Авторы: М.С. Трещёва, В.А. Платонов, С.В. Панченко, Ю.Н. Тюрин, С.В. Дьяконов (ОАО «НОРЭ»).
Опубликовано в журнале Химическая техника №11/2015
Паровой котел-утилизатор предназначен для выработки насыщенного пара с давлением 4,4 МПа за счет охлаждения технологических газов, образующихся в камере сгорания серной печи в процессе сжигания расплавленной серы.
Испарительный барабан общей площадью поверхности нагрева 627 м2, выполнен из 434 дымогарных труб диаметром 63,5×4 мм из стали 15Мо3 (DI N 17175) и семи байпасных труб диаметром 168,3×6,3 мм из этой же стали 15Мо3. Байпасные трубы предназначены для компенсации колебаний расхода горячего газа через котел. Для поддержания температуры дымовых газов за котлом на выходе из байпасных труб установлен регулирующий клапан. Клапан приводится в действие при помощи вертикально расположенного приводного вала.
Испарительная поверхность заключена в обечайку наружным диаметром 2468×36 мм и длиной 8000 мм из стали 15NiCuMoNb5-6-4 (EN10028-2).
Трубы испарительной поверхности закреплены в передней и задней трубных досках толщиной 36 мм из стали 15NiCuMoNb5-6-4 (EN10028-2) при помощи сварки с предварительной подвальцовкой в размер отверстия в трубной доске.
Сварные швы выполнены аргонодуговой сваркой с использованием омедненного присадочного прутка марки OKTigrod 13.09. В котле применена одноступенчатая схема испарения.
При пуске котла произошла разгерметизация сварных швов вварки байпасных труб в трубные решетки котла из-за появления сквозных трещин в наплавленном металле (см. рисунок). Трещины были обнаружены как с «горячей», так и с «холодной» сторон испарительного барабана.
Спустя несколько месяцев эксплуатации в сварных швах вварки байпасных труб вновь были обнаружены кольцевые трещины.
Образование кольцевых трещин в сварных узлах вварки труб в трубную решетку происходит из-за значительных напряжений среза в указанных узлах. Значение расчетного напряжения зависит от площади сечения сварного шва, которая должна быть достаточной для сопротивления нагрузке от действия внутреннего давления, вызывающего деформацию трубной доски, и в наибольшей степени – от стесненности теплового удлинения нагретых теплообменных труб.
Температура металла элементов котла и, соответственно, значение напряжения от стесненности тепловой деформации теплообменных труб определяются в результате термодинамического расчета котлового агрегата.
Очевидно, что причиной выхода из строя сварных соединений могло стать отклонение тепловой нагрузки на котел от проектного значения. При увеличении теплового напора со стороны газа увеличивается тепловой поток через стенку трубы, который расходуется на парообразование. При достижении некоторой критической величины теплового потока происходит качественное изменение режима кипения: переход от пузырькового кипения к пленочному. Такое изменение режима носит резкий характер и крайне нежелательно. Режим пленочного кипения, при котором между металлом и жидкостью образуется паровая пленка, характеризуется значительно худшими условиями теплопередачи от нагретого металла к жидкости. В момент перехода происходит резкое увеличение температуры металла труб поверхности нагрева, увеличение стесненности тепловой деформации в неподвижных соединениях вварки байпасных труб в трубную решетку и, как следствие, разрыв сварных швов. Факторами, приводящими к кризису пузырькового кипения, принято считать плохую смачиваемость поверхности нагрева и большую тепловую нагрузку на стенку труб. При уменьшении теплового потока происходит обратный процесс: при переходе от пленочного кипения к пузырьковому (при втором кризисе кипения) резко увеличивается интенсивность теплообмена между металлом и водой, металл труб охлаждается.
Таким образом, при переходе через кризис кипения условия эксплуатации сварных соединений теплообменных труб значительно ухудшаются.
Для предотвращения повторных выходов из строя сварных швов вварки труб в трубные решетки был выполнен байпас горячего газа вокруг испарительного барабана, позволивший ограничить тепловую нагрузку и привести котел к проектному режиму работы.
