Владельцы патента RU 2503747:

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для защиты от накипи нагревательных труб паровых и водогрейных котлов, теплообменников, бойлерных установок, испарителей, теплотрасс, систем отопления жилых домов и промышленных объектов в процессе текущей эксплуатации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Эксплуатация паровых котлов связана с одновременным воздействием высоких температур, давления, механических напряжений и агрессивной среды, которой является котловая вода. Котловая вода и металл поверхностей нагрева котла представляют собой отдельные фазы сложной системы, которая образуется при их контакте. Итогом взаимодействия этих фаз являются поверхностные процессы, возникающие на границе их раздела. В результате этого в металле поверхностей нагрева возникают явления коррозии и образования накипи, что приводит к изменению структуры и механических свойств металла, и что способствует развитию различных повреждений. Поскольку теплопроводность накипи в пятьдесят раз ниже, чем у железа нагревательных труб, то имеют место потери тепловой энергии при теплопередаче - при толщине накипи 1 мм от 7 до 12%, а при 3 мм - 25%. Сильное образование накипи в системе парового котла непрерывного действия часто приводит к остановке производства на несколько дней в году для удаления накипи.

Качество питательной и, следовательно, котловой воды определяется присутствием примесей, которые могут вызывать различные виды коррозии металла внутренних поверхностей нагрева, образования первичной накипи на них, а также шлама, как источника образования вторичной накипи. Кроме того, качество котловой воды зависит и от свойств веществ, образующихся в результате поверхностных явлений при транспортировке воды, и конденсата по трубопроводам, в процессах водообработки. Удаление примесей из питательной воды является одним из способов предотвращения образования накипи и коррозии и осуществляется методами предварительной (докотловой) обработки воды, которые направлены на максимальное удаление примесей, находящихся в исходной воде. Однако применяемые методы не позволяют полностью исключить содержание примесей в воде, что связано не только с трудностями технического характера, но и экономической целесообразностью применения методов докотловой обработки воды. Кроме того, поскольку водоподготовка представляет сложную техническую систему, она является избыточной для котлов малой и средней производительности.

Известные методы удаления уже образовавшихся отложений используют в основном механические и химические способы очистки. Недостатком этих способов является то, что они не могут производиться в ходе эксплуатации котлов. Кроме того, способы химической очистки часто требуют использования дорогостоящих химических веществ.

Известны также способы предотвращения образования накипи и коррозии, осуществляемые в процессе работы котлов.

В патенте US 1877389 предложен способ удаления накипи и предотвращения ее образования в водогрейных и паровых котлах. В этом способе поверхность котла представляет собой катод, а анод размещен внутри трубопровода. Способ заключается в пропускании постоянного или переменного тока через систему. Авторы отмечают, что механизм действия способа заключается в том, что под действием электрического тока на поверхности котла образуются пузырьки газа, которые приводят к отслоению существующей накипи и препятствуют образованию новой. Недостатком указанного способа является необходимость постоянно поддерживать протекание электрического тока в системе.

В патенте US 5667677 предложен способ обработки жидкости, в частности воды, в трубопроводе с целью замедления образования накипи. Указанный способ основан на создании в трубах электромагнитного поля, которое отталкивает растворенные в воде ионы кальция, магния от стенок труб и оборудования, не давая им кристаллизоваться в виде накипи, что позволяет эксплуатировать котлы, бойлеры, теплообменники, системы охлаждения на жесткой воде. Недостатком указанного способа является дороговизна и сложность используемого оборудования.

В заявке WO 2004016833 предложен способ уменьшения образования накипи на металлической поверхности, подвергающейся воздействию пересыщенного щелочного водного раствора, из которого способна образовываться накипь после периода воздействия, включающий приложение катодного потенциала к указанной поверхности.

Указанный способ может использоваться в различных технологических процессах, в которых металл находится в контакте с водным раствором, в частности, в теплообменниках. Недостатком указанного способа является то, что он не обеспечивает защиту металлической поверхности от коррозии после снятия катодного потенциала.

Таким образом, в настоящее время существует потребность в разработке улучшенного способа предотвращения образования накипи нагревательных труб, водогрейных и паровых котлов, который был бы экономичным и высокоэффективным и обеспечивал антикоррозионную защиту поверхности в течение длительного промежутка времени после воздействия.

В настоящем изобретении указанная задача решена с помощью способа, согласно которому на металлической поверхности создается токоотводящий электрический потенциал, достаточный для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии коллоидных частиц и ионов к металлической поверхности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенного способа предотвращения образования накипи нагревательных труб водогрейных и паровых котлов.

Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности исключения или значительного уменьшения необходимости удаления накипи в процессе эксплуатации водогрейных и паровых котлов.

Еще одной задачей настоящего изобретения является исключение необходимости использования расходных реагентов для предотвращения образования накипи и коррозии нагревательных труб водогрейных и паровых котлов.

Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности начала работы по предотвращению образования накипи и коррозии нагревательных труб водогрейных и паровых котлов на загрязненных трубах котла.

Настоящее изобретение относится к способу предотвращения образования накипи и коррозии на металлической поверхности, выполненной из железосодержащего сплава и находящейся в контакте с пароводяной средой, из которой способна образовываться накипь. Указанный способ заключается в приложении к указанной металлической поверхности токоотводящего электрического потенциала, достаточного для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии коллоидных частиц и ионов к металлической поверхности.

Согласно некоторым частным вариантам реализации заявленного способа токоотводящий потенциал устанавливают в пределах 61-150 В. Согласно некоторым частным вариантам реализации заявленного способа вышеуказанный железосодержащий сплав представляет собой сталь. В некоторых вариантах реализации металлическая поверхность представляет собой внутреннюю поверхность нагревательных труб водогрейного или парового котла.

Раскрытый в данном описании способ имеет следующие преимущества. Одним преимуществом способа является уменьшенное образование накипи. Другим преимуществом настоящего изобретения является возможность использования однажды закупленного работающего электрофизического аппарата без необходимости использования расходных синтетических реагентов. Еще одним преимуществом является возможность начала работы на загрязненных трубках котла.

Техническим результатом настоящего изобретения, таким образом, является повышение эффективности работы водогрейных и паровых котлов, повышение производительности, увеличение эффективности теплопередачи, снижение расходов топлива на нагрев котла, экономия энергии и пр.

Другие технические результаты и преимущества настоящего изобретения включают обеспечение возможности послойного разрушения и удаления уже образовавшейся накипи, а также предотвращения ее нового образования.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 показан характер распределения отложений на внутренних поверхностях котла в результате применения способа согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ согласно настоящему изобретению заключается в приложении к металлической поверхности, подверженной образованию накипи, токоотводящего электрического потенциала, достаточного для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии коллоидных частиц и ионов, образующих накипь, к металлической поверхности.

Термин «токоотводящий электрический потенциал» в том смысле, в каком он используется в данной заявке, означает переменный потенциал, нейтрализующий двойной электрический слой на границе металла и пароводяной среды, содержащей соли, приводящие к образованию накипи.

Как известно специалисту в данной области техники, носителями электрического заряда в металле, медленными по сравнению с основными носителями заряда -электронами, являются дислокации его кристаллической структуры, которые несут на себе электрический заряд и образуют дислокационные токи. Выходя на поверхность нагревательных труб котла, эти токи входят в состав двойного электрического слоя при образовании накипи. Токоотводящий, электрический, пульсирующий (то есть переменный) потенциал инициирует отведение электрического заряда дислокаций с поверхности металла на землю. В этом отношении он является токоотводящим дислокационные токи. В результате действия этого токоотводящего электрического потенциала двойной электрический слой разрушается, и накипь постепенно распадается и переходит в котельную воду в виде шлама, который удаляется из котла при периодических его продувках.

Таким образом, термин «токоотводящий потенциал» понятен для специалиста в данной области техники и, кроме того, известен из уровня техники (см., например, патент RU 2128804 С1).

В качестве устройства для создания токоотводящего электрического потенциала может, например, быть использовано устройство, описанное в RU 2100492 С1, которое включает в себя конвертер с частотным преобразователем и регулятором пульсирующего потенциала, а также регулятор формы импульсов. Подробное описание этого устройства дано в RU 2100492 С1. Также может быть использовано любое другое аналогичное устройство, как будет понятно специалисту в данной области техники.

Токоотводящий электрический потенциал согласно настоящему изобретению может быть приложен к любой части металлической поверхности, удаленной от основания котла. Место приложения определяется удобством и/или эффективностью применения заявленного способа. Специалист в данной области техники, используя информацию, раскрытую в настоящем описании, и используя стандартные методики испытаний, сможет определить оптимальное место приложения токоотводящего электрического потенциала.

В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения токоотводящий электрический потенциал является переменным.

Токоотводящий электрический потенциал согласно настоящему изобретению может быть приложен в течение различных периодов времени. Время приложения потенциала определяется характером и степенью загрязненности металлической поверхности, составом используемой воды, температурным режимом и особенностями работы теплотехнического устройства и другими факторами, известными специалистам в данной обрасти техники. Специалист в данной области техники, используя информацию, раскрытую в настоящем описании и используя стандартные методики испытаний, сможет определить оптимальное время приложения токоотводящего электрического потенциала, исходя из поставленных целей, условий и состояния теплотехнического устройства.

Величина токоотводящего потенциала, требуемая для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии, может быть определена специалистом в области коллоидной химии на основании сведений известных из уровня техники, например из книги Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. «Поверхностные силы», Москва, "Наука", 1985. Согласно некоторым вариантам реализации величина токоотводящего электрического потенциала находится в диапазоне от 10 В до 200 В, более предпочтительно от 60 В до 150 В, еще более предпочтительно от 61 В до 150 В. Значения токоотводящего электрического потенциала в диапазоне от 61 В до 150 В приводят к разряжению двойного электрического слоя, являющегося основой электростатической составляющей сил адгезии в накипи и, как следствие, разрушению накипи. Значения токоотводящего потенциала ниже 61 В являются недостаточными для разрушения накипи, а при значениях токоотводящего потенциала выше 150 В вероятно начало нежелательного электроэрозионного разрушения металла нагревательных трубок.

Металлическая поверхность, к которой может быть применен способ согласно настоящему изобретению, может быть частью следующих теплотехнических устройств: нагревательных труб паровых и водогрейных котлов, теплообменников, бойлерных установок, испарителей, теплотрасс, систем отопления жилых домов и промышленных объектов в процессе текущей эксплуатации. Данный список является иллюстративным и не ограничивает список устройств, к которым может быть применен способ согласно настоящему изобретению.

В некоторых вариантах реализации железосодержащий сплав, из которого выполнена металлическая поверхность, к которой может быть применен способ согласно к настоящему изобретению, может представляет собой сталь или другой железосодержащий материал, такой как чугун, ковар, фехраль, трансформаторную сталь, альсифер, магнико, альнико, хромистую сталь, инвар и др. Данный список является иллюстративным и не ограничивает список железосодержащих сплавов, к которым может быть применен способ согласно настоящему изобретению. Специалист в данной области техники на основании сведений, известных из уровня техники, сможет такие железосодержащие сплавы, которые могут быть использованы согласно настоящему изобретению.

Водная среда, из которой способна образовываться накипь, согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, представляет собой водопроводную воду. Водная среда также может представлять собой воду, содержащую растворенные соединения металлов. Растворенные соединения металлов могут представлять собой соединения железа и/или щелочно-земельных металлов. Водная среда также может представлять собой водную суспензию коллоидных частиц соединений железа и/или щелочно-земельных металлов.

Способ согласно настоящему изобретению удаляет ранее образовавшиеся отложения и служит безреагентным средством очистки внутренних поверхностей в ходе эксплуатации теплотехнического устройства, обеспечивая в дальнейшем безнакипный режим его работы. При этом размеры зоны, в пределах которой достигается предотвращение образования накипи и коррозии, существенно превышает размеры зоны эффективного разрушения накипи.

Способ согласно настоящему изобретению имеет следующие преимущества:

Не требует применения реагентов, т.е. экологически безопасен;

Прост в осуществлении, не требует специальных устройств;

Позволяет повысить коэффициент теплопередачи и повысить эффективность работы котлов, что существенно сказывается на экономических показателях его работы;

Может использоваться как дополнение к применяемым методам докотловой обработки воды, так и отдельно;

Позволяет отказаться от процессов умягчения и деаэрации воды, что во многом упрощает технологическую схему котельных и дает возможность значительно снизить затраты при строительстве и эксплуатации.

Возможными объектами способа могут быть водогрейные котлы, котлы-утилизаторы, закрытые системы теплоснабжения, установки по термическому опреснению морской воды, паропреобразовательные установки и пр.

Отсутствие коррозионных разрушений, накипеобразования на внутренних поверхностях открывает возможность для разработки принципиально новых конструктивных и компоновочных решений паровых котлов малой и средней мощности. Это позволит, за счет интенсификации тепловых процессов, добиться существенного уменьшения массы и габаритов паровых котлов. Обеспечить заданный температурный уровень поверхностей нагрева и, следовательно, уменьшить расход топлива, объем дымовых газов и сократить их выбросы в атмосферу.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ

Способ, заявленный в настоящем изобретении, был испытан на котельных заводах «Адмиралтейские верфи» и «Красный химик». Было показано, что способ согласно настоящему изобретению эффективно очищает внутренние поверхности котлоагрегатов от отложений. В ходе этих работ была получена экономия условного топлива 3-10%, при этом разброс значений экономии связан с различной степенью загрязненности внутренних поверхностей котлоагрегатов. Целью работы являлась оценка эффективности заявленного способа для обеспечения безреагентного, безнакипного режима работы паровых котлоагрегатов средней мощности в условиях качественной водоподготовки, соблюдения водно-химического режима и высокого профессионального уровня эксплуатации оборудования.

Испытание способа, заявленного в настоящем изобретении, проводилось на паровом котлоагрегате №3 ДКВр 20/13 4-ой Красносельской котельной Юго-Западного филиала ГУП «ТЭК СПб». Эксплуатация котлоагрегата проводилась в строгом соответствии с требованиями нормативных документов. На котле установлены все необходимые средства контроля параметров его работы (давления и расхода вырабатываемого пара, температуры и расхода питательной воды, давления дутьевого воздуха и топлива на горелках, разряжения в основных сечениях газового тракта котлоагрегата). Паропроизводительность котла поддерживалась на уровне 18 т/час, давление пара в барабане котла - 8,1…8,3 кг/см 2 . Экономайзер работал в теплофикационном режиме. В качестве исходной воды использовалась вода городского водопровода, которая соответствовала требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая». Необходимо отметить, что количество соединений железа на вводе в указанную котельную, как правило, превышает нормативные требования (0,3 мг/л) и составляет 0,3-0,5 мг/л, что приводит к интенсивному зарастанию внутренних поверхностей железистыми соединениями.

Оценка эффективности способа производилась по состоянию внутренних поверхностей котлоагрегата.

Оценка влияния способа согласно настоящему изобретению на состояние внутренних поверхностей нагрева котлоагрегата.

До начала испытаний был произведен внутренний осмотр котлоагрегата и зафиксировано исходное состояние внутренних поверхностей. Предварительный осмотр котла был произведен в начале отопительного сезона, через месяц после его химической очистки. В результате осмотра выявлено: на поверхности барабанов сплошные твердые отложения темно-коричневого цвета, обладающие парамагнитными свойствами и состоящие, предположительно, из окислов железа. Толщина отложений составляла до 0,4 мм визуально. В видимой части кипятильных труб, преимущественно на стороне обращенной к топке, обнаружены не сплошные твердые отложения (до пяти пятен на 100 мм длины трубы с размером от 2 до 15 мм и толщиной до 0,5 мм визуально).

Устройство для создания токоотводящего потенциала, описанное в RU 2100492 С1, было присоединено в точке (1) к лючку (2) верхнего барабана с тыльной стороны котла (см. Фиг.1). Токоотводящий электрический потенциал был равен 100 В. Токоотводящий электрический потенциал поддерживался непрерывно в течение 1,5 месяцев. По окончании этого периода было произведено вскрытие котлоагрегата. В результате внутреннего осмотра котлоагрегата было установлено практически полное отсутствие отложений (не более 0,1 мм визуально) на поверхности (3) верхнего и нижнего барабанов в пределах 2-2,5 метров (зона (4)) от лючков барабанов (точки присоединения устройства для создания токоотводящего потенциала (1)). На удалении 2,5-3,0 м (зона (5)) от лючков отложения (6) сохранились в виде отдельных бугорков (пятен) толщиной до 0,3 мм (см. Фиг.1). Далее, по мере продвижения к фронту, (на удалении 3,0-3,5 м от лючков) начинаются сплошные отложения (7) до 0,4 мм визуально, т.е. на этом удалении от точки подключения устройства эффект способа очистки согласно настоящего изобретения практически не проявился. Токоотводящий электрический потенциал был равен 100 В. Токоотводящий электрический потенциал поддерживался непрерывно в течение 1,5 месяцев. По окончании этого периода было произведено вскрытие котлоагрегата. В результате внутреннего осмотра котлоагрегата было установлено практически полное отсутствие отложений (не более 0,1 мм визуально) на поверхности верхнего и нижнего барабанов в пределах 2-2,5 метров от лючков барабанов (точки присоединения устройства для создания токоотводящего потенциала). На удалении 2,5-3,0 м от лючков отложения сохранились в виде отдельных бугорков (пятен) толщиной до 0,3 мм (см. Фиг.1). Далее, по мере продвижения к фронту (на удалении 3,0-3,5 м от лючков), начинаются сплошные отложения до 0,4 мм визуально, т.е. на этом удалении от точки подключения устройства эффект способа очистки согласно настоящего изобретения практически не проявился.

В видимой части кипятильных труб, в пределах 3,5-4,0 м от лючков барабанов, наблюдалось практически полное отсутствие отложений. Далее, по мере продвижения к фронту, обнаружены не сплошные твердые отложения (до пяти пятен на 100 п.мм с размером от 2 до 15 мм и толщиной до 0,5 мм визуально).

В результате этого этапа испытаний был сделан вывод о том, что способ согласно настоящему изобретению без применения каких-либо реагентов позволяет эффективно разрушать ранее образовавшиеся отложения и обеспечивает безнакипный режим работы котлоагрегата.

На следующем этапе испытаний устройство для создания токоотводящего потенциала было присоединено в точке «В» и испытания продолжались в течение еще 30-45 суток.

Очередное вскрытие котлоагрегата было произведено после 3,5 месяцев непрерывной эксплуатации устройства.

Осмотр котлоагрегата показал, что оставшиеся ранее отложения полностью разрушены и лишь в незначительном количестве сохранились на нижних участках кипятильных труб.

Это позволило сделать следующие выводы:

Размеры зоны, в пределах которой обеспечивается безнакипный режим работы котлоагрегата, существенно превышают размеры зоны эффективного разрушения отложений, что позволяет последующим переносом точки подключения токоотводящего потенциала произвести очистку всей внутренней поверхности котлоагрегата и далее поддерживать безнакипный режим его работы;

Разрушение ранее образовавшихся отложений и предотвращение образования новых обеспечивается различными по характеру процессами.

По результатам осмотра было принято решение продолжить испытания до конца отопительного периода с целью окончательной очистки барабанов и кипятильных труб и выяснения надежности обеспечения безнакипного режима работы котла. Очередное вскрытие котлоагрегата было произведено через 210 суток.

Результаты внутреннего осмотра котла показали, что процесс очистки внутренних поверхностей котла в пределах верхнего и нижнего барабанов и кипятильных труб завершился практически полным удалением отложений. На всей поверхности металла образовалось тонкое плотное покрытие, имеющее черный цвет с синей побежалостью, толщина которого даже в увлажненном состоянии (практически сразу после вскрытия котла) не превышала 0,1 мм визуально.

Одновременно подтвердилась надежность обеспечения безнакипного режима работы котлоагрегата при применении способа настоящего изобретения.

Защитное действие магнетитовой пленки сохранялось до 2-х месяцев после отсоединения устройства, что вполне достаточно для обеспечения консервации котлоагрегата сухим способом при переводе его в резерв или на ремонт.

Хотя настоящее изобретение было описано в отношении различных конкретных примеров и вариантов реализации изобретения, следует понимать, что это изобретение не ограничено ими и что оно может быть реализовано на практике в рамках объема приведенной ниже формулы изобретения

1. Способ предотвращения образования накипи на металлической поверхности, выполненной из железосодержащего сплава и находящейся в контакте с пароводяной средой, из которой способна образовываться накипь, включающий приложение к указанной металлической поверхности токоотводящего электрического потенциала в диапазоне от 61 В до 150 В для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии между указанной металлической поверхностью и коллоидными частицами и ионами, образующими накипь.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для защиты от накипи и коррозии нагревательных труб паровых и водогрейных котлов, теплообменников, бойлерных установок, испарителей, теплотрасс, систем отопления жилых домов и промышленных объектов в процессе эксплуатации. Способ предотвращения образования накипи на металлической поверхности, выполненной из железосодержащего сплава и находящейся в контакте с пароводяной средой, из которой способна образовываться накипь, включает приложение к указанной металлической поверхности токоотводящего электрического потенциала в диапазоне от 61 В до 150 В для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии между указанной металлической поверхностью и коллоидными частицами и ионами, образующими накипь. Технический результат - повышение эффективности и производительности работы водогрейных и паровых котлов, увеличение эффективности теплопередачи, обеспечение послойного разрушения и удаления образовавшейся накипи, а также предотвращение ее нового образования. 2 з.п. ф-лы, 1 пр., 1 ил.

Низкотемпературной коррозии подвергаются поверхности нагрева трубчатых и регенеративных воздухоподогревателей, низкотемпературных экономайзеров, а также металлические газоходы и дымовые трубы при температурах металла ниже точки росы дымовых газов. Источником низкотемпературной коррозии является серный ангидрид SO 3 , образующий в дымовых газах пары серной кислоты, которая конденсируется при температурах точки росы дымовых газов. Нескольких тысячных долей процента SO 3 в газах достаточно для того, чтобы вызвать коррозию металла со скоростью, превышающей 1 мм/год. Низкотемпературная коррозия замедляется при организации топочного процесса с малыми избытками воздуха, а также при применении присадок к топливу и повышении коррозионной стойкости металла.

Высокотемпературной коррозии подвергаются топочные экраны барабанных и прямоточных котлов при сжигании твердого топлива, пароперегреватели и их крепления, а также экраны нижней радиационной части котлов сверхкритического давления при сжигании сернистого мазута.

Коррозия внутренней поверхности труб является следствием взаимодействия с металлом труб газов кислорода и углекислоты) или солей (хлоридов и сульфатов), содержащихся в котловой воде. В современных котлах сверхкритического давления пара содержание газов и коррозионноактивных солей в результате глубокого обессоливания питательной воды и термической деаэрации незначительно и основной причиной коррозии является взаимодействие металла с водой и паром. Коррозия внутренней поверхности труб проявляется в образовании оспин, язвин, раковин и трещин; наружная поверхность поврежденных труб может ничем не отличаться от здоровых.

К повреждениям в результате внутренней коррозии труб также относятся:
кислородная стояночная коррозия, поражающая любые участки внутренней поверхности труб. Наиболее интенсивно поражаются участки, покрытые водорастворимыми отложениями (трубы пароперегревателей и переходной зоны прямоточных котлов);
подшламовая щелочная коррозия кипятильных и экранных труб, возникающая под действием концентрированной щелочи вследствие упаривания воды под слоем шлама;
коррозионная усталость, проявляющаяся в виде трещин в кипятильных и экранных трубах в результате одновременного воздействия коррозионной среды и переменных термических напряжений.

Окалина образуется на трубах вследствие перегрева их до температур, значительно превышающих расчетные. В связи с ростом производительности котлоагрегатов в последнее время участились случаи выхода из строя труб пароперегревателей из-за недостаточной окалиностойкости к топочным газам. Интенсивное окалинообразование наиболее часто наблюдается при сжигании мазута.

Износ стенок труб происходит в результате истирающего действия угольной и сланцевой пыли и золы, а также струй пара, выходящих из поврежденных соседних труб или сопел обдувочных аппаратов. Иногда причиной износа и наклепа стенок труб служит дробь, применяемая для очистки поверхностей нагрева. Места и степень износа труб определяют наружным осмотром и измерением их диаметра. Фактическую толщину стенки трубы измеряют ультразвуковым толщиномером.

Коробление экранных и кипятильных труб, а также отдельных труб и участков настенных панелей радиационной части прямоточных котлов возникает при установке труб с неравномерным натягом, обрыве креплений труб, упуске воды и из-за отсутствия свободы для их тепловых перемещений. Коробление змеевиков и ширм пароперегревателя происходит главным образом вследствие обгорания подвесок и креплений, чрезмерного и неравномерного натяга, допущенного при установке или замене отдельных элементов. Коробление змеевиков водяного экономайзера происходит вследствие перегорания и смещения опор и подвесок.

Свищи, отдулины, трещины и разрывы могут появиться также в результате: отложения в трубах накипи, продуктов коррозии, технологической окалины, сварочного грата и других посторонних предметов, замедляющих циркуляцию воды и способствующих перегреву металла труб; наклепа дробью; несоответствия марки стали параметрам пара и температуре газов; внешних механических повреждений; нарушения режимов эксплуатации.

Ряд электростанций использует для подпитки тепловых сетей речные и водопроводные воды с низким значением рН и малой жесткостью. Дополнительная обработка речной воды на водопроводной станции обычно приводит к снижению рН, уменьшению щелочности и повышению содержания агрессивной углекислоты. Появление агрессивной углекислоты возможно также в схемах подкисления, применяемых для крупных систем теплоснабжения с непосредственным водоразбором горячей воды (2000–3000 т/ч). Умягчение воды по схеме Na‑катионирования повышает ее агрессивность вследствие удаления природных ингибиторов коррозии – солей жесткости.

При плохо налаженной деаэрации воды и возможных повышениях концентраций кислорода и углекислоты из-за отсутствия дополнительных защитных мероприятий в системах теплоснабжения внутренней коррозии подвержены трубопроводы, теплообменные аппараты, аккумуляторные баки и другое оборудование.

Известно, что повышение температуры способствует развитию коррозионных процессов, протекающих как с поглощением кислорода, так и с выделением водорода. С увеличением температуры выше 40 °С кислородная и углекислотная формы коррозии резко усиливаются.

Особый вид подшламовой коррозии протекает в условиях незначительного содержания остаточного кислорода (при выполнении норм ПТЭ) и при количестве окислов железа более 400 мкг/дм 3 (в пересчете на Fe). Этот вид коррозии, ранее известный в практике эксплуатации паровых котлов, был обнаружен в условиях сравнительно слабого подогрева и отсутствия тепловых нагрузок. В этом случае рыхлые продукты коррозии, состоящие в основном из гидратированных трехвалентных окислов железа, являются активными деполяризаторами катодного процесса.

При эксплуатации теплофикационного оборудования нередко наблюдается щелевая коррозия, т. е. избирательное, интенсивное коррозионное разрушение металла в щели (зазоре). Особенностью процессов, протекающих в узких зазорах, является пониженная концентрация кислорода по сравнению с концентрацией в объеме раствора и замедленный отвод продуктов коррозионной реакции. В результате накопления последних и их гидролиза возможно снижение рН раствора в щели.

При постоянной подпитке тепловой сети с открытым водоразбором деаэрированной водой возможность образования сквозных свищей на трубопроводах полностью исключается только при нормальном гидравлическом режиме, когда во всех точках системы теплоснабжения постоянно поддерживается избыточное давление выше атмосферного.

Причины язвенной коррозии труб водогрейных котлов и другого оборудования следующие: некачественная деаэрация подпиточной воды; низкое значение рН, обусловленное присутствием агрессивной углекислоты (до 10–15 мг/дм 3); накопление продуктов кислородной коррозии железа (Fe 2 O 3) на теплопередающих поверхностях. Повышенное содержание окислов железа в сетевой воде способствует заносу поверхностей нагрева котла железоокисными отложениями.

Ряд исследователей признает важную роль в возникновении подшламовой коррозии процесса ржавления труб водогрейных котлов при их простоях, когда не принято должных мер для предупреждения стояночной коррозии. Очаги коррозии, возникающие под воздействием на влажные поверхности котлов атмосферного воздуха, продолжают функционировать при работе котлов.

Коррозионные явления в котлах чаще всего проявляются на внутренней теплонапряженной поверхности и сравнительно реже - на наружной.

В последнем случае разрушение металла обусловлено - в большинстве случаев - совместным действием коррозии и эрозии, которая иногда имеет преобладающее значение.
Внешний признак эрозионного разрушения - чистая поверхность металла. При коррозионном же воздействии продукты коррозии обычно сохраняются на его поверхности.
Внутренние (в водной среде) коррозионные и накипные процессы могут усугублять наружную коррозию (в газовой среде) из-за теплового сопротивления слоя накипных и коррозионных отложений, и, следовательно, роста температуры на поверхности металла.
Наружная коррозия металла (со стороны топки котла) зависит от разных факторов, но, прежде всего, - от вида и состава сжигаемого топлива.

Коррозия газо-мазутных котлов
В мазуте содержатся органические соединения ванадия и натрия. Если на стенке трубы, обращенной в топку, накапливаются расплавленные отложения шлака, содержащего соединения ванадия (V), то при большом избытке воздуха и/или температуре поверхности металла 520-880 оС происходят реакции:
4Fe + 3V2O5 = 2Fe2O3 + 3V2O3 (1)
V2O3 + O2 = V2O5 (2)
Fe2O3 + V2O5 = 2FeVO4 (3)
7Fe + 8FeVO4 = 5Fe3О4 + 4V2O3 (4)
(Соединения натрия) + О2 = Na2O (5)
Возможен и другой механизм коррозии с участием ванадия (жидкая эвтектическая смесь):
2Na2O . V2O4 . 5V2O5 + O2 = 2Na2O . 6V2O5 (6)
Na2O . 6V2O5 + М = Na2O . V2O4 . 5V2O5 + MO (7)
(М - металл)
Соединения ванадия и натрия при сгорании топлива окисляются до V2O5 и Na2O. В отложениях, прилипающих к поверхности металла, Na2O - связующее. Жидкость, образующаяся в результате реакций (1)-(7), расплавляет защитную пленку магнетита (Fe3O4), что приводит к окислению металла под отложениями (температура расплавления отложений (шлака) - 590-880 оС).
В результате указанных процессов стенки экранных труб, обращенных к топке, равномерно утончаются.
Росту температуры металла, при которой соединения ванадия становятся жидкими, способствуют внутренние накипные отложения в трубах. И, таким образом, при достижении температуры предела текучести металла возникает разрыв трубы - следствие совместного действия внешних и внутренних отложений.
Корродируют и детали крепления трубных экранов, а также выступы сварных швов труб - рост температуры на их поверхности ускоряется: они не охлаждаются пароводяной смесью, как трубы.
Мазут может содержать серу (2,0-3,5 %) в виде органических соединений, элементарной серы, сульфата натрия (Na2SO4), попадающего в нефть из пластовых вод. На поверхности металла в таких условиях ванадиевая коррозия сопровождается сульфидно-оксидной. Их совместное действие в наибольшей степени проявляется, когда в отложениях присутствуют 87 % V2O5 и 13 % Na2SO4, что соответствует содержанию в мазуте ванадия и натрия в соотношении 13/1.
Зимой при разогреве мазута паром в емкостях (для облегчения слива) в него дополнительно попадает вода в количестве 0,5-5,0 %. Следствие: увеличивается количество отложений на низкотемпературных поверхностях котла, и, очевидно, растет коррозия мазутопроводов и мазутных емкостей.

Кроме описанной выше схемы разрушения экранных труб котлов, коррозия пароперегревателей, труб фестонов, кипятильных пучков, экономайзеров имеет некоторые особенности из-за повышенных - в некоторых сечениях - скоростей газов, особенно содержащих несгоревшие частицы мазута и отслоившиеся частицы шлака.

Идентификация коррозии
Наружная поверхность труб покрыта плотным эмалевидным слоем отложений серого и темно-серого цвета. На стороне, обращенной в топку, - утончение трубы: плоские участки и неглубокие трещинки в виде «рисок» хорошо видны, если очистить поверхность от отложений и оксидных пленок.
Если труба аварийно разрушена, то видна сквозная продольная неширокая трещина.

Коррозия пылеугольных котлов
В коррозии, образуемой действием продуктов сжигания углей, определяющее значение имеют сера и ее соединения. Кроме того, на течение коррозионных процессов влияют хлориды (в основном NaCl) и соединения щелочных металлов. Наиболее вероятна коррозия при содержании в угле более 3,5 % серы и 0,25 % хлора.
Летучая зола, содержащая щелочные соединения и оксиды серы, отлагается на поверхности металла при температуре 560-730 оС. При этом в результате происходящих реакций образуются щелочные сульфаты, например K3Fe(SO4)3 и Na3Fe(SO4)3. Этот расплавленный шлак, в свою очередь, разрушает (расплавляет) защитный оксидный слой на металле - магнетит (Fe3O4).
Скорость коррозии максимальна при температуре металла 680-730 оС, при ее увеличении скорость уменьшается из-за термического разложения коррозионных веществ.
Наибольшая коррозия - в выходных трубах пароперегревателя, где наиболее высокая температура пара.

Идентификация коррозии
На экранных трубах можно наблюдать плоские участки с обеих сторон трубы, подвергающихся коррозионному разрушению. Эти участки расположены под углом друг к другу 30-45 оС и покрыты слоем отложений. Между ними - сравнительно «чистый» участок, подвергающийся «лобовому» воздействию газового потока.
Отложения состоят из трех слоев: внешний - пористая летучая зола, промежуточный слой - белесые водорастворимые щелочные сульфаты, внутренний слой - блестящие черные оксиды железа (Fe3O4) и сульфиды (FeS).
На низкотемпературных частях котлов - экономайзер, воздухоподогреватель, вытяжной вентилятор - температура металла падает ниже «точки росы» серной кислоты.
При сжигании твердого топлива температура газов уменьшается от 1650 оС в факеле до 120 оС и менее в дымовой трубе.
Из-за охлаждения газов образуется серная кислота в паровой фазе, и при контакте с более холодной поверхностью металла пары конденсируются с образованием жидкой серной кислоты. «Точка росы» серной кислоты - 115-170 оС (может быть и больше - зависит от содержания в газовом потоке паров воды и оксида серы (SO3)).
Процесс описывается реакциями:
S + O2 = SO2 (8)
SO3 + H2O = H2SO4 (9)
H2SO4 + Fe = FeSO4 + H2 (10)
В присутствии оксидов железа и ванадия возможно каталитическое окисление SO3:
2SO2 + O2 = 2SO3 (11)
В некоторых случаях сернокислотная коррозия при сжигании каменного угля менее значима, чем при сжигании бурого, сланца, торфа и даже природного газа - из-за относительно большего выделения водяного пара из них.

Идентификация коррозии
Этот вид коррозии вызывает равномерное разрушение металла. Обычно поверхность шероховатая, с небольшим налетом ржавчины, и похожа на поверхность без коррозионных явлений. При длительном воздействии металл может быть покрыт отложениями продуктов коррозии, которые нужно осторожно снять при обследовании.

Коррозия во время перерывов в эксплуатации
Этот вид коррозии проявляется на экономайзере и в тех местах котла, где наружные поверхности покрыты соединениями серы. При остывании котла температура металла падает ниже «точки росы» и, как описано выше, если есть сернистые отложения, образуется серная кислота. Возможно промежуточное соединение - сернистая кислота (H2SO3), но она очень нестойкая и сразу превращается в серную кислоту.

Идентификация коррозии
Поверхности металла обычно покрыты нанесениями. Если их удалить, то обнаружатся участки разрушения металла, где были сернистые отложения и участки некорродированного металла. Такой внешний вид отличает коррозию на остановленном котле от вышеописанной коррозии металла экономайзера и других «холодных» частей работающего котла.
При обмывке котла коррозионные явления распределены более или менее равномерно по металлической поверхности из-за размывания сернистых отложений и недостаточной осушке поверхностей. При недостаточной обмывке коррозия локализована там, где были сернистые соединения.

Эрозия металла
Эрозийному разрушению металла при определенных условиях подвергаются разные системы котла как с внутренней, так и с наружной стороны обогреваемого металла, и там, где возникают турбулентные потоки с большой скоростью.
Ниже рассматривается только эрозия турбин.
Турбины подвергаются эрозии от ударов твердых частиц и капелек конденсата пара. Твердые частицы (оксиды) отслаиваются от внутренней поверхности пароперегревателей и паропроводов, особенно в условиях переходных тепловых процессов.

Капельки конденсата пара в основном разрушают поверхности лопаток последней ступени турбины и дренажные трубопроводы. Возможно эрозионно-коррозионное воздействие конденсата пара, если конденсат «кислый» - рН ниже пяти единиц. Коррозия также имеет опасный характер при наличии в водяных капельках пара хлоридов (до 12 % от массы отложений) и едкого натра.

Идентификация эрозии
Разрушение металла от ударов капель конденсата наиболее заметно на передних кромках лопаток турбин. Кромки покрыты тонкими поперечными зубцами и канавками (бороздками), могут быть наклонные конические выступы, направленные в сторону ударов. Выступы есть на передних кромках лопаток и почти отсутствуют на их задних плоскостях.
Повреждения от твердых частиц имеют вид разрывов, микровмятин и зазубрин на передних кромках лопаток. Бороздки и наклонные конусы отсутствуют.

Условия, в которых находятся элементы паровых котлов во время эксплуатации, чрезвычайно разнообразны.

Как показали многочисленные коррозионные испытания и промышленные наблюдения, низколегированные и даже аустенитные стали при эксплуатации котлов могут подвер­гаться интенсивной коррозии.

Коррозия металла поверхностей нагрева паровых кот­лов вызывает его преждевременный износ, а иногда приво­дит к серьезным неполадкам и авариям.

Большинство аварийных остановов котлов приходится на сквозные коррозионные поражения экранных, экономай - зерных, пароперегревательных труб и барабанов котлов. Появление даже одного коррозионного свища у прямоточ­ного котла приводит к останову всего блока, что связано с недовыработкой электроэнергии. Коррозия барабанных котлов высокого и сверхвысокого давления стала основной причиной отказов в работе ТЭЦ. 90 % отказов в работе из-за коррозионных повреждений произошло на барабанных котлах давлением 15,5 МПа. Значительное количество кор­розионных повреждений экранных труб солевых отсеков было в"зонах максимальных тепловых нагрузок.

Проведенными специалистами США обследованиями 238 котлов (блоки мощностью от 50 до 600 МВт) было зафиксировано 1719 вне­плановых простоев. Около 2/3 простоев котлов были вызваны коррози­ей, из них 20 % приходилось на коррозию парогенерирующих труб. В США внутренняя коррозия"в 1955 г. была признана серьезной проб­лемой после ввода в эксплуатацию большого числа барабанных котлов давлением 12,5-17 МПа.

К концу 1970 г. около 20 % из 610 таких котлов были поражены коррозией. В основном внутренней коррозии были подвержены экран­ные трубы, а пароперегреватели и экономайзеры поражались ею мень­ше. С улучшением качества питательной воды и переходом на режим координированного фосфатироваиия, с ростом параметров на барабан­ных котлах электростанций США вместо вязких, пластических корро­зионных повреждений происходили внезапные хрупкие разрушения экранных труб. "По состоянию на J970 т. для котлрв давлением 12,5; 14,8 и 17 МПа разрушение труб из-за коррозионных повреждений со­ставило соответственно 30, 33 и 65 % .

По условиям протекания коррозионного процесса раз­личают атмосферную коррозию, протекающую под дейст­вием атмосферных, а также влажных газов; газовую, обу­словленную взаимодействием металла с различными газа­ми - кислородом, хлором и т. д. - при высоких температу­рах, и коррозию в электролитах, в большинстве случаев протекающую в водных растворах.

По характеру коррозионных процессов котельный ме­талл может подвергаться химической и электрохимической коррозии, а также их совместному воздействию.

При эксплуатации поверхностей нагрева паровых кот­лов встречается высокотемпературная газовая коррозия в окислительной и восстановительной атмосферах топоч­ных газов и низкотемпературная электрохимическая кор­розия хвостовых поверхностей нагрева.

Исследованиями установлено, что высокотемператур­ная коррозия поверхностей нагрева наиболее интенсивно протекает лишь при наличии в топочных газах избыточного свободного кислорода и в присутствии расплавленных ок­сидов ванадия.

Высокотемпературная газовая или сульфидная корро­зия в окислительной атмосфере топочных газов поражает трубы ширмовых и конвективных перегревателей, первые ряды кипятильных пучков, металл дистанционирующих проставок между трубами, стойки и подвески.

Высокотемпературная газовая коррозия в восстановит тельной атмосфере наблюдалась на экранных трубах то­почных камер ряда котлов высокого и сверхкритического давления.

Коррозия труб поверхностей нагрева с газовой стороны представляет сложный физико-химический процесс взаимо­действия топочных газов и наружных отложений с окисны - ми пленками и металлом труб. На развитие этого процесса оказывают влияние изменяющиеся во времени интенсивные тепловые потоки и высокие механические напряжения, возникающие от внутреннего давления и самокомпенсации.

На котлах среднего и низкого давления " температура стенки экранов, определяемая температурой кипения воды, ниже, и поэтому этот вид разрушения металла не наблюда­ется.

Коррозия поверхностей нагрева со стороны дымовых газов (внешняя коррозия) есть процесс разрушения метал­ла в результате взаимодействия с продуктами сгорания, агрессивными газами, растворами и расплавами минераль­ных соединений.

Под коррозией металла понимают постепенное разру­шение металла, происходящее вследствие химического или электрохимического воздействия внешней среды.

\ Процессы разрушения металла, являющиеся следствием их непосредственного химического взаимодействия с окру­жающей средой, относятся к химической коррозии.

Химическая коррозия происходит при контакте металла с перегретым паром и сухими газами. Химическую корро­зию в сухих газах называют газовой коррозией.

В топке и газоходах котла газовая коррозия наружной поверхности труб и стоек пароперегревателей происходит под воздействием кислорода, углекислого газа, водяных паров, сернистого и других газов; внутренней поверхности труб - в результате взаимодействия с паром или водой.

Электрохимическая коррозия в отличие от химической характеризуется тем, что протекающие при ней реакции сопровождаются возникновением электрического тока.

Переносчиком электричества в растворах служат ионы, присутствующие в них из-за диссоциации молекул, а в ме­таллах - свободные электроны:

Внутрикотловая поверхность подвержена в основном электрохимической коррозии. По современным представле­ниям ее проявление обусловлено двумя самостоятельными процессами: анодным, при котором ионы металла перехо­дят в раствор в виде гидратироваиных ионов, и катодным, при котором происходит ассимиляция избыточных электро­нов деполяризаторами. Деполяризаторами могут быть ато­мы, ионы, молекулы, которые при этом восстанавливаются.

По внешним признакам различают сплошную (общую) и местную (локальную) формы коррозионных разрушений.

При общей коррозии вся соприкасающаяся поверхность нагрева с агрессивной средой подвергается разъеданию, равномерно утоняясь с внутренней или наружной стороны. При локальной коррозии разрушение происходит на от­дельных участках поверхности, остальная поверхность ме­талла не затрагивается повреждениями.

К местной локальной относят коррозию пятнами, язвен­ную, точечную, межкристаллитную, коррозионное растрес­кивание, коррозионную усталость металла.

Типичный пример разрушения от электрохимической коррозии.

Разрушение с наружной поверхности труб НРЧ 042X5 мм из ста­ли 12Х1МФ котлов ТПП-110 произошло на горизонтальном участке в нижней части подъемно-опускной петли в зоне, примыкающей к подо­вому экрану. На тыльной стороне трубы произошло раскрытие с ма­лым утонением кромок в месте разрушения. Причиной разрушения явилось утонение стенки трубы примерно на 2 мм при коррозии из-за расшлаковки струей воды. После останова котла паропроизводитель - ностью 950 т/ч, отапливаемого пылью антрацитного штыба (жидкое шлакоудаление), давлением 25,5 МПа и температурой перегретого пара 540 °С на трубах оставались мокрый шлак и зола, в которых интенсив­но протекала электрохимическая коррозия. Снаружи труба была по­крыта толстым слоем бурой гидроокиси железа Внутренний диаметр труб находился в пределах допусков на трубы котлов высокого и сверх­высокого давления. Размеры по наружному диаметру имеют отклоне­ния, выходящие за пределы минусового допуска: минимальный наруж­ный диаметр. составил 39 мм при минимально допустимом 41,7 мм. Толщина стенки вблизи места разрушения от коррозии составляла все­го 3,1 мм при номинальной толщине трубы 5 мм.

Микроструктура металла однородна по длине и окружности. На внутренней поверхности трубы имеется обезуглераженный слой, обра­зовавшийся при окислении трубы в процессе термической обработки. На наружной стороне такой слой отсутствует.

Обследования труб НРЧ после первого разрыва позволило выяс­нить причину разрушения. Было принято решение о замене НРЧ и об изменении технологии расшлаковки. В данном случае электрохимиче­ская коррозия протекала из-за наличия тонкой пленки электролита.

Язвенная коррозия протекает интенсивно на отдельных небольших участках поверхности, но часто на значитель­ную глубину. При диаметре язвин порядка 0,2-1 мм ее называют точечной.

В местах, где образуются язвины, со временем могут образоваться свищи. Язвины часто заполняются продукта­ми коррозии, вследствие чего не всегда их удается обнару­жить. Примером может служить разрушение труб стально­го экономайзера при плохой деаэрации питательной воды и низких скоростях движения воды в трубах.

Несмотря на то что поражена значительная часть ме­талла труб, из-за сквозных свищей приходится полностью заменять змеевики экономайзера.

Металл паровых котлов подвергается следующим опас­ным видам коррозии: кислородной коррозии во время ра­боты котлов и нахождения их в ремонте; межкристаллит - ной коррозии в местах упаривания котловой воды; парово­дяной коррозии; коррозионному растрескиванию элементов котлов, изготовленных из аустенитных сталей; подшламо - вой коррозии. Краткая характеристика указанных видов коррозии металла котлов приведена в табл. ЮЛ.

В процессе работы котлов различают коррозию метал­ла - коррозию под нагрузкой и стояночную коррозию.

Коррозии под нагрузкой наиболее подвержены обогре-. ваемые котельные элементы, контактирующие с двухфаз­ной средой, т. е. экранные и кипятильные трубы. Внутрен­няя поверхность экономайзеров и перегревателей при работе котлов поражается коррозией меньше. Коррозия под нагрузкой протекает и в обескислороженной среде.

Стояночная коррозия проявляется в недренируемых. элементах вертикальных змеевиков перегревателей, провис­ших трубах горизонтальных змеевиков перегревателей