延長(zhǎng)濕熱箱加濕鍋爐中加熱管使用壽命的研究

李建剛，江傳華，萬先鋒

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，武漢 430079）

引言

濕熱試驗(yàn)是產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)鑒定項(xiàng)目中非常重要的一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目。進(jìn)行濕熱試驗(yàn)的常用設(shè)備是恒定（交變）濕熱箱，其主要工作原理是采用鍋爐加濕方式，利用鍋爐里的電熱管加熱而產(chǎn)生水蒸汽，通過風(fēng)機(jī)將水蒸汽吹進(jìn)試驗(yàn)箱內(nèi)，在PLC控制下，將水蒸汽量、加熱量和制冷量動(dòng)態(tài)平衡，達(dá)到控制試驗(yàn)箱的溫度濕度。因此，加濕鍋爐是濕熱度箱使用可靠性的重要影響因素，而鍋爐的核心元件是加熱管，經(jīng)常出現(xiàn)因?yàn)殄仩t加熱管使用壽命問題影響濕熱箱試驗(yàn)的可靠性的情況。

1 影響鍋爐加熱管壽命的原因及其危害

由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、熱效率高、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，加熱管在濕熱試驗(yàn)設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，通常情況下，加熱管的正常使用壽命一般在5000小時(shí)，影響其使用壽命的主要因素包括：

1）鍋爐中供水不足導(dǎo)致的加熱管干燒；

2）加熱管壁水垢形成后熱傳遞不均勻?qū)е录訜峁芷茡p；

3）水垢不斷累積在鍋爐底部，不僅容易堵塞了進(jìn)水，而且還淹沒了加熱管導(dǎo)致干燒或破損；

4）加熱管本身的制造質(zhì)量。

上述因素中，鍋爐中供水不足導(dǎo)致的加熱管干燒防范起來比較容易，通常為補(bǔ)水控制系統(tǒng)故障所致，在每次試驗(yàn)前進(jìn)行檢查供水正常狀態(tài)即可有效的預(yù)防，此外，濕熱試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)有兩級(jí)保護(hù)，缺水后有水位開關(guān)電氣報(bào)警系統(tǒng)，如果報(bào)警系統(tǒng)故障失靈，當(dāng)加熱器干燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度的上升，當(dāng)溫升超過110℃，還有防干燒溫度保護(hù)器裝置報(bào)警保護(hù)。所以，一般鍋爐中供水不足導(dǎo)致加熱管損壞的故障概率較小。

根據(jù)多年工程經(jīng)驗(yàn)，加熱管使用中水垢形成后熱傳遞不均勻從而導(dǎo)致加熱管破損現(xiàn)象是減少加熱管的主導(dǎo)因素。其危害性主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1）增加熱損失和功率消耗，水垢的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬低得多，水垢的熱阻是鋼鐵的50～100倍，是黃銅的100～200倍，是鋁、銅的300～400倍，通常工業(yè)鍋爐每結(jié)1毫米的厚水垢，其熱效率要降低5%；

2）降低受熱面的金屬強(qiáng)度鋼材的機(jī)械強(qiáng)度隨溫度升高而降低，因此當(dāng)加熱管表面結(jié)有導(dǎo)熱性差的水垢時(shí)，易造成鋼材的局部過熱、變形、龜裂甚至爆炸；

3）由于厚水垢的產(chǎn)生降低了熱交換系統(tǒng)效率，同時(shí)使得傳熱效率顯著下降；

4）加熱管的破損會(huì)導(dǎo)致加熱絲裸露于水中，當(dāng)接通電源時(shí)，設(shè)備漏電嚴(yán)重威脅技術(shù)人員的人身安全，極大影響企業(yè)安全生產(chǎn)任務(wù)。

2 減少水垢對(duì)濕熱箱的加濕鍋爐壽命的影響

預(yù)防水垢的產(chǎn)生是提升加熱管使用壽命的關(guān)鍵，水垢根據(jù)其形成 原因和成形狀態(tài)的不同大致可分為硬垢和軟垢兩種。當(dāng)水中含有碳酸氫鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物等膠體、細(xì)菌和有機(jī)物等雜質(zhì)時(shí)，碳酸鹽類似于水泥沙漿中的沙石，而膠體、細(xì)菌和有機(jī)物等則相當(dāng)于水泥沙漿中的水泥，當(dāng)水中膠體、細(xì)菌和有機(jī)物等粘性物質(zhì)和碳酸鹽共同作用，在高溫煮沸條件下生成難溶的碳酸鈣：

在堿性條件下，碳酸氫鈣會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)生成碳酸鈣：

水中還溶解有一定數(shù)量的硫酸鈣；硅酸鈣等其他無機(jī)鹽類，隨著水的蒸發(fā)，它們?cè)谒袧舛燃哟?，?dāng)其濃度超過溶解度之后也會(huì)生成沉淀，并沉積在傳熱 表面上形成了和容器（或管道表面）粘附在一起的硬垢。而一旦膠體、細(xì)菌和有機(jī)物等粘性物質(zhì)被去除（如通過超濾濾除）后，即使水中鈣、鎂離子和碳酸根離子濃度很高，也只能生成潔白而松散的容易去除的碳酸鈣軟垢，而不會(huì)產(chǎn)生硬垢。

目前，設(shè)備濕熱箱的加濕鍋爐的進(jìn)水都配有水處理裝置，能夠達(dá)到較好軟化水目的，主要方式裝置有離子交換樹脂軟化水，當(dāng)水通過裝有鈉型強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂時(shí)，水中的Ca2+、Mg2+(形成水垢的主要成份)將被樹脂中的鈉離子置換下來，隨著樹脂內(nèi)Ca2+、Mg2+的增加，樹脂去除Ca2+、Mg2+的效能逐漸降低，使水的鈣鎂離子濃度降低到0.015mmol/L以下，自來水中的鈣鎂離子濃度大約是0.5mmol/L，可見經(jīng)過水處理裝置處理過得水中鈣鎂離子濃度降低了97%，降低了水垢的形成條件，提高了濕熱箱的加熱管的使用壽命。

3 清洗濕熱箱的加濕鍋爐提升使用壽命

在鍋爐進(jìn)水前加強(qiáng)水處理裝置雖然能夠較好改善了水結(jié)垢因素，但并不能完全實(shí)現(xiàn)加熱管不結(jié)垢，水中的鈣鎂離子濃度降仍有0.015mmol/L。所以，在濕熱試驗(yàn)時(shí)仍然有水垢因素導(dǎo)致加熱管被燒壞的事件，影響環(huán)境試驗(yàn)中的試驗(yàn)進(jìn)度和安全因素。目前，各廠家使用的加濕鍋爐的主流構(gòu)造如圖1所示。

圖1 加濕鍋爐的構(gòu)造

其工作原理是：加濕時(shí)，補(bǔ)水經(jīng)過進(jìn)水管，通過水位控制器控制電磁閥打開/關(guān)閉供水至鍋爐內(nèi)規(guī)定的水位高度，加熱管開始工作，加熱水沸騰為水蒸汽，在試驗(yàn)箱內(nèi)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)循環(huán)將水蒸汽經(jīng)過蒸汽輸入口進(jìn)入箱體。

在維修、維護(hù)、保養(yǎng)中存在如下問題：

1）進(jìn)水和排水管路共用一個(gè)通道，而且進(jìn)水的管徑一般約為Φ15mm，當(dāng)鍋爐中加熱管上產(chǎn)生水垢脫落后沉積在底部，堵塞了進(jìn)水/排水孔，導(dǎo)致供水不正常產(chǎn)生加熱管干燒。

2）三組加熱管固定在蒸汽輸出口上端蓋面板上，端蓋面板通過緊固螺釘固定密封于鍋爐上，當(dāng)一組加熱管損壞時(shí)維修，需要整體將蒸汽輸出口上端蓋面板一起拆卸下來更換，安裝時(shí)存在蒸汽輸出口上端蓋面板與鍋爐的密封，因?yàn)槭锹葆敼潭?，端面容易變形，因此，在緊固螺釘安裝好后，還需要加涂硅膠加強(qiáng)密封，而硅膠密封后干燥需要較長(zhǎng)時(shí)間。否則，在蒸汽壓力下容易泄露，使得加濕能力達(dá)不到。所以，導(dǎo)致安裝工藝繁瑣和周期時(shí)間長(zhǎng)，一般需要1～2天。

3）在維護(hù)保養(yǎng)中，因?yàn)樗覆蝗菀讖倪M(jìn)水/排水孔中排出，清洗鍋爐中水垢也需要上述兩條的流程，效率非常低下。

4）加熱管的結(jié)構(gòu)為環(huán)繞盤旋式，導(dǎo)致粘連附著在加熱管上得水垢也不易清理干凈，特別是在加熱管內(nèi)壁的管間。

因此，做好鍋爐內(nèi)部的維護(hù)保養(yǎng)，及時(shí)去除鍋爐中的殘余水垢，可以有效的延長(zhǎng)加熱管的使用壽命。

4 改進(jìn)加濕鍋爐提升使用效率

鑒于用戶對(duì)鍋爐的維護(hù)保養(yǎng)難度較大，對(duì)鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化能夠有效的解決該問題，優(yōu)化后的鍋爐結(jié)構(gòu)如圖2所示。

經(jīng)過優(yōu)化的鍋爐對(duì)于使用、維修和維護(hù)保養(yǎng)，主要優(yōu)點(diǎn)有：

1）在底部的進(jìn)水與排水分開，進(jìn)水孔高于鍋爐底部25毫米較為合適，即使有水垢產(chǎn)生，也會(huì)先沉積在鍋爐底部堵塞排水，不會(huì)造成進(jìn)水通道堵塞。

2）鍋爐加熱管安裝采用單個(gè)法蘭盤模式，即每個(gè)法蘭盤對(duì)應(yīng)一個(gè)加熱管，如果燒壞了一個(gè)更換一個(gè)，法蘭盤結(jié)構(gòu)的密封性好，因此更換方便快捷，更換時(shí)間不超過1小時(shí)。

3）排水孔采用法蘭盤式過渡連接，法蘭盤為Φ100毫米，手可以在打開法蘭盤后進(jìn)入鍋爐內(nèi)部維護(hù)清洗，在鍋爐的側(cè)面補(bǔ)水處加水清洗鍋爐內(nèi)水垢，很方便快捷將水垢清洗干凈，清洗時(shí)間不超過0.5小時(shí)。

目前使用的濕熱箱鍋爐改造后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

使用結(jié)果表明，鍋爐加熱管維修，鍋爐內(nèi)的水垢清洗，更加方便快捷，確保了鍋爐加熱管使用環(huán)境，其工作效率也提高了至少25倍，較好的延長(zhǎng)了濕熱箱加濕鍋爐中加熱管的使用壽命，提高濕熱箱設(shè)備的使用可靠性。

圖2 優(yōu)化后的鍋爐結(jié)構(gòu)圖

圖3 濕熱箱鍋爐改造后的結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

本文通過分析鍋爐加熱管壽命影響因素，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提出一種有效的改進(jìn)方案，并在環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的多臺(tái)濕熱試驗(yàn)箱進(jìn)行了改造與應(yīng)用。使用結(jié)果表明：

1）采用較好的離子交換樹脂軟化水水處理裝置，使鈣鎂離子含量減少了97%，降低了水垢生成的條件。除垢清洗維護(hù)周期由一個(gè)月一次降低到半年一次，而且水垢堆積物還更少，不僅提升了加熱管的效率，而且還降低了維修保養(yǎng)成本；

2）采用加濕鍋爐的改進(jìn)方法，改造后的加濕鍋爐維修保養(yǎng)更方便快捷，其效率也提高了至少25倍，更好的保證了加熱管的使用壽命也會(huì)達(dá)到預(yù)期壽命，提高了濕熱試驗(yàn)箱設(shè)備的使用可靠性。

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