SZL15組裝鍋爐過熱器爆管事故分析

沈莉

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院無錫分院，江蘇 無錫 214000）

1 前言

隨著工業經濟的快速發展，對帶過熱器的工業鍋爐需求也越來越多。過熱器的作用是將飽和蒸汽加熱到一定的溫度，以滿足生產工藝的需要，一般溫度不高于400℃。天津某用戶于2003年5月安裝的一臺SZL15-1.25/250-AⅡ鍋爐，使用近5個月時間，過熱器管子發生爆管。經現場檢查，過熱器蛇形管底部有一φ6mm的孔，因生產急需，堵管、水壓后繼續運行。使用一周后又出現過熱器爆管，現場搶修后又繼續運行，再次發生爆管，在一個月時間內連續發生三次過熱器爆管事故。從爆管處看，有過燒現象，分層、析碳；剖開檢查，管壁有少量鹽垢。

2 原因分析

2.1 設計與布置

過熱器受熱面布置在煙氣溫度較高的地方，一般布置在700～900℃的溫度范圍內，達到既有足夠的傳熱溫壓，又保證碳鋼管在允許的溫度范圍內工作，一般不使用合金鋼。其傳熱方式有對流、半輻射和輻射三種，工業鍋爐采用的過熱器通常為對流，特別是SZL系列組裝鍋爐由于爐膛空間小，設計時都采用對流過熱器。過熱器布置方式有垂直和水平兩種。垂直布置的優點是結構簡單，吊掛方便，結灰少，應用廣泛；缺點是停爐后管內積存的凝結水難以排除，長期停爐后引起管子的腐蝕。在升爐時由于管內積水，在工質流量不大時，易形成氣塞使管子過燒。該鍋爐過熱器采用15CrMoG材料，布置在爐膛出口處，采用垂直吊掛方式。熱力計算結果：過熱器入口煙溫1080℃，出口煙溫986℃。這樣的溫度區域相對較高，運行時的壁溫也高，靠近爐膛處還受到火焰的輻射。

2.2 水質的影響

水質對過熱器運行有直接影響，GB1576水質要求鍋爐內水的堿度也需嚴格控制，堿度過高容易引起汽水共沸而帶水嚴重，堿度高即鍋水中鹽濃度高，汽帶出的水中的鹽量也會增加，造成過熱器積鹽加快。定期的反洗是必要的，過熱器中積鹽現象是不能避免的，我們只能控制它的速度所以時間長了必須進行反洗，去除鹽垢，保證過熱器的安全運行。

2.3 運行中的影響因素。

2.3.1 鍋爐負荷。對流過熱器，隨著負荷的增加，過熱器蒸汽溫度升高。由于負荷增加，燃料消耗量增大，燃燒后產生的煙氣量隨之增加，導致煙氣流速加大，傳熱系數增高；同時由于燃料消耗量增加，使煙氣溫度升高，因此對流過熱器的吸熱量的增加值超過了由于負荷增加工質吸熱量的增加值(（Qgr/D）增大，使tgr升高)。SZL型組裝過熱蒸汽鍋爐運行一定要保持一定的壓力，壓力低蒸汽容積膨脹，蒸汽速度增加，增大了蒸汽帶水能力。

2.3.2 給水溫度。給水溫度降低時，使鍋爐的總吸熱量增加，其燃料消耗量必須相應的增加，造成對流過熱器入口煙氣溫度升高和流量的增加，導致對流過熱器吸熱量增加，使蒸汽溫度升高。一般情況下，給水溫度變化不大，對蒸汽溫度變化影響較小。

2.3.3 爐膛出口空氣過量系數。爐膛出口空氣過量系數的變化對過熱器溫度有顯著影響。空氣過量系數增大，爐內溫度水平降低，輻射吸熱量減少，煙氣量增加，煙氣速度增大，使對流過熱器的吸熱量增加，蒸汽溫度升高。根據運行經驗，空氣過量系數增加10%，過熱蒸汽溫度將升高10～20℃。但必須注意的是，雖然過量空氣系數的大小可以改變蒸汽溫度的變化，但不能作為調節過熱蒸汽溫度的手段。因為增加過量空氣將使鍋爐排煙損失加大，減少過量空氣系數，會使燃燒不完全，因此是不合理的。

2.3.4 燃料的變化。燃料中主要是煤中的水分和灰分的變化，引起蒸汽溫度的變化。水分與灰分的增加，使煙氣體積增加，使過熱器的煙氣速度加大，對流傳熱量增加，引起對流過熱器蒸汽溫度升高。根據經驗，一般水分增加1%，對流過熱器溫度約增加1℃；灰分的影響比較復雜，如灰分增加，使燃料著火推遲，受熱面污染加重等，影響對流傳熱。

2.3.5 爐膛出口煙氣溫度。爐膛出口煙氣溫度直接影響過熱蒸汽溫度。這種情況影響因素較多，如爐膛結渣、火焰中心移動、爐膛上部或過熱器區發生局部再燃，以及受熱面本身積灰、結渣等都會引起過熱蒸汽溫度發生波動。

3 設計探討

3.1 與SHL型雙鍋筒橫置式散裝鍋爐過熱器對比。散裝結構，鍋筒可以橫向布置，且鍋筒直徑可以做大。橫向布置可以使蒸汽沿鍋筒縱向均勻分布，汽水分離均勻；蒸汽空間較大，減小飽和蒸汽帶水，提高蒸汽品質；橫向布置的過熱器管受熱比較均勻，蒸汽流量很均勻，可使過熱器壁溫下降，進入過熱器的飽和蒸汽含水率很低，過熱器積鹽、積垢很少，過熱器故障率極低。

3.2 組裝鍋爐過熱器的結構特性。在組裝工業鍋爐過熱器設計中，蒸汽流速一般根據管子的冷卻條件和流動阻力不致過大為原則來選取。通常過熱器總阻力不超過額定工作壓力的10%。工業鍋爐壓力較低，蒸汽密度小，可以選用較高的流速來降低管壁溫度。一般蒸汽流速取用25～35m/s，煙氣流速根據管子不受磨損和不易積灰來選擇，一般取8～14m/s。在鍋爐過熱器布置中，蒸汽流速和煙氣流速都需要保證。過熱器管的布置可以采用單排并聯，多排并聯，或單排內管子分為幾個回程來保證蒸汽流通截面積和煙氣流通截面積。過熱器管一般采用φ32～φ45的無縫鋼管制成，為減輕灰渣粘連，同時考慮支吊的方便，較多采用順列布置。

3.3 汽水分離裝置。由于工業鍋爐運行條件差，而且SZL型雙鍋筒縱置式鍋爐，沿鍋筒縱向蒸發率相差很大，前高后低，前部水冷壁管蒸汽量大且從單排的水冷壁管中集中沖入鍋筒，后部對流管束蒸汽量小且從整個下鍋筒均勻進入上鍋筒。鍋水中鹽份很大，蒸汽把鍋水帶入過熱器后，水分進一步蒸發變為過熱蒸汽，而鹽份將會積累在過熱器內壁上。時間長了會越積越厚，增加了管內壁熱阻，將使過熱器壁溫上升，造成過熱器超溫，氧化，蠕變直至爆管。所以SZL型過熱器鍋爐防止爆管，減少蒸汽帶水率是設計重點。改善汽水品質首先從改進汽水分離裝置著手，過熱蒸汽鍋爐內部裝置采用組合裝置，下部由蒸汽擋板，水下孔板組成。蒸汽由蒸汽擋板引到水下孔板以下，經水下孔板節流后，從孔板的小孔中均勻進入鍋筒蒸汽空間。由于SZL型鍋爐，鍋爐內蒸發量的不均勻性，水下孔板開孔需根據蒸汽負荷不同而開孔數量及密度也不同。蒸汽向上時經過給水層，使蒸汽中帶水含鹽濃度下降。蒸汽進入鍋筒汽空間后經過一段距離進入波形板分離器，波形板分離器后邊也布置一塊均汽孔板，使經過每片波形板縫隙的汽量相近，使汽水分離效果達到最佳。上鍋筒蒸汽引出采用多路引出，使沿鍋筒縱向出汽均勻，避免由于局部蒸汽流速偏高而增加蒸汽帶水量。另一個改善蒸汽品質的方式就是加大蒸汽出口到水面的高度。汽空間高度大于500mm時，蒸汽帶水量已經很小。為增加汽空間高度，一般采用加大鍋筒直徑、增高蒸汽出口、降低正常水位。鍋筒直徑加大后如果正常水位與鍋筒中心線位置不變，汽空間高度的增加將等于鍋筒半徑R的增加量，這樣的增加量顯然不理想。我們對對流管束進行了重新排列。一般情況下鍋筒上管排的縱向減弱系數總是最小值，橫向減弱系數比縱向大很多，但是橫向節距由于要保證一定的焊縫凈間距，避免焊縫熱影響區重合，也已不能再減小。管口間凈間距需大于20mm，φ900鍋筒取相鄰管角度9°，管口凈間距19.7mm。而鍋筒加大后如采用φ1000、φ1100鍋筒，保證管口間凈間距需大于20mm，相鄰管間角度分別只需8.2°、7.4°。如果橫向管排數量不變，從鍋筒上引出的最高一根水冷壁管與水平線的角度將增大，鍋爐正常水位也可相應下降，一般水位可下降100～150mm，這樣可以最大限度的增大了汽空間高度，改善了蒸汽品質。

4 改進措施

綜合以上幾方面考慮，對SZL15-1.25/250-AⅡ鍋爐過熱器設計與布置作如下改進：將過熱器布置在燃燼室出口與對流管第一管束入口間，此區域進口煙溫為900～980℃，熱力計算結果如下：過熱器入口溫度976℃，出口溫度885℃。受熱方式為對流受熱，一方面使過熱器管壁溫度不致于過高，少用合金鋼材料，另一方面能使過熱器出口汽溫波動較平穩，運行比較安全。運行時注意表面連續排污和鍋水的堿度，堿度過高容易引起汽水共沸而帶水嚴重，汽帶水的鹽量也會增加，造成過熱器積鹽加快。連續排污除去汽水層的泡沫和較高的鹽份，還有定期反洗也是必要的，過熱器中積鹽現象是不能避免的，我們能控制它形成的速度，時間長了必須進行反洗，去除鹽垢，保證過熱器的安全運行。