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熱水鍋爐結垢爆管事故的原因分析與啟示

放大字體  縮小字體 發布日期:2013-01-28  瀏覽次數:65151
  本文通過一臺14MW熱水鍋爐因結垢而在運行中發生爆管事故的實例,分析鍋爐運行中水垢生成的機理,從而找出了鍋爐爆管的真實原因。在此基礎上,分析鍋爐運行管理的關鍵因素及產生的后果,提出建設性建議,提高和改善鍋爐的日常管理和運行管理,降低水質硬度和改善檢修質量,提高實際的鍋爐運行管理水平,預防鍋爐發生類似問題。 
  1、前言
  這臺QXS14-1.25/130/70-Q熱水鍋爐建于1998年,并在當年投入運行。該鍋爐采用雙燃燒器,上下布置。工藝流程采用直供方式,即,鍋爐的出水直接與用戶散熱器連接,散熱后,通過循環泵,回到鍋爐加熱。該鍋爐在每年冬季啟用。在2003年,進行系統改造時,與現有的SZS14-1.25/130/90-Q熱水鍋爐并聯運行,并將原來的直供方式改造為間接供暖,即鍋爐出水到換熱器,與用戶的采暖介質換熱后,通過一次網熱水循環泵回到鍋爐加熱。在2011年1月23日,QXS14-1.25/130/70-Q熱水鍋爐在運行中發生了爆管事故,導致鍋爐低壓保護停爐。經過核實,鍋爐的燃燒室與對流換熱區域的結合部,第二排第二列的爐管發生爆裂,爆管位置示意圖見圖1。爆裂口長40cm,最寬的位置,寬度達3cm,爆裂口部位的材質嚴重碳化,見圖2。  
  爆管事故發生后,為了及時恢復供暖,采取了局部封堵措施,切除爆裂的爐管,從鍋筒內直接封堵,對鍋爐進行水壓試驗,合格后投入使用,恢復供暖工作。
  2、爆管原因分析 
  發生爆管后,將發生了爆裂的爐管切除,對爐管進行分析,發現爆裂處上部的已經被水垢堵死,堵死位置位于爐管拐彎處,水垢為白色,經化驗分析,主要成分是CaCO3占69.4%、MgCO3占12%,Fe2O3占7.5%。由于爐管在上部高溫區域結垢,水循環不暢,在高溫作用下,爐管在輻射、對流兩種傳熱作用下,爐管內部的對流換熱被破壞,爐管過熱,在鍋爐壓力的作用下,發生了爆管。爐管結垢情況,如圖3。
  3、鍋爐結垢的原理 
  水中的Ca2+、Mg2+的濃度總和,稱為水的硬度。在鍋爐監察規程中明確規定,鍋爐的用水硬度≤0.03mmol/L。Ca2+、Mg2+以離子形態分布在水中;即使進行了軟化處理的水,水中仍有部分硫酸根離子、碳酸氫根離子。由于碳酸氫根離子在水中始終在進行離解,即: 
  HCO3-←→H++CO32-(1) 
  盡管這個過程中,離解很微弱,但由于有(2)、(3)反應的作用,離解加強。那么,在鍋爐運行中,總有生成不溶物質的條件: 
  Ca2++CO32-→CaCO3↓(2) 
  Mg2++CO32-→MgCO3↓(3) 
  在反應式(1)中,在加熱條件下,水中的碳酸氫根離解加劇,反應式(1)朝著右邊的速度大于朝著左邊的速度,CO32-離子濃度增加,促使反應式(2)、(3)的反應速度加快,也就是在鍋爐運行中,高溫部位的管線內結垢必然發生。 
  對于這臺鍋爐,自身容水量約為30m3,管道與換熱器容水量約為40m3,合計容水約70m3,額定循環流量為200m3/h,鍋爐補水率為鍋爐循環流量的1%,實際補水率為鍋爐循環流量的5‰,按照實際補水率計算,鍋爐在冬季供暖,運行時間為120天,那么,實際補水量為V: 
  V=200m3/h×5‰×24h/d×120d=2880m3(4) 
  那么,從鍋爐注水升壓到鍋爐供暖結束停止運行,共計注入鍋爐的軟化水為2950m3。 
  Mg2+的原子量為24,Ca2+的原子量為40,根據水質化驗結果,Mg2+硬度占2%,Ca2+硬度占98%,以此計算,在一個供暖周期中,可結垢的量為: 
  2950m3×0.03mmol/L×1000L/m3=88.5mol 
  Mg2+的量為88.5mol×2%=1.77mol 
  Ca2+的量為88.5mol×98%=86.73mol 
  這兩種離子,按照最終都生成CaCO3、MgCO3沉淀物而結成水垢,以簡化計算而同時說明鍋爐結垢的問題。  
  CaCO3的分子量為100,MgCO3的分子量為84,因此,最終,以完全結垢的情況,理論結垢的數量為: 
  CaCO3水垢為100×86.73mol=8673g=8.673kg 
  MgCO3水垢為84×1.77mol=148.68g=0.149kg 
  盡管鍋爐的補水水質完全符合鍋爐監察規程的要求,但,軟化水中在達標之后,仍然有殘余硬度,鍋爐運行中,補充到系統的水在持續不斷的循環,殘余硬度最終都會在鍋爐高溫部位結垢。從計算的結果分析,這一個供暖周期中,可結垢的數量達到8.8kg,對于局部高溫的爐管,這個數量已經構成威脅。 
  在管網狀況較差的情況下,系統補水率將會上升,補水量的增加,必然導致水垢數量增加,對鍋爐的危害隨之增加。 
  這臺熱水鍋爐,由于從1998年投用以來,由于其內部流程的特殊性,在鍋爐內部設計了三段流程,通過隔板,在鍋筒內分段,將水冷壁管分成三部分,形成串聯流程,加長了換熱流程,延長了換熱時間,有效的提高鍋爐的提升溫度的能力。也正是這個原因,隔板的阻隔,日常管理中很難發現各爐管的實際情況,因此,在每次的年度檢驗中,也難于發現存在的問題,每次檢驗、檢修中,可視部分的爐管狀況都很好;而高溫部分的爐管難于檢查和檢修;使用12年中,一直都沒有進行過化學清洗,多年的積垢,在常年的運行后,最終以堵塞爐管而發生事故。
  4、鍋爐運行管理的啟示 
  鍋爐作為工業生產的一種特種設備,有很全面的規范和制度,原因很簡單,發生危險,產生的后果相當嚴重.加強管理,保證安全生產,是企業必須做好的工作。為預防再發生類似爆管事故,結合多年的運行管理,分析和總結這起爆管事故,我們體會出一些啟示,供鍋爐的運行管理參考。 
  (1)運行中的管理,應嚴格執行操作規程。鍋爐的操作規程明確了鍋爐運行操作的具體程序,是鍋爐安全運行的基本保障。操作行為滿足規程的要求,鍋爐運行符合自身的運行規律,就能安全運行。
  (2)切實加強鍋爐的水質管理,確保鍋爐用水符合水質要求。這里有個誤區,就是認為鍋爐水質合格就不會發生鍋爐結垢的問題。經過上述的計算,盡管鍋爐的用水硬度≤0.03mmol/L,但這里仍然存在殘余硬度,在鍋爐運行中,就會以水垢形式,在爐管中積聚。在這臺鍋爐爆管事故發生后,我們對鍋爐爐水進行化驗,硬度沒有超標。我們日常管理中,有專人負責鍋爐水質的化驗,做到每班一次化驗,技術員定期抽檢,都符合要求。但最終結果還是發生了問題。因此,在鍋爐水質管理中,應盡可能降低鍋爐用水的硬度,減少殘余硬度,從而降低對鍋爐的危害。 
  (3)加強鍋爐年度檢修工作。熱水供暖鍋爐在運行一個供暖周期后,要執行年度檢修工作。檢修工作對于鍋爐后續的運行,相當關鍵。除了通過檢修,確保鍋爐所有部件完好、性能達到要求外,還需要重點對鍋爐爐管進行疏通,確認每根爐管都暢通無阻,以保證循環暢通,同時,這還可以清除管內部分疏松積聚物。 
  (4)針對鍋爐自身的結構特點,應采取相應的措施,確認鍋爐的狀態。這臺14MW熱水鍋爐,由于其自身的結構特點,采用鋼板制作的隔板,將鍋爐內部流程分隔成三段串聯流程,由于隔板采用了焊接密閉,導致檢修的難度增加,沒有定期切割隔板,進行爐管疏導,日積月累,一直運行下來,水垢逐年增厚,最終完全堵死了爐管,發生了爐管爆裂的事故。針對這種特定的鍋爐結構,要下決心定期切割隔板,進行爐管的檢查、疏通等維護工作,確保完好狀態,為安全運行奠定基礎。 
  (5)按照鍋爐監察規程的要求,做好每年的年度檢驗。這個年度檢驗應由有資質的單位或機構進行,確認鍋爐的狀況是否符合安全運行的條件,并有檢驗報告。盡管這臺14MW熱水鍋爐進行了鍋爐年度檢驗,然而,畢竟年度檢驗屬于常規檢驗,雖對鍋爐本體的受壓元件的完好狀況、內部腐蝕情況、水冷壁管、對流管束、爐墻等進行了全面檢查,但水垢的情況,往往難于判斷。盡管如此,這樣的檢驗也可以很好地杜絕有缺陷的鍋爐投入使用,避免事故發生。 
  (6)定期進行鍋爐化學清洗。這臺14MW的熱水鍋爐,運行10余年,沒有進行清洗,原因很簡單,在每年的鍋爐檢修和鍋爐檢驗時,可視部分的爐管(對流管、水冷壁管)的管口都沒有發現有積垢、結垢,很光潔,因此,沒有采取化學清洗。前面分析了鍋爐結垢比較嚴重的區域往往在鍋爐高溫區域,這部分爐管卻不能通過常規的手段進行判斷。目前雖有先進的窺鏡,但在實際的運行管理中,生產單位配置這樣設備非常少。那么,采取定期清洗的措施,能夠有效地減少鍋爐爐管內的積垢,避免類似事故發生。 
  (7)加強鍋爐高溫部位的防護。這臺14MW熱水鍋爐,在燃燒室尾部與對流換熱的結合區,是爐膛溫度的檢測點,即這個位置的溫度最高。同時,也是進入對流換熱的開始。因此,鍋爐運行中,這個部位的輻射傳熱與對流傳熱都很強,從這起事故的結果看,說明了這個問題。在鍋爐安裝或檢修過程中,需要特別關注這一點,可以采用耐高溫材料對這部分爐管進行適當保溫處理,降低爐管受熱強度,減緩結垢速度,這對于預防類似事故有積極的作用。
  5、結束語 
  鍋爐安全運行是鍋爐管理的目標之一,注重鍋爐的細節管理、執行規范,是基本要求。在實際運行管理中,結合不同類型的鍋爐的自身的管理需要,應采取相應對策,這是保證鍋爐安全運行的重要手段。通過幾年的鍋爐運行管理實踐,結合這臺14MW熱水鍋爐發生的爆管事故實例,總結出幾點啟示,希望對鍋爐運行管理和預防可能發生的問題起到一定的幫助作用。
 
 
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