一台组装锅炉过热器管爆管的原因分析及解决措施

2019-07-05陈伟崇陈思诗

中国特种设备安全 2019年6期

朱霖陈伟崇陈思诗

（广西壮族自治区特种设备检验研究院南宁 530219)

快装、组装锅炉相对于散装锅炉有价格便宜、施工周期短的优势，如今在中小蒸吨工业锅炉上已经普遍取代散装锅炉。随着国家经济的迅速发展、各种节能环保要求的日益提高，在纺织、制药、化工、食品行业以及各地方工业园区集中供热单位所使用的中小型锅炉提出了使用过热蒸汽的新需求，不少锅炉制造单位也已经开始致力于发展在快装、组装锅炉中加入过热器的设计[1]。但也由于目前相关设计制造规范尚未健全、经验不够丰富的原因，一些新设计的带过热器锅炉在使用中遇到了问题，本文给出了一台带过热器的组装锅炉过热器爆管的事故分析及解决方案，以期给今后的设计及制造工作提供参考，避免类似事故再次发生。

1 锅炉概况及事故简介

广西南宁地区某工业园区内某集中供热企业于2016年向湖南某锅炉厂采购了一台带过热器的组装锅炉，型号为SZL25-1.25/250-AII，锅炉于2016年6月14日制造出厂，设计额定蒸发量为25t/h，额定出口压力为1.25MPa，额定出口温度为250℃，设计燃料为II类烟煤，锅炉结构为双锅筒纵置式链条炉。过热器部件如图1所示，过热器进、出口集箱均布置于锅炉右侧，饱和蒸汽通过锅筒顶部三根饱和蒸汽管进入过热器进口集箱前端，然后进入过热器蛇形管内吸热，最后进入下侧的过热器出口集箱，并从过热器出口集箱后侧进入主蒸汽管。根据《锅炉安全技术监察规程》（以下简称《锅规》）第6.5.（3)款，在过热器系统最低处的出口集箱底部设置有放水装置。过热器管布置在烟道中的位置如图2所示，为对流烟道第一回程至第二回程转向位置，从前至后共28排，管材材质为12Cr1MoV，规格为φ38mm×3.5mm。

图1 过热器部件示意图

图2 过热器布置位置示意图

该锅炉于2016年09月完成安装及调试工作并开始投产。运行至2017年02月05日，锅炉过热器管前起10排上起第4根发生爆管，使用单位并未引起重视，对损坏过热器管进行封堵处理后继续投入运行。之后又分别于2017年03月30日、05月15日再次在过热器管前起11排上起第4根、前起12排上起第4根发生爆管，爆管位置于图1、图2中所示位置，三次事故的非计划停炉也给使用单位带来巨大的经济损失，随后使用单位于2017年05月18日委托广西壮族自治区特种设备检验研究院对锅炉爆管事故进行技术分析。

2 检测分析

2.1 宏观分析

对过热器管前起11排上起第4根事故管进行了取样，爆口尺寸为85mm×55mm，呈桃核形喇叭口，爆口边缘壁厚1.9mm，爆口背面壁厚3.4mm，无明显胀粗现象，爆口断面光滑，呈撕裂状，可以判断爆管部位具有短期过热特征[2]。

拆除过热器集箱进行宏观检查，发现过热器进口集箱处存在大量积水，见图3，而出口集箱则未见积水现象。综合该锅炉过热器系统的结构设计情况及过热器管爆管特征可知，锅炉厂在设计时将过热器进口集箱布置在上侧，出口集箱布置在下侧，但在设计集箱疏水时，仅按照《锅规》要求考虑了在作为系统最低处的出口集箱，而在进口集箱未设置任何疏排水功能，同时过热器蛇形管上起第3根由过热器进口集箱底部引出，导致进口集箱内积水引起过热器管子“水塞”[3、4]，蒸汽无法正常在上起第3、4根中流通，最终引起过热器管过热爆管。又因为从锅筒顶部引出的3根饱和蒸汽连接管连至进口集箱的前端，运行期间集箱内的积水由于进口集箱前端蒸汽流速较大而被推向后侧，故前排的过热器管反而没有先出现爆管现象。

图3 过热器进口集箱内积水

导致过热器管子“水塞”并发生过热的积水可能来源于停炉时的蒸汽冷凝，也可能来源于饱和蒸汽带水。首先查看该锅炉的运行记录，发现由于该单位属于投产初期，已经签订供汽合同的单位数量不多，故投产以来锅炉一直运行负荷较低且启停十分频繁，认为停炉时的蒸汽冷凝水对积水的产生作用不可忽略。

进入锅筒查看汽水分离装置的设置情况，锅筒在水冷壁上集箱至锅筒连接管入口一侧布置有垂直挡板作为一次汽水分离装置，顶部设置有百叶窗作为二次汽水分离装置，根据锅筒内壁的水位痕迹，测量了水位线至百叶窗分离器下边缘的距离，约为230mm，核对锅炉的设计图纸，锅炉设计正常水位至百叶窗分离器下边缘的距离为240mm，说明该锅炉运行期间水位控制较好，但蒸汽空间高度仍然仅有230mm，此时饱和蒸汽较容易产生严重带水现象[5-6]。同时又检查发现两级汽水分离装置均存在密封不严的情况（见图4），易造成汽水混合物短路，降低了汽水分离的效果。查看该锅炉2017年第一季度和第二季度的水质化验报告，炉水的化验数据见表1，炉水的几项主要控制指标均在国家标准范围之内，可以认定使用单位对锅炉水质的管理工作较为规范，且不存在因炉水浓度过高加重蒸汽带水的情况。检测人员又对未发生爆管的其他过热器管进行内窥检查，在过热器管出口段可发现了结垢现象（见图5），认定运行中的蒸汽带水对积水的产生作用同样不可忽略。

图4 锅筒内汽水分离器密封不严

表1 事故锅炉炉水化验数据

图5 过热器管出口段结垢

2.2 蒸汽湿度测定

为验证该锅炉饱和蒸汽带水的情况，检验单位与使用单位约定仅对锅炉进行清除进口集箱积水及封堵过热器管之后，再次短暂开启该锅炉，在该锅炉的一个常用负荷下对饱和蒸汽进行蒸汽湿度测量试验，试验的基本情况如下：

1）试验依据：本次试验根据GB/T 10180—2003《工业锅炉热工性能试验规程》附录C制定试验大纲，参与试验人员均按照大纲执行试验工作。

2）试验概况：试验前锅炉正常运行，已在试验约定负荷（13t/h）状态下稳定运行超过1h，试验期间，锅炉的蒸发量波动不超过5%，压力波动不超过10%、过热蒸汽温度波动不超过±20℃，不进行定期排污，安全阀无起跳动作。各测点及取样器的设置均符合GB/T 10180—2003《工业锅炉热工性能试验规程》附录C相关要求。试验正式开始前，试验人员对饱和蒸汽及炉水取样冷却器能否满足要求取样量下的冷却功能进行确认，确保试验期间饱和蒸汽冷凝水及炉水能够按照计算取样量并保持常流，当试验过程中发现取样口有蒸汽排出时，试验工况作废。各盛装容器保证在取样、转移样品前都严格按照冲洗规定用盛装样品进行冲洗，操作装样及冲洗的人员佩戴手套进行作业。

试验人员根据双方约定的锅炉负荷、饱和蒸汽管管径、蒸汽取样管管径、由公式计算出理论蒸汽取样量。根据计算蒸汽取样量，通过调节各取样通道的调节阀，直至各取样通道蒸汽冷凝水量与计算蒸汽取样量偏差在5%之内，试验共持续3h，每小时内对蒸汽及炉水进行同步取样及化验4次，每次取样结束时应对蒸汽取样量进行称重核算是否与计算蒸汽取样量偏差保持在5%之内，确认样品有效后，交由化验人员进行化验，样品的化验使用氯根法。所得的试验结果如图6所示，60min内得平均蒸汽湿度值为10.44%，120min内测得平均蒸汽湿度值为9.75%，180min内测得平均蒸汽湿度值为10.79%，由1#饱和蒸汽连接管取样所得的平均蒸汽湿度值为8.01%，由2#饱和蒸汽连接管取样所得的平均蒸汽湿度值为10.55%，由2#饱和蒸汽连接管取样所得的平均蒸汽湿度值为12.64%，试验期间所测得最低、最高平均蒸汽湿度值分别为7.33%、13.74%，试压期间平均蒸汽湿度值为10.33%，而根据NB/T 47034—2013《工业锅炉技术条件》第3.1.2款要求，过热器入口蒸汽湿度不应大于1%。考虑到试验期间锅炉出力约为13t/h，仅为锅炉额定负荷的50%左右，可想若该锅炉按照如此状态在高负荷甚至满负荷下使用，饱和蒸汽带水的问题将会更加严重。