CC BY
65
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кириллов, И.И. Выбор оптимальных геометрических параметров осевых малорасходных турбин [Текст] / И.И. Кириллов, J1.C. Гринкруг, O.E. Куприянов, В.А. Рассохин // Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их решение: Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конф. (28-29 января 1987 г.)."- Л., 1987.— С. 118-119.
2. Рассохин, В.А. Турбины конструкции ЛПИ: преимущества, характеристики, опыт разработки и применение [Текст] / В.А. Рассохин // Энергомашиностроение. Труды СПбГПУ,— N°491. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2004,— С. 152—161.
3. Беседин, С.Н. Стенд для исследования высокооборотных модельных ступеней малорасходных турбин конструкции ЛПИ [Текст] / С.Н. Беседин, H.A. Забелин, Ю.В. Матвеев [и др.] // Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке: Материалы XVII Междунар. научно-метод. конф. 11 — 12 февраля 2010 года, СПб.- Том 1,- СПб.: Изд-во Поли-
технического университета, 2010.
4. Галаев, С.А. Численное моделирование течения вязкого газа в решетках осевых турбомашин: методика и результаты применения современных программных средств |Текст|: Дис. ... канд. техн. наук / С.А. Галаев,- СПб., 2006,- 166 с.
5. Смирнов, Е.М. Течения вязкой жидкости и модели турбулентности: методы расчета турбулентных течений [Текст] / Е.М. Смирнов, А.В. Гар-барук,— СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2007,— 127 с.
6. Smirnov, Р.Е. Sensitization of the SST turbulence model to rotation and curvature by applying the Spalart-Shur correction terni |Текст] / PE. Smirnov, F.R. Men-ter // ASME.— Paper (GT2008-50480).- 2008.— P. 1-8.
7. Епифанов, A A. Расчет трехмерного течения в ступенях малорасходных турбин [Текст] / АА Епифанов, АИ. Кириллов, В.А. Рассохин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер.: Наука и образование,- 2012. № 1 (142).- С. 65-70. "
УДК 621.311.22
Г. В. Василенко, Н.Т. Амосов
ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ СЕТЕВЫХ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГОБЛОКА Т-180-130 И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ИХ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ
Почти сорокалетний опыт эксплуатации горизонтальных сетевых подогревателей ПСГ-5000 турбоустановок Т-250/300-240 ТМЗ, оснащаемых трубной системой из аустенитной нержавеющей стали 12X18 Н ЮТ, свидетельствует о систематических повреждениях трубных пучков ПСГ-2 и подтверждает склонность стали к коррозионному растрескиванию под напряжением [11]. Это приводит к необходимости массового глушения трубок либо их полной замены. Поданным [1, 7,10] замена трубных пучков подогревателей осуществляется через 5—9 лет. Наработка ПСГ-2 до первых повреждений составляет 12—15 тыс. часов, а массовое разрушение наступало, например, на Южной ТЭЦ Санкт-Петербурга через 20 тыс. ч, на ТЭЦ-22 Моск-
вы — через 24 тыс. ч, в Киеве на ТЭЦ-5 — через 38 тыс. ч и ТЭЦ-6 — через 30 тыс. ч.
В 2006 году на Правобережной ТЭЦ ОАО «ТГК-1» был введен в эксплуатацию энергоблок с турбоустановкой Т-180/210-130 производства Л МЗ, которая оснащена аналогичными сетевыми подогревателями ПСГ-5000. И уже в первый период эксплуатации в ПСГ-2 пришлось заглушить значительное количество трубок для предотвращения присосов сетевой воды в цикл энергоустановки.
Повреждения обычно наблюдаются с паровой стороны. Трещины, расположенные по длине трубок (между трубными досками), имеют, как правило, межкристаллитный характер и ветвистый вид «паука», а трещины в районе труб-
ных досок — транскристаллитный характер и расположены поперек трубок. Редко наблюдаются косые трещины под углом к продольной оси трубок.
Причины возникновения трещин межкрис-таллитного характера рассматривались в многочисленных работах ВТИ, МЭИ, ЦКТИ и других организаций, в то время как причины образования сквозных поперечных трещин и их локализации в районе трубных досок практически не изучены. Настоящая статья и призвана ликвидировать существующий пробел.
Повреждения трубок ПСГ-2 турбоустановок Т-250/300-240
Анализ характера повреждений и условий их возникновения свидетельствует о следующем:
1. Температура металла трубок существенно влияет на скорость процесса растрескивания под напряжением [6]. Поэтому максимальная повреждаемость трубок наблюдается в ПСГ-2, а в пределах аппарата — в последнем, четвертом ходе сетевой воды. Локальное увеличение теплового потока в зоне паровпусков (четвертый ход) приводит к дополнительному повышению температуры металла примерно в четырех рядах периферийных трубок и интенсификации их повреждений в этой зоне.
2. Растрескивание аустенитной нержавеющей стали происходит в результате совместного воздействия механических напряжений и коррозионной среды.
Наихудшая компенсация температурных расширений и максимальные растягивающие напряжения характерны для горизонтальных подогревателей ПСГ-5000 с фиксированными трубными досками, а наилучшая компенсация — в подогревателях ПНД с и-образными трубками из аналогичной стали. В подогревателях с и-образными трубками повреждения отсутствуют.
Появление коррозионной среды возможно при конденсации пара из-за интенсивного перехода коррозионно-агрессивных примесей из пара в образующийся конденсат, прежде всего в его первые порции — так называемый первоначальный конденсат, в котором примеси максимально концентрированы.
Наиболее негативным коррозионным агентом считаются хлориды. Однако их влияние оценивается неоднозначно по следующим причинам [ 1 ]:
во-первых, влияние хлоридов может наблюдаться только в кислой среде;
во-вторых, это влияние фиксируется при превышении некоторой минимальной — критической — концентрации (10 мг/дм~ и более в зависимости от температуры). Однако данные промышленных исследований свидетельствуют, что фактическая концентрация хлоридов в первоначальном конденсате существенно ниже критического значения и не превышает 0,1 мг/дм~;
в-третьих, в сетевой воде содержание хлоридов более чем на два порядка превышает их концентрацию в первоначальном конденсате, вместе с тем повреждения трубок ПСГ-5000 происходят преимущественно с паровой стороны, а не с водяной.
3. Более существенно влияние показателя рН образующегося конденсата, поскольку прочностные характеристики нержавеющей стали ухудшаются при значениях рН менее 7,0, т. е. в кислой среде [2].
С повышенным содержанием органических соединений в источнике водоснабжения связывают, например, значительную повреждаемость трубных систем ПСГ-2 на энергоблоках ТЭЦ-22 и ТЭЦ-26 Мосэнерго [10, 3, 8]. Водоснабжение и подпитка этих энергоблоков осуществляются от водозаборов Москвы-реки, расположенных ниже сбросов в нее городских и производственных сточных вод. Наличие в исходной воде органических веществ, которые с трудом задерживаются системой фильтров на электростанции, приводит в результате их термолиза при высокой температуре к образованию органических кислот (уксусная, муравьиная и др.). Поступая с паром в сетевой подогреватель, органические кислоты и обусловливают пониженные значения рН конденсата, образующегося на трубках при конденсации пара.
С другой стороны, на ТЭ Ц-21 и ТЭ Ц-23, водозабор которых расположен выше сброса сточных вод в Москву-реку, не было случаев существенной повреждаемости трубок ПСГ-2.
4. При превалирующем (над напряжением) влиянии коррозионной среды возникающие трещины имеют ветвистый — межкристаллитный — характер. Подобные трещины наблюдаются обычно по всей длине трубок.
Если же растягивающие напряжения превалируют над коррозионной средой, то трещины развиваются в поперечном направлении и име-
ют транскристалл итный характер без значительной разветвленное™.
Достаточно редкая разновидность транскри-сталлитного разрушения — трещины, направленные под углом к продольной оси трубки — по плоскостям скольжения [12].
На ТЭЦ-22 Мосэнерго, неблагополучной по качеству воды водоисточника, отмечены [10, 8] все три типа повреждений:
по длине трубок — трещины типа «паук»; у трубных досок на расстоянии до 200 мм — поперечные трещины протяженностью до 7 мм, расположенные со стороны противоположной натеканию пара;
косые трещины под углом около 10° к оси трубки, длиной до 20 мм — со стороны натека-ния пара.
Повреждения трубок ПСГ-2 турбоустановки Т-180/210-130
Трубный пучок сетевого подогревателя ПСГ-5000-3,5-8-2 изготовлен из аустенитной нержавеющей стали 12X18НЮТ и включает 7100 трубок диаметром 25x1 мм, длиной 9000 мм, фиксируемых в трубных досках вальцовкой.
Схема ПСГ-2 имеет особенность, заключающуюся в том, что подогреватель не отключается по пару — соответствующие задвижки не предусмотрены проектом. Кроме того, для так называемого режима «консервации» (т. е. при отключении ПСГ-2 по сетевой воде) заводом-изготовителем установлен чрезвычайно низкий расход сетевой воды — примерно 5 т/ч (через байпасную линию диаметром 20 мм у запорного клапана на входе в ПСГ-2).
Энергоблок оснащен блочной обессоливающей установкой, благодаря чему качество пара стабильно отвечает нормативным требованиям. Согласно результатам специально проведенного исследования величина рН первоначального конденсата при влажности 5 % также имеет благоприятное щелочное значение 8,6.
Вместе с тем уже в первый период эксплуатации (8000 часов) потребовалось заглушить значительное количество трубок в четвертом и третьем ходах ПСГ-2 для предотвращения присосов сетевой воды в цикл энергоблока.
Анализ ситуации за этот период времени показывал, что предположение о повреждении металла трубок приходилось исключить по следующим причинам:
1. Согласно статистическим данным по эксплуатации аналогичных подогревателей на тур-боустановках Т-250/300—240 латентный период накопления микроповреждений в металле трубок (в результате коррозии под напряжением) имеет существенно большую продолжительность, и первые визуально наблюдаемые случаи растрескивания трубок фиксируются лишь через 12-15 тыс. часов.
2. Формуляр глушения трубок свидетельствовал о существенном отличии картины от соответствующих данных по энергоблокам Т-250: в то время как на энергоблоках Т-250 имеет место достаточно четкая локализация повреждений в нескольких периферийных рядах трубок четвертого хода в районе паровпусков, в ПСГ-2 энергоблока Т-180 в зоне паровпусков повреждения отсутствовали, а заглушенные трубки достаточно равномерно располагались по сечению четвертого и третьего ходов.
3. Результаты оценочного расчета растягивающих напряжений в металле трубок четвертого хода при работе подогревателя свидетельствуют, что напряжения находятся на низком уровне (порядка 560 кгс/см2) по сравнению с пределом текучести 2200 кгс/см'1 и тем более с временным сопротивлением на разрыв (5400 кгс/см2). Поэтому трудно ожидать, чтобы статические усилия в трубках при работе аппарата могли привести к их растрескиванию и тем более к разрыву.
4. Специально выбитая из четвертого хода подогревателя (ранее заглушённая) трубка в периферийной части трубного пучка не имела повреждений.
Исходя из изложенных фактических данных было высказано предположение о том, что причину нарушения гидравлической плотности ПСГ-2 следует искать в развальцовке соединений трубок с трубными досками.
Опыт эксплуатации теплообменных аппаратов показывает, что при стационарном режиме обеспечивается длительная работоспособность вальцовочных соединений.
Вместе с тем при эксплуатации подогревателей возможны нестандартные ситуации, которые могут приводить к развальцовке трубных пучков. Известно, например, что чрезмерно быстрый прогрев подогревателей при пуске может приводить к развитию высоких напряжений и разуплотнению вальцовочных соединений.
Приведем характерное суждение, сформулированное в работе [5]: «Статические усилия в трубках и вальцовочных соединениях существенно меньше предельно допустимых нагрузок, вызывающих разрыв трубок или разгерметизацию вальцовочных соединений. Однако при достаточном числе циклов знакопеременных нагрузок гарантировать сохранение герметичности вальцовочных соединений невозможно».
В последующий период эксплуатации ПСГ-2 (ПСГ-5000) было зафиксировано появление сквозных поперечных трещин в трубках четвертого и третьего ходов в районе, непосредственно прилегающем к трубным доскам — на расстоянии до 150 мм.
Подобное явление, на наш взгляд, обусловлено тем, что при включении подогревателя в работу из режима «консервации» возникает тепловой (термический) «удар», при котором согласно закону сохранения импульса силы из-за скоротечности процесса в металле трубок должно развиваться значительное растягивающее напряжение, оно и может приводить к образованию трещин и разгерметизации вальцовочных соединений.
Действительно, в режиме «консервации» при регламентированном чрезвычайно низком расходе сетевой воды через ПСГ-2 (5 т/ч) четвертый ход подогревателя практически не заполнен водой, учитывая, что примерный расход воды через одну трубку при номинальном расходе составляет 6000 т/ч. При отсутствии отключающих задвижек и свободном поступлении пара в подогреватель трубки этого хода нагреваются до температуры греющего пара 150 °С.
При последующем включении подогревателя в работу вода из ПСГ-1 с температурой около 75 °С поступает в ПСГ-2 и при номинальном расходе за 20—30 секунд проходит весь подогрева-
тель, или за 5—6 секунд — четвертый ход, охлаждая его трубки примерно на 50 "С (150°-100° = = 50°; здесь 100° — температура сетевой воды на выходе из ПСГ-2). При этом скорость охлаждения трубок оказывается экстремально высокой и составляет 50°/5сек= 10°/сек, или600°/мин(Ш) при регламентируемом правилами темпе разогрева и охлаждения корпусов подогревателей, турбин и барабанов котлов 2—3°/мин.
Подчеркнем, что при этом изменяется и знак напряжений в материале трубок — вместо сжимающих напряжений в режиме «консервации» появляются растягивающие напряжения.
В результате накопления неупругих деформаций усталости под действием больших знакопеременных напряжений в металле появляются микротрещины, которые затем (по мере возрастания количества пусков) начинают интенсивно развиваться. Из таблицы видно, что глушение трубок четвертого хода приобретает лавинообразный характер при наработке более 20 тыс. часов (более 50 пусков). При каждом последующем останове для ликвидации прососов приходится заглушать десятки трубок, что свидетельствует об исчерпании их ресурса, а выведенная из работы поверхность теплообмена в этом ходе превышает допустимые 10 % и ограничивает расход сетевой воды через подогреватель. Эти обстоятельства диктуют необходимость замены трубок четвертого хода.
Можно полагать, что при включении подогревателя в работу подобные знакопеременные напряжения испытывают и трубки третьего хода, поскольку наблюдается нарушение плотности их вальцовочных соединений с трубными досками и образование трещин в трубках.
Трубкам первого хода присущи минимальные изменения температуры и они всегда — как
Показатели, характеризующие исчерпание ресурса трубок в четвертом ходе ПСг-2
Значения параметра, зафиксированные при остановах ПСГ
Название параметра для ликвидации отсосов в течение дух лет
1.08.2008 12.10.2009 12-24.04.2010 16.05.2010 9.08.2010 12.10.2010
Количество трубок:
новых 17 27 14 50 29 57
всего 17 44 58 108 137 194
Наработка, час. 8223 16627 20319 20779 22387 23531
Количество пусков 29 30 53 54 59 63
при работе , так и в режиме «консервации» — подвержены растягивающим напряжениям, причем достаточно близким по величине: соответственно 1220 и900 кгс/см'1. Поэтому для трубного пучка первого хода не характерны рассмотренные выше дефекты.
Если исходить из изложенных представлений о механизме повреждений, то для предупреждения нарушений плотности вальцовочных соединений и появления трещин в трубках возле трубных досок следует максимально увеличить расход сетевой воды через ПСГ-2 в режиме «консервации». Данная рекомендация позволит исключить саму возможность экстремального повышения температуры трубок при этом режиме (и последующего резкого ее снижения при включении подогревателя в работу).
Специфическая проблема образования поперечных трещин возле трубных досок требует специального рассмотрения. Однако можно полагать, что в зонах, непосредственно прилегающих к трубным доскам, т. е. к жесткому защемлению трубок, существуют условия «стесненных деформации элементов сечений труб» [4], вследствие чего эти зоны максимально воспринимают повышенные и тем более динамически воздействующие напряжения (в отличие от последующих протяженных участков трубок, где обеспечивается возможность увеличения деформаций).
Выводы и рекомендации
1. Обобщение длительного опыта эксплуатации сетевых подогревателей ПСГ-5000 с трубной системой из аустенитной нержавеющей стали 12X18НЮТ подтверждает, что данная сталь склонна к коррозионному растрескиванию под напряжением.
2. При превалирующем влиянии коррозионного фактора растрескивание металла имеет
межкристаллитный, ветвистый характер типа «паук» и наблюдается по всей длине трубок (первые повреждения наблюдаются через 12—15 тыс. часов, массовые — через 20—25 тыс. часов). Такой тип повреждений наиболее характерен. Для его предупреждения перспективно применение аустенито-ферритной стали, существенно более стойкой против коррозионного растрескивания под напряжением [9].
3. Если решающее значение имеет уровень напряжений, то образуются поперечные трещины транскристаллитного характера в зоне фиксации трубок в трубных досках — на участке до 150-200 мм.
При уровне напряжений, достигающем предела текучести металла, возможно нарушение гидравлической плотности вальцовочных соединений.
4. В ПСГ-2 энергоблока Т-180/2 Ю-130 нарушение гидравлической плотности вальцовочных соединений и образование трещин в трубках из аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т в районе трубных досок связаны с явлением тепловых «ударов». Тепловые «удары» возникают при включении подогревателя ПСГ-2 в работу из режима «консервации» (с крайне низким расходом сетевой воды — 5 т/ч). При этом скорость изменения температуры металла трубок четвертого хода достигает экстремально высоких значений — 600 град/мин (при регламентируемой скорости 2—3 °/мин)-
5. Для предупреждения указанных явлений:
следует изменить режим эксплуатации
ПСГ-2, максимально увеличив расход сетевой воды через подогреватель в режиме его «консервации»;
целесообразна установка на трубопроводах греющего пара надежных отключающих задвижек.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Василенко, Г.В. Обеспечение надежности трубной системы сетевого подогревателя ПСГ-5000 [Текст] / Г.В. Василенко, И.М. Мещеряков // Теплоэнергетика,— 2010. N° 1,— С. 40-44.
2. Василенко, Г.В. Химия воды и пара в энергетических установках тепловых электростанций [Текст] / Г.В. Василенко, В.И. Зарембо // СПб.: Стратегия, 2007,— 352 с.
3. Лунин, И.А. Влияние условий эксплуатации сетевых подогревателей турбин Т-250/300-23,5 ТМЗ
на ресурс их трубной системы [Текст] / И.А. Лунин, А.Д. Трухний, А.И. Лебедева |и др.] // Теплоэнергетика,- 2005. № 7,- С. 70-75.
4. Генов, Л.Б. Термическая усталость и методы прогнозирования надежности конструкций при термическом нагружении [Текст]: Учебное пособие / Л.Б. Гецов,— СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2005,— 37 с.
5. Бродов, Ю.М. Выбор материала трубных систем теплообменных аппаратов паротурбинных
установок [Текст] / Ю.М. Бродов, К.Э. Аронсон, М.А. Ниренштейн |и др. | // Теплоэнергетика,— 2003. № 5,- С. 50-55.
6. Греков, H.A. Коррозионное растрескивание бандажных колец роторов турбогенераторов |Текст| / H.A. Греков, Л.Б. Гецов // Труды ЦКТИ,— 2002. Вып. 289,- С. 58-64.
7. Богачев, А.Ф. Причины коррозии сетевых подогревателей и мероприятия по ее предотвращению |Текст| / А.Ф. Богачев // Теплоэнергетика,- 1999. № 12,- С. 13-19.
8. Петрова, Т.И. Исследование коррозии подогревателей сетевой воды ТЭЦ и пути ее снижения [Текст] / Т.И. Петрова, В.А. Рыженков, О.С. Ермаков |и др.] // Теплоэнергетика,— 1999. N° 12,— С. 20-23.
9. Shiro Haruyama. Stress corrosion craking by cooling water of stainless steel shell and tube exchangers |Текст] / Haruyama Shiro // Material Performance.— March 1982.-" P. 14-18.
10. Вайнман, А.Б. Исследование коррозионно-механического повреждения труб горизонтальных сетевых подогревателей турбин Т-250/300—240 [Текст] / А.Б. Вайнман, О.И. Мартынова, И.А. Малахов |и др.] // Теплоэнергетика,— 1977. №6.- С. 17-21.
11. Коррозия [Текст]: Справочник / Под ред. J1.J1. Шрайера; пер. с англ. // М.: Металлургия, 1981.
12. Долинский, Ф.В. Краткий курс сопротивления материалов [Текст] / Ф.В. Долинский, М.Н. Михайлов // М.: Высшая школа, 1988.
УДК 537.8:621.396.6
Н.В. Коровкин, B.C. Калашников, A.B. Кирпанев
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ СКАНИРОВАНИЕ В ЗАДАЧАХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ
Определение пространственно-временной структуры поля источника помехи относится к задачам электромагнитной совместимости (ЭМС) [1]. Источником помехи может быть любое электротехническое или радиотехническое устройство. Задачи такого типа относятся к так называемым обратным задачам [2]. В качестве примера можно привести размещаемые на борту летательного аппарата антенны различных радиотехнических систем, электроприводы и их схемы управления, генераторы несущей и промежуточной частот.
Определение электромагнитного поля источника помехи практически любой сложности может быть выполнено по измерениям некоторых составляющих напряженности на координатных поверхностях, пространственно замыкающих исследуемое устройство. Подобная практика используется при экспериментальном исследовании характеристик излучения антенн по измерениям в ближней зоне [3,4]. При этом в зависимости от априорно известных направленных свойств антенны в качестве поверхности измерения используют плоскость, цилиндр или сферу. Аналогичный подход можно использовать
при определении поля исследуемого устройства (ИУ), рассматриваемого в качестве источника помехи.
При исследовании ЭМС в некоторых практических задачах определения внешних электромагнитных полей помехонесущих источников целесообразно использовать цилиндрическую поверхность измерения. В случаях, когда можно пренебречь влиянием вторичных и внешних полей, основными элементами цилиндрического сканера являются азимутальный поворотный стол, на котором размещено ИУ, и вертикальная стойка перемещения зонда по направляющей цилиндра [3].
В пространственно-временной области составляющие напряженностей электрического и магнитного полей ИУ в цилиндрических координатах (р, ф, г) определяются следующими равенствами [5]:
Ег(р< ф, г,/) =
= - | ^ I )^(1-к2)Ьп{тп)х
С«=-А', И1/-|Ю|-Шпих ^
