UA122172C2 - Спосіб установки охолоджувальних трубок у конденсаторі турбіни великої потужності - Google Patents

Abstract

Винахід належить до області турбінобудування і може бути використаний при створенні та модернізації великогабаритних високонавантажених конденсаторів парових турбін великої потужності АЕС і ТЕС. Заявлений спосіб установлення охолоджувальних трубок у конденсаторах турбін великої потужності включає завальцювання кінців охолоджувальних трубок, вставлених у трубні дошки, і суцільне кільцеве обварювання їх торця. Використовують охолоджувальні трубки сортаменту (23×0,5 і (23×1,0, які завальцьовують у зовнішніх трубних дошках на довжині контакту поверхонь цих трубок і дощок, яка дорівнює товщині зовнішніх трубних дощок, з наступним обварюванням. Охолоджувальні труби в отворах проміжних трубних дощок укладають із зазором для утворенням точкового контакту при похилому розміщенні із прогином лучної форми охолоджувальних труб при максимальному підйомі в центрі прольоту між зовнішніми трубними дошками. Для виключення вібронапружень відносну відстань між проміжними дошками вибирають за відповідним співвідношенням. Охолоджувальні трубки і трубні дошки виконані з корозійностійких матеріалів. Винахід полягає у підвищенні експлуатаційної надійності конденсатора, зниженні корозійного зношування у спряжених елементах трубної системи.

Description

Винахід належить до області турбінобудування і може бути використаний при створенні та модернізації великогабаритних високонавантажених конденсаторів парових турбін великої потужності АЕС і ТЕС.

Забезпечення надійної роботи турбоустановок великої потужності, і насамперед турбін АЕС потужністю 1000 МВт і більше вимагає створення надійного конденсатора для тривалої (більше

ЗО років) експлуатації. При цьому тільки втрати на одному енергоблоці АЕС потужністю 1000

МВт за період 2011-2015рр. за рахунок недовиробітку електроенергії через потрапляння охолоджувальної води в другий контур і їх усунення склали 101,3 млн.грн. при річній недовідпусці 417544 МВт. електроенергії.

Відомий спосіб зменшення присмоктувань при закладенні трубок конденсатора (К.З.

Аронсон, С.Н. Блинков, В.И. Брезгин и др. Теплообменники знергетических установок, Учебное злектронноеє издание Екатеринбург, УрФУ 2015-458 с, фиг. 2.31), що включає розвальцьовування трубок з матеріалів мідно-нікелевої групи в трубній дошці з обпресуванням і наступним покриттям виступаючих кінців трубок ущільнюючим захисним шаром.

Недоліком відомого способу є достатньо "жорсткий" перехід від діаметра трубки у вільному стані до збільшеного діаметра отвору трубної дошки, що при обпресуванні призводить до виникнення зони підвищених напруг у зоні переходу з імовірністю утворення при наявності в потоці охолоджувальної води (суспензії) твердих часток у місцях з'єднань ерозійних пошкоджень і кільцевої тріщини внаслідок вібраційного впливу парового потоку. При цьому, вихід трубки за поверхню захисного (ущільнюючого) шару сприяє підвищенню гідравлічного опору трубного пучка.

Відомий спосіб герметичного з'єднання деталі, що охоплює, з охоплюваною (Ас. СРСР 1293373, Е16В 4/00, 1976), що включає установлення із зазором до охоплюванної деталі - деталі, що охоплює з розміщенням у зазорі ущільнювальної втулки з пористого матеріалу із закритими порами.

Відомий спосіб не застосовується при установленні охолоджувальних труб у конденсаторах парових турбін великої потужності, оскільки під впливом вібраційних циклічно змінних навантажень зазор у місці установлення в натяг втулки слабшає, що призводить до розтріскування в області з'єднання.

Зо Найбільш близьким за технічною сутністю та результатом, що досягається, є спосіб по видаленню провисання охолоджувальних трубок (К.З. Аронсон, С.Н. Блинков, В.И. Брезгин и др. Теплообменники знергетических установок, Учебноеє злектронное издание Екатеринбург,

УрФУ 2015-458 с.) шляхом обпирання прольоту між передньою та задньою трубними дошками на проміжні з виконанням різновисоких опор конденсатора для розміщення охолоджувальних трубок з гідравлічним ухилом у 3,5" для виключення утворення плівки конденсату із зовнішньої та видалення залишкової вологи із внутрішніх поверхонь охолоджувальних трубок.

Відомий спосіб може бути використаний у конденсаторах з обмеженою довжиною трубного пучка і неефективний для конденсаторів потужних парових турбін АЕС через складність монтажу при приєднанні конденсатора до вихлопних патрубків.

В основу винаходу поставлена задача створення способу установлення охолоджувальних трубок у конденсаторі турбін великої потужності шляхом ефективного закладення кінців трубок у зовнішніх дошках і зміни умов обпирання трубок на проміжні дошки при зниженні можливості появи корозії, за рахунок чого досягнуте підвищення експлуатаційної надійності конденсатора, зниження корозійного зношування у спряжених елементах трубної системи.

Поставлена задача досягається тим, що у способі установлення охолоджувальних трубок у конденсаторах турбін великої потужності, який включає завальцювання кінців трубок і суцільну кільцеву обварку їх торця, згідно з винаходом, завальцювання охолоджувальних трубок сортаменту Є 23х0,5 і 2 23х1,0 у зовнішніх трубних дошках провадять на довжині контакту поверхонь трубки і дошки, яка дорівнює товщині зовнішньої трубної дошки, з наступним обварюванням в умовах заводу-виготовника, а труби в отворах проміжних трубних дошок укладають із зазором, що утворюють точковий контакт при похилому розміщенні із прогином лучної форми труб при максимальному підйомі в центрі прольоту між зовнішніми трубними дошками, а для виключення вібронапружень оптимальна відносна відстань між проміжними ошками новить й Іпв - Шведа 325 а де Ро. відносна довжина прольоту; 4 - діаметр трубки; Ро. довжина прольоту між проміжними трубними дошками, при цьому охолоджувальні трубки і трубні дошки виконані з корозійностійких матеріалів, які при контакті не утворюють гальванічної пари.

На фіг. 1 наведена схема закладення кінців охолоджувальних трубок у зовнішніх трубних дошках; на фіг. 2 - розміщення труб у трубних дошках під нахилом з мінімальним дотиком; на фіг. З - схема вигину осьової лінії охолоджувальних трубок для конденсатора К-38080 для турбіни К-1000-60/1500-2.

Підвищення ефективності роботи турбоустановки тісно пов'язане із забезпеченням надійної роботи трубного пучка конденсатора протягом довгострокового періоду, а його надійність визначається добором матеріалів охолоджувальних трубок і трубних дошок, технологією закладення трубок у зовнішніх передній і задній трубних дошках для забезпечення статичної міцності під дією вібраційних навантажень з мінімізацією прояву корозійних процесів при впливі вологої пари на зовнішніх і охолоджувальної води на внутрішніх поверхнях трубок.

На основі оптимізаційних розрахунків трубних пучків для конденсаторів підвального і бічного типів потужних турбін АЕС із ряду діаметрів трубок від 19 до 32мм були вибрані трубки сортаменту Є 23х0,5 і 2 23х1,0, що забезпечують Ддтимальну поверхню теплообміну і коефіцієнт заповнення трубної дошки на рівні 77 02570, . Матеріал трубки та трубних дошок з розглянутого ряду підібраний виходячи із міцнісних і характеристик корозійної стійкості з урахуванням пошкоджуваності трубних систем конденсатора у зв'язку з розвитком щілинної корозії під впливом факторів руйнації та корозійних процесів.

З аналізу результатів експлуатаційних пошкоджень стану трубних систем працюючих конденсаторів найбільш частими причинами пошкоджень є корозійне розтріскування металу в місцях локального механічного впливу; розвитку піттінг-пошкодження дефекту в місці вальцьованих з'єднань; механічні пошкодження трубок і протікання, викликані розвитком водно- краплинної ерозії і аміачної корозії внаслідок добавання фосфорних сполук у паровий контур турбоустановки, розвиток щілинної корозії в зоні пошкодження, що посилюється створенням контактної електрохімічної пари "мідь-залізо".

Розвиток щілинної корозії в зоні пошкодження підсилюється при створенні контактної електрохімічної пари "мідь-залізо". Концентровані сульфат-іони, агресивні стосовно сталей, спричиняють міжкристалітне і транскристалітне розтріскування і прискорюють корозію, призводячи до дентингу, а хлорид-іони спричиняють корозійне розтріскування аустенітної нержавіючої сталі під напругою.

Зо Матеріали для охолоджувальних трубок і трубних дошок для усунення корозійних процесів у місцях контакту й ослаблення краплинно-ерозійних процесів обрано виходячи з їхнього хімічного складу і характеристик міцності.

Відповідно фізичній структурі матеріалу, всі метали мають різну здатність віддавати свої електрони, що підтверджується різною швидкістю розвитку корозії й структурним "рядом напруг металів", а саме:

ПеКе«ВАре«Св«Ва«СаєМаєМа«АІ!єМп«Ст«ип«аРе«Са«Сос«Мі«5пеРр«На«Си«АдеНаєРІ«Аи., Ті метали, які в ряду напруг знаходяться лівіше (наприклад, Мі - марганець знаходиться лівіше Сг - хрому і Мі - нікелю), легше віддають свої електрони, ніж метали, розташовані правіше. У сталях, метали яких розташовані лівіше, використовуються як присадки АЇ, Мп, Сг і правіше Со,

Мі, що визначає їхню корозійну активність. А це означає, що в парі металів (Мі-Си і Еє) при контакті в середовищі умовного електроліту (пари, конденсату охолоджувальної води) вони утворюють гальванічну пару, тобто метал, що стоїть лівіше, віддаючи електрони, заряджається позитивно, а менш активний - негативно. З металів, використовуваних при виготовленні сталей,

Мп - марганець знаходиться лівіше ніж Ст - хром і Мі - нікель, і заряджається позитивно. Мп - марганець більш активний, ніж Ст - хром і Мі - нікель, тому, при відсутності електроліту метали не змінюють свою структуру. З появою в контактній парі електроліту (води) починається процес переносу електронів і виникає корозія, тобто Сг - хром і Мі - нікель змінюють свою структуру.

Корозія розвивається надзвичайно повільно в присутності конденсату (електроліту), якщо підібрані метали для охолоджувальних трубок і трубних дошок виконані з різних марок.

Виходячи з цього і враховуючи місця корозійних руйнувань охолоджувальних трубок у конденсаторах, що мають великий строк експлуатації для трубних систем конденсаторів турбін великої потужності й, насамперед АЕС, були вибрані: для охолоджувальних трубок трубки зварні прямошовні високої точності, підвищеної корозійної стійкості - корозійна сталь аустенітного класу марки ТР 316їЇ при коефіцієнті РАЕ піттінгової корозії не менше 27 одиниць, для зовнішніх і проміжних дошок - лист цільний без зварного шва сталь марки 09Г2С. Ці сталі при взаємодії у паровому потоці є практично нейтральними за рівнем електронних потенціалів і не створюють гальванічної пари, що сприяє зародженню і розвитку корозії.

У способі підібрані корозійно стійкі підвищеної міцності матеріали для охолоджувальних трубок і трубних дошок, а формування ухилу трубок для стікання охолоджувальної води бо здійснюється підняттям їх у центральній частині конденсатора трубними проміжними дошками з урахуванням вібростійкості трубок під дією збурювальних сил парового потоку при встановленні трубок з вигином лучної форми.

Установлення охолоджувальних трубок по типу "лук" дозволяє зменшити термічні напруги в місцях з'єднання і дозволяє погодити теплове розширення охолоджувальних трубок і корпусу конденсатора при його роботі у всьому діапазоні зміни режимів роботи турбіни. Таке встановлення трубок при непрацюючому конденсаторі дозволяє уникнути стояночної корозії трубок шляхом злиття охолоджувальної води від центра трубки у праву і ліву сторони, що не потребує додаткового осушування трубок і повністю виключає корозійні пошкодження на внутрішній поверхні трубок.

На основі оптимізаційних розрахунків підібрані товщини дошок при прийнятому діаметрі охолоджувальних трубок і відстані між проміжними дошками, що забезпечують вібраційну стійкість заповнених водою охолоджувальних трубок.

При виборі відстаней між дошками зовнішніми і проміжними конструкція трубних систем конденсатора розраховувалася на статичну та циклічну міцність і стійкість, у тому числі від дії механічних і гідродинамічних збурювальних сил.

Запропонований спосіб установлення охолоджувальних трубок у конденсаторі великої потужності закріплення охолоджувальних трубок з обраних матеріалів сталі марки ТР 3161, що має високу пластичність у трубній дошці, товщина якої перевищує діаметр трубки в 1,3 рази, полягає у розвальцьовуванні трубки по всій товщині зовнішньої дошки з наступним накладанням кільцевого шва за допомогою аргонно-дугового зварювання з округленою зовнішньою поверхнею, що забезпечує тривалу герметичність і надійність з'єднання трубок із зовнішніми трубними дошками, а також зменшення гідравлічного опору вхідної ділянки охолоджувальних трубок на 30-40 95. При цьому невелика відмінність у діаметрах трубок і отвору з урахуванням відхилень по допусках виготовлення, які не перевищують 0,2-0,4 мм, не створює виступу при переході від розвальцьованого діаметра до вихідного, що знижує можливість ерозійного зношування суспензіями, котрі знаходяться у циркуляційній воді.

Згідно з оптимізаційними розрахунками теплового балансу і трубного пучка для виконання трубної системи конденсатора вибрані труби сортаменту Є 23х0,5 і 2 23х1,0 зі сталі аустенітного класу марки ТР 3161, а зовнішні трубні дошки - з тієї ж сталі 316Ї товщиною 30 мм,

Зо проміжні дошки виконані зі сталі марки 09Г2С, товщиною листа - 16 мм.

Кінець охолоджувальної трубки 1 розвальцьовується в отворі зовнішньої дошки 2 і приварюється із зовнішньої сторони аргонно-дуговим зварюванням суцільним по окружності швом. (фіг. 1)

При обпресуванні трубки 1 в отворі зовнішньої дошки 2 перехід від діаметра отвору до зовнішнього діаметра трубки проводиться на перехідній ділянці по внутрішньому їі зовнішньому радіусах, які дорівнюють радіусу трубки, що значно знижує локальні внутрішні напруження, котрі виникають при розвальцьовуванні до безпечного рівня.

Запропонований спосіб реалізований при модернізації конденсатора К-38080 для турбіни К- 1000-60/1500-2 енергоблока Мо З Запорізької АЕС.

Конденсатори турбіни великої потужності мають довжину трубного пучка, порівняну із шириною вихлопу. Для конденсатора К-38080 для турбіни К-1000-60/1500-2 довжина друбок становить 14060 мм, розрахована відстань між зовнішніми трубними дошками - ПР 7 ММ при висоті підйому Ап-г2мм в середній точці трубного прольоту між зовнішніми трубними дошками. При цьому, виконання охолоджувальних труб 1 вигнутої форми з розміщенням останніх у проміжних трубних дошках З на довжині модульного пучка забезпечує надійне їхнє обпирання незалежно від збільшеного розміру діаметра отворів у проміжних дошках.

Забезпечення вібраційної міцності труб охолоджувальних труб Є 23х0,5х14060 мм і 5 23х1,0х14060 мм і стійкості всієї конструкції конденсатора привело до технічної необхідності збільшення кількості дошок у кожному модулі корпусу з 10-ти штук (товщиною 20 мм) до 16-ти штук (товщиною 16 мм), що дозволило вибрати і розрахувати оптимальну відстань між проміжними дошками, яка забезпечує вібраційну міцність охолоджувальних трубок з урахуванням стійкості всієї конструкції під час режимів нормальної експлуатації. При встановленні труб по типу "лук" оптимізовано відстані між проміжними дошками -808,5 мм та щільність кріплення охолоджувальних труб у зовнішніх дошках за рахунок вальцювання і зварювання за технологією заводу-виробника.

Відстані розміщення проміжних дошок і їх надійність визначається з умови вібраційної міцності трубок. При розрахунках на вібраційну міцність як основні розрахункові навантаження прийняті: перепад внутрішнього тиску, маса труб теплообміну з охолоджувальною водою всередині, а також сейсмічна активність.

При обтіканні трубок паровим потоком у конденсаторі можливі два види збудження їх вібраційної нестійкості: вібраційний резонанс, еквівалентний частоті обертання ротора (для тихохідних турбін АЕС-25 Гц), при якому збурювання передаються через елементи корпусу

ЦНТ, газодинамічна вібрація, пов'язана з формуванням у кормовій частині трубок при їхньому поперечному обтіканні вихорів з їх відривом, що призводять до перерозподілу тиску по поверхні трубки, формуванню збурювальної сили.

При відсутності жорсткого зв'язку обертового ротора з корпусом ЦНТ при винесених підшипниках механічна вібрація, еквівалентна 25 Гц, малоймовірна оскільки основний вид збурювань, що впливають на охолоджувальні трубки, насамперед розташовані по зовнішньому контуру трубного пучка, являють собою газодинамічні відривні явища, які мають різний характер для трубок, розташованих на різній глибині трубного пучка, і поєднані зі швидкістю руху потоку, що натікає, діаметром трубок, їх компонуванням і локальними параметрами пари, насамперед динамічною в'язкістю.

Дослідження течії пари в трубному пучку показало, що за трубками першого ряду спостерігається хаотичний високотурбулентний рух пари, який не викликає практично ніякого коливального процесу. Тому на трубки першого ряду, як найбільш навантажені, буде впливати паровий потік вихлопного патрубка з можливими локальними нестаціонарними пульсаційними складовими, частота яких не перевищує 1500-2000 Гц.

Розрахункове дослідження з визначення власних частот коливань трубок для оцінки можливого резонансу і забезпечення вібраційної міцності охолоджувальних трубок від частот детермінованого збудження проведено при базовій частоті обертання ротора на турбіні К-1000- 60/1500-2, яка дорівнює 25 Гц.

Критерієм забезпечення вібраційної міцності охолоджувальних трубок є відхилення власних частот коливань від частот детермінованого збудження. (Фі. Розрахункове (дослідження визначення перших трьох форм коливань згідно з вимогою о або о (ФЯ іІ-123. 9 де - нижня власна частота коливань ( у; - частота збудження.

Як детерміновані частоти порушення прийняті: основна частота обертання ротора турбіни - 25 Гц. Частоту зривів вихорів при поперечному обтіканні трубок (частоту гідродинамічних сил) визначено як у о -ер.5і.- а з де р - частота зривів при поперечному обтіканні трубок; ЗІ. число Струхаля, прийняте для діапазону Рейнольдса, що змінюється від 300 до 5-10? та дорівнює 5і- г. У, 6 - швидкість потоку пари; д, мм - діаметр трубки.

При діаметрах охолоджувальних трубок, існуючої швидкості пари і його кінетичної в'язкості, частота пульсацій потоку рдродирамічних, сил, зв'язаних зі зривом вихорів при поперечнім обтіканні трубок становить ця .

Так для охолоджувальних трубок конденсатора К-38080, заповнених водою значення власних частот для трьох форм коливань із урахуванням її установлення за формою лук при прийнятій кількості проміжних дошок (фіг. 3) для трубки Є 23х1,0 наведено в таблиці 1.

Таблиця 1 для трубки 223х1,0 наведено в таблиці 2

Таблиця 2

Ії форма ІІ форма 83,63 245,93 543,91 88,16 254,18 555,01 95,05 266,23 571,93 ! ГРЗ. - 325 Гц !

Область безпеки по частоті обертання ротора , спостерігається для всього діапазону власних частот охолоджувальних трубок для прийнятої схеми закладення і обпирання на проміжні дошки.

Для гідродинамічних збурювань при ї- 640 Гц умова івл(О7 зм

Де Ївл - власна частота коливань трубної системи; їзм - змушена частота під дією гідродинамічних сил, також виконується для трьох форм власних коливань охолоджувальних трубок. Запас вібраційної міцності за першою формою коливань перевищує 25 95, по другій і третій кратності збудження - більше 15 95, що відповідає вимогам правил і норм в атомній енергетиці.

Виходячи із цього в конструкції конденсатора вибрані оптимальна кількість проміжних дошок і довжини прольотів між ними з урахуванням розрахункової залежності власної частоти від довжини прольоту і характеру обпирання охолоджувальних труб на проміжні дошки. Відносна довжина прольоту, відповідна до надійної експлуатації трубного пучка при вибраному зовнішньфму діаметрі становить

Ів ---- 325 а з де ПР. відносна довжина прольоту; 4 - діаметр трубки; ПР. довжина прольоту між проміжними трубними дошками, що дорівнює ІпР 8085 М,

Величина можливої деформації труб сортаменту Є 23х0,5 і Є 23х1,0 зі сталі марки ТР 3161. по довжині труби між проміжними дошками від дії парового потоку, що набігає, суттєво нижче, ніж відстань між трубками, що з урахуванням розрахункового номінального зазору між зовнішнім діаметром трубок і внутрішнім діаметром отвору в проміжних дошках повністю виключають можливість взаємних ударів трубок одна об одну.

Тобто запропонований спосіб установлення охолоджувальних трубок здійснений шляхом обпресування і обварювання кінців охолоджувальних трубок у зовнішніх трубних дошках при виборі їх оптимального діаметра сортаменту Є 23х0,5 і 2 23х1,0 зі сталі аустенітного класу марки ТР 316Ї та трубних дошок виконаних з корозійностійких матеріалів, які при контакті з трубками не утворюють гальванічної пари, забезпечує високу надійність роботи трубного пучка

Зо конденсатора при оптимальному відношенні довжини прольоту між проміжними дошками та встановленні трубок лучної форми (типу "лук") з максимальним підйомом у центрі трубного пучка і оптимальним ухилом в обидві сторони від центра, допустимим при експлуатації потужних парових турбін із протяжними трубними пучками з урахуванням дії збурних сил впливу парового потоку, визйаче -

РО отоку, визва" ВНУКИ. 10 З

Ів 8085 де ПР. довжина прольоту між проміжними трубними дошками; АП - висота підйому трубок, що дорівнює 2 мм; УКЛ - кут укладення трубок /УКЛ 7 0142-85,

Claims (2)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

   Спосіб установлення охолоджувальних труб у конденсаторах турбін великої потужності, який включає завальцювання кінців охолоджувальних труб, вставлених у трубні дошки, і суцільне кільцеве обварювання їх торця, який відрізняється тим, що використовують охолоджувальні труби сортаменту 2 23х0,5 і й 23х1,0, які завальцьовують у зовнішніх трубних дошках на

   45 довжині контакту поверхонь цих труб і дощок, яка дорівнює товщині зовнішніх трубних дощок, з наступним обварюванням, а охолоджувальні труби в отворах проміжних трубних дощок укладають із зазором для утворенням точкового контакту при похилому розміщенні із прогином лучної форми охолоджувальних труб при максимальному підйомі в центрі прольоту між зовнішніми трубними дошками, а для виключення вібронапружень відносну відстань між проміжними Дршками вибирають за співвідношенням: Ів ----325 а де ПР. відносна довжина прольоту; 9 - діаметр труби; ПР. довжина прольоту між проміжними трубними дошками, при цьому охолоджувальні труби і трубні дошки виконані з корозійностійких матеріалів. у ші . і. ОО а - од ще о. . іі и хх ет ЗХ т В ЖК й й і ї Є щХ Я

   7 Я. Ї і Її КЕН ей ть Ї ! ! Н Н й АХ :. ХХ дО КОХ Я нен З З ЗВ ВЕ: ВНІ ОО «А

   Фіг. 1 ати и ЕЙ і нн и и - | ку Шк 4 Кк ї по БІ ШОЕ

   Фіг.
2. 2 РІ З ї м М МОМ ИН У Кк ЕВ Ї дней ОБ М ому о МЕ НЕ А ре тр гнш М ШЕ и НН що я | Еш Кен ша НИ Ши АН не МИ І ЗВУ НЕ я НИ В ШИ А Код о Я МЕНЕ НИ МОЖЕ МНЕ ДЕ ес ех ДВ Еш ши ше шк щк М М не НН Я Ме М МИ М НК НН дае Вл ку вен ех ОО КУ ну я я ЗЕ УК св в яти? дн ин ОО о а и пили

   Фіг. З