CC BY
1
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 621.184.6
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-4-501 -502
ГИДРОЭРОЗИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ФОРСУНОК ВПРЫСКИВАЮЩИХ ПАРООХЛАДИТЕЛЕЙ И ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПО КРИТЕРИЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ
А.Ю. Приймак, М.Ю. Сербиновский
Представлены примеры разрушений центробежных форсунок впрыскивающих пароохладителей (ВПО) паровых котлоагрегатов, описаны причины этих разрушений, требования к используемым материалам и методы оценки эрозионного износа материалов. Предложен подход к оценке стойкости материалов эрозионному износу и результаты триботехнического исследования стойкости ряда материалов, выбранных на основе исследования их стойкости к образованию дефектов при циклическом термошоке. Предложено использование одного из материалов на основе результатов исследования их стойкости к образованию дефектов при циклическом термошоке и износостойкости. Сформулирована задачи последующих комплексных исследований по выбору материалов для центробежных форсунок впрыскивающих пароохладителей.
Ключевые слова: впрыскивающий пароохладитель, центробежная форсунка, гидроэрозионный износ, эрозия, паровой котёл, котлоагрегат, регулирование температуры пара.
Наиболее распространенным средством регулирования температуры пара является впрыск воды в перегретый пар, который осуществляется впрыскивающих пароохладителях - агрегат, встроенный в паровой тракт современных энергетических котлов или в станционный паропровод на участке, примыкающем к котельному паропроводу. Широкое распространение ВПО связано с его преимуществами в сравнении с другими устройствами регулирования температуры пара - малой инерционностью, относительной простотой конструкции и ремонтопригодностью.
Важным элементов ВПО является форсунка, посредством которой обеспечивается распыление воды в паровом тракте, от её работы зависит эффективность регулирования температуры пара и маневренность энергоблока в целом. Форсунки ВПО в процессе своей работы подвержены действию высоких напряжений, связанных со значительными циклически изменяющимися градиентами температуры и вибрацией, и гидроэрозионному износу, вызванному высокоскоростным потоком впрыскиваемой воды [1]. Это существенно снижает ресурс форсунок и ВПО в целом по отношению к ресурсу паропровода, в котором ВПО установлен. Кроме этого периодически выявляются случаи выхода из строя ВПО по причине разрушения форсунок [2-5]. Соответственно, конструкция форсунок ВПО не может быть признана совершенной и требует проведение дальнейших работ по её оптимизации.
В настоящее время к материалам, из которых изготавливаются центробежные форсунки ВПО предъявляются жесткие требования: высокая технологичность одновременно с низкой стоимостью, стойкость к трещинообра-зованию при знакопеременных нагрузках ввиду резкой смены температуры, особенно во время пуска котла, надежность работы при температурах пара более 570оС, высокая эрозионная стойкость. Имеется достаточно большое количество потенциально перспективных материалов для форсунок ВПО, однако, для их конкретного выбора результатов исследований явно недостаточно. Наибольшую сложность в вопросе выбора материалов вызывают центробежные форсунки, в которых эрозионный износ наиболее интенсивен. В связи с этим требуется проведение дальнейших исследований по выбору материалов для изготовления центробежных форсунок ВПО, в том числе, по критерию высокой стойкости к эрозионному износу.
Появление конструкции центробежной форсунки [6] связано с необходимостью обеспечения качественного распыления воды при низких значениях плотности и скорости пара, применение ВПО с такими форсунками нашлось в тракте низкого давления и в паропроводах высокого давления на выходе из котла. Одна из конструкций форсунки, показанная на рис. 1 [5], имеет цилиндрическую камеру закручивания воды с входными каналами, которая оканчивается конусом с выходным соплом, в верхней части располагается крышка, материал форсунки - сталь 12Х1МФ.
Пусковой ВПО, в котором была применена форсунка такой конструкции был спроектирован по рекомендациям Всесоюзного теплотехнического института (ОАО «ВТИ») и изготовлен на Таганрогском котло-строительном заводе «Красный котельщик» (ПАО ТКЗ «Красный котельщик»). После менее 5 лет эксплуатации при вскрытии этого ВПО было выявлено, что впрыскивающее устройство разрушено: произошел отрыв форсунки от водоподводящей трубы, обнаружен существенный гидроэрозионный износ стенок камеры закручивания форсунки в районе входных каналов и донышка, а также конической части у сопла и самого сопла (рис. 2). На рис. 2 видны трещины в основном по границе наплавленного металла, которые потенциально могли привести к разрушению форсунки.
Ввиду обобщенной информации о повреждениях форсунок ввиду высокой степени гидроэрозионного износа центробежной форсунки ВПО, представленной на рис. 1 и 2, в конструкторском подразделении ТКЗ «Красный котельщик» была разработана иная конструкция (рис. 3 [7]).
Рис. 1. Конструкция центробежной форсунки: 1 - водоподводящая труба; 2 - корпус с соплом; 3 - камера закручивания с коническим переходом; 4 - каналы подачи воды
Рис. 2. Фото разрушенной форсунки конструкции ВТИ
Рис. 3. Центробежная форсунка конструкции ТКЗ «Красный котелыцик»: 1 - водоподводящая труба;
2 - втулка форсунки; 3 - корпус форсунки, обработкой; 4 - венец; 5 - внутренняя полость корпуса;
6 - цилиндрическая часть полости; 7 - донышко корпуса; 8 - полусферическая часть внутренней полости;
9 - тангенциальные каналы; 10 - сопло; 11 - защитный кожух
Форсунка состоит из корпуса с донышком и крышкой с соплом, соединяемых между собой сварным швом. Центральная цилиндрическая часть имеет входные тангенциальные каналы, донышко и крышка имеют полусферическую форму. Форсунка данной конструкции изготавливается из высоколегированного материала. При разработке предполагалось, что принятые конструктивные решения должны были снизить гидроэрозионный износ и, соответственно, увеличить ресурс форсунок, однако, значительного увеличения ресурса не произошло. На рис. 4 представлены элементы разрушенной форсунки такой конструкции: слева - усталостное разрушение в цилиндрической части корпуса после гидроэрозионного износа в сечении тангенциальных каналов подвода воды, справа - внешняя поверхность оторвавшегося донышка со следами практически сквозного эрозионного износа и следами долома донышка после отрыва и удара в стенку водоподводящей трубы. Ресурс узла распыления составил менее 20 тысяч часов, что ниже ожидаемого. Исследование разрушенных форсунок показало наличие двух типов исходных разрушений: значительного гидроэрозионного износа и трещин коррозионно-усталостного характера. Это потребовало проведения дополнительных работ по выбору материла форсунки, одновременно стойкого к гидроэрозии и усталостному разрушению.
Рис. 4. Фото разрушенной форсунки конструкции ТКЗ «Красный котелыцик»
Ранее в работе [8] был изложен подход к выбору материалов и основные мероприятия по проведению циклических термических испытаний образцов в режиме термошока, условия которых максимально приближены к условиям эксплуатации форсунок, а именно, нагрев образцов в печи до температуры 545оС с дальнейшим их быст-
Машины, агрегаты и технологические процессы
рым охлаждением в воде комнатной температуры. Образцы представляют собой плоские шайбы, которые были изготовлены из 5 марок электродов. Данные о материалах, подвергнутым данным испытаниям, приведены в табл. 1. Образцы этой серии испытывали также на износ.
Таблица 1
Материалы для изготовления образцов_
№ образца Марка (тип) электрода Тип электрода с указанием химического состава
11-16 ВПН-1 Э-09Х16Н9С5Г2М2ФТ
21-26 ЭА-400/10Т Э-07Х19Н11М3Г2Ф
31-36 ЭА-395/9 Э- 11Х15Н25М6АГ2
41-46 ЦЛ-25/2 Э-10Х25Н13Г2
51-56 ЦЛ-11 Э-08Х20Н9Г2Б
Для определения стойкости материалов образцов к гидроэрозионному износу используются различные методы и подходы [1], например, магнитострикционные вибраторы, направленные на оценку сопротивления материала кавитационному разрушению. Испытания материалов на магнитострикционном вибраторе отвечает условиям, в которых кавитация создается в поле ультразвуковых волн. Тенденция к имитации реальных условий гидроэрозии материала привела к использованию струеударных установок. Полагают, что этот вид испытаний материалов ближе к условиям гидроэрозии, при которой происходит микроударное нагружения поверхности материала. Также известен способ и метод определения сопротивления материала износу под действием механического воздействия на образцы с помощью трибометра. Это способ наиболее доступе исследователям, так как позволяет использовать достаточно распространённое испытательное оборудование и не требует создания специальных установок. Испытания в нашем случае проводились на трибометре ТКВ на основании действующих методик [9, 10], условия испытаний следующие:
- схема «шар-пластина»;
- вращательное движение образца, скорость скольжения 0,1 м/с;
- усилие, передаваемое на образец - 2 Н;
- контртело - шар 06 мм, выполненный из оксида алюминия;
- длина пути - 50 м.
Результаты испытаний образов на износостойкость приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты испытания образцов на износостойкость__
ад ,5--0
№ образца Марка (тип) электро Площадь лунки, Sср, мкм2 Длина пути, L, м Степень износа, I *10-5, мм3/(Н/м; Износостойкость, 1р * мм3/м
12 ВПН-1 904,74 500 2,84 5,68
22 ЭА-400/10Т 2125,21 300 11,13 22,26
32 ЭА-395/9 1713,15 50 53,82 107,64
42 ЦЛ-25/2 1733,1 50 54,45 108,89
52 ЦЛ-11 572,83 50 18 35,99
Данные трибологических испытаний показали высокую износостойкость образцов № 12 и 22, изготовленные из электродных материалов ВПН-1 (Э-09Х16Н9С5Г2М2ФТ), ЭА-400/10Т (Э-07Х19Н11М3Г2Ф), поэтому в процессе испытаний пришлось увеличивать длину пути с 50 до 300 и 500, соответственно. Полученные результаты коррелируют с данными [1] испытаний на струеударной установке материалов, приближенных по химическому составу. Подтверждено, что на гидроэрозионную стойкость положительное влияние оказывает наличие в сплаве марганца. Однако, ввиду склонности электродов ВПН-1 (Э-09Х16Н9С5Г2М2ФТ) к появлению дефектов и формированию троостно-мартенситной структуры, склонной к появлению трещин [8], этот материал не рекомендуется к применению при новом проектировании форсунок ВПО. Соответственно, в качестве материала для формирования форсунки следует рекомендовать ЭА-400/10Т (Э-07Х19Н11М3Г2Ф).
Однако, для успешного применения рекомендованного материала требуется проведение исследований по оптимизации конструкции форсунки с целью снижения интенсивности причин разрушения форсунок и снижения их ресурса: интенсивности гидроэрозионного процесса и напряжений в материале форсунки, что, соответственно, приводит к необходимости проведения разносторонних исследований основанных на конечно-элементном моделировании процессов, происходящих в форсунках и ВПО в целом, и их напряженно-деформированного состояния. Здесь необходимо отметить два момента: 1) напряженно-деформированное состояние материала одновременно влияет на интенсивность гидроэрозии поверхности деталей и на их выносливость при усталостном разрушении; 2) конечно-элементное моделирование - метод наименее затратный по стоимости и трудозатратам, а также позволяющий провести разносторонние исследования различных вариантов конструкции (моделей).
Выводы:
1. Изучена стойкость к износу пять электродных материалов для формирования центробежной форсунки впрыскивающих пароохладителей паровых котлоагрегатов, которые ранее испытаны на стойкость к появлению дефектов при циклическом нагреве и охлаждении в термошоковом режиме.
2. Установлено, что наиболее предпочтительно использование электродов ЭА-400/10Т (Э-07Х19Н11М3Г2Ф).
3. Требуется проведение комплекса исследований по моделированию гидравлических, аэродинамических и гидроэрозионных процессов в форсунках различных конструкций и впрыскивающих пароохладителях в целом и их напряженно-деформированного состояния в условиях, соответствующих реальным условиям эксплуатации впрыскивающих пароохладителей.
Список литературы
1. Фомин В.В. Гидроэрозия металлов. М.: Машиностроение, 1977. 287 с.
2. Протокол осмотра пусковых впрысков ОП бл3, нитка Б (12г), лаборатория технической диагностики «Пермской ГРЭС». 2021. 14 с.
3. Заключение № 12-04/21 по результатам исследования повреждения впрыскивающих устройств пусковых пароохладителей паропровода «острого» пара энергоблока ст.№2, Лаборатория технической диагностики «Пермской ГРЭС», 2021. 14 с.
4. Отчет № 4307-380-2021 по исследованию разрушенных элементов форсунок пусковых пароохладителей котла ТПП-804 ст.2 филиала «Пермская ГРЭС», Центральная заводская лаборатория ПАО ТКЗ «Красный котельщик», 2021. 28 с.
5. Израилев Ю.Л., Хромченко Ф.А. Живучесть паропроводов стареющих тепловых электростанций. М.: Торус пресс, 2002. 616 с.
6. Приймак А.Ю. Развитие конструкции центробежных форсунок впрыскивающих пароохладителей // Вестник науки. 2023. № 11 (68) Т 3. С. 1168-1171.
7. Авторское свидетельство № 2339873. Впрыскивающий пароохладитель / Сивцов А.И., МКИ F22G 5/12. Заявл. 20.04.2008. Опубл. 27.11.2008. Бюл. № 33.
8. Выбор перспективных материалов центробежных форсунок впрыскивающих пароохладителей / А.Ю. Приймак, М.Ю. Сербиновский // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2024. № 1. С.112-122. DOI 10.46973/0201-727X_2020_4_64.
9. DIN 50324-1992 Тела твердые. Модельные испытания на трение и износ при трении скольжения. Дата опубликования 01.07.1992. 6 с.
10. ASTM G99-17. Стандартный метод испытания на износ с помощью устройства PIN-ON-DISC, 2017. [Электронный ресурс] URL: https://www.kpt-bj.net/8388206.html (дата обращения: 12.02.2024).
Приймак Антон Юрьевич, аспирант, [email protected]. Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Сербиновский Михаил Юрьевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения
HYDROEROSION OF CENTRIFUGAL INJECTORS OF INJECTION STEAM COOLERS AND SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MANUFACTURE ACCORDING TO WEAR RESISTANCE CRITERIA
A.Yu. Priymak, M.Yu. Serbinovsky
Examples of destruction of centrifugal nozzles of injecting steam coolers (ISC) of steam boiler units are presented, the causes of these destructions, requirements for the materials used and methods for assessing erosive wear of materials are described. An approach to assessing the resistance of materials to erosive wear and the results of a tribotechnical study of the resistance of a number of materials selected on the basis of a study of their resistance to the formation of defects during cyclic thermal shock are proposed. The use of one of the materials is proposed based on the results of a study of their resistance to the formation of defects during cyclic thermal shock and wear resistance. The objectives of subsequent comprehensive studies on the selection of materials for centrifugal nozzles of injection steam coolers are formulated.
Key words: injection steam cooler, centrifugal nozzle, water erosion wear, erosion, steam boiler, boiler unit, steam temperature control.
Anton Yurievich Priymak, postgraduate, A290488@yandex. ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State University of Railway Engineering,
Mikhail Yurievich Serbinovsky, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State University of Railway Engineering
