延长湿热箱加湿锅炉中加热管使用寿命的研究

李建刚，江传华，万先锋

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，武汉 430079）

引言

湿热试验是产品环境试验鉴定项目中非常重要的一个试验项目。进行湿热试验的常用设备是恒定（交变）湿热箱，其主要工作原理是采用锅炉加湿方式，利用锅炉里的电热管加热而产生水蒸汽，通过风机将水蒸汽吹进试验箱内，在PLC控制下，将水蒸汽量、加热量和制冷量动态平衡，达到控制试验箱的温度湿度。因此，加湿锅炉是湿热度箱使用可靠性的重要影响因素，而锅炉的核心元件是加热管，经常出现因为锅炉加热管使用寿命问题影响湿热箱试验的可靠性的情况。

1 影响锅炉加热管寿命的原因及其危害

由于结构简易、热效率高、环境适应力强，加热管在湿热试验设备中得到广泛应用，通常情况下，加热管的正常使用寿命一般在5000小时，影响其使用寿命的主要因素包括：

1）锅炉中供水不足导致的加热管干烧；

2）加热管壁水垢形成后热传递不均匀导致加热管破损；

3）水垢不断累积在锅炉底部，不仅容易堵塞了进水，而且还淹没了加热管导致干烧或破损；

4）加热管本身的制造质量。

上述因素中，锅炉中供水不足导致的加热管干烧防范起来比较容易，通常为补水控制系统故障所致，在每次试验前进行检查供水正常状态即可有效的预防，此外，湿热试验设备设计有两级保护，缺水后有水位开关电气报警系统，如果报警系统故障失灵，当加热器干烧时会产生温度的上升，当温升超过110℃，还有防干烧温度保护器装置报警保护。所以，一般锅炉中供水不足导致加热管损坏的故障概率较小。

根据多年工程经验，加热管使用中水垢形成后热传递不均匀从而导致加热管破损现象是减少加热管的主导因素。其危害性主要表现在以下几方面：

1）增加热损失和功率消耗，水垢的导热系数比金属低得多，水垢的热阻是钢铁的50～100倍，是黄铜的100～200倍，是铝、铜的300～400倍，通常工业锅炉每结1毫米的厚水垢，其热效率要降低5%；

2）降低受热面的金属强度钢材的机械强度随温度升高而降低，因此当加热管表面结有导热性差的水垢时，易造成钢材的局部过热、变形、龟裂甚至爆炸；

3）由于厚水垢的产生降低了热交换系统效率，同时使得传热效率显著下降；

4）加热管的破损会导致加热丝裸露于水中，当接通电源时，设备漏电严重威胁技术人员的人身安全，极大影响企业安全生产任务。

2 减少水垢对湿热箱的加湿锅炉寿命的影响

预防水垢的产生是提升加热管使用寿命的关键，水垢根据其形成 原因和成形状态的不同大致可分为硬垢和软垢两种。当水中含有碳酸氢盐、碳酸盐、硫酸盐、氯化物等胶体、细菌和有机物等杂质时，碳酸盐类似于水泥沙浆中的沙石，而胶体、细菌和有机物等则相当于水泥沙浆中的水泥，当水中胶体、细菌和有机物等粘性物质和碳酸盐共同作用，在高温煮沸条件下生成难溶的碳酸钙：

在碱性条件下，碳酸氢钙会发生如下反应生成碳酸钙：

水中还溶解有一定数量的硫酸钙；硅酸钙等其他无机盐类，随着水的蒸发，它们在水中浓度加大，当其浓度超过溶解度之后也会生成沉淀，并沉积在传热 表面上形成了和容器（或管道表面）粘附在一起的硬垢。而一旦胶体、细菌和有机物等粘性物质被去除（如通过超滤滤除）后，即使水中钙、镁离子和碳酸根离子浓度很高，也只能生成洁白而松散的容易去除的碳酸钙软垢，而不会产生硬垢。

目前，设备湿热箱的加湿锅炉的进水都配有水处理装置，能够达到较好软化水目的，主要方式装置有离子交换树脂软化水，当水通过装有钠型强酸型阳离子交换树脂时，水中的Ca2+、Mg2+(形成水垢的主要成份)将被树脂中的钠离子置换下来，随着树脂内Ca2+、Mg2+的增加，树脂去除Ca2+、Mg2+的效能逐渐降低，使水的钙镁离子浓度降低到0.015mmol/L以下，自来水中的钙镁离子浓度大约是0.5mmol/L，可见经过水处理装置处理过得水中钙镁离子浓度降低了97%，降低了水垢的形成条件，提高了湿热箱的加热管的使用寿命。

3 清洗湿热箱的加湿锅炉提升使用寿命

在锅炉进水前加强水处理装置虽然能够较好改善了水结垢因素，但并不能完全实现加热管不结垢，水中的钙镁离子浓度降仍有0.015mmol/L。所以，在湿热试验时仍然有水垢因素导致加热管被烧坏的事件，影响环境试验中的试验进度和安全因素。目前，各厂家使用的加湿锅炉的主流构造如图1所示。

图1 加湿锅炉的构造

其工作原理是：加湿时，补水经过进水管，通过水位控制器控制电磁阀打开/关闭供水至锅炉内规定的水位高度，加热管开始工作，加热水沸腾为水蒸汽，在试验箱内风机产生风循环将水蒸汽经过蒸汽输入口进入箱体。

在维修、维护、保养中存在如下问题：

1）进水和排水管路共用一个通道，而且进水的管径一般约为Φ15mm，当锅炉中加热管上产生水垢脱落后沉积在底部，堵塞了进水/排水孔，导致供水不正常产生加热管干烧。

2）三组加热管固定在蒸汽输出口上端盖面板上，端盖面板通过紧固螺钉固定密封于锅炉上，当一组加热管损坏时维修，需要整体将蒸汽输出口上端盖面板一起拆卸下来更换，安装时存在蒸汽输出口上端盖面板与锅炉的密封，因为是螺钉固定，端面容易变形，因此，在紧固螺钉安装好后，还需要加涂硅胶加强密封，而硅胶密封后干燥需要较长时间。否则，在蒸汽压力下容易泄露，使得加湿能力达不到。所以，导致安装工艺繁琐和周期时间长，一般需要1～2天。

3）在维护保养中，因为水垢不容易从进水/排水孔中排出，清洗锅炉中水垢也需要上述两条的流程，效率非常低下。

4）加热管的结构为环绕盘旋式，导致粘连附着在加热管上得水垢也不易清理干净，特别是在加热管内壁的管间。

因此，做好锅炉内部的维护保养，及时去除锅炉中的残余水垢，可以有效的延长加热管的使用寿命。

4 改进加湿锅炉提升使用效率

鉴于用户对锅炉的维护保养难度较大，对锅炉结构进行优化能够有效的解决该问题，优化后的锅炉结构如图2所示。

经过优化的锅炉对于使用、维修和维护保养，主要优点有：

1）在底部的进水与排水分开，进水孔高于锅炉底部25毫米较为合适，即使有水垢产生，也会先沉积在锅炉底部堵塞排水，不会造成进水通道堵塞。

2）锅炉加热管安装采用单个法兰盘模式，即每个法兰盘对应一个加热管，如果烧坏了一个更换一个，法兰盘结构的密封性好，因此更换方便快捷，更换时间不超过1小时。

3）排水孔采用法兰盘式过渡连接，法兰盘为Φ100毫米，手可以在打开法兰盘后进入锅炉内部维护清洗，在锅炉的侧面补水处加水清洗锅炉内水垢，很方便快捷将水垢清洗干净，清洗时间不超过0.5小时。

目前使用的湿热箱锅炉改造后的结构如图3所示。

使用结果表明，锅炉加热管维修，锅炉内的水垢清洗，更加方便快捷，确保了锅炉加热管使用环境，其工作效率也提高了至少25倍，较好的延长了湿热箱加湿锅炉中加热管的使用寿命，提高湿热箱设备的使用可靠性。

图2 优化后的锅炉结构图

图3 湿热箱锅炉改造后的结构图

5 结论

本文通过分析锅炉加热管寿命影响因素，结合实际工程经验，提出一种有效的改进方案，并在环境实验室的多台湿热试验箱进行了改造与应用。使用结果表明：

1）采用较好的离子交换树脂软化水水处理装置，使钙镁离子含量减少了97%，降低了水垢生成的条件。除垢清洗维护周期由一个月一次降低到半年一次，而且水垢堆积物还更少，不仅提升了加热管的效率，而且还降低了维修保养成本；

2）采用加湿锅炉的改进方法，改造后的加湿锅炉维修保养更方便快捷，其效率也提高了至少25倍，更好的保证了加热管的使用寿命也会达到预期寿命，提高了湿热试验箱设备的使用可靠性。

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