受熱管

受熱管廣泛存在於電站鍋爐、核反應堆蒸汽發生器及化工等領域，它是熱力設備的基本組成部分。常見的受熱管有水冷壁管(包括聯箱)、過熱器管、省煤器管、空氣預熱器管等。

基本介紹

• 中文名：受熱管
• 外文名：Heating pipe
• 定義：熱力設備組成部分
• 學科範疇：熱力學
• 主要套用：電站鍋爐、蒸汽發生器
• 相關研究：受熱管的動力學模型

受熱管內流動過冷沸騰

在我國，熱水鍋爐的數量已經超過了工業鍋爐總量的三分之一實踐表明，熱水鍋爐受熱管內壁由於管內工質發生過冷沸騰而產生結垢，最終導致爆管事故，這在熱水鍋爐爆管事故總數中占的比重很大，由此而引起的經濟損失每年超過2000萬元.因此，防止熱水鍋爐受熱管內發生過冷沸騰有很大的經濟價值.

1.受熱管內流動過冷沸騰起始點的分類

受熱管內流動過冷沸騰可以分為部分過冷沸騰和穩定過冷沸騰.當把液體供給受熱管時，最先遇到的傳熱區是液體單相傳熱區.熱流密度在高於一定值時，沿受熱面長度的某個截面的壁面溫度將高於相應壓力下液體的飽和溫度T_sat和一定的過熱度△T_sup，從而在該截面處就會出現汽化核心，發生沸騰現象.這一首先產生汽化核心的截面的壁溫，通常稱之為過冷核態沸騰起始點，亦可稱為過冷沸騰起始點。

隨著壁溫進一步升高，從受熱管某一截面開始，整個內壁面均為時汽泡覆蓋，並有汽泡開始從壁面脫離，沸騰就變成穩定過冷沸騰.汽泡開始脫離表而時的受熱管截面的壁溫稱之為穩定過冷沸騰起始點，也有學者將其稱之為過冷沸騰開始點。

2.受熱管內流動過冷沸騰起始點的測定方法

受熱管內流動過冷沸騰起始點的測定方法，可根據不同的起始點定義而分成兩類。一類是為測定過冷沸騰起始點而設計的壁溫測定法；另一類是根據過冷沸騰起始點而設計的汽泡法(水溫測定法).

2.1壁溫測定法

當水在受熱管道中流動時，沿管子長度方向壁溫和水溫是變化的，它們的變化曲線如附圖所示.在單相對流傳熱區，受熱管壁溫T_w是線性上升的，當達到過冷沸騰起始點時，壁溫超過管內相應壓力下水的飽和溫度T_sat一定的過熱度△T_sup，然後壁溫略有下降，之後又略有上升並逐漸趨於平穩.壁溫法即根據受熱管內工質發生過冷沸騰過程中壁溫變化的這種規律，在試驗中測量出單相區壁溫與沸騰區壁溫，利用兩條曲線作出其交點.單相區壁溫與沸騰區壁溫變化曲線的交點，就是過冷沸騰的起始點.

2.2汽泡測定法(水溫測定法)

當水在受熱管道中產生流動過冷沸騰時，沿著管子長度的壁溫略有變化，而水溫繼續線性上升.當水溫達到某一數值，即水溫的過冷度達到某一數值時，管子壁面為汽泡所覆蓋，汽泡繼續長大並脫離表面.汽泡測定法即利用受熱管內發生穩定過冷沸騰的水溫變化這一規律，用肉眼或儀器觀測汽泡脫離表面現象發生的截面，並測量該截面的水溫，以此確定過冷沸騰起始點。

3.受熱管內流動過冷沸騰發生與否的判別準則

受熱管內流動過冷沸騰分為部分過冷沸騰和穩定過冷沸騰兩個區域.由於這兩個區的起始點不同，受熱管內流動過冷沸騰發生與否的判別準則也不相同.換句話說，判別受熱管內是否發生流動過冷沸騰的準則分為兩類:一類為判別部分過冷沸騰是否發生，它和過冷沸騰起始點有關，由壁溫測定法得到;另一類為判別穩定過冷沸騰是否發生，它和過冷沸騰起始點有關，由汽泡測定法得到.

3.1受熱管內部分過冷沸騰的判別準則

受熱管內部分過冷沸騰的判別準則通過實驗，採用壁溫法得到.通過試驗研究得到的受熱管內水流動部分過冷沸騰的判別準則，可以分為除氧水和未除氧水兩類;同時，又考慮了周向均勻受熱或周向不均勻受熱的影響;對於周向均勻受熱管，還考慮了管子傾斜角度的影響。

3.2受熱管內穩定過冷沸騰的判別準則

通過實驗，受熱管內流動穩定過冷沸騰的判別準則可採用汽泡法(水溫法)得到.試驗需要在單跟鍍錫玻璃管上進行，由實測得到.

4.分析

以上分析可知，引起受熱管內產生穩定過冷沸騰的水速比引起部分過冷沸騰的水速小得多。這是因為引起穩定過冷沸騰和引起部分過冷沸騰所需的熱流密度差別不大，而在引起穩定過冷沸騰的熱流密度中，五分之四是由過冷沸騰傳導的，即管內水速對傳熱的作用不大。僅僅五分之一是通過管內水的對流傳導的,由於未除氧水中含有的氧氣加速了過冷沸騰的產生，因此，未除氧水不發生部分過冷沸騰所需的水速比除氧水所需的略微大一點.

受熱管開裂原因

轉爐煙道由於運行工況周期性急劇變化，工作條件十分惡劣，使用壽命普遍很短，主要是因為轉爐冶煉工藝操作具有周期性，同時轉爐煙氣溫度高，最高溫度可達1500℃以上，煙氣量大，含塵量多，具有毒性和爆炸性。熱負荷頻繁急劇變化引起氧化和交變熱應力因素導致煙道內受熱管使用後期經常出現漏水。漏水鋼管破口處特徵是在受熱管上會出現橫向裂紋，直至破裂，發生蒸汽泄漏。
由於橫向裂紋屬於低周熱疲勞裂紋，根據經驗，固定煙罩內的受熱管一般經受10000次熱交變循環，約1x10⁴h後才會經常出現橫向裂紋而失效。

a)煙道冷卻水供水質量差。

雖然用戶使用的給水為除鹽水，但裂紋表面的垢樣分析結果顯示，爐水內含有較多的Ca²⁺ 、Mg²⁺ ，還有少量Cl^-、Zn²⁺,由於水質硬度高，給水中的Ca²⁺、Mg²⁺獷極易在熱負荷大的部位產生結垢，不斷增厚的水垢使20G管材的導熱係數變差，大大降低管壁的散熱係數，導致熱負荷波動對管壁溫度和內外壁溫差影響較大。當熱負荷提高時，管內外壁溫度和溫差明顯提高，結垢量的增加也會提高內外壁溫差，同時將加大管壁的阻尼，降低介質的流速，使水循環的自動補償功能下降。給水中量Cl^- 、Zn²⁺的存在使受熱管內壁較易引起氧化和應力腐蝕，使內壁產生較多淺裂紋，一旦出現微裂紋，轉爐工況的低周循環使受熱管向火面產生的周期性熱交變應力造成熱疲勞破壞，會使裂紋不斷擴展、長大，裂紋擴展至超過臨界尺寸而失穩導致水冷壁管開裂泄露；

b)排污不及時或排污量少。

由於水質化驗結果顯示，除鹽水和爐水pH值經常超標，鹼度過大，運行一段時間後如不及時排污，進水聯箱上方的受熱管由於水蒸汽的不斷蒸發而使管內OH^-濃度不斷增加，高濃度的OH^-滲入受熱管內壁的裂紋內，極易發生苛性脆化，加速裂紋的擴展直至穿透性破裂。

受熱管爆破事故及處理

水冷壁管爆破

1．水冷壁管爆破的現象

水冷壁管爆破時發出明顯的聲音，爐膛及煙道內有強烈的漏氣聲；鍋爐燃燒不穩定，爐膛負壓下降，甚至向外冒正壓，並從爐牆門、孔、漏風處噴煙冒火或爐煙蒸氣混合物；爆破處煙氣溫度急劇下降，如果爆破口在燃燒器附近，可能造成鍋爐熄火；鍋筒水位計的水位迅速下降，並發出低水位信號；蒸氣壓力和給水壓力下降；給水流量明顯不正常地大於蒸氣流量；引風機的電動機電流增大；灰渣和灰斗有濕灰。

2．水冷壁管爆破的原因及預防

鍋爐給水品質不良，不合乎標準，致使管壁面結垢、腐蝕，造成管壁熱阻增加，引起管子局部過熱而破裂；水垢可以阻塞管子流通截面，增加流動阻力，破壞正常水循環；腐蝕使得管壁減薄，管子強度減弱。管子材質不合格，焊接質量差，製造有缺陷，安裝、檢修和驗收質量不合標準，管內留有雜物，均可能造成鍋爐運行中水冷壁管發生損壞事故。鍋爐嚴重缺水時，水冷壁管上部缺水，容易造成局部過熱而爆管。鍋爐升火或停爐時操作不當，使管子受熱不均，膨脹不勻，造成管子脹口或焊口的破裂。管子受外力撞擊後形成的凸凹處未及時修復，致使蒸氣在該處停滯，引起管子局部過熱爆破。

以上的原因均可造成水冷壁管的爆破或泄漏。因此，在鍋爐製造中，要加強管子材質的檢測，提高鍋爐焊接和安裝質量，檢修時及時修復管子的缺陷，是防止水冷壁爆管的重要措施。做好給水處理工作，保證鍋爐使用合格的水質，在運行中堅持爐水化驗制度，按運行規程做好定期排污工作，對預防水冷壁爆管非常重要。鍋爐運行中，嚴格執行安全操作規程，嚴密監視鍋筒水位的變化，經常檢查、及時發現並立即消除設備出現的故障，才能預防並減少水冷壁爆管的發生。

3．水冷壁管爆破的處理

如果水冷壁管破裂或焊、脹口處泄漏不嚴重，不會使得水位大幅度下降，並能維持鍋爐的氣溫和氣壓，而且故障又不可能迅速擴大，可以在短時間內降低負荷繼續運行，堅持到備用鍋爐投入運行或高峰負荷過去後再停爐。此時應嚴密監視水位的變化，及時調整燃燒工況，同時要加強給水，若是並列運行的鍋爐，注意不要影響其它鍋爐的水位。

如果發現水冷壁管爆破或泄漏嚴重，無法維持正常水位和蒸氣壓力，以及影響穩定燃燒時，應立即切斷燃料供應，熄滅燃燒室火焰，實施緊急停爐。同時保留引風機繼續運行，加強爐膛和煙道的吹掃，直到爐內的蒸氣和煙氣消失後，方可停止引風機運行。如系自然通風排煙，則須將煙道擋板全開。如是幾台鍋爐並列運行時，應迅速與其它鍋爐解列。停爐後的一段時間內應加強給水，保持管內有一定的水量，當水位仍不能維持，或影響到其它鍋爐的給水時，可減少或停止給水。

完全停爐後，應對鍋爐內所有水冷壁管逐一進行檢查，若有燒彎或變形的管子，經過修復並進行機械性能試驗合格者方能使用，否則應更換新管；而爆破的管段必須切割更新。

過熱器管爆破

1.過熱器管爆破的現象

過熱器爆管後，在過熱器區域附近可以聽到蒸氣噴出的聲音；爐膛負壓減少，甚至轉變為正壓，嚴重時該區域附近的爐門、看火孔及爐牆不嚴密處向外噴氣冒煙；損壞的過熱器處煙溫降低，煙道兩側有較大的煙氣溫差；過熱蒸氣壓力下降，過熱蒸氣的溫度不正常；過熱蒸氣流量計的表計指示流量不正常地小於鍋爐給水流量；引風機電動機電流值增大。

過熱器爆管與水冷壁爆管的區別在於：損壞處發出的噴氣聲音的部位不同；過熱器爆管後水位下降緩慢，而水冷壁爆管後水位下降很快。

2．過熱器管爆破的原因及預防

在爐水品質不合格的情況下，由於水位經常過高、氣水分離器分離效率低、鍋筒內由於含鹽量過高發生氣水共騰、或者鍋爐突然升負荷，使得飽和蒸氣攜帶較高濃度鹽分的爐水進入過熱器。當爐水在過熱器中蒸發後，這些鹽分就會沉積在過熱器管壁上，形成鹽垢，導致管壁熱阻增大，局部溫度升高，容易發生管子局部過熱損壞。

過熱器存在較大的熱偏差。煙氣側，由於燃燒不正常，導致爐膛出口煙溫偏高，或者過熱器兩側煙氣流速和煙溫偏差過大，使某排管的吸熱量過多，造成過熱器內蒸氣超溫；蒸氣側，由於過熱器結構設計不合理或熱負荷偏差大，使得管內蒸氣流量分配不均勻，引起流量少的管子蒸氣焓增偏大超溫。過熱器製造有缺陷，安裝不合適，焊接質量差，或有雜物堵塞在管內未消除，都會影響到管內蒸氣流量的分配，造成過熱器的損壞。

此外，過熱器材質不合格；高溫過熱器的合金鋼管誤用碳素鋼管；鍋爐升火過程中，過熱器通氣量不足；停爐或水壓試驗後，過熱器內積水未吹淨，造成管壁腐蝕；低負荷運行時，蒸氣減溫器操作不當，使過熱器管內發生水塞等，都可能使過熱器損壞爆管。

要防止過熱器爆管或損壞，必須保證合格和良好的爐水品質，提高氣水分離器的效率，及時調節鍋筒水位，防止和減少蒸氣的帶水量。要合理設計過熱器，提高製造和安裝質量，保證正常的燃燒工況，儘可能減少熱偏差。此外，採用合格的過熱器管材，鍋爐升火、運行、停爐時嚴格執行規程，操作正確無誤，均能預防過熱器爆管事故的發生。

3．過熱器爆管的處理

若過熱器損壞不嚴重，如損壞處蒸氣噴出聲音不響，蒸氣流量下降有限，爐膛內仍可保持負壓，且不會擴大事故並殃及附近安全，允許短時間降負荷運行，直到備用爐投入運行或熱用戶負荷降低時停爐。在此期間，要嚴密監視氣壓、氣溫及水位的變化，尤其是損壞部分是否有惡化的趨勢。

若過熱器嚴重爆管，如蒸氣大量泄漏，氣壓、氣溫不能維持，燃燒惡化等，必須緊急停爐搶修，以避免噴出的蒸氣吹損鄰近管排，事故進一步擴大。停爐後，引風機待爐道中的蒸氣基本排除後方可停止運行。

省煤器管破裂

1．省煤器管破裂的現象

省煤器管破裂後，在損壞處附近區域可以聽到水氣的泄漏聲，爐牆漏風處發生冒氣、潮濕現象，嚴重時下部煙道漏水；鍋爐給水和蒸氣負荷都正常，而蒸氣流量不正常地小於給水流量，嚴重時水位下降迅速；省煤器兩側煙溫差值增大，泄漏處煙氣溫度偏低，省煤器出口處煙溫下降；煙氣側流動阻力增加，引風機電動機的電流表錶針指示值增大。

2．省煤器管破裂的原因及預防

省煤器管內、外側由於腐蝕引起管子的穿孔損壞，這種事故多見於鋼管式省煤器，低壓、小容量且無空氣預熱器的鍋爐。管內的給水由於除氧不良，水中的溶解O₂或CO₂等不凝氣體在高溫下析出。在管內流速過低的情況下停滯在管壁面上，導致管內壁的氧腐蝕；若管外側的煙氣中含有硫氧化物，如SO₂，SO₃等，與煙氣中的水蒸氣形成硫酸或亞硫酸蒸氣，在管子壁面溫度低於酸露點時，硫酸蒸氣便會凝結成液體附著於管子壁面上，造成管外壁的酸腐蝕。油質燃料中含硫量較多，燃油鍋爐尤其要注意。

給水溫度頻繁變化引起管子破裂。在鍋爐升火時，運行人員沒有按照規程正確地進行上水和放水，沒有及時打開再循環閥門或再循環管工作不正常，管中水流速度很慢，或者沒有開啟旁通煙道擋板，使省煤器的溫度很高。這時若突然大量上水，使得省煤器管壁溫度急速降低，造成較大的熱應力。經過多次劇烈的溫度變化，省煤器管子就可能產生裂紋，尤其在焊口處容易開裂，最終會發生破裂。此外，給水流量忽大忽小，水位忽高忽低，負荷變化過快，停爐過程中省煤器得不到足夠的冷卻，都會使省煤器管熱應力頻繁變化引起破裂。

造成省煤器管子損壞的原因還有：給水水質不良，管內嚴重結垢，堵塞通道並引起傳熱不良；管子材料質量不合格；焊接質量差，焊縫開裂；管子被雜物堵塞等。

預防省煤器管損壞的主要措施有：省煤器管內的水溫不宜急劇變動，而應緩慢地變化，不要使省煤器產生過大熱應力。升火時要按規程規定及時地上水、放水，不要等出口水溫很高才進行，因為，此時管內的實際水溫要比出口高得多。正常運行時，要注意勤調整，給水流量與負荷的調節不易過快。減少給水中的含氧量並保證一定的省煤器管內水速。提高給水溫度，使壁面溫度高於煙氣酸露點。保證管子良好的材質，提高製造和檢修質量。

3．省煤器管破裂的處理

對於非沸騰式省煤器，一般都裝有向鍋筒直接進水的給水旁路管道。當省煤器管損壞後，可採用將省煤器隔離的方法進行搶修，隔離的方法是：打開省煤器煙氣旁通擋板，關閉其進、出口煙氣擋板；開啟省煤器給水旁路閥門，並閉其給水進口閥和出口閥。隔離後，立即開啟省煤器的空氣閥，打開其疏水閥，放掉省煤器內的水，冷卻後進行搶修。如果在鍋爐運行中無法修復時，應儘早停爐檢修。

在隔斷省煤器利用旁通煙道期間，要適時作出燃燒調整：由於低溫給水直接進入鍋筒，必須強化燃燒才能維持負荷不變，則蒸氣溫度將上升，要注意及時調整，必要時可降低負荷；煙氣走旁通煙道，阻力減小，爐膛負壓會增加，則應立即關小引風機擋板；受熱面減少後，排煙溫度會增高，注意煙溫不要超過引風機的允許工作溫度(一般為250℃)，必要時也可降負荷運行。

對於沸騰式省煤器，如果損壞不太嚴重，通過加強給水或降低負荷仍能維持鍋筒正常水位，則允許短時間繼續運行，等備用鍋爐投入運行後再停爐檢修；如果不能維持水位，或損壞有逐漸擴大的趨勢，或繼續上水已影響到其它運行鍋爐的給水時，應緊急停爐進行檢修。停爐後，應盡力維持鍋筒的水位，必須關閉所有的排污閥和疏水閥，切斷與其它並列鍋爐的氣水閥門，禁止開啟省煤器的再循環閥門，用給水旁路向鍋爐上水等。只有等過熱器後煙氣溫度低於400℃時，才允許停止向鍋爐進水。要注意停爐後保留一台引風機運行，以排除蒸氣。