熱管鍋爐熱管爆管及失效原因分析

李斌東魏保楊

（江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院）

廖禮平

（南昌大學(xué))

熱管鍋爐熱管爆管及失效原因分析

李斌東*魏保楊

（江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院）

廖禮平

（南昌大學(xué))

闡述了熱管鍋爐原理，介紹了熱管熱交換過程。從熱管相容性、煙氣腐蝕、煙氣沖刷磨損、汽蝕和運(yùn)行工況等方面分析了熱管鍋爐熱管爆管及失效的原因。

熱管鍋爐 熱管 爆管 失效 腐蝕 傳熱

1 熱管鍋爐介紹

熱管鍋爐系統(tǒng)主要由熱管、水套、汽包、上升管、下降管等零部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

熱管鍋爐工作原理：熱流體的熱量通過熱管傳給水套內(nèi)的飽和水 (飽和水由下降管輸入)，并使其汽化，所產(chǎn)蒸汽 (汽、水混合物)經(jīng)蒸汽上升管到達(dá)汽包，然后蒸汽經(jīng)過集中分離，再經(jīng)供汽主控閥輸出。

2 熱管原理

2.1 熱管的結(jié)構(gòu)

熱管是一種傳熱性極好的傳熱元件。常用的熱管由三部分組成：主體為一根封閉的金屬管 （管殼），管內(nèi) （空腔內(nèi)）有少量工作介質(zhì) （工作液）和毛細(xì)結(jié)構(gòu) （管芯），管內(nèi)的空氣及其他雜物必須清除干凈。熱管工作時利用了三種物理學(xué)原理：（1）在真空狀態(tài)下，液體的沸點(diǎn)降低； （2）同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高得多； （3）多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)對液體的抽吸力可使液體流動。從傳熱狀況看，熱管沿軸向可分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段 （凝結(jié)段）三部分，如圖2所示。

圖1 熱管鍋爐結(jié)構(gòu)

圖2 熱管結(jié)構(gòu)

2.2 熱管的工作過程

如圖3所示，當(dāng)熱管的一端受熱時毛細(xì)管芯中的液體蒸發(fā)氣化，蒸氣在微小的壓差下流向另一端并放出熱量凝結(jié)成液體，然后液體再依靠多孔材料毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量便從一端傳到了另一端。

圖3 熱管工作原理

在這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，具體包含了以下六個相互關(guān)聯(lián)的過程：

（1）熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液的吸液芯傳遞到液-氣分界面；

（2）液體在蒸發(fā)段的液-氣分界面上蒸發(fā)；

（3）蒸氣腔內(nèi)的蒸氣從蒸發(fā)段流向冷凝段；

（4）蒸氣在冷凝段內(nèi)的液-氣分界面上凝結(jié)；

（5）熱量從液-氣分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；

（6）在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用 （或重力作用等）使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。

3 熱管爆管及失效原因

導(dǎo)致熱管鍋爐熱管爆管和失效的原因通常有下述幾個方面。

3.1 熱管相容性問題

熱管的相容性是指熱管在預(yù)期的設(shè)計壽命內(nèi)，管內(nèi)工作液體同殼體不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，各自也沒有顯著的物理變化，或有變化但不足以影響熱管的工作性能。鋼-水熱管由于工作液體與管殼材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不凝性氣體，在熱管工作時，該氣體被蒸汽流吹掃到冷凝段聚集起來形成氣塞，從而使有效冷凝面積減小，熱阻增大，傳熱性能惡化。鋼-水熱管內(nèi)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理如下：

在鋼-水熱管內(nèi)，鐵、雜質(zhì)和水構(gòu)成一種原電池。其中鐵為陽極，雜質(zhì)為陰極。雜質(zhì)一般為FeC3、石墨等，為碳鋼與水中所含有。水的電離度雖小，但仍有少量的OH-和H+生成。熱管內(nèi)主要的電化學(xué)反應(yīng)過程如下：

3.2 煙氣腐蝕問題

在熱管鍋爐的熱源鍋爐煙氣中常含有一些SO2氣體，SO2氣體轉(zhuǎn)化為SO3后遇水凝結(jié)成硫酸，引起露點(diǎn)腐蝕。其過程如下：

熱管鍋爐低溫腐蝕是鍋爐運(yùn)行過程中常見的腐蝕形式之一。在鍋爐運(yùn)行過程中應(yīng)盡量控制鍋爐的運(yùn)行溫度，以降低低溫腐蝕出現(xiàn)的可能性。

3.3 煙氣沖刷問題

與普通鍋爐一樣，熱管鍋爐中的熱管處于煙氣沖刷的一側(cè)也存在管道沖刷磨損問題。合理選擇熱管對流受熱面上的煙氣流速，能有效減少煙氣中粉塵對熱管的沖刷作用，粉塵長期對熱管的沖刷將導(dǎo)致管壁變薄甚至穿孔。

3.4 汽蝕問題

熱管鍋爐的熱管外存在套管 （水套），吸熱介質(zhì) （水）從汽包下降管進(jìn)入聯(lián)箱后分流至各套管內(nèi)，吸熱介質(zhì) （水）流經(jīng)套管時由于受熱不均加之存在局部壓降極易引起汽蝕問題。汽蝕造成熱管放熱段腐蝕嚴(yán)重，形成鼠咬狀外表，嚴(yán)重時會產(chǎn)生溝槽狀深痕。

3.5 運(yùn)行工況問題

熱管鍋爐超溫運(yùn)行是引起鍋爐超溫爆管的主要原因之一。對于超溫爆管的熱管其爆管處鋼材多有球化現(xiàn)象。另外，熱管鍋爐由于受限于其工藝特性，鍋爐進(jìn)口煙氣量變化頻繁，導(dǎo)致鍋爐蒸發(fā)量變化頻繁，受壓部件的壁溫隨著汽包壓力的變化而變化，壓力不穩(wěn)定，再加上溫差應(yīng)力的作用，其結(jié)果必然引起受壓部件薄弱環(huán)節(jié)的損壞。

4 防止措施

對于熱管相容性引起的失效問題，可以通過鋼材鈍化、工質(zhì)內(nèi)添加緩蝕劑等方法來解決，也可以采用排放法和滲透法來解決。

對于可能會產(chǎn)生低溫腐蝕的熱管，應(yīng)盡量合理地設(shè)計熱管使用條件，盡可能使熱管在腐蝕露點(diǎn)以上的工況下使用。

對于存在煙氣沖刷問題的熱管，可以通過合理選擇熱管材料以及對鋼管熱管外電噴涂耐磨材料來加以預(yù)防。

對于由汽蝕引起的失效問題，可以通過改進(jìn)設(shè)計以減少汽泡產(chǎn)生、使用抗汽蝕好的材料等方法來解決。

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Analysis on Tube Bursting and Failure of Heat Tube in Heat Tube Boiler

Li Bingdong Wei Baoyang Liao Liping

Describes the principle of heat tube boiler,introduces the heat transfer process of heat tube.And analyzes the causes of heat tube bursting and failure from tubes miscibility,gas corrosion,gas erosion,cavitation and operation condition.

Heat tube boiler;Heat tube;Tube bursting;Failure;Corrosion;Heat transfer

TQ 051.6

2012-02-17）

*李斌東，男，1985年生，碩士，工程師。南昌市，330029。