一臺蒸汽鍋爐過熱器爆管探析

摘要：介紹一例SZL20-1.25/250-AII鍋爐蒸汽過熱器爆管的事故原因和分析，并提出了預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：蒸汽鍋爐；蒸汽過熱器；爆管；預(yù)防措施

0 前言

某供熱公司的一臺SZL20-1.25/250-AII型蒸汽鍋爐在投產(chǎn)42天后發(fā)生了蒸汽過熱器爆管事故，經(jīng)鍋爐廠家換管后，不足一個月再次發(fā)生爆管事故。后經(jīng)協(xié)商，再次換管——更換全部過熱器管，然而僅46天后再次爆管，嚴重影響了鍋爐的安全運行和供熱公司的效益。因此，對爆管的原因有必要進行分析和探討，以便采取必要的措施和對策，從而提高鍋爐的安全性和可靠性。

1 鍋爐蒸汽過熱器結(jié)構(gòu)型式

該鍋爐為單層布置的雙鍋筒縱置式組裝鍋爐（如圖1），采用三管圈的立式過熱器，面式減溫器、逆流布置（如圖2）。

眾所周知，過熱器是鍋爐受壓元件中金屬壁溫最高的受熱面，管外長期經(jīng)受高溫煙氣的

第一作者簡介：高猛，男，畢業(yè)于江蘇科技大學，從事鍋爐設(shè)計開發(fā)工作。

沖刷，管內(nèi)流動的亦是溫度較高而傳熱系數(shù)較低的蒸汽，管材金屬處在較為惡劣的環(huán)境中。

同時，因結(jié)構(gòu)和運行而引起的水力和熱力的不均勻而造成的熱偏差則會導致個別管子的壁溫

超出平均值。當壁溫超出材料的許可值時，材料蠕變強度和持久強度迅速下降，極易產(chǎn)生爆管現(xiàn)象。

為了提高過熱器工作的可靠性，本鍋爐的蒸汽過熱器設(shè)計中采用了以下措施：

1、過熱器管采用耐熱強度較好的低合金鋼15CrMoG；

2、為提高汽水分離效果，上鍋筒內(nèi)徑由原飽和蒸汽組裝鍋爐的Φ1000改為Φ1100，鍋內(nèi)汽水分離裝置以水下孔板為一次分離元件，立式波形板后加多孔板組合成二次分離元件；

3、飽和蒸汽分別用2根Φ89的導管引入過熱器的左、右進口集箱。

2 鍋爐運行情況及事故簡介

該鍋爐安裝完畢后投產(chǎn)42天后就發(fā)生了1根過熱器管爆管事故，位于右側(cè)右數(shù)第三排外圈的迎煙氣一面的直段上。經(jīng)供熱公司反映，因安裝后處于5月份，需用蒸汽的用戶不多，鍋爐一直是低負荷下運行（蒸發(fā)量只有10t/h左右，因受熱網(wǎng)的承壓能力的限制或和用戶需求不高的原因，運行壓力亦較低，只有0.6MPa左右）。鍋爐廠分析可能是負荷和運行壓力較低造成過熱器管內(nèi)蒸汽質(zhì)量流量較低、對過熱器管冷卻不足造成的爆管。因供汽的需要，該鍋爐需盡快恢復運行，所以鍋爐廠家在提出運行要求后給予換管處理。

但是再次運行46天后，過熱器再次爆管2根管子，一根發(fā)生在左側(cè)左數(shù)第三排外圈迎煙氣一面的下部彎頭上方230mm處（1#管），另一根在右側(cè)左數(shù)第一排內(nèi)圈下部彎頭起始處。兩根均是發(fā)生在靠近過熱器出口的管圈上（2#管）。這時，鍋爐負荷一般在12～18t/h，壓力0.6～0.8MPa，減溫器未投用，過熱器出口溫度在200～220℃左右（多數(shù)時間靠近200℃）。

3 過熱器管子爆裂的機理和特征

經(jīng)鍋爐廠技術(shù)人員現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)過熱器蛇形管外觀色澤變色程度是靠前部較為明顯，靠后面變化不大，之后，對爆管處的管段進行了割段取樣。

現(xiàn)場截下的兩段管子的宏觀形貌特征是：①破口附近管徑明顯脹粗，破口呈不規(guī)則菱形，且壁厚不均勻，裂口長34.6mm，最寬10.3mm；②破口向火面較薄，破口處管壁明顯減薄；③破口邊緣較鋒利。（如圖3）

4 爆管原因的綜合分析

從以上現(xiàn)象分析，我們認為，該爆管管子的彎管處遭受非正常的超溫是造成過熱器管子爆管的主要原因。那么，為何在這個部位會產(chǎn)生超溫呢？分析認為，造成過熱的原因應(yīng)該有如下幾點：

①管子堵塞，蒸汽不能正常流動，不能帶走管壁的熱量，造成管壁過熱；

②管子內(nèi)壁積鹽、積垢或積氧化物太多，致使熱阻劇增，造成管壁過熱；

③熱力偏差或水力偏差使個別管子中工質(zhì)流量減少，不能冷卻管壁，造成管壁過熱；

④材料加工的原因，如冷變形部位（如彎頭等）的應(yīng)力和壁厚不均等缺陷，影響了其高溫性能。

為了驗證我們的理論分析，我們對破口裂縫處（向火面A）和裂縫背面（背火面B）取樣做金相實驗，結(jié)果見下表：

從金相組織看，裂口處組織與背面管段明顯不同，碳化物的球化使管材的強度打了折扣。

另外，我們又對兩個彎頭最低部位進行割管取樣檢查。發(fā)現(xiàn)1#管底有鹽分沉積和一些水垢，而2#管內(nèi)沉積的鹽分基本上將管子堵塞滿了。為此，我們做了進一步的檢查，并在打開鍋筒后發(fā)現(xiàn)汽水分離器并沒有嚴格按設(shè)計圖紙規(guī)定的技術(shù)要求進行安裝，特別是嚴密性的要求，如汽水擋板采用點焊而造成汽水短路、直接進入蒸汽空間。但是，僅此一點，不應(yīng)該造成如此嚴重的后果，因為能夠在如此短的一個月時間內(nèi)，導致積鹽將管子堵死的蒸汽帶水量必須是非常大的（超過50%）。

于是，我們又做了更廣范圍的調(diào)查。得知鍋爐在啟動后的1個小時內(nèi)，過熱蒸汽的溫度能夠達到250～260℃，之后就迅速下降，直至穩(wěn)定在200℃多點。同時，我們還從鍋爐房工人的抱怨中得知，鍋爐水處理的用鹽量太大，一噸鹽用不到十天（為了使鍋爐給水達到GB/T1576的要求，在鈉離子交換器中使用了太多的鹽量）。

由此，我們確認該鍋爐過熱器爆管破裂是長時間處于高溫下的結(jié)果，其發(fā)生的原因是多方面造成的：

⑴水處理的配置和運行不完善

該鍋爐的供水系統(tǒng)中只配有鈉離子交換器，現(xiàn)場雖有對給水和爐水的檢測與分析，但項目不全，如爐水的溶解固形物未加檢測和控制。因為對于只采用鈉離子交換器軟化水的鍋爐來說，雖然能使硬度很高的水軟化，基本上消除了鍋爐蒸發(fā)受熱面結(jié)垢的可能性，但過熱器中積鹽的可能性卻大大增加了。這是因為水軟化后，水中的含鹽量不但沒減少，反而又有所增加（NaY代表鈉型陽離子交換劑）：

Ca2++NaY CaY+2Na+ ； Mg2++NaY CaY+2Na+

由上式可看出，在水處理中，Ca2+、Mg2+離子被Na+所交換、排除，因而水的硬度降低或消除。

但交換前后的陰離子（如Cl-、SO42-、HCO3-等）總量是不變的，只是鈣鹽、鎂鹽等量的轉(zhuǎn)換成了不結(jié)垢的鈉鹽，而Na+的當量是Ca2+、Mg2+的兩倍，所以軟化后的含鹽量比原水高。

同時，在這個過程中，水的堿度是不會降低的。

而水中含鹽量過高就會造成鍋筒內(nèi)汽水共騰，進而增加蒸汽帶水量，即蒸汽帶鹽，從而過熱器易結(jié)鹽垢，因其熱阻很大，極易造成長期管壁溫度偏高；這就導致蒸汽過熱后管內(nèi)積鹽、爆管事故頻發(fā)。

⑵低負荷運行造成汽水分離變差、蒸汽帶鹽結(jié)垢

該鍋爐在較長一段時間內(nèi)處于低負荷下運行（特別是較低壓力下），因而造成蒸汽帶水、攜帶鹽分。因為低負荷時，特別是壓力較低時，蒸汽比容大，鍋筒的蒸汽空間負荷值相對有較大增加，對汽水分離帶來不利影響。同時，因壓力降低、蒸汽比容大，盡管汽水分離設(shè)備各個推薦速度隨壓力降低而其值增大，但相對而言，遠沒有蒸汽比容加大程度大，故低負荷運行時，進入汽水分離裝置的蒸汽速度偏快，分離效果下降，致使蒸汽帶水攜鹽，加大了過熱器管內(nèi)結(jié)鹽、結(jié)垢的程度。

⑶沒有嚴格按照圖紙裝配汽水分離裝置

汽水分離裝置是鍋爐蒸汽品質(zhì)的重要保障措施，必須嚴格按圖紙對汽水分離裝置進行安裝，以防止出現(xiàn)汽水短路，產(chǎn)生蒸汽帶水進入過熱器管內(nèi)，增大積鹽結(jié)垢的可能，最終導致過熱器爆管。

⑷設(shè)計結(jié)構(gòu)中存在水力偏差

在該鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，汽水的二次分離裝置在鍋筒中相對偏向?qū)α鲄^(qū)，由于爐前蒸發(fā)強度大，靠近爐前的立式波形分離器相對負荷就要大，蒸汽帶水攜鹽的相對可能性就跟著大。

⑸管材的因素

考慮到本鍋爐的爐型結(jié)構(gòu)和運行條件等因素的影響，過熱器要選用較好的材質(zhì)，并在彎管時嚴格按照工藝規(guī)定，嚴格控制管子的橢圓度和壁厚減薄量，以提高鍋爐運行的可靠性。

5 結(jié)論和建議

綜上所述，中小型工業(yè)鍋爐在加裝過熱器后，因其結(jié)構(gòu)和運行人員水平的限制，過熱器積鹽結(jié)垢是其爆管的主要原因之一。但只要我們采取積極預(yù)防措施，過熱器爆管事故是可以避免的：

㈠在鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計中，盡量減少水力偏差和熱力偏差；

㈡注意過熱器對耐熱鋼材的選擇和工藝質(zhì)量控制；

㈢鍋爐在裝配過程中應(yīng)嚴格按照圖紙的要求來進行安裝；

㈣鍋爐安裝結(jié)束、煮爐合格后，應(yīng)用潔凈水對過熱器進行反沖洗，特別是對立式過熱器；

㈤鍋爐系統(tǒng)中力求采用除鹽水處理裝置，同時認真管理和嚴格監(jiān)測水處理設(shè)備的運行情況，并定期對鍋爐的給水和爐水水質(zhì)進行分析，防止含鹽量過高，以保證鍋爐水質(zhì)和蒸汽品質(zhì)；

㈥若無除鹽設(shè)備條件，應(yīng)結(jié)合水質(zhì)條件，在鍋爐運行一段時間后若發(fā)現(xiàn)鍋筒和過熱器間壓降變大，及時對過熱器進行反沖洗，筆者建議定期進行反沖洗以保證管內(nèi)的潔凈；

㈦盡可能保證額定參數(shù)運行鍋爐，特別是避免低壓參數(shù)的長時間運行。

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