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热水锅炉因结垢而发生爆管事故的原因分析和启示

发布日期:2018-05-15 作者: 点击:

  本文通过一台14MW热水锅炉因结垢而在运行中发生爆管事故的实例,分析锅炉运行中水垢生成的机理,从而找出了锅炉爆管的真实原因。在此基础上,分析锅炉运行管理的关键因素及产生的后果,提出建设性建议,提高和改善锅炉的日常管理和运行管理,降低水质硬度和改善检修质量,提高实际的锅炉运行管理水平,预防锅炉发生类似问题。

  

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  1、前言

  

  这台QXS14-1。25/130/70-Q热水锅炉建于1998年,并在当年投入运行。该锅炉采用双燃烧器,上下布置。工艺流程采用直供方式,即,锅炉的出水直接与用户散热器连接,散热后,通过循环泵,回到锅炉加热。该锅炉在每年冬季启用。在2003年,进行系统改造时,与现有的SZS14-1。25/130/90-Q热水锅炉并联运行,并将原来的直供方式改造为间接供暖,即锅炉出水到换热器,与用户的采暖介质换热后,通过一次网热水循环泵回到锅炉加热。在2011年1月23日,QXS14-1。25/130/70-Q热水锅炉在运行中发生了爆管事故,导致锅炉低压保护停炉。经过核实,锅炉的燃烧室与对流换热区域的结合部,第二排第二列的炉管发生爆裂,爆管位置示意图见图1。爆裂口长40cm,最宽的位置,宽度达3cm,爆裂口部位的材质严重碳化,见图2。

  

  爆管事故发生后,为了及时恢复供暖,采取了局部封堵措施,切除爆裂的炉管,从锅筒内直接封堵,对锅炉进行水压试验,合格后投入使用,恢复供暖工作。

  

  2、爆管原因分析

  

  发生爆管后,将发生了爆裂的炉管切除,对炉管进行分析,发现爆裂处上部的已经被水垢堵死,堵死位置位于炉管拐弯处,水垢为白色,经化验分析,主要成分是CaCO3占69.4%、MgCO3占12%,Fe2O3占7.5%。由于炉管在上部高温区域结垢,水循环不畅,在高温作用下,炉管在辐射、对流两种传热作用下,炉管内部的对流换热被破坏,炉管过热,在锅炉压力的作用下,发生了爆管。炉管结垢情况,如图3。

  

  3、锅炉结垢的原理

  

  水中的Ca2+、Mg2+的浓度总和,称为水的硬度。在锅炉监察规程中明确规定,锅炉的用水硬度≤0.03mmol/L。Ca2+、Mg2+以离子形态分布在水中;即使进行了软化处理的水,水中仍有部分硫酸根离子、碳酸氢根离子。由于碳酸氢根离子在水中始终在进行离解,即:

  

  HCO3-←→H++CO32-(1)

  

  尽管这个过程中,离解很微弱,但由于有(2)、(3)反应的作用,离解加强。那么,在锅炉运行中,总有生成不溶物质的条件:

  

  Ca2++CO32-→CaCO3↓(2)

  

  Mg2++CO32-→MgCO3↓(3)

  

  在反应式(1)中,在加热条件下,水中的碳酸氢根离解加剧,反应式(1)朝着右边的速度大于朝着左边的速度,CO32-离子浓度增加,促使反应式(2)、(3)的反应速度加快,也就是在锅炉运行中,高温部位的管线内结垢必然发生。

  

  对于这台锅炉,自身容水量约为30m3,管道与换热器容水量约为40m3,合计容水约70m3,额定循环流量为200m3/h,锅炉补水率为锅炉循环流量的1%,实际补水率为锅炉循环流量的5‰,按照实际补水率计算,锅炉在冬季供暖,运行时间为120天,那么,实际补水量为V:

  

  V=200m3/h×5‰×24h/d×120d=2880m3(4)

  

  那么,从锅炉注水升压到锅炉供暖结束停止运行,共计注入锅炉的软化水为2950m3。

  

  Mg2+的原子量为24,Ca2+的原子量为40,根据水质化验结果,Mg2+硬度占2%,Ca2+硬度占98%,以此计算,在一个供暖周期中,可结垢的量为:

  

  2950m3×0.03mmol/L×1000L/m3=88.5mol

  

  Mg2+的量为88。5mol×2%=1。77mol

  

  Ca2+的量为88.5mol×98%=86.73mol

  

  这两种离子,按照最终都生成CaCO3、MgCO3沉淀物而结成水垢,以简化计算而同时说明锅炉结垢的问题。

  

  CaCO3的分子量为100,MgCO3的分子量为84,因此,最终,以完全结垢的情况,理论结垢的数量为:

  

  CaCO3水垢为100×86.73mol=8673g=8.673kg

  

  MgCO3水垢为84×1.77mol=148.68g=0.149kg

  

  尽管锅炉的补水水质完全符合锅炉监察规程的要求,但,软化水中在达标之后,仍然有残余硬度,锅炉运行中,补充到系统的水在持续不断的循环,残余硬度最终都会在锅炉高温部位结垢。从计算的结果分析,这一个供暖周期中,可结垢的数量达到8.8kg,对于局部高温的炉管,这个数量已经构成威胁。

  

  在管网状况较差的情况下,系统补水率将会上升,补水量的增加,必然导致水垢数量增加,对锅炉的危害随之增加。

  

  这台热水锅炉,由于从1998年投用以来,由于其内部流程的特殊性,在锅炉内部设计了三段流程,通过隔板,在锅筒内分段,将水冷壁管分成三部分,形成串联流程,加长了换热流程,延长了换热时间,有效的提高锅炉的提升温度的能力。也正是这个原因,隔板的阻隔,日常管理中很难发现各炉管的实际情况,因此,在每次的年度检验中,也难于发现存在的问题,每次检验、检修中,可视部分的炉管状况都很好;而高温部分的炉管难于检查和检修;使用12年中,一直都没有进行过化学清洗,多年的积垢,在常年的运行后,最终以堵塞炉管而发生事故。

  

  4、锅炉运行管理的启示

  

  锅炉作为工业生产的一种特种设备,有很全面的规范和制度,原因很简单,发生危险,产生的后果相当严重.加强管理,保证安全生产,是企业必须做好的工作。为预防再发生类似爆管事故,结合多年的运行管理,分析和总结这起爆管事故,我们体会出一些启示,供锅炉的运行管理参考。

  

  (1)运行中的管理,应严格执行操作规程。锅炉的操作规程明确了锅炉运行操作的具体程序,是锅炉安全运行的基本保障。操作行为满足规程的要求,锅炉运行符合自身的运行规律,就能安全运行。

  

  (2)切实加强锅炉的水质管理,确保锅炉用水符合水质要求。这里有个误区,就是认为锅炉水质合格就不会发生锅炉结垢的问题。经过上述的计算,尽管锅炉的用水硬度≤0.03mmol/L,但这里仍然存在残余硬度,在锅炉运行中,就会以水垢形式,在炉管中积聚。在这台锅炉爆管事故发生后,我们对锅炉炉水进行化验,硬度没有超标。我们日常管理中,有专人负责锅炉水质的化验,做到每班一次化验,技术员定期抽检,都符合要求。但最终结果还是发生了问题。因此,在锅炉水质管理中,应尽可能降低锅炉用水的硬度,减少残余硬度,从而降低对锅炉的危害。

  

  (3)加强锅炉年度检修工作。热水供暖锅炉在运行一个供暖周期后,

  

  要执行年度检修工作。检修工作对于锅炉后续的运行,相当关键。除了通过检修,确保锅炉所有部件完好、性能达到要求外,还需要重点对锅炉炉管进行疏通,确认每根炉管都畅通无阻,以保证循环畅通,同时,这还可以清除管内部分疏松积聚物。

  

  (4)针对锅炉自身的结构特点,应采取相应的措施,确认锅炉的状态。这台14MW热水锅炉,由于其自身的结构特点,采用钢板制作的隔板,将锅炉内部流程分隔成三段串联流程,由于隔板采用了焊接密闭,导致检修的难度增加,没有定期切割隔板,进行炉管疏导,日积月累,一直运行下来,水垢逐年增厚,最终完全堵死了炉管,发生了炉管爆裂的事故。针对这种特定的锅炉结构,要下决心定期切割隔板,进行炉管的检查、疏通等维护工作,确保完好状态,为安全运行奠定基础。

  

  (5)按照锅炉监察规程的要求,做好每年的年度检验。这个年度检验应由有资质的单位或机构进行,确认锅炉的状况是否符合安全运行的条件,并有检验报告。尽管这台14MW热水锅炉进行了锅炉年度检验,然而,毕竟年度检验属于常规检验,虽对锅炉本体的受压元件的完好状况、内部腐蚀情况、水冷壁管、对流管束、炉墙等进行了全面检查,但水垢的情况,往往难于判断。尽管如此,这样的检验也可以很好地杜绝有缺陷的锅炉投入使用,避免事故发生。

  

  (6)定期进行锅炉化学清洗。这台14MW的热水锅炉,运行10余年,没有进行清洗,原因很简单,在每年的锅炉检修和锅炉检验时,可视部分的炉管(对流管、水冷壁管)的管口都没有发现有积垢、结垢,很光洁,因此,没有采取化学清洗。前面分析了锅炉结垢比较严重的区域往往在锅炉高温区域,这部分炉管却不能通过常规的手段进行判断。目前虽有先进的窥镜,但在实际的运行管理中,生产单位配置这样设备非常少。那么,采取定期清洗的措施,能够有效地减少锅炉炉管内的积垢,避免类似事故发生。

  

  (7)加强锅炉高温部位的防护。这台14MW热水锅炉,在燃烧室尾部与对流换热的结合区,是炉膛温度的检测点,即这个位置的温度最高。同时,也是进入对流换热的开始。因此,锅炉运行中,这个部位的辐射传热与对流传热都很强,从这起事故的结果看,说明了这个问题。在锅炉安装或检修过程中,需要特别关注这一点,可以采用耐高温材料对这部分炉管进行适当保温处理,降低炉管受热强度,减缓结垢速度,这对于预防类似事故有积极的作用。

  

  5、结束语

  

  锅炉安全运行是锅炉管理的目标之一,注重锅炉的细节管理、执行规范,是基本要求。在实际运行管理中,结合不同类型的锅炉的自身的管理需要,应采取相应对策,这是保证锅炉安全运行的重要手段。通过几年的锅炉运行管理实践,结合这台14MW热水锅炉发生的爆管事故实例,总结出几点启示,希望对锅炉运行管理和预防可能发生的问题起到一定的帮助作用。


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