CC BY
272
УДК 621.181.27
П. В. Яковлев, Н. Н. Панасенко
БЕЗОПАСНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ СУДОВЫХ ПАРОВЫХ КОТЛОВ, ОТРАБОТАВШИХ НОРМАТИВНЫЙ СРОК СЛУЖБЫ
Общие положения
В настоящее время паровые котлы успешно используются на судах наливного флота для поддержания температуры нефтепродуктов, на рыбопромысловых судах для решения задач рыбопереработки, а также на пассажирских судах для целей отопления и горячего водоснабжения. Значительный возраст флота, находящегося в эксплуатации, обусловливает необходимость обоснованной оценки безопасности и соответствия современным требованиям Регистра действующего оборудования и механизмов судов, отработавших нормативный срок службы, в том числе паровых котлов, который для стационарных паровых котлов составляет 24 года [1].
Событием, изменившим подход к оценке безопасности паровых котлов, можно назвать взрыв парового котла пассажирского теплохода «К. Э. Циолковский» 12 июля 2001 г. в Санкт-Петербурге во время туристического круиза, закончившегося пожаром и последующим затоплением теплохода. Выполненную после этого Регистром и экспертными организациями работу по освидетельствованию аналогичных эксплуатируемых паровых котлов следует считать своевременной и оправданной. Настоящий анализ особенностей освидетельствования и эксплуатации судовых паровых котлов сделан на основе результатов освидетельствований, проведенных ООО НПП «Подъемные сооружения» вертикального огнетрубного парового котла (далее - котла) пассажирского теплохода «Александр Невский», аналогичного котлу теплохода «К. Э. Циолковский» [2], изготовленного в 1956 г. котельным заводом «ФЕБ Дамифкессельбау» (г. Дрезден, зав. № 10079), с фактическим сроком службы 53 года.
Пассажирские суда проекта 588 были построены и начинали эксплуатироваться в 50-е гг. XX в., и срок их эксплуатации превышает 50 лет. За это время изменились требования Регистра, неизбежен моральный и физический износ котельных устройств, менялись условия и режимы их эксплуатации, в связи с чем решение вопроса о возможности дальнейшей безопасной эксплуатации парового котла теплохода «Александр Невский» потребовало комплексной оценки по формальным и эксплуатационно-техническим параметрам освидетельствования на основе действующей нормативной базы [3-6].
Соответствие требованиям Регистра
В части соответствия требованиям Регистра [3-5] следует выделить вопросы конструктивного решения котла, технологии изготовления и приемки основных конструктивных элементов котлов, а также оснащения их приборами безопасности. Анализ эксплуатационной документации показал, что заложенные в основу конструкции котла решения соответствуют действующим требованиям [3-5, 7, 8], а по ряду показателей и по запасам прочности их превосходят. Так, при приемке котла гидроиспытания проводились трехкратным рабочим давлением, что значительно превосходит современные требования. Контролируемые параметры по исполнению элементов котла также соответствуют требованиям Регистра. Вместе с тем отсутствие у котлов современной системы автоматики и приборов безопасности недопустимо в соответствии с п. 8.15 Регистра. Примечательно, что в 70-е гг. XX в. были предприняты попытки оснащения паровых котлов системами автоматического регулирования и защиты, но крайне низкая надежность этих систем делала эксплуатацию котлов с их использованием более опасной, чем в ручном режиме, что и констатировалось неоднократно надзорными органами Регистра. Необходимо также отметить, что одной из основных причин взрыва котла на теплоходе «К. Э. Циолковский» было отсутствие приборов безопасности системы автоматической защиты по факелу, уровню воды в котле, подаче воздуха в топку и давлению пара, что противоречило п. 12.5.2 Регистра «Правила освидетельствования судов в эксплуатации (ПОСЭ)» [5] и инструктивному письму Регистра № 08-05-517 от 20.02.2009 г. «План-график реализации мероприятий по повышению противопожарной безопасности пассажирских судов с паровыми котлами». Учитывая возможные последствия нарушений требований Регистра в части оснащения паровых котлов средствами
автоматики, следует обратить особое внимание на соответствие их современным требованиям и работоспособности систем управления, регулирования, сигнализации и защиты, установленных на котлах заводом-изготовителем.
Анализ документации и особенности эксплуатации паровых котлов пассажирских теплоходов
Анализируя эксплуатационную документацию, можно выделить четыре периода, по которым необходима подробная информация для оценки остаточного ресурса котла [8]. До начала 80-х гг. XX в. к судовым котлам предъявлялись жесткие требования по условиям безопасности. В это время регулярно проводилось их технические обслуживание и очистка, котлы оснащались современными для того времени системами и средствами автоматики. Для оценки современного состояния котла по этому периоду необходима полная информация о применяемых технологиях щелочения и кислотных промывках [9] с позиции их влияния на структуру металла и разработанных рекомендациях по условиям дальнейшей эксплуатации и обслуживания котла. За время эксплуатации до 80-х гг. паровые котлы подтвердили заложенные в них запасы прочности и надежности [10]. 80-е гг. характеризуются формальным подходом к техническому освидетельствованию котлов - сохранилось только их текущее обслуживание силами судовой команды. При анализе документации за этот период наиболее важной оказалась информация о нештатных ситуациях, таких как упуск воды, толщина накипи и т. п. для разработки программы внутреннего освидетельствования с выбором элементов для тщательного их контроля. 90-е гг. XX в. характеризуются минимумом информации об условиях эксплуатации и обслуживания котлов. При анализе возможных проблем было признано целесообразным ориентироваться на результаты последних внутренних освидетельствований [10] с прогнозом потенциального ухудшения выявленных ранее дефектов, предполагая минимально необходимое обслуживание котлов. После 2000 г. ситуация с обслуживанием и освидетельствованием котлов начинает улучшаться, что подтверждается настоящей работой, в результате чего получена необходимая информация об истинном состоянии котлов, которая и стала отправной для разработки программы освидетельствования котла теплохода «Александр Невский».
Анализ показал, что реальные режимы работы котлов отличаются от паспортных. Так, например, на пассажирских теплоходах потребление тепловой энергии значительно меняется во время рейса. Малые расходы пара на кратковременных стоянках чередуются с пиковыми нагрузками во время обслуживания пассажиров. Показателен факт взрыва котла на теплоходе «К. Э. Циолковский» во время стоянки, когда котел работал на долевом режиме, близком к его полной остановке. С учетом этого факта работа котла с минимальной нагрузкой была определена как наиболее опасная, вследствие чего может быть рекомендована полная остановка котла в этих случаях. Кроме того, долевые режимы работы наименее эффективны в части полноты сгорания топлива, а это, в свою очередь, отражается на его КПД. Кроме того, при сжигании высокосернистых мазутов существует опасность конденсации водяных паров на хвостовых поверхностях нагрева с последующей коррозией указанных элементов. В связи с этим, при освидетельствовании котла теплохода «Александр Невский», особое внимание обращалось на следы кислотной коррозии на хвостовых поверхностях для оценки реальных режимов работы котла и разработки рекомендаций по его дальнейшей эксплуатации [8].
Общее техническое состояние конструкционных элементов
Состояние конструкционных элементов котла определяет безопасность его эксплуатации при соблюдении паспортных режимов работы. Особое значение это имеет для огнетрубных котлов, представляющих наибольшую опасность в случае их разрушения. Наиболее ответственным элементом огнетрубного котла является жаровая труба (рис. 1), находящаяся под прямым воздействием пламени и высоких температур. Будучи нагруженная внешним давлением, оболочка работает на устойчивость, чем обусловлены жесткие нормы, устанавливаемые Регистром [5] на деформацию жаровой трубы.
Плоскость зомерой- 200 мм
]Г
Рис. 1. Схема обмера жаровой трубы огнетрубного котла теплохода «Александр Невский» (обмуровка не показана)
Следует указать, что деформация жаровой трубы происходит при форсировке котла с превышением теплового напряжения топки, при перекосе факела, а также при разрушении обмуровки котла. В связи с этим выявление возможных дефектов начиналось с детального осмотра обмуровки с выявлением зон её перегрева и фиксацией мест локального перегрева. Налет сажи на внутренних поверхностях топки и элементов обмуровки свидетельствует о длительной работе котла на долевых режимах, что, как отмечалось выше, может быть причиной коррозионного износа хвостовых поверхностей. Значительное количество сажи свидетельствует о нарушении режима горения топлива, что потребовало детальной проверки топочного устройства. В качестве примера на рис. 2 приведен вид трубной решетки огнетрубного котла теплохода «Александр Невский», работавшего длительное время на долевых режимах.
Рис. 2. Налет сажи на трубной решетке при работе котла на долевых режимах (см. вид А2 на рис. 1)
Заметим, что обмер жаровой трубы котлов пассажирских теплоходов проекта 588 в точном соответствии с правилами Регистра затруднен в связи с её сложной формой, включающей в себя трубную решетку, поэтому определение отклонения от геометрической формы верхней части жаровой трубы может быть рекомендовано измерением параллельности трубной доски и образующей трубы.
Внутреннее освидетельствование вертикального огнетрубного парового котла теплохода «Александр Невский» не выявило отклонений геометрической формы, превышающих допустимые отклонения, установленные Регистром. Неразрушающий контроль 100 % сварных швов жаровой трубы ультразвуковым методом и методом визуального измерительного контроля, согласно требованиям [11, 12], также не выявил дефектов, ограничивающих возможность дальнейшей эксплуатации котла. Выявленные наплывы и чешуйчатость сварного шва 3^5 мм в верхней части жаровой трубы (рис. 3) не снижают прочность элемента в целом, но даны рекомендации по систематическому наблюдению за дефектом, который предположительно связан с технологией изготовления котла и может быть распространен на аналогичных котлах, что позволяет рекомендовать обязательный осмотр этого элемента при освидетельствовании на аналогичных котлах.
Рис. 3. Дефекты сварного шва жаровой трубы (см. вид А3 на рис. 1)
Как отмечалось выше, обслуживание котлов в последнее время производится преимущественно силами судовой команды, в результате чего очистка котлов производится не в достаточной степени [9]. Как показали результаты освидетельствования котла теплохода «Александр Невский», толщина накипи дымогарных труб превышает допустимые значения (рис. 4) и достигает 5^7 мм. Этот дефект приводит к снижению паропроизводительности котла и, что более важно, к перегреву металла труб с их возможным разрушением.
Рис. 4. Накипь на внешней стороне дымогарных труб (см. вид А4 на рис.1)
При этом установлено, что слой накипи имеет различную толщину на элементах котла. Так, например, существенного слоя накипи на жаровой трубе не выявлено. При работе котла жаровая труба деформируется под действием разности температур и давлений, а это приводит к самоочистке, что хорошо заметно по чешуйчатой структуре накипи и количеству шлама при нижней продувке котла.
К возможным дефектам, требующим особого внимания при освидетельствовании котлов с длительным сроком службы, следует отнести следы пропаривания и подтеканий, при этом следует учитывать, что подтекание в зоне лючков проявляется очагами коррозии и выявляется визуально, а пропаривание влияет на внутреннюю структуру металла элементов котла, являясь более опасным дефектом [10].
Ограничение эксплуатационных параметров паровых котлов
По результатам внутреннего освидетельствования Регистром определены предельные отклонения геометрической формы, и при наличии овальности (проседания) жаровой трубы необходим расчет допустимого давления, который может быть выполнен по формуле [13]:
г т г т5 -С 1
[ Р] = [а]—-----—-—,
Рр 1 + К Рр а
400 5 - с Рр +1
где К = 3,10 - для горизонтальных жаровых труб; К = 1,85 - для вертикальных жаровых труб; [а] - номинальное допускаемое напряжение при расчетной температуре стенки, МПа; 5 - номинальная толщина стенки, мм; с - суммарная прибавка к расчетной толщине стенки, мм; а - коэффициент некруглости; Рр - диаметр жаровой трубы; Ьр - длина жаровой трубы.
Как отмечалось выше, общее техническое состояние основных элементов паровых котлов пассажирских судов проекта 588 можно охарактеризовать как годное. Ограничения устанавливаются, в основном, в связи с длительным сроком их службы и возможностью накопления скрытых дефектов в элементах котла, недоступных для осмотра.
Целесообразность замены, реконструкции и дальнейшей эксплуатации судовых паровых котлов
В связи с длительным сроком службы паровых котлов, установленных на пассажирских теплоходах, в качестве одного из решений предлагалась замена котлов на новые. При этом возможна замена на водогрейные или современные паровые водотрубные котлы [14]. Каждый из них имеет недостатки, ограничивающие возможность замены. Так, водогрейные котлы работают при низких давлениях, но возможность «хлопка» при отрыве факела не исключена и при использовании этого типа котлов. Кроме того, водогрейные котлы имеют существенно меньший ресурс и надежность по сравнению с паровыми котлами, что может потребовать установки не одного, а двух котлов в ограниченном пространстве машинного отделения теплохода, отличия весовых характеристик и т. п.
Паровые водотрубные котлы обладают малой тепловой инерцией по сравнению с огнетрубными котлами, что в условиях существующих переменных нагрузок на судне может привести к значительным колебаниям давления и, как следствие, возникновению аварийных ситуаций, аналогичных произошедшей на теплоходе «К. Э. Циолковский». Это также не позволяет рекомендовать замену существующих огнетрубных котлов на современные водотрубные, как менее приспособленные к данным условиям эксплуатации.
Выводы
Результаты внутренних освидетельствований паровых котлов пассажирских теплоходов показали возможность их дальнейшей эксплуатации при ограничении давления в соответствии с распоряжение МГУ РРР №08-05-517 от 20.02.2003 г. [2]. Опыт эксплуатации показывает высокую надежность и эксплуатационные характеристики паровых котлов при строгом соблюдении требований Регистра [3-5] и своевременных квалифицированном обслуживании и внутренних освидетельствованиях [6].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. РД 34.17.435-95. Методические указания о техническом диагностировании котлов с рабочим давлением до 4,0 МПа. - М., 1995.
2. Сборник директивных и инструктивных документов / Российский Речной Регистр. - М.: Изд-во МАИ, 2007. - 196 с.
3. Российский речной регистр: в 4 т. Т. 3. Правила классификации и постройки судов внутреннего плавания (ПСВП). Ч. II «Энергетические установки и системы». - М.: Российский Речной Регистр, 2008. - 1430 с.
4. Российский речной регистр: в 4 т. Т. 2. Правила классификации и постройки судов внутреннего плавания (ПСВП). Ч. V «Материалы и сварка». - М.: Российский Речной Регистр, 2008. - 1430 с.
5. Российский речной регистр: в 4 т. Т. 1. Правила освидетельствования судов в эксплуатации (ПОСЭ) и Правила технического наблюдения за постройкой судов и изготовлением материалов и изделий (ПТНП). - М.: Российский Речной Регистр, 2008. - 1430 с.
6. РД 10-210-98. Методические указания по проведению технического освидетельствования металлоконструкций паровых и водогрейных котлов.
7. ПБ 10-574-03. Правила устройства и эксплуатации паровых и водогрейных котлов. - М.: НПО ОБТ, 1993. - 82 с.
8. РД 03-421-01. Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов.
9. РД 10-165-97. Методические указания по надзору за водно-химическим режимом паровых и водогрейных котлов.
10. РД 03-29-93. Методические указания по проведению технического освидетельствования паровых и водогрейных котлов, сосудов, работающих под давлением, трубопроводов пара и горячей воды.
11. РД 03-606-03. Инструкция по визуальному и измерительному контролю.
12. РД 10-69-94. Типовые технические условия на ремонт паровых и водогрейных котлов промышленной энергетики.
13. РД 10-249-98. Нормы расчета на прочность стационарных паровых и водогрейных котлов и трубопроводов пара и горячей воды (с изм. 1-РДИ 10-413(249)-01).
14. РД 10-235-98. Инструкция по надзору за изготовлением, монтажом и ремонтов объектов котлонадзора.
Статья поступила в редакцию 27.01.2010
SAFE EXPLOITATION OF SHIP STEAM-BOILERS WORKED FOR NORMATIVE SERVICE TERM
P. V. Yakovlev, N. N. Panasenko
The analysis of conformity of ship steam-boiler descriptions to the requirements of Register is executed. The operating conditions for all period of work have been analyzed. The typical problems affecting planning of repair works and current maintenance of boiler, and also possibilities of extension of the term of its exploitation have been defined.
Key words: steam-boiler, industrial safety, ship.
