Трубопроводы ТЭС. Тепловых электрических станций
 Скачать 0.78 Mb.
|
|
Министерство образования Российской Федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ А.А. Калютик, В.В. Сергеев ТРУБОПРОВОДЫ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство СПбГПУ 2003 2 УДК Трубопроводы тепловых электрических станций: Учеб. пособие / А.А. Калютик, В.В. Сергеев. СПб.: Изд.-во СПбГПУ, 2003. 50 с. Пособие соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины "Трубопроводы ТЭС и тепловых сетей" направления бакалаврской подготовки 550900 "Теплоэнергетика". В пособии рассматривается устройство трубопроводов тепловых электростанций. Главное внимание уделено описанию конструкций элементов и устройств трубопроводов, а также условиям их работы. Предназначено для студентов четвертого курса энергомашиностроительного факульте- та, изучающих дисциплину "Трубопроводы ТЭС и тепловых сетей" в рамках бакалаврской подготовки. Табл. 6. Ил. 16. Библиогр.: 6 назв. Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского го- сударственного политехнического университета. С Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2003 3 ВВЕДЕНИЕ Одним из важнейших и самых распространенных элементов современных тепловых электрических станций являются трубопроводы различных диамет- ров и конфигураций, предназначенные для транспортировки водяного пара, во- ды, масла, газа, воздуха, мазута и других сред. Трубопроводы соединяют между собой основные агрегаты электростанции и вспомогательное оборудование. В результате объединения теплового оборудования системой трубопроводов об- разуется единая установка, осуществляющая основной технологический про- цесс производства электроэнергии. Надёжность и экономичность эксплуатации тепловой электростанции во многом определяется надёжной и экономичной работой ее трубопроводной системы. Повреждения трубопроводов могут привести к необходимости сни- жения мощности агрегатов или даже к полной их остановке. Основные экономические показатели тепловой электростанции (капиталь- ные вложения, эксплуатационные расходы, расчётные затраты) зависят от ха- рактеристик системы трубопроводов, их схемы, размеров, материалов для их изготовления. По отношению к общей стоимости тепломеханического обору- дования стоимость трубопроводов составляет от 10% (КЭС) до 20% (ТЭЦ). Монтаж трубопроводов требует значительных затрат, составляющих для КЭС около 19%, а для ТЭЦ около 27% общих затрат на монтаж оборудования. Трубопроводы современных тепловых электростанций – это сложная про- странственная система, состоящая из следующих элементов и устройств: трубы и средства соединения их между собой; арматура; фасонные части трубопрово- дов; защитные устройства и встраиваемые в трубопроводы элементы контроль- но-измерительных приборов; контрольные устройства работы трубопроводов, необходимые для замеров ползучести, наблюдения за структурными измене- ниями металла трубопроводов, для измерения тепловых перемещений трубо- проводов; опоры и подвески трубопроводов, а также опорные конструкции под эти опоры и подвески, связанные со строительными конструкциями зданий и оборудования; металлические лестницы и площадки для обслуживания трубо- проводов и арматуры; средства механизации для ремонта арматуры и других устройств трубопроводов. Подробное описание большинства вышеперечисленных элементов и уст- ройств трубопроводов современных тепловых электрических станций приведе- но в настоящем пособии. 4 1. Назначение и классификация трубопроводов По виду протекающей среды трубопроводы разделяются на паропроводы и водопроводы, воздухопроводы (воздуховоды) и газопроводы (газоходы), мазу- топроводы и маслопроводы, пылепроводы и др. По назначению станционные трубопроводы классифицируются по сле- дующим группам [1]: Главные паропроводы – подают пар от котельных агрегатов к турбинам, турбонасосам, РОУ и другим потребителям пара. К главным паропроводам также относятся паропроводы от турбин к вторичным пароперегревателям и от них к части низкого давления турбин. Питательные трубопроводы служат для подачи воды питательным насо- сам от деаэраторных блоков к котлам. В эту группу входят трубопроводы от питательных баков деаэрированной воды до питательных насосов; напорные трубопроводы от питательных насосов до регенеративных подогревателей вы- сокого давления и обводная линия "холодного" питания ПВД. Трубопроводы регенеративного цикла включают в себя паропроводы, подводящие пар из отборов турбин и от паровых приводов вспомогательных механизмов к подогревателям, деаэраторам, испарителям, водопроводы кон- денсата турбин, трубопроводы слива конденсата из подогревателей, а также трубопроводы испарительных установок. Циркуляционные трубопроводы предназначены для подачи и отвода ох- лаждающей воды, прокачиваемой циркуляционными насосами через конденса- торы, маслоохладители турбин и газоохладители или воздухоохладители гене- раторов. Выхлопные трубопроводы служат для отвода пара в атмосферу от арма- туры, предохраняющей котлы, турбины и аппараты при чрезмерном повыше- нии давления, от баков, где может происходить испарение воды, а также от эпизодически работающих механизмов с паровым приводом. Маслопроводы используются для подачи масла на смазку и охлаждение подшипников турбин и механизмов и для отвода масла с подшипников. Кроме того, маслопроводы связывают маслохозяйство электростанции с маслеными баками у агрегатов. Трубопроводы химводоочистки предназначены для соединения аппара- туры, насосов и баков химводоочистки между собой и для транспортирования воды от химводоочистки к главному корпусу. 5 Мазутопроводы включают в себя трубопроводы для соединения мазутных баков с насосами, аппаратуры мазутонасосной и подачи мазута от мазутонасос- ной к форсункам котлов. Газопроводы природного газа служат для подачи природного газа от га- зораспределительного пункта (ГРП) к горелкам котлов. Теплофикационные трубопроводы включают в себя паропроводы для подачи пара к сетевым подогревателям, паропреобразователям и внешним по- требителям; водопроводы тепловых сетей, находящиеся как внутри главного здания, так и внешние, конденсатопроводы от потребителей, а также трубопро- воды отвода конденсата из сетевых подогревателей, паропреобразователей и охладителей в систему регенерации. Прочие трубопроводы состоят из трубопроводов золоудаления, техниче- ской воды, пожарные, сжатого воздуха, водорода, хозяйственные, паропроводы обдувки, продувочные и спускные трубопроводы. Трубопроводы для ТЭС комплектуются следующим образом: станционные трубопроводы повышенного, высокого и сверхвысокого давлений, т.е. с рабо- чим давлением свыше 2,2 МПа, изготовляются специальными котлостроитель- ными заводами; трубопроводы в пределах котельного агрегата и турбины, включая маслопроводы, поставляются совместно с котлами или турбинами (в комплекте); станционные трубопроводы с давлением меньше 2,2 МПа в преде- лах главного корпуса, химводоочистки, береговой насосной и мазутонасосной, поставляются монтажными организациями, которые изготовляют их на своих заводах или непосредственно на монтажной площадке; трубопроводы отопле- ния, водопровода, канализации в пределах всех производственных помещений, внешние циркуляционные трубопроводы, трубопроводы гидрозолоудаления выполняются строительной организацией непосредственно на электростанции. Все трубопроводные сооружения должны соответствовать техническим требованиям, содержащимся в "Правилах устройства и безопасной эксплуата- ции трубопроводов пара и горячей воды", утвержденных Госгортехнадзором РФ. Никаких отступлений от правил при проектировании, изготовлении и экс- плуатации трубопроводов, подведомственных Госгортехнадзору, без согласо- вания не допускается. В соответствии с требованиями «Правил устройства и безопасной эксплуа- тации трубопроводов пара и горячей воды», все трубопроводы, транспорти- рующие водяной пар с рабочим давлением более 0,07 МПа или горячую воду с температурой свыше 115°С, делятся на четыре категории (табл. 1). Правила Госгортехнадзора не распространяются на: 1) трубопроводы, расположенные в пределах парогенератора; 6 2) сосуды, входящие в систему трубопроводов и являющиеся их неотъем- лемой частью; 3) трубопроводы первой категории с наружным диаметром менее 51 мм и трубопроводы остальных категорий с наружным диаметром менее 76 мм; 4) сливные, продувочные и выхлопные трубопроводы; 5) пароперепускные трубопроводы в пределах паровых турбин и отбора пара от турбины до задвижки; 6) трубопроводы атомных электростанций и реакторов; 7) трубопроводы, изготовленные из неметаллических материалов. При определении категории трубопровода рабочими параметрами транс- портируемой среды следует считать для: 1) паропроводов от парогенераторов - давление и температуру пара по их номинальным значениям на выходе из парогенератора (за пароперегревателем); 2) паропроводов от турбин, работающих с противодавлением, - макси- мально возможное давление в противодавлении, предусмотренное технически- ми условиями на поставку турбины, и максимально возможную температуру пара в противодавлении при работе турбины на холостом ходу; 3) паропроводов от нерегулируемых и регулируемых отборов пара от тур- бины - максимально возможные давление и температуру пара в отборе; 4) паропроводов от редукционных и редукционно-охладительных установок - максимальное давление и температуру редуцированного пара, принятые в проекте установки; 5) трубопроводов питательной воды после деаэраторов - номинальное дав- ление воды с учетом гидростатического давления столба жидкости и темпера- туру насыщения в деаэраторе; 6) трубопроводов питательной воды после питательных насосов и подогре- вателей высокого давления (ПВД) - наибольшее давление, создаваемое в на- порном трубопроводе питательными насосами при закрытой задвижке и мак- симальном давлении на всасывающей линии насосов, и максимальную расчет- ную температуру воды за последним подогревателем высокого давления. При применении питательных насосов с турбоприводом и электронасосов с гидро- муфтой -1,05 номинального давления насоса, поршневых насосов - 1,2 номи- нального давления в парогенераторе; 7) подающих и обратных трубопроводов водяных тепловых сетей - наи- большее давление воды с учетом работы насосных подстанций на трассе и рельефа местности и максимальную температуру воды в подающем тру- бопроводе. 7 Категория трубопровода, определенная по рабочим параметрам среды (при отсутствии на нем устройств, изменяющих эти параметры), относится ко всему трубопроводу независимо от его протяженности. Таблица 1. Категории трубопроводов по Правилам устройства и безопасной эксплуатации трубопрово- дов пара и горячей воды Госгортехнадзора Рабочие параметры среды Категория трубопро- водов Среда температура, 0 С давление, МПа 1 а) Перегретый пар б) Перегретый пар в) Перегретый пар г) Перегретый пар д) Горячая вода, насыщенный пар >580 >540-580 >450-540 ≤450 >115 Не ограничено Не ограничено Не ограничено >3,9 >8,0 2 а) Перегретый пар б) Перегретый пар в) Горячая вода, насыщенный пар >350-450 ≤350 >115 <3,9 >2,2-3,9 >3,9-8,0 3 а) Перегретый пар б) Перегретый пар в) Горячая вода, насыщенный пар >250-350 ≤250 >115 <2,2 >1,6-2,2 >1,6-3,9 4 а) Перегретый и насыщенный пар б) Горячая вода ≥115-250 >115 >0,07-1,6 <1,6 При определении категории трубопроводов в случаях, когда давление и температура протекающей среды отличны от приведенных в таблице 1, исходят из наибольшего параметра. Трубопроводы горючих газов и жидкостей также подразделяются на четы- ре категории, приведенные в таблице 2. Трубопроводы, транспортирующие сжиженные газы, классифицируются с отнесением на одну категорию выше категории, приведенной в таблице 2. 8 Таблица 2. Категории трубопроводов горючих газов и жидкостей Рабочие параметры среды Категория трубопроводов давление, МПа Температура, °С 1 Независимо 350—700 2 2,5—6,4 250—350 3 1,6—2,5 120—250 4 <1,6 <120 2. Факторы, влияющие на работу трубопроводов Трубопроводы тепловых электростанций работают в сложных условиях. Во время работы элементы трубопроводов находятся под постоянной нагруз- кой: от давления протекающей среды; от массы металла труб, арматуры, проте- кающей среды, теплоизоляции; от нагрузок теплового удлинения; от вибраци- онных нагрузок. Кроме того, в материалах деталей трубопровода могут возни- кать периодические нагрузки: от неравномерного их нагрева; от защемления подвижных опор; от чрезмерного трения в подвижных опорах трубопроводов. Нагрузки от массы металла труб и теплоизоляции, внутреннего давления среды, давления ветра являются распределенными нагрузками, а нагрузки от массы арматуры и металлоконструкций - сосредоточенными. Нагрузки от теп- ловых удлинений возникают в ветвях и опорах трубопроводов и всегда имеют сосредоточенный характер. Нагрузки от давления протекающей среды относят- ся к внутренним нагрузкам, а нагрузки от массы, тепловых удлинений, вибра- ции, натяжки трубопроводов, распора встроенных в трубопровод компенсато- ров, а также ветровые, давление грунта (в случае прокладки в земле) - к внеш- ним. Способность трубопровода противостоять перечисленным нагрузкам на- зывается прочностью трубопровода. Прочность трубопровода зависит от проч- ности деталей, из которых он состоит. Так как трубопроводы работают при низ- ких и высоких температурах, при определении прочности металла, из которого изготовлены детали трубопроводов, исходят из прочностных характеристик сталей при соответствующих температурах. Главным требованием к трубопроводам является надежность их работы. Неисправность в какой-либо части трубопровода может привести к выключе- нию значительной мощности или к полной остановке электростанции. 9 Для обеспечения надежной работы трубопровода необходимы следующие условия: 1) трубопровод должен быть правильно спроектирован, т. е. учтены все ус- ловия, влияющие на работу трубопроводов, выбраны необходимые материалы для всех деталей, рассчитана компенсация или самокомпенсация трубопроводов и целесообразно размещены и подобраны опоры и подвески по всей трассе трубопровода; 2) должны быть качественно изготовлены все детали трубопровода из ма- териалов, предусмотренных проектом, и соблюдены технические условия при изготовлении; 3) в соответствии с проектом должны быть выполнены монтажные работы с соблюдением заданной технологии и технических условий на монтаж; 4) необходимо постоянное и систематическое наблюдение эксплуатацион- ного персонала за работой трубопроводов без нарушения режима эксплуатации и превышения проектных параметров, указанных в инструкциях по эксплуата- ции данных трубопроводов. Трубопроводы должны находиться всегда в исправном состоянии и под- вергаться освидетельствованию в сроки, установленные инспекцией Госгортех- надзора или администрацией электростанции. Все нарушения температурных режимов при эксплуатации трубопроводов должны фиксироваться в эксплуата- ционных журналах. 3. Давления условные, рабочие и пробные С повышением температуры среды, протекающей по трубопроводу, меха- ническая прочность деталей трубопровода понижается, причем для деталей, изготовленных из чугуна, - при температуре среды свыше 120°С, а из сталей - свыше 200°С. Поэтому в случае превышения указанных температур длительная работа допускается только с определенным давлением, выбранным в зави- симости от температуры протекающей среды. Для характеристики прочности деталей и арматуры трубопроводов введе- ны понятия условного, рабочего и пробного давлений. Под условным давлением р у понимается наибольшее избыточное рабочее давление при температуре среды 20°С, при котором обеспечивается длительная работа арматуры и соединительных частей. Под рабочим давлением р раб понимается наибольшее избыточное давление, при котором обеспечивается длительная работа арматуры и соединительных частей трубопровода при рабочей температуре среды. 10 Под пробным давлением р пр понимается избыточное давление, при кото- ром арматура и соединительные части трубопроводов должны подвергаться гидравлическому испытанию на прочность и плотность материала водой при температуре не выше 100°С. Арматура и соединительные части трубопроводов изготовляются на следующие условные давления: 0,1; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 8,0; 10,0; 16,0; 20,0; 25,0; 32,0; 40,0; 50,0; 64,0; 80,0 и 100,0 МПа. Условные давления служат для выбора материала и конструкции трубо- провода в зависимости от давления и температуры протекающей среды и поло- жены в основу при стандартизации деталей трубопроводов. В зависимости от материала, из которого изготовлены корпуса арматуры, а также давления и температуры среды для изделий вводятся дополнительные обозначения. Арматура, изготовленная из углеродистых сталей на условное давление. 10,0 МПа, имеет обозначение р у 10,0; на рабочее давление 16,0 МПа - р раб 16,0; на пробное давление 25,0 МПа - р пр 25,0. 4. Влияние среды с температурой выше 450°С на металл трубопровода При длительной работе трубопроводов с температурой среды выше 450°С в сталях развивается ползучесть, окалинообразование и графитизация, которые снижают прочностные характеристики сталей. При работе трубопровода с температурой среды выше 450°С на внутрен- них стенках труб происходит окисление металла и за счет утонения стенок труб образуются тонкие слои окалины. С течением времени толщина стенок труб уменьшается, вследствие чего в стенках труб увеличиваются напряжения и ус- коряется процесс ползучести. Способность стали сопротивляться образованию окалины при действии на нее среды с высокой температурой называется окалиностойкостью или жаропрочностью. Жаропрочность сталей определяется потерей массы окисляющимся металлом за определенный промежуток времени. Потеря в массе металла за счет образования окалины учитывается при расчете толщины стенки труб на прочность прибавкой на образование окалины. Под действием высоких температур в стали происходит выделение сво- бодного углерода по границам зерен. Это явление называют графитизацией стали. Наличие зерен графита с практически нулевой механической прочностью равносильно появлению раковин или пустот, ослабляющих металл и приводя- щих к ускорению ползучести. Графитизация в малоуглеродистых молибдено- вых сталях может привести к хрупкому разрушению трубопровода. 11 Чтобы предотвратить графитизацию сталей, производят специальные тер- мические обработки и легирование сталей специальными присадками, связы- вающими углерод. Для своевременного обнаружения графитизации трубопро- водов на электростанциях организован систематический контроль за измене- ниями структуры стали с периодической вырезкой с трубопроводов образцов для лабораторного исследования [3]. Ползучесть - явление, при котором в стенках труб медленно накапливается остаточная деформация, возникающая в результате длительного воздействия внутреннего давления среды даже при напряжениях ниже предела текучести, соответствующего данной температуре. Ползучесть приводит к увеличению диаметра трубопровода и соответственно утонению стенок труб и возрастанию напряжений растяжения. Протекание процесса ползучести характеризуется ско- ростью ползучести. Для уменьшения скорости ползучести в сталь вводят ле- гирующие элементы: хром, молибден, ванадий, титан. Следовательно, для тру- бопроводов, работающих при температуре 450°С и выше, применяют низколе- гированные, легированные и аустенитные стали. Увеличение остаточных де- формаций проявляется в увеличении диаметра труб, поэтому наблюдение за ползучестью производится путем замеров диаметров трубопроводов. На электростанциях должен быть организован контроль состояния металла трубопроводов при температуре стенки 450°С и выше, а также наблюдения за ростом остаточных деформаций, структурными изменениями, изменением со- держания легирующих элементов в карбидной фазе. На электростанции должна быть схема трубопроводов с нанесенными на ней точками измерения остаточных деформаций, местами расположения кон- трольных участков сварных соединений и опор. Нумерация этих точек измере- ния и контрольных участков сварных соединений должна быть последователь- ная и единая по всей электростанции. Места расположения точек измерения и площадки для удобного доступа к ним должны быть предусмотрены проектом. Контролю и наблюдению подлежат все трубопроводы, работающие при температуре 450°С и выше, за исключением трубопроводов диаметром менее 100 мм, длительность работы которых не превышает 3000 ч в год. В целях тщательного наблюдения за ползучестью и структурными измене- ниями в металле трубопровода на каждой электростанции выделяются контрольные участки главных паропроводов перегретого пара. Контрольные участки предусматриваются при проектировании паропрово- да и выполняются при монтаже. Трубы для контрольного участка выбираются и поставляются заводами-изготовителями из плавок с минимальными механиче- скими свойствами и наименее выгодным соотношением химического состава и 12 структуры. Контрольный участок должен быть прямолинейным длиной не ме- нее 4 м между сварными стыками, без каких-либо опор и охватывающих поя- сков. Длина поставляемой на монтаж трубы должна быть на 300 - 500 мм боль- ше проектной, что оговаривается в проекте трубопровода. Трубы, предназначенные для контрольных участков, перед их монтажом тщательно измеряются монтажным персоналом и подвергаются эксплуатаци- онным персоналом исследованию исходного состояния металла. Для этого от одного конца контрольной трубы отрезается участок длиной 300 - 500 мм для исследования металла и производится измерение толщины стенки трубы по обоим ее концам. Исследования исходного состояния металла контрольного участка на от- резках концов трубы выполняются лабораториями металлов. Все данные изме- рений и результаты испытаний заносятся в паспорт трубы контрольного участ- ка. Для наблюдения за структурными изменениями во время работы трубо- проводов из контрольного участка периодически производятся вырезки образ- цов. Вырезанные куски трубы контрольного участка исследуются так же, как и основной металл. Сопоставление результатов испытаний металла дает возмож- ность судить о степени надежности дальнейшей работы трубопроводов в дан- ных условиях эксплуатации. Наблюдения за ростом остаточных деформаций на контрольном участке производятся одновременно с измерениями остальных труб при отключении данного трубопровода. Наблюдению за графитизацией подлежат трубопроводы, изготовленные из молибденовой стали марок 15М, 20М или аналогичных марок сталей, рабо- тающие при температуре 475°С и выше, а также из углеродистой стали, рабо- тающие при температуре 440°С и выше [5]. Местами наиболее интенсивной графитизации, на которые должно быть обращено особое внимание, являются: зоны термического влияния при сварке трубопроводов и их деталей; участки, подвергавшиеся холодной деформации или местным нагревам без последующей полной термообработки. При первич- ном наблюдении за графитизацией действующих трубопроводов при помощи специальных приспособлений из сварочных швов вырезают образцы с обяза- тельным захватом зоны термического влияния сварки, без нарушения сплошно- сти трубы. Образцы для исследования отбираются от 10% сварных соединений и 5% при работе не более 50000 ч обследуемого трубопровода. Если при исследовании образцов обнаружены следы графитизации, выре- зается участок трубы длиной 300 мм таким образом, чтобы сварной стык был 13 посередине, и производится анализ микроструктуры шва и прилегающей зоны в двух-трех продольных сечениях, химического состава, включая определение наличия свободного углерода - графита, а также механических свойств: удар- ной вязкости и пробы на изгиб в зоне образования графита. Обследования трубопроводов на графитизацию производятся через каж- дые 3 года их эксплуатации. В процессе эксплуатации осмотры сварных соединений трубопроводов из аустенитных сталей, а также их проверка ультразвуком производятся в каждый капитальный ремонт агрегатов, но не реже 1 раза в 2 года. Трубопроводы из перлитных сталей должны осматриваться и контролироваться ультразвуком че- рез каждые 5 лет. Независимо от положительных результатов первичного обследования при последующих обследованиях наряду с пробными образцами вырезается цели- ком один сварной стык на 100 м длины трубопровода из числа труб, склонных к графитизации. При каждом новом обследовании металла труб трубопроводов на графитизацию образцы вырезаются каждый раз из новых сварных соедине- ний. |