结垢所导致的锅炉爆管分析

张 亮，申龙涉，徐建普，马启富，刘向光

(1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001;2.辽河油田经济贸易置业总公司，辽宁 盘锦124010; 3.中石油辽宁沈阳销售分公司，辽宁 沈阳 110021)

结垢所导致的锅炉爆管分析

张 亮1，申龙涉1，徐建普1，马启富2，刘向光3

(1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001;2.辽河油田经济贸易置业总公司，辽宁 盘锦124010; 3.中石油辽宁沈阳销售分公司，辽宁 沈阳 110021)

注汽锅炉是油田稠油开采的主要设备，在稠油开采中发挥了极为重要的作用。一旦注汽锅炉炉管出现爆管将被迫停炉，直接影响原油生产。辽河油田某采油厂注气锅炉连续发生爆管事故，由于水质不合格使得锅炉发生结垢。通过对锅炉水质分析和实验对锅炉结垢与锅炉炉管温度变化进行研究，得出结论是炉管结垢，导致炉管在高温下工作，使得炉管材质的高温疲劳是锅炉炉管产生爆管的原因。

注汽锅炉； 爆管； 结垢； 水质； 高温疲劳

采油注汽锅炉使用环境比较复杂，造成炉管爆裂失效的原因也很多，但就根本原因来说是由于炉管所承受的外力超过了其本身所具有的抗力。注汽锅炉炉管失效，其原因可以归结为内因形成失效或外因形成失效[1-2]。内因失效是材料本身的因素。包括：1）成份因素，如含碳量，杂质元素等。2）组织因素，如表面脱碳、氧化，珠光体球化，晶粒粗大，相变，蠕变空洞等。3）缺陷因素，如夹杂物，气孔，裂纹等。4）性能因素，如高温蠕变极限低，持久强度低，热脆，应力集中等。外因失效是环境因素。包括：1）温度，如温度过高、过热，温度不均匀，导热性差等。2）压力，如汽击，水锤，局部堵塞，结垢等造成压力过高。3）介质，如水质因素，炉内气氛等造成的腐蚀或高温氧化。4）操作不当，由于操作不当等偶然因素也会造成爆管失效。在实际使用过程中，内部因素和外部因素往往相互作用，并且不断的变化。以下主要对锅炉水质分析和实验，对锅炉结垢与锅炉炉管温度变化进行研究。

1 回注水水质分析

1.1 水质综合分析采用稳定指数法[3-4]

稳定指数是赖兹纳（Ryznar）在1946年提出的，所以又称赖兹纳（Ryznar）指数，用IR表示。他用 IR=2pS−pa来判断某些状态下的水质更符合实际情况：

水质呈严重腐蚀趋势；

水质呈腐蚀趋势；

水质呈稳定状态；

水质呈结垢趋势；

水质呈严重结垢趋势。

1.2 回注水水质分析实验结果

实验结果见表1。

表1 回注水水质分析实验结果Table 1 Analysis results of water quality mg/L

式中：A―离子强度系数（用总固溶物浓度表示，mg/L）;

B―水温系数,℃;

C―钙离子浓度系数（以碳酸钙计，mg/L）；

D―碱度系数（以碳酸钙计，mg/L）；

Ps―实测pH值。

计算结果：PS=9.3 +A +B +C +D = 8.2

回注水水质综合分析表明，3.7

2 结垢物导热系数的测定

2.1 导热系数实验原理

实验原理[5-7]见图1。

图1 导热系数实验装置简图Fig.1 Diagram of experimental apparatus for measuring thermal conductivity

A-带电热板的发热盘；B-样品； C-螺旋头； D-样品支架； E-风扇； F-热电偶； G-真空保温杯； H-数字电压表； P-散热盘。

热传导是热量传递过程的一种形式，测定导热系数的原理是法国数学、物理学家约瑟夫.傅立叶给出的导热方程式。该方程式指出，在物体内部，垂直于导热方向上，2个相距为h，面积为A，温度分别为θ1和θ2（θ1øθ2）的平行平面，在Δt 秒内，从一个平面传到另一个平面的热量ΔQ，满足表达式（2）。

根据上述装置，由傅立叶导热方程式可知，通过待测样品盘B的热流量为：

式中：hb— 样品厚度；

Rb—圆盘样品的半径；

λ — 样品热导率；

θ1，θ2—分别为稳态时样品上下平面的温度。

2.2 导热系数实验结果

实验结果见表2。

实验材料 15CrMo 20G 1 mm Na2CO3垢的钢板2 mm Na2CO3垢的钢板导热系数 51.02 49.56 14.44 11.48

从实验结果可以看出，如果结垢1 mmNa2CO3，可使壁温升高212 ℃；

通过计算，扣除钢板的导热，污垢物的导热系数为：0.30 W/(m·℃)。

3 注汽锅炉炉管温度与爆管分析

3.1 注汽锅炉炉管壁温的测试

油田注汽锅炉爆管多数发生于辐射段。辐射段外形是圆柱体，其剖面见图2所示。

图2 辐射段剖视图Fig 2 Radiation section cutaway view

辐射段的外壳是5 mm的钢板，内部是隔热层和耐火层组成的炉衬。内炉管通过卡子与外壳固定在一起，炉管是单路直管，沿炉衬内壁水平方向往复排列并串联在一起。管材均为20 G。水在辐射段流经全部串联炉管，吸收约60%的热量后达到设计压力相对应的饱和温度,变成干度为 80%的饱和蒸汽。干度超过85%即称为过热, 干度越高,则表示一定量的炉水产生的蒸汽越多, 相应的炉水就越少,造成各种残余盐分因炉水量少未被溶解而加速结垢,沉积于炉管内壁而造成炉管吸热能力下降[8-9]。

3.2 爆管因素的定性与定量分析

注汽锅炉发生蒸汽过热现象，将造成锅炉给水中没有处理的各种杂质在炉管内堆积，形成炉管壁面结垢。炉壁结垢减少炉管的传热能力，增加炉管传热热阻，升高炉管壁面温度。当炉管壁面温度超过炉管材料允许温度时，炉管承受内压的能力降低，最终导致发生炉管爆管现象。因此，注汽锅炉炉管的高温承压工作是炉管材质失效的直接诱因，炉管高温是由于回注水中含有碳酸盐类杂质在水蒸汽过热时沉积在管壁上所引起的。

炉管内发生蒸汽过热，导致管壁结垢，因此大量结垢发生的位置应该与发生蒸汽过热点的位置一致。炉管内的水在注汽锅炉内被加热是一个逐渐被加热的过程，刚进入炉管时水是未饱和水，然后温度逐渐升高，达到饱和水状态，产生湿蒸汽，直至出现过热状态。因此，注汽锅炉内发生过热一定是在炉膛内炉管的最后几根，不可能发生在炉膛内炉管入口端。过热点的位置与过热度有关，若蒸汽过热度较低，可能发生在最后一根炉管上，过热度增高，发生过热的点将前移。在蒸汽过热之前，回注水的杂质溶解在湿蒸汽中的饱和水中，不会发生大量的结垢现象，一旦发生过热，蒸汽中不可能携带杂质，回注水杂质必然大量沉积在过热点附近。

锅炉注汽回注水尽管进行了水质处理，但仍然各类碳酸盐类杂质。通过实验室实验数据表明，回注水的杂质含量为0.242%~0.256%。在没有发生过热时，各类碳酸盐溶解在水中，结垢量小，结垢速率慢。发生过热时，全部污垢将沉积炉管上，过热蒸汽将不再发生结垢现象。因此，大量的结垢发生在过热起始点附近。结垢应集中发生在过热点1.0~2.0 m的管段范围，过热点见图3。

图3 过热点示意图Fig.3 Schematic diagram of hot spots

根据注汽锅炉回注水流量15 t/h,炉管内径取67 mm计算，考虑回注水的垢全部均匀结垢内壁上，可以得到过热不同时间的垢层厚度(实验室测定垢层的密度为2.25), 见表 3。碳酸盐类的高温下水溶解性较好，过热过程不是连续发生时，在没有过热的时刻高温水将把前面过热形成的垢层溶解掉或部分地溶解掉。因此，只要过热不是连续发生，实际垢层厚度比计算厚度要薄。尽管过热较少连续发生1,2 h或更长，但每次过热都将使得炉管承受高温，形成炉管的高温金属疲劳。

表3 不同过热时间垢层的理论厚度计算Table 1 Calculation of scale layer theoretical thickness at different superheating time

回注水被加热至过热后，回注水中的污垢将沉积在管壁上，污垢层的存在增加了管内介质与炉膛内燃烧区之间传热的阻力,提高炉管外壁面的温度,导致锅炉管壁温度整体升高。

根据传热学原理[10]，炉管没有结垢时，炉管外壁温度计算如式(4)。

式中：Q — 炉膛内换热强度,W/m2；

TWB— 炉管外壁温度,℃；

TZ— 管内蒸汽温度,℃；

αZ— 蒸汽与炉管内壁间的沸腾换热系数, W/(m·℃)；

λ— 金属材料的导热系数为, W/(m·℃)；

δ— 受热面炉管的厚度，mm。

根据锅炉手册以及有关的传热手册,取注汽锅炉辐射受热面热强度为72 000 W/m2，受热面炉管的厚度 10 mm，炉管碳钢金属材料的导热系数为 43 W/(m·℃)，取水沸腾换热系数为10 000 W/(m·℃)。将参数带入上述公式，可以得到炉管壁面温度。

计算得到锅炉外管壁温度是:

此时管壁温度低于金属材料允许的使用温度。

根据传热学原理，炉管结垢时，炉管外壁温度计算如式（5）。

式中：λg—碳酸盐类污垢的导热系数，W/(m·℃）；

δg—碳酸盐类污垢的厚度，mm。

根据实验室的实验，碳酸盐类污垢的导热系数为0.30 W/(m·℃），按污垢厚度1 mm计算。

计算得到锅炉外管壁温度是:

该温度比没有结垢时的管壁温度高出240 ℃。

4 结 论

炉管结垢，使炉管在高温下工作时，导致炉管材质的高温疲劳。注汽锅炉发生过热是炉管最终失效的根本原因，这也很好地解释了为什么发注汽锅炉在使用清洁水时，由于各种原因也可能发生蒸汽的过热。但使用清洁水在炉管内形成的结垢很少，引起炉管壁面温度升高不多。这也很好地解释了为什么在使用回注水前爆管很少或没有爆管的原因。

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Analysis on Pipe Explosion of Boiler Caused by Scaling

ZHANG Liang，SHEN Long-she，XU JIAN-pu MA QI-fu，LIU Xiang-guang
(1.Department of Oil & Gas Storage and Transportation, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun113001,China;2. Liaohe oilfield company of economic & trade & property , Liaoning Panjin 124010, China;3.Petro China Shenyang Liaoning Marcketing Company, Liaoning Shenyang 110021, China)

Steam injection boiler is a major equipment in heavy oil exploitation and plays a very important role. Once the tube pipe of steam injection boiler explodes, boiler will be forced to shutdown, which will directly affect oil production.Pipe explosion accidents of steam injection boiler continually occurred in an oil production plant of Liaohe oil field because unqualified water had caused scaling. In this paper，water quality of boiler was analyzed，relation of boiler scaling and temperature change was studied by experiment. The results show that tube scaling causes boiler tube work in high temperature，at last high temperature fatigue of the boiler material results in pipe explosion.

steam injection boiler; pipe explosion; scaling; water quality; high temperature fatigue

TK 224

A

1671-0460（2011）01-0077-04

2010-10-13

张 亮（1981-），男，辽宁盘锦人，现为辽宁石油化工大学石油天然气工程学院油气储运工程专业在读硕士。E-mail：zhang810225@sina.com。