Как комплексный анализ причин разрушения котельных труб может предотвратить дорогостоящие простои?

Приходилось ли вам устранять течь, перезапускать агрегат, а затем сразу же сталкиваться с очередной остановкой? Это стоит вам времени и денег. Вам нужно перестать устранять симптомы и начать искать реальную проблему. Анализ причин разрушения котельных труб (boiler tube failure analysis) — это критически важный процесс выявления конкретной коренной причины разрыва трубы, будь то коррозия, механическое напряжение или усталость металла. Проведя тщательную оценку как самой трубы, так и истории эксплуатации, вы сможете внедрить правильные решения для предотвращения повторных отключений. 

Многие операторы совершают ошибку, просто залатывая дыру и продолжая работу. Такой подход игнорирует глубинные проблемы, которые в конечном итоге могут разрушить всю вашу систему. Давайте рассмотрим конкретные виды неисправностей, чтобы вы могли их предотвратить.

Каковы наиболее распространенные механизмы разрушения со стороны воды?

Вода кажется безвредной, но внутри котла она может стать разрушительной силой. Если вы игнорируете химический состав воды, ваши трубы будут разрушаться изнутри, что приведет к опасным утечкам. Сбои со стороны воды обычно возникают из-за плохого контроля химического состава, что приводит к щелочной (каустической) агрессии, кислородной питтинговой коррозии или водородному повреждению. Эти механизмы атакуют внутренний диаметр трубы, часто требуя строгого пересмотра протоколов водоподготовки и потенциального повышения качества материала труб. 

Я работаю в индустрии стальных труб с 1996 года и часто вижу клиентов, озадаченных утечками в относительно новых трубах. Часто качество стали отличное, но анализ причин разрушения котельных труб указывает на химию воды. Когда мы смотрим на сторону воды, мы оцениваем, как вода взаимодействует со сталью. Три главных врага здесь — это едкие химикаты, кислород и кислота. Например, щелочная коррозия (Caustic Attack) возникает, когда отложения блокируют поток воды. Это создает горячую точку, где концентрируются химикаты и разъедают защитный слой стали. Обычно вы видите выбоину на внутренней поверхности. Есть также кислородная питтинговая коррозия. Это выглядит так, будто кто-то просверлил трубу изнутри. Это происходит, когда воздух попадает в систему, обычно во время простоя. Чтобы помочь вам лучше понять это, я разбил основные угрозы со стороны воды ниже. Вам нужно знать это, чтобы эффективно общаться с вашей ремонтной бригадой.

Механизм разрушения	Как это выглядит (Симптомы)	Коренная причина	Решение
Щелочная (каустическая) коррозия	Потеря толщины стенки и выбоины на внутреннем диаметре (ID).	Тяжелые отложения, вызывающие концентрацию химикатов.	Очистка труб от отложений и балансировка pH воды.
Кислородная питтинговая коррозия	Глубокие, неровные отверстия или язвы на ID.	Слишком много кислорода в воде, часто во время запуска или хранения.	Улучшение деаэрации и использование надлежащих процедур консервации во время простоев.
Водородное повреждение	Микротрещины внутри металла; труба становится хрупкой.	Коррозия выделяет водород, который проникает в сталь и ослабляет ее.	Предотвращение образования накипи и строгий контроль кислотных загрязнителей.
Коррозионное растрескивание под напряжением	Толстые, хрупкие трещины вблизи сварных швов или креплений.	Высокое напряжение в сочетании с коррозионной жидкостью.	Избегайте уноса котловой воды и обеспечьте правильные процедуры промывки.

Если вы видите эти признаки, простая замена трубы без исправления химического состава воды не поможет. Возможно, вам также стоит рассмотреть использование плавниковых труб (rifled tubes) для улучшения потока или труб из легированной стали более высокого класса, которые лучше сопротивляются коррозии.

Как среда сгорания приводит к разрушениям со стороны топки?

Внешняя сторона ваших котельных труб сталкивается с суровой средой огня, золы и меняющихся температур. Если вы не подберете правильные материалы, трубы будут изнашиваться стремительно. Разрушения со стороны топки (огневой стороны) происходят на внешней поверхности трубы и включают коррозию от золы топлива, эрозию и термическую усталость. Эти проблемы вызваны абразивной летучей золой, плавящимся шлаком и постоянными циклами нагрева и охлаждения, которые "сдирают" металл и вызывают поверхностное растрескивание. 

В то время как проблемы со стороны воды скрыты, проблемы со стороны топки часто более заметны, но столь же смертельны. По моему опыту поставок труб для EPC-компаний, я знаю, что тип сжигаемого топлива имеет огромное значение. Уголь, нефть и газ воздействуют на сталь по-разному. Анализ причин разрушения котельных труб со стороны топки часто показывает, что материал был недостаточно прочным для данной среды. Например, зольная коррозия — серьезная проблема для угольных котлов. Зола плавится на трубе и создает жидкий слой, разъедающий металл. Поверхность трубы становится похожей на оспины. Если вы видите это, возможно, вам нужны трубы с более высоким содержанием хрома (более 20%). Еще одна распространенная проблема, которую я вижу, — это эрозия. Это чисто механическое воздействие. Это похоже на пескоструйную обработку ваших труб. Летучая зола или пар из сажеобдувочных аппаратов ударяют по трубе на высокой скорости и стачивают её. Это истончает стенку, пока она не лопнет. Вот разбивка того, что происходит на внешней стороне трубы:

Механизм разрушения	Как это выглядит (Симптомы)	Коренная причина	Решение
Зольная коррозия	Потеря внешней стенки; рябая поверхность под окалиной.	Расплавленные элементы золы атакуют горячую поверхность металла.	Используйте трубы из высокохромистой стали или установите защитные экраны из нержавеющей стали.
Термическая усталость	Трещины типа "слоновья шкура" или "кожа аллигатора" на поверхности.	Постоянный нагрев и охлаждение (цикличность) разрушают окалину.	Уменьшите количество быстрых запусков/остановок и оптимизируйте обдувку сажи.
Эрозия	Потеря металла на стороне удара; труба выглядит полированной или стертой.	Абразивная зола или пар, ударяющие по трубе на высокой скорости.	Установите защитные накладки на трубы и сбалансируйте поток газов в котле.
Коррозия экранных труб	Истончение стенки трубы в зоне топки.	"Восстановительная атмосфера", вызванная плохим сгоранием.	Используйте наплавку (покрытие трубы) материалами с высоким содержанием никеля.

Выбор правильного продукта здесь является ключевым фактором. Если вы знаете, что у вашего котла высокая эрозия, мы можем поставить трубы с более толстой стенкой или из специальных марок сплавов, рассчитанных на такой износ.

Почему перегрев и механические напряжения приводят к катастрофическим разрывам?

Иногда труба разрушается не из-за коррозии, а потому, что ее эксплуатировали за пределами физических возможностей. Эти механические разрушения часто бывают внезапными, сильными и очень опасными для вашего персонала. Общие механические повреждения, такие как кратковременный перегрев и разрушение сварных швов разнородных металлов, происходят, когда температура металла трубы превышает проектные пределы или когда физические напряжения разрывают соединения. Различие между внезапным разрывом типа "рыбий рот" и длительной ползучестью имеет решающее значение для безопасности. 

Это последняя часть головоломки. Когда я разговариваю с инженерами, они часто путают разные типы перегрева. Однако при анализе причин разрушения котельных труб форма отверстия расскажет вам всю историю. Существует два основных типа перегрева. Во-первых, кратковременный перегрев. Это происходит быстро. Представьте, что засорение останавливает поток воды во время запуска. Сталь становится невероятно горячей (более 870°C) и раздувается, как воздушный шар. Мы называем это разрывом "рыбий рот", потому что он выглядит как широкие губы с тонкими краями. Во-вторых, длительный перегрев, также известный как ползучесть (Creep). Это медленная смерть. За годы труба немного разбухает и покрывается толстыми грубыми трещинами. Это означает, что срок службы трубы подошел к концу. Мы также не можем игнорировать разрушения сварных швов. Многие системы соединяют нержавеющую сталь с углеродистой. Это называется сваркой разнородных металлов (DMW). Поскольку эти металлы расширяются с разной скоростью при нагревании, они могут разорваться по линии шва.

Механизм разрушения	Как это выглядит (Симптомы)	Коренная причина	Решение
Кратковременный перегрев	Разрыв типа "рыбий рот" с тонкими, как бритва, краями.	Отсутствие охлаждающего потока, вызывающее резкие скачки температуры.	Проверьте наличие засоров и соблюдайте надлежащие процедуры запуска.
Длительный перегрев	Минимальное вздутие с узким продольным расколом.	Работа при слегка повышенных температурах в течение многих лет (ползучесть).	Замените старые трубы и очистите накипь, которая блокирует теплопередачу.
Разрушение шва (DMW)	Полный разлом вдоль линии сварки двух металлов.	Напряжение из-за разной скорости расширения металлов.	Замените на сварные швы с никелевым наполнителем или улучшите конструкцию соединений.
Графитизация	Хрупкое разрушение без предупреждения.	Углеродистая сталь деградирует после длительного воздействия умеренного тепла.	Замените углеродистую сталь на легированную (например, хромомолибденовую) в горячих зонах.

Как поставщик, я всегда советую клиентам: если вы видите повреждения от ползучести, не ставьте заплатки. Замените секцию. Это признак того, что структура металла разрушена.

Заключение

Чтобы предотвратить простои, вы должны провести надлежащий анализ причин разрушения котельных труб, чтобы различить коррозию со стороны воды, эрозию со стороны топки и механический перегрев. В Centerway Steel мы поставляем высококачественные трубы из легированной и углеродистой стали, необходимые для окончательного решения этих проблем.