受热管

热力学术语

受热管广泛存在于电站锅炉、核反应堆蒸汽发生器及化工等领域，它是热力设备的基本组成部分。常见的受热管有水冷壁管(包括联箱)、过热器管、省煤器管、空气预热器管等。

受热管内流动过冷沸腾

在我国，热水锅炉的数量已经超过了工业锅炉总量的三分之一实践表明，热水锅炉受热管内壁由于管内工质发生过冷沸腾而产生结垢，最终导致爆管事故，这在热水锅炉爆管事故总数中占的比重很大，由此而引起的经济损失每年超过2000万元.因此，防止热水锅炉受热管内发生过冷沸腾有很大的经济价值.

1.受热管内流动过冷沸腾起始点的分类

受热管内流动过冷沸腾可以分为部分过冷沸腾和稳定过冷沸腾.当把液体供给受热管时，最先遇到的传热区是液体单相传热区.热流密度在高于一定值时，沿受热面长度的某个截面的壁面温度将高于相应压力下液体的饱和温度Tsat和一定的过热度△Tsup，从而在该截面处就会出现汽化核心，发生沸腾现象.这一首先产生汽化核心的截面的壁温，通常称之为过冷核态沸腾起始点，亦可称为过冷沸腾起始点。

随着壁温进一步升高，从受热管某一截面开始，整个内壁面均为时汽泡覆盖，并有汽泡开始从壁面脱离，沸腾就变成稳定过冷沸腾.汽泡开始脱离表而时的受热管截面的壁温称之为稳定过冷沸腾起始点，也有学者将其称之为过冷沸腾开始点。

2.受热管内流动过冷沸腾起始点的测定方法

受热管内流动过冷沸腾起始点的测定方法，可根据不同的起始点定义而分成两类。一类是为测定过冷沸腾起始点而设计的壁温测定法；另一类是根据过冷沸腾起始点而设计的汽泡法(水温测定法).

2.1壁温测定法

当水在受热管道中流动时，沿管子长度方向壁温和水温是变化的，它们的变化曲线如附图所示.在单相对流传热区，受热管壁温Tw是线性上升的，当达到过冷沸腾起始点时，壁温超过管内相应压力下水的饱和温度Tsat一定的过热度△Tsup，然后壁温略有下降，之后又略有上升并逐渐趋于平稳.壁温法即根据受热管内工质发生过冷沸腾过程中壁温变化的这种规律，在试验中测量出单相区壁温与沸腾区壁温，利用两条曲线作出其交点.单相区壁温与沸腾区壁温变化曲线的交点，就是过冷沸腾的起始点.

2.2汽泡测定法(水温测定法)

当水在受热管道中产生流动过冷沸腾时，沿着管子长度的壁温略有变化，而水温继续线性上升.当水温达到某一数值，即水温的过冷度达到某一数值时，管子壁面为汽泡所覆盖，汽泡继续长大并脱离表面.汽泡测定法即利用受热管内发生稳定过冷沸腾的水温变化这一规律，用肉眼或仪器观测汽泡脱离表面现象发生的截面，并测量该截面的水温，以此确定过冷沸腾起始点。

3.受热管内流动过冷沸腾发生与否的判别准则

受热管内流动过冷沸腾分为部分过冷沸腾和稳定过冷沸腾两个区域.由于这两个区的起始点不同，受热管内流动过冷沸腾发生与否的判别准则也不相同.换句话说，判别受热管内是否发生流动过冷沸腾的准则分为两类:一类为判别部分过冷沸腾是否发生，它和过冷沸腾起始点有关，由壁温测定法得到;另一类为判别稳定过冷沸腾是否发生，它和过冷沸腾起始点有关，由汽泡测定法得到.

3.1受热管内部分过冷沸腾的判别准则

受热管内部分过冷沸腾的判别准则通过实验，采用壁温法得到.通过试验研究得到的受热管内水流动部分过冷沸腾的判别准则，可以分为除氧水和未除氧水两类;同时，又考虑了周向均匀受热或周向不均匀受热的影响;对于周向均匀受热管，还考虑了管子倾斜角度的影响。

3.2受热管内稳定过冷沸腾的判别准则

通过实验，受热管内流动稳定过冷沸腾的判别准则可采用汽泡法(水温法)得到.试验需要在单跟镀锡玻璃管上进行，由实测得到.

4.分析

以上分析可知，引起受热管内产生稳定过冷沸腾的水速比引起部分过冷沸腾的水速小得多。这是因为引起稳定过冷沸腾和引起部分过冷沸腾所需的热流密度差别不大，而在引起稳定过冷沸腾的热流密度中，五分之四是由过冷沸腾传导的，即管内水速对传热的作用不大。仅仅五分之一是通过管内水的对流传导的,由于未除氧水中含有的氧气加速了过冷沸腾的产生，因此，未除氧水不发生部分过冷沸腾所需的水速比除氧水所需的略微大一点.

受热管开裂原因

转炉烟道由于运行工况周期性急剧变化，工作条件十分恶劣，使用寿命普遍很短，主要是因为转炉冶炼工艺操作具有周期性，同时转炉烟气温度高，最高温度可达1500℃以上，烟气量大，含尘量多，具有毒性和爆炸性。热负荷频繁急剧变化引起氧化和交变热应力因素导致烟道内受热管使用后期经常出现漏水。漏水钢管破口处特征是在受热管上会出现横向裂纹，直至破裂，发生蒸汽泄漏。

由于横向裂纹属于低周热疲劳裂纹，根据经验，固定烟罩内的受热管一般经受10000次热交变循环，约1x104h后才会经常出现横向裂纹而失效。

a)烟道冷却水供水质量差。

虽然用户使用的给水为除盐水，但裂纹表面的垢样分析结果显示，炉水内含有较多的Ca2+ 、Mg2+ ，还有少量Cl-、Zn2+,由于水质硬度高，给水中的Ca2+、Mg2+犷极易在热负荷大的部位产生结垢，不断增厚的水垢使20G管材的导热系数变差，大大降低管壁的散热系数，导致热负荷波动对管壁温度和内外壁温差影响较大。当热负荷提高时，管内外壁温度和温差明显提高，结垢量的增加也会提高内外壁温差，同时将加大管壁的阻尼，降低介质的流速，使水循环的自动补偿功能下降。给水中量Cl- 、Zn2+的存在使受热管内壁较易引起氧化和应力腐蚀，使内壁产生较多浅裂纹，一旦出现微裂纹，转炉工况的低周循环使受热管向火面产生的周期性热交变应力造成热疲劳破坏，会使裂纹不断扩展、长大，裂纹扩展至超过临界尺寸而失稳导致水冷壁管开裂泄露；

b)排污不及时或排污量少。

由于水质化验结果显示，除盐水和炉水pH值经常超标，碱度过大，运行一段时间后如不及时排污，进水联箱上方的受热管由于水蒸汽的不断蒸发而使管内OH-浓度不断增加，高浓度的OH-渗入受热管内壁的裂纹内，极易发生苛性脆化，加速裂纹的扩展直至穿透性破裂。

受热管爆破事故及处理

水冷壁管爆破

1．水冷壁管爆破的现象

水冷壁管爆破时发出明显的声音，炉膛及烟道内有强烈的漏气声；锅炉燃烧不稳定，炉膛负压下降，甚至向外冒正压，并从炉墙门、孔、漏风处喷烟冒火或炉烟蒸气混合物；爆破处烟气温度急剧下降，如果爆破口在燃烧器附近，可能造成锅炉熄火；锅筒水位计的水位迅速下降，并发出低水位信号；蒸气压力和给水压力下降；给水流量明显不正常地大于蒸气流量；引风机的电动机电流增大；灰渣和灰斗有湿灰。

2．水冷壁管爆破的原因及预防

锅炉给水品质不良，不合乎标准，致使管壁面结垢、腐蚀，造成管壁热阻增加，引起管子局部过热而破裂；水垢可以阻塞管子流通截面，增加流动阻力，破坏正常水循环；腐蚀使得管壁减薄，管子强度减弱。管子材质不合格，焊接质量差，制造有缺陷，安装、检修和验收质量不合标准，管内留有杂物，均可能造成锅炉运行中水冷壁管发生损坏事故。锅炉严重缺水时，水冷壁管上部缺水，容易造成局部过热而爆管。锅炉升火或停炉时操作不当，使管子受热不均，膨胀不匀，造成管子胀口或焊口的破裂。管子受外力撞击后形成的凸凹处未及时修复，致使蒸气在该处停滞，引起管子局部过热爆破。

以上的原因均可造成水冷壁管的爆破或泄漏。因此，在锅炉制造中，要加强管子材质的检测，提高锅炉焊接和安装质量，检修时及时修复管子的缺陷，是防止水冷壁爆管的重要措施。做好给水处理工作，保证锅炉使用合格的水质，在运行中坚持炉水化验制度，按运行规程做好定期排污工作，对预防水冷壁爆管非常重要。锅炉运行中，严格执行安全操作规程，严密监视锅筒水位的变化，经常检查、及时发现并立即消除设备出现的故障，才能预防并减少水冷壁爆管的发生。

3．水冷壁管爆破的处理

如果水冷壁管破裂或焊、胀口处泄漏不严重，不会使得水位大幅度下降，并能维持锅炉的气温和气压，而且故障又不可能迅速扩大，可以在短时间内降低负荷继续运行，坚持到备用锅炉投入运行或高峰负荷过去后再停炉。此时应严密监视水位的变化，及时调整燃烧工况，同时要加强给水，若是并列运行的锅炉，注意不要影响其它锅炉的水位。

如果发现水冷壁管爆破或泄漏严重，无法维持正常水位和蒸气压力，以及影响稳定燃烧时，应立即切断燃料供应，熄灭燃烧室火焰，实施紧急停炉。同时保留引风机继续运行，加强炉膛和烟道的吹扫，直到炉内的蒸气和烟气消失后，方可停止引风机运行。如系自然通风排烟，则须将烟道挡板全开。如是几台锅炉并列运行时，应迅速与其它锅炉解列。停炉后的一段时间内应加强给水，保持管内有一定的水量，当水位仍不能维持，或影响到其它锅炉的给水时，可减少或停止给水。

完全停炉后，应对锅炉内所有水冷壁管逐一进行检查，若有烧弯或变形的管子，经过修复并进行机械性能试验合格者方能使用，否则应更换新管；而爆破的管段必须切割更新。

过热器管爆破

1.过热器管爆破的现象

过热器爆管后，在过热器区域附近可以听到蒸气喷出的声音；炉膛负压减少，甚至转变为正压，严重时该区域附近的炉门、看火孔及炉墙不严密处向外喷气冒烟；损坏的过热器处烟温降低，烟道两侧有较大的烟气温差；过热蒸气压力下降，过热蒸气的温度不正常；过热蒸气流量计的表计指示流量不正常地小于锅炉给水流量；引风机电动机电流值增大。

过热器爆管与水冷壁爆管的区别在于：损坏处发出的喷气声音的部位不同；过热器爆管后水位下降缓慢，而水冷壁爆管后水位下降很快。

2．过热器管爆破的原因及预防

在炉水品质不合格的情况下，由于水位经常过高、气水分离器分离效率低、锅筒内由于含盐量过高发生气水共腾、或者锅炉突然升负荷，使得饱和蒸气携带较高浓度盐分的炉水进入过热器。当炉水在过热器中蒸发后，这些盐分就会沉积在过热器管壁上，形成盐垢，导致管壁热阻增大，局部温度升高，容易发生管子局部过热损坏。

过热器存在较大的热偏差。烟气侧，由于燃烧不正常，导致炉膛出口烟温偏高，或者过热器两侧烟气流速和烟温偏差过大，使某排管的吸热量过多，造成过热器内蒸气超温；蒸气侧，由于过热器结构设计不合理或热负荷偏差大，使得管内蒸气流量分配不均匀，引起流量少的管子蒸气焓增偏大超温。过热器制造有缺陷，安装不合适，焊接质量差，或有杂物堵塞在管内未消除，都会影响到管内蒸气流量的分配，造成过热器的损坏。

此外，过热器材质不合格；高温过热器的合金钢管误用碳素钢管；锅炉升火过程中，过热器通气量不足；停炉或水压试验后，过热器内积水未吹净，造成管壁腐蚀；低负荷运行时，蒸气减温器操作不当，使过热器管内发生水塞等，都可能使过热器损坏爆管。

要防止过热器爆管或损坏，必须保证合格和良好的炉水品质，提高气水分离器的效率，及时调节锅筒水位，防止和减少蒸气的带水量。要合理设计过热器，提高制造和安装质量，保证正常的燃烧工况，尽可能减少热偏差。此外，采用合格的过热器管材，锅炉升火、运行、停炉时严格执行规程，操作正确无误，均能预防过热器爆管事故的发生。

3．过热器爆管的处理

若过热器损坏不严重，如损坏处蒸气喷出声音不响，蒸气流量下降有限，炉膛内仍可保持负压，且不会扩大事故并殃及附近安全，允许短时间降负荷运行，直到备用炉投入运行或热用户负荷降低时停炉。在此期间，要严密监视气压、气温及水位的变化，尤其是损坏部分是否有恶化的趋势。

若过热器严重爆管，如蒸气大量泄漏，气压、气温不能维持，燃烧恶化等，必须紧急停炉抢修，以避免喷出的蒸气吹损邻近管排，事故进一步扩大。停炉后，引风机待炉道中的蒸气基本排除后方可停止运行。

省煤器管破裂

1．省煤器管破裂的现象

省煤器管破裂后，在损坏处附近区域可以听到水气的泄漏声，炉墙漏风处发生冒气、潮湿现象，严重时下部烟道漏水；锅炉给水和蒸气负荷都正常，而蒸气流量不正常地小于给水流量，严重时水位下降迅速；省煤器两侧烟温差值增大，泄漏处烟气温度偏低，省煤器出口处烟温下降；烟气侧流动阻力增加，引风机电动机的电流表表针指示值增大。

2．省煤器管破裂的原因及预防

省煤器管内、外侧由于腐蚀引起管子的穿孔损坏，这种事故多见于钢管式省煤器，低压、小容量且无空气预热器的锅炉。管内的给水由于除氧不良，水中的溶解O2或CO2等不凝气体在高温下析出。在管内流速过低的情况下停滞在管壁面上，导致管内壁的氧腐蚀；若管外侧的烟气中含有硫氧化物，如SO2，SO3等，与烟气中的水蒸气形成硫酸或亚硫酸蒸气，在管子壁面温度低于酸露点时，硫酸蒸气便会凝结成液体附着于管子壁面上，造成管外壁的酸腐蚀。油质燃料中含硫量较多，燃油锅炉尤其要注意。

给水温度频繁变化引起管子破裂。在锅炉升火时，运行人员没有按照规程正确地进行上水和放水，没有及时打开再循环阀门或再循环管工作不正常，管中水流速度很慢，或者没有开启旁通烟道挡板，使省煤器的温度很高。这时若突然大量上水，使得省煤器管壁温度急速降低，造成较大的热应力。经过多次剧烈的温度变化，省煤器管子就可能产生裂纹，尤其在焊口处容易开裂，最终会发生破裂。此外，给水流量忽大忽小，水位忽高忽低，负荷变化过快，停炉过程中省煤器得不到足够的冷却，都会使省煤器管热应力频繁变化引起破裂。

造成省煤器管子损坏的原因还有：给水水质不良，管内严重结垢，堵塞通道并引起传热不良；管子材料质量不合格；焊接质量差，焊缝开裂；管子被杂物堵塞等。

预防省煤器管损坏的主要措施有：省煤器管内的水温不宜急剧变动，而应缓慢地变化，不要使省煤器产生过大热应力。升火时要按规程规定及时地上水、放水，不要等出口水温很高才进行，因为，此时管内的实际水温要比出口高得多。正常运行时，要注意勤调整，给水流量与负荷的调节不易过快。减少给水中的含氧量并保证一定的省煤器管内水速。提高给水温度，使壁面温度高于烟气酸露点。保证管子良好的材质，提高制造和检修质量。

3．省煤器管破裂的处理

对于非沸腾式省煤器，一般都装有向锅筒直接进水的给水旁路管道。当省煤器管损坏后，可采用将省煤器隔离的方法进行抢修，隔离的方法是：打开省煤器烟气旁通挡板，关闭其进、出口烟气挡板；开启省煤器给水旁路阀门，并闭其给水进口阀和出口阀。隔离后，立即开启省煤器的空气阀，打开其疏水阀，放掉省煤器内的水，冷却后进行抢修。如果在锅炉运行中无法修复时，应尽早停炉检修。

在隔断省煤器利用旁通烟道期间，要适时作出燃烧调整：由于低温给水直接进入锅筒，必须强化燃烧才能维持负荷不变，则蒸气温度将上升，要注意及时调整，必要时可降低负荷；烟气走旁通烟道，阻力减小，炉膛负压会增加，则应立即关小引风机挡板；受热面减少后，排烟温度会增高，注意烟温不要超过引风机的允许工作温度(一般为250℃)，必要时也可降负荷运行。

对于沸腾式省煤器，如果损坏不太严重，通过加强给水或降低负荷仍能维持锅筒正常水位，则允许短时间继续运行，等备用锅炉投入运行后再停炉检修；如果不能维持水位，或损坏有逐渐扩大的趋势，或继续上水已影响到其它运行锅炉的给水时，应紧急停炉进行检修。停炉后，应尽力维持锅筒的水位，必须关闭所有的排污阀和疏水阀，切断与其它并列锅炉的气水阀门，禁止开启省煤器的再循环阀门，用给水旁路向锅炉上水等。只有等过热器后烟气温度低于400℃时，才允许停止向锅炉进水。要注意停炉后保留一台引风机运行，以排除蒸气。

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