Предотвращение коррозионно-усталостных повреждений внутренней по-верхности барабанов и коллекторов котлов высокого давления путем ка-тодной поляризации металла внешним током стороннего источника

Предотвращение коррозионно-усталостных повреждений внутренней по-верхности барабанов и коллекторов котлов высокого давления путем ка-тодной поляризации металла внешним током стороннего источника

12 октября 2015
Грановский О.Г., начальник ЦНТО, эксперт
ОАО «Инженерный центр энергетики Урала» – предприятие «УралОРГРЭС»

Фомин Е.А., эксперт
Дронов М.М., эксперт
Гончар С.П., эксперт
ООО «Безопасность в промышленности»

Исковских В.С., эксперт
Мышко Э.Т., эксперт
ООО «Диаформ»

Подавляющее большинство основного оборудования российских тепловых электростанций выработало проектные сроки, установленные заводами-изготовителями. Однако такое оборудование будет эксплуатироваться еще значительное время. В этой ситуации вопросы обеспечения надежности находящихся в эксплуатации котельных установок приобретают особую актуальность.

Барабан стационарного котла – элемент котла, предназначенный для сбора и раздачи рабочей среды, для отделения пара от воды, очистки пара, обеспечения запасов воды в котле. Коллектор стационарного котла – элемент котла, предназначенный для сбора или раздачи рабочей среды, объединяющий группу труб.

Барабаны и коллекторы, внутренняя поверхность которых контактирует с водной средой (питательная или котловая вода, пароводяная смесь, насыщенный пар), являются одними из наиболее опасных элементов паровых котлов. В процессе эксплуатации в них могут развиваться трещины того или иного происхождения. При бесконтрольном развитии трещины в барабанах могут достигнуть размеров, превышающих критические, и привести к полному разрушению барабана.

Коллекторы экранов и экономайзеров в процессе эксплуатации могут поражаться трещинами у трубных отверстий, аналогично повреждениям барабана, что обычно порождает проблемы в связи со сложностью их своевременного обнаружения.

Очагами развития трещин являются питтинги или язвы, зарождающиеся преимущественно у неметаллических включений, где металл является анодом относительно близлежащих участков. Примечательно, что изъяны (дефекты) поверхности, возникшие вследствие локального анодного растворения металла, являются очагами как коррозионно-усталостных трещин, так и трещин, развивающихся по механизму коррозионного растрескивания.

При бесконтрольном развитии трещины в барабанах могут достигнуть размеров, превышающих критические – если не для рабочей температуры, при которой критические размеры достаточно велики, то для комнатной – привести к полному разрушению барабана при гидроиспытании (что подтверждается зарубежной и отечественной практикой).

В 60-70 годы с целью выяснения причин и предупреждения повреждений барабанов котлов в.д. рядом отраслевых НИИ, наладочных и специализированных организаций и заводов-изготовителей был выполнен большой объем исследований, определяющих надежность работы барабанов: характеристики материала и качество изготовления, НДС в зоне трубных отверстий при различных эксплуатационных нагрузках, ВХР котлов, режимы пусков и остановов и т.п. В соответствии с результатами исследований толщина стенки вновь изготавливаемых барабанов для котлов с рабочим давлением 14 МПа с 1973 года была увеличена до 105, а затем до 115 мм, а внутренний диаметр (для барабанов котлов ТКЗ) уменьшен с 1800 до 1600 мм, для снижения действующих напряжений.

На заводах реализован комплекс мероприятий по повышению качества барабанов, охватывающий всю технологическую цепочку, начиная с выплавки стали. В отраслевую НД введен регулярный дефектоскопический контроль металла барабанов в зоне трубной решетки, регламентированы ремонтные процедуры в случае обнаружения трещин, скорректированы некоторые показатели ВХР и режима растопок и останова котлов.

Выполненные мероприятия снизили остроту ситуации, однако не решили ее полностью. На сегодня около половины эксплуатируемых барабанов изготовлены до 1973 года.

Металлографические и фрактографические исследования поврежденного металла барабанов высокого давления подтвердили, что трещины в них являются коррозионно-усталостными, причем коррозионное воздействие среды является, как правило, превалирующим фактором.

Катодная защита

Повреждения барабанов котлов носят коррозионно-усталостный характер. От усталости барабанов избавиться невозможно, это связано с особенностями эксплуатации, а избавиться от коррозионной составляющей можно.

В соответствии с положениями теории коррозии, уменьшить скорость коррозии можно следующими способами:

- подбором коррозионностойких материалов (неприменимо в данном случае);

- обработка среды с целью уменьшения ее агрессивности (применяется при химводоподготовке. Однако при одинаковых способах подготовки котловой воды агрессивность среды, находящейся в барабанах котла, различна и зависит от множества факторов: качества исходной воды, качества деаэрации и т.п.);

- изоляцией металла от агрессивной среды слоем более коррозионностойкого материала (неприменимо в данном случае);

- применением технических решений, исключающих возможность интенсивной коррозии, включая электрохимические методы (представляет интерес и рассмотрено в данном случае).

К электрохимическим методам борьбы с коррозией (анодная и катодная защита) относятся методы, в основе которых лежит принцип непосредственного воздействия на скорость протекания сопряженных катодных и анодных реакций. Метод катодной защиты основан на замедлении анодной реакции при смещении потенциала в отрицательную сторону. Фактически, при катодной защите металл становится более устойчивым благодаря достижению потенциала равновесия между металлом и ионами металла в растворе. Катодной защитой можно достичь полного прекращения тока в цепи локальных микроэлементов (коррозионных пар) на поверхности, т.е. коррозии металла.

При применении катодной защиты проектируют легко заменяемые детали конструкции, которые фактически «жертвуют» коррозии, в то время как срок службы защищаемой конструкции многократно повышается.

Катодная защита может осуществляться путем применения «внешних» источников постоянного тока (установок катодной защиты) и «внутренних» источников постоянного тока – т.н. «протекторов катодной защиты». В обоих случаях защищаемая конструкция подвергается катодной поляризации, что приводит к смещению ее потенциала в отрицательную сторону.

В установках катодной защиты используется «внешний» источник постоянного тока, положительный полюс которого с помощью соединительного кабеля контактирует с анодным устройством (заземлением), а отрицательный полюс присоединяется к защищаемой конструкции.

Расчет катодной защиты сводится к расчету распределения электрического поля, создаваемого гальванической системой: катод (защищаемая поверхность) – аноды (система протяженных или точечных вспомогательных электродов). Расчет следует производить, исходя из пределов величин защитного потенциала металлической поверхности – минимального и максимального критериев защиты. Величина этих критериев должна соответствовать условиям эксплуатации защищаемых конструкций и требованиям их надежности в течение нормативного срока службы.

Исходными данными для расчета катодной защиты являются форма и размеры защищаемой конструкции, удельная электропроводность воды γ (См/м). За количественный фактор, характеризующий состояние защищаемой поверхности, принимается величина удельной катодной поляризуемости металла b (Ом м2) в коррозионной среде.

Расчет параметров катодной защиты барабана

Для примера рассчитаем параметры катодной защиты барабана котла ТП-92 ст. № 3 Яйвинской ГРЭС. Расчет проведен согласно ВСН 39-84.

Исходные данные:

- расчетное давление в барабане 15,5 МПа;

- расчетная температура 350° С;

- сталь 16ГНМ;

- электропроводность котловой воды в чистом отсеке барабана 10 мкСм/см;

- диаметр барабана 1,8 м;

- длина чистого отсека 18,5 м;

- = 0,1 В,  = 2,2 В;

- удельная катодная поляризуемость металла b=1.

Рассмотрим вариант установки одного анода для защиты трубной решетки водоопускных труб.

Энергетически выгодно установить анод на высоте 120 мм от нижней образующей барабана.

Расположение электродов в барабане

Электропроводность котловой воды в чистом отсеке при температуре 350° С:

γ350= γ20+ γ20*0,02*(350-20),

γ350=0,001+0,001*0,02*330=0,0076 См/м

DUmin =. DUmax=

Из данного соотношения находим силу тока, необходимую для сдвига потенциала в самой дальней точке на 0,1 В:

что означает, что перезащиты не будет.

Для определения параметров источников питания катодной защиты следует рассчитать суммарный ток защиты Jзащ, А, напряжение на клеммах источника питания U, В, мощность Р, Вт.

Расчет суммарного тока защиты следует производить по формуле

Jзащ = J×l×N + Jу,

где J, А/м – ток, стекающий с одного метра анода; l, м – длина одного анода; N – количество анодов; Jу, А – ток утечки.

Напряжение следует рассчитывать по формуле

U = Jзащ(Rр.сум + Rкат + Rв.цепи),

где Rр.сум – суммарное сопротивление растеканию анодов; Rкат = b/S – сопротивление растеканию катода, т.е. защищаемой поверхности, площадь которой равна S, м2; Rв.цепи – сопротивление внешней цепи (подводящие кабели, контакты и т.п.).

Мощность источника питания следует рассчитывать по формуле

Р = U×Jзащ, Вт.

Jзащ = 0,283×18,5=5,24 А, током утечки можно пренебречь.

где l – длина анода, м; r – радиус анода, м; g – удельная электрическая проводимость среды, См/м.

В качестве анода используем прут платинированного титана диаметром 28 мм ввиду его низкого электрохимического эквивалента.

Rр.сум = 7,8 Ом,

Rкат и Rв.цепи можно пренебречь , т.к. Rкат и Rв.цепи << Rр.сум

U = 5,24×7,8 = 41 В,

P = 41×5,24 = 215 Вт.

Межремонтный период анодной системы и экономическая целесообразность катодной защиты в целом должны определяться сроком службы анодов (t), расчет которого следует производить по формуле

где mсум – масса анодной системы, кг; Э – электрохимический эквивалент материала, кг/А год; Jзащ – ток катодной защиты, обеспечиваемый данной анодной системой, A; g – коэффициент запаса, связанный с необходимостью сохранения механической прочности анодов в конце срока их службы.

Для неавтоматизированных систем защиты g=0,5, для автоматизированных g=1.

Так как барабан работает в переменных условиях, необходимо использовать автоматизированные установки, позволяющие поддерживать в фиксированной точке поверхности заданный защитный потенциал. Автоматизированная установка катодной защиты должна включать в себя источник постоянного тока, анодные системы, катод (защищаемая поверхность), соединительные линии (провода, кабели и т.п.), датчик контроля потенциала защищаемой конструкции (электрод сравнения) и систему автоматического регулирования тока защиты.
Расчеты показали, что катодная защита барабанов от коррозии может существовать и, вероятно, значительно снизит повреждаемость и увеличит срок службы. Большим плюсом данной защиты является ее долговечность. На сегодня аноды из титана, автоматизированные установки катодной защиты выпускаются промышленно. Стоимость такой установки и затраты на ее использование значительно ниже, чем затраты на ремонт барабанов.

Литература

1.     Балашов Ю.В. Обеспечение надежности необогреваемых элементов котлов ТЭС с водной рабочей средой. – Челябинск, 2003.

2.     Аплгейт А.М.. Катодная защита. – М.: Гос. н.-т. изд-во лит-ры по черной и цветной металлургии. – 1963.

3.     ВСН 39-84 Катодная защита от коррозии оборудования и металлических конструкций гидротехнических сооружений. – Л.: Мин-во энергетики и электрификации СССР. – 1985.

4.     РД 153-34.1-37.531-00 Типовой эксплуатационный регламент водно-химического режима барабанных котлов высокого давления. – М.: ОАО «Фирма ОРГРЭС». – 2000.

5.     МУ 34-70-114-85 Методические указания по применению кондуктометрического контроля для ведения водного режима электростанций. – М.: Мин-во энергетики и электрификации СССР. – 1986.

Специализированный журнал "Промышленность и безопасность" - www.pbperm..ru
Короткая ссылка на новость: https://a-economics.ru/~iq2BL