水管熱水鍋爐爆管機(jī)理及處理措施

魏元生

（山西省檢驗(yàn)檢測(cè)中心（山西省標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量技術(shù)研究院）特種設(shè)備檢驗(yàn)技術(shù)研究所，山西太原 030031）

1 過冷沸騰發(fā)生的機(jī)理、形成過程及現(xiàn)象

1.1 機(jī)理

從宏觀上看，當(dāng)鍋爐水冷壁管壁得不到足夠流速的水冷卻時(shí)，管內(nèi)傳熱工質(zhì)不能及時(shí)將水冷壁管沿長(zhǎng)度方向上的熱量帶走，就會(huì)出現(xiàn)管壁因單位長(zhǎng)度上熱負(fù)荷集中，即熱流密度太大，而造成破壞。從微觀上講，管內(nèi)工質(zhì)由于循環(huán)動(dòng)力不足而使循環(huán)局部受到了破壞，至使管材在長(zhǎng)度方向上總是存在一個(gè)熱負(fù)荷峰值的最大點(diǎn)，此點(diǎn)被稱為水循環(huán)工質(zhì)相變點(diǎn)。此時(shí)，管內(nèi)工質(zhì)只要經(jīng)過此點(diǎn)，靠近管壁的工質(zhì)就會(huì)發(fā)生氣化，氣化后包裹在氣囊內(nèi)的水溫度在達(dá)不到該壓力下的飽和溫度時(shí)，也不斷逐層發(fā)生氣化現(xiàn)象，這樣就發(fā)生了湍流氣化狀態(tài)（湍流相變模式），即“局部汽水共騰”。

1.2 形成過程

基于上述機(jī)理，從宏觀上來分析，是由于鍋爐上升管與下降管之間的循環(huán)動(dòng)力不足，使上升管中的水流速降低，不能及時(shí)將管外壁的熱負(fù)荷高效吸收，至使管排中受熱最強(qiáng)的個(gè)別水冷壁管的熱流密度明顯高于其他的水冷壁管，率先發(fā)生過冷沸騰現(xiàn)象。一旦有一根水冷壁管因爆管不能工作，必然增加其余水冷壁管的熱負(fù)荷強(qiáng)度，導(dǎo)至該管周圍的水管發(fā)生不同程度的過冷沸騰，使一部分水冷壁管受到破壞。在水冷壁管內(nèi)汽水共騰過程中，由于上升水管內(nèi)水流上升流速動(dòng)力不足，不能及時(shí)帶走管壁壁溫升高的熱量，但總能帶走一部分熱量，那么該水冷壁管表現(xiàn)出來的首先是以變形來補(bǔ)償熱流密度的變化，同時(shí)通過變形使水冷壁管內(nèi)的水獲得一定的動(dòng)力補(bǔ)償。管內(nèi)一部分水流局部處于氣化狀態(tài)，水流在管內(nèi)處于非滿管流態(tài)，以一部分工質(zhì)的氣化潛熱方式迅速帶走熱量，隨著熱負(fù)荷的增加，水管火側(cè)部分處于半干燒狀態(tài)，管內(nèi)壁的水使管壁處于淬火狀態(tài)，使水管材料進(jìn)行著過燒—冷卻、冷卻—再過燒的重復(fù)狀態(tài)，水冷壁外壁會(huì)不斷地脫碳，一層一層脫碳剝落，使管壁逐層減薄。同時(shí)管內(nèi)由于水流在氣化點(diǎn)不停地進(jìn)行液相與氣相的轉(zhuǎn)化，即使水質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，也會(huì)使工質(zhì)中微量的Ca2+、Mg2+離子以固相鹽的形態(tài)一層一層地附著在管內(nèi)壁上，并形成倒漏斗喇叭狀的水垢，嚴(yán)重時(shí)即使用蒸餾水也會(huì)爆管。當(dāng)壁厚減薄到一定程度時(shí)，由于脫碳，使水管由柔性材料變成了脆性材料，在鍋爐交變壓力及熱膨脹力拉伸作用下，可能在外壁產(chǎn)生一定數(shù)量的裂紋直至爆管。而水管內(nèi)側(cè)則被水垢堵塞，至使斷面不斷縮小，增加了水流在管內(nèi)流動(dòng)的阻力，造成了管內(nèi)水循環(huán)進(jìn)一步惡化，導(dǎo)致爆管發(fā)生。

此現(xiàn)象發(fā)生是有一定條件的，只有當(dāng)水管內(nèi)水循環(huán)動(dòng)力和水管外的熱負(fù)荷相平衡或者說每根水管內(nèi)水流速和水冷壁管的單排水管中的每一根水冷壁管外的熱流密度基本達(dá)到平衡時(shí)，過冷沸騰條件被破壞，湍流氣化點(diǎn)的熱力條件（氣化閾值）不存在，爆管現(xiàn)象停止。

1.3 現(xiàn)象

在用水管熱水鍋爐水冷壁管所用材料一般為低碳鋼，其許用應(yīng)力范圍內(nèi)的最高工作溫度應(yīng)為450 ℃。從鍋爐水循環(huán)原理來看，只要有水及時(shí)冷卻受熱面，受熱面材料表面溫度沒有達(dá)到最高工作溫度，或即使達(dá)到最高工作溫度但不長(zhǎng)期運(yùn)行，鍋爐受熱面管就不會(huì)出現(xiàn)故障。過冷沸騰發(fā)生時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生受熱面變形、脫碳開裂或水冷壁管產(chǎn)生彎曲變形、管徑脹粗、外壁脫碳、分層、管壁減薄、產(chǎn)生裂紋直至爆管。此時(shí)由于管內(nèi)水流發(fā)生局部汽水二相流，沸騰傳熱部分的加入雖然提高了管路整體的換熱能力，但管內(nèi)不斷變化的含氣率將促使流體湍窩流動(dòng)振蕩，使設(shè)備穩(wěn)定性變差，嚴(yán)重影響鍋爐運(yùn)行安全。而管壁外側(cè)低碳鋼材料，由于工質(zhì)得不到及時(shí)冷卻，材料表面溫度超過最高工作溫度，而且在此狀態(tài)下長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，材料金相結(jié)構(gòu)發(fā)生了晶粒變大、變粗現(xiàn)象，F(xiàn)e3C 脫離晶格游離出來，材料變脆，管壁材料表現(xiàn)為變形、脹粗、過燒、脫碳、管壁減薄、裂紋，直至發(fā)生斷裂、爆管。

2 汽水共騰破壞的強(qiáng)制循環(huán)熱水鍋爐改造措施

2.1 原鍋爐水循環(huán)及煙氣循環(huán)分析

2.1.1 原鍋爐水循環(huán)過程

鍋爐給水經(jīng)鍋筒自然分成兩路：①一路由鍋筒內(nèi)水供前、后下降管，進(jìn)入后橫集箱與右側(cè)集箱，通過右側(cè)水冷壁管與后墻管上升進(jìn)入鍋筒；②另一路由鍋筒內(nèi)水供對(duì)流管束，依靠管壁受熱強(qiáng)弱循環(huán)回鍋筒上部。兩路經(jīng)出水管送到分水器。

2.1.2 原鍋爐煙氣循環(huán)過程

燃燒器產(chǎn)生煙氣經(jīng)爐膛，輻射水冷壁管、部分對(duì)流管、后棚管完成第一回程后，經(jīng)后煙室向左折180°，橫向穿過對(duì)流管第一管束到折煙墻前部，完成第二回程，再向左折180°，經(jīng)過對(duì)流管第二管束到煙氣出口去往煙囪，完成第三回程。

2.1.3 爐水循環(huán)分析

對(duì)該爐水循環(huán)進(jìn)行分析，由于給水由給水管進(jìn)入上鍋筒后，鍋內(nèi)沒有有效組織強(qiáng)制循環(huán)的路徑，鍋內(nèi)水循環(huán)形不成強(qiáng)制循環(huán)合理回路，導(dǎo)致同樣路徑長(zhǎng)度下，各循環(huán)回路沿鍋爐長(zhǎng)度方向上由于受熱的強(qiáng)度不同，爐膛內(nèi)長(zhǎng)度方向上爐膛前部受熱強(qiáng)的右側(cè)水冷壁管、對(duì)流管第一束部分管束水動(dòng)力不足，產(chǎn)生爆管。而爐膛后部的后墻管和對(duì)流管第一束后部，盡管能正常循環(huán)，但換熱效率低下，鍋爐整體供熱不足。

2.2 改造時(shí)鍋爐水循環(huán)及煙氣循環(huán)原則

2.2.1 鍋爐煙氣循環(huán)過程

分別挑選出大小一致的休眠試管鱗莖和商品鱗莖，洗凈培養(yǎng)基或根部的泥砂，除去根系，用甲基托布津500倍溶液浸泡消毒后晾干。在硬紙箱底部墊一張有孔薄膜，鋪上10 cm厚的蛭石，在蛭石上放第一層休眠鱗莖，基部朝下，覆蓋5 cm厚的蛭石后，再放第二層休眠鱗莖，基部朝上，如此一層蛭石一層鱗莖，共放5層，蓋上塑料薄膜，放入溫度為5 ℃的冷庫(kù)中貯藏。對(duì)照組的休眠鱗莖處理方法同上，置溫度為25 ℃的培養(yǎng)箱中貯藏[5-6]。

保持鍋爐原有的煙氣循環(huán)回路不變。

2.2.2 改造后水循環(huán)流程

鍋爐給水（系統(tǒng)回水）經(jīng)鍋筒進(jìn)入上鍋筒配水倉(cāng)后只設(shè)置一條強(qiáng)制循環(huán)回路，即由水泵供鍋筒進(jìn)入上鍋筒配水倉(cāng)，配水倉(cāng)由連接短管分別向前、后下降管強(qiáng)制配水，水經(jīng)下降管進(jìn)入后橫集箱與右側(cè)集箱，通過右側(cè)水冷壁管與后墻管進(jìn)入鍋筒內(nèi)集水倉(cāng)，通過集水倉(cāng)向左側(cè)設(shè)置的引射水管，沖向左側(cè)第二束對(duì)流管束，水經(jīng)右側(cè)第一束對(duì)流管束區(qū)上升到鍋筒，經(jīng)出水管送到分水器。

2.2.3 改造后水循環(huán)分析

鍋爐給水（系統(tǒng)回水）經(jīng)鍋筒進(jìn)入上鍋筒配水倉(cāng)后只設(shè)置一條強(qiáng)制循環(huán)回路（圖1、圖2）：由水泵經(jīng)鍋爐給水管供上鍋筒，進(jìn)入上鍋筒與下降管連接的配水倉(cāng)，由于給水溫度低，密度大，加上配水倉(cāng)向前、后下降管強(qiáng)制配水，用以強(qiáng)化循環(huán)回路的循環(huán)動(dòng)力，水經(jīng)下降管進(jìn)入后橫集箱與右側(cè)集箱，通過右側(cè)水冷壁管與后墻管后，爐膛內(nèi)受熱強(qiáng)的區(qū)域快速上升進(jìn)入鍋筒內(nèi)集水倉(cāng)，通過集水倉(cāng)向左側(cè)設(shè)置的引射水管，沖向左側(cè)第二束對(duì)流管束以加強(qiáng)對(duì)流區(qū)的循環(huán)動(dòng)力，左側(cè)對(duì)流管束由于比右側(cè)對(duì)流管束受熱弱，其密度就比右側(cè)對(duì)流管束內(nèi)水的密度大，對(duì)流區(qū)循環(huán)動(dòng)力得以加強(qiáng)，水經(jīng)右側(cè)對(duì)流管束區(qū)上升到鍋筒，經(jīng)出水管送到分水器。由于整個(gè)回路基本處于強(qiáng)制循環(huán)環(huán)境，水循環(huán)動(dòng)力得以保證。同時(shí)由于循環(huán)路徑變長(zhǎng)，經(jīng)過水冷壁、后墻管循環(huán)的水，又經(jīng)過對(duì)流區(qū)二次加熱，使出水參數(shù)得以保證。

圖1 改造后鍋爐正視圖

圖2 改造后鍋爐側(cè)視圖

3 水泵選配

采暖面積24 000 m2，外網(wǎng)長(zhǎng)200 m，采暖熱負(fù)荷指標(biāo)418 kJ/h·m2，采暖系統(tǒng)壓頭ΔP1考慮選用29.42 kPa（3 mH2O），外網(wǎng)壓力損失ΔP2為27.46 kPa（2.8 mH2O）。

鍋爐強(qiáng)制循環(huán)壓頭ΔP3為68.65～215.75 kPa（7～22 mH2O），選ΔP3=156.91 kPa（16 mH2O），故水泵揚(yáng)程及流量選擇如下：

水泵揚(yáng)程：H=1.15（ΔP1+ΔP2+ΔP3）=1.15（3+2.8+16）=25.07 mH2O（245.85 kPa），選26 mH2O（255 kPa）。

水泵流量：Q=1.15×Q1=1.15×24 000×=110 m3/h。

4 防止突然停電的措施

（1）為了防止突然停電對(duì)鍋爐產(chǎn)生局部氣化，特在配水倉(cāng)兩端的蓋板上部開有Φ5 mm 的孔4 排各10 個(gè)，以交錯(cuò)方式排列，同時(shí)具有排出給水中空氣的作用。停電時(shí)，鍋水會(huì)通過配水倉(cāng)兩頭蓋板上部開的孔，在自然循環(huán)動(dòng)力下源源不斷補(bǔ)進(jìn)下降管內(nèi)。

（2）為防止出現(xiàn)短路循環(huán)，在前、后下降管上部、后橫集箱右端部設(shè)置有Φ63.5 mm 節(jié)流孔板

5 綜合論述

通過對(duì)該爐水循環(huán)的改造，提高了右側(cè)水冷壁管、右側(cè)第一束對(duì)流管的循環(huán)動(dòng)力，也就是提高了單根管管內(nèi)的水流流量，改善了局部循環(huán)流態(tài)，克服了汽水共騰的發(fā)生。通過組織爐內(nèi)水循環(huán)回路，使回水得到多次加熱，有效地利用了燃?xì)獾膿Q熱，提高了供熱參數(shù)，降低了排煙溫度，節(jié)約了燃料。

通過合理選用外網(wǎng)循環(huán)水泵的流量和揚(yáng)程與管路的水動(dòng)力相匹配，使鍋爐本體的強(qiáng)制循環(huán)阻力得到補(bǔ)償，進(jìn)一步改善了爐內(nèi)水循環(huán)工況。

改造方案中已考慮了停電和停泵時(shí)的自然循環(huán)應(yīng)對(duì)方式，通過上鍋筒內(nèi)下降管上設(shè)置的節(jié)流孔板，起到加強(qiáng)自然循環(huán)的作用。

加強(qiáng)運(yùn)行管理，在鍋爐高負(fù)荷時(shí)，合理排污，減少系統(tǒng)補(bǔ)給水量，使鍋爐運(yùn)行按照外部環(huán)境溫度的變化，進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié)和量調(diào)節(jié)方式運(yùn)行，達(dá)到合理峰值運(yùn)行。

改造后，由于改善了爐內(nèi)水循環(huán)，爐內(nèi)熱量分布均勻，鍋爐受熱面得到均勻冷卻，鍋內(nèi)水循環(huán)可靠，給運(yùn)行調(diào)節(jié)創(chuàng)造了條件，使燃燒設(shè)備能按負(fù)荷調(diào)控，達(dá)到了節(jié)能、安全、低碳的目的。