3.5. Обеспечение надежности работы пароводяных аккумуляторов

Пароводяные аккумуляторы входят в состав оборудования производства декоративных бумажно-слоистых пластиков (ДБСП), древесно-волокнистых (ДВП) и древесно-стружечных (ДСП) плит. Они предназначены для подогрева и накопления воды, идущей на прогрев прессов и закалочных камер, в которых подвергаются термической или механотермической обработке указанные строительные материалы. В результате термической или механотермической обработки материалов формируются свойства, определяющие их качество.

Аккумуляторы представляют собой цилиндрические сосуды, расположенные вертикально или горизонтально. Длина сосудов 10-13 м, диаметр до 2,8 м, днища эллиптические. В корпус и днище вварено много патрубков для присоединения технологических трубопроводов и штуцеров для установки контрольно-измерительных приборов.

Работа аккумулятора осуществляется циклически. Аккумулятор и соединенные с ним трубопроводы и полости технологического оборудования заполняют холодной водой, которая постепенно нагревается подаваемым в верхнюю часть сосуда паром с давлением до 3,0 МПа (30 кгс/см) и температурой до 250 °С. Во избежание чрезмерных напряжений в стенках сосуда скорость нагрева воды не рекомендуют превышать 10 °С в час. Равномерность нагрева воды обеспечивается путем принудительной циркуляции, создаваемой рециркуляционным насосом. Нагретую до заданной температуры воду подают по системе трубопроводов в прессы и закалочные камеры. В аккумулятор она возвращается значительно охлажденной, в связи с чем в месте ввода в сосуд и на участках ее прохождения возникают местные охлаждения стенок корпуса, которые чередуются с нагревом периодичностью, определяемой технологическим процессом.

Принцип работы пароводяного аккумулятора проиллюстрирован схемой теплоснабжения прессов для производства слоистого пластика (рис. 3.37).

Перед началом запрессовки температура воды в объеме аккумулятора доводится до 187 °С, близкой к температуре насыщения при рабочем давлении в аккумуляторе, = 1,3 МПа (13 кгс/см). Пресс, загруженный очередной партией заготовок, подключают к системе обогрева, включают главный циркуляционный насос 5, и нагретая вода из аккумулятора направляется по замкнутому контуру пресс - аккумулятор, вытесняя находящуюся в системе холодную воду в объем аккумулятора и отдавая тепло нагреваемым заготовкам. После нагрева заготовок в закалочных камерах до требуемой температуры и окончания запрессовки пресс 6 отключают от теплового аккумулятора 1 и с помощью автономного контура охлаждения, включающего в себя водяной теплообменник 7 и циркуляционный насос 8, температуру пресса снижают до температуры разгрузки (40-60 °С).

Окончив запрессовку заготовок на одном прессе, к аккумулятору подключают другой пресс, затем третий и далее последовательность работы прессов повторяется в таком же порядке. Время нагрева заготовок в камерах составляет около 30 мин, а охлаждения 60 мин.

Регулирование температурного режима работы прессов осуществляют разбавлением поступающей на пресс горячей воды отработанной холодной водой, подаваемой на всас главного циркуляционного насоса. Температура воды, поступающей с прессов, имеет резко выраженные колебания от 90 до 170° С, что связано с неравномерным расходом пара на аккумулятор (от 4 до 20 т/ч) и колебаниями давления.

Рис. 3.37. Принципиальная схема теплоснабжения прессов: 1 - тепловой аккумулятор; 2 - насос линии рециркуляции; 3 - регулирующая заслонка; 4 - линия смешения; 5 - циркуляционный насос; 6 - пресс; 7 - теплообменник системы охлаждения; 8 - насос системы охлаждения

Сложные условия работы пароводяных аккумуляторов требуют тщательного соблюдения режимных указаний и контроля за техническим состоянием для своевременного выявления возникающих повреждений еще на стадии их зарождения. Пренебрежение этим может привести к аварии с тяжелыми последствиями. Такая авария произошла, например, с пароводяным аккумулятором, эксплуатировавшимся в цехе древесно-волокнистых плит деревообрабатывающего комбината. Аккумулятор емкостью 50 м, изготовленный из низколегированной стали и рассчитанный на рабочее давление 2 МПа (20 кгс/см) и температуру подогрева воды до 210 °С, был закуплен по импорту в составе оборудования цеха. Качество сварных соединений сосуда при изготовлении проверялось просвечиванием и было оценено на 4 и 5 по пятибалльной системе, принятой у изготовителя. Он предназначался для создания запаса воды, подогреваемой непосредственно в аккумуляторе, которая использовалась в прессе и камере термической обработки древесно-волокнистых плит. Вода с температурой 210 °С отбиралась из верхней части аккумулятора и возвращалась в нижнюю его часть с температурой 195 °С. В паровом пространстве аккумулятора было размещено тарельчатое устройство, на котором осуществлялся подогрев воды насыщенным паром с давлением 2,1 МПа (21 кгс/см).

Дополнительно к пружинному предохранительному клапану, водоуказательному стеклу и манометру на аккумуляторе были установлены автоматические регуляторы уровня воды, давления и температуры, а также контрольно-измерительные приборы для определения среднего значения температуры воды в аккумуляторе, в различных точках по высоте и на выходе и входе воды. В соответствии с проектом аккумулятор должны были заполнять конденсатом с температурой 70 °С и рН 9-10. Для корректировки величины рН предусматривалась подача насосом-дозатором раствора едкого натра или тринатрийфосфата.

В процессе эксплуатации аккумулятора персоналом допускались нарушения безопасного режима эксплуатации, особенно при пусках его в работу. После еженедельных остановок на 8-12 ч для профилактического ремонта оборудования пуск аккумулятора производили форсированно, в несколько раз превышая скорость подъема температуры, предусмотренную инструкцией завода-изготовителя. Были случаи, когда в разогретый сосуд подавали холодную воду из пожарного водопровода.

Нарушения режима пуска и останова вызывали в металле дополнительные напряжения вследствие значительной разности температуры между верхом и низом сосуда, достигавшей 120-150 °С. Под действием неравномерности температурного поля стенок сосуда в его верхней части возникали дополнительные напряжения сжатия, а внизу - растяжения. Не исключались при эксплуатации и гидравлические удары в трубопроводах из-за снижения уровня воды ниже места ее забора.

Дополнительные термические напряжения, возникавшие в металле, при длительной эксплуатации привели к образованию трещин в нижнем кольцевом сварном соединении днища с цилиндрической частью аккумулятора. Трещины настолько распространились по всей длине шва, что при расследовании аварии оказалось невозможным вырезать образцы для определения механических свойств сварного соединения.

При осмотре места разрыва было обнаружено, что металл имел окисленную поверхность темного цвета, составлявшую более 60% сечения шва. Старая трещина с потемневшей поверхностью четко выделялась от свежего излома серебристого цвета. В отдельных местах ширина свежего излома составляла всего 2-3 мм. В нижнем кольцевом шве была обнаружена ремонтная подварка длиной около 700 мм, которая резко отличалась от заводских швов (чешуйчатая и ноздреватая поверхность, значительная неравномерность по ширине и др.).

Расследованием аварии было установлено, что ремонтная подварка была выполнена вследствие обнаружения течи в сварном шве после восьми лет эксплуатации аккумулятора. Администрацией не было принято мер по установлению причин образования трещины и определению ее размера. Подварка была произведена без засверливаиия металла по концам трещины, без удаления наплавленного металла и соответствующей подготовки кромок под сварку. Качество выполненного ремонта не было проконтролировано просвечиванием или ультразвуковой дефектоскопией и гидравлическим испытанием. Сосуд не был предъявлен для досрочного технического освидетельствования, необходимого в соответствии с "Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением". Через год эксплуатации в этом же сварном шве вновь появилась течь. Администрация деревообрабатывающего предприятия и на этот раз выполнила ремонт аналогично предыдущему. Спустя несколько месяцев аккумулятор разрушился.

В связи с происшедшей аварией постановлением Госгортехнадзора СССР от 12.02.70 г. предприятиям, эксплуатирующим пароводяные аккумуляторы, в дополнение к техническим освидетельствованиям, проводимым в соответствии с "Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением", предложено не реже одного раза в 5 лет контролировать все сварные соединения аккумуляторов по всей длине ультразвуковой дефектоскопией или просвечиванием с помощью проникающего излучения.

Опыт технического диагностирования аккумуляторов на предприятиях ряда министерств и ведомств показал, что повреждения возникают не только в сварных швах корпуса, но и в местах вварки штуцеров, в околошовной зоне стыковых швов, в соединениях сосудов с технологическими трубопроводами, в местах перехода от цилиндрической части днищ к выпуклой. Наибольшая концентрация трещин наблюдается чаще всего в местах максимального размаха циклических колебаний температуры, в месте вварки патрубка подачи воды с прессов, продольных и поперечных швах нижней части корпуса аккумулятора и патрубках отбора воды на рециркуляцию. Кроме того, выяснилось, что для предупреждения аварий периодичность контроля должна быть сокращена с 5 до 2 лет.

Одновременно совершенствовалась система технического диагностирования. Состояние металла сосудов оценивалось визуальным осмотром внутренней и наружной поверхностей; магнитопорошковой дефектоскопией сварных швов корпуса, узлов присоединения технологических трубопроводов и штуцеров, мест перехода от цилиндрической к выпуклой части днищ; ультразвуковым контролем и гамма-просвечиванием сварных швов; измерением твердости в местах локальных разрушений.

С привлечением специализированных научно-исследовательских организаций изучены причины систематических повреждений металла в пароводяных аккумуляторах. При известной разнице в назначении, эксплуатационных режимах и обслуживании сосудов установлен ряд общих причин образования повреждений.

Сосуды изготовлены из сталей средней и повышенной прочности, по химическому составу и механическим свойствам обеспечивающих при постоянных механических и тепловых нагрузках достаточную работоспособность в длительных сроках службы. Однако в работе аккумуляторов к постоянным нагрузкам добавляются напряжения, обусловленные нестационарностью температурного поля, а также изменениями внутреннего давления. Нестабильность рабочих режимов определяется условиями пускового и рабочего этапов, имеющих явно выраженный циклический характер. Это пуск и остановы, изменения температуры и давления во время технологического цикла, местные охлаждения стенок от поступающей в аккумулятор воды. Расчетами установлено, что тепловые удары обычной для аккумуляторов интенсивности вызывают условные дополнительные термические растягивающие напряжения величиной 250-350 МПа (2500-3500 кгс/см). При амплитуде напряжений 150 МПа (1500 кгс/см) допустимый срок службы для примененных материалов составляет 10циклов, а при амплитуде 275 МПа (2750 кгс/см) - 10циклов нагружений. Приведенные величины полностью соответствуют динамике повреждаемости в зоне штуцерных отверстий нижней части аккумулятора. Количество трещин и интенсивность их развития указывают на связь с длительностью работы сосуда.

Кроме характерных неравномерностей параметров рабочей среды, имеются еще и случайные отклонения, влияние которых на металл может быть оценено только качественно. Анализ записей диаграмм давлений в течение рабочего цикла указывает на многократную пульсацию, при которой перепады давлений достигают 0,25 МПа (2,5 кгс/см) и даже 0,6 МПа (6 кгс/см). Температурные неравномерности составляют 20-60 °С.

Развитие трещин во многом зависит от локальных концентраций напряжения в сварных соединениях разной конструкции и назначения, в местах перехода от цилиндрических элементов к выпуклым, в зоне отверстий. Нарушения показателей водного режима оказывают существенное влияние на скорость развития трещин. Являясь довольно активным коррозионным агентом, вода в условиях циклических нагрузок способна в значительной степени снижать усталостную долговечность металла.

При разработке технологии ремонтно-восстановительных работ необходимо тщательно оценивать исключительное влияние качества их выполнения на надежность и безопасность аккумуляторов в работе. Для снижения остаточных напряжений целесообразно применять подогрев и проковку подвергаемых восстановительной сварке участков; положительные результаты дает использование аустенитных электродов типа ЦТ-36. Предупреждения повреждений металла в ряде случаев удается достичь, устранив участки концентрации напряжений: чрезмерное усиление сварных швов, резкий переход от наплавленного металла к основному, подрез основного металла, резкий переход от штуцера к корпусу и т. п.

Установка защитных экранов (рубашек) в патрубках ввода холодной воды и рециркуляции, изменение направления движения потока холодной воды (вдоль центральной оси аккумулятора) с исключением омывания им горячих стенок и днищ аккумулятора существенно снижают перепады температур в стенках, позволяют значительно уменьшить или в отдельных случаях полностью исключить повреждения металла.