結(jié)垢所導(dǎo)致的鍋爐爆管分析

張 亮，申龍涉，徐建普，馬啟富，劉向光

(1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001;2.遼河油田經(jīng)濟(jì)貿(mào)易置業(yè)總公司，遼寧 盤錦124010; 3.中石油遼寧沈陽銷售分公司，遼寧 沈陽 110021)

結(jié)垢所導(dǎo)致的鍋爐爆管分析

張 亮1，申龍涉1，徐建普1，馬啟富2，劉向光3

(1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001;2.遼河油田經(jīng)濟(jì)貿(mào)易置業(yè)總公司，遼寧 盤錦124010; 3.中石油遼寧沈陽銷售分公司，遼寧 沈陽 110021)

注汽鍋爐是油田稠油開采的主要設(shè)備，在稠油開采中發(fā)揮了極為重要的作用。一旦注汽鍋爐爐管出現(xiàn)爆管將被迫停爐，直接影響原油生產(chǎn)。遼河油田某采油廠注氣鍋爐連續(xù)發(fā)生爆管事故，由于水質(zhì)不合格使得鍋爐發(fā)生結(jié)垢。通過對鍋爐水質(zhì)分析和實(shí)驗(yàn)對鍋爐結(jié)垢與鍋爐爐管溫度變化進(jìn)行研究，得出結(jié)論是爐管結(jié)垢，導(dǎo)致爐管在高溫下工作，使得爐管材質(zhì)的高溫疲勞是鍋爐爐管產(chǎn)生爆管的原因。

注汽鍋爐； 爆管； 結(jié)垢； 水質(zhì)； 高溫疲勞

采油注汽鍋爐使用環(huán)境比較復(fù)雜，造成爐管爆裂失效的原因也很多，但就根本原因來說是由于爐管所承受的外力超過了其本身所具有的抗力。注汽鍋爐爐管失效，其原因可以歸結(jié)為內(nèi)因形成失效或外因形成失效[1-2]。內(nèi)因失效是材料本身的因素。包括：1）成份因素，如含碳量，雜質(zhì)元素等。2）組織因素，如表面脫碳、氧化，珠光體球化，晶粒粗大，相變，蠕變空洞等。3）缺陷因素，如夾雜物，氣孔，裂紋等。4）性能因素，如高溫蠕變極限低，持久強(qiáng)度低，熱脆，應(yīng)力集中等。外因失效是環(huán)境因素。包括：1）溫度，如溫度過高、過熱，溫度不均勻，導(dǎo)熱性差等。2）壓力，如汽擊，水錘，局部堵塞，結(jié)垢等造成壓力過高。3）介質(zhì)，如水質(zhì)因素，爐內(nèi)氣氛等造成的腐蝕或高溫氧化。4）操作不當(dāng)，由于操作不當(dāng)?shù)扰既灰蛩匾矔斐杀苁?。在?shí)際使用過程中，內(nèi)部因素和外部因素往往相互作用，并且不斷的變化。以下主要對鍋爐水質(zhì)分析和實(shí)驗(yàn)，對鍋爐結(jié)垢與鍋爐爐管溫度變化進(jìn)行研究。

1 回注水水質(zhì)分析

1.1 水質(zhì)綜合分析采用穩(wěn)定指數(shù)法[3-4]

穩(wěn)定指數(shù)是賴茲納（Ryznar）在1946年提出的，所以又稱賴茲納（Ryznar）指數(shù)，用IR表示。他用 IR=2pS?pa來判斷某些狀態(tài)下的水質(zhì)更符合實(shí)際情況：

水質(zhì)呈嚴(yán)重腐蝕趨勢；

水質(zhì)呈腐蝕趨勢；

水質(zhì)呈穩(wěn)定狀態(tài)；

水質(zhì)呈結(jié)垢趨勢；

水質(zhì)呈嚴(yán)重結(jié)垢趨勢。

1.2 回注水水質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 回注水水質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Analysis results of water quality mg/L

式中：A―離子強(qiáng)度系數(shù)（用總固溶物濃度表示，mg/L）;

B―水溫系數(shù),℃;

C―鈣離子濃度系數(shù)（以碳酸鈣計(jì)，mg/L）；

D―堿度系數(shù)（以碳酸鈣計(jì)，mg/L）；

Ps―實(shí)測pH值。

計(jì)算結(jié)果：PS=9.3 +A +B +C +D = 8.2

回注水水質(zhì)綜合分析表明，3.7

2 結(jié)垢物導(dǎo)熱系數(shù)的測定

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理[5-7]見圖1。

圖1 導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置簡圖Fig.1 Diagram of experimental apparatus for measuring thermal conductivity

A-帶電熱板的發(fā)熱盤；B-樣品； C-螺旋頭； D-樣品支架； E-風(fēng)扇； F-熱電偶； G-真空保溫杯； H-數(shù)字電壓表； P-散熱盤。

熱傳導(dǎo)是熱量傳遞過程的一種形式，測定導(dǎo)熱系數(shù)的原理是法國數(shù)學(xué)、物理學(xué)家約瑟夫.傅立葉給出的導(dǎo)熱方程式。該方程式指出，在物體內(nèi)部，垂直于導(dǎo)熱方向上，2個(gè)相距為h，面積為A，溫度分別為θ1和θ2（θ1?θ2）的平行平面，在Δt 秒內(nèi)，從一個(gè)平面?zhèn)鞯搅硪粋€(gè)平面的熱量ΔQ，滿足表達(dá)式（2）。

根據(jù)上述裝置，由傅立葉導(dǎo)熱方程式可知，通過待測樣品盤B的熱流量為：

式中：hb— 樣品厚度；

Rb—圓盤樣品的半徑；

λ — 樣品熱導(dǎo)率；

θ1，θ2—分別為穩(wěn)態(tài)時(shí)樣品上下平面的溫度。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

實(shí)驗(yàn)材料 15CrMo 20G 1 mm Na2CO3垢的鋼板2 mm Na2CO3垢的鋼板導(dǎo)熱系數(shù) 51.02 49.56 14.44 11.48

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，如果結(jié)垢1 mmNa2CO3，可使壁溫升高212 ℃；

通過計(jì)算，扣除鋼板的導(dǎo)熱，污垢物的導(dǎo)熱系數(shù)為：0.30 W/(m·℃)。

3 注汽鍋爐爐管溫度與爆管分析

3.1 注汽鍋爐爐管壁溫的測試

油田注汽鍋爐爆管多數(shù)發(fā)生于輻射段。輻射段外形是圓柱體，其剖面見圖2所示。

圖2 輻射段剖視圖Fig 2 Radiation section cutaway view

輻射段的外殼是5 mm的鋼板，內(nèi)部是隔熱層和耐火層組成的爐襯。內(nèi)爐管通過卡子與外殼固定在一起，爐管是單路直管，沿爐襯內(nèi)壁水平方向往復(fù)排列并串聯(lián)在一起。管材均為20 G。水在輻射段流經(jīng)全部串聯(lián)爐管，吸收約60%的熱量后達(dá)到設(shè)計(jì)壓力相對應(yīng)的飽和溫度,變成干度為 80%的飽和蒸汽。干度超過85%即稱為過熱, 干度越高,則表示一定量的爐水產(chǎn)生的蒸汽越多, 相應(yīng)的爐水就越少,造成各種殘余鹽分因爐水量少未被溶解而加速結(jié)垢,沉積于爐管內(nèi)壁而造成爐管吸熱能力下降[8-9]。

3.2 爆管因素的定性與定量分析

注汽鍋爐發(fā)生蒸汽過熱現(xiàn)象，將造成鍋爐給水中沒有處理的各種雜質(zhì)在爐管內(nèi)堆積，形成爐管壁面結(jié)垢。爐壁結(jié)垢減少爐管的傳熱能力，增加爐管傳熱熱阻，升高爐管壁面溫度。當(dāng)爐管壁面溫度超過爐管材料允許溫度時(shí)，爐管承受內(nèi)壓的能力降低，最終導(dǎo)致發(fā)生爐管爆管現(xiàn)象。因此，注汽鍋爐爐管的高溫承壓工作是爐管材質(zhì)失效的直接誘因，爐管高溫是由于回注水中含有碳酸鹽類雜質(zhì)在水蒸汽過熱時(shí)沉積在管壁上所引起的。

爐管內(nèi)發(fā)生蒸汽過熱，導(dǎo)致管壁結(jié)垢，因此大量結(jié)垢發(fā)生的位置應(yīng)該與發(fā)生蒸汽過熱點(diǎn)的位置一致。爐管內(nèi)的水在注汽鍋爐內(nèi)被加熱是一個(gè)逐漸被加熱的過程，剛進(jìn)入爐管時(shí)水是未飽和水，然后溫度逐漸升高，達(dá)到飽和水狀態(tài)，產(chǎn)生濕蒸汽，直至出現(xiàn)過熱狀態(tài)。因此，注汽鍋爐內(nèi)發(fā)生過熱一定是在爐膛內(nèi)爐管的最后幾根，不可能發(fā)生在爐膛內(nèi)爐管入口端。過熱點(diǎn)的位置與過熱度有關(guān)，若蒸汽過熱度較低，可能發(fā)生在最后一根爐管上，過熱度增高，發(fā)生過熱的點(diǎn)將前移。在蒸汽過熱之前，回注水的雜質(zhì)溶解在濕蒸汽中的飽和水中，不會發(fā)生大量的結(jié)垢現(xiàn)象，一旦發(fā)生過熱，蒸汽中不可能攜帶雜質(zhì)，回注水雜質(zhì)必然大量沉積在過熱點(diǎn)附近。

鍋爐注汽回注水盡管進(jìn)行了水質(zhì)處理，但仍然各類碳酸鹽類雜質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，回注水的雜質(zhì)含量為0.242%~0.256%。在沒有發(fā)生過熱時(shí)，各類碳酸鹽溶解在水中，結(jié)垢量小，結(jié)垢速率慢。發(fā)生過熱時(shí)，全部污垢將沉積爐管上，過熱蒸汽將不再發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象。因此，大量的結(jié)垢發(fā)生在過熱起始點(diǎn)附近。結(jié)垢應(yīng)集中發(fā)生在過熱點(diǎn)1.0~2.0 m的管段范圍，過熱點(diǎn)見圖3。

圖3 過熱點(diǎn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of hot spots

根據(jù)注汽鍋爐回注水流量15 t/h,爐管內(nèi)徑取67 mm計(jì)算，考慮回注水的垢全部均勻結(jié)垢內(nèi)壁上，可以得到過熱不同時(shí)間的垢層厚度(實(shí)驗(yàn)室測定垢層的密度為2.25), 見表 3。碳酸鹽類的高溫下水溶解性較好，過熱過程不是連續(xù)發(fā)生時(shí)，在沒有過熱的時(shí)刻高溫水將把前面過熱形成的垢層溶解掉或部分地溶解掉。因此，只要過熱不是連續(xù)發(fā)生，實(shí)際垢層厚度比計(jì)算厚度要薄。盡管過熱較少連續(xù)發(fā)生1,2 h或更長，但每次過熱都將使得爐管承受高溫，形成爐管的高溫金屬疲勞。

表3 不同過熱時(shí)間垢層的理論厚度計(jì)算Table 1 Calculation of scale layer theoretical thickness at different superheating time

回注水被加熱至過熱后，回注水中的污垢將沉積在管壁上，污垢層的存在增加了管內(nèi)介質(zhì)與爐膛內(nèi)燃燒區(qū)之間傳熱的阻力,提高爐管外壁面的溫度,導(dǎo)致鍋爐管壁溫度整體升高。

根據(jù)傳熱學(xué)原理[10]，爐管沒有結(jié)垢時(shí)，爐管外壁溫度計(jì)算如式(4)。

式中：Q — 爐膛內(nèi)換熱強(qiáng)度,W/m2；

TWB— 爐管外壁溫度,℃；

TZ— 管內(nèi)蒸汽溫度,℃；

αZ— 蒸汽與爐管內(nèi)壁間的沸騰換熱系數(shù), W/(m·℃)；

λ— 金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)為, W/(m·℃)；

δ— 受熱面爐管的厚度，mm。

根據(jù)鍋爐手冊以及有關(guān)的傳熱手冊,取注汽鍋爐輻射受熱面熱強(qiáng)度為72 000 W/m2，受熱面爐管的厚度 10 mm，爐管碳鋼金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)為 43 W/(m·℃)，取水沸騰換熱系數(shù)為10 000 W/(m·℃)。將參數(shù)帶入上述公式，可以得到爐管壁面溫度。

計(jì)算得到鍋爐外管壁溫度是:

此時(shí)管壁溫度低于金屬材料允許的使用溫度。

根據(jù)傳熱學(xué)原理，爐管結(jié)垢時(shí)，爐管外壁溫度計(jì)算如式（5）。

式中：λg—碳酸鹽類污垢的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃）；

δg—碳酸鹽類污垢的厚度，mm。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)，碳酸鹽類污垢的導(dǎo)熱系數(shù)為0.30 W/(m·℃），按污垢厚度1 mm計(jì)算。

計(jì)算得到鍋爐外管壁溫度是:

該溫度比沒有結(jié)垢時(shí)的管壁溫度高出240 ℃。

4 結(jié) 論

爐管結(jié)垢，使?fàn)t管在高溫下工作時(shí)，導(dǎo)致爐管材質(zhì)的高溫疲勞。注汽鍋爐發(fā)生過熱是爐管最終失效的根本原因，這也很好地解釋了為什么發(fā)注汽鍋爐在使用清潔水時(shí)，由于各種原因也可能發(fā)生蒸汽的過熱。但使用清潔水在爐管內(nèi)形成的結(jié)垢很少，引起爐管壁面溫度升高不多。這也很好地解釋了為什么在使用回注水前爆管很少或沒有爆管的原因。

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Analysis on Pipe Explosion of Boiler Caused by Scaling

ZHANG Liang，SHEN Long-she，XU JIAN-pu MA QI-fu，LIU Xiang-guang
(1.Department of Oil & Gas Storage and Transportation, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun113001,China;2. Liaohe oilfield company of economic & trade & property , Liaoning Panjin 124010, China;3.Petro China Shenyang Liaoning Marcketing Company, Liaoning Shenyang 110021, China)

Steam injection boiler is a major equipment in heavy oil exploitation and plays a very important role. Once the tube pipe of steam injection boiler explodes, boiler will be forced to shutdown, which will directly affect oil production.Pipe explosion accidents of steam injection boiler continually occurred in an oil production plant of Liaohe oil field because unqualified water had caused scaling. In this paper，water quality of boiler was analyzed，relation of boiler scaling and temperature change was studied by experiment. The results show that tube scaling causes boiler tube work in high temperature，at last high temperature fatigue of the boiler material results in pipe explosion.

steam injection boiler; pipe explosion; scaling; water quality; high temperature fatigue

TK 224

A

1671-0460（2011）01-0077-04

2010-10-13

張 亮（1981-），男，遼寧盤錦人，現(xiàn)為遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院油氣儲運(yùn)工程專業(yè)在讀碩士。E-mail：zhang810225@sina.com。