Аварии газовых котельных. Основные причины аварий паровых, водогрейных котлов, компрессоров, баллонов Причины разрушения и повреждения водогрейных котлов

Паровые и водогрейные котлы – устройства, имеющие топки для сжигания топлива и предназначенные для получения соответственно пара и горячей воды, используемой вне самих котлов; процесс нагревания идет при давлении выше атмосферного.

На ПМП для приготовления пара применяют паровые котлы, а для приготовления горячей воды – бойлеры и водогрейные котлы различных типов и конструкций.

Основными причинами взрывов паровых котлов является:

Упуск воды (резкое снижение уровня воды в котле).

Упуск воды в котле приводит:

а) перегрев котла в топочной части. Стенка котла нагревается выше критической температуры. При этом механические свойства металла изменяются, снижается его прочность, и под давлением пара стенки выдуваются, что может закончиться взрывом.

б) попадание воды на перегретые стенки котла. Для предупреждения возможности снижения воды ниже допустимого уровня котлы должны быть оснащены устройствами автоматического контроля верхнего и нижнего предельного уровня воды, автоматического прекращения подачи топлива к горелкам, двумя водоуказателями прямого действия и т.д.

2. Превышение допустимого давления в котле. Является нарушением заданного режима его работы, неисправность аппаратуры безопасности. Для предупреждения превышения допустимого давления котлы оснащаются манометрами и предохранительными клапанами.

Манометры проходят проверку в органах Госстандарта 1 раз в 1 год, а 1 раз в 6 месяцев контроль на предприятии контрольным манометром.

Образование накипи. Неудовлетворительный водный режим, т.е. нарушение качества и жесткости воды, питающий котел является причиной отложения шлама и накипи на внутр. стенки котла и наблюдается перегрев стенок котла.

Дефектность и неисправность основных конструктивных элементов котла, снижение их механической прочности в процессе эксплуатации, неисправность аппаратуры безопасности и измерительных приборов.

Взрыв газов топочной части котла. Причина: нарушение режимов работы тягодутьевых устройств или подачи топлива.

Для своевременного выявления возможных дефектов котлов, они подвергаются техническому освидетельствованию, которое проводят инспекторы Проматомнадзора в присутствии начальника котельной. Предусматривается внутренний осмотр 1 раз в 4 года и гидравлические испытания 1 раз в 8 лет, пробным давлением (1,25 – 1,5) Р раб.

Котлы, которые не подлежат регистрации в органах Проматомнадзора, освидетельствуются лицом, ответственным за эксплуатацию: внутренний осмотр 1 раз в 1-2 года после чистки и ремонта, гидравлические испытания 1 раз в 6 лет.

Обслуживание паровых котлов может быть поручено лицам не моложе 18 лет, прошедшим медицинское освидетельствование, обученным по соответствующей программе и имеющих удостоверение квалификационной комиссии на право обслуживания котлов. Эти лица проходят повторную проверку:

При переводе котла на другое топливо;

Периодическую, 1 раз в 12 месяцев;

При переходе на другое предприятие.

44 Причины взрывов баллонов и их предупреждение

На пищевых предприятиях применяются разнообразные, предназначенные для хранения, перевозки и использования сжатых (N 2 ,О 2 ,воздуха, сероводорода), сжиженных (NH 3 ,SO 2 ,CO 2 , холодильные агенты) и растворенных (ацетилен) газами, давление в которых составляет 30-150 атм. На предприятиях ПМП используются стальные баллоны для ацетилена, кислорода, углекислоты, аммиака, горючих газов, окрашенных в зависимости от находящихся в них газов в определенный цвет.

Причины взрывов баллонов могут быть общими для всех баллонов, а также специфические для отдельных из них:

К общим причинам относятся:

1.Наличие микротрещин и коррозии, которые снижают прочность баллонов.

2.Удары или падение баллонов, особенно при высоких или низких температурах, т.к. в первом случае резко возрастает давление в баллоне за счет нагревания содержащегося в нем газа, а во втором–возникает хрупкость металла.

Взрывы баллонов от ударов,падений предупреждаются путем повышения их механической прочности за счет использования специальных материалов и способов изготовления,контроля качества изготовления, снабжения предохранительными колпаками и опорными башмаками,соблюдением правил транспортирования и эксплуатации. Для изготовления баллонов применяют бесшовные трубы из углеродистой стали. А для баллонов низкого давления (до 3 МПа) допускается применение сварных баллонов.

3.Переполнение баллонов сжиженным газом без оставления свободного нормируемого объема около 10% всего объема баллона.

4.Влияние высоких температур. Под воздействием высоких температур, солнечных лучей происходит резкое увеличение давления в баллоне, например, при повышении температуры с 10 до 50 0 С в аммиачном баллоне давление возрастает с 6 атм до 600, происходит его разрушение, т.к. допустимое давление аммиачного баллона 100 атм. Поэтому расстояние от отопительных приборов не менее 1,0 м, от открытого огня – 5 м.

Давление в баллоне определяется по формуле: P= *(t 1 -t 2)

α- коэффициент теплового объемного расширения;

β- коэффициент объемного сжатия;

t 1 ,t 2 - начальная и конечная температура баллона, 0 С

5.Ошибочное заполнение баллона другим газом. Поэтому для предупреждения взрывов из-за неправильного или быстрого отбора газа баллоны снабжаются вентилем, через который происходит наполнение или удаление газа. Вентиль баллона защищает при помощи колпака. Вентили имеют разную резьбу: для инертных газов и кислорода вентили имеют правую, а горючие – левую резьбу, а для ацетона – хомут. Кроме того, баллоны маркируются, т.е. окрашиваются в разные цвета, снабжаются соответствующими надписями и полосами.

Н-р, азот: окраска баллона чёрная, надпись азот, цвет надписи жёлтый, цвет полосы коричневый; сернистый ангидрид: баллон чёрный, надпись сернистый, цвет надписи белый, цвет полосы жёлтый.

Быстрое накопление или отбор газа из баллонов, сопровождается резким нагревом газа. Так при быстром отборе СО 2 резко превращается в снег с температурой -79 0 С, что приводит к обморожениям. Поэтому отбор газа осуществляется при помощи редуктора (два манометра и предохранительный клапан).

6.Длительное хранение баллонов. Температура на складах баллонов < 35 0 С.

Специфические причины:

1.Попадание масла на вентиль кислородных баллонов, т.к. в результате окисления масла может произойти его воспламенение и взрыв.

2.Наличие ржавчины или окалины в неисправном баллоне, при движении которых могут возникнуть искры и накапливаться статическое электричество с последующим искрообразование, могущим вызвать взрыв кислорода в баллоне;

3.Быстрый отбор газа из баллона, что может вызвать искрообразование в струе О 2 .

4.Низкое качество пористой массы ацетиленовых баллонов, быстрый отбор газа из баллона, что может вызвать вынос ацетона. Ацетилен в обычных баллонах (без пористой массы) взрывается при давлении более 0,1 МПа. Поэтому для снижения его взрывоопасности применяются стальные баллоны, заполненные пористой массой (буковый уголь) пропитанной ацетоном, при давлении – 2 МПа.

Стандартные баллоны разделяются на 5 типов.

Забракованные баллоны отмечаются рифленым клеймом: крест в круге диаметром 12 мм. Такие баллоны отправляются в металлолом.

На верхней сферической части баллона имеется клеймо, на котором устанавливается:

Товарный знак завода-изготовителя;

Номер баллона;

Масса баллона, кг;

Вместимость, в л;

Дата изготовления (испытания);

Год следующего испытания;

Рабочее пробное давление.

Периодическое освидетельствование баллонов включает: осмотр поверхности, проверку массы, вместимость и гидравлические испытания. Гидравлические испытания проводятся пробным давлением, которое выдерживают в течение 5 мин (за исключением ацетиленовых баллонов, из-за взрывоопасности).

Надежность и безопасность котельных, как и долгосрочность их службы, закладываются не только особенностями конструкций, их составляющих, наличием систем безопасности, соблюдением регламентированных строительных норм и квалифицированно выполненным монтажом, но также грамотной эксплуатацией и своевременным сервисным обслуживанием.

Мнение, что котел, будучи сердцем системы отопления, при правильном изготовлении, монтаже и наладке может отработать положенный срок и без комплекса работ по поддержанию в исправном состоянии остальных систем, задействованных в котельной, несомненно, ошибочно. Квалифицированное обслуживание котельного оборудования в процессе эксплуатации - необходимое и обязательное условие его долгосрочной работы без аварий, устранение последствий которых потребует больших средств, чем своевременный сервис.

Обслуживание котельных подразумевает комплекс мероприятий по контролю и отладке сложного оборудования, работающего на стыке множества наук: термодинамики, газовой динамики, гидравлики, химической очистки воды, теории горения и др. Качественный сервис подразумевает взаимосвязь всех упомянутых процессов, понимание взаимодействия всех элементов, составляющих единое целое котельной. Именно поэтому весьма существенным фактором безаварийной эксплуатации является обеспечение грамотного обслуживания каждого функционального узла высококвалифицированным персоналом.

Причины аварий в теории и на практике

Аварийные ситуации могут возникать по разным причинам, однако основными из них являются:
• эксплуатация контрафактного и фальсифицированного котельного оборудования;
• некачественный монтаж или ремонт оборудования;
• некорректное проведение пусконаладочных работ;
• износ или плохое качество материала, из которого изготовлены отдельные узлы;
• неправильные действия обслуживающего персонала котельной.

Опыт работы «Бийского котельного завода» - ведущего предприятия в России по изготовлению котельного и котельно-вспомогательного оборудования для промышленной и коммунальной энергетики - показывает, что большая часть аварий котельного оборудования (80 %) происходит из-за неправильной эксплуатации. Неквалифицированный персонал котельных во многих случаях не в состоянии предупредить или быстро ликвидировать неполадки и аварии котельных агрегатов, что является основной их задачей как обслуживающего персонала. Вот лишь два случая, служащих примерами вышесказанного, без упоминания имен компаний, нарушивших инструкции по эксплуатации котельного обору,.дования.

Пример № 1
Котел ДКВр-20-13С, укомплектованный автоматикой на базе контроллера Vision-260, был введен в эксплуатацию в январе 2010 г. на территории республики Беларусь. В марте 2010 г. компания, эксплуатирующая котел, направила в адрес завода-изготовителя письмо, в котором сообщалось, что произошла авария данного поставленного оборудования. При розжиге котла деформировались трубы боковых экранов переднего топочного блока и заднего экрана, впоследствии произошел взрыв трубы левого бокового экрана.
Для разрешения сложившихся спорных вопросов и выявления причин аварии от производителя был направлен главный конструктор завода. По результатам проверки выявлено, что авария произошла по вине эксплуатирующей организации.
Непосредственная причина аварии состоит в том, что в период растопки котла был закрыт нижний вентиль, соединяющий уровнемерную колонку и барабан, также сливной вентиль из нижнего барабана был приоткрыт (или неполностью закрыт) в результате чего действительный уровень воды в котле оказался ниже нижней образующей верхнего барабана. При этом сигнал с уровнемерной колонки показывал нормальный уровень воды в котле, в результате чего автоматика безопасности не отработала упуск воды.

Пример № 2
В 2008 г. котельный завод поставил три водогрейных котла серии КВЕ-0,7-115ГМ одной из российских компаний.
В сентябре 2010 г. эксплуатирующая компания направила в адрес завода-изготовителя письмо, в котором было изложено, что при проведении обслуживания по подготовке к отопительному сезону на двух котлах прогорели левые стенки.
С целью более точного установления причины выхода из строя котлов КВЕ-0,7-115ГМ и получения конструкторских предложений от специалистов котельного завода, компанией «М» были также присланы фотографии вышедшего из строя оборудования.
По итогам более детального исследования прогара левых стенок котлов выявлено, что прогар произошел на одном и том же месте на всех котлах, а именно в районе первого поворота дымовых газов.
Причиной выхода из строя теплоизоляции послужило то, что прогоревшая часть является первым по ходу газов местом, где поток дымовых газов меняет направление и, соответственно, при наличии в потоке несгоревших в топке частиц топлива происходит их осаждение с последующим догоранием, что приводит разрушению теплоизоляции. Наличие в потоке дымовых газов несгоревших частиц свидетельствует о неполном сжигании топлива.
Основные причины аварии: некорректное проведение пусконаладочных работ и неверно выбранный номинальный режим, повлекшие за собой прогар стенок котла (длина факела превышала длину топки) и неполное сжигание топлива.

Ошибки - последствия - устранение

Наиболее распространенные ошибки при эксплуатации котлов связаны с нарушением системы водоподготовки, понижением уровня воды, загрязнением котловой воды, нарушением технологии продувки, несоблюдением технологии разогрева, взрывом топлива и другими сбоями в работе. Ниже (табл.) приводится перечень самых распространенных ошибок эксплуатации котельного оборудования и рекомендации по устранению их последствий.

Табл. Ошибки при эксплуатации котельных установок, их последствия и рекомендации по устранению.

Несомненно, котельное оборудование нуждается не только в правильной эксплуатации, но и в постоянной профилактике, а часто и в ремонте. Для качественного обслуживания котельных необходим квалифицированный персонал, который вовремя сможет выявить неисправность и принять соответствующие меры.

Обслуживающий персонал котельной должен:
• знать взаимосвязь процессов, протекающих внутри систем, образующих котельную;
• выполнять служебные инструкции и «производственные инструкции по обслуживанию оборудования котельной», другие служебные инструкции;
• осуществлять постоянный контроль работы всего оборудования котельной и проводить своевременное устранение неисправностей;
• вести технический учет, предоставлять отчетность и планы работ;

Заключение

Котельная - это сложная система, требующая к себе пристального внимания и ухода. Для того, чтобы котельное оборудование отработало свой срок службы без аварийных ситуаций, эксплуатирующим организациям необходимо уделять особое внимание подготовке и обучению персонала в процессе работы при обслуживании котельных, который бы четко придерживался технических рекомендаций заводов-производителей котельного оборудования

Агрессивность котловой воды определяется наличием в ней растворенной едкой щелочи и кремнекислоты, являющейся катализатором процесса межкристаллитной коррозии. За счет выпара воды в неплотностях соединений откладываются щелочи, значительно увеличивающие концентрацию щелочи. На рис. 11 показан шлиф заклепочного соединения. Черные пятна представляют собой места интенсивного ржавления поверхности шлифа под действием отложившихся в зазорах солей.

Появление хрупких разрушений начинается с образования мелких невидимых волосных трещин, постепенно увеличивающихся в длину и углубляющихся по толщине листа. Трещины обычно появляются на соприкасающихся поверхностях металла и даже при значительном развитии могут не доходить до поверхности листа, что затрудняет своевременное выявление начавшегося процесса разрушения. При отсутствии у персонала навыков выявления процесса по внешним признакам межкристаллитная коррозия может привести к полному разрушению накладок (рис. 12) и обечаек барабана и вызвать тяжелую аварию котла.

Внешними признаками процесса образования хрупких разрушений являются пропаривания у кромок листов заклепочных соединений, в вальцовочных соединениях, у основания приклепанных штуцеров и воротниковых фланцев; появление солевых грибков в этих же местах и у наружных головок заклепок; отскакивание головок заклепок при их обстукивании молотком (известны случаи отскакивания головок заклепок и без обстукивания).

При появлении внешних признаков хрупких разрушений тщательно исследуют подозрительные места барабанов. Из вынутых заклепок делают шлифы. Заклепочные и трубные отверстия, а также поверхность металла возле отверстий зашлифовывают и после травления реактивами рассматривают в лупу. В необходимых случаях выявляют трещины ультразвуковым способом; для уточнения вынимают ряд заклепок и проверяют их магнитной порошковой дефектоскопией. Для выявления степени разрушений снимают часть накладки заклепочного шва, удаляют развальцованные концы труб, разбирают соединения труб, штуцеров и воротниковых фланцев с барабаном.

Наиболее эффективной мерой борьбы с появлением трещин является выполнение барабанов без заклепочных и вальцовочных соединений. Для предупреждения образования механических перенапряжений металла обеспечивают свободу расширения трубных систем котла и достаточную самокомпенсацию труб, закрепленных между барабаном и неподвижными камерами. Компенсационные зазоры нижних барабанов и труб в обмуровке при ремонте котлов очищают от золы, шлака и кусков кирпича.

Исключают причины, вызывающие прогибы барабанов. От местного обогрева газами барабаны водотрубных котлов надежно защищают обмуровкой и торкретом.

Питательная вода должна равномерно поступать в барабан по всей его длине и хорошо перемешиваться с котловой водой. При растопке котла равномерность температуры воды должна обеспечиваться паровым прогревом и усиленной продувкой нижних барабанов и камер. Заполнение холодного котла горячей водой и усиленная подпитка котла холодной водой для ускорения расхолаживания не допускаются. При горячем резерве котлы надежно отключают от паропровода.

Во время ремонтов все неплотности заклепочных и вальцовочных соединений устраняют. Нельзя оставлять даже самых малых пропариваний. Недопустима перевальцовка труб, приводящая к развальцовочной усталости металла трубных досок. Вводы в барабан паровых и водяных трубопроводов с температурой среды, отличающейся от температуры котловой воды, выполняют с рубашками.

Описанные мероприятия снижают механические и термические напряжения, однако они не всегда достаточны. В некоторых случаях требуется создать специальный режим котловой воды, снижающий ее агрессивность.

Выявленные хрупкие разрушения устраняют, заменяя отдельные вальцовочные соединения, части накладок, поврежденные заклепки, штуцеры и фланцы. Наиболее радикальным методом ремонта поврежденных заклепочных швов, а часто и единственно возможным, является замена заклепочных соединений барабанов сварными. При значительных повреждениях барабаны заменяют.

Рис. 12. Разрушение накладки барабана при межкристаллитной коррозии

Разрывы труб поверхностей нагрева являются основной причиной аварийных остановов и отказов котлов. Наиболее серьезные последствия с обязательным остановом котла наблюдаются при разрывах экранных труб.При появлении свищей и трещин в экономайзерах и пароперегревателях иногда допускается работа котла в течение некоторого времени, однако при этом усиливают контроль, особенно дефектных участков, и, как только предоставляется возможность, котел останавливают, чтобы избежать более серьезных повреждений. Разрывы экранных труб в барабанных котлах сопровождаются сильным шумом в топочной камере и газоходах, понижением уровня воды в барабане (несмотря на усиленное питание), ростом давления в топке и выбиванием из нее газов, снижением давления в барабане и др. При разрывах в других поверхностях нагрева вследствие меньших диаметров труб эти же признаки проявляются в меньшей степени: разрыв труб пароперегревателей не сказывается на изменении уровня воды.

Основными причинами разрывов труб поверхностей нагрева являются: превышение давления; нарушение температурных условий работы; коррозионно-эрозионные процессы, происходящие на наружной и внутренней поверхностях труб; неудовлетворительный водный режим котла; усталостные разрушения и повышенные напряжения (например, при защемлениях труб); низкое качество изготовления труб и применение несоответствующего материала; некачественные монтаж и ремонт (особенно плохая сварка); недостаточный технический надзор за состоянием труб.

Во избежание чрезмерного повышения давления на паропроводах свржего и вторично перегретого пара устанавливают предохранительные клапаны, исправность которых регулярно контролируют. Пуск котла при неисправных предохранительных клапанах запрещается. Нарушения температурных условий работы труб наблюдаются при повышении температуры сверх допустимых пределов или резких ее колебаниях, вызывающих появление усталостных трещин. Сопротивление металла действующим нагрузкам уменьшается при повышении температуры, которое может быть вызвано недостаточным расходом пара или воды через трубу, ростом температуры газа и тепловых потоков образованием значительных внутренних отложений из-за неустойчивой циркуляции среды по трубам.

Недостаточный расход охлаждающей среды может возникнуть из-за невнимательности машиниста, упуска воды из барабана, появления разрывов в трубах, неустойчивости или нарушения циркуляции, неисправности контрольно-измерительных приборов, связанных с питанием котла. Причиной повышения температуры газов может быть чрезмерный расход топлива, неудовлетворительный топочный режим, вызывающий общее затягивание горения, или неравномерность («перекосы» температур) газов по сечению топки и газоходов (неправильная загрузка горелок).

Внутренние отложения появляются при неудовлетворительных водном режиме и химподготовке, интенсивном протекании коррозионных процессов, недостаточной очистке пара. Увеличение содержания солей в котлах вызывается забросом влаги из барабана при повышении уровня воды сверх допустимого. Кроме точного соблюдения режима эксплуатации и топочного процесса, а также постоянного контроля показаний приборов для сокращения аварий из-за разрыва труб персоналу станции следует регулярно проводить водяные и кислотные промывки внутренних поверхностей труб.

Коррозионные процессы протекают как с внутренней стороны труб, так и со стороны движения газа. Внутренняя коррозия определяется наличием в воде или паре коррозионно-активных соединений (кислорода, водорода, углекислого газа, нитратов, нитритов и др.). Коррозия может протекать как при работающем, так и остановленном котле (стояночная коррозия). При работе оборудования в большинстве случаев внутренняя коррозия происходит из-за неудовлетворительной деаэрации питательной воды и низкого качества внутрикотловой обработки воды.

Стояночную коррозию, вызванную проникновением атмосферного воздуха в трубы при остановах оборудования, устраняют при консервации котлов, которую выполняют в соответствии с «Руководящими указаниями по консервации теплоэнергетического оборудования». Наружная коррозия труб в высокотемпературных котлах наиболее сильно проявляется при сжигании мазута и твердых топлив с повышенным содержанием серы (ванадиевая, сульфидная коррозия) и в поверхностях нагрева в зоне низких температур газов (низкотемпературная сернистая коррозия).

Водный режим котла в значительной степени определяет коррозионные процессы и образование внутренних отложений. Для снижения аварийности в соответствии с требованиями «Правил технической эксплуатации» следует: поддерживать общее солесодержание питательной воды и содержание соединений железа, меди, кремния, кислорода не выше допустимых пределов; правильно дозировать обрабатывающие материалы (гидразин, аммиак, фосфат и др.); выдерживать требуемый расход воды непрерывной продувки и своевременно выполнять периодическую продувку; проводить предпусковые промывки котлов. Повышенные напряжения и усталостные разрушения могут быть вызваны неправильным проектированием оборудования, а также заклиниванием (защемлением) труб, резкими сменами температур. При пусках, остановах и эксплуатации оборудования контролируют удлинение трубопроводов и состояние поверхности труб, выявляют поврежденные участки и своевременно заменяют их.

Аварии и отказы из-за низкого качества изготовления , монтажа и ремонта вызываются: браком металла; отсутствием входного контроля; браком заводских, монтажных или ремонтных сварных стыков; применением несоответствующих материалов; нарушени­ями технологии и объема работ.

Выявление причин разрывов труб позволяет определить пути их устранения и аварийные ситуации, при которых следует немедленно остановить котел (даже если повреждение не произошло), чтобы избежать серьезных последствий и выхода его из строя на значительный срок.

В соответствии с «Правилами технической эксплуатации» котел немедленно останавливается действием защит или персоналом при:

упуске воды;

недопустимом повышении или понижении ее уровня в барабане, либо выходе из строя всех водоуказательных приборов;

быстром снижении уровня воды, несмотря на усиленное питание;

выходе из строя всех расходомеров питательной воды (в прямоточном котле) или прекращении питания любого из его потоков более чем на 30 с;

прекращении действия питательных насосов;

недопустимом повышении давления в пароводяном тракте; прекращении действия более 50% предохранительных клапанов или заменяющих их устройств.

При разрыве труб пароводяного тракта , появлении трещин, выпучин, пропусков в сварных стыках и соединениях основных элементов (барабане, коллекторе, перепускных трубах и др.) котел следует немедленно остановить. В прямоточных котлах при резком снижении давления в тракте до встроенной задвижки может произойти вскипание воды, что приводит к неравномерной раздаче пароводяной смеси по отдельным трубам, вызывает пульсацию давлений и расхода в них, увеличение температуры. Поэтому при недопустимом превышении или понижении давления до встроенной задвижки котел должен быть остановлен.

Разрывы питательных трубопроводов и основных паропроводов наблюдаются значительно реже, чем разрывы труб поверхностей нагрева. Однако по своим разрушающим последствиям эти повреждения гораздо опаснее. Среди причин разрывов следует отметить:

превышение давления рабочей среды; коррозионные (внутренние) процессы;

эрозионный (внутренний) износ в местах установки регулирующей арматуры;

развитие усталостных трещин; появление повышенных напряжений при защемлениях трубопроводов или резкой смене температур;

низкое качество металла, сварных соединений или конструкций;

несоответствие материала труб.

Для предупреждения этих разрывов состояние трубопроводов регулярно проверяют в соответствии с «Инструкцией по наблюдению и контролю за металлом трубопроводов и котлов». В ходе проверок своевременно выбраковывают поврежденные участки трубопроводов и впоследствии заменяют их. Особенно тщательно осматривают трубы, которые проработали время, близкое к предельно допустимому. В случае разрыва участка трубопровода (или паропровода) паровой котел немедленно останавливают, отключая все подводы к аварийному участку и отводы от него. Признаками разрыва трубопроводов являются сильный шум и парение в помещении цеха, резкое падение давления "в магистрали, снижение расхода пара и воды (за участком разрыва, в трубопроводах питательной магистрали).

Повреждения арматуры вызываются превышением давления, развитием трещин усталостного и коррозионного характера, нарушением плотности сальниковых и фланцевых соединений, а также износом и разрушением уплотнительных поверхностей (колец, затворов и шпинделя). При разрыве или обнаружении трещин в арматуре трубопроводов больших диаметров (более 50 мм) котел следует немедленно остановить. При обнаружении небольших течей и парений котел также требует останова, однако по разрешению главного инженера может работать еще некоторое время.

Хлопки и взрывы в топках и газоходах происходят из-за скопления значительных количеств непрореагировавшего топлива при неналаженном топочном режиме, обрыве факела и повторном зажигании его без вентиляции, и особенно при подаче угольной пыли в ненагретую топку. Хлопки и взрывы могут происходить также при обрушении значительных глыб шлака в водяную ванну шлакового комода. При сжигании газообразного топлива взрывы (часто с тяжелыми последствиями) наблюдаются.во время растопки котла с непровентилированной топкой при утечке в нее газа, а также зажигании факела (после обрыва) без предварительной вентиляции топки и газоходов. Пожары и взрывы при сжигании жидкого топлива происходят вследствие плохого его распыла и неналаженного топочного процесса. При взрыве в топке.или газоходах, особенно в случае разрушения обмуровки, каркаса или других элементов, котел следует немедленно остановить. Котел должен быть также остановлен в ситуациях, которые могут вызвать взрыв с серьезными последствиями. Такими аварийными ситуациями являются погасание факела и недопустимое понижение давления за регулирующими клапанами газа или мазута. Аварии с хлопками и взрывами большей частью происходят по вине обслуживающего персонала, нарушающего пусковые и эксплуатационные инструкции, в частности указания о вентиляции котла перед пуском.

Пожары в газоходах возникают вследствие неудовлетворительного ведения топочного процесса, когда продукты неполного сгорания (несгоревшее топливо, сажа, смолистые вещества) оседают и скапливаются на поверхностях нагрева экономайзеров и воздухоподогревателей. Возгорание этих отложений вызывает серьезные повреждения поверхностей нагрева и газоходов. Признаками загораний являются несвойственное для данной зоны повышение температуры газов, ухудшение тяги, выбивание пламени, разогрев обшивки. Обнаружив пожар, немедленно прекращают подачу топлива, локализуют горение (отключением дутьевых вентиляторов и дымососов и плотным закрытием газовых и воздушных шиберов) и

включают местное пожаротушение.

Кроме пожара в газоходах могут возникать пожары в помещении котельного или других цехов. В зависимости от места и размеров пожара принимают соответствующие меры и ликвидируют его всеми доступными средствами. При пожаре, угрожающем персоналу или оборудованию, а также системе дистанционного управления и отключающей арматуре защиты, котел останавливают немедленно.

Шлакование топок и поверхностей нагрева также снижает надежность работы и создает аварийные ситуации. Кроме неравномерности обогрева труб и нарушения циркуляции шлакование вызывает деформацию и повреждение отдельных экранных труб и их подвесной системы, разрушение холодной воронки, шлаковых шахт, устройств шлакоудаления и обмуровки (при падении глыб шлака), повышает температуру в топке и увеличивает тепловые потоки на незашлакованные участки труб. Шлакование экранов и поверхностей нагрева значительно ограничивает мощность котла и увеличивает затраты на тягу. При сильном шлаковании топки, когда наблюдаются перекрытие шлаком ее нижней части и прекращение его выхода с накоплением в топке, производят аварийный останов котла.

Описание:

Сооружение котельных установок требует больших капитальных затрат. Надежность и удобство их эксплуатации часто имеет решающее значение для экономичности установки. Таким образом, весьма существенным фактором становится обучение обслуживающего персонала, поскольку нарушение нескольких установленных практических правил может привести к катастрофе.

Как избежать проблем при эксплуатации котлов

William L. Reeves , президент Института по исследованию окружающей среды (США)

Сооружение котельных установок требует больших капитальных затрат. Надежность и удобство их эксплуатации часто имеет решающее значение для экономичности установки. Таким образом, весьма существенным фактором становится обучение обслуживающего персонала, поскольку нарушение нескольких установленных практических правил может привести к катастрофе. Наиболее распространенными причинами аварий котлов являются: взрыв топлива, понижение уровня воды, недостатки водоподготовки, загрязнение котловой воды, нарушение технологии продувки, несоблюдение регламента разогрева, механическое повреждение труб, сверхнормативное форсирование, хранение в неподходящих условиях, понижение давления до вакуума.

Взрыв топлива

Взрыв в топке – одна из опаснейших ситуаций при эксплуатации котлов. Причиной большинства взрывов является «перенасыщение топливом» горючей смеси или недостаточная очистка топки. Перенасыщение горючей смеси происходит в том случае, когда в топке накапливается несгоревшее топливо. В зависимости от средств регулирования горелок это может случиться в силу ряда причин, в том числе из-за сбоя регуляторов, колебаний давления топливоподачи, повреждения оборудования.

Многие случаи взрывов в топке имели место после перебоев в работе горелок. Например, если засоряется топливная форсунка, некачественное распыливание вызывает нестабильность горения или отрыв пламени. При последующем впрыскивании топлива для возобновления горения в топке повышается концентрация паров топлива. Накопление несгоревшего топлива может произойти и в том случае, если горелка долгое время работает при некачественном распыливании.

Повторное зажигание горелки после перебоя может воспламенить взрывоопасную смесь. На рис. 1 показана полностью разрушенная взрывом котельная установка.

Таким образом, вспышка несгоревшего топлива становится причиной взрыва. Этого можно избежать, соблюдая следующее простое правило: никогда не впрыскивать топливо в темную загазованную топку. Вместо этого необходимо отключить вручную все горелки и тщательно продуть топку воздухом. После того как это сделано и устранены неисправности с зажиганием, можно снова включить горелки.

Понижение уровня воды

При температуре свыше 427°C структура углеродистой стали изменяется – теряется ее прочность. Поскольку рабочая температура топки превышает 982°C, охлаждение котла водой в его трубах является тем фактором, который предупреждает аварию. При длительной работе котла с недостатком воды стальные трубы могут в буквальном смысле расплавиться, наподобие сгоревших свечек (рис. 2).

Чтобы уменьшить вероятность аварий по этой причине, необходимо предусматривать отключение котла при снижении уровня воды. Для этого могут использоваться датчики уровня воды прямого действия или поплавкового типа. При этом критическим звеном в системе является байпас пускового устройства, который обычно служит для проверки этого устройства. Байпас позволяет обслуживающему персоналу продувать засорившиеся секции, очищать их от шлама и накипи и имитировать аварийную ситуацию для проверки контура отсечки, не прерывая работу котла.

Недостатки водоподготовки

В процессе водоподготовки из воды удаляются ионы жесткости. Причиной образования накипи обычно является кальциевая или магниевая жесткость воды. Нарастание накипи в трубах может привести к их повреждению из-за перегрева. Тепло от труб котла отводится потоком протекающей воды, а накипь в трубах представляет собой слой теплоизоляции, который ухудшает теплообмен. Если это длится достаточно долго, результатом может явиться местное прогорание труб.

Для предотвращения образования накипи содержание солей жесткости в котловой воде должно находиться в допустимых пределах. Требования к водоподготовке ужесточаются при повышении рабочей температуры и давления котельной установки.

Для котлов низкого давления обычно используются ионообменные установки, понижающие кальциевую и магниевую жесткость. Система умягчения воды показана на рис. 3. Для режимов с высоким давлением и температурой, характерных для котлов паротурбинных установок, необходима полная деминерализация воды, включающая удаление всех прочих примесей, например, силикатов. Если не удалять соединения кремния, они, испаряясь, смешиваются с водяным паром и могут образовывать осадок на оборудовании, например, на лопатках турбин.

Водоподготовка для котлов включает также обработку химреактивами. Эти реактивы связывают взвешенные частицы загрязнений и преобразуют их в шлам, который не образует осадка на поверхности и может быть удален при промывке котлов. Качество воды очень важно для продления срока службы котла. Недостаточная водоподготовка – это «разрушительная сила» для котла.

Загрязнение воды

Загрязнение воды котельных установок, представляющей собой смесь подпитки и обратного конденсата, – очень сложный вопрос. Этой проблеме и ее последствиям посвящены целые тома. Обычно в состав загрязнений входят кислород, смесь металлов и химикатов, масла и смолы.

Растворенный в воде кислород является постоянной угрозой целостности труб. Обычно котельная установка имеет нагреватель-деаэратор для удаления кислорода из подпиточной воды. В котельных установках с рабочим давлением до 7000 кПа в резервуар деаэратора обычно добавляют поглотитель кислорода – сульфит натрия. Он удаляет свободный кислород.

Язвенная кислородная коррозия – один из наиболее опасных видов кислородной коррозии. Язва – это концентрированная коррозия на очень маленьком участке поверхности. Сквозная ржавчина на трубе может образоваться даже при небольшом распространении коррозии в целом. Из-за быстрых катастрофических последствий кислородной коррозии необходимо регулярно проверять работу деаэраторов и поглотителей кислорода и контролировать качество воды.

Своевременно необнаруженное загрязнение возвратного конденсата – это еще одна причина загрязнения котловой воды. Состав загрязнений может быть различным: от таких металлов, как медь и железо, до масел и производственных химикатов. Металлы, попадающие в воду, – это конструктивные материалы оборудования и конденсатопроводов, а масла и производственные химикаты попадают из-за дефектов производственного оборудования или коррозионных утечек в теплообменниках, насосах, сальниковых уплотнениях и др.

Наибольший риск загрязнения воды связан с возможностью аварий технологического оборудования, из-за которых в котловую воду могут попасть в большом количестве опасные химикаты. Поэтому бережная эксплуатация котельной установки должна предусматривать постоянный мониторинг качества возвратного конденсата.

Попадание в воду ионообменных смол также может вызвать серьезное загрязнение котла. Это случается при повреждении внутренних трубопроводов или вспомогательной обвязки ионообменной установки. Очень дешевый и эффективный способ предотвращения этих явлений – установка смолоуловителей на всех коммуникациях ионообменной установки. Смолоуловители не только защищают котел, но и предотвращают в случае аварии потери ценного материала – ионообменных смол.

Загрязнение котловой воды может протекать как постепенное ухудшение или как мгновенная авария. Постоянное и качественное обслуживание позволит существенно снизить возможность неприятностей того и другого типа. Постоянный мониторинг качества котловой и подпиточной воды позволяет не только накапливать статистические данные, но и своевременно предупреждать об опасном уровне загрязнений.

Несоблюдение технологии продувки

Концентрация взвешенных твердых примесей в котловой воде уменьшается при постоянной продувке системы и периодической промывке поддонов. Максимально допустимые концентрации примесей согласно нормам Американской ассоциации производителей котлов (AMBA) приведены в таблице. Превышение концентрации или иные загрязнения котловой воды создают такие проблемы, как нестабильность уровня воды в барабане или вспенивание. Эти явления могут стать причиной ложного срабатывания аварийной сигнализации уровня воды, уноса капельной влаги паром, загрязнения пароперегревателей.

Правильно спроектированная система продувки осуществляет мониторинг состояния котловой воды и поддерживает такую интенсивность продувки, которая обеспечивает допустимую концентрацию примесей. Периодическая промывка поддонов и грязевиков необходима для предотвращения накопления шлама. Продолжительная продувка секций, образующих экраны топки, может привести к их повреждению из-за перегрева, вызванного изменением естественной циркуляции воды. Вместо этого рекомендуется открывать вентили продувки этих секций всякий раз при отключении котла, до того как давление в системе упадет до атмосферного.

Нарушение регламента разогрева

Отступление от правил разогрева относится к числу сильнейших испытаний, которым подвергается паровой котел. Во время процедур пуска и остановки все оборудование испытывает серьезные нагрузки, поэтому здесь требуется более строгое соблюдение правил эксплуатации, чем при постоянной работе в расчетном режиме. Корректный регламент и поэтапное прохождение пусковых операций способствуют продлению срока службы оборудования и уменьшают вероятность аварии.

В конструкции типового котла используются различные материалы: сталь большой толщины для барабана, более тонкая – для труб, огнеупорные и теплоизоляционные материалы, массивные чугунные элементы. Скорость прогрева и охлаждения всех этих материалов различна. Ситуация осложняется, если материал подвергается в одно и то же время воздействию различных температур. Например, паровой барабан при нормальном уровне воды в нижней части контактирует с водой, а в верхней части сначала с воздухом, а затем с паром. При холодном старте вода нагревается очень быстро, так что нижняя часть барабана подвергается тепловому расширению раньше, чем верхняя часть, не соприкасающаяся с водой. Следовательно, нижняя часть барабана становится длиннее верхней, что приводит к его деформации. При серьезной деформации это явление называют «горбатый барабан», следствием его является образование трещин на трубах между паровым и шламовым барабанами.

Слишком быстрый разогрев при холодном старте чаще всего повреждает обмуровку котла. Обмуровка имеет низкую теплопроводность и поэтому прогревается медленнее, чем металл. Пока топка еще не прогрета, материал обмуровки поглощает влагу из воздуха. Медленный прогрев необходим для того, чтобы постепенно просушить обмуровку и не допустить вскипание влаги, вызывающее растрескивание кирпичей. Стандартный график разогрева типового котла (рис. 4) предусматривает повышение температуры воды не более чем на 55°C в час.

Механическое повреждение труб

Если посмотреть на котел в процессе сборки, можно заметить, что одинаковых элементов практически нет. В особенности это относится к трубам, составляющим экраны топки и секции конвективного нагрева. Повреждение единственной трубы ценой в несколько сот долларов может привести к аварийной остановке котлоагрегата миллионной стоимости.

Учитывая, что трубы промышленных котлов могут иметь толщину стенки 3 или 2 мм, становится ясно, как легко можно их повредить. Наиболее распространенные причины механического повреждения труб следующие:

Удар острым предметом при изготовлении или сборке.

Некорректная направленность продувки для удаления сажи (используется обдув топочных экранов паром для удаления с поверхности сажи, копоти, золы).

Использование для сдува копоти влажного пара, что может вызвать коррозию труб.

При проектировании новых котлов наибольшим «камнем преткновения» является попытка увеличить толщину стенки труб. Это связано с увеличением стоимости, однако, дает запас по надежности на механические повреждения. Кроме того, при изгибе труб толщина стенки уменьшается, при первоначально малой толщине на сгибе она может стать меньше допускаемой стандартом.

Опасность форсированного режима

Для многих производств увеличение выпуска продукции и оборота повышает рентабельность. Эта стратегия побуждает к эксплуатации всего оборудования на максимум производительности.

Эксплуатация котлов на режимах выше максимально допустимой продолжительной нагрузки (MCR) долгое время была предметом дискуссий. В течение многих лет изготовители котлов рекомендовали для своего оборудования длительность пиковых нагрузок 110% MCR от 2 до 4 часов. При этом часто возникал вопрос: «Если котел может работать с нагрузкой 110% MCR в течение 4 часов, почему он не может так работать постоянно?» Ответить на этот вопрос не так просто.

Резервы надежности и безопасности вспомогательного оборудования котельной установки отнесены к определенной гарантированной нагрузке этих устройств. Эти резервы включают увеличение производительности и статического давления вентиляторов и насосов, расширенные возможности систем телеметрии и автоматики и т. п. Конструкторы паровых котлов должны иметь уверенность в том, что их возможности не ограничивает ни один из элементов вспомогательного оборудования. Обычно проектирование вспомогательных систем «с запасом» позволяет эксплуатировать котел при пиковых нагрузках более 110% MCR. При отсутствии ограничений со стороны вспомогательного оборудования интенсификация производства заставляет форсировать котлы (иногда очень сильно) в течение длительного времени.

Из-за физических ограничений в конструкции котла (размера топки и паропроводов) могут внезапно возникнуть серьезные проблемы, связанные с уменьшением теплоотдачи и падением давления пара, что снижает рабочую мощность котла. Есть и другие, не столь очевидные физические ограничения. Эти ограничения являются причиной ряда проблем, которые ассоциируются со значительным перегревом котла:

Разрушение материала труб, обмуровки, газоходов от кратковременного или длительного перегрева.

Эрозия труб, экранов, газоходов, золоочистителей.

Коррозия стенок топки и труб пароперегревателей.

Унос паром капельной влаги и твердых взвешенных частиц, становящихся причиной повреждения пароперегревателей, лопаток турбин и другого технологического оборудования.

Возникновение проблем, связанных с перегревом котла, существенно зависит от типа используемого топлива. Проблемы эрозии обычно ассоциируются с твердым топливом: уголь, дрова, торф, горючие отходы производства и т. п., при сгорании которых образуется зола и шлаки. Независимо от вида топлива форсирование котла означает увеличение объема и скорости дымовых газов с соответственным увеличением (в квадратичной пропорции) давления набегающего потока газов, что оказывает влияние на процесс эрозии. Кроме того, могут возникать вихревые эффекты в хвостовых газоходах котла, что также приводит к локальной эрозии.

Конструкторы котлов скрупулезно просчитывают тепловые потоки на топочные экраны, перегородки, определяют температуру стенок труб, обмуровки и прочих поверхностей. Перегрев топки приводит к увеличению тепловых потоков и температуры обмуровки. Общий расход пара связан с определенной величиной циркуляционных потоков в трубах и перепадом давлений, обеспечивающим адекватный отвод тепла от поверхностей топки. Перегрев котла вызывает увеличение перепада давлений и изменение режима циркуляции. Под воздействием этих двух факторов существенно повышается температура стенок труб и перегородок. Эффект кратковременного или длительного воздействия высоких температур может выразиться в потере прочности металла труб.

Проблемы с коррозией возникают в случае контакта частиц твердого или жидкого топлива с поверхностью труб при высокой температуре. Кроме того, форсаж топки может вызвать распространение пламени на поверхность экранов, что также является причиной местной коррозии.

Большинство правильно сконструированных котлов-парогенераторов может эксплуатироваться при нагрузках свыше MCR в течение непродолжительного времени. Эксплуатация периферийного оборудования в пределах физических возможностей также не вызывает проблем. И наоборот, длительная эксплуатация в форсированном режиме свыше MCR может вызвать такие долговременные и дорогостоящие проблемы в обслуживании котлов, которые не проявляются при кратковременной перегрузке. Если интересы производства требуют форсирования парогенераторного оборудования, бизнес-решение должно основываться на сравнительном анализе доходов от интенсификации производства и удорожания эксплуатации оборудования.

Неправильное хранение

В результате небрежного хранения котла может начаться коррозия поверхностей как со стороны газов, так и со стороны воды. Коррозия на газовой стороне случается, если в котле ранее использовалось сернистое топливо. В топке имеются такие участки поверхностей, с которых невозможно полностью удалить золу во время обычной продувки. Наиболее уязвимы в этом зазоры между трубами и перегородкой на входе в барабан и зазоры между трубами и обмуровкой. Когда котел разогрет, коррозия обычно не угрожает, так как влага на поверхностях не присутствует. Однако во время остановки зола и поверхности обмуровки абсорбируют влагу, а спустя некоторое время начинается коррозия. Локализованная язвенная коррозия может быть весьма серьезной, это можно обнаружить при простукивании по изменившемуся «звучанию» труб.

Теплое хранение – это один из способов избежать коррозии на газовой стороне. Такие методы, как использование шламового барабана в качестве обогревателя или продувка теплоносителем от работающего котла, обычно достаточны для того, чтобы поддерживать температуры поверхностей труб выше точки росы кислотных растворов. Другим способом, используемым для малых котлов, является сухое хранение. При этом входные отверстия котла уплотняются абсорбентом-осушителем, и затем в котел вдувается азот.

Срыв в вакуум

Конструкция котлов рассчитана на работу под избыточным давлением, но не предусматривает возможности вакуума (падения давления ниже атмосферного). Возникновение вакуума возможно при остановке котла. По мере охлаждения котла происходит конденсация пара и понижается уровень воды, что приводит к снижению давления, возможно, ниже атмосферного. Вакуум в котле приводит к утечкам через развальцованные концы труб, так как они рассчитаны на уплотнение избыточным давлением. Избежать этой проблемы можно приоткрыв вентиляционное отверстие в паровом барабане в то время, когда там еще имеется избыточное давление.

Меры предосторожности

Чаще смотреть на пламя, чтобы своевременно заметить неполадки с горением.

Определить причину погасания горелки, прежде чем предпринимать многочисленные попытки повторного зажигания.

Перед зажиганием горелок тщательно очистить топку. Это особенно важно, если в топку пролилось жидкое топливо. Продувка позволит удалить избыток горючих газов до того, как их концентрация станет взрывоопасной. Если есть сомнения – необходима продувка!

Проверять работу оборудования водоподготовки, убедиться, что качество воды соответствует нормам для данной температуры и давления. Притом, что абсолютным критерием является нулевая жесткость воды, необходимо соответствие нормативам для рабочих параметров котла. Никогда не использовать необработанную воду.

Регулярная промывка тупиковых участков водяного контура, водоохладителей и т. п. во избежание накопления шлама в этих зонах, что влечет за собой повреждение оборудования. Никогда не останавливать циркуляцию воды.

Контролировать наличие свободного кислорода в воде на выходе из деаэраторов, рабочее давление деаэраторов, температуру воды в баке-аккумуляторе (соответствие температуре насыщения). Необходима постоянная продувка деаэратора для удаления неконденсируемых газов.

Постоянный мониторинг качества возвратного конденсата для обеспечения немедленного слива в канализацию при загрязнении конденсата в результате аварии технологического оборудования.

Постоянная продувка котла для обеспечения качества котловой воды в пределах нормы, периодическая промывка барабана-грязевика (проконсультироваться со специалистом по водоподготовке). Не продувать поверхности топки во время работы котла.

Проверять поверхности котла со стороны воды. Если есть признаки отложения накипи, отрегулировать водоподготовку.

Регулярно проверять внутренние поверхности деаэратора на предмет коррозии. Это очень важно по соображениям безопасности, так как деаэратор может проржаветь насквозь. В этом случае в деаэраторе произойдет бурное вскипание воды и вся котельная заполнится острым паром.

Стандартный график разогрева котла (рис. 4) предусматривает для обычных котлов рост температуры воды не более чем на 55°C в час. После длительной эксплуатации котлов на минимальной нагрузке разогрев нередко протекает с превышением указанной скорости. Следовательно, для поддержания нормального темпа разогрева нужно предусматривать в стартовом режиме работу горелок с перерывами.

Убедиться в том, что обслуживающий персонал котельной понимает опасность механического повреждения тонкостенных труб. Поощрять рабочих сообщать о каждом случайном повреждении, чтобы своевременно их устранять.

Если производственная необходимость вынуждает форсировать котлы, регулярно проводить оценку потенциального воздействия перегрузки и доводить ее до сведения руководства.

Когда котел отключается на длительное время, поддерживать его в теплом состоянии. Заполнять азотом при охлаждении для предотвращения попадания воздуха и кислорода внутрь котла во время хранения, использовать сульфат натрия для поглощения кислорода из котловой воды. Если котел хранится в сухом состоянии, наряду с заполнением азотом поместить в барабаны абсорбент влаги.

Обеспечить открывание вентиляционного отверстия в паровом барабане при падении давления ниже 136 кПа.

Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE.

Перевод с английского О. П. Булычевой.