對WNS熱水鍋爐泄漏檢驗的啟示

【摘要】在對WNS熱水爐的檢驗中，可以規納一個共同的特點，即泄漏總是發生在一個特定的區域：臥式內燃三回程下位爐膽燃氣熱水爐管板孔橋開裂，煙管裂紋總是發生在內前管板兩側45°方位居中位置。這種特定的部位顯然是與設計結構有關，雖然在裂紋處附有很多的水垢或沉積泥沙等污垢，依然可以表明是結構造成的。

【關鍵詞】熱水爐檢驗；臥式內燃；管板開裂

1、下面分幾個方面來陳述熱水爐的特點

1.1 熱水鍋爐爐水是單工質，爐水不沸騰運行時只有顯熱的變化沒有潛熱存在，是不飽和爐水。用熱水采暖是熱水重量比熱，比蒸汽比熱大得多，系統蓄熱能力強，供暖安全平穩舒適。

1.2 熱水鍋爐爐水自然循環壓頭，來自爐水溫差而產生的密度差，由于載帶的只是顯熱與同樣熱功率的蒸汽爐相比工質循環流量要大20多倍，因此自然循環壓頭很小，因要保證經濟流速在2m/s右左，進出水管徑要比蒸汽爐大許多。

1.3 由于爐水不蒸發濃縮因此水質可略低于蒸汽爐，但運行中要減少失水，控制補水硬度并定期排污。

1.4 熱水爐運行時要防止汽化，出水溫度低于運行壓力下相對應飽和溫度20℃以上，以保障運行安全。

2、臥式內燃鍋殼式熱水爐的爐膽位置

對爐膽面言，不論是蒸汽爐，還是熱水爐，不管爐膽布設在什么位置，都是浸沒在爐水中的輻射受熱面。其單位面積的吸熱率他很高，爐膽外表面有水層附著輻射換熱使爐膽金屬溫度只比爐水高出約50℃，這是由于膽壁金屬導熱熱阻很小，大部分溫差都用在克服膽內壁金屬氧化層、灰垢，甚至還有積碳的熱阻上。爐膽金屬溫度與附著表面爐水溫差也是爐膽金屬的儲蓄熱。由于爐膽的強烈輻射換熱，在爐膽外表面附著的水層內部產生大量小汽泡，小汽泡聚集成汽膜，依靠浮力脫離受熱壁面，向上升溢出蒸汽，同時帶動小汽泡四周貼附的水層升浮與進行熱交換，小汽泡與其四周的爐水構成汽水混合物密度減小而遠離爐膽壁的爐水受熱差，水溫低密度大，則爐水與汽水混合物兩者密度差與到頂高度H的乘積即自然循環壓頭△P=H△r（式中△r 為由密度差△P 形成的重度差）在流動壓頭△P的推動下，爐水不斷地進行自然循環，這也表明熱水爐的自然循環的流動壓頭的強弱與爐膽的位置有關。

2.1 爐膽在下位。爐膽在下位的臥式內燃三回程熱水爐，其上有二回程管束，雖然二回程煙管也能產生自然循環推動壓頭△P但管內煙溫已降低其外部爐水已有下位爐膽加熱，兩者溫差減小，換熱量Q=αF△t也很小，所以煙管的自然循環壓頭△P很小。在爐膽上部的二回程煙管束層疊布設，上層管束對下層管束產生的向上浮升流動壓頭形成阻礙，、整個二回程管束也阻礙了下位爐膽向上的浮升推動壓頭，這樣下位爐膽熱水爐，一定高度的自然循環流動壓頭△P是沿高度方向由下向上遞減，爐膽雖然有很強勁的向上推動壓頭，但在上浮時遇到上面煙管束阻攔和四周過冷爐水的包圍與換熱而削弱。在內前管板處就會形成高熱負荷低流速。這是產生局部過冷沸騰的必備條件，也使內前管板過熱的必然結果。

2.2 爐膽在上位。上位爐膽在一定高度下的自然循環推動壓頭△P是沿高度方向從下到上是由小到大逐漸遞增，水溫度也是由下到上逐步提高，是順應著自然循環的流動方向，壓頭和水溫的遞增是與自然循環路線相伴而行。這樣可以減少或避免在內前管板區域過冷沸騰的發生。適用于熱水鍋爐。

3、熱水爐的運行工況分析

熱水爐屬于大容器低流換熱設備，爐水不沸騰加熱只是提高或改變爐水的顯熱，只是改變爐水的蓄熱能力僅是緊貼加熱表面很薄的一層爐水溫度才有明顯升高。并產生小汽泡，其他區域的爐水尚末達到飽和溫度仍然是欠熱爐水。

這種局部汽化還會因流速過低而形成汽膜，使爐水中的鹽類被加熱蒸濃而產生水垢，使受熱面壁溫因垢熱阻增大，升溫過熱的惡性循環，因為汽膜的導熱系數很小λ汽=0.025千卡/米.時℃，爐水導熱系數λ水=0.5千卡/米.時℃兩者相差20倍這也是過冷沸騰的必然后果，這也說明過冷沸騰只能發生在低流速高熱負荷自然循環不良的區域中。臥式內燃鍋殼式熱水鍋爐，下位爐膽不管是強制循環還是自然循環都很難保證前后管板內側附近的個別區域不存在呆滯區，過低的流速過高的熱負荷而形成過冷沸騰。如加大二回程管束的管孔帶將有利于水循環，減少發生管橋開裂的可能性。可防止因排管過密出現水循環呆滯而引發汽膜的存在。熱水爐運行特點是間斷啟停，反復承受升溫、降溫的頻繁變化，使這些區域產生熱疲勞，同時缺乏對水質的行重視等，最終導致內前管板45°區域管裂紋管孔帶開裂。

4、防止轉煙室內前管板高溫區開裂的措施

要防止管板高溫區開裂紋，就要設法消除轉煙室內前管板的呆滯區，使該區域的水處于較好地流動循環，促使附著的汽膜不能生成或使汽膜發生浮升移動，只有運動才能驅逐汽膜，只有流動才能使被汽膜附著的受熱面得到冷卻。

4.1 自然循環的規律。鍋殼式熱水爐是軸對稱結構。爐水自然循環路線也是左右對稱的，中間因受熱向上浮升，如遇到阻礙仍繞行向上，而煙管與鍋殼之間區域水溫較低，又遠離爐膽中心，因此水循環方向總是沿鍋殼內壁向下流動。水循環的強弱程度取決于循環路線的高度，溫度與受阻情況及上行與下行之間的密度差，防止管板開裂就要順從爐水自然循環的規律，按自然循環的路線提高循環流速，減少流動阻力而提升流動壓頭，從故障成因中尋找對策。

4.2 內前管板開裂的提示。在內前管板高溫區發生過冷沸騰為濃縮蒸發局部爐水中的雜質提供了條件。使重碳的酸鹽受熱分解成難溶的沉淀物、非碳酸鹽也隨溫度的升高而溶解降低，當達到飽和濃度時析出結晶狀沉積物而附著在受熱面上成水垢，水垢導熱系數很小約為鋼導熱系數的1/50～1/80自然循環速度很低，熱負荷又很高，形成局部汽膜使難溶的鹽類達到濃度積，形成致密的硬垢使傳熱進一步惡化，也提示硬垢聚積處是熱強度較高處。疏松綿軟水垢結在流速溫度較低處。

4.3 為什么內前管板開裂總是發生在兩側45°方位中的位置？

煙管、爐膽轉煙室都是浸沒在爐水的圓柱形受熱面均為水平放置，內都有加熱源。在運行時其筒形外壁面都附著有小汽泡，緊貼壁向上浮升形成熱流。

5、下半周水側壁面

在小汽泡浮升流動過程中緊貼壁面繼續不斷受熱和汽泡浮動碰撞聚積孕育成大汽泡，提升了浮力，當到達水平中心線時升浮力達到最大值，上升速度最大，為高速邊緣流。而對單根煙管、煙管束也有關似情況。只是沒有爐膽、轉煙室那樣明顯。在受熱的過程中，爐水攜帶的鹽類被加熱蒸濃析出固體懸浮物也隨強勁邊緣流向上拋灑和重力分離。超過水平中心線后，依據慣性順勢垂直向上浮升。失去結構約束也失去了熱量支持，即失去了浮升向上的動力源。（下轉第頁）

（上接第頁）在順勢向上垂直浮升的過程中要消失動能用于克服阻力，又遇到周邊較涼的爐水進行換熱，則很快將向上浮升的能量消耗殆盡而停止，即邊緣流過中心水平線后躍升一段即停，所攜帶的固體懸浮物隨即拋灑沉降。

6、上半周水側壁面

過水平中心線后進入轉煙室及爐膽的上半周的上拱形受熱面，在內部都擁有熱流載體的圓筒截面中，由于下半周為凹面的幾何形狀，有能使熱量聚集聚交作用和熱流本身具有向上飄逸的性能。使上拱形的轉煙室和爐膽外壁面垂直中心線處和上拱形二回程管束的中心處形成強勁的中心熱流。中心熱流有足夠的上升浮力足以穿透二回程煙管束的阻礙，貫穿大于阻擋而直挺向上成為強勁的中心熱流。

7、在內前管板與煙管的結合部

對于下位爐膽，在內前管板與二回程煙管的結合部的水側，有爐膽邊緣流、爐膽中心流、轉煙室邊緣流和轉煙室中心流。還存在著二回程煙管束熱流但存在著下管束的熱流向上升浮受到上排管束的阻擋。使上升速度降低。

在煙側：轉煙室內有900℃左右的高溫煙氣流在結合部位被分配為煙管束熱流的結合面，在分配中由于處流通兩截面不等，發生部分壓力能轉變為動能，造成入管口的摩擦阻力和時滯，使內前管板的為高熱負荷區。

8、如何改善下位爐膽熱水爐的自然循環

8.1 減少自然循環的流動阻力，二回程為順排列管

8.1.1 下位爐膽熱水鍋爐在二回程煙管束的中間不布設煙管，留足寬的通道，下窄上寬150/200直通爐膽的垂直空間通道。使中心流更為強勁。帶領引導45°方位附著的汽膜的升浮移動。

8.1.2 二回程45°方位處居中位置留出貫穿垂直空間的寬通道，二回程都為順排，其余垂直通道可稍窄于45°方位。以減小阻力增強流動。

8.2.1 將回水由爐前頂部避開拉撐后進入鍋筒垂直向下，到二回程煙管束上部，中分兩側沿二、三回程管束中間縫隙（相當于轉煙室筒體外緣和內前管板板邊自由呼吸段之間的空隙）下伸到二回程管束下瑞部以下約50mm處用管三通與水平的回水分配管相連（兩邊對稱），水平分配管由三通向前至前管板處約40mm，向后至內前管板30mm處，封死兩端。在水平回水分配管上開均流孔φ10，在兩管端接一小管都針對45°方位管孔內徑約20mm長度為可沿伸至45°方位的垂直向上方向，管端壓扁成10mm寬，控制流速為2m/s，均流孔φ10孔位傾向為有利于爐水自然循環即順勢推動方向不得沖刷受熱面壁。

8.2.2出水集水管為縫隙式，流速為1.5～2m/S，并略大于熱水引出管的管徑，兩端者死，縫隙的總截面積等于集水管截面積，向后伸到內前管板邊緣上方，向前到回水管處，即利用出水吸引牽拉內前板爐水的自然循環流動。即利用回水壓頭在水平分配管中由壓力頭 轉換成速度頭 促使呆滯區流動。從對熱水爐的檢驗中獲知內前管析孔橋開裂，煙管開裂等與二回程煙管的布設有很大關系。開裂的管排列主要為齊拉勃排列或錯排。凡順排列垂直通道較寬大水循環均順暢，很少發現有水垢附著。這也說明了流動狀態較好，凡煙管端開裂主要是：一、管端伸出過長。二、末貼脹就焊或欠脹，泄漏點都會發現有水垢在窄縫中。所以WNS熱水爐要注意進出循環水的布設和二回程煙管的布設都要順應爐水自然循環的規律。