Wyjaśnienie rur kotłowych

Czym są rury kotłowe?

W każdym kotle, ciepło jest przekazywane z wnętrza rur na zewnątrz (kotły płomieniówkowe), lub z zewnątrz rur do wnętrza (kotły wodnorurowe). Liczba rur w kotle może wynosić od setek do tysięcy, w zależności od jego wielkości i konstrukcji. Głównym zadaniem rur kotłowych jest transfer ciepła wytwarzanego przez spalanie paliwa do wody lub pary.

Rury kotłów płomieniówkowych i wodnorurowych

Warto wiedzieć – ‘wodnorurowy’ może być również zapisany jako ‘wodno-rurowy’, lub ‘wodnorur’, ale wszystkie te formy oznaczają to samo.
Warto wiedzieć – ‘płomieniówkowy’ może być również zapisany jako ‘płomieniówkowy’, lub ‘płomieniówka’, ale wszystkie te formy oznaczają to samo.
Uwaga - dla ułatwienia zrozumienia i zaznajomienia się, w tym artykule użyto różnych form pisowni dla obu typów kotłów.

Rodzaje rur kotłowych

Kocioł może zawierać różne typy rur w celu spełnienia specyficznych wymagań grzewczych. Typ używanej rury zależy od konstrukcji kotła i jej umiejscowienia w kotle. 

• Rury ekonomizera – do podgrzewania wody zasilającej.
• Rury przegrzewacza – do przegrzewania pary powyżej punktu nasycenia.
• Rury parownika – do przekształcania wody w parę (proces parowania).
• Rury wzmacniające – do transferu ciepła i zwiększenia wytrzymałości konstrukcyjnej kotła.
• Rury z żeberkami – do zwiększenia powierzchni wymiany ciepła.

Warto wiedzieć – termin ‘przegrzewanie’ odnosi się do procesu dodawania ciepła do pary nasyconej w celu podniesienia jej temperatury i tym samym zwiększenia ilości energii, którą para zawiera.

Warto wiedzieć – rury wzmacniające są specjalnie zaprojektowane, aby nie tylko przenosić ciepło, ale także wzmacniać wewnętrzną strukturę kotła. Rury wzmacniające są grubsze niż standardowe rury, zapewniając dodatkowe wsparcie strukturalne dla kotła.

Oznaczenia rur kotłów wodnorurowych

Konstrukcja rur kotłowych

Rury kotłowe są projektowane, aby spełniać rygorystyczne standardy bezpieczeństwa i wydajności, co wymaga określonych wymagań konstrukcyjnych i materiałowych. W przeciwieństwie do zwykłych rur, rury kotłowe często mają grubsze ściany i brak szwów wzdłużnych, co zwiększa ich wytrzymałość i integralność pod wysokim ciśnieniem i wysoką temperaturą. Rury kotłowe są zwykle produkowane bez szwów, aby uniknąć słabych punktów, które mogłyby prowadzić do awarii pod wpływem naprężeń. Rury kotłowe są produkowane zgodnie z określonymi międzynarodowymi standardami. Na przykład, ASTM A192 dostarcza standardowe specyfikacje dla rur stalowych węglowych wysokociśnieniowych.

Porównanie konstrukcji kotłów wodnorurowych i płomieniówkowych

Układ rur kotłowych

Układ rur w kotle jest wybierany na podstawie różnych czynników, w tym wskaźnika wymiany ciepła, spadku ciśnienia, złożoności produkcji i pożądanej wydajności.

Układ rur kotłów wodnorurowych

Poniżej przedstawiono kilka powszechnych układów rur kotłowych:

• Układ rur w układzie zygzakowatym – ta konfiguracja umieszcza rury w układzie zygzakowatym, zwiększając wskaźnik wymiany ciepła dzięki zwiększonej turbulencji przepływu cieczy.
• Układ liniowy lub siatkowy – rury są rozmieszczone w regularnym układzie siatkowym. Choć oferuje łatwość produkcji i czyszczenia, może skutkować niższą wydajnością wymiany ciepła w porównaniu do układów zygzakowatych.
• Układ kwadratowy obrócony – rury są umieszczone w układzie kwadratowym, ale obrócone pod kątem. Ten układ może poprawić wymianę ciepła, skuteczniej zakłócając przepływ cieczy niż standardowy układ siatkowy.
• Układ trójkątny – rury są rozmieszczone w układzie trójkątnym, co maksymalizuje liczbę rur na danym obszarze, prowadząc do wyższych wskaźników wymiany ciepła.

Przykłady układów rur

Porównanie rur kotłowych i rur standardowych

Rury kotłowe różnią się znacznie od standardowych rur w kilku aspektach:

• Grubość ścianek – rury kotłowe zazwyczaj mają grubsze ścianki, aby wytrzymać duże ciśnienia wewnętrzne, na które będą narażone (kotły elektrowni zazwyczaj działają przy ciśnieniach powyżej 160 bar (2,400 psi) i temperaturach powyżej 540⁰C (1,000⁰F).
• Pomiar – w przeciwieństwie do rur, które mierzy się według ich średnicy wewnętrznej, rury kotłowe mierzy się według ich średnicy zewnętrznej.

Rura z wzdłużnym spawem

Przyczyny awarii rur kotłowych

Awaria rur kotłowych jest jedną z głównych przyczyn wyłączeń kotłów, z kilkoma podstawowymi przyczynami:

• Przegrzanie – najczęstsza przyczyna awarii rur. Może wystąpić z powodu nagromadzenia się osadu wewnątrz rur, działającego jako warstwa izolacyjna, lub z powodu niewystarczającego przepływu wody lub pary (niewystarczające chłodzenie), lub z powodu błędów operacyjnych takich jak przegrzanie, gdzie nadmierne paliwo podnosi temperaturę kotła poza bezpieczne granice.

Osad wewnątrz rury kotłowej

Warto wiedzieć – osad wewnątrz rur kotłów wodnorurowych powoduje, że ciecz procesowa (woda lub para) przepływa z większą prędkością, jednocześnie zmniejszając wskaźnik wymiany ciepła rury. Zmniejszenie wskaźnika wymiany ciepła powoduje zmniejszenie wydajności i zwiększone ryzyko lokalnego przegrzania (rury kotłów wodnorurowych i płomieniówkowych są chłodzone przez ciecz procesową).

• Korozja – może degradować metal rur zarówno wewnętrznie, jak i zewnętrznie, wywołana czynnikami takimi jak zła jakość wody lub narażenie na działanie chemikaliów i gazów.
• Erozja – powoduje zużycie materiału rury przez ciągłe narażenie na działanie płynów lub cząstek stałych, szczególnie w kotłach opalanych węglem o wysokiej zawartości popiołu.
• Naprężenia mechaniczne – spowodowane ciśnieniem, rozszerzalnością cieplną i wibracjami, które mogą prowadzić do zmęczenia i ostatecznej awarii rur kotłowych.
• Wady materiałowe – wady produkcyjne lub niejednorodności materiałowe mogą prowadzić do przedwczesnej awarii rur kotłowych pod normalnymi naprężeniami eksploatacyjnymi.

Naprawa i konserwacja rur

Proces naprawy rur kotłowych zazwyczaj obejmuje spawanie (technika używana do łączenia metalu poprzez intensywne ciepło). Ze względu na złożoność i wysokie wymagania umiejętności, spawanie jest zazwyczaj wykonywane przez certyfikowanych spawaczy.

Różne rodzaje spawów

Rodzaje napraw rur kotłowych

Cztery najczęstsze sposoby naprawy rur kotłowych to:

• Napawanie – polega na nałożeniu warstwy materiału spawalniczego w celu pogrubienia i wzmocnienia osłabionych obszarów.
• Zamykanie pęknięć – w przypadku pęknięć rur, uszkodzony obszar jest często zespawany po wyrównaniu krawędzi.
• Naprawa okienkowa – poważnie uszkodzona część rury może zostać wycięta i zastąpiona nowym kawałkiem, zapewniając ciągłość i integralność.
• Zatykanie – wykonywane w przypadkach, gdy uszkodzenie jest niemożliwe do naprawy innymi metodami. W tej metodzie wtyczki wykonane z odpowiedniego materiału są wprowadzane na oba końce uszkodzonej rury, izolując ją hydraulicznie.

WAŻNE: Nie zaleca się eksploatacji kotła z więcej niż 10% jego rur zatkanych. 

Zapobiegawcza konserwacja rur kotłowych

Przestrzeganie zalecanego przez producenta planu konserwacji zapobiegawczej jest ważne, aby utrzymać kocioł i jego wewnętrzne części w optymalnym stanie. Plany konserwacji zapobiegawczej zazwyczaj obejmują następujące czynności:

• Kontrola chemii wody i pary (bardzo ważne!)
• Zewnętrzne inspekcje wizualne w zaplanowanych odstępach czasu, np. co 4 godziny lub codziennie itp.
• Wewnętrzne inspekcje wizualne w zaplanowanych odstępach czasu, np. co 6 miesięcy.
• Inspekcje rur kotłowych i aktualizacja map rur kotłowych (zawierają one stan każdej rury w kotle).
• Pobieranie próbek paliwa.
• Pobieranie próbek gazów spalinowych.
• Inspekcje termograficzne.
• Inspekcje materiałów ogniotrwałych.

Należy pamiętać, że są to tylko niektóre z zadań wymaganych do prawidłowego działania przemysłowego kotła!