工业锅炉受热面管失效分析及其预防措施

2019-01-17蒋朝勇

中国设备工程 2019年15期

蒋朝勇

（湖南省特种设备检验检测研究院常德分院，湖南常德 415000）

工业锅炉受热面管由多根管道组成，在工业锅炉的运作中起着十分重要的作用。水或者汽水混合物在受热面管内流过，烟气及热辐射等各种热量以对流传热的方式将热量传递给管内工质。近年来，虽然锅炉制造技术水平不断提高，但其常常在复杂恶劣的环境下工作，炉内的烟气流动、传热和燃烧过程等不确定因素很多，经常会使受热面管处于腐蚀、冲刷、高温、高压的状态，最终造成失效损伤，影响锅炉的运行，引发安全事故。

1 工业锅炉受热面管失效的原因

1.1 结垢

结垢出现的原因有很多，其中最直接因素水处理设备失效或者水处理过程操作不当，导致水中钙离子和镁离子的浓度过高，超过其溶解度而附着在管壁上。受热面结垢所带来的影响极大，其会使得受热面管传热性能变差，一般水垢的导热系数只有钢铁导热系数的10%，也就是说，1mm 的结垢附着在管壁上时，相当于对钢管加厚了几毫米甚至更多，大大增加了受热面管热阻。随着水垢的不断增厚，管壁得不到有效冷却，使得管壁长期处在过热的状态下，会使得钢管的抗拉强度不断下降，更为严重会产生过热、管胀、变形、爆管、蠕变损伤的现象。

1.2 水循环故障

工业锅炉当锅内水动力工况不正常时，水循环的安全性就会遭到破坏，产生各种水循环故障，严重影响锅炉的正常运行甚至发生安全事故。常见的水循环故障有停滞和倒流、汽水分层及下降管带汽。（1）停滞和倒流。同一循环回路中，由于各上升管受热不均匀时，受热弱的上升管产生运动压头小，甚至不能维持最低循环流速，造成停滞。而当受热严重不均匀时，受热强的上升管中汽水混合物流速过大，而产生抽吸现象，造成倒流。产生停滞和倒流的根本原因是由于同一循环回路中并列工作的各上升管的受热不均匀的结果，造成的主要因素，一是与锅炉的结构特点有关，这是由于设计制造所引起的；二是锅炉运行不良，如炉膛火焰中心偏移或者火焰分布不均匀，受热面管挂渣积灰等。

（2）汽水分层。在水平或者倾斜度很小的上升管中，流速很低，造成管子上部是汽，下部是水的现象。产生的原因主要是上升管或者汽水引出管与水平线倾角过小。

（3）下降管带汽。从日常的故障中得出，造成下降管带汽的原因有：一是下降管阻力较大，产生较大的压降，使下降管入口处发生汽化；二是下降管管口离锅筒水位面太近，在水面上方形成旋涡斗而带汽；此外，下降管受热过强等都会引起带汽。

1.3 磨损

燃料由什么组成、锅炉燃烧情况怎么样，以及灰分的磨损特性都影响着锅炉对流受热面管的磨损程度。

（1）燃料成分。燃煤中灰分的含量与烟气中灰的含量有着正比例关系。当燃料中的灰分含量不断增加时，烟气里所包含的飞灰的浓度也会提高，因此烟气对受热面管的磨损也随之增大。

（2）烟速度。当烟速提高一单位时，飞灰磨损程度会照着一的三次方单位而增加。一般情况下，锅炉大负荷运行会使烟气速度提高，同时又因为锅炉的超负荷运行加大了煤量和鼓风风量，使其超过正常范围，在双重作用下使煤灰对管壁的磨损大大加剧。

（3）煤灰颗粒的物理化学性质。管壁的磨损程度会因为使用不同的煤、煤灰含量的变化而变化，所以磨损会有些差异，当煤灰颗粒很大或很耐磨时，那管壁的磨损程度可想而知。

1.4 受面管腐蚀

（1）氧腐蚀。氧腐蚀是最常见的一种腐蚀，经常出现在积水较多的位置，并在表面形成许多鼓包。省煤器泄漏的主要原因就是氧腐蚀，即当含有氧分子的水与金属表面接触时，锅炉供水管道和省煤器管上就会出现点腐蚀和溃疡腐蚀，从而导致管道泄漏。

（2）低温硫腐蚀。当燃料中所包含的硫在锅炉里燃烧时，与空气接触会产生二氧化硫，随之又会因二氧化硫与烟气、其他金属氧化物接触时而产生三氧化硫，接着三氧化硫又伴随着一系列反应而产生硫酸或亚硫酸，这两者的腐蚀性都非常强。因此，当温度低于露点时，硫酸或亚硫酸会凝结在金属表面，使之受到腐蚀，此称为低温硫腐蚀。从上述反应可以得出，硫腐蚀的强度由燃料中硫含量和锅炉运行时的过量空气系数决定着，同时其也决定着露点温度的高低。

1.5 缺水

缺水是在工业锅炉工作过程中极易出现的问题，有着很大的危险性，缺水常常会引起受热面管因过热受损而变形，更为严重时会引发锅炉爆管，甚至爆炸。缺水会使受热面钢管不能均匀冷却，管壁温度急剧提高，降低其抗拉强度，使管道内的压力远远超出管壁能承受的正常范围，导致管道变形甚至爆管，爆管的韧性撕裂特征明显，如纵向撕裂，周围没有细小裂纹，爆管截面锋利，内壁干净。锅炉受热面管道因缺水而失效，通常表现为管道大量破损、口部膨胀和漏水，主要发生在高温区和锅炉受热面管道的最高点。

2 预防工业锅炉受热面管失效的有效措施

2.1 对于结垢的防范措施

结垢形成的主要原因是水质不合格，而与水质不合格随之出现的就是受热面管的长期受热，导致高温损伤。为了确保锅炉的安全经济运行，我们就应该加强水质管理，保证用水达到标准，从而来预防受热面管道过热损伤。因此合格的供水与控制水质是防止结垢的基础。我们要从实际出发，根据不同的锅炉有不同的型式特点，我们要选择相对应的给水处理设备，加强日常水处理监控，定期抽样检测，从而保证为锅炉提供合格的给水。

2.2 对于水循环故障的防范措施

预防水循环故障的重中之重就是确保锅炉中水体具有一定的运动压头，保持一定的回路高度，就能确保水循环的可靠，避免出现水循环的停滞和倒流、汽水分层以及下降管带汽。首先，为了避免锅炉水循环停滞或倒流要优化锅炉本体结构设计，增加水循环的运动压头；设置大直径的下降管，保证下降管的总截面积为上升管的20%以上；同时锅炉运行时，要避免结渣和积灰，及时调整燃烧，使炉膛火焰分布均匀。其次，在锅炉制造时保证上升管或者汽水引出管与水平线之间的倾角不宜小于15°，就能很好的避免汽水分层。第三，保持热量平衡。要想使热量差异不大，就应该对处于同一循环回路上的上升管均匀加热，同时还应保持锅炉内进料均匀。

2.3 对于磨损的防范措施

煤质和烟气流速同时决定着锅炉受热面的磨损程度，所以要加强煤炭质量的管理，合理控制烟气流速。科学的烟道设计计算，采取合理的措施，如链条炉排控制材料层的厚度和风量，能够减缓烟速，并且在一定程度上减少烟雾和气体，达到防止锅炉受热面管磨损的效果。落实安全责任制，安排专门人员定期检查锅炉受热面管和隔烟墙，搞好设备的维护，及时发现和解决问题，如抗磨块发现损坏，应及时更换。

2.4 对于受热面腐蚀的防范措施

（1）对于氧腐蚀的防范措施。防止氧腐蚀可以采用除氧器和除氧器与化学除氧器相结合的方法。热力除氧的工作原理是通过给蒸汽锅炉给水加热，让其达到标准的大气式除氧器压力饱和温度，然后在此基础上使水蒸气分压力不断接近水面全压力，最终使在水中被溶解的气体的分压力趋向于零，从而气体在水中排出，去除氧、二氧化碳等气体，达到保护锅炉受热面管的目的。工业蒸汽锅炉经常采用的是大气压力式热力除氧；与其相比，真空热力脱氧更适合用于热水锅炉。通过除去水中氧气，从而减少锅炉受热面产生的化学和电化学腐蚀。

（2）对于低温硫腐蚀的防范措施。硫含量高、过量空气系数偏高及烟温过低是造成低温硫腐蚀的主要原因。因此，可以采用以下方法来防止低温硫腐蚀。第一，要想从根源上降低硫含量，就得严格把关燃料成分，最好使用低硫燃料，同时还要采用脱硫技术。其次，通过火焰颜色确定过量空气系数，使其控制在合理范围之内能够有效降低低温硫腐蚀。第三，提高烟温，使其达到露点以上的温度可有效防止省煤器的低温硫腐蚀。

2.5 对于缺水的防范措施

想要让锅炉受热面的受到多层次的保护，我们就应该敢于创新，使用更合理的结构。例如，可以采用双重保护机制，在正常运行水短缺的情况下，保证另一个保护机制可以及时为其供水、防止事故由缺水造成。同时还可设置锅炉自动保护机制，在锅炉缺水使得排烟温度过高的情况下，自动切断锅炉燃料供应，停止锅炉工作。其次，加强管理，提高管理人员和司炉人员的责任心，根据以往缺水引起的安全事故统计，多数是由于责任心不强，人为引发的事故。应安排专人定期冲洗锅炉水位表，对锅炉水位报警装置、自动供水系统、低水位自动停止炉系统进行定期的热态或冷态试验，以保证各系统的灵敏运行。还应定期清洗水管和蒸汽管，保证锅炉的水质，防止水位计水管堵塞，造成实际水位虚高。