ПРИЧИНЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ ИСПАРИТЕЛЕЙ КОТЛОВ-УТИЛИЗАТОРОВ ПГУ

CAUSES OF DAMAGE TO THE EVAPORATORS OF THE CCGT BOILERS

Karim Zharasuly

Master's student, Department of Heat & Power Units, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev,

Kazakhstan, Almaty

Nina Borisova

Supervisor, Cand. Sc. Physics and mathematics, docent, Department of Heat & Power Units, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены причины эрозионного износа металла гибов труб испарительных поверхностей нагрева котлов-утилизаторов ПГУ.

ABSTRACT

This article presents the causes of erosive wear of the metal of the pipe bends of the evaporative heating surfaces of the CCGT boilers.

Ключевые слова: испаритель, котел-утилизатор (КУ), эрозионно-коррозионный износ, водно-химический режим.

Keywords: evaporator, hear recovery steam generator (HRSG), erosion-corrosion wear, water-chemical regime.

Повреждения труб испарительных контуров низкого давления (ИНД) происходят из-за разрушения оксидной защитной плёнки вследствие интенсивной турбулизации пристенного слоя воды, протекающий в гибе, имеющей температуру насыщения, что вызывает возникновение кавитации из-за образования пузырьков пара и их конденсации [1].

Наибольшую устойчивость имеет защитная оксидная плёнка, формирующаяся при гидратном водно-химическом режиме (ВХР).

На рис. 1 приведена фотография участка гиба ИНД котла-утилизатора СЗТЭЦ, из которого видно, что повреждение имеет неравномерный характер по периметру выпуклой части трубы в виде двух сквозных разрушений. Повреждение вызвано утонением стенки вследствие образования каверн, соприкасающихся друг с другом и накладывающихся одна на другую. Диаметр каверн составляет 1–2 мм, они имеют вытянутую в направлении движения потока форму, кромки их сглажены со стороны набегающей среды [2].

Рисунок 1. Повреждение трубы гиба испарителя ИНД котла-утилизатора вертикального типа

В ряде работ утонение металла гибов труб ИНД объясняется высокоскоростной коррозией (FAC) и каплеударной эрозией. Интенсивность FAC зависит от скорости потока температуры воды, материала стенки, водно-химического режима, конструкции ИНД [2].

В месте утонения стенки, при наличии специфических каверн металла на внутренней поверхности трубы, следов химической коррозии и отложений при этом не отмечается (см. рис. 1). Это свидетельствует о том, что основной причиной разрушения металла трубы является механическое воздействие потока.

Известно, что при течении потока на стенке трубы возникают касательные напряжения, определяемые выражением:

где μ – динамическая вязкость среды;

 – градиент скорости потока по радиусу трубы.

Таким образом, следует, что значение касательного напряжения увеличивается с ростом скорости потока и его вязкости.

Воздействие касательных напряжений может вызвать разрушение защитной плёнки на поверхности металла при течении воды, что приводит к возникновению эрозионного утонения стенки трубы.

Особенностью ИНД котлов-утилизаторов является низкое рабочее давление, равное не более 8 кгс/см², что при прочих равных условиях, приводит к значительному увеличению скорости пароводяной смеси w_см в испарительных трубах, определяемой согласно формуле

где w₀ – скорость воды на входе в трубу при x = 0;

ρ ′, ρ ′′ – плотность воды и пара на линии насыщения соответственно.

На рис. 2 приведен график изменения значения w_см от давления, из которого видно, что

при w₀ = const скорость пароводяной смеси резко возрастает при давлении менее 8 кгс/см².

Рисунок 2. Зависимость скорости пароводяной смеси от давления p = 0,8 МПа; скорость циркуляции w₀ = 0,3 м/с

Эрозионный износ металла вызван разрушением оксидной плёнки под воздействием капель воды, которые при изменении направления движения потока в гибе по инерции ударяются о стенку трубы.

Предлагается формула для оценки скорости эрозионного износа металла

где E – скорость износа;

v – скорость потока;

v₀ – критическая скорость потока, менее которой отсутствует эрозионный износ;

a₁ и n – экспериментальные константы, характеризующие влияние материала и ВХР на прочность оксидной плёнки.

Для более полного представления влияния гидродинамики потока пароводяной смеси на эрозионный износ металла трубы следует рассмотреть характер движения двухфазной смеси [3].

В горизонтально расположенной трубе, при течении двухфазного потока, с высокими скоростях смеси wсм, под воздействием инерционных и гравитационных сил происходит расслоение фаз потока. При этом в центре трубы движется поток смеси газа, насыщенного каплями жидкости, а вода в виде плёнки движется по стенке трубы. Возникает так называемый кольцевой режим течения.

Толщина жидкой плёнки на нижней половине трубы значительно больше, чем на верхней. Наличие неравномерной толщины плёнки по периметру трубы вызывает возникновение вторичных течений в поперечном сечении трубы, что иллюстрируется на рис. 3 [4].

Рисунок 3. Схема вихревого движения потока пароводяной смеси в зависимости от давления

Значение динамического напора потока в некоторой степени соответствует изменению скорости потока, максимум которой отмечается в верхней части трубы на расстоянии Y/d › 0,7 от нижней образующей. В нижней половине трубы также имеет место наличие максимума динамического напора на расстоянии Y/d = 0,l, свидетельствующее о наличии плёнки воды толщиной 3 мм.

При повороте потока в трубе, под воздействием центробежных сил, происходит отброс плёнки воды в сторону выпуклости гиба в результате чего возникают два симметричных вихря с максимумом скорости (рис. 3), несколько смещённых от нейтральной оси трубы.

Этим объясняется наличие максимального утонения труб со смещением повреждений от симметрии оси гиба трубы, что иллюстрируется на рис. 3.

Под воздействием центробежных и гравитационных сил происходит интенсивная турбулизация водяной пристенной плёнки с максимумом интенсивности её развития (см. рис. 3).

При турбулизации потока в пристенной плёнке воды с температурой насыщения происходит образование пузырьков (вскипание) пара и их схлопывание, что вызывает кавитационный износ металла. При этом виде износа прочностные свойства материала трубы, по-видимому, не оказывают решающего значения.

Отсутствие эрозионных повреждений металла на внутренней стороне гиба обусловлено значительно меньшей турбулизацией пристенной плёнки воды вследствие уменьшения её толщины примерно в 10 раз под воздействием инерционных сил.

Имеется точка зрения, что утонение стенки труб ИНД происходит из-за каплеударной эрозии металла. Подобная проблема возникает в проточной части паровых турбин. Исследования показывают, что каплеударная эрозия вызывает износ металла под воздействием капель воды для углеродистой стали при скоростях от 70 до 120 м/с [4].

Подобные скорости потока много выше, чем в испарительных трубах ИНД. Кроме того, данные значения скоростей получены при воздействии потока на «сухой» металл, а на поверхности испарительной трубы ИНД имеется водяная плёнка, обеспечивающая недоступность прямого ударного воздействия капель воды на стенку трубы.

Как уже указывалось, интенсивность турбулизации потока двухфазной смеси определяется соотношением сил инерции и гравитации, т. е. зависит от скорости и геометрических данных гиба.

Выводы

Таким образом основной причиной повреждений внутренней выпуклой поверхности гибов труб ИНД является эрозионный износ металла вследствие турбулизации потока пароводяной смеси, вызывающей образование паровых пузырьков в пристенной плёнке воды, имеющей температуру насыщения, и их конденсацию, что приводит к кавитационному разрушению оксидной защитной плёнки и износу металла. Подтверждением данного механизма повреждений служит отсутствие эрозионного износа металла на вогнутых и прямых участках труб, а также отсутствие подобных явлений в контурах ИСД и ИВД котлов-утилизаторов. Интенсивность эрозионного износа металла гибов определяется, главным образом, скоростью пароводяной смеси потока, при значении которой менее 10–12 м/с на эрозионный процесс практически не оказывает влияния водно-химический режим и материал трубы.

Список литературы:

1. Михайлов А.В. «Исследование эрозионно-коррозионной стойкости элементов пароводяного тракта котлов-утилизаторов парогазовых установок и разработка методов ее повышения» – Москва, 2010 – 162 с.
2. Проблемы эксплуатации котлов-утилизаторов парогазовых установок. Международная научно-техническая конференция, 26–27 апреля 2018 г. //cб. докл. / под общ. ред. докторов техн. наук А.Н. Тугова и Ю.А. Радина. − М.: ОАО «ВТИ», 2018 − 180 с.
3. Никитин, В.И. Повреждения парообразующих труб контура низкого давления барабанного котла-утилизатора ПГУ-450 Северо-Западной ТЭЦ [Текст] / В.И. Никитин, И.И. Беляков, В.И. Бреус // Теплоэнергетика. – 2009. – No 2.
4. Беляков, И.И. Причины эрозионного износа металла внутренней поверхности труб теплообменного оборудования [Текст] / И.И. Беляков, В.И. Бреус, А.Б. Баранников, М.С. Попов // Энергетик. – 2026/ – No 8.