摘要：本文通過對一起爆管事故的分析，闡述了發(fā)生爆管的原因由于鍋爐在低壓運(yùn)行下，受熱面管內(nèi)產(chǎn)生過冷沸騰導(dǎo)致結(jié)垢，使得管壁超溫過熱、強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致破裂，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)改進(jìn)措施。
前言
目前在北京市郊區(qū)的一些生活小區(qū)的集中供熱鍋爐房仍然運(yùn)行著許多自然循環(huán)的熱水鍋爐，結(jié)構(gòu)形式有單鍋筒縱置式、雙鍋筒縱置式、和雙鍋筒橫置式幾種，燃燒設(shè)備多為鏈條爐排，設(shè)計(jì)煤種大多為各類煙煤。出力一般在0.7-7.0MW之間，但經(jīng)運(yùn)行過幾個采暖期后鍋爐受熱面管發(fā)生不同程度的變形、脹粗、甚至穿透性裂紋，嚴(yán)重者可導(dǎo)致爆管等水循環(huán)事故，影響了鍋爐的安全運(yùn)行和正常供暖。為此,筆者通過典型檢驗(yàn)事例從鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行條件等方面入手，著重分析熱水鍋爐水循環(huán)事故的原因，提出改進(jìn)措施。?
一、事故發(fā)生
在××年2月5日北京某集團(tuán)總公司下屬單位一小區(qū)供暖鍋爐房的一臺SZL2.8-1.0/95/70-AIII熱水鍋爐在運(yùn)行中突然發(fā)生爆管。鍋爐被迫停止運(yùn)行，給小區(qū)供熱造成很大影響。
二、現(xiàn)場勘查情況
筆者對事故鍋爐進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)爆管發(fā)生在爐膛水冷壁，其情況是：
（一）爐膛水冷壁頂棚管發(fā)生不同程度下塌變形，嚴(yán)重處的變形量達(dá)100-130mm,管子局部脹粗，其中有一根破裂（部位Ⅰ）。爐膛右側(cè)位于爐膛燃燒主燃區(qū)有3根水冷壁管的直段外凸變形，變形量40mm，變形管段局部脹粗，有許多處穿透性裂紋。
（二）在進(jìn)一步對鍋爐水冷壁割管檢查發(fā)現(xiàn)：
1.水冷壁頂棚管結(jié)垢嚴(yán)重，管內(nèi)壁結(jié)垢3-4mm。
2.右側(cè)水冷壁管直段結(jié)垢2-3mm。管外壁金屬呈暗紅色。
3.經(jīng)過內(nèi)部檢驗(yàn)，其余受熱面管內(nèi)壁結(jié)垢不超過0.5mm。
三、事故分析
（一）鍋爐概況：
鍋爐型號：SZL2.8-1.0/95/70-AIII
鍋爐出廠編號：22-3100
出廠日期：1995.8
鍋爐主體材質(zhì)：鍋筒：20g管子：20
投用日期：1996.12
工作壓力：0.3MPa
水處理形式：鈉離子交換器
事故發(fā)生：鍋爐投運(yùn)后的第4個供暖期
（二）管壁結(jié)垢直接導(dǎo)致了水冷壁管的過熱損壞
1．鍋爐受熱面金屬的溫度總是高于其中工質(zhì)的溫度。
當(dāng)管壁受熱面較清潔時候，由于熱量被水吸收而得到充分的冷卻，受熱面金屬的強(qiáng)度在安全工作的范圍內(nèi)。但是，如果受熱面結(jié)了水垢，金屬的狀況就會發(fā)生向不安全的變化。對于碳酸鹽水垢來說，它的熱阻是一般鋼的幾十倍。受熱面水垢的存在阻止了金屬熱量的釋放。直接引起管內(nèi)壁熱儲量增加，導(dǎo)致管壁溫度增高。當(dāng)管壁結(jié)1mm的水垢時，管壁溫度將生高100℃以上，而管壁溫度升高導(dǎo)致鋼材的強(qiáng)度下降。而從現(xiàn)場水冷壁的顏色判斷，損壞管處的壁溫確實(shí)曾經(jīng)超過500℃以上。所以結(jié)垢使管壁超溫過熱，強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致破裂。
2.水垢和鋼材的熱膨脹系數(shù)不同，這又導(dǎo)致垢層局部開裂或脫落，這使較低溫度的熱水與溫度相當(dāng)高的管壁相接觸，引起管壁溫度的巨大變化，并使管內(nèi)壁受到冷熱應(yīng)變，產(chǎn)生巨大的應(yīng)力。以致使管子發(fā)生很多裂紋。
3.管壁溫度升高，管子就會發(fā)生伸長，因而造成頂棚管和水冷壁管的凸出變形。
（三）低壓運(yùn)行下，過冷沸騰是導(dǎo)致水冷壁管結(jié)垢的主要原因
1.本爐為上鍋筒進(jìn)水和出水，屬于自然循環(huán)的熱水鍋爐。自然循環(huán)的熱水鍋爐是靠上升管和下降管水溫不同而造成的重度差形成水循環(huán)動力。水循環(huán)安全可靠的必要條件是各回路和各回路的熱偏差管都處于穩(wěn)定的循環(huán)狀態(tài)。而在熱水鍋爐的上升管中，當(dāng)局部熱負(fù)荷較大或工作壓力較低時，在管內(nèi)可能產(chǎn)生過冷沸騰。因?yàn)樵趬毫Φ偷那闆r下，水的飽和溫度也降低。在發(fā)生過冷沸騰時，如果靠近管壁的過熱水層厚度不大，則在受熱面形成的氣泡可能直接與欠熱水接觸，此時的氣泡根部是蒸發(fā)過程。在氣泡超過過熱水層是蒸汽冷凝過程。氣泡的蒸發(fā)和冷凝嚴(yán)重時可引起水擊，從而導(dǎo)致鍋爐部件的損壞。熱水鍋爐進(jìn)行鍋外化學(xué)處理的補(bǔ)水硬度為0.6毫克當(dāng)量/升，比蒸汽鍋爐大20倍。管內(nèi)的過冷沸騰將直接導(dǎo)致在汽化點(diǎn)附近結(jié)垢加劇。因此對于熱水鍋爐來說過冷沸騰是很危險的。而且熱水鍋爐不象蒸汽鍋爐那樣，受熱面的水是汽化蒸發(fā)狀態(tài)，熱水鍋爐的受熱面管子內(nèi)不允許發(fā)生汽化，并且管內(nèi)的水溫也不能過高。所以受熱面管子不發(fā)生超溫、汽化、或過冷沸騰是保證熱水鍋爐自然循環(huán)安全性的主要目的。
本臺鍋爐右側(cè)水冷壁管水循環(huán)流量?。o引射管接入下降管）。在受熱面管的橫截面上，水溫分布是不同的，管壁處較管中心處水溫高，因此在某段管的橫截面上，當(dāng)平均水溫尚未達(dá)到飽和溫度tbh，而管內(nèi)壁溫度tb卻超過了飽和溫度。兩者之差達(dá)到一定值時，在管內(nèi)壁開始生成氣泡，發(fā)生汽化，當(dāng)氣泡與欠熱水接觸時冷凝消失，發(fā)生過冷沸騰現(xiàn)象。過冷沸騰的產(chǎn)生直接導(dǎo)致管內(nèi)壁汽水處的鹽類蒸濃結(jié)垢，垢層的持續(xù)增厚使熱阻不斷加大，管子的導(dǎo)熱性能下降，最終造成管壁超溫，出現(xiàn)過熱變形，以至發(fā)生爆管。
2.鍋爐水冷壁管過冷沸騰校核計(jì)算：
⑴鍋爐運(yùn)行時避免發(fā)生過冷沸騰的條件：tb＜ts＋△tgr－5
式中：
tb管內(nèi)壁面溫度℃，由傳熱方程知tb=t+q/a
ts工作壓力下水的飽和溫度℃
△tgr發(fā)生過冷沸騰時管壁過熱度℃
△tgr=0.35×q0.3/p0.15
q：管內(nèi)壁傳熱熱流密度Kcal/m2h
t：流體（欠熱水）水溫度℃
a：管內(nèi)壁水對流換熱系數(shù)a=(7.13+0.0449t)×（wr0.8/dn0.2）
wr：管內(nèi)流體質(zhì)量流速kg/m2s
dn：管內(nèi)徑m
（2）鍋爐在設(shè)計(jì)壓力下運(yùn)行時的過冷沸騰校核計(jì)算：
鍋爐設(shè)計(jì)壓力p：1.0MPa
爐膛高溫區(qū)管內(nèi)壁傳熱熱流密度q：
q=9.49×104Kcal/m2h（由鍋爐熱力計(jì)算查得）
dn：管子內(nèi)徑0.045m
受熱面管截面積；f=0.2m2
飽和水溫度ts=183.2℃（查表）
循環(huán)水量G：96000kg/h
a.發(fā)生過冷沸騰管壁過熱度計(jì)算：
△tgr=0.35×q0.3/p0.15
=0.35×949000.3/100.15
=7.7℃
b.管內(nèi)流體質(zhì)量流速計(jì)算；
wr=G/3600f
=96000/3600×0.2
=133.3kg/m2s
c.管內(nèi)壁水對流換熱系數(shù)計(jì)算a
a=(7.13+0.0449t)×（wr0.8/dn0.2）
=(7.13+0.0449×81.3)×（133.30.8/0.0450.2）
=1005.8
d.管內(nèi)壁溫度計(jì)算
tb=t+q/a
=83.1+94900/1012.9
=177.5℃
tb＜ts＋△tgr－5=185.9℃
經(jīng)核算鍋爐在設(shè)計(jì)壓力下不會發(fā)生過冷沸騰，管壁是安全的。
(3)鍋爐在實(shí)際工況下過冷沸騰校核計(jì)算：
本臺鍋爐的實(shí)際工作壓力為0.3MPa，壓力為0.3MPa水的飽和溫度ts=142.9℃。
同理計(jì)算管壁過熱度
△tgr=0.35×q0.3/p0.15
=0.35×949000.3/30.15
=9.24℃
所以：tb>ts＋△tgr－5=147.14℃
鍋爐在工作壓力下會發(fā)生過冷沸騰，管壁不安全。
質(zhì)量流速kg/m2s
dn：管內(nèi)徑m
（2）鍋爐在設(shè)計(jì)壓力下運(yùn)行時的過冷沸騰校核計(jì)算：
鍋爐設(shè)計(jì)壓力p：1.0MPa
爐膛高溫區(qū)管內(nèi)壁傳熱熱流密度q：
q=9.49×104Kcal/m2h（由鍋爐熱力計(jì)算查得）
dn：管子內(nèi)徑0.045m
受熱面管截面積；f=0.2m2
飽和水溫度ts=183.2℃（查表）
循環(huán)水量G：96000kg/h
a.發(fā)生過冷沸騰管壁過熱度計(jì)算：
△tgr=0.35×q0.3/p0.15
=0.35×949000.3/100.15
=7.7℃
b.管內(nèi)流體質(zhì)量流速計(jì)算；
wr=G/3600f
=96000/3600×0.2
=133.3kg/m2s
c.管內(nèi)壁水對流換熱系數(shù)計(jì)算a
a=(7.13+0.0449t)×（wr0.8/dn0.2）
=(7.13+0.0449×81.3)×（133.30.8/0.0450.2）
=1005.8
d.管內(nèi)壁溫度計(jì)算
tb=t+q/a
=83.1+94900/1012.9
=177.5℃
tb＜ts＋△tgr－5=185.9℃
經(jīng)核算鍋爐在設(shè)計(jì)壓力下不會發(fā)生過冷沸騰，管壁是安全的。
(3)鍋爐在實(shí)際工況下過冷沸騰校核計(jì)算：
本臺鍋爐的實(shí)際工作壓力為0.3MPa，壓力為0.3MPa水的飽和溫度ts=142.9℃。
同理計(jì)算管壁過熱度
△tgr=0.35×q0.3/p0.15
=0.35×949000.3/30.15
=9.24℃
所以：tb>ts＋△tgr－5=147.14℃
鍋爐在工作壓力下會發(fā)生過冷沸騰，管壁不安全。
前言
目前在北京市郊區(qū)的一些生活小區(qū)的集中供熱鍋爐房仍然運(yùn)行著許多自然循環(huán)的熱水鍋爐，結(jié)構(gòu)形式有單鍋筒縱置式、雙鍋筒縱置式、和雙鍋筒橫置式幾種，燃燒設(shè)備多為鏈條爐排，設(shè)計(jì)煤種大多為各類煙煤。出力一般在0.7-7.0MW之間，但經(jīng)運(yùn)行過幾個采暖期后鍋爐受熱面管發(fā)生不同程度的變形、脹粗、甚至穿透性裂紋，嚴(yán)重者可導(dǎo)致爆管等水循環(huán)事故，影響了鍋爐的安全運(yùn)行和正常供暖。為此,筆者通過典型檢驗(yàn)事例從鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行條件等方面入手，著重分析熱水鍋爐水循環(huán)事故的原因，提出改進(jìn)措施。?
一、事故發(fā)生
在××年2月5日北京某集團(tuán)總公司下屬單位一小區(qū)供暖鍋爐房的一臺SZL2.8-1.0/95/70-AIII熱水鍋爐在運(yùn)行中突然發(fā)生爆管。鍋爐被迫停止運(yùn)行，給小區(qū)供熱造成很大影響。
二、現(xiàn)場勘查情況
筆者對事故鍋爐進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)爆管發(fā)生在爐膛水冷壁，其情況是：
（一）爐膛水冷壁頂棚管發(fā)生不同程度下塌變形，嚴(yán)重處的變形量達(dá)100-130mm,管子局部脹粗，其中有一根破裂（部位Ⅰ）。爐膛右側(cè)位于爐膛燃燒主燃區(qū)有3根水冷壁管的直段外凸變形，變形量40mm，變形管段局部脹粗，有許多處穿透性裂紋。
（二）在進(jìn)一步對鍋爐水冷壁割管檢查發(fā)現(xiàn)：
1.水冷壁頂棚管結(jié)垢嚴(yán)重，管內(nèi)壁結(jié)垢3-4mm。
2.右側(cè)水冷壁管直段結(jié)垢2-3mm。管外壁金屬呈暗紅色。
3.經(jīng)過內(nèi)部檢驗(yàn)，其余受熱面管內(nèi)壁結(jié)垢不超過0.5mm。
三、事故分析
（一）鍋爐概況：
鍋爐型號：SZL2.8-1.0/95/70-AIII
鍋爐出廠編號：22-3100
出廠日期：1995.8
鍋爐主體材質(zhì)：鍋筒：20g管子：20
投用日期：1996.12
工作壓力：0.3MPa
水處理形式：鈉離子交換器
事故發(fā)生：鍋爐投運(yùn)后的第4個供暖期
（二）管壁結(jié)垢直接導(dǎo)致了水冷壁管的過熱損壞
1．鍋爐受熱面金屬的溫度總是高于其中工質(zhì)的溫度。
當(dāng)管壁受熱面較清潔時候，由于熱量被水吸收而得到充分的冷卻，受熱面金屬的強(qiáng)度在安全工作的范圍內(nèi)。但是，如果受熱面結(jié)了水垢，金屬的狀況就會發(fā)生向不安全的變化。對于碳酸鹽水垢來說，它的熱阻是一般鋼的幾十倍。受熱面水垢的存在阻止了金屬熱量的釋放。直接引起管內(nèi)壁熱儲量增加，導(dǎo)致管壁溫度增高。當(dāng)管壁結(jié)1mm的水垢時，管壁溫度將生高100℃以上，而管壁溫度升高導(dǎo)致鋼材的強(qiáng)度下降。而從現(xiàn)場水冷壁的顏色判斷，損壞管處的壁溫確實(shí)曾經(jīng)超過500℃以上。所以結(jié)垢使管壁超溫過熱，強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致破裂。
2.水垢和鋼材的熱膨脹系數(shù)不同，這又導(dǎo)致垢層局部開裂或脫落，這使較低溫度的熱水與溫度相當(dāng)高的管壁相接觸，引起管壁溫度的巨大變化，并使管內(nèi)壁受到冷熱應(yīng)變，產(chǎn)生巨大的應(yīng)力。以致使管子發(fā)生很多裂紋。
3.管壁溫度升高，管子就會發(fā)生伸長，因而造成頂棚管和水冷壁管的凸出變形。
（三）低壓運(yùn)行下，過冷沸騰是導(dǎo)致水冷壁管結(jié)垢的主要原因
1.本爐為上鍋筒進(jìn)水和出水，屬于自然循環(huán)的熱水鍋爐。自然循環(huán)的熱水鍋爐是靠上升管和下降管水溫不同而造成的重度差形成水循環(huán)動力。水循環(huán)安全可靠的必要條件是各回路和各回路的熱偏差管都處于穩(wěn)定的循環(huán)狀態(tài)。而在熱水鍋爐的上升管中，當(dāng)局部熱負(fù)荷較大或工作壓力較低時，在管內(nèi)可能產(chǎn)生過冷沸騰。因?yàn)樵趬毫Φ偷那闆r下，水的飽和溫度也降低。在發(fā)生過冷沸騰時，如果靠近管壁的過熱水層厚度不大，則在受熱面形成的氣泡可能直接與欠熱水接觸，此時的氣泡根部是蒸發(fā)過程。在氣泡超過過熱水層是蒸汽冷凝過程。氣泡的蒸發(fā)和冷凝嚴(yán)重時可引起水擊，從而導(dǎo)致鍋爐部件的損壞。熱水鍋爐進(jìn)行鍋外化學(xué)處理的補(bǔ)水硬度為0.6毫克當(dāng)量/升，比蒸汽鍋爐大20倍。管內(nèi)的過冷沸騰將直接導(dǎo)致在汽化點(diǎn)附近結(jié)垢加劇。因此對于熱水鍋爐來說過冷沸騰是很危險的。而且熱水鍋爐不象蒸汽鍋爐那樣，受熱面的水是汽化蒸發(fā)狀態(tài)，熱水鍋爐的受熱面管子內(nèi)不允許發(fā)生汽化，并且管內(nèi)的水溫也不能過高。所以受熱面管子不發(fā)生超溫、汽化、或過冷沸騰是保證熱水鍋爐自然循環(huán)安全性的主要目的。
本臺鍋爐右側(cè)水冷壁管水循環(huán)流量?。o引射管接入下降管）。在受熱面管的橫截面上，水溫分布是不同的，管壁處較管中心處水溫高，因此在某段管的橫截面上，當(dāng)平均水溫尚未達(dá)到飽和溫度tbh，而管內(nèi)壁溫度tb卻超過了飽和溫度。兩者之差達(dá)到一定值時，在管內(nèi)壁開始生成氣泡，發(fā)生汽化，當(dāng)氣泡與欠熱水接觸時冷凝消失，發(fā)生過冷沸騰現(xiàn)象。過冷沸騰的產(chǎn)生直接導(dǎo)致管內(nèi)壁汽水處的鹽類蒸濃結(jié)垢，垢層的持續(xù)增厚使熱阻不斷加大，管子的導(dǎo)熱性能下降，最終造成管壁超溫，出現(xiàn)過熱變形，以至發(fā)生爆管。
2.鍋爐水冷壁管過冷沸騰校核計(jì)算：
⑴鍋爐運(yùn)行時避免發(fā)生過冷沸騰的條件：tb＜ts＋△tgr－5
式中：
tb管內(nèi)壁面溫度℃，由傳熱方程知tb=t+q/a
ts工作壓力下水的飽和溫度℃
△tgr發(fā)生過冷沸騰時管壁過熱度℃
△tgr=0.35×q0.3/p0.15
q：管內(nèi)壁傳熱熱流密度Kcal/m2h
t：流體（欠熱水）水溫度℃
a：管內(nèi)壁水對流換熱系數(shù)a=(7.13+0.0449t)×（wr0.8/dn0.2）
wr：管內(nèi)流體質(zhì)量流速kg/m2s
dn：管內(nèi)徑m
（2）鍋爐在設(shè)計(jì)壓力下運(yùn)行時的過冷沸騰校核計(jì)算：
鍋爐設(shè)計(jì)壓力p：1.0MPa
爐膛高溫區(qū)管內(nèi)壁傳熱熱流密度q：
q=9.49×104Kcal/m2h（由鍋爐熱力計(jì)算查得）
dn：管子內(nèi)徑0.045m
受熱面管截面積；f=0.2m2
飽和水溫度ts=183.2℃（查表）
循環(huán)水量G：96000kg/h
a.發(fā)生過冷沸騰管壁過熱度計(jì)算：
△tgr=0.35×q0.3/p0.15
=0.35×949000.3/100.15
=7.7℃
b.管內(nèi)流體質(zhì)量流速計(jì)算；
wr=G/3600f
=96000/3600×0.2
=133.3kg/m2s
c.管內(nèi)壁水對流換熱系數(shù)計(jì)算a
a=(7.13+0.0449t)×（wr0.8/dn0.2）
=(7.13+0.0449×81.3)×（133.30.8/0.0450.2）
=1005.8
d.管內(nèi)壁溫度計(jì)算
tb=t+q/a
=83.1+94900/1012.9
=177.5℃
tb＜ts＋△tgr－5=185.9℃
經(jīng)核算鍋爐在設(shè)計(jì)壓力下不會發(fā)生過冷沸騰，管壁是安全的。
(3)鍋爐在實(shí)際工況下過冷沸騰校核計(jì)算：
本臺鍋爐的實(shí)際工作壓力為0.3MPa，壓力為0.3MPa水的飽和溫度ts=142.9℃。
同理計(jì)算管壁過熱度
△tgr=0.35×q0.3/p0.15
=0.35×949000.3/30.15
=9.24℃
所以：tb>ts＋△tgr－5=147.14℃
鍋爐在工作壓力下會發(fā)生過冷沸騰，管壁不安全。
質(zhì)量流速kg/m2s
dn：管內(nèi)徑m
（2）鍋爐在設(shè)計(jì)壓力下運(yùn)行時的過冷沸騰校核計(jì)算：
鍋爐設(shè)計(jì)壓力p：1.0MPa
爐膛高溫區(qū)管內(nèi)壁傳熱熱流密度q：
q=9.49×104Kcal/m2h（由鍋爐熱力計(jì)算查得）
dn：管子內(nèi)徑0.045m
受熱面管截面積；f=0.2m2
飽和水溫度ts=183.2℃（查表）
循環(huán)水量G：96000kg/h
a.發(fā)生過冷沸騰管壁過熱度計(jì)算：
△tgr=0.35×q0.3/p0.15
=0.35×949000.3/100.15
=7.7℃
b.管內(nèi)流體質(zhì)量流速計(jì)算；
wr=G/3600f
=96000/3600×0.2
=133.3kg/m2s
c.管內(nèi)壁水對流換熱系數(shù)計(jì)算a
a=(7.13+0.0449t)×（wr0.8/dn0.2）
=(7.13+0.0449×81.3)×（133.30.8/0.0450.2）
=1005.8
d.管內(nèi)壁溫度計(jì)算
tb=t+q/a
=83.1+94900/1012.9
=177.5℃
tb＜ts＋△tgr－5=185.9℃
經(jīng)核算鍋爐在設(shè)計(jì)壓力下不會發(fā)生過冷沸騰，管壁是安全的。
(3)鍋爐在實(shí)際工況下過冷沸騰校核計(jì)算：
本臺鍋爐的實(shí)際工作壓力為0.3MPa，壓力為0.3MPa水的飽和溫度ts=142.9℃。
同理計(jì)算管壁過熱度
△tgr=0.35×q0.3/p0.15
=0.35×949000.3/30.15
=9.24℃
所以：tb>ts＋△tgr－5=147.14℃
鍋爐在工作壓力下會發(fā)生過冷沸騰，管壁不安全。
