結垢所導致的鍋爐爆管分析

張 亮，申龍涉，徐建普，馬啟富，劉向光

(1.遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001;2.遼河油田經濟貿易置業總公司，遼寧 盤錦124010; 3.中石油遼寧沈陽銷售分公司，遼寧 沈陽 110021)

結垢所導致的鍋爐爆管分析

張 亮1，申龍涉1，徐建普1，馬啟富2，劉向光3

(1.遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001;2.遼河油田經濟貿易置業總公司，遼寧 盤錦124010; 3.中石油遼寧沈陽銷售分公司，遼寧 沈陽 110021)

注汽鍋爐是油田稠油開采的主要設備，在稠油開采中發揮了極為重要的作用。一旦注汽鍋爐爐管出現爆管將被迫停爐，直接影響原油生產。遼河油田某采油廠注氣鍋爐連續發生爆管事故，由于水質不合格使得鍋爐發生結垢。通過對鍋爐水質分析和實驗對鍋爐結垢與鍋爐爐管溫度變化進行研究，得出結論是爐管結垢，導致爐管在高溫下工作，使得爐管材質的高溫疲勞是鍋爐爐管產生爆管的原因。

注汽鍋爐； 爆管； 結垢； 水質； 高溫疲勞

采油注汽鍋爐使用環境比較復雜，造成爐管爆裂失效的原因也很多，但就根本原因來說是由于爐管所承受的外力超過了其本身所具有的抗力。注汽鍋爐爐管失效，其原因可以歸結為內因形成失效或外因形成失效[1-2]。內因失效是材料本身的因素。包括：1）成份因素，如含碳量，雜質元素等。2）組織因素，如表面脫碳、氧化，珠光體球化，晶粒粗大，相變，蠕變空洞等。3）缺陷因素，如夾雜物，氣孔，裂紋等。4）性能因素，如高溫蠕變極限低，持久強度低，熱脆，應力集中等。外因失效是環境因素。包括：1）溫度，如溫度過高、過熱，溫度不均勻，導熱性差等。2）壓力，如汽擊，水錘，局部堵塞，結垢等造成壓力過高。3）介質，如水質因素，爐內氣氛等造成的腐蝕或高溫氧化。4）操作不當，由于操作不當等偶然因素也會造成爆管失效。在實際使用過程中，內部因素和外部因素往往相互作用，并且不斷的變化。以下主要對鍋爐水質分析和實驗，對鍋爐結垢與鍋爐爐管溫度變化進行研究。

1 回注水水質分析

1.1 水質綜合分析采用穩定指數法[3-4]

穩定指數是賴茲納（Ryznar）在1946年提出的，所以又稱賴茲納（Ryznar）指數，用IR表示。他用 IR=2pS?pa來判斷某些狀態下的水質更符合實際情況：

水質呈嚴重腐蝕趨勢；

水質呈腐蝕趨勢；

水質呈穩定狀態；

水質呈結垢趨勢；

水質呈嚴重結垢趨勢。

1.2 回注水水質分析實驗結果

實驗結果見表1。

表1 回注水水質分析實驗結果Table 1 Analysis results of water quality mg/L

式中：A―離子強度系數（用總固溶物濃度表示，mg/L）;

B―水溫系數,℃;

C―鈣離子濃度系數（以碳酸鈣計，mg/L）；

D―堿度系數（以碳酸鈣計，mg/L）；

Ps―實測pH值。

計算結果：PS=9.3 +A +B +C +D = 8.2

回注水水質綜合分析表明，3.7

2 結垢物導熱系數的測定

2.1 導熱系數實驗原理

實驗原理[5-7]見圖1。

圖1 導熱系數實驗裝置簡圖Fig.1 Diagram of experimental apparatus for measuring thermal conductivity

A-帶電熱板的發熱盤；B-樣品； C-螺旋頭； D-樣品支架； E-風扇； F-熱電偶； G-真空保溫杯； H-數字電壓表； P-散熱盤。

熱傳導是熱量傳遞過程的一種形式，測定導熱系數的原理是法國數學、物理學家約瑟夫.傅立葉給出的導熱方程式。該方程式指出，在物體內部，垂直于導熱方向上，2個相距為h，面積為A，溫度分別為θ1和θ2（θ1?θ2）的平行平面，在Δt 秒內，從一個平面傳到另一個平面的熱量ΔQ，滿足表達式（2）。

根據上述裝置，由傅立葉導熱方程式可知，通過待測樣品盤B的熱流量為：

式中：hb— 樣品厚度；

Rb—圓盤樣品的半徑；

λ — 樣品熱導率；

θ1，θ2—分別為穩態時樣品上下平面的溫度。

2.2 導熱系數實驗結果

實驗結果見表2。

實驗材料 15CrMo 20G 1 mm Na2CO3垢的鋼板2 mm Na2CO3垢的鋼板導熱系數 51.02 49.56 14.44 11.48

從實驗結果可以看出，如果結垢1 mmNa2CO3，可使壁溫升高212 ℃；

通過計算，扣除鋼板的導熱，污垢物的導熱系數為：0.30 W/(m·℃)。

3 注汽鍋爐爐管溫度與爆管分析

3.1 注汽鍋爐爐管壁溫的測試

油田注汽鍋爐爆管多數發生于輻射段。輻射段外形是圓柱體，其剖面見圖2所示。

圖2 輻射段剖視圖Fig 2 Radiation section cutaway view

輻射段的外殼是5 mm的鋼板，內部是隔熱層和耐火層組成的爐襯。內爐管通過卡子與外殼固定在一起，爐管是單路直管，沿爐襯內壁水平方向往復排列并串聯在一起。管材均為20 G。水在輻射段流經全部串聯爐管，吸收約60%的熱量后達到設計壓力相對應的飽和溫度,變成干度為 80%的飽和蒸汽。干度超過85%即稱為過熱, 干度越高,則表示一定量的爐水產生的蒸汽越多, 相應的爐水就越少,造成各種殘余鹽分因爐水量少未被溶解而加速結垢,沉積于爐管內壁而造成爐管吸熱能力下降[8-9]。

3.2 爆管因素的定性與定量分析

注汽鍋爐發生蒸汽過熱現象，將造成鍋爐給水中沒有處理的各種雜質在爐管內堆積，形成爐管壁面結垢。爐壁結垢減少爐管的傳熱能力，增加爐管傳熱熱阻，升高爐管壁面溫度。當爐管壁面溫度超過爐管材料允許溫度時，爐管承受內壓的能力降低，最終導致發生爐管爆管現象。因此，注汽鍋爐爐管的高溫承壓工作是爐管材質失效的直接誘因，爐管高溫是由于回注水中含有碳酸鹽類雜質在水蒸汽過熱時沉積在管壁上所引起的。

爐管內發生蒸汽過熱，導致管壁結垢，因此大量結垢發生的位置應該與發生蒸汽過熱點的位置一致。爐管內的水在注汽鍋爐內被加熱是一個逐漸被加熱的過程，剛進入爐管時水是未飽和水，然后溫度逐漸升高，達到飽和水狀態，產生濕蒸汽，直至出現過熱狀態。因此，注汽鍋爐內發生過熱一定是在爐膛內爐管的最后幾根，不可能發生在爐膛內爐管入口端。過熱點的位置與過熱度有關，若蒸汽過熱度較低，可能發生在最后一根爐管上，過熱度增高，發生過熱的點將前移。在蒸汽過熱之前，回注水的雜質溶解在濕蒸汽中的飽和水中，不會發生大量的結垢現象，一旦發生過熱，蒸汽中不可能攜帶雜質，回注水雜質必然大量沉積在過熱點附近。

鍋爐注汽回注水盡管進行了水質處理，但仍然各類碳酸鹽類雜質。通過實驗室實驗數據表明，回注水的雜質含量為0.242%~0.256%。在沒有發生過熱時，各類碳酸鹽溶解在水中，結垢量小，結垢速率慢。發生過熱時，全部污垢將沉積爐管上，過熱蒸汽將不再發生結垢現象。因此，大量的結垢發生在過熱起始點附近。結垢應集中發生在過熱點1.0~2.0 m的管段范圍，過熱點見圖3。

圖3 過熱點示意圖Fig.3 Schematic diagram of hot spots

根據注汽鍋爐回注水流量15 t/h,爐管內徑取67 mm計算，考慮回注水的垢全部均勻結垢內壁上，可以得到過熱不同時間的垢層厚度(實驗室測定垢層的密度為2.25), 見表 3。碳酸鹽類的高溫下水溶解性較好，過熱過程不是連續發生時，在沒有過熱的時刻高溫水將把前面過熱形成的垢層溶解掉或部分地溶解掉。因此，只要過熱不是連續發生，實際垢層厚度比計算厚度要薄。盡管過熱較少連續發生1,2 h或更長，但每次過熱都將使得爐管承受高溫，形成爐管的高溫金屬疲勞。

表3 不同過熱時間垢層的理論厚度計算Table 1 Calculation of scale layer theoretical thickness at different superheating time

回注水被加熱至過熱后，回注水中的污垢將沉積在管壁上，污垢層的存在增加了管內介質與爐膛內燃燒區之間傳熱的阻力,提高爐管外壁面的溫度,導致鍋爐管壁溫度整體升高。

根據傳熱學原理[10]，爐管沒有結垢時，爐管外壁溫度計算如式(4)。

式中：Q — 爐膛內換熱強度,W/m2；

TWB— 爐管外壁溫度,℃；

TZ— 管內蒸汽溫度,℃；

αZ— 蒸汽與爐管內壁間的沸騰換熱系數, W/(m·℃)；

λ— 金屬材料的導熱系數為, W/(m·℃)；

δ— 受熱面爐管的厚度，mm。

根據鍋爐手冊以及有關的傳熱手冊,取注汽鍋爐輻射受熱面熱強度為72 000 W/m2，受熱面爐管的厚度 10 mm，爐管碳鋼金屬材料的導熱系數為 43 W/(m·℃)，取水沸騰換熱系數為10 000 W/(m·℃)。將參數帶入上述公式，可以得到爐管壁面溫度。

計算得到鍋爐外管壁溫度是:

此時管壁溫度低于金屬材料允許的使用溫度。

根據傳熱學原理，爐管結垢時，爐管外壁溫度計算如式（5）。

式中：λg—碳酸鹽類污垢的導熱系數，W/(m·℃）；

δg—碳酸鹽類污垢的厚度，mm。

根據實驗室的實驗，碳酸鹽類污垢的導熱系數為0.30 W/(m·℃），按污垢厚度1 mm計算。

計算得到鍋爐外管壁溫度是:

該溫度比沒有結垢時的管壁溫度高出240 ℃。

4 結 論

爐管結垢，使爐管在高溫下工作時，導致爐管材質的高溫疲勞。注汽鍋爐發生過熱是爐管最終失效的根本原因，這也很好地解釋了為什么發注汽鍋爐在使用清潔水時，由于各種原因也可能發生蒸汽的過熱。但使用清潔水在爐管內形成的結垢很少，引起爐管壁面溫度升高不多。這也很好地解釋了為什么在使用回注水前爆管很少或沒有爆管的原因。

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Analysis on Pipe Explosion of Boiler Caused by Scaling

ZHANG Liang，SHEN Long-she，XU JIAN-pu MA QI-fu，LIU Xiang-guang
(1.Department of Oil & Gas Storage and Transportation, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun113001,China;2. Liaohe oilfield company of economic & trade & property , Liaoning Panjin 124010, China;3.Petro China Shenyang Liaoning Marcketing Company, Liaoning Shenyang 110021, China)

Steam injection boiler is a major equipment in heavy oil exploitation and plays a very important role. Once the tube pipe of steam injection boiler explodes, boiler will be forced to shutdown, which will directly affect oil production.Pipe explosion accidents of steam injection boiler continually occurred in an oil production plant of Liaohe oil field because unqualified water had caused scaling. In this paper，water quality of boiler was analyzed，relation of boiler scaling and temperature change was studied by experiment. The results show that tube scaling causes boiler tube work in high temperature，at last high temperature fatigue of the boiler material results in pipe explosion.

steam injection boiler; pipe explosion; scaling; water quality; high temperature fatigue

TK 224

A

1671-0460（2011）01-0077-04

2010-10-13

張 亮（1981-），男，遼寧盤錦人，現為遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院油氣儲運工程專業在讀碩士。E-mail：zhang810225@sina.com。