工業(yè)鍋爐受熱面管失效分析及其預(yù)防措施

蔣朝勇

（湖南省特種設(shè)備檢驗檢測研究院常德分院，湖南 常德 415000）

工業(yè)鍋爐受熱面管由多根管道組成，在工業(yè)鍋爐的運作中起著十分重要的作用。水或者汽水混合物在受熱面管內(nèi)流過，煙氣及熱輻射等各種熱量以對流傳熱的方式將熱量傳遞給管內(nèi)工質(zhì)。近年來，雖然鍋爐制造技術(shù)水平不斷提高，但其常常在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下工作，爐內(nèi)的煙氣流動、傳熱和燃燒過程等不確定因素很多，經(jīng)常會使受熱面管處于腐蝕、沖刷、高溫、高壓的狀態(tài)，最終造成失效損傷，影響鍋爐的運行，引發(fā)安全事故。

1 工業(yè)鍋爐受熱面管失效的原因

1.1 結(jié)垢

結(jié)垢出現(xiàn)的原因有很多，其中最直接因素水處理設(shè)備失效或者水處理過程操作不當，導(dǎo)致水中鈣離子和鎂離子的濃度過高，超過其溶解度而附著在管壁上。受熱面結(jié)垢所帶來的影響極大，其會使得受熱面管傳熱性能變差，一般水垢的導(dǎo)熱系數(shù)只有鋼鐵導(dǎo)熱系數(shù)的10%，也就是說，1mm 的結(jié)垢附著在管壁上時，相當于對鋼管加厚了幾毫米甚至更多，大大增加了受熱面管熱阻。隨著水垢的不斷增厚，管壁得不到有效冷卻，使得管壁長期處在過熱的狀態(tài)下，會使得鋼管的抗拉強度不斷下降，更為嚴重會產(chǎn)生過熱、管脹、變形、爆管、蠕變損傷的現(xiàn)象。

1.2 水循環(huán)故障

工業(yè)鍋爐當鍋內(nèi)水動力工況不正常時，水循環(huán)的安全性就會遭到破壞，產(chǎn)生各種水循環(huán)故障，嚴重影響鍋爐的正常運行甚至發(fā)生安全事故。常見的水循環(huán)故障有停滯和倒流、汽水分層及下降管帶汽。（1）停滯和倒流。同一循環(huán)回路中，由于各上升管受熱不均勻時，受熱弱的上升管產(chǎn)生運動壓頭小，甚至不能維持最低循環(huán)流速，造成停滯。而當受熱嚴重不均勻時，受熱強的上升管中汽水混合物流速過大，而產(chǎn)生抽吸現(xiàn)象，造成倒流。產(chǎn)生停滯和倒流的根本原因是由于同一循環(huán)回路中并列工作的各上升管的受熱不均勻的結(jié)果，造成的主要因素，一是與鍋爐的結(jié)構(gòu)特點有關(guān)，這是由于設(shè)計制造所引起的；二是鍋爐運行不良，如爐膛火焰中心偏移或者火焰分布不均勻，受熱面管掛渣積灰等。

（2）汽水分層。在水平或者傾斜度很小的上升管中，流速很低，造成管子上部是汽，下部是水的現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因主要是上升管或者汽水引出管與水平線傾角過小。

（3）下降管帶汽。從日常的故障中得出，造成下降管帶汽的原因有：一是下降管阻力較大，產(chǎn)生較大的壓降，使下降管入口處發(fā)生汽化；二是下降管管口離鍋筒水位面太近，在水面上方形成旋渦斗而帶汽；此外，下降管受熱過強等都會引起帶汽。

1.3 磨損

燃料由什么組成、鍋爐燃燒情況怎么樣，以及灰分的磨損特性都影響著鍋爐對流受熱面管的磨損程度。

（1）燃料成分。燃煤中灰分的含量與煙氣中灰的含量有著正比例關(guān)系。當燃料中的灰分含量不斷增加時，煙氣里所包含的飛灰的濃度也會提高，因此煙氣對受熱面管的磨損也隨之增大。

（2）煙速度。當煙速提高一單位時，飛灰磨損程度會照著一的三次方單位而增加。一般情況下，鍋爐大負荷運行會使煙氣速度提高，同時又因為鍋爐的超負荷運行加大了煤量和鼓風(fēng)風(fēng)量，使其超過正常范圍，在雙重作用下使煤灰對管壁的磨損大大加劇。

（3）煤灰顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)。管壁的磨損程度會因為使用不同的煤、煤灰含量的變化而變化，所以磨損會有些差異，當煤灰顆粒很大或很耐磨時，那管壁的磨損程度可想而知。

1.4 受面管腐蝕

（1）氧腐蝕。氧腐蝕是最常見的一種腐蝕，經(jīng)常出現(xiàn)在積水較多的位置，并在表面形成許多鼓包。省煤器泄漏的主要原因就是氧腐蝕，即當含有氧分子的水與金屬表面接觸時，鍋爐供水管道和省煤器管上就會出現(xiàn)點腐蝕和潰瘍腐蝕，從而導(dǎo)致管道泄漏。

（2）低溫硫腐蝕。當燃料中所包含的硫在鍋爐里燃燒時，與空氣接觸會產(chǎn)生二氧化硫，隨之又會因二氧化硫與煙氣、其他金屬氧化物接觸時而產(chǎn)生三氧化硫，接著三氧化硫又伴隨著一系列反應(yīng)而產(chǎn)生硫酸或亞硫酸，這兩者的腐蝕性都非常強。因此，當溫度低于露點時，硫酸或亞硫酸會凝結(jié)在金屬表面，使之受到腐蝕，此稱為低溫硫腐蝕。從上述反應(yīng)可以得出，硫腐蝕的強度由燃料中硫含量和鍋爐運行時的過量空氣系數(shù)決定著，同時其也決定著露點溫度的高低。

1.5 缺水

缺水是在工業(yè)鍋爐工作過程中極易出現(xiàn)的問題，有著很大的危險性，缺水常常會引起受熱面管因過熱受損而變形，更為嚴重時會引發(fā)鍋爐爆管，甚至爆炸。缺水會使受熱面鋼管不能均勻冷卻，管壁溫度急劇提高，降低其抗拉強度，使管道內(nèi)的壓力遠遠超出管壁能承受的正常范圍，導(dǎo)致管道變形甚至爆管，爆管的韌性撕裂特征明顯，如縱向撕裂，周圍沒有細小裂紋，爆管截面鋒利，內(nèi)壁干凈。鍋爐受熱面管道因缺水而失效，通常表現(xiàn)為管道大量破損、口部膨脹和漏水，主要發(fā)生在高溫區(qū)和鍋爐受熱面管道的最高點。

2 預(yù)防工業(yè)鍋爐受熱面管失效的有效措施

2.1 對于結(jié)垢的防范措施

結(jié)垢形成的主要原因是水質(zhì)不合格，而與水質(zhì)不合格隨之出現(xiàn)的就是受熱面管的長期受熱，導(dǎo)致高溫損傷。為了確保鍋爐的安全經(jīng)濟運行，我們就應(yīng)該加強水質(zhì)管理，保證用水達到標準，從而來預(yù)防受熱面管道過熱損傷。因此合格的供水與控制水質(zhì)是防止結(jié)垢的基礎(chǔ)。我們要從實際出發(fā)，根據(jù)不同的鍋爐有不同的型式特點，我們要選擇相對應(yīng)的給水處理設(shè)備，加強日常水處理監(jiān)控，定期抽樣檢測，從而保證為鍋爐提供合格的給水。

2.2 對于水循環(huán)故障的防范措施

預(yù)防水循環(huán)故障的重中之重就是確保鍋爐中水體具有一定的運動壓頭，保持一定的回路高度，就能確保水循環(huán)的可靠，避免出現(xiàn)水循環(huán)的停滯和倒流、汽水分層以及下降管帶汽。首先，為了避免鍋爐水循環(huán)停滯或倒流要優(yōu)化鍋爐本體結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加水循環(huán)的運動壓頭；設(shè)置大直徑的下降管，保證下降管的總截面積為上升管的20%以上；同時鍋爐運行時，要避免結(jié)渣和積灰，及時調(diào)整燃燒，使爐膛火焰分布均勻。其次，在鍋爐制造時保證上升管或者汽水引出管與水平線之間的傾角不宜小于15°，就能很好的避免汽水分層。第三，保持熱量平衡。要想使熱量差異不大，就應(yīng)該對處于同一循環(huán)回路上的上升管均勻加熱，同時還應(yīng)保持鍋爐內(nèi)進料均勻。

2.3 對于磨損的防范措施

煤質(zhì)和煙氣流速同時決定著鍋爐受熱面的磨損程度，所以要加強煤炭質(zhì)量的管理，合理控制煙氣流速。科學(xué)的煙道設(shè)計計算，采取合理的措施，如鏈條爐排控制材料層的厚度和風(fēng)量，能夠減緩煙速，并且在一定程度上減少煙霧和氣體，達到防止鍋爐受熱面管磨損的效果。落實安全責(zé)任制，安排專門人員定期檢查鍋爐受熱面管和隔煙墻，搞好設(shè)備的維護，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，如抗磨塊發(fā)現(xiàn)損壞，應(yīng)及時更換。

2.4 對于受熱面腐蝕的防范措施

（1）對于氧腐蝕的防范措施。防止氧腐蝕可以采用除氧器和除氧器與化學(xué)除氧器相結(jié)合的方法。熱力除氧的工作原理是通過給蒸汽鍋爐給水加熱，讓其達到標準的大氣式除氧器壓力飽和溫度，然后在此基礎(chǔ)上使水蒸氣分壓力不斷接近水面全壓力，最終使在水中被溶解的氣體的分壓力趨向于零，從而氣體在水中排出，去除氧、二氧化碳等氣體，達到保護鍋爐受熱面管的目的。工業(yè)蒸汽鍋爐經(jīng)常采用的是大氣壓力式熱力除氧；與其相比，真空熱力脫氧更適合用于熱水鍋爐。通過除去水中氧氣，從而減少鍋爐受熱面產(chǎn)生的化學(xué)和電化學(xué)腐蝕。

（2）對于低溫硫腐蝕的防范措施。硫含量高、過量空氣系數(shù)偏高及煙溫過低是造成低溫硫腐蝕的主要原因。因此，可以采用以下方法來防止低溫硫腐蝕。第一，要想從根源上降低硫含量，就得嚴格把關(guān)燃料成分，最好使用低硫燃料，同時還要采用脫硫技術(shù)。其次，通過火焰顏色確定過量空氣系數(shù)，使其控制在合理范圍之內(nèi)能夠有效降低低溫硫腐蝕。第三，提高煙溫，使其達到露點以上的溫度可有效防止省煤器的低溫硫腐蝕。

2.5 對于缺水的防范措施

想要讓鍋爐受熱面的受到多層次的保護，我們就應(yīng)該敢于創(chuàng)新，使用更合理的結(jié)構(gòu)。例如，可以采用雙重保護機制，在正常運行水短缺的情況下，保證另一個保護機制可以及時為其供水、防止事故由缺水造成。同時還可設(shè)置鍋爐自動保護機制，在鍋爐缺水使得排煙溫度過高的情況下，自動切斷鍋爐燃料供應(yīng)，停止鍋爐工作。其次，加強管理，提高管理人員和司爐人員的責(zé)任心，根據(jù)以往缺水引起的安全事故統(tǒng)計，多數(shù)是由于責(zé)任心不強，人為引發(fā)的事故。應(yīng)安排專人定期沖洗鍋爐水位表，對鍋爐水位報警裝置、自動供水系統(tǒng)、低水位自動停止爐系統(tǒng)進行定期的熱態(tài)或冷態(tài)試驗，以保證各系統(tǒng)的靈敏運行。還應(yīng)定期清洗水管和蒸汽管，保證鍋爐的水質(zhì)，防止水位計水管堵塞，造成實際水位虛高。

3 結(jié)語

簡而言之，受熱面管是工業(yè)鍋爐的重要組成部分，它的穩(wěn)定運行是鍋爐順利運行，生產(chǎn)保障的有效前提，只有相關(guān)工作人員在提高認識，并加強相應(yīng)的預(yù)防措施，提高司爐人員的專業(yè)能力，才能確保鍋爐安全、穩(wěn)定、高效地運行，滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。