Инспекция паровых котлов и теплообменного оборудования
Евгений Сергеев, Ферейдун Мадждния
Инспекция паровых котлов и теплообменного оборудования
Преамбула
Авторы являются высококвалифицированными специалистами с многолетним опытом работы в сферах: инспекционного контроля на производственных предприятиях включая нефтегазовую промышленность, реализации проектов управления строительством и эксплуатации, формировании и обучения проектной команды по качеству, разработка и внедрение системы контроля качества в ходе строительства и эксплуатации.
Для целей повышения уровня компетенций инспекторов, студентов и лиц, заинтересованных в контроле качества заводского оборудования, авторы решили подготовить серии книг по проверке оборудования различных номенклатурных групп. Уникальный подход заключается в том, что в дополнение к объяснению методов контроля, также описаны общие принципы износа и специфика оборудования.
Мы попытались охватить тип оборудования, которое широко используется на различных предприятиях, таких как нефтегазоперерабатывающие заводы, нефтегазохимические заводы, насосные станции повышения давления, нефтебазы и погрузочные устройства, а также электростанции и коммунальные предприятия.
Введение
Целью серии книг является разъяснения принципов, подходов и практических навыков инспекционного контроля технологического оборудования, используемого в промышленности, а также оказание информационной помощи инспекторам и студентам в развитии базовых навыков проведения инспекций. Намерение состоит в том, чтобы сосредоточиться на инспекционном контроле в ходе эксплуатации оборудования, не углубляясь в процесс инспекции при изготовлении и монтаже, который требует иного подхода и техники.
Инспекции технологического оборудования, находящегося в эксплуатации, проводятся с целью сбора данных о состоянии оборудования и его частей, с дальнейшим проведением анализа и надлежащей оценки механической целостности оборудования для его последующей эксплуатации, объема ремонтных работ, модернизации, изменения конструкции и/или его полной замены по мере необходимости.
Эта книга посвящена паровым котлам и теплообменному оборудованию, которые эксплуатируются на нефтяных и газовых заводах, жилых объектах, а также в энергетической промышленности. Использование в различных секторах имеет большое значение для ознакомления с общими проблемами и механизмами износа в оборудовании, особенно в котлах, и убедиться в их безопасной работоспособности, поскольку выходы из строя котлов по различным причинам были катастрофическими в течение последних 100 лет.
Работоспособность и надежность оборудования – вопрос первостепенной важности для каждого действующего объекта, поэтому руководство прикладывает все усилия для обеспечения безопасной и эффективной эксплуатации. В настоящее время множество компаний внедрили систему управления целостностью активов (asset integrity management system) своими силами, либо привлекаются группы инженеров и/или технических специалистов для того, чтобы уделить особое внимание производственным объектам и их надежности.
Эксплуатирующие организации могут иметь штатных или нанимать сторонних специалистов для проведения осмотров и наблюдения оборудования в целях удовлетворения потребностей анализа целостности, а также для соответствия нормативным требованиям. Инспектора по контролю состояния оборудования должны пройти соответствующее обучение для получения знаний в области норм и руководящих стандартов, а также пройти аттестацию, чтобы иметь право проводить инспекционный контроль оборудования. В каждой стране есть определенные требования к квалификации и компетентности специалистов, которые должны соблюдаться всеми лицами, проводящими инспекцию оборудования.
При отсутствии нормативных и юрисдикционных требований каждая нефтегазодобывающая компания должна обеспечить, чтобы инспекторы имели компетентную подготовку и необходимые навыки для выполнения работы, а также удовлетворяли требованиям страховой компании и/или не ставили под угрозу гарантию оборудования, если она применима. Для рынка США рекомендуется, чтобы компании, которые имеют и эксплуатируют котлы и другое оборудование, работающее под давлением, привлекали внешних сертифицированных инспекторов, например, аттестованных по API, NBBI или эквивалентные аттестации, чтобы в результате получить квалифицированное обследование и повысить компетенции штатных инспекторов.
Каждая эксплуатирующая компания должна иметь набор документированных процедур, описывающих процессы: проверки оборудования, работающего под давлением; требований безопасности и защиты окружающей среды; квалификации и обучения персонала, выполняющего проверку и/или экспертизы, и квалификации лиц, участвующих в ремонте оборудования.
По завершении проверки инспектором/инженером должен быть проведен анализ для оценки целостности оборудования и определения степени износа. Анализ может определить остаточный срок службы сосуда на основе измеренной толщины, и поэтому рецензент может рекомендовать корректирующие мероприятия, такие как ремонт, внеплановое обслуживание, дополнительные проверки или замену.
При подготовке оборудования под давлением к ремонту, переделке и/или замене должна быть подготовлена следующая информация: комплект необходимых чертежей, перечни материалов, перечень необходимых ресурсов и графики работ. Это позволит своевременно заказать или изготовить необходимые комплектующие. Следует отметить, что для рынка США, ремонт или изменения должны быть рассмотрены и одобрены инспектором по вводу в эксплуатацию (NBBI National Board of Boilers and Pressure Vessels Inspectors) до начала работ, если оборудование, работающее под давлением, имеет штамп ASME и зарегистрировано в NBBI.
Для обеспечения наличия всех данных, необходимых для компетентной оценки, компании, эксплуатирующие котлы, должны иметь эффективную систему хранения и доступа к отчетам о проверке, чертежам, отчетам о проведенных анализах надежности. Система может быть в виде жестких или предпочтительно электронных файлов, защищенных от нежелательных и несанкционированных изменений или удалений. Каждый котел и оборудование, работающее под давлением, должно иметь план предстоящих проверок, основанный на их условиях для соблюдения юрисдикционных норм, политики компании в отношении целостности и рекомендаций по целостности активов. Руководство компании ответственно за проведение таких проверок и обеспечение безопасности персонала, имущества и окружающей среды.
Глава-I Паровые котлы
Типы котлов
Котлы делятся на четыре основные типа: электрические, огнетрубные (FT, Fire Tube Boilers), водотрубные (WT, Water Tube Boilers) и котлы с ядерным реактором. Последующая разбивка по типу производится на основании конструкции, показателей давления, рабочих параметров и области применения.
Котлы могут быть как водогрейными, так и парогенераторными, предназначенными для использования на суше, локомотивах или морских судах, переносными (смонтированными на передвижной платформе) или стационарными. Для увеличения мощности, котлы ограниченной мощности поставляются в комплектных установках и обвязываются на месте установки.
Первые три типа котлов могут использоваться для коммерческих, институциональных или промышленных применений. Для выработки электроэнергии используются только водотрубные котлы и котлы с ядерными реакторами. Водотрубные котлы наиболее распространены в эксплуатации на нефтеперерабатывающих предприятиях, электростанциях и нефтехимических заводах.
Для большинства крупных промышленных предприятий по всему миру обычно используются котлы FT или WT.
Электрические котлы
Электрические котлы с небольшим количеством горячей воды и парогенераторами низкого давления используются в пекарнях, котлах с рубашками и другом кухонном оборудовании, винных заводах, пивоварнях, текстильных изделиях, прачечных, увлажнителях, паровых банях, фармацевтических препаратах и предлагают значительные преимущества перед котлами на ископаемом топливе.
Как правило, конструкции электрических котлов ограничены мощностью до 600 кВтч. Однако в случаях крупномасштабной промышленности и локациях с дешевым электричеством, проекты электрокотлов варьируются от 12 000 до 24 000 кВтч и более.
Огнетрубные котлы
В этом типе котлов, вода подается в основной барабан, в котором трубы установлены горизонтально от одного конца до другого и связаны с трубной решеткой с одной из сторон барабана. Горелка установлена с противоположной стороны и пламя направлено внутрь труб. Топочный газ может делать один или несколько проходов и нагревать воду вокруг труб.
Существуют различные типы огнетрубных котлов, предназначенных для разных видов использования, однако, на перерабатывающих предприятиях обычно используется тип котлов, показанный на Рис. 1-1.
Стандартный огнетрубный котел
Огнетрубные котлы подразделяются на три группы. Горизонтальные котлы с обратными дымогарными трубами (HRT, Horizontal return tubular) обычно оснащены автономным режимом и отдельной камерой сгорания. Шотландские паровые, цилиндрические огнетрубные и жаротрубные котлы оснащены дымогарными трубами и камерой сгорания, установленными в одном корпусе. Котлы с топочной коробкой оснащены ватержакетной печью и используют, в большинстве своем, три прохода топочного газа.
Водотрубные котлы
Водотрубные котлы преобразуют тепло от сжигания топлива в топочной камере для выработки горячей воды или пара (часто при очень высоком давлении и температуре). Однако, в отличие от огнетрубных котлов, вода удерживается внутри труб, а тепло от горячих газов течет через стенки труб снаружи.
Преимущество водотрубных котлов заключается в том, что трубы котла любого диаметра имеют большую поверхность нагрева, чем трубы огнетрубного котла. Это связано с тем, что поверхность нагрева труб водотрубного котла представляет собой большую внешнюю стенку, в отличии от огнетрубных котлов.
Конструкция водотрубных котлов обеспечивают гораздо большую мощность, давление и универсальность, чем огнетрубные котлы, из-за разделения частей, работающих под давлением, и возможности переукомплектовывать компоненты котла в самые разные конфигурации. Производительность пара может составлять от 650 кг / час до нескольких миллионов кг / час.
Паровые барабаны используются в рециркуляционных котлах, работающих при докритических давлениях. Основное назначение парового барабана – отделение насыщенного пара от пароводяной смеси, попадающей в барабан. Вода без пара рециркулирует в котле вместе с технологической водой для генерации пара. Насыщенный пар удаляется из барабана при помощи групп выходных сопел, из которых пар попадает в перегреватель для дальнейшего нагрева.
Насыщенный пар – это чистый пар, чья температура соответствует температуре кипения при конкретном давлении.
Паровой барабан используется в следующих целях:
– Перемешивание насыщенной воды, остающейся после пароотделения, с технологической водой
– Смешивание химреагентов, впрыскиваемых в барабан для контроля коррозии и обработки воды
– Очистка пара путем удаления загрязнений и остаточной влаги
– Предоставление источника для системы продувания, где часть воды отводится для контроля химического состава котельной воды и уменьшения содержания частиц
– Для обеспечения приспособления к любым резким изменениям нагрузки котла и хранения воды.
Наиболее важная функция парового барабана – разделение воды и пара. Сепарация под действием силы тяжести достигается посредством большой площади пароводяной поверхности внутри барабана. Этот вариант не является экономичным, так как для него необходимы паровые барабаны большего размера, а, следовательно, использование механических устройств разделения – лучший выбор для разделения воды и пара.
Котлы с ядерным реактором
Разработка ядерного реактора началась в 1940-х годах, после демонстрации ядерного деления Энрико Ферми в 1942 году. С 1950-х годов атомные котлы всё чаще используются для выработки электроэнергии. Ядерная энергия также широко используется для морской службы как на коммерческих, так и на военных суднах. Сердцем системы котельной АЭС является активная зона реактора, в которой происходит процесс ядерного деления. Деление ядер – это разделение ядра на два или более отдельных ядер. Деление обычно происходит при бомбардировке нейтронными частицами и сопровождается выделением очень большого количества энергии, дополнительных нейтронов, радиоактивного материала и других частиц. Генерация новых нейтронов при делении делает возможным процесс цепной реакции и последующее использование ядерной реакции для обеспечения выработки электроэнергии. Требуемое в реакторе ядерное топливо изменяется в зависимости от используемой технологии, но включает в себя как природные нуклиды, такие как Уран 232, Уран 238 и Торий 232; и искусственные нуклиды, такие как Торий 233 и Уран 235.
Сравнение типов котлов
Водотрубные котлы используются на большинстве промышленных установок из-за условий производительности и безопасности.
С точки зрения возникновения взрыва, водотрубные котлы являются более надежными по сравнению с огнетрубными котлами, потому что барабан не подвергается воздействию лучистой теплоты сгорания. При разрыве трубок существует лишь относительно небольшой объем воды, которая может мгновенно парообразоваться.
Проверка, очистка и техническое обслуживание котлов сравнимы для современных водотрубных и огнетрубных котлов, но водотрубные котлы, как правило, требуют большее количество человеко часов оператора, просто потому, что они, как правило, физически больше. Другим общим правилом является то, что системы водотрубных котлов требуют более высококвалифицированного оператора из-за их большей сложности.
Водотрубные котлы установлены в коммерческих и институциональных зданиях, небольших производствах, крупных промышленных предприятиях. По сути, электроэнергетика является крупнейшим потребителем мощности водотрубных котлов в мире.
Более мелкие водотрубные котлы выпускаются в виде комплектных установок заводской сборки, в то время как крупные котлы строятся секциями и отгружаются для монтажа на месте установки. Крупнейшие полевые котлы могут обеспечивать пар, перегретый до 593 °C (1100 ° F) и при давлениях свыше 20 МПа (MPa).
Огнетрубные бойлеры подразделяются на три группы. Горизонтальные котлы с обратными дымогарными трубами обычно оснащены автономными горизонтальными дымогарными трубами и отдельной камерой сгорания. Шотландские паровые, цилиндрические огнетрубные и жаротрубные котлы оснащены дымогарными трубами и камерой сгорания, установленных в одном корпусе. Котлы с топочной коробкой оснащены ватержакетной печью и используют, в большинстве своем, три прохода топочного газа.
Типовой водотрубный котел
Паровой барабан с трубчатыми отверстиями
Водотрубные котлы, работающие на жидком топливе и природном газе, по геометрии труб подразделяются на три класса. В конструкции (A – блочный водотрубный котел) предусмотрены два небольших нижних барабана и верхний барабан большего размера для отделения влаги от пара. В конструкции (D), являющейся самой распространенной, предусмотрены два барабана и камера сгорания большого объема. От ориентации труб котла (D) зависит конфигурация – левосторонняя или правосторонняя. В конструкции (O) конфигурация труб котла позволяет свести размер участков поверхности труб, воспринимающих лучистое тепло, к минимуму.
(A) блочный водотрубный котел
(D) водотрубный котел
(О) водотрубный котел
Глава-2 Износ котлов
Общий износ котлов
Инспектора по контролю состояния оборудования должны знать части котла наиболее подверженные износу. Другими словами, инспектор должен знать, что и где искать при проведении инспекции. Примеры износа, которые можно увидеть при осмотре котла:
Износ труб котла
Коррозия труб и барабанов в значительной степени зависит от воды, используемой для работы котла, и ее химического состава. Наиболее часто встречающиеся виды коррозии внутренних стенок котла включают щелочную, водородную, кислотную, кислородную коррозии, локализованную коррозию и коррозионное растрескивание под напряжением.
a) Осадок в трубах
Значимым фактором, определяющим степень коррозии внутренних стенок котла, является количество осадков продуктов коррозии. Осадок ограничивает передачу тепла и приводит к локальному перегреву труб, что, в свою очередь, может привести к концентрации загрязняющих веществ и веществ, вызывающих коррозию. В зависимости от типа загрязняющих веществ, присутствующих в технологической воде, будут различаться места присутствия, скорость отложения и влияние осадка.
b) Щелочная коррозия
Локальное истончение стенок внутренней поверхности труб приводит к повышенному напряжению и давлению на стенку трубы. Щелочная коррозия возникает при наличии избыточного осадка на внутренних поверхностях труб. Это приводит к ослаблению потока охладительной воды и уменьшению контакта с трубой, что, в свою очередь, приводит к локальному кипению под осадком и концентрации химреагентов котельной воды. Концентрация гидроксида натрия может подниматься до высокого уровня концентрации водорода (pH). При высоком уровне pH защитная оксидная пленка металла может раствориться, что приведет к интенсивной коррозии. Осадок обычно откладывается в местах прерывания потока и на участках значительной тепловой нагрузки.
c) Водородное повреждение
Потеря пластичности трубного материала или водородная хрупкость вследствие воздействия водорода могут привести к хрупкому разрушению. Водородное разрушение наиболее часто обуславливается избыточным осадком внутри трубы и низким уровнем pH технологической воды. Нарушение химического состава воды (что может произойти при утечках из конденсатора, особенно при использовании охлаждающего агента морской воды) приводит к формированию кислотных (с низким pH) загрязняющих веществ, которые могут быть сконцентрированы в осадке.
При коррозии под осадком высвобождается активный водород, который переходит к трубному металлу, вступает в реакцию с углеродом в стали (обезуглероживание) и вызывает межкристаллическое разделение.
d) Кислородная коррозия
Агрессивная локализованная коррозия и утонение трубной стенки вблизи впуска технологической воды экономайзера – обычное явление для рабочего котла. Погруженные в воду или недрерируемые поверхности наиболее подвержены коррозии в периоды простоя.
Кислородная коррозия возникает при избыточном содержании кислорода в котельной воде. Это может произойти во время работы котла в результате впуска воздуха в насосы или отказа оборудования обработки воды перед подачей в котел.
Питтинговая коррозия труб экономайзера обычно возникает вследствие отсутствия надлежащего контроля содержания кислорода в технологической воде котла.
Она также может возникнуть в периоды, когда котел не эксплуатируется, например, во время простоя или хранения при несоблюдении надлежащих процедур.
Недренируемые участки контура котла, такие как контуры нагревателя, провисающие горизонтальные трубы перегревателя и промежуточного перегревателя, подводящие линии особенно подвержены коррозии.
Общее окисление труб в нерабочие периоды иногда называют коррозией простоя. Влажные поверхности подвержены окислению, так как вода вступает в реакцию с металлом, вследствие чего образуется оксид железа.
При наличии коррозийного шлака конденсат с поверхностей труб или промывочная вода могут вступить в реакцию с элементами, содержащимися в шлаке, и образовать кислоты, что приведет к намного более агрессивному воздействию на металлические поверхности.
Кислородная коррозия
Для обеспечения полной защиты от кислородной коррозии во время простоя котел необходимо держать заполненным водой, обработанной раскислителем, с заглушкой или закрытым под азотной подушкой. На рисунке 2-1 показана труба котла со сквозной кислородной коррозией.
e) Кислотная коррозия
Воздействие коррозии на внутренние металлические поверхности труб, приводящее к появлению беспорядочных отверстий, а в самых крайних случаях – к состоянию внутренней части трубы, называемому «Швейцарский сыр». Кислотная коррозия наиболее часто обуславливается отсутствием надлежащего контроля процесса химической очистки котла и/или пассивации остаточной кислоты после чистки.
f) Коррозионное растрескивание под напряжением
Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) характеризуется хрупкими трещинами с толстостенными гранями. Этот вид коррозии можно обнаружить на участках с более высоким внешним напряжением, например, в местах близкого крепления арматуры.
КРН обычно подвергаются детали из аустенитной нержавеющей стали перегревателя и промежуточного перегревателя. КРН характеризуется трещинами в стенках трубы, распространяющимися либо транскристаллически, либо межкристаллически (вдоль границ зерен). Она возникает при комбинированном воздействии высокого растягивающего напряжения и коррозионной жидкости. Повреждение вызывается трещинами, распространяющимися изнутри. Коррозийная жидкость может быть перенесена в перегреватель из парового барабана или попасть в него после кислотной очистки котла, если перегреватель не защищен надлежащим образом.
КРН трубы
g) Коррозионная усталость
Коррозионная усталость проявляется на внутренней поверхности трубы в виде транскристаллических трещин, обычно возникающих рядом с внешними соединениями.
Повреждение трубы происходит вследствие сочетания тепловой усталости и коррозии. На коррозионную усталость влияет конструкция котла, химический состав воды, содержание кислорода в котельной воде и принцип работы котла. Сочетание этих факторов приводит к разрыву защитного слоя магнетита на внутренней поверхности трубы котла. Отсутствие этого защитного слоя окалины позволяет коррозии воздействовать на трубу.
Места соединений и внешние сварные швы наиболее подвержены коррозии. Проблема, скорее всего, усугубится на этапе запуска котла.
Внешние повреждения труб
Компоненты топлива и температуры металла являются важными факторами развития коррозии со стороны нагрева. Коррозию со стороны нагрева можно разделить на низкотемпературную коррозию или высокотемпературную коррозию под воздействием мазутной золы. Коррозия может проявиться со стороны топочного газа экономайзера и труб воздушного подогревателя. Сила коррозии зависит от количества оксидов серы или кислоты в сгоревшем топливе, от температуры топочного газа и от типа нагреваемой жидкости. При наличии в топочном газе оксидов серы коррозия будет более сильной при охлаждении газов до температуры точки росы. Температура газа в экономайзерах и подогревателях должна поддерживаться выше 163°C (325°F) для предотвращения конденсации коррозийной жидкости. Фактическую точку росы можно вычислить на основе состава топочного газа. Расчет нужно выполнить для видов топлива с высоким содержанием серы. Она может зависеть от конструкции труб и потока воды в трубах, организованных так, что обеспечивается контроль температур газа.
Виды наружного износа приведены ниже:
a) Коррозия продуктами сгорания топлива со стороны нагрева (перегреватель)
Коррозия продуктами сгорания топлива со стороны нагрева зависит от характеристик золы, топлива и конструкции котла. Она обычно возникает при сжигании угля, но может возникнуть и при определенных видах сжигания жидкого топлива. Характеристики золы учитываются при проектировании котла: при определении размера, геометрии и материалов, используемых при изготовлении котла. Температуры металла и топочного газа в конвекционных проходах являются важными характеристиками, которые необходимо учесть. Повреждение происходит, когда определенные составляющие угольной золы остаются в расплавленном состоянии на поверхностях труб перегревателя. Эта расплавленная зола может являться высоко коррозийным элементом.
b) Высокотемпературное окисление
Визуально напоминает коррозию продуктами сгорания топлива со стороны нагрева. Высокотемпературное окисление может локально возникнуть на участках с наивысшей температурой наружной поверхности относительно предельного значения окисления трубного материала.
Для дифференциации этих типов износа лучше провести проверку трубы и оценить внутреннюю и внешнюю окалину и осадок.