對WNS熱水鍋爐泄漏檢驗的啟示

【摘要】在對WNS熱水爐的檢驗中，可以規(guī)納一個共同的特點，即泄漏總是發(fā)生在一個特定的區(qū)域：臥式內(nèi)燃三回程下位爐膽燃氣熱水爐管板孔橋開裂，煙管裂紋總是發(fā)生在內(nèi)前管板兩側(cè)45°方位居中位置。這種特定的部位顯然是與設(shè)計結(jié)構(gòu)有關(guān)，雖然在裂紋處附有很多的水垢或沉積泥沙等污垢，依然可以表明是結(jié)構(gòu)造成的。

【關(guān)鍵詞】熱水爐檢驗；臥式內(nèi)燃；管板開裂

1、下面分幾個方面來陳述熱水爐的特點

1.1 熱水鍋爐爐水是單工質(zhì)，爐水不沸騰運行時只有顯熱的變化沒有潛熱存在，是不飽和爐水。用熱水采暖是熱水重量比熱，比蒸汽比熱大得多，系統(tǒng)蓄熱能力強，供暖安全平穩(wěn)舒適。

1.2 熱水鍋爐爐水自然循環(huán)壓頭，來自爐水溫差而產(chǎn)生的密度差，由于載帶的只是顯熱與同樣熱功率的蒸汽爐相比工質(zhì)循環(huán)流量要大20多倍，因此自然循環(huán)壓頭很小，因要保證經(jīng)濟流速在2m/s右左，進出水管徑要比蒸汽爐大許多。

1.3 由于爐水不蒸發(fā)濃縮因此水質(zhì)可略低于蒸汽爐，但運行中要減少失水，控制補水硬度并定期排污。

1.4 熱水爐運行時要防止汽化，出水溫度低于運行壓力下相對應(yīng)飽和溫度20℃以上，以保障運行安全。

2、臥式內(nèi)燃鍋殼式熱水爐的爐膽位置

對爐膽面言，不論是蒸汽爐，還是熱水爐，不管爐膽布設(shè)在什么位置，都是浸沒在爐水中的輻射受熱面。其單位面積的吸熱率他很高，爐膽外表面有水層附著輻射換熱使?fàn)t膽金屬溫度只比爐水高出約50℃，這是由于膽壁金屬導(dǎo)熱熱阻很小，大部分溫差都用在克服膽內(nèi)壁金屬氧化層、灰垢，甚至還有積碳的熱阻上。爐膽金屬溫度與附著表面爐水溫差也是爐膽金屬的儲蓄熱。由于爐膽的強烈輻射換熱，在爐膽外表面附著的水層內(nèi)部產(chǎn)生大量小汽泡，小汽泡聚集成汽膜，依靠浮力脫離受熱壁面，向上升溢出蒸汽，同時帶動小汽泡四周貼附的水層升浮與進行熱交換，小汽泡與其四周的爐水構(gòu)成汽水混合物密度減小而遠離爐膽壁的爐水受熱差，水溫低密度大，則爐水與汽水混合物兩者密度差與到頂高度H的乘積即自然循環(huán)壓頭△P=H△r（式中△r 為由密度差△P 形成的重度差）在流動壓頭△P的推動下，爐水不斷地進行自然循環(huán)，這也表明熱水爐的自然循環(huán)的流動壓頭的強弱與爐膽的位置有關(guān)。

2.1 爐膽在下位。爐膽在下位的臥式內(nèi)燃三回程熱水爐，其上有二回程管束，雖然二回程煙管也能產(chǎn)生自然循環(huán)推動壓頭△P但管內(nèi)煙溫已降低其外部爐水已有下位爐膽加熱，兩者溫差減小，換熱量Q=αF△t也很小，所以煙管的自然循環(huán)壓頭△P很小。在爐膽上部的二回程煙管束層疊布設(shè)，上層管束對下層管束產(chǎn)生的向上浮升流動壓頭形成阻礙，、整個二回程管束也阻礙了下位爐膽向上的浮升推動壓頭，這樣下位爐膽熱水爐，一定高度的自然循環(huán)流動壓頭△P是沿高度方向由下向上遞減，爐膽雖然有很強勁的向上推動壓頭，但在上浮時遇到上面煙管束阻攔和四周過冷爐水的包圍與換熱而削弱。在內(nèi)前管板處就會形成高熱負荷低流速。這是產(chǎn)生局部過冷沸騰的必備條件，也使內(nèi)前管板過熱的必然結(jié)果。

2.2 爐膽在上位。上位爐膽在一定高度下的自然循環(huán)推動壓頭△P是沿高度方向從下到上是由小到大逐漸遞增，水溫度也是由下到上逐步提高，是順應(yīng)著自然循環(huán)的流動方向，壓頭和水溫的遞增是與自然循環(huán)路線相伴而行。這樣可以減少或避免在內(nèi)前管板區(qū)域過冷沸騰的發(fā)生。適用于熱水鍋爐。

3、熱水爐的運行工況分析

熱水爐屬于大容器低流換熱設(shè)備，爐水不沸騰加熱只是提高或改變爐水的顯熱，只是改變爐水的蓄熱能力僅是緊貼加熱表面很薄的一層爐水溫度才有明顯升高。并產(chǎn)生小汽泡，其他區(qū)域的爐水尚末達到飽和溫度仍然是欠熱爐水。

這種局部汽化還會因流速過低而形成汽膜，使?fàn)t水中的鹽類被加熱蒸濃而產(chǎn)生水垢，使受熱面壁溫因垢熱阻增大，升溫過熱的惡性循環(huán)，因為汽膜的導(dǎo)熱系數(shù)很小λ汽=0.025千卡/米.時℃，爐水導(dǎo)熱系數(shù)λ水=0.5千卡/米.時℃兩者相差20倍這也是過冷沸騰的必然后果，這也說明過冷沸騰只能發(fā)生在低流速高熱負荷自然循環(huán)不良的區(qū)域中。臥式內(nèi)燃鍋殼式熱水鍋爐，下位爐膽不管是強制循環(huán)還是自然循環(huán)都很難保證前后管板內(nèi)側(cè)附近的個別區(qū)域不存在呆滯區(qū)，過低的流速過高的熱負荷而形成過冷沸騰。如加大二回程管束的管孔帶將有利于水循環(huán)，減少發(fā)生管橋開裂的可能性。可防止因排管過密出現(xiàn)水循環(huán)呆滯而引發(fā)汽膜的存在。熱水爐運行特點是間斷啟停，反復(fù)承受升溫、降溫的頻繁變化，使這些區(qū)域產(chǎn)生熱疲勞，同時缺乏對水質(zhì)的行重視等，最終導(dǎo)致內(nèi)前管板45°區(qū)域管裂紋管孔帶開裂。

4、防止轉(zhuǎn)煙室內(nèi)前管板高溫區(qū)開裂的措施

要防止管板高溫區(qū)開裂紋，就要設(shè)法消除轉(zhuǎn)煙室內(nèi)前管板的呆滯區(qū)，使該區(qū)域的水處于較好地流動循環(huán)，促使附著的汽膜不能生成或使汽膜發(fā)生浮升移動，只有運動才能驅(qū)逐汽膜，只有流動才能使被汽膜附著的受熱面得到冷卻。

4.1 自然循環(huán)的規(guī)律。鍋殼式熱水爐是軸對稱結(jié)構(gòu)。爐水自然循環(huán)路線也是左右對稱的，中間因受熱向上浮升，如遇到阻礙仍繞行向上，而煙管與鍋殼之間區(qū)域水溫較低，又遠離爐膽中心，因此水循環(huán)方向總是沿鍋殼內(nèi)壁向下流動。水循環(huán)的強弱程度取決于循環(huán)路線的高度，溫度與受阻情況及上行與下行之間的密度差，防止管板開裂就要順從爐水自然循環(huán)的規(guī)律，按自然循環(huán)的路線提高循環(huán)流速，減少流動阻力而提升流動壓頭，從故障成因中尋找對策。

4.2 內(nèi)前管板開裂的提示。在內(nèi)前管板高溫區(qū)發(fā)生過冷沸騰為濃縮蒸發(fā)局部爐水中的雜質(zhì)提供了條件。使重碳的酸鹽受熱分解成難溶的沉淀物、非碳酸鹽也隨溫度的升高而溶解降低，當(dāng)達到飽和濃度時析出結(jié)晶狀沉積物而附著在受熱面上成水垢，水垢導(dǎo)熱系數(shù)很小約為鋼導(dǎo)熱系數(shù)的1/50～1/80自然循環(huán)速度很低，熱負荷又很高，形成局部汽膜使難溶的鹽類達到濃度積，形成致密的硬垢使傳熱進一步惡化，也提示硬垢聚積處是熱強度較高處。疏松綿軟水垢結(jié)在流速溫度較低處。

4.3 為什么內(nèi)前管板開裂總是發(fā)生在兩側(cè)45°方位中的位置？

煙管、爐膽轉(zhuǎn)煙室都是浸沒在爐水的圓柱形受熱面均為水平放置，內(nèi)都有加熱源。在運行時其筒形外壁面都附著有小汽泡，緊貼壁向上浮升形成熱流。

5、下半周水側(cè)壁面

在小汽泡浮升流動過程中緊貼壁面繼續(xù)不斷受熱和汽泡浮動碰撞聚積孕育成大汽泡，提升了浮力，當(dāng)?shù)竭_水平中心線時升浮力達到最大值，上升速度最大，為高速邊緣流。而對單根煙管、煙管束也有關(guān)似情況。只是沒有爐膽、轉(zhuǎn)煙室那樣明顯。在受熱的過程中，爐水?dāng)y帶的鹽類被加熱蒸濃析出固體懸浮物也隨強勁邊緣流向上拋灑和重力分離。超過水平中心線后，依據(jù)慣性順勢垂直向上浮升。失去結(jié)構(gòu)約束也失去了熱量支持，即失去了浮升向上的動力源。（下轉(zhuǎn)第頁）

（上接第頁）在順勢向上垂直浮升的過程中要消失動能用于克服阻力，又遇到周邊較涼的爐水進行換熱，則很快將向上浮升的能量消耗殆盡而停止，即邊緣流過中心水平線后躍升一段即停，所攜帶的固體懸浮物隨即拋灑沉降。

6、上半周水側(cè)壁面

過水平中心線后進入轉(zhuǎn)煙室及爐膽的上半周的上拱形受熱面，在內(nèi)部都擁有熱流載體的圓筒截面中，由于下半周為凹面的幾何形狀，有能使熱量聚集聚交作用和熱流本身具有向上飄逸的性能。使上拱形的轉(zhuǎn)煙室和爐膽外壁面垂直中心線處和上拱形二回程管束的中心處形成強勁的中心熱流。中心熱流有足夠的上升浮力足以穿透二回程煙管束的阻礙，貫穿大于阻擋而直挺向上成為強勁的中心熱流。

7、在內(nèi)前管板與煙管的結(jié)合部

對于下位爐膽，在內(nèi)前管板與二回程煙管的結(jié)合部的水側(cè)，有爐膽邊緣流、爐膽中心流、轉(zhuǎn)煙室邊緣流和轉(zhuǎn)煙室中心流。還存在著二回程煙管束熱流但存在著下管束的熱流向上升浮受到上排管束的阻擋。使上升速度降低。

在煙側(cè)：轉(zhuǎn)煙室內(nèi)有900℃左右的高溫?zé)煔饬髟诮Y(jié)合部位被分配為煙管束熱流的結(jié)合面，在分配中由于處流通兩截面不等，發(fā)生部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，造成入管口的摩擦阻力和時滯，使內(nèi)前管板的為高熱負荷區(qū)。

8、如何改善下位爐膽熱水爐的自然循環(huán)

8.1 減少自然循環(huán)的流動阻力，二回程為順排列管

8.1.1 下位爐膽熱水鍋爐在二回程煙管束的中間不布設(shè)煙管，留足寬的通道，下窄上寬150/200直通爐膽的垂直空間通道。使中心流更為強勁。帶領(lǐng)引導(dǎo)45°方位附著的汽膜的升浮移動。

8.1.2 二回程45°方位處居中位置留出貫穿垂直空間的寬通道，二回程都為順排，其余垂直通道可稍窄于45°方位。以減小阻力增強流動。

8.2.1 將回水由爐前頂部避開拉撐后進入鍋筒垂直向下，到二回程煙管束上部，中分兩側(cè)沿二、三回程管束中間縫隙（相當(dāng)于轉(zhuǎn)煙室筒體外緣和內(nèi)前管板板邊自由呼吸段之間的空隙）下伸到二回程管束下瑞部以下約50mm處用管三通與水平的回水分配管相連（兩邊對稱），水平分配管由三通向前至前管板處約40mm，向后至內(nèi)前管板30mm處，封死兩端。在水平回水分配管上開均流孔φ10，在兩管端接一小管都針對45°方位管孔內(nèi)徑約20mm長度為可沿伸至45°方位的垂直向上方向，管端壓扁成10mm寬，控制流速為2m/s，均流孔φ10孔位傾向為有利于爐水自然循環(huán)即順勢推動方向不得沖刷受熱面壁。

8.2.2出水集水管為縫隙式，流速為1.5～2m/S，并略大于熱水引出管的管徑，兩端者死，縫隙的總截面積等于集水管截面積，向后伸到內(nèi)前管板邊緣上方，向前到回水管處，即利用出水吸引牽拉內(nèi)前板爐水的自然循環(huán)流動。即利用回水壓頭在水平分配管中由壓力頭 轉(zhuǎn)換成速度頭 促使呆滯區(qū)流動。從對熱水爐的檢驗中獲知內(nèi)前管析孔橋開裂，煙管開裂等與二回程煙管的布設(shè)有很大關(guān)系。開裂的管排列主要為齊拉勃排列或錯排。凡順排列垂直通道較寬大水循環(huán)均順暢，很少發(fā)現(xiàn)有水垢附著。這也說明了流動狀態(tài)較好，凡煙管端開裂主要是：一、管端伸出過長。二、末貼脹就焊或欠脹，泄漏點都會發(fā)現(xiàn)有水垢在窄縫中。所以WNS熱水爐要注意進出循環(huán)水的布設(shè)和二回程煙管的布設(shè)都要順應(yīng)爐水自然循環(huán)的規(guī)律。