一臺組裝鍋爐過熱器管爆管的原因分析及解決措施

朱 霖 陳偉崇 陳思詩

（廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院 南寧 530219)

快裝、組裝鍋爐相對于散裝鍋爐有價格便宜、施工周期短的優勢，如今在中小蒸噸工業鍋爐上已經普遍取代散裝鍋爐。隨著國家經濟的迅速發展、各種節能環保要求的日益提高，在紡織、制藥、化工、食品行業以及各地方工業園區集中供熱單位所使用的中小型鍋爐提出了使用過熱蒸汽的新需求，不少鍋爐制造單位也已經開始致力于發展在快裝、組裝鍋爐中加入過熱器的設計[1]。但也由于目前相關設計制造規范尚未健全、經驗不夠豐富的原因，一些新設計的帶過熱器鍋爐在使用中遇到了問題，本文給出了一臺帶過熱器的組裝鍋爐過熱器爆管的事故分析及解決方案，以期給今后的設計及制造工作提供參考，避免類似事故再次發生。

1 鍋爐概況及事故簡介

廣西南寧地區某工業園區內某集中供熱企業于2016年向湖南某鍋爐廠采購了一臺帶過熱器的組裝鍋爐，型號為SZL25-1.25/250-AII，鍋爐于2016年6月14日制造出廠，設計額定蒸發量為25t/h，額定出口壓力為1.25MPa，額定出口溫度為250℃，設計燃料為II類煙煤，鍋爐結構為雙鍋筒縱置式鏈條爐。過熱器部件如圖1所示，過熱器進、出口集箱均布置于鍋爐右側，飽和蒸汽通過鍋筒頂部三根飽和蒸汽管進入過熱器進口集箱前端，然后進入過熱器蛇形管內吸熱，最后進入下側的過熱器出口集箱，并從過熱器出口集箱后側進入主蒸汽管。根據《鍋爐安全技術監察規程》（以下簡稱《鍋規》）第6.5.（3)款，在過熱器系統最低處的出口集箱底部設置有放水裝置。過熱器管布置在煙道中的位置如圖2所示，為對流煙道第一回程至第二回程轉向位置，從前至后共28排，管材材質為12Cr1MoV，規格為φ38mm×3.5mm。

圖1 過熱器部件示意圖

圖2 過熱器布置位置示意圖

該鍋爐于2016年09月完成安裝及調試工作并開始投產。運行至2017年02月05日，鍋爐過熱器管前起10排上起第4根發生爆管，使用單位并未引起重視，對損壞過熱器管進行封堵處理后繼續投入運行。之后又分別于2017年03月30日、05月15日再次在過熱器管前起11排上起第4根、前起12排上起第4根發生爆管，爆管位置于圖1、圖2中所示位置，三次事故的非計劃停爐也給使用單位帶來巨大的經濟損失，隨后使用單位于2017年05月18日委托廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院對鍋爐爆管事故進行技術分析。

2 檢測分析

2.1 宏觀分析

對過熱器管前起11排上起第4根事故管進行了取樣，爆口尺寸為85mm×55mm，呈桃核形喇叭口，爆口邊緣壁厚1.9mm，爆口背面壁厚3.4mm，無明顯脹粗現象，爆口斷面光滑，呈撕裂狀，可以判斷爆管部位具有短期過熱特征[2]。

拆除過熱器集箱進行宏觀檢查，發現過熱器進口集箱處存在大量積水，見圖3，而出口集箱則未見積水現象。綜合該鍋爐過熱器系統的結構設計情況及過熱器管爆管特征可知，鍋爐廠在設計時將過熱器進口集箱布置在上側，出口集箱布置在下側，但在設計集箱疏水時，僅按照《鍋規》要求考慮了在作為系統最低處的出口集箱，而在進口集箱未設置任何疏排水功能，同時過熱器蛇形管上起第3根由過熱器進口集箱底部引出，導致進口集箱內積水引起過熱器管子“水塞”[3、4]，蒸汽無法正常在上起第3、4根中流通，最終引起過熱器管過熱爆管。又因為從鍋筒頂部引出的3根飽和蒸汽連接管連至進口集箱的前端，運行期間集箱內的積水由于進口集箱前端蒸汽流速較大而被推向后側，故前排的過熱器管反而沒有先出現爆管現象。

圖3 過熱器進口集箱內積水

導致過熱器管子“水塞”并發生過熱的積水可能來源于停爐時的蒸汽冷凝，也可能來源于飽和蒸汽帶水。首先查看該鍋爐的運行記錄，發現由于該單位屬于投產初期，已經簽訂供汽合同的單位數量不多，故投產以來鍋爐一直運行負荷較低且啟停十分頻繁，認為停爐時的蒸汽冷凝水對積水的產生作用不可忽略。

進入鍋筒查看汽水分離裝置的設置情況，鍋筒在水冷壁上集箱至鍋筒連接管入口一側布置有垂直擋板作為一次汽水分離裝置，頂部設置有百葉窗作為二次汽水分離裝置，根據鍋筒內壁的水位痕跡，測量了水位線至百葉窗分離器下邊緣的距離，約為230mm，核對鍋爐的設計圖紙，鍋爐設計正常水位至百葉窗分離器下邊緣的距離為240mm，說明該鍋爐運行期間水位控制較好，但蒸汽空間高度仍然僅有230mm，此時飽和蒸汽較容易產生嚴重帶水現象[5-6]。同時又檢查發現兩級汽水分離裝置均存在密封不嚴的情況（見圖4），易造成汽水混合物短路，降低了汽水分離的效果。查看該鍋爐2017年第一季度和第二季度的水質化驗報告，爐水的化驗數據見表1，爐水的幾項主要控制指標均在國家標準范圍之內，可以認定使用單位對鍋爐水質的管理工作較為規范，且不存在因爐水濃度過高加重蒸汽帶水的情況。檢測人員又對未發生爆管的其他過熱器管進行內窺檢查，在過熱器管出口段可發現了結垢現象（見圖5），認定運行中的蒸汽帶水對積水的產生作用同樣不可忽略。

圖4 鍋筒內汽水分離器密封不嚴

表1 事故鍋爐爐水化驗數據

圖5 過熱器管出口段結垢

2.2 蒸汽濕度測定

為驗證該鍋爐飽和蒸汽帶水的情況，檢驗單位與使用單位約定僅對鍋爐進行清除進口集箱積水及封堵過熱器管之后，再次短暫開啟該鍋爐，在該鍋爐的一個常用負荷下對飽和蒸汽進行蒸汽濕度測量試驗，試驗的基本情況如下：

1）試驗依據：本次試驗根據GB/T 10180—2003《工業鍋爐熱工性能試驗規程》附錄C制定試驗大綱，參與試驗人員均按照大綱執行試驗工作。

2）試驗概況：試驗前鍋爐正常運行，已在試驗約定負荷（13t/h）狀態下穩定運行超過1h，試驗期間，鍋爐的蒸發量波動不超過5%，壓力波動不超過10%、過熱蒸汽溫度波動不超過±20℃，不進行定期排污，安全閥無起跳動作。各測點及取樣器的設置均符合GB/T 10180—2003《工業鍋爐熱工性能試驗規程》附錄C相關要求。試驗正式開始前，試驗人員對飽和蒸汽及爐水取樣冷卻器能否滿足要求取樣量下的冷卻功能進行確認，確保試驗期間飽和蒸汽冷凝水及爐水能夠按照計算取樣量并保持常流，當試驗過程中發現取樣口有蒸汽排出時，試驗工況作廢。各盛裝容器保證在取樣、轉移樣品前都嚴格按照沖洗規定用盛裝樣品進行沖洗，操作裝樣及沖洗的人員佩戴手套進行作業。

試驗人員根據雙方約定的鍋爐負荷、飽和蒸汽管管徑、蒸汽取樣管管徑、由公式計算出理論蒸汽取樣量。根據計算蒸汽取樣量，通過調節各取樣通道的調節閥，直至各取樣通道蒸汽冷凝水量與計算蒸汽取樣量偏差在5%之內，試驗共持續3h，每小時內對蒸汽及爐水進行同步取樣及化驗4次，每次取樣結束時應對蒸汽取樣量進行稱重核算是否與計算蒸汽取樣量偏差保持在5%之內，確認樣品有效后，交由化驗人員進行化驗，樣品的化驗使用氯根法。所得的試驗結果如圖6所示，60min內得平均蒸汽濕度值為10.44%，120min內測得平均蒸汽濕度值為9.75%，180min內測得平均蒸汽濕度值為10.79%，由1#飽和蒸汽連接管取樣所得的平均蒸汽濕度值為8.01%，由2#飽和蒸汽連接管取樣所得的平均蒸汽濕度值為10.55%，由2#飽和蒸汽連接管取樣所得的平均蒸汽濕度值為12.64%，試驗期間所測得最低、最高平均蒸汽濕度值分別為7.33%、13.74%，試壓期間平均蒸汽濕度值為10.33%，而根據NB/T 47034—2013《工業鍋爐技術條件》第3.1.2款要求，過熱器入口蒸汽濕度不應大于1%。考慮到試驗期間鍋爐出力約為13t/h，僅為鍋爐額定負荷的50%左右，可想若該鍋爐按照如此狀態在高負荷甚至滿負荷下使用，飽和蒸汽帶水的問題將會更加嚴重。

圖6 飽和蒸汽濕度測量數據

3 解決方案

根據以上分析，使用單位對鍋爐采取如下措施：

1）將過熱器蛇形管由集箱的左下側引出、引入改為由左上側引出、引入，并且在過熱器的進口集箱最低處設置了放水管，放水管設置疏水閥并引至安全位置，從而解決進口集箱內積水問題。改造后的過熱器系統結構如圖7所示。

圖7 改造后的過熱器結構示意圖

2）將鍋筒內原有垂直擋板和百葉窗分離器未密封位置全部做密封處理，另外鍋筒的蒸汽空間高度已經無法改變，為緩解這一問題，在垂直擋板底部向水平方向增加布置一組水下孔板作為一級汽水分離裝置。

經以上兩項處理措施之后，鍋爐正常運行至今未再發生過熱器管爆管事故。

4 結束語

通過對一臺組裝鍋爐過熱器管爆管事故的分析，提出了如下建議：

1）除按《鍋規》要求在系統的最低集箱（或者管道）設置放水裝置外，還應充分考慮各級集箱的疏水情況，并且注意蛇形管的布置方式是否有利于疏水。

2）增加過熱器的中小蒸噸快裝、組裝鍋爐應在設計和制造環節充分考慮汽水分離效果，采取措施確保鍋筒出口處的飽和蒸汽品質，防止蒸汽帶水對過熱器管帶來不良影響。