В процессе проведения диагностики барабана в рамках экспертизы промышленной безопасности с целью определения возможности, условий и срока дальнейшей безопасной эксплуатации парового котла НЗЛ — 40/35 ст. № 4 Барнаульской ТЭЦ-1 была установлена невозможность выполнения полного объема неразрушающего контроля в соответствии с типовой программой СО 153-34.17.469-2003 «Инструкция по продлению срока безопасной эксплуатации паровых котлов с рабочим давлением до 4 МПа включительно и водогрейных котлов с температурой выше 115°C».
Отсутствие в эксплуатационно-технической документации данных о месторасположении продольных сварных швов обечаек барабана и особенность их изготовления (сваркой водяным газом) не позволили установить их месторасположение химическим травлением и выполнить ультразвуковую дефектоскопию. И, соответственно, потребовалось проведение расчета на прочность с учетом полученных при диагностировании фактических размеров толщины стенки барабана и пониженного коэффициента прочности стыкового сварного соединения.
Котел НЗЛ — 40/35 ст. № 4 Барнаульской ТЭЦ-1 предназначен для выработки перегретого пара с параметрами P=3,4 МПа и Т=425°С. Тип котла — вертикально-водотрубный однобарабанный с естественной циркуляцией и камерной топкой, экранированной трубами. Котел имеет барабан, предназначенный для разделения пароводяной смеси, и сухопарник. Барабан (сухопарник) состоит из одной обечайки и соединенных с ней клепаными соединениями днищ, вальцовочные соединения труб частично заменены сварными. Обечайка барабана выполнена с двумя продольными сварными швами, сухопарник — с одним продольным сварным швом.
ЗАВОД-ИЗГОТОВИТЕЛЬ — «Невский Ленинградский завод им. Ленина» (основан как «Невский литейный и механический завод Семяникова и Полетики» в 1857 г.)
РАБОЧАЯ СРЕДА: пар, вода
РАСЧЕТНОЕ ДАВЛЕНИЕ: 3,2/3,4 МПа
РАСЧЕТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА: 425/410°С
ДАТА ИЗГОТОВЛЕНИЯ: котла — 1939 г., барабана — 1937 г.
ДАТА ВВОДА В ЭКСПЛУАТАЦИЮ: 1941 г.
ОБЩАЯ НАРАБОТКА КОТЛА: 293027 часов
По результатам анализа эксплуатационно-технической документации отклонений режимов работы котла от проектных после предыдущего обследования не отмечено. Рекомендации, указанные в предыдущем заключении экспертизы промышленной безопасности, выполнены в полном объеме. Исходя из сроков и объемов замен элементов котла, а также диагностики в рамках предыдущих обследований была составлена индивидуальная программа технического диагностирования котла на основании Приложения 5 СО 153-34.17.469-2003 «Инструкции по продлению срока безопасной эксплуатации паровых котлов с рабочим давлением до 4 МПа включительно и водогрейных котлов с температурой выше 115°C».
Техническое диагностирование элементов котла было выполнено в полном объеме, за исключением ультразвукового контроля не менее 30% общей длины продольных сварных соединений барабана, включая места пересечения швов на длине не менее 200 мм в каждую сторону от точек пересечения. Данные о месторасположении продольных сварных швов в эксплуатационно-технической документации отсутствовали, при проведении осмотра внутренней поверхности барабана визуально признаков сварных швов не обнаружено.
В остальном, по результатам проведенного технического диагностирования и внешнего осмотра барабана Ø1378×5992×45 мм, изготовленного из сименс-мартеновской стали σв44-53 кг/мм2 (что соответствует современной Ст3), состояние — удовлетворительное. Твердость металла обечаек и днищ — 121-128 НВ. Микроструктура основного металла на границы раздела «пар-вода» (был снят скол) смотрелась на микроскопе Метам ЛВ-32 при увеличениях 100х и 500х. Микроструктура феррито-перлитная, дефектов не обнаружено (см. фото 1). Величина зерна — 7 баллов по ГОСТ 5639.
Повреждений, влияющих на безопасную эксплуатацию барабана, нет. Предположив, что усиление сварного шва было удалено по какой-либо причине при изготовлении или в процессе эксплуатации, было принято решение выполнить макроструктурный анализ внутренней поверхности по периметру барабана при увеличении до 10× после химического травления 15% спиртовым раствором азотной кислоты. Структуры литого металла, характерной для формирования сварного шва, обнаружено не было.
При более внимательном анализе эксплуатационно-технической документации установлено, что при изготовлении барабана применялась технология сварки водяным газом.
Изготовление барабана котла является, пожалуй, наиболее сложным и ответственным процессом во всем котлостроении. Цилиндрическая часть (обечайка) барабана состоит из двух полуцилиндров, которые получаются при сгибании стальных листов большой толщины на мощных вальцах, которые нагревают их до высокой температуры. В настоящее время котлостроительные заводы освоили так называемую электрошлаковую сварку, при которой звено барабана устанавливается вертикально и сварочный аппарат медленно движется вдоль шва снизу вверх. Привычная для сварщиков электрическая дуга здесь отсутствует. Действие электрического тока заключается в нагревании слоя присадочного материала (шлака), покрывающего сварной шов. При этом выделяется большее количество тепла, чем при нагреве металла электрической дугой. Столь большой подвод тепла делает возможным создание в сварном шве широкой ванны жидкого металла, ограниченной с двух сторон свариваемыми кромками стальных листов, а с других двух сторон — медными пластинами, которые непрерывно охлаждаются проточной водой. Присадочная проволока подается особым автоматическим устройством и расплавляется под поверхностью жидкого шлака.
Движение вверх сварочного аппарата рассчитано так, чтобы из-под аппарата освобождался уже застывший металл. Сварочный аппарат лишь один раз перемещается вдоль шва.
Раньше для котлов на рабочее давление 3,2—3,4 МПа, выпуск которых был освоен в конце 20-х годов, применялись импортные барабаны: сначала кованые с закатанными днищами, а затем сварные с приклепанными штампованными днищами. Освоение производства сварных барабанов (сварка водяным газом) позволило сократить ввоз барабанов из-за границы, а затем и полностью отказаться от него. Нагрев кромок и прилегающего к ним металла осуществлялся пламенем многосопловых горелок с горючей смесью водяного газа (приблизительно 44% СО + 50% Н2, 3% N2, 3% СО2 при некотором количестве Н2О) с воздухом. В связи с этим сам способ получил название сварки водяным газом. Водяной газ характеризуется высокой теплотой сгорания и значительным пирометрическим эффектом. Одновременное присутствие в газовой атмосфере Н2, Н2О, СО, СО2 снижает концентрацию водорода в зоне контакта с металлом, что особенно важно при газопламенной сварке металла и при сварке в струе углекислого газа, так как даже относительно высокая влажность углекислого газа менее опасна, чем ничтожное содержание водяного пара в аргоне. Сварка выполнялась на специальных машинах последовательным выполнением шва от участка к участку с приложением давления ударами (проковкой молотковыми машинами).
Листы нужного размера вальцуют, подгибая кромки несколькими сильными ударами молота так, чтобы образовался напуск внахлестку, и направляют в дальнейшем на сварочную машину.
Сварочные машины состоят из двух газовоздушных горелок (а), наковальни (б), помещенной на конце стержня (в), соединенного на другом конце с поршнем, гидравлического пресса (д) и приводного молота (е), укрепленного на портале о/с из фасонного железа; обечайка (з) помещается на тележке (к) (рис. 2). Сварка производится также на станках с горизонтальным гидравлическим цилиндром, несущим ролик, скользящий по нагретой и свариваемой поверхности. В это же время другой, вертикальный гидравлический цилиндр своим штоком прижимает ролик к свариваемой поверхности, чем и уплотняет свариваемый шов. В горелки подводят водяной газ и воздух под давлением.
Швы, сваренные водяным газом, мало заметны на поверхности барабана и узнаются приближенно по наличию плоской закатанной полосы шириной 200-300 мм. Шов, сваренный в накладку при помощи водяного газа, по своим свойствам подходит ближе к основному металлу, чем при каком-либо другом способе сварки. Отсутствие в эксплуатационно-технической документации данных о месторасположении продольных сварных соединений обечаек барабана и особенности их изготовления (сваркой водяным газом) не позволили установить их месторасположение химическим травлением и выполнить ультразвуковую дефектоскопию. И, соответственно, потребовалось проведение расчета на прочность с учетом полученных при диагностировании фактических размеров толщины стенки барабана и пониженного коэффициента прочности стыкового сварного соединения.
Литература:
1. Техническая энциклопедия / под ред. Л. К. Мартенса. - М.: Словарное издательство ЭТС, 2005. - Т. 11.
2. Энергетическое машиностроение 1917-1967 / под ред. П. О. Сирого. - М.: Изд-во «Машиностроение», 1967.
3. Справочник для инженеров техников и студентов / под ред. В. К. Запорожец. - М. - Л.: ОНТИ НКТП, 1936. - Т. 2.
4. Лачинов Н. В. Ремонт котельных агрегатов. - М.: Госэнергоиздат, 1956.
5. Справочник энергетика промышленных предприятий / под ред. Ю. В. Петровского, Л. Н. Синельниковой. - Т. 3.
6. СО 153-34.17.469-2003 «Инструкция по продлению срока безопасной эксплуатации паровых котлов с рабочим давлением до 4 МПа включительно и водогрейных котлов с температурой выше 115°C»
