论文部分内容阅读
摘要：介绍一例SZL20-1.25/250-AII锅炉蒸汽过热器爆管的事故原因和分析，并提出了预防措施。
关键词：蒸汽锅炉；蒸汽过热器；爆管；预防措施
0 前言
某供热公司的一台SZL20-1.25/250-AII型蒸汽锅炉在投产42天后发生了蒸汽过热器爆管事故，经锅炉厂家换管后，不足一个月再次发生爆管事故。后经协商，再次换管——更换全部过热器管，然而仅46天后再次爆管，严重影响了锅炉的安全运行和供热公司的效益。因此，对爆管的原因有必要进行分析和探讨，以便采取必要的措施和对策，从而提高锅炉的安全性和可靠性。
1 鍋炉蒸汽过热器结构型式
该锅炉为单层布置的双锅筒纵置式组装锅炉（如图1），采用三管圈的立式过热器，面式减温器、逆流布置（如图2）。
众所周知，过热器是锅炉受压元件中金属壁温最高的受热面，管外长期经受高温烟气的
第一作者简介：高猛，男，毕业于江苏科技大学，从事锅炉设计开发工作。
冲刷，管内流动的亦是温度较高而传热系数较低的蒸汽，管材金属处在较为恶劣的环境中。
同时，因结构和运行而引起的水力和热力的不均匀而造成的热偏差则会导致个别管子的壁温
超出平均值。当壁温超出材料的许可值时，材料蠕变强度和持久强度迅速下降，极易产生爆管现象。
为了提高过热器工作的可靠性，本锅炉的蒸汽过热器设计中采用了以下措施：
1、过热器管采用耐热强度较好的低合金钢15CrMoG；
2、为提高汽水分离效果，上锅筒内径由原饱和蒸汽组装锅炉的Φ1000改为Φ1100，锅内汽水分离装置以水下孔板为一次分离元件，立式波形板后加多孔板组合成二次分离元件；
3、饱和蒸汽分别用2根Φ89的导管引入过热器的左、右进口集箱。
2 锅炉运行情况及事故简介
该锅炉安装完毕后投产42天后就发生了1根过热器管爆管事故，位于右侧右数第三排外圈的迎烟气一面的直段上。经供热公司反映，因安装后处于5月份，需用蒸汽的用户不多，锅炉一直是低负荷下运行（蒸发量只有10t/h左右，因受热网的承压能力的限制或和用户需求不高的原因，运行压力亦较低，只有0.6MPa左右）。锅炉厂分析可能是负荷和运行压力较低造成过热器管内蒸汽质量流量较低、对过热器管冷却不足造成的爆管。因供汽的需要，该锅炉需尽快恢复运行，所以锅炉厂家在提出运行要求后给予换管处理。
但是再次运行46天后，过热器再次爆管2根管子，一根发生在左侧左数第三排外圈迎烟气一面的下部弯头上方230mm处（1#管），另一根在右侧左数第一排内圈下部弯头起始处。两根均是发生在靠近过热器出口的管圈上（2#管）。这时，锅炉负荷一般在12～18t/h，压力0.6～0.8MPa，减温器未投用，过热器出口温度在200～220℃左右（多数时间靠近200℃）。
3 过热器管子爆裂的机理和特征
经锅炉厂技术人员现场勘察，发现过热器蛇形管外观色泽变色程度是靠前部较为明显，靠后面变化不大，之后，对爆管处的管段进行了割段取样。
现场截下的两段管子的宏观形貌特征是：①破口附近管径明显胀粗，破口呈不规则菱形，且壁厚不均匀，裂口长34.6mm，最宽10.3mm；②破口向火面较薄，破口处管壁明显减薄；③破口边缘较锋利。（如图3）
4 爆管原因的综合分析
从以上现象分析，我们认为，该爆管管子的弯管处遭受非正常的超温是造成过热器管子爆管的主要原因。那么，为何在这个部位会产生超温呢？分析认为，造成过热的原因应该有如下几点：
①管子堵塞，蒸汽不能正常流动，不能带走管壁的热量，造成管壁过热；
②管子内壁积盐、积垢或积氧化物太多，致使热阻剧增，造成管壁过热；
③热力偏差或水力偏差使个别管子中工质流量减少，不能冷却管壁，造成管壁过热；
④材料加工的原因，如冷变形部位（如弯头等）的应力和壁厚不均等缺陷，影响了其高温性能。
为了验证我们的理论分析，我们对破口裂缝处（向火面A）和裂缝背面（背火面B）取样做金相实验，结果见下表：
从金相组织看，裂口处组织与背面管段明显不同，碳化物的球化使管材的强度打了折扣。
另外，我们又对两个弯头最低部位进行割管取样检查。发现1#管底有盐分沉积和一些水垢，而2#管内沉积的盐分基本上将管子堵塞满了。为此，我们做了进一步的检查，并在打开锅筒后发现汽水分离器并没有严格按设计图纸规定的技术要求进行安装，特别是严密性的要求，如汽水挡板采用点焊而造成汽水短路、直接进入蒸汽空间。但是，仅此一点，不应该造成如此严重的后果，因为能够在如此短的一个月时间内，导致积盐将管子堵死的蒸汽带水量必须是非常大的（超过50%）。
于是，我们又做了更广范围的调查。得知锅炉在启动后的1个小时内，过热蒸汽的温度能够达到250～260℃，之后就迅速下降，直至稳定在200℃多点。同时，我们还从锅炉房工人的抱怨中得知，锅炉水处理的用盐量太大，一吨盐用不到十天（为了使锅炉给水达到GB/T1576的要求，在钠离子交换器中使用了太多的盐量）。
由此，我们确认该锅炉过热器爆管破裂是长时间处于高温下的结果，其发生的原因是多方面造成的：
⑴水处理的配置和运行不完善
该锅炉的供水系统中只配有钠离子交换器，现场虽有对给水和炉水的检测与分析，但项目不全，如炉水的溶解固形物未加检测和控制。因为对于只采用钠离子交换器软化水的锅炉来说，虽然能使硬度很高的水软化，基本上消除了锅炉蒸发受热面结垢的可能性，但过热器中积盐的可能性却大大增加了。这是因为水软化后，水中的含盐量不但没减少，反而又有所增加（NaY代表钠型阳离子交换剂）： Ca2++NaY CaY+2Na+ ； Mg2++NaY CaY+2Na+
由上式可看出，在水处理中，Ca2+、Mg2+离子被Na+所交换、排除，因而水的硬度降低或消除。
但交换前后的阴离子（如Cl-、SO42-、HCO3-等）总量是不变的，只是钙盐、镁盐等量的转换成了不结垢的钠盐，而Na+的当量是Ca2+、Mg2+的两倍，所以软化后的含盐量比原水高。
同时，在这个过程中，水的碱度是不会降低的。
而水中含盐量过高就会造成锅筒内汽水共腾，进而增加蒸汽带水量，即蒸汽带盐，从而过热器易结盐垢，因其热阻很大，极易造成长期管壁温度偏高；这就导致蒸汽过热后管内积盐、爆管事故频发。
⑵低负荷运行造成汽水分离变差、蒸汽带盐结垢
该锅炉在较长一段时间内处于低负荷下运行（特别是较低压力下），因而造成蒸汽带水、携带盐分。因为低负荷时，特别是压力较低时，蒸汽比容大，锅筒的蒸汽空间负荷值相对有较大增加，对汽水分离带来不利影响。同时，因压力降低、蒸汽比容大，尽管汽水分离设备各个推荐速度随压力降低而其值增大，但相对而言，远没有蒸汽比容加大程度大，故低负荷运行时，进入汽水分离装置的蒸汽速度偏快，分离效果下降，致使蒸汽带水携盐，加大了过热器管内结盐、结垢的程度。
⑶没有严格按照图纸装配汽水分离装置
汽水分离装置是锅炉蒸汽品质的重要保障措施，必须严格按图纸对汽水分离装置进行安装，以防止出现汽水短路，产生蒸汽带水进入过热器管内，增大积盐结垢的可能，最终导致过热器爆管。
⑷设计结构中存在水力偏差
在该锅炉的结构设计中，汽水的二次分离装置在锅筒中相对偏向对流区，由于炉前蒸发强度大，靠近炉前的立式波形分离器相对负荷就要大，蒸汽带水携盐的相对可能性就跟着大。
⑸管材的因素
考虑到本锅炉的炉型结构和运行条件等因素的影响，过热器要选用较好的材质，并在弯管时严格按照工艺规定，严格控制管子的椭圆度和壁厚减薄量，以提高锅炉运行的可靠性。
5 结论和建议
综上所述，中小型工业锅炉在加装过热器后，因其结构和运行人员水平的限制，过热器积盐结垢是其爆管的主要原因之一。但只要我们采取积极预防措施，过热器爆管事故是可以避免的：
㈠在锅炉结构设计中，尽量减少水力偏差和热力偏差；
㈡注意过热器对耐热钢材的选择和工艺质量控制；
㈢锅炉在装配过程中应严格按照图纸的要求来进行安装；
㈣锅炉安装结束、煮炉合格后，应用洁净水对过热器进行反冲洗，特别是对立式过热器；
㈤锅炉系统中力求采用除盐水处理装置，同时认真管理和严格监测水处理设备的运行情况，并定期對锅炉的给水和炉水水质进行分析，防止含盐量过高，以保证锅炉水质和蒸汽品质；
㈥若无除盐设备条件，应结合水质条件，在锅炉运行一段时间后若发现锅筒和过热器间压降变大，及时对过热器进行反冲洗，笔者建议定期进行反冲洗以保证管内的洁净；
㈦尽可能保证额定参数运行锅炉，特别是避免低压参数的长时间运行。
[参考文献]
[1] 车德福，庄正宁，李军，王栋.锅炉，陕西：西安交通大学出版社，2008年第2版.
[2] 徐利柏，钱慧.锅炉过热器爆管探析.工业锅炉，2002，75：57-59.
[3] 童有武，张孝勇.锅炉安装调试运行维护实用手册.北京：地震出版社，1999.
[4] 陈学俊，陈听宽.锅炉原理（上、下册）.第一版.北京：机械工业出版社，1981.
关键词：蒸汽锅炉；蒸汽过热器；爆管；预防措施
0 前言
某供热公司的一台SZL20-1.25/250-AII型蒸汽锅炉在投产42天后发生了蒸汽过热器爆管事故，经锅炉厂家换管后，不足一个月再次发生爆管事故。后经协商，再次换管——更换全部过热器管，然而仅46天后再次爆管，严重影响了锅炉的安全运行和供热公司的效益。因此，对爆管的原因有必要进行分析和探讨，以便采取必要的措施和对策，从而提高锅炉的安全性和可靠性。
1 鍋炉蒸汽过热器结构型式
该锅炉为单层布置的双锅筒纵置式组装锅炉（如图1），采用三管圈的立式过热器，面式减温器、逆流布置（如图2）。
众所周知，过热器是锅炉受压元件中金属壁温最高的受热面，管外长期经受高温烟气的
第一作者简介：高猛，男，毕业于江苏科技大学，从事锅炉设计开发工作。
冲刷，管内流动的亦是温度较高而传热系数较低的蒸汽，管材金属处在较为恶劣的环境中。
同时，因结构和运行而引起的水力和热力的不均匀而造成的热偏差则会导致个别管子的壁温
超出平均值。当壁温超出材料的许可值时，材料蠕变强度和持久强度迅速下降，极易产生爆管现象。
为了提高过热器工作的可靠性，本锅炉的蒸汽过热器设计中采用了以下措施：
1、过热器管采用耐热强度较好的低合金钢15CrMoG；
2、为提高汽水分离效果，上锅筒内径由原饱和蒸汽组装锅炉的Φ1000改为Φ1100，锅内汽水分离装置以水下孔板为一次分离元件，立式波形板后加多孔板组合成二次分离元件；
3、饱和蒸汽分别用2根Φ89的导管引入过热器的左、右进口集箱。
2 锅炉运行情况及事故简介
该锅炉安装完毕后投产42天后就发生了1根过热器管爆管事故，位于右侧右数第三排外圈的迎烟气一面的直段上。经供热公司反映，因安装后处于5月份，需用蒸汽的用户不多，锅炉一直是低负荷下运行（蒸发量只有10t/h左右，因受热网的承压能力的限制或和用户需求不高的原因，运行压力亦较低，只有0.6MPa左右）。锅炉厂分析可能是负荷和运行压力较低造成过热器管内蒸汽质量流量较低、对过热器管冷却不足造成的爆管。因供汽的需要，该锅炉需尽快恢复运行，所以锅炉厂家在提出运行要求后给予换管处理。
但是再次运行46天后，过热器再次爆管2根管子，一根发生在左侧左数第三排外圈迎烟气一面的下部弯头上方230mm处（1#管），另一根在右侧左数第一排内圈下部弯头起始处。两根均是发生在靠近过热器出口的管圈上（2#管）。这时，锅炉负荷一般在12～18t/h，压力0.6～0.8MPa，减温器未投用，过热器出口温度在200～220℃左右（多数时间靠近200℃）。
3 过热器管子爆裂的机理和特征
经锅炉厂技术人员现场勘察，发现过热器蛇形管外观色泽变色程度是靠前部较为明显，靠后面变化不大，之后，对爆管处的管段进行了割段取样。
现场截下的两段管子的宏观形貌特征是：①破口附近管径明显胀粗，破口呈不规则菱形，且壁厚不均匀，裂口长34.6mm，最宽10.3mm；②破口向火面较薄，破口处管壁明显减薄；③破口边缘较锋利。（如图3）
4 爆管原因的综合分析
从以上现象分析，我们认为，该爆管管子的弯管处遭受非正常的超温是造成过热器管子爆管的主要原因。那么，为何在这个部位会产生超温呢？分析认为，造成过热的原因应该有如下几点：
①管子堵塞，蒸汽不能正常流动，不能带走管壁的热量，造成管壁过热；
②管子内壁积盐、积垢或积氧化物太多，致使热阻剧增，造成管壁过热；
③热力偏差或水力偏差使个别管子中工质流量减少，不能冷却管壁，造成管壁过热；
④材料加工的原因，如冷变形部位（如弯头等）的应力和壁厚不均等缺陷，影响了其高温性能。
为了验证我们的理论分析，我们对破口裂缝处（向火面A）和裂缝背面（背火面B）取样做金相实验，结果见下表：
从金相组织看，裂口处组织与背面管段明显不同，碳化物的球化使管材的强度打了折扣。
另外，我们又对两个弯头最低部位进行割管取样检查。发现1#管底有盐分沉积和一些水垢，而2#管内沉积的盐分基本上将管子堵塞满了。为此，我们做了进一步的检查，并在打开锅筒后发现汽水分离器并没有严格按设计图纸规定的技术要求进行安装，特别是严密性的要求，如汽水挡板采用点焊而造成汽水短路、直接进入蒸汽空间。但是，仅此一点，不应该造成如此严重的后果，因为能够在如此短的一个月时间内，导致积盐将管子堵死的蒸汽带水量必须是非常大的（超过50%）。
于是，我们又做了更广范围的调查。得知锅炉在启动后的1个小时内，过热蒸汽的温度能够达到250～260℃，之后就迅速下降，直至稳定在200℃多点。同时，我们还从锅炉房工人的抱怨中得知，锅炉水处理的用盐量太大，一吨盐用不到十天（为了使锅炉给水达到GB/T1576的要求，在钠离子交换器中使用了太多的盐量）。
由此，我们确认该锅炉过热器爆管破裂是长时间处于高温下的结果，其发生的原因是多方面造成的：
⑴水处理的配置和运行不完善
该锅炉的供水系统中只配有钠离子交换器，现场虽有对给水和炉水的检测与分析，但项目不全，如炉水的溶解固形物未加检测和控制。因为对于只采用钠离子交换器软化水的锅炉来说，虽然能使硬度很高的水软化，基本上消除了锅炉蒸发受热面结垢的可能性，但过热器中积盐的可能性却大大增加了。这是因为水软化后，水中的含盐量不但没减少，反而又有所增加（NaY代表钠型阳离子交换剂）： Ca2++NaY CaY+2Na+ ； Mg2++NaY CaY+2Na+
由上式可看出，在水处理中，Ca2+、Mg2+离子被Na+所交换、排除，因而水的硬度降低或消除。
但交换前后的阴离子（如Cl-、SO42-、HCO3-等）总量是不变的，只是钙盐、镁盐等量的转换成了不结垢的钠盐，而Na+的当量是Ca2+、Mg2+的两倍，所以软化后的含盐量比原水高。
同时，在这个过程中，水的碱度是不会降低的。
而水中含盐量过高就会造成锅筒内汽水共腾，进而增加蒸汽带水量，即蒸汽带盐，从而过热器易结盐垢，因其热阻很大，极易造成长期管壁温度偏高；这就导致蒸汽过热后管内积盐、爆管事故频发。
⑵低负荷运行造成汽水分离变差、蒸汽带盐结垢
该锅炉在较长一段时间内处于低负荷下运行（特别是较低压力下），因而造成蒸汽带水、携带盐分。因为低负荷时，特别是压力较低时，蒸汽比容大，锅筒的蒸汽空间负荷值相对有较大增加，对汽水分离带来不利影响。同时，因压力降低、蒸汽比容大，尽管汽水分离设备各个推荐速度随压力降低而其值增大，但相对而言，远没有蒸汽比容加大程度大，故低负荷运行时，进入汽水分离装置的蒸汽速度偏快，分离效果下降，致使蒸汽带水携盐，加大了过热器管内结盐、结垢的程度。
⑶没有严格按照图纸装配汽水分离装置
汽水分离装置是锅炉蒸汽品质的重要保障措施，必须严格按图纸对汽水分离装置进行安装，以防止出现汽水短路，产生蒸汽带水进入过热器管内，增大积盐结垢的可能，最终导致过热器爆管。
⑷设计结构中存在水力偏差
在该锅炉的结构设计中，汽水的二次分离装置在锅筒中相对偏向对流区，由于炉前蒸发强度大，靠近炉前的立式波形分离器相对负荷就要大，蒸汽带水携盐的相对可能性就跟着大。
⑸管材的因素
考虑到本锅炉的炉型结构和运行条件等因素的影响，过热器要选用较好的材质，并在弯管时严格按照工艺规定，严格控制管子的椭圆度和壁厚减薄量，以提高锅炉运行的可靠性。
5 结论和建议
综上所述，中小型工业锅炉在加装过热器后，因其结构和运行人员水平的限制，过热器积盐结垢是其爆管的主要原因之一。但只要我们采取积极预防措施，过热器爆管事故是可以避免的：
㈠在锅炉结构设计中，尽量减少水力偏差和热力偏差；
㈡注意过热器对耐热钢材的选择和工艺质量控制；
㈢锅炉在装配过程中应严格按照图纸的要求来进行安装；
㈣锅炉安装结束、煮炉合格后，应用洁净水对过热器进行反冲洗，特别是对立式过热器；
㈤锅炉系统中力求采用除盐水处理装置，同时认真管理和严格监测水处理设备的运行情况，并定期對锅炉的给水和炉水水质进行分析，防止含盐量过高，以保证锅炉水质和蒸汽品质；
㈥若无除盐设备条件，应结合水质条件，在锅炉运行一段时间后若发现锅筒和过热器间压降变大，及时对过热器进行反冲洗，笔者建议定期进行反冲洗以保证管内的洁净；
㈦尽可能保证额定参数运行锅炉，特别是避免低压参数的长时间运行。
[参考文献]
[1] 车德福，庄正宁，李军，王栋.锅炉，陕西：西安交通大学出版社，2008年第2版.
[2] 徐利柏，钱慧.锅炉过热器爆管探析.工业锅炉，2002，75：57-59.
[3] 童有武，张孝勇.锅炉安装调试运行维护实用手册.北京：地震出版社，1999.
[4] 陈学俊，陈听宽.锅炉原理（上、下册）.第一版.北京：机械工业出版社，1981.