油田注汽鍋爐爆管原因分析及其對策

周 英

(中石油遼河油田分公司總機械廠，遼寧 盤錦 124010)

油田注汽鍋爐爆管原因分析及其對策

周 英

(中石油遼河油田分公司總機械廠，遼寧 盤錦 124010)

針對油田注汽鍋爐的現(xiàn)場運行情況，對注汽鍋爐爆管原因進行了分析，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，以保證注汽鍋爐的正常運行，延長其使用壽命。

注汽鍋爐；爆管；傳熱惡化

隨著我國稠油資源的不斷開發(fā)，注汽鍋爐成為油田開采稠油所必需的蒸汽發(fā)生設(shè)備［1］。在注汽鍋爐運行過程中常會發(fā)生爆管現(xiàn)象，從而導(dǎo)致注汽鍋爐不能正常運行，影響了注汽鍋爐的利用率和注汽效率。為此，筆者對油田注汽鍋爐爆管原因進行分析并提出相應(yīng)對策。

1 鍋爐受熱面?zhèn)鳠岱治?/h2>

鍋爐蒸汽的產(chǎn)生是通過燃燒產(chǎn)物放熱和管內(nèi)蒸汽吸熱的熱交換過程來進行的。熱交換過程在鍋爐的各個受熱面內(nèi)進行。因此，鍋爐的可靠性主要取決于受熱面的運行是否安全，即要求所有受熱面管都能得到足夠的冷卻，使管壁溫度不超過規(guī)定的極限溫度。

注汽鍋爐管的規(guī)格通常為?89×13、?73×11、?60×9等，根據(jù)傳熱學(xué)原理［2］，當(dāng)注汽鍋爐管內(nèi)徑與注汽鍋爐管外徑之比大于0.5時，可把管壁的導(dǎo)熱近似地用平面壁的導(dǎo)熱過程來處理。由于管外壁傳進管內(nèi)壁的熱流量是連續(xù)的，而熱流通過管壁的面積沿徑向變化，因而熱流密度不斷變化，故注汽鍋爐管外壁溫度可表示如下［2］：

(1)

式中，twb、tgz分別表示注汽鍋爐管的外壁和蒸汽溫度，℃；δb表示管壁厚度，m；λb表示管壁金屬導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；β表示注汽鍋爐管外徑與內(nèi)徑之比；α2表示注汽鍋爐管內(nèi)壁與管內(nèi)蒸汽間對流放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；q表示熱流密度，W/m2。

由式(1)可知，管外壁溫度與熱流密度、管內(nèi)蒸汽溫度以及管內(nèi)側(cè)熱阻等因素有關(guān)。

2 注汽鍋爐爆管原因

2.1管壁溫度超過允許極限值

鍋爐正常運行時，在非傳熱惡化區(qū)沸騰蒸發(fā)管內(nèi)蒸汽作核態(tài)沸騰時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)很高，注汽鍋爐管內(nèi)壁溫度接近于蒸汽飽和溫度，但是進入傳熱惡化區(qū)后，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)急劇下降，管壁溫度急劇上升，造成注汽鍋爐管因過熱而燒壞，這種現(xiàn)象稱為沸騰傳熱惡化，具體包括第1類傳熱惡化和第2類傳熱惡化。

1)第1類傳熱惡化 第1類傳熱惡化發(fā)生在受熱面熱負荷很高時的欠熱區(qū)和含汽率較低的區(qū)域。由于汽化核心密集，在管壁上形成連續(xù)的汽膜而將水和受熱面隔離開來，使管壁得不到液體的冷卻，放熱系數(shù)顯著下降，即由核態(tài)沸騰直接轉(zhuǎn)入膜態(tài)沸騰。由經(jīng)驗公式［3］可以計算出發(fā)生第1類傳熱惡化時的臨界熱負荷。以油田常用移動式注汽鍋爐為例，計算其臨界熱負荷值，相關(guān)鍋爐參數(shù)如下：額定蒸發(fā)量為11.2t/h；額定蒸汽壓力為21MPa；額定蒸汽溫度為370℃。注汽鍋爐管規(guī)格為?73×11。經(jīng)計算，蒸汽干度在0%～40%時臨界熱負荷值如表1所示。

表1 臨界熱負荷值

由表1可知，臨界熱負荷隨蒸汽干度的增加而降低。當(dāng)蒸汽干度達到40%時，其臨界熱負荷約為218.1kW/m2。注汽鍋爐運行中若熱負荷超過該值，則極容易發(fā)生第1類傳熱惡化，管壁溫度突然上升，變化很大，導(dǎo)致注汽鍋爐管發(fā)生爆管。

2)第2類傳熱惡化 第2類傳熱惡化發(fā)生在熱負荷比第1類傳熱惡化較低、質(zhì)量含汽率較高的環(huán)狀流動區(qū)，該處的水膜很薄，由于注汽鍋爐管中心汽流將水膜撕破或因蒸發(fā)使水膜部分或全部消失，此時管壁直接與蒸汽接觸而得不到液體冷卻，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)顯著下降，這種現(xiàn)象稱為第2類傳熱惡化。研究表明［4］，一般直流鍋爐在工作條件下，當(dāng)蒸汽干度超過10%～12%時即可進入環(huán)狀流動區(qū)域，而現(xiàn)場油田注汽鍋爐蒸汽干度一般在75%左右，因此較容易發(fā)生第2類傳熱惡化。出現(xiàn)這類傳熱惡化時壁溫的增值較第一類傳熱惡化時小，其速度變化也較慢，但當(dāng)管壁溫度超過允許極限值時也會使注汽鍋爐管燒損。

此外，燃燒調(diào)整不當(dāng)時，燃燒器火焰發(fā)生偏離，會使?fàn)t膛燃燒發(fā)生在水冷壁附近，或與受熱面產(chǎn)生“貼邊”現(xiàn)象，導(dǎo)致火焰直接燃燒爐管。若霧化油滴粘附在管壁上，則會在水冷壁上形成二次燃燒，使水冷壁發(fā)生超溫爆管。

2.2管內(nèi)壁發(fā)生積鹽、結(jié)垢

目前，國內(nèi)外注汽鍋爐的水處理絕大多數(shù)采用只去除水中硬度、不去除鹽類的軟化方法。為保證受熱面安全，在輻射段內(nèi)一般產(chǎn)生干度為70%～80%的濕飽和蒸汽，利用其中20%～30%的飽和水來溶解水處理時未去除的鹽類。注汽鍋爐在運行中一旦蒸汽干度超過80%，則極不容易控制蒸汽干度，導(dǎo)致飽和水含量急劇下降，而蒸汽帶鹽的能力很差，因而鹽類會在輻射段管束的管壁上逐漸積累而產(chǎn)生積鹽現(xiàn)象。此外，鍋爐經(jīng)長期運行后在管壁上形成水垢，由于水垢導(dǎo)熱性能很差，其導(dǎo)熱系數(shù)很小，要比鋼材導(dǎo)熱系數(shù)小幾十倍至數(shù)百倍，因而熱阻很大，具有顯著的隔熱作用。在經(jīng)過同樣熱流密度和管內(nèi)蒸汽溫度時，受熱面金屬壁的溫度會大大升高，以致過熱，引起金屬強度降低。在管內(nèi)壓力作用下，會造成注汽鍋爐管局部變形、鼓包甚至爆管。

2.3管壁發(fā)生腐蝕

由于注汽鍋爐管長期在高溫高壓蒸汽條件下工作，會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，使管壁逐漸變薄，這種現(xiàn)象稱為管壁腐蝕，包括氣體腐蝕、垢下腐蝕和疲勞腐蝕3種情形［4］。

1)氣體腐蝕 如果鍋爐給水時除氧不徹底，就會含有O2、CO2等氣體，這些氣體均會引起金屬腐蝕。

2)垢下腐蝕 當(dāng)注汽鍋爐管表面產(chǎn)生水垢時，會產(chǎn)生垢下腐蝕。由于水垢所在處的金屬溫度較高，當(dāng)鍋爐水滲透到水垢下面時，其中雜質(zhì)可以腐蝕金屬而產(chǎn)生腐蝕坑，最終導(dǎo)致注汽鍋爐管發(fā)生鼓包甚至爆管。

3)疲勞腐蝕 汽鍋爐管金屬在鍋爐水作用下經(jīng)常受到方向和大小不一的應(yīng)力作用時會產(chǎn)生疲勞腐蝕。由于注汽鍋爐的輻射段管束為水平蛇形往復(fù)管結(jié)構(gòu)，當(dāng)負荷較低時易發(fā)生汽水分層，此時注汽鍋爐管會受到交變的熱應(yīng)力作用而產(chǎn)生疲勞腐蝕。

2.4管內(nèi)產(chǎn)生汽水分層

油田注汽鍋爐采用臥式直流結(jié)構(gòu)形式，輻射段管束為水平蛇形往復(fù)布置，汽水混合物在該水平管中流動時，受汽水密度差的作用，液態(tài)水傾向于在水平管下部流動，蒸汽傾向于在水平管上部流動，嚴重時會出現(xiàn)清晰的分界面，從而產(chǎn)生汽水分層。當(dāng)發(fā)生汽水分層時，由于水面的波動，水面附近的管壁交替地與蒸汽和水接觸，使管壁溫度不斷發(fā)生變化，最終導(dǎo)致注汽鍋爐管產(chǎn)生疲勞而損壞。

3 預(yù)防注汽鍋爐爆管的措施

3.1采取合適的蒸汽質(zhì)量流速

為避免發(fā)生沸騰傳熱惡化，應(yīng)提高蒸汽的質(zhì)量流速，提高沸騰放熱系數(shù)，以保證受熱面得到足夠的冷卻，使管壁溫度控制在材料所允許的工作范圍內(nèi)。與此同時，不能使蒸汽質(zhì)量流速過大，否則鍋爐的阻力增大，增加了泵能量的消耗。因此，應(yīng)綜合考慮兩者的影響，采取合理的蒸汽質(zhì)量流速來保證注汽鍋爐的正常運行。

3.2采用內(nèi)螺紋管或加裝擾流子

對于熱負荷較高的輻射受熱面，可考慮采用內(nèi)螺紋管或加裝擾流子以增加流體的擾動，推遲膜態(tài)沸騰的發(fā)生，使管壁溫度降低。

3.3高干度區(qū)采用高強度合金管

由于注汽鍋爐輻射段管束的水平蛇形往復(fù)結(jié)構(gòu)，蒸汽在其中流動時總是循環(huán)地經(jīng)過火焰溫度最高的中心區(qū)，尤其在汽化點以后，輻射段管束內(nèi)開始產(chǎn)生蒸汽，其干度一般達到70%～80%，該高干度區(qū)經(jīng)過火焰中心時，容易引起管壁過熱超溫，因而可以在高干度區(qū)采用高強度合金管。

3.4調(diào)整燃燒器運行狀態(tài)

注汽鍋爐運行時要調(diào)整好燃燒器火焰的中心位置，避免火焰直接接觸水冷壁，同時要防止霧化油滴粘附在管壁上造成二次燃燒。

3.5加強水質(zhì)及干度監(jiān)測

嚴格控制注汽鍋爐的給水水質(zhì)指標(biāo)，加強監(jiān)測蒸汽干度，防止鍋爐長期在蒸汽干度超過80%的情況下運行，避免輻射受熱面的積鹽。

3.6減少管壁腐蝕

采用熱力除氧和化學(xué)除氧等方式除去水中溶解的氣體，避免發(fā)生氣體腐蝕。定期對爐管進行除垢，防止?fàn)t管的垢下腐蝕，可采用化學(xué)除垢的方式進行除垢，包括酸洗和堿煮等方法。為避免發(fā)生疲勞腐蝕，應(yīng)從消除熱應(yīng)力方面著手，即避免輻射段管束產(chǎn)生汽水分層現(xiàn)象。

4 結(jié) 語

注汽鍋爐是稠油開采的關(guān)鍵設(shè)備，其安全運行為油田稠油開采提供了保障。在注汽鍋爐的實際運行中，要嚴格遵守操作規(guī)程，以減少爆管現(xiàn)象的發(fā)生，延長鍋爐的使用壽命，實現(xiàn)稠油長期穩(wěn)定的開采。

［1］劉繼和，孫素鳳.注汽鍋爐［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［2］西安交通大學(xué)《直流鍋爐》編寫組.直流鍋爐［M］.北京：水利電力出版社，1977.

［3］清華大學(xué)熱能工程系熱能工程教研室.鍋爐原理及計算［M］.北京：科學(xué)出版社，1987.

［4］胡蔭平.電站鍋爐手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.031

TE357.44

A

1673-1409(2012)07-N094-02

2012-04-25

周英(1970-)，女，2004年大學(xué)畢業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事油田注汽鍋爐方面的研究工作。

［編輯］ 李啟棟