Для того, чтобы предотвратить аварию с оборудованием, работающим под давлением выше атмосферного, необходимо иметь четкое представление о потенциальной опасности этого оборудования и знать причины аварий, происходивших ранее.
За последнее время значительно изменился состав работников котлонадзора, инженерно-технических служащих и руководителей предприятий. На смену старым кадрам пришли молодые, которые не всегда знакомы с причинами аварий, ранее происходивших на объектах котлонадзора. Среди них, к сожалению, встречаются и такие, которые не хотят учиться на ошибках других, наивно полагая, что аналогичные аварии не повторятся. Подобное мнение ошибочно, меры по предотвращению аварий необходимо предпринимать заранее, используя предыдущий опыт надзорной деятельности, а не ждать новых аварий, после чего начинать профилактическую работу с чистого листа.
В январе 1970 г. в цехе древесно-волокнистых плит деревообрабатывающего комбината произошел взрыв пароводяного аккумулятора вместимостью 50 м3, работавшего при избыточном давлении 2,0 МПа и температуре подогрева воды до 210 °С. Оборудование цеха, включая пароводяной аккумулятор, было закуплено в Швеции в 1958 г. и введено в эксплуатацию в 1960 г. Аккумулятор представлял собой вертикальный цилиндрический сварной сосуд из низколегированной стали высотой 10,7 м, диаметром 2,5 м с толщиной стенки цилиндрической части 25 мм, а днища — 21 мм. После изготовления сосуда сварные швы проверили просвечиванием по пятибалльной системе, принятой в Швеции, и оценили на «4» и «5».
После установки (1960 г.) аккумулятор был подвергнут гидравлическому испытанию. Последнее освидетельствование (внутренний осмотр и гидравлическое испытание) аккумулятора проводил инспектор котлонадзора в 1966 г., в рабочем состоянии аккумулятор осматривали в 1969 г.
Аккумулятор служил для подогрева воды, поступающей в пресс и камеру термической обработки древесно-волокнистых плит. Вода температурой 210 °С из верхней части аккумулятора с помощью центробежных насосов подавалась в пресс и камеру термической обработки. В нижнюю часть аккумулятора возвращалась вода температурой 195 °С. Можно было также забирать воду насосами из нижней части по обводной линии.
Для подогрева воды в верхнюю часть аккумулятора поступал насыщенный пар избыточным давлением 2,1 МПа из котлов типа ДКВР, установленных в котельной комбината. Вода контактировала с паром на тарельчатом устройстве в паровом пространстве аккумулятора, куда она подавалась циркуляционными насосами из нижней его части.
Кроме пружинного предохранительного клапана, манометра и водоуказательного стекла, аккумулятор был оснащен автоматическими регуляторами уровня воды, давления, температуры и контрольно-измерительными приборами для определения температуры воды в различных по высоте точках аккумулятора и ее среднего значения. Предусматривалось также измерение температуры воды, которая подается в пресс и камеру и возвращается в аккумулятор. В нижней части корпуса имелась линия для заполнения и опорожнения аккумулятора, в верхней части — воздушник для удаления неконденсирующихся паров.
Согласно проекту аккумулятор должен был заполняться конденсатом температурой 70 °С, поступающим из сушильных камер в два конденсационных бака вместимостью 42 м3 каждый. В инструкции завода-изготовителя указывалось, что величина рН воды должна быть 9-10. Для этого насосом-дозатором можно было вводить в аккумулятор раствор едкого натра или тринатрийфосфата.
В результате экспертизы оборудования было установлено, что непосредственная причина аварии — образование глубоких продольных и поперечных трещин в нижнем кольцевом сварном шве, соединяющем днище с цилиндрической частью аккумулятора. Трещины настолько распространились по всей длине шва, что в процессе расследования оказалось невозможным вырезать образцы для механического испытания сварного соединения. Удалось получить лишь три образца для испытания на растяжение, которые были вырезаны из наплавленного металла наружного шва.
При осмотре места разрыва выяснилось, что трещина образовалась давно. Металл в местах разрыва имел сильно окисленную поверхность темного цвета, составлявшую более 60 % сечения шва. Отчетливо виднелись старая трещина с почерневшей поверхностью и свежий излом серебристого цвета. В некоторых местах ширина свежего излома была всего 2-3 мм. Именно в этом, наиболее ослабленном, месте, по-видимому, произошло первоначальное раскрытие по шву, затем из-за перераспределения отрывного усилия (около 10,8 МН) разрыв мгновенно увеличился и произошел резкий выброс пароводяной смеси. Расчет показал, что объем смеси возрос до 20 тыс. м3, а общая работа расширения составила примерно 2,3 тыс. МДж. Если считать, что истечение длилось около 10 с, то мощность струи составила около 250 тыс. кВт. Ориентировочный расчет наглядно показал, насколько велика опасность разрыва сосудов большой вместимости, заполненных перегретой водой.
При осмотре в нижнем кольцевом сварном шве была обнаружена ремонтная подварка длиной около 700 мм. Этот участок резко отличался от заводских швов (чешуйчатая и ноздреватая поверхность, значительная неравномерность по ширине и др.). В ходе расследования выяснилось, что ремонт сосуда был выполнен в 1968 г. после того, как в этом месте обнаружили течь. Однако администрация комбината не пригласила специалистов для определения причин появления течи, а после ремонта не предъявила аккумулятор для технического освидетельствования инспектору котлонадзора, как это предусмотрено Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.
Подварка шва в месте образования трещины была выполнена с грубыми нарушениями технологического режима: ранее наплавленный металл полностью не удалили, границы трещины не были определены и концы ее не засверлены. Гидравлическое испытание после подварки шва не проводили.
В 1969 г. в этом же сварном шве снова появилась течь, и вновь администрация комбината скрыла это от инспектора котлонадзора и допустила подварку шва с грубыми нарушениями правил. Можно с уверенностью сказать, что, если бы вызвали инспектора, он прежде всего потребовал бы проверить весь шов радиографическим или ультразвуковым методом контроля. Трещины были бы своевременно выявлены, и авария предупреждена.
Комиссия установила также, что на комбинате допускали грубые нарушения безопасного режима эксплуатации аккумулятора, особенно в периоды его остановки и пуска. Раз в неделю аккумулятор останавливали на 8—12 ч для профилактического ремонта. При пуске установки после такого ремонта воду подогревали форсированно. Скорость изменения температуры воды во много раз превышала скорость, предусмотренную инструкцией завода-изготовителя. На комбинате неоднократно подавали в аккумулятор холодную воду из пожарного водопровода.
При нарушениях режимов пуска и останова аккумулятора в металле возникали дополнительные термические напряжения, особенно в первый момент подачи пара. При этом из-за быстрого прогрева конденсирующимся насыщенным паром разность температур между верхом и низом аккумулятора могла достигать 120-150 °С. Во время эксплуатации не исключались случаи, когда уровень воды был ниже места ее отбора насосом или аккумулятор переполнялся, что могло вызвать гидравлический удар. Дополнительные термические напряжения, возникавшие в металле в течение ряда лет, вызывали появление трещин в нижнем сварном шве аккумулятора, а ремонтная подварка шва, проводившаяся дважды с грубыми нарушениями технологического режима, способствовала их развитию и распространению.
Проверка, проведенная органами Госгортехнадзора СССР, показала, что на некоторых других предприятиях, где были установлены аналогичные сосуды, также нарушались правила безопасности и инструкции завода-изготовителя. Руководители цехов и персонал слабо представляли опасность, с которой связана эксплуатация подобных сосудов.
В июле 1981 г. на ТЭЦ сахарного завода произошла авария парового котла типа Бабкок-Вилькокс (изготовлен в 1951 г. в ЧССР, введен в эксплуатацию в 1953 г.; давление 2,5 МПа, температура пара 350 °С, паропроизводительность 25 т/ч) с тяжелыми последствиями. При этом разорвался барабан котла по продольному заклепочному шву, оторвались оба днища. Под действием взрывной волны левое днище барабана было откинуто на 80, правое — на 50 м. Почти все кипятильные и экранные трубы вырваны из трубных отверстий и деформированы, секционные камеры отброшены на различные расстояния. Значительно повреждены и выведены из строя два расположенных рядом котла. Полностью разрушены стены и перекрытия котельной и частично — турбинного зала.
Причина аварии — разрыв обечайки барабана по второму ряду продольного заклепочного шва (по всей его длине), вызванный межкристаллитной коррозией металла. При осмотре места разрыва обнаружены множественные трещины в перемычках между заклепочными отверстиями и солевые отложения на стенках отверстий. В процессе расследования аварии в двух местах на продольном заклепочном шве барабана были сняты наружная и внутренняя накладки и там на обечайке (на наружной и внутренней поверхностях) и накладках, в местах соприкасания с обечайкой, обнаружили (визуально) многочисленные трещины, расположенные радиально от заклепочных отверстий.
Вырезанные участки накладок и обечайки были проверены методами цветной и магнитопорошковой дефектоскопии, которые дополнительно выявили более мелкие трещины. Металлографическое исследование образцов, вырезанных из поврежденных мест, показало, что трещины имеют межкристаллитный характер.
Заклепочные соединения барабана в процессе эксплуатации котла периодически проверяли, используя метод ультразвуковой дефектоскопии, последний раз — в 1979 г. Однако дефекты не обнаруживали.
Данная авария произошла также и из-за грубых нарушений правил безопасности, допускавшихся администрацией завода при эксплуатации котлов. В соответствии с должностной инструкцией котел можно растапливать только по письменному распоряжению начальника ТЭЦ, при этом в журнале дежурный инженер должен был указывать режим растопки. Это не выполнялось. Старшие машинисты и машинисты котлов вообще не вели никакой документации (ведомости котлов, журнал приема и сдачи дежурств).
В результате такой бесконтрольности осуществляли форсированные растопки котлов, что вызывало напряжения в металле барабана котла, значительно превышающие допустимые. Положение усугублялось еще и тем, что растопку котла на ТЭЦ проводили часто.
Отсутствие защитных рубашек на вводах питательной воды в барабан при питании котла относительно холодной водой (температура 95—104 °С) и неудовлетворительная конструкция этих вводов внутри барабана, выполненных заводом-изготовителем в виде корыт, не обеспечивавших равномерное распределение питательной воды по длине барабана, также способствовали возникновению повышенных напряжений в металле барабана. Реперы для контроля за тепловыми перемещениями барабана отсутствовали.
Серьезные недостатки существовали в организации и ведении водного режима котлов. В течение всего времени эксплуатации котлов относительная щелочность котловой воды значительно превышала допустимую (20 %) для котлов с барабанами, имеющими заклепочные соединения, и в отдельные периоды достигала 40-50 %.
Известно, что межкристаллитные трещины (щелочная хрупкость) возникают в заклепочных соединениях котлов при сочетании повышенных местных механических напряжений (близких или превышающих предел текучести), неплотностей в сочленениях элементов котла, в которых может происходить глубокая концентрация котловой воды (в 50—100 раз выше нормы), и неблагоприятного солевого состава котловой воды. Нарушения, допускавшиеся на ТЭЦ завода, создавали условия для возникновения этих, наиболее опасных, повреждений металла паровых котлов. Характерная особенность указанных повреждении — межкристаллитное расположение начальных трещин, отсутствие деформации металла в зоне их образования, сохранение металлом механических свойств даже в непосредственной близости от места разрушения.
В целях предупреждения подобных аварий на предприятиях, эксплуатировавших паровые котлы с клепаными барабанами, по требованию Госгортехнадзора СССР проводилась ультразвуковая, а в случае необходимости магнитопорошковая или цветная, дефектоскопия заклепочных соединений для выявления межкристаллитной коррозии. При этом была запрещена дальнейшая эксплуатация 60 котлов, из 800 проверенных за 8 мес., так как они имели недопустимые дефекты.
Учитывая, что в настоящее время на промышленных предприятиях еще эксплуатируют пароводяные аккумуляторы и паровые котлы, имеющие заклепочные соединения элементов, было бы целесообразно в возможно короткие сроки разработать и утвердить в качестве нормативных документов Госгортехнадзора России методические указания по техническому диагностированию и продлению срока службы аккумуляторов перегретой воды и методические указания по техническому диагностированию и продлению срока службы паровых котлов, имеющих заклепочные соединения.
Рассмотренные в данной статье причины двух катастрофических аварий, повлекших человеческие жертвы и большие разрушения, должны убедить эксплуатационный персонал и руководителей предприятий более ответственно относиться к выполнению правил устройства и безопасной эксплуатации объектов котлонадзора, а инспекторский состав быть более требовательным и жестким к нарушителям при осуществлении государственного надзора. Специалистам экспертно-технических организаций при выполнении технического диагностирования объектов котлонадзора необходимо квалифицированно проводить экспертизу промышленной безопасности объектов, особенно имеющих заклепочные соединения, а также емкостного оборудования с перегретыми жидкостями.
Вернуться в блог