撓性薄管板廢熱鍋爐安裝與操作常見問題分析

齊 波 雷 飛 張合生

(天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司)

撓性薄管板廢熱鍋爐安裝與操作常見問題分析

齊 波*雷 飛 張合生

(天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司)

針對撓性薄管板廢熱鍋爐安裝、操作中遇到的耐火襯里不合格、誤做外保溫、更改上升下降管走向、水質(zhì)不合格、水位控制不當(dāng)以及操作波動過大等問題逐一進(jìn)行分析討論。

撓性薄管板廢熱鍋爐 安裝 操作

廢熱鍋爐是化工生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。臥式火管式撓性薄管板廢熱鍋爐(以下簡稱薄管板廢熱鍋爐或廢熱鍋爐)是目前公認(rèn)的穩(wěn)定性和可靠性最高的廢熱鍋爐之一。在甲烷化、甲醇、制氫、合成氨、硫酸及硫回收等化工生產(chǎn)過程中，優(yōu)先選用薄管板廢熱鍋爐已逐漸成為共識。根據(jù)對進(jìn)口和天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司(以下簡稱天華院)自行設(shè)計供貨的數(shù)十套薄管板廢熱鍋爐的跟蹤調(diào)查得知，該結(jié)構(gòu)的廢熱鍋爐可平穩(wěn)運(yùn)行15年以上。然而，一些廠家的廢熱鍋爐遠(yuǎn)未使用到以上年限就出現(xiàn)故障，導(dǎo)致故障的主要原因有：使用單位采購的薄管板廢熱鍋爐存在嚴(yán)重的設(shè)計或制造缺陷；安裝與操作失誤。筆者僅就錯誤安裝與操作失誤造成的廢熱鍋爐故障進(jìn)行分析。

1 安裝問題

1.1耐火襯里

廢熱鍋爐與高溫氣體接觸的部位一般需安裝耐火襯里[1～3]作防護(hù)，以降低金屬壁溫。耐火襯里設(shè)置不當(dāng)，會造成廢熱鍋爐故障。

1.1.1耐火襯里硅鐵超標(biāo)

廢熱鍋爐耐火襯里所選用的耐火、絕熱材料對SiO2和Fe2O3的含量有嚴(yán)格要求，一般規(guī)定SiO2含量不超過0.5%，F(xiàn)e2O3不超過0.4%。因?yàn)槿霃U熱鍋爐管程的高溫氣體多為還原性氣體，在高溫還原性氣體中，耐火襯里中的SiO2會氣化流失，F(xiàn)e2O3會和CO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而流失。SiO2和Fe2O3的流失使襯里疏松形成空洞而失效。更嚴(yán)重的是，當(dāng)溫度降低時，SiO2會重新凝結(jié)附著在設(shè)備上，引起管路堵塞。用戶在安裝和更換耐火襯里時，有時會忽視這方面的要求，從而造成嚴(yán)重?fù)p失。

1.1.2誤設(shè)耐熱鋼護(hù)套

在澆筑耐火襯里和維檢修更換耐火襯里時，部分廠家為避免澆注料裂紋而引起的超溫，在耐火襯里上設(shè)置了耐熱鋼護(hù)套，但該方法有其弊端，因?yàn)楣に嚉鉁囟瘸８哌_(dá)800～1 000℃甚至更高，在這個溫度下耐熱鋼護(hù)套常會與耐火襯里分離甚至斷裂，斷裂的鋼護(hù)套壓在熱端管板上堵塞一部分管子，這時剩下的管子就需負(fù)擔(dān)全部氣流量，從而造成因熱流密度過高而引起的廢熱鍋爐故障。筆者認(rèn)為，當(dāng)前的耐火襯里質(zhì)量已大為提升、應(yīng)用范圍也已拓展，僅靠耐火襯里本身即可滿足設(shè)備運(yùn)行要求，完全沒必要另設(shè)耐熱鋼護(hù)套。

1.1.3施工質(zhì)量欠佳

耐火襯里的施工質(zhì)量對使用效果影響很大，因此必須嚴(yán)格控制。建議在耐火襯里施工前，參照GB 50474-2008、SH 3531-2003等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，制定至少不低于上述標(biāo)準(zhǔn)的施工規(guī)范并嚴(yán)格執(zhí)行，最好請有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)廠家進(jìn)行施工。耐火襯里施工中常見的問題有以下幾種：

a. 耐火襯里疏松、有蜂窩麻面、空洞等缺陷。此問題在非專業(yè)施工隊(duì)伍中經(jīng)常出現(xiàn)。

b. 耐火襯里養(yǎng)護(hù)和烘爐不到位。耐火襯里施工后，需先進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在開車前應(yīng)依據(jù)耐火襯里廠家提供的烘爐曲線進(jìn)行烘爐；耐火襯里施工后在最終烘爐之前，需進(jìn)行吊裝、運(yùn)輸時，還應(yīng)先預(yù)烘爐至表干。養(yǎng)護(hù)和烘爐時間不足，會造成耐火襯里強(qiáng)度不足，易出現(xiàn)裂紋等諸多質(zhì)量問題。造成這一問題的多因建設(shè)單位盲目催促進(jìn)度，不遵循耐火襯里施工規(guī)律，未嚴(yán)格按照耐火襯里養(yǎng)護(hù)和烘爐方案執(zhí)行所致。

c. 施工或養(yǎng)護(hù)溫度不當(dāng)。施工和養(yǎng)護(hù)溫度過低，會明顯影響耐火襯里的強(qiáng)度趨勢，溫度低于0℃時會導(dǎo)致耐火襯里凍壞；溫度過高會影響耐火襯里的凝結(jié)硬化和常溫強(qiáng)度。耐火襯里的施工和養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度在有取暖措施的廠房中一般可達(dá)到，但在施工現(xiàn)場則常因難以做到而被忽視。因此建議對新設(shè)備耐火襯里的澆筑工作最好在廠房內(nèi)，完成后運(yùn)至施工現(xiàn)場。更換耐火襯里時，建設(shè)單位和耐火襯里施工單位應(yīng)對施工溫度控制引起高度重視，依據(jù)不同環(huán)境，采取有效措施，保證耐火襯里施工和養(yǎng)護(hù)的溫度適宜。

1.2誤做外保溫

由于廢熱鍋爐的前、后管箱等部位如無特殊情況均設(shè)置了耐火襯里，此時不可做外保溫。誤做外保溫相當(dāng)危險，廢熱鍋爐管箱的設(shè)計溫度遠(yuǎn)低于工藝氣溫度。開車運(yùn)行后，由于外保溫層的存在，廢熱鍋爐管箱外壁側(cè)無法散熱，管箱金屬會很快超出設(shè)計溫度。由于外保溫層的包覆，金屬超溫后不易立即發(fā)現(xiàn)，往往在管箱變形鼓包后才被發(fā)現(xiàn)。處理稍不及時，則非常容易造成泄漏甚至設(shè)備爆炸等重大事故。為防止這一情況的發(fā)生，建議設(shè)計單位均在供貨的廢熱鍋爐管箱明顯處標(biāo)注“此處不做外保溫”等警示文字。

1.3更改上升下降管走向

廢熱鍋爐的換熱管熱負(fù)荷往往很大，為防止換熱管溫度過高，必須保證有連續(xù)的水膜沖刷管壁及時帶走熱量。這就需要廢熱鍋爐系統(tǒng)有良好的水循環(huán)，保證其水循環(huán)倍率在一定的范圍內(nèi)。廢熱鍋爐一般采用自然循環(huán)，即依靠上升管和下降管中水的重度差實(shí)現(xiàn)循環(huán)。廢熱鍋爐的水循環(huán)需由專業(yè)人員綜合考慮廢熱鍋爐系統(tǒng)中的廢熱鍋爐、汽包、上升管、下降管等設(shè)備或部件，反復(fù)核算調(diào)整后確定。用戶更改上升、下降管走向后，會改變廢熱鍋爐系統(tǒng)中的各項(xiàng)阻力，從而改變廢熱鍋爐的水循環(huán)[4，5]。當(dāng)實(shí)際水循環(huán)倍率超出一定范圍后，會導(dǎo)致?lián)Q熱管管壁和管板超溫過熱甚至爆管，從而影響廢熱鍋爐的安全正常運(yùn)行。

2 操作問題

2.1改變操作工況

隨著行業(yè)水平的提升，超負(fù)荷、超壓、超溫運(yùn)行的情況現(xiàn)已很少出現(xiàn)。但降壓、降溫、降負(fù)荷使用卻時有發(fā)生。由于廢熱鍋爐的設(shè)計遠(yuǎn)比一般換熱器復(fù)雜，涉及管板應(yīng)力分析、熱負(fù)荷計算、水循環(huán)計算、高溫腐蝕以及露點(diǎn)腐蝕等各方面的問題。即便降壓、降溫、降負(fù)荷使用也會出現(xiàn)各種問題。如某些工況下，降負(fù)荷使用會導(dǎo)致出口溫度過低而發(fā)生露點(diǎn)腐蝕；某些情況下會因蒸汽側(cè)降溫、降壓造成管板應(yīng)力變化等問題。因此如需改變操作工況，應(yīng)提前通知專業(yè)廠家進(jìn)行核算，確認(rèn)設(shè)備能夠在此工況下運(yùn)行后再做更改。

2.2水質(zhì)問題

廢熱鍋爐對水質(zhì)要求較高[6，7]。水質(zhì)不良會導(dǎo)致廢熱鍋爐結(jié)垢、腐蝕及品質(zhì)惡化等一系列問題，嚴(yán)重時可造成腐蝕穿孔甚至過熱爆管等事故。廢熱鍋爐水質(zhì)不合格造成的影響主要有：

a. 結(jié)垢。水質(zhì)不良時，常會導(dǎo)致廢熱鍋爐傳熱面上形成一層堅硬而致密的水垢層。水垢層形成后，使管壁溫度升高，結(jié)垢嚴(yán)重時會造成超溫爆管。積垢嚴(yán)重時，大量的結(jié)垢或垢層脫落的沉積物會造成循環(huán)回路阻力增大，嚴(yán)重時會堵塞流道，引起因水循環(huán)不良而導(dǎo)致的事故。此外，廢熱鍋爐水側(cè)沉積的水垢還會造成垢下腐蝕。

b. 影響蒸汽品質(zhì)。水質(zhì)不良，會使廢熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽中水含量增加，并會攜帶雜質(zhì)，影響蒸汽的品質(zhì)。如所產(chǎn)蒸汽用于透平，蒸汽中攜帶的硅酸類雜質(zhì)及其他雜質(zhì)會在蒸汽通過的各個部位沉積(在過熱器、透平等設(shè)備上形成垢層)從而產(chǎn)生諸多不利影響。

2.3水位控制不當(dāng)

2.3.1上水速度過快

上水速度過快，尤其是在低水位時大量上水，易在短時間內(nèi)出現(xiàn)換熱管周邊的水為未飽和水，即“欠焓”現(xiàn)象。欠焓現(xiàn)象會導(dǎo)致?lián)Q熱面?zhèn)鳠峁r瞬間惡化，不但會在短時間內(nèi)出現(xiàn)工藝氣出口溫度急劇上升，不利于后續(xù)工藝生產(chǎn)，而且會對設(shè)備產(chǎn)生熱沖擊。熱沖擊對設(shè)備影響很大，嚴(yán)重時會直接導(dǎo)致廢熱鍋爐壞損。

2.3.2干鍋

干鍋是指部分或全部換熱管周圍已無水，處于“干燒”狀態(tài)，它會導(dǎo)致廢熱鍋爐管板和換熱管溫度急劇升高，很容易造成換熱管和管板壞損。因此，干鍋在操作中嚴(yán)禁出現(xiàn)。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中卻時有發(fā)生，發(fā)生干鍋的主要原因有備用供水泵出現(xiàn)故障未及時更換、排污不當(dāng)、自動上水控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)失靈以及操作人員疏忽大意等。這一情況在缺乏生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的用戶中較常見。

更嚴(yán)重的是，發(fā)生干鍋后沒經(jīng)驗(yàn)的操作人員往往會采取立即往汽包內(nèi)加水的處理方法。干鍋后應(yīng)緊急停車，絕對禁止向汽包內(nèi)注水，否則進(jìn)水后換熱管和管板會由于激冷而產(chǎn)生很大的熱沖擊而破裂。同時會大量產(chǎn)生蒸汽，壓力猛漲，嚴(yán)重時會發(fā)生爆炸事故。

2.4操作波動過大

在開、停車及調(diào)整廢熱鍋爐產(chǎn)氣壓力時，應(yīng)注意緩慢調(diào)整廢熱鍋爐產(chǎn)汽側(cè)的壓力，并注意控制上水速度。產(chǎn)汽側(cè)壓力上升過快或上水速度過快，易出現(xiàn)“欠焓”現(xiàn)象。產(chǎn)汽側(cè)壓力下降過快，容易造成劇烈蒸發(fā)?！扒缝省焙投虝r間劇烈蒸發(fā)均會對設(shè)備產(chǎn)生熱沖擊，嚴(yán)重時會直接導(dǎo)致設(shè)備壞損。

3 結(jié)束語

廢熱鍋爐的安裝、運(yùn)行有自身的規(guī)律和特點(diǎn)，為保證廢熱鍋爐長周期安全運(yùn)行，除需廢熱鍋爐的設(shè)計、制造者不斷努力，還需廢熱鍋爐的使用者對此設(shè)備給予高度重視，充分了解廢熱鍋爐的特點(diǎn)和運(yùn)行規(guī)律。目前有很多廢熱鍋爐的故障是由于錯誤安裝和操作失誤造成的，這需要各生產(chǎn)廠家在廢熱鍋爐設(shè)備安裝時選擇正規(guī)的、有經(jīng)驗(yàn)的安裝隊(duì)伍，同時嚴(yán)格按照總設(shè)計方和專業(yè)廠家提供的安裝說明規(guī)范安裝；在生產(chǎn)運(yùn)行時，提高對廢熱鍋爐操作的重視程度，積極與專業(yè)廠家合作，規(guī)范并嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，提高操作人員的素質(zhì)。

[1] GB 50474-2008，隔熱耐磨襯里技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[2] SH 3531-2003，隔熱耐磨襯里技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，2004.

[3] 古大田，方子風(fēng).廢熱鍋爐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002:330～338.

[4] 安連想，雷飛，孟繁然，等.新型結(jié)構(gòu)的廢熱鍋爐在甲烷化裝置中的應(yīng)用[J].化工設(shè)備與管道，2015，52(5):29～31.

[5] 袁紹華，蔡武昌.廢熱鍋爐技術(shù)問答[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008:34～38.

[6] 馮殿義，李曉東.廢熱鍋爐維修手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009:107～118.

[7] 沈文朋，王蓉，張合生，等.廢熱鍋爐換熱管爆管事故分析及防止措施[J].化工機(jī)械，2014，41(5): 254～256.

(Continued from Page 389)

tubes. Basing on temperature field, velocity field and CaSO4concentration field and the fouling model simulated, the CaSO4scale deposition rate, erosion rate, net deposition rate and fouling resistance’s variation with time were calculated. Analysis results show that, rise of CaSO4concentration can increase fouling’s mass deposition rate and denudation rate and resistance; the bigger pitch of square spiral tube can reduce tube fouling’s mass deposition rate and denudation rate and resistance; and increase of inlet velocity can decrease fouling’s mass rate and resistance in the tube. Analyzing the variation trend of dirt’s net deposition rate in spiral tubes with different pitches indicates that in a certain stage, the fouling rate in the tube is negative, and that is to say the square spiral tube has a certain anti-scale effect in a certain time. Smaller CaSO4concentration and bigger pitch of the square screw tube as well as higher inlet velocity can bring about better scale inhibition effect.

square spiral tube, crystallization fouling, fouling resistance, numerical calculation

*齊 波，男，1983年7月生，工程師。甘肅省蘭州市，730060。

TQ054

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0254-6094(2016)03-0407-03

2015-12-03，

2016-03-07)