摘要：本文通過對一起爆管事故的分析，闡述了發生爆管的原因由于鍋爐在低壓運行下，受熱面管內產生過冷沸騰導致結垢，使得管壁超溫過熱、強度下降，最終導致破裂，并在此基礎上提出相應改進措施。 
    前言 
    目前在北京市郊區的一些生活小區的集中供熱鍋爐房仍然運行著許多自然循環的熱水鍋爐，結構形式有單鍋筒縱置式、雙鍋筒縱置式、和雙鍋筒橫置式幾種，燃燒設備多為鏈條爐排，設計煤種大多為各類煙煤。出力一般在0.7-7.0MW之間，但經運行過幾個采暖期后鍋爐受熱面管發生不同程度的變形、脹粗、甚至穿透性裂紋，嚴重者可導致爆管等水循環事故，影響了鍋爐的安全運行和正常供暖。為此,筆者通過典型檢驗事例從鍋爐的結構特點、運行條件等方面入手，著重分析熱水鍋爐水循環事故的原因，提出改進措施。? 
    一、事故發生 
    在××年2月5日北京某集團總公司下屬單位一小區供暖鍋爐房的一臺SZL2.8-1.0/95/70-AIII熱水鍋爐在運行中突然發生爆管。鍋爐被迫停止運行，給小區供熱造成很大影響。 
    二、現場勘查情況 
    筆者對事故鍋爐進行外觀檢查，發現爆管發生在爐膛水冷壁，其情況是： 
    （一）爐膛水冷壁頂棚管發生不同程度下塌變形，嚴重處的變形量達100-130mm,管子局部脹粗，其中有一根破裂（部位Ⅰ）。爐膛右側位于爐膛燃燒主燃區有3根水冷壁管的直段外凸變形，變形量40mm，變形管段局部脹粗，有許多處穿透性裂紋。 
    （二）在進一步對鍋爐水冷壁割管檢查發現： 
    1.水冷壁頂棚管結垢嚴重，管內壁結垢3-4mm。 
    2.右側水冷壁管直段結垢2-3mm。管外壁金屬呈暗紅色。 
    3.經過內部檢驗，其余受熱面管內壁結垢不超過0.5mm。 
    三、事故分析 
    （一）鍋爐概況： 
    鍋爐型號：SZL2.8-1.0/95/70-AIII 
    鍋爐出廠編號：22-3100 
    出廠日期：1995.8 
    鍋爐主體材質：鍋筒：20g管子：20 
    投用日期：1996.12 
    工作壓力：0.3MPa 
    水處理形式：鈉離子交換器 
    事故發生：鍋爐投運后的第4個供暖期 
    （二）管壁結垢直接導致了水冷壁管的過熱損壞 
    1．鍋爐受熱面金屬的溫度總是高于其中工質的溫度。
當管壁受熱面較清潔時候，由于熱量被水吸收而得到充分的冷卻，受熱面金屬的強度在安全工作的范圍內。但是，如果受熱面結了水垢，金屬的狀況就會發生向不安全的變化。對于碳酸鹽水垢來說，它的熱阻是一般鋼的幾十倍。受熱面水垢的存在阻止了金屬熱量的釋放。直接引起管內壁熱儲量增加，導致管壁溫度增高。當管壁結1mm的水垢時，管壁溫度將生高100℃以上，而管壁溫度升高導致鋼材的強度下降。而從現場水冷壁的顏色判斷，損壞管處的壁溫確實曾經超過500℃以上。所以結垢使管壁超溫過熱，強度下降，最終導致破裂。 
    2.水垢和鋼材的熱膨脹系數不同，這又導致垢層局部開裂或脫落，這使較低溫度的熱水與溫度相當高的管壁相接觸，引起管壁溫度的巨大變化，并使管內壁受到冷熱應變，產生巨大的應力。以致使管子發生很多裂紋。 
    3.管壁溫度升高，管子就會發生伸長，因而造成頂棚管和水冷壁管的凸出變形。 
    （三）低壓運行下，過冷沸騰是導致水冷壁管結垢的主要原因 
    1.本爐為上鍋筒進水和出水，屬于自然循環的熱水鍋爐。自然循環的熱水鍋爐是靠上升管和下降管水溫不同而造成的重度差形成水循環動力。水循環安全可靠的必要條件是各回路和各回路的熱偏差管都處于穩定的循環狀態。而在熱水鍋爐的上升管中，當局部熱負荷較大或工作壓力較低時，在管內可能產生過冷沸騰。因為在壓力低的情況下，水的飽和溫度也降低。在發生過冷沸騰時，如果靠近管壁的過熱水層厚度不大，則在受熱面形成的氣泡可能直接與欠熱水接觸，此時的氣泡根部是蒸發過程。在氣泡超過過熱水層是蒸汽冷凝過程。氣泡的蒸發和冷凝嚴重時可引起水擊，從而導致鍋爐部件的損壞。熱水鍋爐進行鍋外化學處理的補水硬度為0.6毫克當量/升，比蒸汽鍋爐大20倍。管內的過冷沸騰將直接導致在汽化點附近結垢加劇。因此對于熱水鍋爐來說過冷沸騰是很危險的。而且熱水鍋爐不象蒸汽鍋爐那樣，受熱面的水是汽化蒸發狀態，熱水鍋爐的受熱面管子內不允許發生汽化，并且管內的水溫也不能過高。所以受熱面管子不發生超溫、汽化、或過冷沸騰是保證熱水鍋爐自然循環安全性的主要目的。 
    本臺鍋爐右側水冷壁管水循環流量小（無引射管接入下降管）。在受熱面管的橫截面上，水溫分布是不同的，管壁處較管中心處水溫高，因此在某段管的橫截面上，當平均水溫尚未達到飽和溫度tbh，而管內壁溫度tb卻超過了飽和溫度。兩者之差達到一定值時，在管內壁開始生成氣泡，發生汽化，當氣泡與欠熱水接觸時冷凝消失，發生過冷沸騰現象。過冷沸騰的產生直接導致管內壁汽水處的鹽類蒸濃結垢，垢層的持續增厚使熱阻不斷加大，管子的導熱性能下降，最終造成管壁超溫，出現過熱變形，以至發生爆管。 
    2.鍋爐水冷壁管過冷沸騰校核計算： 
    ⑴鍋爐運行時避免發生過冷沸騰的條件：tb＜ts＋△tgr－5 
    式中： 
    tb管內壁面溫度℃，由傳熱方程知tb=t+q/a 
    ts工作壓力下水的飽和溫度℃ 
    △tgr發生過冷沸騰時管壁過熱度℃ 
    △tgr=0.35×q0.3/p0.15 
    q：管內壁傳熱熱流密度Kcal/m2h 
    t：流體（欠熱水）水溫度℃ 
    a：管內壁水對流換熱系數a=(7.13+0.0449t)×（wr0.8/dn0.2） 
    wr：管內流體質量流速kg/m2s 
    dn：管內徑m 
    （2）鍋爐在設計壓力下運行時的過冷沸騰校核計算： 
    鍋爐設計壓力p：1.0MPa 
    爐膛高溫區管內壁傳熱熱流密度q： 
    q=9.49×104Kcal/m2h（由鍋爐熱力計算查得） 
    dn：管子內徑0.045m 
    受熱面管截面積；f=0.2m2 
    飽和水溫度ts=183.2℃（查表） 
    循環水量G：96000kg/h 
    a.發生過冷沸騰管壁過熱度計算： 
    △tgr=0.35×q0.3/p0.15 
    =0.35×949000.3/100.15 
    =7.7℃ 
    b.管內流體質量流速計算； 
    wr=G/3600f 
    =96000/3600×0.2 
    =133.3kg/m2s 
    c.管內壁水對流換熱系數計算a 
    a=(7.13+0.0449t)×（wr0.8/dn0.2） 
    =(7.13+0.0449×81.3)×（133.30.8/0.0450.2） 
    =1005.8 
    d.管內壁溫度計算 
    tb=t+q/a 
    =83.1+94900/1012.9 
    =177.5℃ 
    tb＜ts＋△tgr－5=185.9℃ 
    經核算鍋爐在設計壓力下不會發生過冷沸騰，管壁是安全的。 
    (3)鍋爐在實際工況下過冷沸騰校核計算： 
    本臺鍋爐的實際工作壓力為0.3MPa，壓力為0.3MPa水的飽和溫度ts=142.9℃。 
    同理計算管壁過熱度 
    △tgr=0.35×q0.3/p0.15 
    =0.35×949000.3/30.15 
    =9.24℃ 
    所以：tb>ts＋△tgr－5=147.14℃ 
    鍋爐在工作壓力下會發生過冷沸騰，管壁不安全。
質量流速kg/m2s 
    dn：管內徑m 
    （2）鍋爐在設計壓力下運行時的過冷沸騰校核計算： 
    鍋爐設計壓力p：1.0MPa 
    爐膛高溫區管內壁傳熱熱流密度q： 
    q=9.49×104Kcal/m2h（由鍋爐熱力計算查得） 
    dn：管子內徑0.045m 
    受熱面管截面積；f=0.2m2 
    飽和水溫度ts=183.2℃（查表） 
    循環水量G：96000kg/h 
    a.發生過冷沸騰管壁過熱度計算： 
    △tgr=0.35×q0.3/p0.15 
    =0.35×949000.3/100.15 
    =7.7℃ 
    b.管內流體質量流速計算； 
    wr=G/3600f 
    =96000/3600×0.2 
    =133.3kg/m2s 
    c.管內壁水對流換熱系數計算a 
    a=(7.13+0.0449t)×（wr0.8/dn0.2） 
    =(7.13+0.0449×81.3)×（133.30.8/0.0450.2） 
    =1005.8 
    d.管內壁溫度計算 
    tb=t+q/a 
    =83.1+94900/1012.9 
    =177.5℃ 
    tb＜ts＋△tgr－5=185.9℃ 
    經核算鍋爐在設計壓力下不會發生過冷沸騰，管壁是安全的。 
    (3)鍋爐在實際工況下過冷沸騰校核計算： 
    本臺鍋爐的實際工作壓力為0.3MPa，壓力為0.3MPa水的飽和溫度ts=142.9℃。 
    同理計算管壁過熱度 
    △tgr=0.35×q0.3/p0.15 
    =0.35×949000.3/30.15 
    =9.24℃ 
    所以：tb>ts＋△tgr－5=147.14℃ 
    鍋爐在工作壓力下會發生過冷沸騰，管壁不安全。