Анализ проблемы износа и растрескивания огнеупорного покрытия в нижней части высокотемпературных мембранных экранов крупных CFB-котлов 

В связи с переходом циркулирующих кипящих слоёв (CFB) к сверхкритическим и сверхсверхкритическим параметрам, в том числе на энергоблоках мощностью 350 МВт и 660 МВт, в отрасли выявлен ряд новых технических вызовов. При температуре главного пара до 605°C и повторного перегрева до 623°C традиционные конструктивные решения уже не обеспечивают необходимую надёжность, что требует модернизации ключевых узлов.

Описание проблемы

В CFB-котлах максимальная температура формируется непосредственно в топочной камере. При работе на высоких нагрузках температура по объёму топки выравнивается и достигает высоких значений. С понижением нагрузки температура по высоте топки снижается, а разность температур между дымовыми газами и рабочей средой уменьшается.

В установках сверхкритического и сверхсверхкритического уровня высокотемпературные пароперегреватели и пароперегреватели повторного нагрева размещаются внутри топки для обеспечения требуемых параметров пара на низких нагрузках. Нижняя часть экранов выполняется в L-образной конфигурации с горизонтальными трубами, защищёнными шипами и износостойким огнеупорным материалом.

Однако при эксплуатации котлов мощностью свыше 350 МВт зафиксированы случаи растрескивания и отслоения огнеупорного покрытия в нижней части экранов. После разрушения защиты циркулирующий материал начинает непосредственно воздействовать на трубы, вызывая интенсивный абразивный износ и, в тяжёлых случаях, аварийные разрывы труб.

Причины возникновения дефектов

Анализ показал, что основные причины связаны со следующими факторами:

1. Существенная разница коэффициентов теплового расширения.
В котлах сверхкритического класса шипованные трубы выполняются из нержавеющей стали, коэффициент линейного расширения которой в 1,8 раза выше, чем у стали 12Cr1MoVG. При повышенных температурах и увеличенных габаритах экранов тепловое расширение значительно возрастает. При этом огнеупорный материал обладает высокой жёсткостью и низким коэффициентом расширения, что приводит к образованию трещин, особенно на удалении от стенки водяного охлаждения.

2. Неравномерный нагрев труб.
Для компенсации температурных отклонений между трубами экрана применяются трубы разного диаметра. Крайние трубы, имеющие наибольшую тепловую нагрузку, выполняются большего диаметра, что приводит к более высокой температуре стенки и увеличенному тепловому расширению. Это ускоряет образование трещин и отслоений огнеупорного слоя.

3. Концентрация напряжений в зоне углового изгиба.
Традиционная L-образная конструкция с углом 90° создаёт зону концентрации механических напряжений. При тепловом расширении горизонтальный участок действует как рычаг, вызывая разрушение огнеупорного материала в зоне изгиба.

Предлагаемые решения

Для устранения выявленных проблем реализован комплекс технических мероприятий:

1. Оптимизация материала труб.
Рекомендуется замена нержавеющей стали на сталь T91, обладающую достаточной жаростойкостью (до 630°C) и меньшим коэффициентом теплового расширения. Это снижает разницу деформаций и уменьшает риск разрушения огнеупора.

2. Дифференцированное проектирование огнеупорного слоя.
Для крайних труб применяется утолщённое покрытие каплевидной формы, увеличивающее тепловое сопротивление и снижающее температуру стенки трубы.

3. Совершенствование системы крепления.
Предлагается комбинированное применение шипов и металлической сетки («черепашьей» сетки) с нанесением битумного слоя между трубой и огнеупором. При нагреве битум выгорает, образуя компенсационный зазор, способный поглощать часть тепловых деформаций. Дополнительно предусматриваются температурные швы в огнеупорном слое.

4. Модернизация геометрии нижней части экрана.
Вместо одного угла 90° применяется конструкция с двумя углами по 45°, что снижает концентрацию напряжений и перераспределяет нагрузку.

Итоги

Опыт эксплуатации показал, что при переходе к сверхкритическим параметрам требуется комплексный пересмотр материалов, конструкции и схемы крепления огнеупорной защиты. Внедрение предложенных решений позволило существенно снизить риск разрушения огнеупорного слоя, повысить надёжность оборудования и обеспечить безопасную работу крупных CFB-котлов нового поколения.