (особенно с содержанием диоксида углерода), теплопередача, застойные условия, вода с низким или высоким pH и вода с высоким содержанием хлоридов. Добавление небольших количеств мышьяка, сурьмы или фосфора к адмиралтейской латуни существенно уменьшает вероятность обесцинкования. Однако в экстремальных условиях коррозия
Идентификация разрушения сплава
В медных сплавах медь почти никогда не подвергается селективному удалению. Скорее растворяются другие элементы, оставляя за собой сравнительно мягкую пористую массу меди. Корродировавший металл сравнительно хрупок и может быть легко разрушен при ударе или изгибании. Часто поверхности усеяны трещинами, но сохраняют первоначальные размеры. Участки, подвергшиеся коррозии, как правило, изменяют цвет на темнокрасный или оранжево-розовый цвет элементарной меди (Рис. 23.1 и 23.2).
Трубы питательной воды высокого давления, изготовленные из медно-никелевых сплавов, могут подвергаться разрушению в уникальной форме. Во время простоев к внутренним поверхностям может получить доступ воздух, что приведет к значительному окислению. В дальнейшем нормальная
работа системы будет способствовать восстановлению поверхностных оксидов до элементарной меди. Иногда слои оксида и/или восстановленного металла могут отслаиваться с поверхности, придавая трубам необычный цвет «солнечного загара» (Рис. 23.4). Данная форма отслаивания особенно вероятна для медно-никелевых сплавов с соотношением компонентов 70:30. Сплавы с соотношением 80:20 чувствительны к нему в меньшей степени. Для медно-никелевых сплавов с соотношением 90:10 такой износ редок.
Предупреждение разрушения сплавов
Поверхности должны оставаться свободными от отложений. В целом простои должны быть максимально короткими. Контакт с воздухом следует исключить путем создаания паровых или азотных подушек. Необходим контроль качссгва воды и пара, чтобы в них были сведены к минимуму концен-грации соединений хлора и серы. Может оказаться необходимой замена сплавов на совершенно другие. В тех случаях, когда это диктуют условия работы, следует применять преимущественно сорта адмиралтейской латуни с добавками ингибиторов коррозии.
Сопутствующие проблемы
См. главу 22 «Коррозия типа графитизации».
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 23.1
Установка для производства энергосредств
Вертикальная
1500 фунт/кв. дюйм (10,3 МПа) Наружный диаметр 0,15 дюйма (4 мм),
Местоположение образца: Установка для производства энергосредств Первая входная секция нагревателя питательной воды высокого давления
Ориентация образца: Срок службы, годы: Горизонтальная
Программа водообработки: Давление в барабане: Все летучие 400 фунт/кв. дюйм (2,6 МПа) Наружный диаметр 5/8 дюйма (16 мм), медно-никелевый сплав с соотношением 70:30
Трубы нагревателя питательной воды были утончены в результате циклического окисления и восстановления оксидов в процессе работы (Рис. 23.4), Толщина стенки
В течение предыдущих двух лет происходили частые остановки котла, при которых воздух поступал под оболочку нагревателя, что приводило к окислению поверхности. Во время работы происходило превращение оксидов в элементарную медь.
Mechanical engineering
Практическое руководство по определению и устранению наиболее часто встречающихся причин повреждения котлов в наше время!
Практическое руководство компании НАЛКО
по анализу повреждения котлов
Роберт Д. Порт и Харви М. Херроу
Если в ваши обязанности входит проектирование, профилактика, эксплуатация или ремонт котлов и котловых систем, то вы не сможете обойтись без этого наиболее полного практического руководства по определению и устранению причин повреждений.
Настоящее авторизованное издание содержит данные многолетнего опыта, накопленного профессионалами, и иллюстрации с описаниями конкретных случаев и наиболее типичных проблем, встречающихся в котловых системах, решение которых описано достаточно подробно.
Каждый тип повреждений классифицируется местонахождения - ----
характеристикам, . . . ...... ,__________ _____
безопасности и сопутствующим проблемам для того, чтобы обеспечить вам незамедлительный доступ к информации о помощи по данному вопросу. Целые главы посвящены описанию таких проблем, как длительное и краткосрочное перегревание, отложения, щелочная коррозия, хелатная коррозия, кислородная коррозия, коррозия при низком значении pH, коррозия под действием мазутной золы и угольной золы.
“Руководство....» позволяет достаточно легко определить те условия, при которых возникают проблемы в системе - от неправильно эксплуатируемых котлов-утилизаторов до колебания давления в них - и устранить эти проблемы до остановки на капитальный ремонт. Эта книга, которая содержит более 170 иллюстраций, поможет вам в приобретении «опыта”, необходимого для более экономичной, надежной и безопасной эксплуатации котлов.
.... согласно его в системе, общему описания, важнейшим идентификации, методу устранения, мерам