устройство для защиты внутренней поверхности барабанов паровых котлов от термических напряжений

Формула изобретения

Устройство для защиты внутренней поверхности барабанов и присоединительных штуцеров паровых котлов от термических напряжений, содержащее экран, включающий металлические пластины и втулки, вставленные в отверстия циркуляционной системы барабана, дистанционирующие пластины, установленные между экранами и стенками барабана и штуцеров, отличающееся тем, что втулки установлены с возможностью обеспечения заданного свободного зазора со стенками барабана и штуцера, при этом во втулках выполнено поочередно сверху вниз и снизу вверх по 4 - 6 щелей шириной 1 - 2 мм, не доходящих до конца втулки на половину толщины стенки барабана и расположенных под углом не менее 45^o к продольной оси барабана, экраны выполнены толщиной 2 - 4 мм и установлены от защищаемой поверхности барабана и штуцера на расстоянии 1 - 3 мм, а металлические пластины закрывают поверхность стенок барабана на расстояние 1 - 1,5 диаметра отверстия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к устройствам защиты барабанов паровых котлов от термических напряжений.

В настоящее время в РФ и странах СНГ большое количество барабанов паровых котлов приближаются к предельно разрешенному сроку службы, а в отдельных случаях и превзошли его. Замена всех барабанов, приближающихся к указанному сроку (500 - 750 шт.), стоит очень дорого. Поэтому целесообразнее провести внедрение мероприятий, направленных на продление срока их безаварийной работы. К таким мероприятиям относятся различные покрытия, позволяющие устранить или снизить температурные напряжения на внутренней поверхности стенок барабана, а следовательно, предупредить или снизить трещинообразование.

Известны различные устройства и методы защиты стенок барабанов паровых котлов от термических напряжений.

Одним из методов является плакирование стенок, применяемое на барабанах-парогенераторах АЭС, суть которого заключается в покрытии всей внутренней поверхности барабана листом, который прессуется к стенке барабана в условиях завода-изготовителя котла. Способ нашел широкое применение на барабанах-генераторах АЭС.

Недостатком указанного технического решения является невысокая эффективность защиты стенки по причине отсутствия зазора между плакирующим листом и стенкой барабана, что благоприятствует активной теплопередаче к стенке барабана.

Известно устройство защиты внутренних стенок барабана от термических напряжений с помощью свободнолежащей оболочки по поверхности стенок [1].

Недостатком указанной конструкции является скопление шламовых отложений в нефиксированном и непроточном зазоре между оболочкой и стенкой барабана, что приводит к подшламовой коррозии. Кроме того, такой метод представляет значительную сложность установки на котлах, находящихся в эксплуатации.

Известны барабаны паровых котлов, в которых паровые экраны выполнены по типу фальшбарабана с фиксированной паровой прослойкой между стенками основного и фальшбарабана (авт.свид. СССР N 205021, МПК F 22 B 37/22, 1967).

Недостатком указанного технического решения является невозможность обеспечения паровой прослойки из-за многочисленных неплотностей в сварных швах, а также сложность и высокая стоимость изготовления. Аналогичными недостатками обладает и конструкция барабана парового котла [2].

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для защиты внутренней поверхности барабана паровых котлов от коррозионно-термических повреждений, содержащее металлический экран, втулки, вставленные в расположенные рядами отверстия экрана, и трубной циркуляционной системы барабана, с уплотнительными кольцами и дистанционирующие пластины, при этом экран выполнен из отдельных листов, а втулки со свободным перемещением в радиальном направлении по отношению к оси барабана [3].

Недостатками указанного технического решения являются следующие:

- сложность замены и подгонки экранов;

- трудность установки заранее изготовленных втулок в условиях находящихся в эксплуатации котлов, т.к. большинство барабанов уже прошли ремонты, связанные с рассверловкой и заплавкой выбранных трещин на стенках отверстий, а нередко и заменой присоединительных штуцеров. При этом размеры отверстий у штуцеров изменяются и значительную сложность составляет индивидуальная подгонка экранов с учетом конкретных размеров каждого отверстия и штуцера.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, - упрощение технологии монтажа и демонтажа экранов при эксплуатации котлов, повышение надежности защиты стенок барабана и штуцеров от термических напряжений и устранение подшламовой коррозии.

Для решения поставленной задачи в известном устройстве для защиты внутренней поверхности барабанов паровых котлов от термических напряжений, содержащем экран, включающий металлические пластины и втулки, вставленные в отверстия циркуляционной системы барабана, дистанционирующие пластины, установленные между экраном и стенками барабана, и штуцеры; втулки установлены с возможностью обеспечения заданного свободного зазора со стенками барабана и штуцера, а во втулках выполнено поочередно сверху вниз и снизу вверх по 4-6 щелей шириной 1-2 мм, не доходящих до конца втулки на половину толщины стенки барабана и расположенных под углом не менее 45^o к продольной оси барабана, экраны выполнены толщиной 2-4 мм и установлены от защищаемой поверхности барабана на расстоянии 1-3 мм, а металлические пластины закрывают поверхности стенок барабана на расстояние 1-1,5 диаметра отверстия.

Выполнение во втулках щелей позволяет сделать их гибкими, что дает возможность неоднократного их использования в отверстиях и штуцерах, размеры которых изменяются при ремонтах барабанов. Ширина щели 1-1 мм обеспечивает необходимую гибкость и эластичность втулке и в то же время не является каналом существенного поступления рабочей среды к защищаемой поверхности.

В предлагаемом решении зазор между штуцером и втулкой не перекрыт уплотнительным кольцом, что значительно упрощает монтаж, а также позволяет избежать скопления шлама, а расход среды через зазор незначителен за счет минимального его размера.

Зазор между штуцером и втулкой 1-3 мм позволяет обеспечить минимальный поток для выноса шлама и в то же время при изменении температуры среды исключить резкие изменения температуры поверхности отверстия и штуцера.

Меньшая величина зазора снизит эффективность защиты стенки барабана от колебаний температуры среды за счет повышения эффективности теплообмена, а большая величина зазора снизит надежность циркуляции за счет перекрытия сечения трубы циркуляционной системы.

Закрытие стенок барабана на расстоянии 1-1,5 диаметра отверстия является достаточным для защиты зоны концентрации напряжений вокруг отверстия, в то же время облегчит конструкцию и снизит металлоемкость. При этом учитывается, что размеры зоны максимальной концентрации напряжений у отверстия согласно [1] ориентировочно ограничиваются углом 45^o от продольной оси барабана и расстоянием не более 1-1,5 диаметра отверстия от его кромки.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена часть барабана в поперечном разрезе с предлагаемым устройством, на фиг. 2 представлен поперечный разрез втулки со щелями, на фиг. 3 - горизонтальный разрез по А-А, на фиг. 4 - продольный разрез по Б-Б, на фиг. 5 - продольный разрез и разрез В-В, на фиг. 6 изображен график изменения температуры воды над и под экраном.

Устройство для защиты внутренней поверхности барабана 1 содержит образующие экран металлические листы 2 с отверстиями, в которые вставлены втулки 3 со щелями 4, часть которых размещается в присоединительных штуцерах 5. Между экраном 2, 3 и стенками барабана 1 выполнена точечная приварка 6, а между металлическими листами 2, втулкой 3 и стенками барабана 1, штуцера 5 установлены дистанционирующие устройства 7.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При резком изменении температуры рабочей среды, проходящей через втулку 3 в циркуляционной системе котла, экран 2, 3 зазор между экраном 2, 3 и стенкой барабана 1 и штуцера 5 не допускают аналогичного изменения температуры стенок барабана 1 и штуцера 5. A незначительное количество протекающей через зазор рабочей среды не оказывает существенного влияния на температурный режим стенок барабана и штуцера. Свободный проток рабочей среды через зазор обеспечивает отсутствие отложений шлама в пристенной области, а следовательно, исключается подшламовая коррозия, которая повреждает стенки барабана и штуцера.

Размеры экранов 1 - 1,5 диаметра отверстия обусловлены возможностью образования максимальных термических напряжений в этой зоне [4].

Реализуется предлагаемое устройство защиты стенок барабана от термических напряжений следующим образом.

Металлический лист 2 экрана толщиной 2 - 4 закрывает внутреннюю поверхность стенки барабана 1 на расстоянии 1 - 1,5 диаметра отверстия от его кромки. Размер защищаемого участка определяется зоной концентрации термических напряжений, которая составляет в барабане величину, близкую к диаметру отверстия (зона максимального трещинообразования). Защитный лист может быть выполнен в виде круга, грибка либо иной другой формы.

Втулка 3 закрывает внутреннюю поверхность отверстия и присоединительного штуцера 5. Между втулкой 3, стенкой барабана, отверстия и штуцера выполняется зазор 1 - 3 мм с помощью дистанционирующего устройства 7 (шайба, наплавка и т.д. заданной высоты). Во втулках 3 выполняется 4 - 6 щелей 4 размером 1 - 2 мм, которые прорезаются поочередно сверху вниз и снизу вверх по длине втулки, при этом щели прорезаются не до конца втулки, оставляя непрорезанной часть, равной половине толщины стенки барабана. Такой недорез до конца втулки обеспечивает ей оптимальную прочность и надежность при достаточной гибкости.

Металлический лист и втулка крепятся между собой с помощью точечной приварки. Предлагаемая конструкция делает втулку эластичной, обеспечивая возможность подгонки втулки под изменившиеся после ремонта размеры отверстия и штуцера.

Щели во втулке выполнены относительно оси барабана под углом не менее 45^o, это связано с тем, что зона максимальной концентрации термических напряжений находится на краю отверстия вдоль продольной оси и охватывает участок вокруг отверстия по окружности примерно 90^o. Предлагаемое расположение щелей определяется необходимостью исключить прямое попадание рабочей среды к стенке барабана через щель в зонах концентрации напряжений.

Заданные размеры толщины стенки экрана, зазора и ширины щелей выбраны по результатам расчетного анализа (теплообмен при резком изменении температуры среды, гидравлический расчет с оценкой расхода через зазор, оценка надежности циркуляции при частичном перекрытии сечения трубы и т.д.).

Предлагаемое техническое решение прошло опытную проверку на котле ТП-92 блока 150 МВт Яйвинской ГРЭС.

Испытания устройства показали, что резкие изменения температуры рабочей среды в отверстии и прилегающей зоне не оказывали разрушающего воздействия на стенки барабана и штуцера, так как там температура была в 5 - 10 раз ниже, т.е. снижалась до безопасной величины.

Результаты опытной проверки поясняются графиком (фиг. 5) изменения температуры воды над экраном и под ним, где кривая 1 - показывает изменение температуры над экраном, а кривая 2 - изменение температуры под экраном ( температура рабочей среды в зазоре между экраном, стенкой барабана и штуцером).

Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет:

- упростить технологию монтажа и демонтажа экранов за счет гибкости втулок;

- повышается надежность защиты стенок барабана и штуцеров за счет устранения подшламовой коррозии;

- повышается эффективность защиты стенок барабана и штуцера за счет оптимизации толщины экрана и зазора между экраном, стенками барабана и штуцера.

Источники информации

1. Авт. свид. СССР N 294966, МПК 23 B 37/22, 1971.

2. Авт. свид. СССР N 1124157, МПК F 22 B 37/22, 1984.

3. Авт. свид. СССР N 372407, МПК F 23 B 37/22, 1973 (прототип).

4. Вейлингер К. и Кригелау Е. Напряжение в котельных барабанах. - Журнал "VGB", рис.12, июнь 1964.