Разрушения кирпичной кладки и металла элементов котла

Разрушения кладки. Возможны следующие виды разрушения кирпичной кладки:

• шлакоразъедание (60 % случаев разрушения),
• растрескивание под действием температурных напряжений (33 %),
• расплавление, деформации, откалывание и местное выгорание (7%).

Под шлакоразъеданием понимают процесс разрушения кладки от одновременно действующих и взаимосвязанных процессов коррозии и эрозии. Скорость развития этого процесса зависит от химического состава золы топлива и огнеупоров, вязкости шлака, структуры огнеупоров и температуры, при которой происходит процесс. Так как в золе топочных мазутов содержится много Na, V, Ca, Mg, температура плавления шлаков, образовавшихся на поверхности кирпичной кладки, значительно нижетемпературы плавления огнеупоров, поэтому шлаки частично проникают в поры кирпича, а большая их часть сползает вниз, увлекая за собой поверхностные слои кирпичной кладки.

Исключительно велика роль температуры в ускорении шлакоразъедания кирпичной кладки. Например, увеличение температуры кладки на 1 °С свыше принятой при расчете ускоряет процесс шлакоразъедания более чем на 1 %. Иными словами, повышение температуры в топке на 50-60 °С сверх расчетной в течение 1-2 ч приводит к такому же износу, как и работа при расчетных температурах в течение 2-3 мес.

Откалывание шлака вместе с поверхностным слоем огнеупора происходит вследствие значительных напряжений, обусловленных различием коэффициентов линейного расширения огнеупора и покрывающего его шлака. Резкие теплосмены интенсифицируют этот процесс.

Нередко кладка судовых котлов разрушается вследствие выгорания швов, когда раствор, на котором кладутся кирпичи, оказывается менее стойким, чем материал огнеупоров. Шлакоразъедание начинается со швов. В образующиеся пазы попадают агрессивные компоненты золы топлива и ускоряют этот процесс.

В практике эксплуатации наблюдается иногда так называемая поверхностная рыхлость кирпичной кладки. Сущность ее в том, что вследствие взаимодействия щелочных соединений с основными компонентами огнеупора образуются алюмосиликатные щелочи, эвтектики которых плавятся при низких температурах. При этом возникают поверхностные трещины, которые способствуют быстрому шлакоразъеданию кладки.

Опасным видом разрушения кладки является ее растрескивание под действием периодических теплосмен. В верхнем слое кирпичной кладки при резких охлаждениях возникают растягивающие термические напряжения, нередко превышающие предел текучести. Они-то и являются причиной возникновения трещин, так как на сжатие огнеупоры работают в несколько раз лучше. Появление трещин интенсифицирует процесс шлакоразъедания.

Рис. 1. Повреждения труб вследствие перегрева углеродистых и слаболегированных сталей при повышении температуры металла кратковременном до 700 С (а), длительном до 600 - 620 С (б) жаровой трубы под слоем отложений шлама с водяной стороны (в).

Разрушения металла, обусловленные усталостью и перегревом. При высоких температурах в металле интенсифицируются процессы ползучести и изменения структуры (обезуглероживание, графитизация и т. п.), которые могут явиться причиной разрушения элементов котла. В таких случаях обычно говорят о перегреве (или пережоге) металла. Причинами недопустимых повышений температуры металла являются наличие отложений накипи или масла, неравномерность наружного загрязнения отложениями золы и сажи, нарушения циркуляции в котле и упуски воды, обусловленные конструктивными недостатками и нарушениями инструкций по эксплуатации.

Характер повреждения труб при перегреве металла (рис. 1):

• общее увеличение диаметра труб,
• местное увеличение диаметров труб и изменение формы плоских поверхностей (выпучины),
• провисание (или прогиб) труб,
• сужение или проседание жаровых труб огнетрубного котла,
• разрывы и продольные трещины при незначительном утонении стенки в местах повреждений.

В качестве примеров повреждений от перегрева металла можно привести многочисленные выходы из строя петель пароперегревателей котлов КВГ25, разрушение опорной балки пароперегревателя на танкере «Прага», увеличение диаметра в области трубной доски коллектора пароперегревателя (выпучина по всей длине коллектора) танкера „Гдыня" из-за попадания масла в котел, проседания и разрывы жаровых труб огнетрубных котлов на танкерах типа «Алтай» и др.

Рис. 2. Разрыв коллектора пароперегревателя котла КВГ 80/80 при перегреве металла.

Исключительно показательным примером подобных повреждений (рис. 2) является образование трещины в трубной доске выходного коллектора первой секции основного пароперегревателя главного котла КВГ80/80 танкера «Кузбасс» (ноябрь 1980 г.). Коллектор изготовлен из легированной пали. Причиной нарушения температурного режима металла коллектора явилась форсированная растопка котла. Явными признаками форсированного перегрева металла можно считать локальное увеличение диаметра коллектора и образование продольной трещины без утонения его стенки.

Однако повреждения из-за «чистого» перегрева металла встречаются не столь часто. Большее число повреждений элементов котлов при повышенных температурах обусловлено термоусталостными и усталостными разрушениями в виде трещин. Наиболее ярко эти причины повреждений проявляются в вертикальных огнетрубных и огнетрубно-водотрубных котлах, обладающих чрезмерной жесткостью конструкции. Жесткость конструкции заключается в том, что температурные расширения внутренних элементов (топочных камер, дымогарных и парообразующих труб, связей) сильно затруднены вследствие прочных неподатливых соединений этих элементов с корпусами (бочками) котлов. Действительно, в моменты изменения режима (растопка, остановка, сброс и наброс нагрузки) температурные удлинения внутренних элементов намного больше, чем удлинение более холодного корпуса. Это вызывает знакопеременные деформации трубных досок, днищ, огневых и форсуночных патрубков, что приводит в конечном счете к усталостным повреждениям металла в местах наибольшей концентрации напряжений - в угловых сварных соединениях, в районе поперечных сварных швов и креплений (рис. 3).

Рис. 3. Усталостные повреждения элементов котлов: а - корпуса огнетрубного котла в районе ушек крепления; б - таврового кольца для крепления изоляционных щитов в районе газохода котла типа VX; в - опускной трубы котла типа AQ-3; г - вальцовочного колокольчика водотрубного котла; д - днищевого кольца огнетрубного котла; е - днища котла типа UNEX CH в районе книц.

В местах скопления шлама (у днищевого кольца или нижнего днища) усталостные явления сопровождаются коррозионными процессами, что увеличивает скорость разрушения металла (иногда такие повреждения называют коррозионной усталостью).

Особенно подвержены коррозионной усталости узлы крепления полностью охлаждаемой топочной камеры (см. рис. 3) к днищу огнетрубного котла типа UNEX СН финской постройки. Кницы, поддерживающие топочную камеру, по технологии сборки обваривают угловым швом только снаружи. Поскольку толщина днища достигает 20 мм и более, почти всегда существует непровар швов и, следовательно, щели между кницей и днищем, в которых протекает интенсивная коррозия. Поэтому усталостные трещины начинают развиваться с внутренней стороны днища, и контроль за их развитием практически невозможен. В результате усталостные разрушения появляются уже через 5-10 тыс. ч работы котла (например, в котлах судов «Самотлор», «Юлиус Фучик» и взрыв котла на теплоходе «Каменск-Уральский»).

Рис. 4. Схема разрушения топочной камеры котла типа VX 125 теплохода "Северный полюс" (стрелками показаны места непроваров).

Вторым столь же жестким узлом котла является сварное соединение форсуночного патрубка 2 (рис. 4) с топочной камерой 1. Технологический дефект сварного шва (непровар) в таком соединении и развитие коррозионной усталости привели к взрыву котла VX125 на плавбазе «Северный полюс» 15 мая 1984 г. (3 - днищевое кольцо).

Рис. 5. Термоусталостное расстрескивание парообразующей трубы (а) водотрубного котла и форсуночного патрубка (б) огнетрубного котла.

Термоусталостное растрескивание очень часто наблюдается в местах соединения форсуночных патрубков и смотровых труб (рис. 5) с топочными камерами огнетрубных и огнетрубно-водотрубных котлов. Характерным недостатком этих узлов является наличие выступающего свободного конца патрубка, металл которого подвергается циклическому нагреву до 600-700 °С и охлаждению до 150-200 °С (при работе котла в режиме включено - выключено). В результате термоциклирования и структурных превращений в металле при высоких температурах на торцах патрубка появляются усталостные продольные трещины.

Повреждения из-за конструктивных и технологических недостатков и нарушений правил технической эксплуатации котлов. Особенно отчетливо конструктивные недостатки проявились в повреждениях утилизационных котлов с принудительной циркуляцией прямоугольной компоновки с оребренными змеевиками типа AKSR на судах типов «Художник Сарьян», «Астрахань» и др. Наиболее существенными конструктивными недостатками этих котлов являются:

• отсутствие перегородки в пароводяном коллекторе, приводящее при работе одной секции к забросу пароводяной смеси в змеевики отключенной секции; вследствие упаривания воды здесь образуются накипные пробки (рис. 6), удалить которые практически невозможно;
• подвод газов к приемной камере котла снизу (а не сбоку), что препятствует очистке наружной поверхности змеевиков;
• отсутствие средств химической очистки котла с газовой стороны, а также технических средств контроля температуры дымовых газов за котлом.

Два последних недостатка котла при наличии оребрения змеевиков обусловливают сильное и быстрое загрязнение отложениями золы ипродуктами неполного сгорания топлива (сажей, частицами кокса и каплями масла), возгорание которых может явиться причиной пожара (как это произошло в 1986 г. с утилизационным котлом теплохода «Улан-Батор»). Вероятность возгорания отложений в УК на этих судах значительно выше из-за того, что фирмой-изготовителем главного двигателя K5SZ70/125BL установлен повышенный удельный расход цилиндрового масла (1,4-1,5 г/кВт-ч), а инструкция по эксплуатации утилизационного котла рекомендует останавливать циркуляционный насос сразу же после вывода УК из действия. Отмеченные конструктивные недостатки УК при отсутствии охлаждения змеевиков во время работы главного двигателя на малых нагрузках и на маневрах и наличии в отложениях продуктов неполного сгорания топлива и масла и являлись причиной многочисленных возгораний сажи в УК на судах серии «Астрахань» (в том числе пожара на теплоходе «Улан-Батор»).

Рис. 6. Отложения накипи на выходных участках парообразующих змеевиков утилизационного котла типа AKSR.

Интересно отметить, что вспомогательные котлы типа ESH, которыми оборудованы суда этой серии, также имеют существенные конструктивные недостатки, обусловливающие низкую надежность процессов циркуляции в экранных контурах, что послужило причиной многочисленных повреждений экранных труб (особенно заднего экрана).

Грубые нарушения правил технической эксплуатациикотельных установок также могут послужить непосредственными причинами повреждений элементов судовых котлов, что убедительно подтверждается опытом их эксплуатации: более 75 % аварий обусловлены именно нарушениями инструкций по обслуживанию; более того, 95 % упусков воды, приводящих к серьезным авариям котлов, происходят по вине обслуживающего персонала, нарушающего (по незнанию или умышленно) правила технической эксплуатации котлов.

Наиболее показательным в этом отношении можно считать взрыв утилизационного котла на танкере «Алиот» в 1973 г. из-за неисправности предохранительного клапана. При расследовании аварии выяснилось, что механики «не знали» о существовании предохранительного клапана, который с момента постройки ни разу не проверялся, в результате чего тарелка была прочно заклинена в гнезде слоем накипи и ржавчины. В то же время механики, которым доверено ежегодное освидетельствование утилизационного котла, предъявляли инспектору Регистра ложный акт освидетельствования, в котором указывалось, что предохранительный клапан проверен подрывом и отрегулирован.