Компании в категории: Котлы и отопление (37)

Назначение и условия работы котлов

Сварные конструкции котельных установок включают в себя сосуды различных типов (барабаны, корпуса подогревателей, деаэраторов, арматуры и других узлов) и трубные системы (поверхности нагрева, камеры, трубопроводы и их фасонные части), эксплуатирующиеся под давлением и при высоких температурах, Рабочие параметры этих установок зависят от их типа и назначения. Правила котлонадзора, определяющие устройство и безопасную эксплуатацию котлов, распространяются на паровые котлы, пароперегреватели и экономайзеры с рабочим давлением более 0,7 кгс/см² и на водогрейные котлы с температурой воды свыше 115° С. Стационарные паровые котлы большой мощности работают при температуре 545-570° С и давлении 140-240 кгс/см².

Крупногабаритные сосуды котельных и других установок при толщине стенки от 8-10 до 90-120 мм изготовляют обычно на котельных заводах из вальцованных или штампованных из листа обечаек, свариваемых между собой продольными и поперечными (кольцевыми) швами. Для котельных сосудов типа барабанов характерно большое количество штуцеров, необходимых по условию организации процессов циркуляции воды и сепарации пара. Особо ответственные сосуды, как например корпуса атомных реакторов с толщиной стенки до 200 мм, изготовляют из цельнокованых обечаек, свариваемых между собой кольцевыми швами.

Для работы при очень высоких давлениях в химическом машиностроении применяют многослойные сосуды с толщиной стенки до 400 мм. Корпуса арматуры изготовляют литыми или коваными целиком или в сварном исполнении.

Поверхности нагрева изготовляют из труб малого диаметра до 100 мм с толщиной стенки до 10 мм; для трубопроводов и камер используют трубы диаметром до 400 мм при толщине стенки до 70 мм. Для блоков мощностью 500 мВт и более требуются трубы диаметром до 1 м при толщине стенки до 100 мм.

Котельные агрегаты проектируют в соответствии с требованиями правил котлонадзора, норм расчета на прочность и соответствующих ГОСТов и МРТУ. При их изготовлении и приемке учитывают также требования основных положений и правил контроля, разрабатываемые ведомственными институтами, и технологические инструкции заводов.

Выбор материалов для котельного оборудования

Наибольшее применение нашли низкоуглеродистые и низколегированные конструкционные стали умеренной прочности, обладающие высокими пластичностью и вязкостью, хорошо или удовлетворительно сваривающиеся. Для трубных систем высокотемпературной части котлов, эксплуатирующихся в условиях ползучести при температурах выше 450-500° С, применяют ограниченно сваривающиеся теплоустойчивые хромомолибденованадиевые и высокохромистые стали. Используемые при температурах выше 550° С в условиях ползучести как жаропрочные и при более низких температурах как нержавеющие аустенитные стали относятся к группе хорошо сваривающихся сталей и на практике часто применяются на котельных заводах.

Требования к свойствам материалов определяют условиями их работы. При выборе материала и технологии изготовления крупногабаритных сосудов с толщиной стенки свыше 20-30 мм для работы при высоких температурах необходимо учитывать не только их надежность в эксплуатационных условиях, но и отсутствие хрупких разрушений во время изготовления и гидравлических или других испытаний. Поэтому материал сосуда должен обладать требуемыми свойствами при высоких температурах и иметь необходимый запас вязкости в температурных условиях изготовления и испытания изделия. Важность этого требования возрастает с повышением толщины, габаритов и прочности основного металла сосуда.

Для повышения надежности работы при высоких температурах в условиях ползучести сварных конструкций из хромомолибдено-ванадиевых и высокохромистых сталей при толщине свыше 20 мм и устранения опасности их хрупких (локальных) разрушений в околошовной зоне рекомендуется ограничивать верхний уровень прочности металла заготовок для хромомолибденованадиевых сталей величиной предела прочности 65 кгс/мм², а для высокохромистых 80-85 кгс/мм².

Для изделий из аустенитных сталей, эксплуатирующихся при температурах до 500° С, требования к выбору материала определяются коррозионной стойкостью основного металла. Наиболее широко используют листовую сталь 12Х18Н10Т.

Для узлов из аустенитных сталей (трубных систем с толщиной стенки свыше 15-20 мм или сложных конструкций корпусного типа при меньшей толщине стенки), предназначенных для работы в интервале температур 550-650° С, рекомендуется применять стали 12Х16Н9М2 и 12Х16Н13М2Б. Сварные соединения этих сталей в отличие от соединений стали 12Х18Н10Т мало склонны к хрупким (локальным) разрушениям при высоких температурах.

Для сварки узлов котельного оборудования применяют сварочные материалы, близкие по легированию к основному металлу. При использовании других методов сварки свойства швов должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к материалам для ручной дуговой сварки.

В связи с особой ответственностью работы котельных конструкций, Правилами котлонадзора и существующими нормами ограничивается толщина стенок сосудов и трубопроводов, которые можно изготовлять без термообработки после сварки. Для узлов из низкоуглеродистой стали предельной принята толщина стенки 36 мм. При использовании низколегированных сталей ее значение должно быть снижено до 10-30 мм в зависимости от легирования основного металла. Сварные узлы из высокохромистых жаропрочных сталей должны подвергаться термообработке вне зависимости от толщины элементов.

Требования к термообработке сварных узлов из аустенитных сталей зависят от температуры их эксплуатации. Если она не превышает 500° С, то в большинстве случаев обработка не требуется. Она может быть нужна лишь при необходимости обеспечения коррозионной стойкости сварных соединений в особых средах. Если изделие работает при температуре выше 500° С, то при толщине стенки свыше 10-15 мм для трубных систем и при меньшей толщине для сложных конструкций корпусного типа оно, как правило, должно после сварки подвергаться аустенизации на котельном заводе.

Ответственность работы котельных и других элементов под внутренним давлением и при высоких температурах определяет высокие требования к контролю качества на всех стадиях изготовления и эксплуатации и проведению дополнительных приемочных испытаний. Объем контроля и виды приемочных испытаний определяются требованиями Госгортехнадзора и другими нормативными материалами.

На стадии проектирования надежность контроля обеспечивают расположением сварных швов в доступных участках и возможностью полного удаления выявленных дефектов и последующего ремонта.

Правилами котлонадзора предусмотрено использование разных методов неразрушающего контроля сварных соединений и исследования их качества и свойств на образцах контрольных проб.

Объем контроля определяется ответственностью изделий и прежде всего рабочими давлением и температурой. Так, применение метода ультразвуковой дефектоскопии является обязательным для всех швов сосудов, работающих под давлением свыше 50 кгс/см² при температуре стенки свыше 200° С и ниже -70° С. В сосудах же для работы под давлением до 16 кгс/см² при температуре стенки от -40° С до +200° С контролируют лишь 25% от общей длины швов. Обязательному контролю на котельном заводе подлежат все места пересечения сварных швов.

Правилами предусмотрено проведение механических испытаний образцов контрольных сварных соединений. Важнейшим условием получения достоверных результатов по свойствам сварных соединений является выполнение контрольных проб на всех стадиях изготовления и термообработки на котельном заводе в условиях, полностью идентичных реальному изделию. В исключительных случаях может быть предусмотрена вырезка контрольных проб непосредственно из изделия.

Некоторые особенности сварки котельного оборудования

Значительную долю среди всего производимого котельного оборудования занимают различные емкости, сосуды, резервуары и баллоны для воды и пара, которые эксплуатируются при самых различных температурах. В целом, изделия типа сосудов или емкостей составляют более половины промышленной продукции, изготовляемой с применением электрошлаковой сварки. Они, как правило, представляют собой тела вращения, состоящие из цилиндров, конусов, частей сферы и тороида. Это барабаны паровых котлов, пароперегреватели и другие сосуды тепловых электростанций, сепараторы пара, многочисленные и разнообразные сосуды химической и нефтехимической аппаратуры и многие другие изделия. К ним можно отнести также цилиндры гидравлических прессов и корпусы стальных энергетических реакторов. Элементами емкостей могут быть поковки, отливки, но чаще всего свальцованные или отштампованные из листового проката круговые детали.

При конструировании изделий из проката существует два направления: 1) листы загибаются обычно в штампе так, чтобы образующая совпадала с длинной стороной листа; эти части сваривают продольными швами в цилиндрическую обечайку; полученные обечайки сваривают, при необходимости, между собой или с другими элементами кольцевыми швами; 2) листы загибают (обычно вальцуют) в короткие обечайки с одним или двумя продольными швами и затем сваривают между собой кольцевыми швами. В первом варианте преобладают прямолинейные швы, а во втором - кольцевые.

Выбор того или иного варианта практически зависит от наличия оборудования - вальцов или штамповочного пресса и от соотношения размеров листа и диаметра обечайки. Однако, если имеется возможность, то следует предпочесть второй вариант. Он имеет следующие преимущества: сборочные операции обходятся дешевле, их выполняют в более безопасных условиях и механизация сборки проще; легче осуществить компенсацию сварочных деформаций, в результате форма и размеры изделия могут быть выдержаны с большей точностью; сварку выполняют на сравнительно небольшой высоте в более удобных условиях; обслуживание внутренних формирующих устройств намного удобнее; возможна сборка без закрепляющих устройств. Это помимо значительной экономии на изготовлении, приварке и удалении закреплений ликвидирует очень опасный источник дефектов - трещины в местах приварки закреплений.

Недостатки второго варианта:

1) стоимость установок для сварки кольцевых швов выше, чем прямолинейных. Если есть возможность при производстве сосудов обойтись без сварки кольцевых швов, то это обеспечит значительную экономию капитальных затрат. В действительности всякое производство сосудов требует наличия установок обоих типов. Кольцевые установки при обоих вариантах практически одинаковы, тогда как установки для продольных швов в первом варианте намного сложнее и дороже;

2) техника сварки кольцевых швов несколько сложнее, чем прямолинейных. Прямолинейные швы допускают большее смещение кромок, чем кольцевые. Дополнительное усложнение вносит необходимость замыкания кольцевого шва. Однако возможность сварки прямолинейных швов с большими смещениями остается, как правило, неиспользованной, так как такие большие смещения не допускаются конструкцией. Смещения, допустимые по условиям работы конструкции, обычно не превышают 5 мм. Они успешно преодолеваются современными системами ползун - подвеска.

Что касается сложностей замыкания, то они сказываются не столько на эксплуатации, сколько на конструкции аппаратуры. Современные установки успешно справляются с ними, независимо от кольцевых стыков в изделии.

Несмотря на явные преимущества второго варианта, изготовление сосудов по первому варианту применяется в такой важной отрасли, как производство котлов высоких и сверхвысоких параметров для тепловых электростанций. Это объясняется тем, что технология производства котлов создавалась в то время, когда техника сварки кольцевых швов была на недостаточно высоком уровне.

Изготовление сосудов по первому варианту включает в себя следующие основные операции: горячая штамповка двух корыт длиной, равной длине цилиндрической части сосуда, и параметрами, равными половине параметра сосуда за вычетом расчетных зазоров и с припуском на механическую обработку; обработка кромок под продольные швы; сборки корыт в обечайку и приварка закрепляющих скоб (эти операции выполняют в горизонтальном положении); перевод обечаек в вертикальное положение и установка на сварочный стенд; электрошлаковая сварка продольных швов; удаление закрепляющих скоб и заварка дефектов в местах приварки; удаление входных и выходных технологических планок; горячая калибровка обечайки (нагрев под калибровку и охлаждение после нее служит одновременно для нормализации изделия); обработка торцов обечайки; сборка обечайки с днищами и приварка закрепляющих скоб (операция производится на отдельном сварочном стенде); укладка обечайки с днищами на роликовый стенд установки электрошлаковой сварки кольцевых швов; электрошлаковая сварка кольцевых швов; удаление закрепляющих скоб; термообработка сосуда.

При изготовлении сосудов по второму варианту выполняют следующие операции: вальцовку коротких обечаек; сборку замыкающего стыка в сборочно-сварочной установке (закрепление производится только по торцам обечайки); электрошлаковую сварку продольного стыка; горячую калибровку одновременно с нормализацией; обработку торцов обечайки; сборку и электрошлаковую сварку обечаек между собой и с днищами в сборочно-сварочной установке; термообработку сосуда.

Кроме этих операций при больших размерах сосуда добавляется укрупнение листов в карты.

Во втором варианте технологии выгоднее не сваривать карты, а сваривать по два продольных шва одновременно. В этом случае число продольных стыков должно быть четным. При такой технологии легче обеспечить точность периметра обечайки.

Технология сборки и сварки обечаек между собой во многом зависит от типа имеющихся в наличии установок. Разумеется, при проектировании установки исходят из определенной технологии, но если установка изготовлена - она начинает диктовать технологию. Наиболее рациональной будет технология, не требующая приварки закрепляющих устройств в местах, не подвергающихся переплавке.

Удобно выполнять сборку корпуса сосуда наращиванием, когда каждую отдельную обечайку собирают с готовой частью сосуда и затемприваривают. Если установка позволяет механизировать сборку, то можно избежать закрепляющих устройств и начинать сварку сразу после взаимной выверки свариваемых частей. Карман для начала сварки приваривают еще до сборки. Это не влияет на качество изделия, так как кромки проваривают на глубину, значительно большую, чем глубина залегания возможных дефектов от прихватки кармана.

При сборке предусматривают переменный зазор, чтобы после сварки и остывания ось привариваемой обечайки совпала с осью готовой части. Общих рекомендаций по выбору величины сборочных зазоров для кольцевых швов нет. Их определяют из замеров взаимного перемещения частей при сварке натурного образца или первого стыка, который должен быть сварен в условиях сварки последующих стыков. При правильно выбранных зазорах отклонения оси на каждой обечайке не превышают 0,001. Для частичной компенсации погрешностей начала стыков следует располагать под углом 180° к началам соседних стыков. Чтобы отклонения не накоплялись, необходимо после каждых двух-трех стыков проверить прямолинейность оси и в случае недостатка компенсировать отклонения изменением сборочного зазора.

При такой технологии точность готового сосуда намного выше, чем при сборке нескольких стыков сразу. Если поверхность обечаек полностью или вблизи стыков обрабатывают, то сборка сводится к взаимному перемещению собираемых частей. Такие стыки могут быть собраны практически без смещений.

При сборке вальцованных необработанных обечаек устранить смещения можно только за счет деформации обечаек, осуществляемой с помощью клиньев с двойными шайбами. Они создают значительные усилия, противодействующие взаимному перемещению частей при сварке. Это увеличивает погрешность отклонения оси и требует контроля и компенсации отклонений после каждого стыка.

После сборки клинья можно заменять закрепляющим устройством в виде проставок сухарей, вводимых в зазор и привариваемых к кромкам. При сварке их срезают по окружности за 1-1,2 м до места сварки. На качество изделия они не влияют, так как места их приварки полностью перевариваются.

Существуют гидравлические сборочные устройства. Они требуют обязательного закрепления, создают накопление смещений с одной стороны стыка и в настоящее время применяются только на отдельных сборочных местах.

Наиболее трудная задача производства сосудов, как и других крупных изделий, выполнение требований к термообработке. Высокое качество сварных швов и всего изделия для большинства сталей обеспечивается высокотемпературной обработкой (закалкой, нормализацией, иногда - отжигом). Однако эти операции дороги и могут вызвать искажение формы изделий.

Основной показатель, ради которого приходится применять высокотемпературную обработку (в. т. о) - ударная вязкость. Хотя связь ее с истинной работоспособностью многих типов изделий подвергается сомнениям, требования к ней, особенно при низких температурах, продолжают оставаться обязательными. Швы электрошлаковой сварки и их околошовная зона дают в состоянии сварки средние значения а_н ниже, чем швы дуговой многослойной сварки, тогда как после в. т. о. эти показатели выше, чем после всех видов сварки плавлением.

Основной недостаток газового нагрева - загрязнение воздуха в цехах котельного завода. Создание достаточно эффективной местной вентиляций технически трудно и очень дорого. Проще применять чисто организационные меры: вести нагрев в третьей смене при двухсменной работе цеха. Для персонала, непосредственно обслуживающего устройства подогрева, создать нормальные санитарные условия сравнительно легко.

Другой недостаток газового нагрева - большой температурный перепад между наружными и внутренними слоями металла. Эта трудность быстро возрастает с толщиной металла. Применение двустороннего нагрева для закрытых сосудов большой толщины наталкивается на значительные технические трудности.

Газовый нагрев для в. т. о. применим только на предприятиях, располагающих природным газом. Другие виды газового топлива экономически невыгодны. Местную нормализацию кольцевых стыков сосудов с нагревом газовыми горелками успешно применяют для толщин до 90 мм.

Индукционный нагрев током высокой частоты (ТВЧ) возможен лишь для небольших толщин. Индукционный подогрев токами промышленной частоты (ТПЧ) под высокотемпературную обработку применяли пока только для прямолинейных стыков. Недостатки его по сравнению с газовым нагревом: высокая стоимость энергии, большая мощность, дорогое и громоздкое оборудование, особенно для компенсации реактивной мощности, сильная вибрация, требующая специальных мер защиты оборудования и персонала. Распределение температуры по толщине при ТПЧ несколько благоприятнее, чем при газовом нагреве, но тоже недостаточно, равномерно.

Экономические преимущества местной в. т. о. перед общей в. т. о. невелики. Хотя нагреву подвергается сравнительно небольшая масса металла, тепловые потери бывают весьма значительны из-за более слабой тепловой изоляции и большого тепло-отвода в массу основного металла. С другой стороны, для печного нагрева применяются более дешевые виды энергии. Основное препятствие для применения общей в. т. о. - опасность потериформы изделия при длительном нагреве до высоких температур. Качество готового изделия после общей в. т. о. выше, чем при местной и значительно выше, чем при отказе от в. т. о. Поэтому следует уделить больше внимания мерам предотвращения деформаций при общей в. т. о.

На некоторых котельных заводах для герметизируемых сосудов применяют нагрев с избыточным внутренним давлением. В сосуд загружают древесину, сосуд закрывают и нагревают под нормализацию. В результате сухой перегонки древесины внутри сосуда создается достаточное давление. Одновременно предотвращается образование на внутренней поверхности сосуда трудноотделимой окалины. Для изделий, не поддающихся герметизации, существует ряд решений с механическими устройствами, хорошо сохраняющими форму изделия при в. т. о.