Котельное оборудование

Сварные котельные конструкции проектируют и изготовляют преимущественно в блочном исполнении с целью выполнения максимального объема сварочных работ на заводе.

Выбор метода сварки определяется типом узла, его габаритами, степенью ответственности и производительностью процесса. Так, при сварке основных продольных и кольцевых швов сосудов при толщине стенки до 30 мм наиболее перспективной является автоматическая сварка под флюсом. Если толщина обечаек превосходит 30 мм, то по условию производительности заслуживает предпочтение электрошлаковая сварка продольных швов, а при толщине свыше 90 мм она целесообразна и для кольцевых швов.

Для стыков трубопроводов целесообразно использовать автоматическую сварку под флюсом; при малых диаметрах и толщине труб (в экранных поверхностях) самым производительным методом является контактная стыковая сварка. В условиях монтажа труб поверхностей нагрева наиболее высокое качество обеспечивает аргоно-дуговая сварка стыков. При большой их толщине этот метод используют для сварки корневого сечения.

Основным типом сварных соединений котельных установок являются стыковые. Они обязательны для продольных и кольцевых швов обечаек сосудов, стыков труб и камер и приварки к ним днищ. При приварке штуцеров, плоских днищ и фланцев к обечайкам и камерам допускаются также угловые и тавровые соединения.

Стыковые швы должны иметь полное и гарантированное проплавление. При сварке сосудов этого достигают подваркой корня шва изнутри; если доступ к внутренней стороне шва отсутствует (в кольцевых стыках трубопроводов), то применяют сварку на подкладных кольцах, а для наиболее ответственных стыков из теплоустойчивых и жаропрочных сталей - сварку корневого слоя в защитных газах, гарантирующую полное проплавление с внутренней стороны трубы.

К расположению стыковых швов сосудов предъявляют ряд особых требований. Продольные швы обечаек, выполненные ручной дуговой сваркой должны смещаться один относительно другого на величину двукратной толщины более толстого листа, но не менее чем на 100 мм. Это требование следует выдерживать и для швов, выполненных электрошлаковой сваркой. На швы, выполненные автоматической сваркой под флюсом, оно не распространяется.

Не должно быть чрезмерной концентрации основных сварных швов. С этой целью расстояние между осями поперечных швов барабанов камер и труб должно быть не менее трехкратной толщины стенки свариваемых элементов, но не менее 100 мм.

Особое внимание при проектировании сварных узлов на котленьом производстве уделяют расположению сварных швов вне зоны действия значительных напряжений изгиба и принятию дополнительных мер по их снижению. Для этого в стыковых соединениях элементов с разной толщиной стенок должен быть обеспечен плавный переход от одного элемента к другому путем постепенного утонения стенки более толстого элемента под углом не более 15° и за счет плавного перехода сварного шва.

Привариваемые днища должны иметь гарантированную отбортовку, обеспечивающую вывод сварного стыка, из зоны действия значительных напряжений изгиба. Поперечные стыки трубопроводов на гнутых участках труб не допускаются; расстояние от начала гиба до шва на трубах поверхностей нагрева должно составлять не менее 100 мм, а на трубах с наружным диаметром >100 мм не менее наружного диаметра трубы, на трубопроводах - не менее 100 мм. Стыковые соединения располагают вне опор сосуда.

Надежность сварных стыков трубопроводов для котельного производства, изготовленных из жаростойких и жаропрочных сталей и работающих при высоких температурах в условиях ползучести, повышается при снятии усиления сварных швов и обработки их наружной поверхности до плавного сопряжения с основным металлом. Эту операцию рекомендуется вводить:

- в сварных стыках трубопроводов при толщине стенки труб из хромомолибденованадиевых сталей свыше 45 мм, а из высокохромистой и аустенитной стали свыше 20 мм;

- при расположении сварных стыков в зоне действия высоких напряжений изгиба (сварные соединения тройников, стыки в присоединениях корпусов и т. д.) при толщине стенки труб из хромомолибденованадиевых сталей свыше 20 мм.

В сосудах, работающих под давлением, применяют выпуклые днища (эллиптические или сферические) при отношении высоты выпуклой части днища к внутреннему диаметру не менее 0,25. Это условие обеспечивает плавную передачу усилия на обечайку в районе установки днищ. Для неответственных сосудов могут допускаться конические днища без отбортовки, центральный угол которых не должен быть более 45°. Днища сосудов высокого давления с толщиной стенки до 120 мм должны быть цельноштампованными, в сосудах низкого и среднего давления допускаются штампованные днища, сваренные из листов.

Для сосудов с внутренним диаметром менее 500 мм допускаются плоские днища, широко применяемые в камерах котлов. Предпочтительны днища сварные швы которых вынесены за пределы торцевой части, что обеспечивает снижение в них рабочих напряжений изгиба. Днища таких типов могут подвергаться контролю неразрушающими методами (просвечиванием или ультразвуковой дефектоскопией). Для устранения опасности перерезания волокон металла днища штампуют, а не вырезают из более толстого листа.

Непосредственную вварку плоского днища в обечайку можно допустить лишь в неответственных сварных соединениях, работающих при сравнительно умеренных температурах и изготовленных из низкоуглеродистой стали. Контроль качества этих соединений неразрушающими методами затруднителен.

В сосудах различного назначения, камерах котлов и трубопроводах присоединение сваркой или вальцовкой труб малого диаметра (поверхностей нагрева, перепускных труб, дренажных линий и т. д.) выполняют сваркой или вальцовкой.

Вальцовочные соединения труб поверхностей нагрева с барабанами и камерами правилами Горгостехнадзора допускаются при диаметре труб до 102 мм и рабочей температуре стенки не выше 400° С. В котлах малой производительности массового выпуска такие соединения применяют наряду со сварными. Для систем высокого давления они оказались ненадежными и поэтому практически полностью заменены на сварные.

В сварном исполнении трубы поверхностей нагрева присоединяют к камерам с помощью штуцеров и без штуцеров - приваркой. При бесштуцерной приварке заметно сокращается число сварных стыков, однако этот способ допускается лишь при соблюдении следующих требований:

- свободного доступа к сварных стыкам, обеспечивающего качественное выполнение сварки;

- выполнения при необходимости термообработки в печах, индукционным нагревом или другими методами, обеспечивающими надежность ее проведения и тщательный контроль равномерности нагрева;

- возможности надежного контроля качества сварных соединений.

Присоединение труб к сосудам с помощью штуцеров позволяет осуществлять сварку угловых швов в наиболее, удобных условиях, надежно контролировать швы и их термически обрабатывать в печах. В этом случае утолщение стенки штуцеров по сравнению с привариваемой трубой, обеспечивает большую надежность угловых соединений в условиях ползучести на трубах из теплоустойчивых и жаропрочных сталей.

В трубах из хромомолибденованадиевых и аустенитных сталей подкладное кольцо после сварки удаляют. Для этих типов соединений можно рекомендовать также выполнение корневого шва в среде защитных газов без подкладного кольца.

Наиболее технологичным по условиям выполнения сварки и благоприятным по условиям работы шва является соединение с высадкой стенки основной трубы. Его целесообразно использовать в тройниках и камерах высокого давления, работающих в наиболее тяжелых условиях. Контроль этого типа соединения неразрушающими методами на котельном производстве более надежен по сравнению с другими типами.

Штуцерное соединение с пропуском через стенку сосуда целесообразно применять при большом диаметре штуцера и необходимости усиления отверстия. Из-за высокой жесткости соединения сварка и контроль требуют особой тщательности. Это соединение применимо лишь при возможности доступа к внутренней поверхности с целью вырубки и подварки корня шва. Рекомендуется обработка наружной и внутренней поверхностей швов до плавного сопряжения с основным металлом.

Штуцерные соединения широко применяют на котельном производстве в сварных тройниках, получивших широкое применение в котельных установках и в основном заменивших литые тройники, оказавшиеся эксплуатационно-ненадежными. Подготовку кромок трубы штуцера выполняют на станке проточкой по цилиндрической поверхности, что обеспечивает высокое качество сварного соединения при отношении диаметра штуцера к диаметру основной трубы до значения 0,7. При необходимости получения равнопроходного тройника основную трубу берут большего диаметра, у нее обсаживают концы. Сварку производят на подкладном кольце, которое затем удаляют расточкой.

Недостатком этих тройников является трудность контроля неразрушающими методами. Поэтому получают распространение тройники с высаженной горловиной.

Одной из тенденций развития котлостроения является переход к котлам, работающим иод наддувом путем создания герметичных экранных поверхностей, состоящих из труб, сваренных одна с другой непрерывными швами через проставки. Изготовление таких газоплотных (мембранных) панелей возможно лишь с широким применением сварки; протяженность продольных сварных швов таких панелей для мощных котлов составляет десятки километров. В котельной практике получили распространение несколько вариантов изготовления панелей. Каждый из вариантов имеет свои области применения. Наиболее универсальным и дешевым является первый из них. При его использовании можно в наиболее широких пределах менять шаги труб, а производительность сварочных работ за счет использования двух головок та же, что и при одном среднем шве. Если панели изготовляют из труб хромомолибденованадиевых сталей, разупрочняемых при сварке (ф = 0,8), то стенку трубы приходится соответственно утолщать или проводить дополнительный расчет для оценки возможности сохранения толщины стенки бесшовной трубы, так как обычно температура в районе приварки плавников ниже, чем на лобовой поверхности трубы.

Вариант мембранных панелей с заплавленными перемычками может быть использован при относительно малой ширине последних (до 12 мм), поскольку при большей ширине не удается получить стабильное качество перемычки. Этот метод получил ограниченное применение и лишь для низкоуглеродистых труб из-за склонности наплавок к растрескиванию при сварке, резко возрастающем при их легировании.

Наиболее дорогим из-за высокой стоимости плавниковых труб является другой вариант. Он имеет, однако, преимущество перед другими способами при использовании в качестве материала труб хромомолибденованадиевых сталей, так как сварной шов вынесен за пределы трубы и не требует утолщения ее стенки. При трубах, сварные соединения которых равнопрочны основному металлу, использование плавниковых труб экономически нецелесообразно.

Изготовление панелей должно обязательно ориентироваться на автоматизированные методы сварки и использование специализированных стендов, в которых осуществляется постепенное наращивание панели. Возможна такая последовательность сварки труб в панель: 2-4-8-16-32 или 3-7-15-31. В первом случае одновременно сваривают две трубы между собой, а во втором - три. С точки зрения получения минимального коробления панели заслуживает предпочтение первый вариант. Полная сборка всей панели с помощью прихваток и далее сварка ее в собранном виде недопустима из-за трудности автоматизации сварочных процессов и значительных деформаций сварной панели.

Наиболее распространена автоматическая сварка панели под флюсом. При толщине стенки труб менее 3 мм возможно использование автоматической сварки в защитных газах. Для варианта сварки панелей целесообразно применение высокопроизводительной радиочастотной приварки плавников. Ручную дуговую сварку можно допускать лишь для кольцевых стыков труб и вварки различной гарнитуры (горелок, люков и т. д.).

Крупные сосуды для работы при очень высоких давлениях изготовлять со сплошной стенкой затруднительно и дорого в связи с большой стоимостью цельнокованых обечаек. Все большее применение для работы в таких условиях получают многослойные сосуды диаметром до 5 м при общей толщине стенки 200-400 мм. Днища и фланцы таких сосудов делают сплошными и приваривают стыковыми швами к проточенным торцам многослойной обечайки.

Имеются три основных метода получения обечаек многослойных сосудов на котельном производстве. По первому из них предварительно собирают и сваривают продольными швами обечайки разного диаметра с толщиной стенки 20-50 мм. После зачистки усиления швов и калибровки обечайки последовательно надевают одну на другую до получения требуемой суммарной толщины. Для осуществления необходимого натяга между слоями насаживаемая обечайка перед посадкой нагревается до 600° С, что обеспечивает соприкосновение до 95% сопрягаемой поверхности.

Второй способ состоит в том, что на внутреннюю обечайку - трубу толщиной 10-40 мм последовательно насаживают полуобечайки толщиной 5-8 мм, обтягивают с помощью гидравлических устройств и сваривают двумя продольными швами между собой. После зачистки швов последовательно надевают следующие полуобечайки до получения нужной толщины.

По третьему способу к центральной трубе толщиной 20-40 мм приваривают продольным швом конец стальной ленты, которую затем с помощью натяжного устройства навивают на трубу. После навивки наружный конец ленты приваривают к корпусу продольным швом.

Полученные обечайки длиной до 4 м протачивают по торцам для создания разделок под сварку и сваривают кольцевыми швами между собой и с цельноковаными концевыми частями.

Использование тонкостенных обечаек позволяет обеспечить оптимальные прочность и пластичность материала и надежно проконтролировать его качество. Многослойные сосуды в ряде случаев не подвергают отпуску, что дает возможность изготовлять нетранспортабельные сосуды по частям и затем сваривать в монтажных условиях. Испытания многослойных сосудов под внутренним давлением показало, что разрушение их всегда носит пластичный характер с значительным продольным раскрытием обечайки. Если требуется на внутренней поверхности сосуда коррозионностойкий слой, то центральную трубу изготовляют из аустенитной стали. Это резко упрощает технологию получения плакированных сосудов большой толщины и снижает стоимость наплавочных работ, оставляя наплавку только на днище и фланцах.

Расчет многослойных сосудов на котельном производстве можно производить по действующим нормам для сосудов со сплошной стенкой той же общей толщины. Коэффициенты прочности сварных соединений могут быть приняты теми же. Благоприятное распределение остаточных напряжений расчетом не учитывается.

В большинстве случаев штуцера в многослойных сосудах размещают в сплошных днищах. Вывод их на обечайку нежелателен, так как при этом нарушается основное условие работы многослойного сосуда - свободное перемещение отдельных обечаек для обеспечения их совместной работы. Поэтому штуцера на обечайке допускаются лишь как единичные. Это затрудняет использование многослойных сосудов в конструкциях с большим числом штуцеров, как например, в котельных барабанах.

При необходимости размещения единичных штуцеров на обечайке рекомендуется их пропускать через обечайку и обваривать по всей толщине. При большом числе штуцеров возможно размещение их на сплошном кольце, которое затем вваривают поперечными швами в многослойные обечайки. Возможным вариантом крепления штуцера на обечайке, подлежащим экспериментальной проверке, является приварка его лишь к внутренней трубе.