Устройство для защиты внутренней поверхности барабанов паровых котлов от термических напряжений

Устройство для защиты внутренней поверхности барабанов паровых котлов от термических напряжений

Реферат

 

Устройство предназначено для защиты внутренней поверхности барабана парового котла от термических напряжений и может использоваться в теплоэнергетике на паровых котлах. Устройство содержит экран, состоящий из металлических пластин и втулок, дистанционирующие пластины между экраном, стенками барабана и штуцера. Особенностью конструкции является выполнение втулки с щелями, что дает возможность устанавливать ее с заданным свободным зазором со стенками барабана и штуцера. При этом количество щелей может быть выполнено от 4 - 6, расположенных под углом не менее 45^o к продольной оси барабана, а толщина экранов составляет 2 - 4 мм, и установлены они от защищаемой поверхности барабана и штуцера на расстоянии 1 - 3 мм. Металлические листы экрана закрывают защищаемую поверхность стенок барабана на расстояние 1 - 1,5 диаметра отверстия. Такое выполнение устройства повышает эффективность защиты от термических напряжений и устраняет подшлаковую коррозию. 6 ил.

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.

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 05.03.2007

Извещение опубликовано: 27.01.2008        БИ: 03/2008