Надежность работы дымовых труб

Надежность работы дымовых труб

Д.т.н. И. И. Стриха, профессор, главный научный сотрудник, РУП «БелТЭИ», г. Минск, Республика Беларусь Введение. Для достижения высокой экономичности котельных установок требуется снижать температуру уходящих газов. Однако уровень ее снижения лимитируется условиями обеспечения надежной работы дымовых труб.

Широкое распространение в котельных получили дымовые трубы с несущим стволом и футеровкой из кирпича. Для таких труб факторами, определяющими их надежность и долговечность, является температурное состояние поверхности футеровки и ствола, а также состав отводимых газов. Перевод котлов на непроектные виды топлива или отклонение их режимов работы от проектных значений должны сопровождаться соответствующими расчетами для создания условий, обеспечивающих надежную эксплуатацию дымовых труб.

Причины повреждений. В начальный период массового возведения кирпичных дымовых труб котельные, как правило, работали на твердых и жидких видах топлива с температурой отводимых газов от котлов 200−250 ОС. Это не приводило к повреждениям элементов трубы, выполненных из обыкновенного глиняного кирпича М-100. Зазор между футеровкой и стволом с заполнением теплоизоляционным материалом, а при соответствующих значениях температуры уходящих газов и климатических условиях и без заполнения, позволял поддерживать требуемые температурные перепады по элементам дымовых труб и обеспечивать достаточно длительную их работу.

Опыт эксплуатации дымовых труб различных конструкций на тепловых электростанциях и котельных показывает, что с переводом котлов с твердого и жидкого топлива на сжигание природного газа, повреждения элементов дымовых труб стали отмечаться чаще. Срок службы футеровки в зависимости от климатических условий и температуры отводимых газов на ряде объектов не превышает 3−4 года. В южных районах бывшего СССР при температуре отводимых продуктов сгорания природного газа (зимой) 80−130 ОС образования конденсата на поверхности элементов дымовых труб не отмечалось и их повреждений не было.

В то же время кирпичные дымовые трубы, размещенные в центральных районах бывшего СССР, при работе котлов на газе с частичными нагрузками и температурой уходящих газов зимой до 100 ОС подвергаются повреждениям. Последние усиливаются при пониженных скоростях дымовых газов в устье трубы (до 2 м/с) и при подземном расположении боровов. При этом грунтовые воды, попадая в газовый тракт, ускоряют процесс разрушения трубы. В работе [1] приводятся сведения о неудовлетворительном состоянии дымовых труб котельных при работе котлов на газе с температурой отводимых продуктов сгорания зимой 70−100 ОС и их скоростью на выходе 1,5−6,5 м/с. В результате обследования состояния этой трубы установлено намокание кладки, локальное отслаивание кирпича и т. п. Аналогичная ситуация отмечается для кирпичной дымовой трубы при работе котлов на газе и отводе их с температурой 40−60 ОС внутри ствола и скоростью 1 -2 м/с. Верхняя часть трубы (до 12 м) покрывалась наледями, кирпич отслаивался и разваливался. При переходе к температуре дымовых газов 150 ОС эти недостатки были полностью устранены.

Основной причиной разрушений футеровки и несущего ствола дымовой трубы при работе котлов на природном газе является отклонение от проектных значений температурно-влажностного и аэродинамического режимов трубы. Как известно, температура точки росы продуктов сгорания природного газа составляет 55−60 ОС. При снижении скорости дымовых газов в трубе и понижении температуры газов до 100 ОС температура внутренней поверхности футеровки трубы снижается до точки росы продуктов сгорания и ниже. Коэффициент теплоотдачи со стороны газов снижается до 2−6 Вт/(м2.К) вместо 35 Вт/(м2.К) для проектных условий при номинальных параметрах котлов, подсоединенных к трубе. Конденсат из дымовых газов попадает на поверхность футеровки, а затем фильтруется в кирпич через швы в ней и кладке ствола, а при отрицательной температуре наружного воздуха происходит замерзание этого конденсата, и вследствие этого кирпич и швы в кладке разрушаются.

При понижении скорости дымовых газов до соответствующего уровня появляются условия попадания холодного воздуха в трубу, что приводит к охлаждению кладки в верхней ее части. Рекомендуется принимать скорость на выходе из трубы порядка 6 м/с, т. е. в 1,3−1,5 раза выше скорости ветра, чтобы избежать попадания холодного воздуха.

При больших скоростях дымовых газов в трубе может создаваться избыточное статическое давление [2]. При этом дымовые газы через швы футеровки проникают в зону с температурой материала ниже температуры точки росы, где и происходит образование конденсата, что приводит к разрушению кладки. Величина статического давления зависит от скорости дымовых газов, формы и высоты трубы, температуры дымовых газов и наружного воздуха. Оптимальной для кирпичных дымовых труб считается скорость на выходе из трубы 6−18 м/с, которая должна подтверждаться расчетом.

Аналогичные повреждения дымовых труб происходят и при работе котлов на сернистых мазутах. При этом положение усугубляется наличием в дымовых газах сернистых соединений (сернистого газа и серного ангидрида) и повышением за счет этого температур их точки росы до 120−150 ОС. Дополнительно возникают процессы сульфатизации силикатных материалов и коррозионного разрушения. Повреждения материалов труб происходят также за счет неравномерной усадки фундамента и других причин, не связанных с температурно-влажностным и аэродинамическим режимами.

При работе дымовых труб в условиях конденсации на поверхность футеровки газоотводящего ствола коррозионных компонентов, а также при отклонении температурно-влажностного режима от проектных значений требуется ее защита от низкотемпературной коррозии и разрушений. За рубежом в последние годы в качестве газоотводящих стволов дымовых труб применяют металлические трубы, а также трубы из керамики, стекла, синтетических материалов. Последние, в зависимости от их состава, могут предназначаться для разных температур отводимых газов: до 80, 120, 160 ОС и выше.

Среди важнейших причин, вызывающих повреждения дымовых труб ТЭС, можно отметить следующие:

• — перегрузка по газам, связанная с подключением к ним дополнительных источников;
• — самоокутывание оголовка трубы, происходящее при определенных соотношениях скоростей дымовых газов и воздуха;
• — переменные нагрузочные и температурные режимы;
• — повышение содержания коррозионных агентов в отводимых газах против расчетных значений.

Из-за снижения нагрузок котлов, подключенных к дымовым трубам, последние подвергаются ускоренному износу. В таких условиях при недостаточной газоплотности футеровки в теплоизоляции и бетоне несущего ствола неизбежно образуется и накапливается конденсат, что приводит к снижению несущей способности трубы вследствие выщелачивания и размораживания бетона. Футеровка, выполненная из кислотостойкого кирпича, и бетон подвергаются сульфатной коррозии, которая менее чем за 10 лет может вывести из строя железобетонную дымовую трубу, которая рассчитана на более длительный срок эксплуатации (не менее 50 лет).

З многих котельных дымовые трубы эксплуатируются с отступлениями от проектных условий и без надлежащего контроля текущего состояния. Это приводит к тому, что ремонт их усложняется, а эксплуатация дымовых труб продолжается с частично разрушенной футеровкой.

Особое место занимают вопросы соблюдения требований проектов при возведении дымовых труб. Качество строительства таких ответственных сооружений зачастую не отвечает их назначению. Наиболее частыми отступлениями от проектов являются: неплотность мест примыкания газоходов к дымовой трубе, занижение марки бетона, наличие раковин и пустот и т. п.

В эксплуатационных условиях имеет место отклонение внутреннего ствола трубы (футеровки) от вертикали. Основной причиной таких отклонений является неравномерность температур поверхности футеровки по окружности. Температурное воздействие дымовых газов с неравномерным распределением температур вызывает различные напряжения, расширения и сжатия при смене температур, обусловленной пусками, остановами и другими изменениями режимов работы котлов. При пониженной нагрузке подключенных к дымовой трубе котлов возможно дополнительное увлажнение дымовых газов, что вызывает появление гидратов в материале футеровки дымовой трубы, имеющих свойство необратимо расширяться и приводить к набуханию этих материалов. Такие условия являются предпосылкой и одной из причин отклонений газоотводящего ствола от вертикали и его разрушений.

Мероприятия для обеспечения длительной эксплуатации. Комитетом РФ по металлургии в 1993 г. выпущено «Руководство по эксплуатации промышленных дымовых и вентиляционных труб», разработанное Московским инженерно-строительным институтом при участии института ВНИПИТеплопроект и других организаций. Данное руководство по своей сущности и содержанию может быть использовано в различных отраслях промышленности. В нем приведены сведения об условиях нормальной эксплуатации промышленных дымовых и вентиляционных труб, включая трубы с газоотводящими стволами или с футеровкой из пластмасс (для отвода газов с температурой около 90 ОС). В 2004 г. было выпущено справочное издание [3], в котором освещены различные аспекты комплекса вопросов, связанных с обеспечением условий безопасной эксплуатации дымовых труб и определены направления дальнейших исследований.

В соответствии с нормативными документами кирпичные и армокирпичные дымовые трубы должны иметь срок службы 70−100 лет, железобетонные — не менее 50 лет, металлические -20−30 лет, трубы с газоотводящими стволами и футеровкой из пластмасс — 15−20 лет.

В перечне условий, обеспечивающих длительную эксплуатацию дымовых труб, приведены требования соблюдения проектного температурно-влажностного режима и состава отводимых дымовых газов. Одним из важнейших условий является проведение систематического технического надзора, обследований и соответствующих ремонтов. Обращается внимание на условия предотвращения неравномерных осадок оснований под фундаменты дымовых труб.

В последнее время получили распространение современные методы обследования дымовых труб с применением новейших средств контроля, в частности термографирование тепловизионным методом, не требующим остановки трубы. Кроме того, в состав работ по обследованию технического состояния дымовых труб входит:

• — изучение процессов теплои массопереноса;
• — расчет аэродинамических характеристик;
• — измерение концентраций вредных выбросов;
• — определение прочности бетона ультразвуковым и склерометрическим методами.

Необходимо отметить, что выполнение обследования технического состояния дымовых труб является ответственным мероприятием и к его выполнению должны привлекаться специализированные организации, имеющие достаточный опыт в этом направлении и располагающие соответствующими приборами.

Результаты обследований. В результате обследований технического состояния дымовых труб для всех них установлены наиболее характерные виды дефектов, а также общие недостатки в организации эксплуатации:

¦ приборы КИП и средства сигнализации по контролю температурно-влажностных параметров газового потока на соответствующих отметках трубы отсутствуют;

¦ в местах примыкания газоходов от котлов к общим газоходам и в местах подключения их к дымовым трубам нередко имеются неплотности, щели по всему периметру, что приводит к дополнительному охлаждению и увлажнению отводимых дымовых газов и последующему отрицательному влиянию на состояние элементов дымовых труб;

¦ происходит отслоение бетона от продольной и поперечной арматуры, которая по всей высоте подвергается коррозии;

¦ разрушаются плиты покрытия в отдельных местах газоходов;

¦ в местах сопряжений звеньев футеровки трубы разрушаются слезниковые кирпичи, кладка закругленных участков газоходов имеет места коррозии кладочного раствора;

¦ в балках перекрытия проема дымовой трубы разрушается защитный слой бетона, в результате этого оголяется арматура;

¦ отмечаются многочисленные вспучивания кладки футеровки трубы;

¦ происходят перемещения элементов чугунного колпака за счет вспучивания футеровки верхнего барабана.

За большинстве дымовых труб разрушения основного материала футеровок (кислотоупорного кирпича) за счет низкотемпературной коррозии происходят редко, отмечается преимущественно разрушение материала швов и антикоррозионных покрытий футеровки. В отдельных случаях имели место локальные вспучивания швов кирпича за счет воздействия на них дымовых газов, содержащих сернистые соединения.

З основании результатов выполненных различными организациями обследований можно считать, что основной причиной большинства разрушений футеровок труб, появления трещин в них и бетоне несущего ствола (при соблюдении технологических норм строительства труб) является отступление от проектных параметров температурно-влажностного режима эксплуатации и возникновение за счет этого допустимых термических напряжений в отдельных элементах труб.

Для повышения надежности эксплуатирующихся дымовых труб и газоходов в качестве первоочередных мероприятий необходимо выполнить следующие из них:

• — при частичном или полном разрушении футеровки кирпичных дымовых труб восстанавливать ее из кислотостойкого кирпича, либо предусматривать установку газоотводящего ствола из стеклопластика или металла. Оголовок трубы рекомендуется выполнять из чугунных звеньев или из кислотостойкого раствора;
• — при восстановлении кирпичных и железобетонных стен газоходов применять внутреннюю облицовку торкретсиликатполимерным или кислотоупорным кирпичом на андезитовой замазке; плиты перекрытия и покрытия газоходов при их замене применять из силикатополимербетона, исключив использование пустотных плит;
• — для восстановления несущей способности железобетонных стволов применять железобетонные обоймы;
• — не допускать подсоса наружного воздуха в газоходы и дымовые трубы;
• — ввести в практику технического освидетельствования состояния дымовых труб применение тепловизионного метода, не требующего остановки трубы и позволяющего оперативно определять места повреждений.

Следует отметить, что в дымовой трубе с футеровкой газоотводящего ствола из стеклопластика несущий железобетонный или кирпичный ствол надежно защищен от воздействия дымовых газов и конденсата, а вследствие этого и коррозии их материалов. Газоотводящие стволы дымовых труб из стеклопластика в 10−20 раз легче, чем кирпичная футеровка, они обладают повышенной пропускной способностью и высокой коррозионной стойкостью против воздействия агрессивных дымовых газов, а соответственно более высоким эксплуатационным ресурсом. Газоотводящие стволы из стеклопластика могут изготавливаться в заводских условиях в виде отдельных царг или сегментов, готовых для сборки.

Выводы. Снижение надежности дымовых труб в значительной степени происходит из-за несоблюдения правил эксплуатации, выражающегося в отступлении эксплуатационных значений температурно-влажностных и аэродинамических параметров от рекомендуемых проектом. Не-плотности в наружных газоходах, а также разрушения их теплоизоляции приводят к охлаждению дымовых газов и разбавлению их воздухом. Вследствие этого усиливается конденсация коррозионных агентов на поверхности футеровки, что вызывает коррозию ее материала и швов. Кроме того, разрушение футеровки, в особенности материалов швов кладки, происходит за счет термических деформаций, вызываемых недопустимыми температурными напряжениями из-за превышения нормативных значений перепадов температур по толщине материала.

Для обеспечения длительной и надежной работы дымовых труб необходимо осуществлять соответствующие мероприятия. Важнейшие из них приведены ниже.

1. Обеспечить ведение производственно-технической документации по дымовым трубам [4].

В состав такой документации в первую очередь, должны входить:

• — паспорт установленного образца;
• — журналы наблюдений за режимом работы (температурой, давлением и т. п.);
• — инструкция по эксплуатации с отражением контролируемых параметров и их предельных значений, очередности освидетельствований и т. п.;
• — комплект документации по осуществлению технического надзора за проведением ремонтов дымовых труб и газоходов (журналы производства работ, в том числе антикоррозионных, теплоизоляционных, футеровочных и т. п.; сертификаты и результаты испытаний образцов применяемых материалов; акты приемки выполненных работ).
• 2. Не допускать без согласования с проектной организацией изменений показателей, предусмотренных проектом температурно-влажностного и аэродинамического режимов трубы.
• 3. Установить контроль за появлением конденсата в трубе и организовать его отвод за пределы фундамента дымовой трубы.

При падении температуры отводимых газов ниже минимально допустимого уровня (особенно при работе котлов на природном газе) необходимо принимать меры по ее повышению, в первую очередь путем усиления теплоизоляции примыкающих газоходов и дымососов, исключения подсосов воздуха и, при необходимости, путем устройства дополнительной гидроизоляции футеровки.

• 4. При изменении условий эксплуатации дымовых труб необходимо выполнять поверочные расчеты для определения оптимальных значений показателей теплового состояния и аэродинамических показателей газоотводящего ствола при отсутствии самоокутывания оголовка трубы.
• 5. Периодически, при проведении каждого из обследований технического состояния дымовой трубы (не реже 1 раза в 5 лет) осуществлять отбор проб футеровки, а при необходимости и несущего ствола, для определения степени их сульфатизации и разрушений, а также для установления изменения их прочностных характеристик и расчета остаточного рабочего ресурса или обоснований изменения условий эксплуатации.
• 6. При выполнении ремонтных работ по частичной замене футеровки дымовых труб и газоходов следует применять только те материалы, которые рекомендованы проектом и имеют соответствующие сертификаты, или материалы, прошедшие предварительные испытания в соответствующих коррозионных средах, отвечающих условиям температурно-влажностного режима эксплуатации дымовых труб.
• 7. Организовать систематическое инструментальное наблюдение за равномерностью осадки оснований под фундаменты и вертикального несущего ствола дымовой трубы и периодически производить проверку их устойчивости.

Приведенный выше перечень мероприятий по обеспечению надежной эксплуатации дымовых труб не является исчерпывающим. Применительно к конкретным условиям эксплуатации этот перечень может быть расширен и дополнен другими мероприятиями.

котельная дымовой труба.

• 1. Шишков И. А., Лебедев В. Г., Беляев Д. С. Дымовые трубы энергетических установок. М.: Энергия, 1976. 176 с.
• 2. Рихтер Л. А. Тепловые электрические станции и защита атмосферы. М.: Энергия, 1975. 312 с.
• 3. Промышленные дымовые и вентиляционные трубы: Справочное издание / Ф. П. Дужих, В. П. Осоловский, М.Г. Лады-гичев; Под общей ред. Ф. П. Дужих. М.: Теплотехник, 2004. 464 с.
• 4. СП 13−101−99. Правила надзора, обследования, проведения технического обслуживания и ремонта промышленных дымовых и вентиляционных труб.