锅炉水冷壁管爆管的原因分析及处理

【摘要】本文对锅炉水冷壁管的爆管原因进行了分析，提出了处理方法及预防措施。

【关键词】锅炉；爆管；处理方法；预防措施

我市某纸箱厂一台DZL4—1.25—AII型蒸汽锅炉，于2013年2月8日发生水冷壁管爆管。该锅炉2010年8月投用，实际使用时间两年多。经现场检验，发现爆破口位于右侧炉门第10根水冷壁管的弯曲部位。爆口为纵向破裂，其断面较为锐利，管内壁附着一层厚约0.6mm的水垢。破口的上下两端堵满片状散垢，与该管相连的右侧集箱有大量的脱落的散垢堆积，锅筒底部也有少量的散垢、水渣等。

一、爆管原因分析

（一）水循环故障。1.该锅炉为自然循环锅炉。不同温度的工质具有不同的重度，其差异形成的推动力是水循环的动力。即工质在下降管中的重度比在水冷壁中的大，其差异形成的推动力克服了工质上升和下降的流动阻力，这样就利用其自然特性形成了水循环。工质在循环中吸收受热面壁的热量，既降低了受热面壁的温度，防止受热面壁超温，保证受热面的使用寿命，又成为具有一定品质的蒸汽，从而使锅炉的功能得以实现。2.该锅炉在运行过程中，因水处理工作的不规范而产生水垢渣块，堆积在锅筒底部，在水循环动力的作用下，随锅水一起被吸入到下降管中，并被带到集箱。其中质量较重，颗粒较大的散垢在惯性的作用下沉积在集箱底部，并且不断堆积成小山坵状，从而减少了工质进入水冷管的流通面积。根据流体力学理论可知，此处工质的流速增大，静压减小，导致水冷壁管进口压力降低，水循环减弱。3.随下降管锅水带入集箱的水垢渣块中质量较轻，呈薄片状的散垢，会漂浮在流动的锅水中，随着水循环从集箱进入水冷壁管中，当流动到水冷壁管的弯曲部位时，在散垢重力和摩擦阻力的作用下，开始停滞积累在该处。这样，一方面使锅水的流动阻力进一步增大，工质的流速趋缓；另一方面随着散垢数量的不断增加，水冷壁管中的流通面积不断减小，甚至完全堵死。这样，该处的工质流速会逐步趋于零，即产生了水循环停滞现象。这时，该水冷壁管处于膜式沸腾，其弯管部位处于干烧状态。从而导致管子温度急剧升高，形成短时间过热爆管。4.因锅内水质不良，运行一段时间后，受热面管内壁会生成水垢，另外炉中析出的固体物质会沉积管中形成水垢。水垢中有不同的化学成分，通常有：钙镁水垢，硅酸盐垢，氧化铁垢，磷酸盐垢和铜垢等。水渣也分为两类，一种不粘附受热面，易随炉水排污排掉；另外一种粘附受热面成为水垢常驻造成长时过热。水垢的导致系数比管子导热系数小很多，氧化铁垢导热系数与碳钢的导热系数相差350倍左右，以至于容易引起传热恶化，造成水冷壁管向火侧壁温升高，超限而导致爆管。

（二）锅炉水冷壁管的腐蚀。水冷壁的外部腐蚀全部发生在还原性气氛中，如受火焰直接冲刷，腐蚀区域一般都在燃烧器标高下，水冷壁外部腐蚀分为硫酸盐型和硫化物型。

1.在火焰冲刷管壁时，当达到350°C或以上温度时，燃料中的FeS2随灰粒或煤粘和在壁上，受灼热而分解。FeS2→FeS+S，而后S又与管壁金属化合生成FeO与S，原子又透过疏松的FeO与内层Fe反应生成FeS，如此循环，原子不断深入管壁，这就是硫化物型腐蚀的机理。

2.硫酸盐型腐蚀是在温度为310～420°C下发生的管壁正常氧化生成Fe2O3层，燃料燃烧时升华出的Na2O与K2O与烟气中SO3化合生成M2SO4。（代表K2SO4和Na2SO4）。M2SO4有粘性，捕捉灰粒，形成渣层，反应如下：3M2SO4+Fe2O3+3SO3→M3Fe（SO4）3。管壁再向内形成新的Fe2O3层，而灰渣层内部存在有M3Fe（SO4）3，如此便形成了管壁金属的腐蚀过程。

3.管内壁不均匀性腐蚀：由于水质不良引起的水冷壁垢下腐蚀会导致管壁减薄，以致泄漏，属于电化学腐蚀过程。

（三）水冷壁管的裂纹。锅炉在运行过程中，水冷壁管产生机械疲劳裂纹。运行中管子热膨胀受阻，振动及联接件之间有不同位移，使其承受交变应力产生疲劳损坏，裂纹一般发生在管子外表面，破口边缘不减薄，裂纹呈穿晶型。另外，焊接质量不良引起焊接裂纹，腐蚀和应力共同作用造成的腐蚀疲劳和应力腐蚀裂纹，从而造成水冷壁管的漏泄与爆管。

（四）氢脆的发生。氢脆通常发生在锅炉水冷壁管的向火侧，当运行中管内发生汽水分层或蒸气停滞时，锅炉给水质量不佳，杂物在高温区管壁内沉积并积成盐垢，或发生局部腐蚀时，都会导致局部管壁温度升高，从而使管壁处的水蒸汽与钢管中的铁发生反应生成氢原子。生成氢原子如不能很快被水带走，氢即会进一步进入钢内与碳化三铁继续作用成甲烷。甲烷气体的形成一方面使钢材严重脱碳并在钢内部形成很大的局部压力，以致形成严重的裂纹，使钢材的强度、塑性严重下降，发生氢脆爆管。

二、处理方法

因该水冷壁管除弯管部分存在破口和不同程度的胀粗外，其他部分未见异常，故决定割换变形的管段。根据有关规范，技术标准的要求，割换管段的工程部位选在近直段上，即从变形弯管的两端弯曲起点向上和向下各延伸50mm，割换管的实长约720mm，原水冷壁采用符合GB3087的20#管，规格57mm×3.5mm。

（一）弯管制作。取与原炉管性质、规格相同的新管一根，用弯管机冷弯成与割换下的管段大致相同，并保证弯管的椭圆度，波浪度和壁厚减薄量等符合有关规定要求，且表面无重皮，裂纹等缺陷。

（二）焊接修复。将对接的新旧管口磨平整并制成符合要求的坡口，由具有相关资质的焊工按要求施焊。

（三）焊后检查。焊后对两对接接头按照有关要求进行焊缝外观、MT、RT检验和通球试验，结果符合相关要求。

三、预防措施

（一）对锅炉进行一次人工和机械除垢，彻底去除锅筒底部，集箱内的散垢，并用软管从上向下，大水量，高水压冲洗附在水冷壁管上的散垢。采用酸洗等措施消除不良水质中的积盐积垢，控制凝结水质量，防止劣质水进入给水系统。

（二）加强原水的处理工作，并进行必要的测定，使悬浮物，胶体等杂质达到符合标准的要求。将给水改用自来水，由于自水厂有净化处理设备，故自来水的悬浮物，胶体将质含量大大降低，增设预处理设施即澄清池，原水在进入钠离子交换器之前先进入澄清池，经过沉淀和澄清、过滤。加强锅炉水处理的管理工作，严格水处理工艺纪律，使锅炉水质符合GB1576《工业锅炉水质》标准要求，防止锅炉结垢。

（三）加强定期排污，并恢复表面排污。做好锅炉定期排污工作，及时排除锅筒和集箱中的散垢，每次停炉检修时，再按前述方法对锅炉进行彻底除垢。

（四）防止高温腐蚀。1.经常检查炉膛内火焰中心偏斜程度，调整好火焰中心，防止贴壁燃烧。2.适当加大高温腐蚀区的给水流量，降低管壁温度。3.加大风速，可在高温腐蚀区设贴壁风，以减少致蚀物质，减轻或消除高温腐蚀。

（五）在较低负荷时，水冷壁内质量流速低，只要实际给水量低于正常给水流量时，受热强的管子工质的传热就可能恶化。要在底负荷时和启动过程中严格控制中间点温度，启动和停炉过程中流量不能过低。

（六）检验机构应加强对锅炉水质的抽查，督促水质不合格的单位进行整改，对存在严重隐患的锅炉，上报给当地的监察部门。

结合上述讨论，运行中的锅炉，如果采取合理的科学的方法进行调整，并在维修过程中，维护质量得到有效的提高和保障，因水冷壁泄漏或爆管而停炉的事故是可以减少，甚至可以避免发生。

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