延長濕熱箱加濕鍋爐中加熱管使用壽命的研究

李建剛，江傳華，萬先鋒

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所，武漢 430079）

引言

濕熱試驗是產品環境試驗鑒定項目中非常重要的一個試驗項目。進行濕熱試驗的常用設備是恒定（交變）濕熱箱，其主要工作原理是采用鍋爐加濕方式，利用鍋爐里的電熱管加熱而產生水蒸汽，通過風機將水蒸汽吹進試驗箱內，在PLC控制下，將水蒸汽量、加熱量和制冷量動態平衡，達到控制試驗箱的溫度濕度。因此，加濕鍋爐是濕熱度箱使用可靠性的重要影響因素，而鍋爐的核心元件是加熱管，經常出現因為鍋爐加熱管使用壽命問題影響濕熱箱試驗的可靠性的情況。

1 影響鍋爐加熱管壽命的原因及其危害

由于結構簡易、熱效率高、環境適應力強，加熱管在濕熱試驗設備中得到廣泛應用，通常情況下，加熱管的正常使用壽命一般在5000小時，影響其使用壽命的主要因素包括：

1）鍋爐中供水不足導致的加熱管干燒；

2）加熱管壁水垢形成后熱傳遞不均勻導致加熱管破損；

3）水垢不斷累積在鍋爐底部，不僅容易堵塞了進水，而且還淹沒了加熱管導致干燒或破損；

4）加熱管本身的制造質量。

上述因素中，鍋爐中供水不足導致的加熱管干燒防范起來比較容易，通常為補水控制系統故障所致，在每次試驗前進行檢查供水正常狀態即可有效的預防，此外，濕熱試驗設備設計有兩級保護，缺水后有水位開關電氣報警系統，如果報警系統故障失靈，當加熱器干燒時會產生溫度的上升，當溫升超過110℃，還有防干燒溫度保護器裝置報警保護。所以，一般鍋爐中供水不足導致加熱管損壞的故障概率較小。

根據多年工程經驗，加熱管使用中水垢形成后熱傳遞不均勻從而導致加熱管破損現象是減少加熱管的主導因素。其危害性主要表現在以下幾方面：

1）增加熱損失和功率消耗，水垢的導熱系數比金屬低得多，水垢的熱阻是鋼鐵的50～100倍，是黃銅的100～200倍，是鋁、銅的300～400倍，通常工業鍋爐每結1毫米的厚水垢，其熱效率要降低5%；

2）降低受熱面的金屬強度鋼材的機械強度隨溫度升高而降低，因此當加熱管表面結有導熱性差的水垢時，易造成鋼材的局部過熱、變形、龜裂甚至爆炸；

3）由于厚水垢的產生降低了熱交換系統效率，同時使得傳熱效率顯著下降；

4）加熱管的破損會導致加熱絲裸露于水中，當接通電源時，設備漏電嚴重威脅技術人員的人身安全，極大影響企業安全生產任務。

2 減少水垢對濕熱箱的加濕鍋爐壽命的影響

預防水垢的產生是提升加熱管使用壽命的關鍵，水垢根據其形成 原因和成形狀態的不同大致可分為硬垢和軟垢兩種。當水中含有碳酸氫鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物等膠體、細菌和有機物等雜質時，碳酸鹽類似于水泥沙漿中的沙石，而膠體、細菌和有機物等則相當于水泥沙漿中的水泥，當水中膠體、細菌和有機物等粘性物質和碳酸鹽共同作用，在高溫煮沸條件下生成難溶的碳酸鈣：

在堿性條件下，碳酸氫鈣會發生如下反應生成碳酸鈣：

水中還溶解有一定數量的硫酸鈣；硅酸鈣等其他無機鹽類，隨著水的蒸發，它們在水中濃度加大，當其濃度超過溶解度之后也會生成沉淀，并沉積在傳熱 表面上形成了和容器（或管道表面）粘附在一起的硬垢。而一旦膠體、細菌和有機物等粘性物質被去除（如通過超濾濾除）后，即使水中鈣、鎂離子和碳酸根離子濃度很高，也只能生成潔白而松散的容易去除的碳酸鈣軟垢，而不會產生硬垢。

目前，設備濕熱箱的加濕鍋爐的進水都配有水處理裝置，能夠達到較好軟化水目的，主要方式裝置有離子交換樹脂軟化水，當水通過裝有鈉型強酸型陽離子交換樹脂時，水中的Ca2+、Mg2+(形成水垢的主要成份)將被樹脂中的鈉離子置換下來，隨著樹脂內Ca2+、Mg2+的增加，樹脂去除Ca2+、Mg2+的效能逐漸降低，使水的鈣鎂離子濃度降低到0.015mmol/L以下，自來水中的鈣鎂離子濃度大約是0.5mmol/L，可見經過水處理裝置處理過得水中鈣鎂離子濃度降低了97%，降低了水垢的形成條件，提高了濕熱箱的加熱管的使用壽命。

3 清洗濕熱箱的加濕鍋爐提升使用壽命

在鍋爐進水前加強水處理裝置雖然能夠較好改善了水結垢因素，但并不能完全實現加熱管不結垢，水中的鈣鎂離子濃度降仍有0.015mmol/L。所以，在濕熱試驗時仍然有水垢因素導致加熱管被燒壞的事件，影響環境試驗中的試驗進度和安全因素。目前，各廠家使用的加濕鍋爐的主流構造如圖1所示。

圖1 加濕鍋爐的構造

其工作原理是：加濕時，補水經過進水管，通過水位控制器控制電磁閥打開/關閉供水至鍋爐內規定的水位高度，加熱管開始工作，加熱水沸騰為水蒸汽，在試驗箱內風機產生風循環將水蒸汽經過蒸汽輸入口進入箱體。

在維修、維護、保養中存在如下問題：

1）進水和排水管路共用一個通道，而且進水的管徑一般約為Φ15mm，當鍋爐中加熱管上產生水垢脫落后沉積在底部，堵塞了進水/排水孔，導致供水不正常產生加熱管干燒。

2）三組加熱管固定在蒸汽輸出口上端蓋面板上，端蓋面板通過緊固螺釘固定密封于鍋爐上，當一組加熱管損壞時維修，需要整體將蒸汽輸出口上端蓋面板一起拆卸下來更換，安裝時存在蒸汽輸出口上端蓋面板與鍋爐的密封，因為是螺釘固定，端面容易變形，因此，在緊固螺釘安裝好后，還需要加涂硅膠加強密封，而硅膠密封后干燥需要較長時間。否則，在蒸汽壓力下容易泄露，使得加濕能力達不到。所以，導致安裝工藝繁瑣和周期時間長，一般需要1～2天。

3）在維護保養中，因為水垢不容易從進水/排水孔中排出，清洗鍋爐中水垢也需要上述兩條的流程，效率非常低下。

4）加熱管的結構為環繞盤旋式，導致粘連附著在加熱管上得水垢也不易清理干凈，特別是在加熱管內壁的管間。

因此，做好鍋爐內部的維護保養，及時去除鍋爐中的殘余水垢，可以有效的延長加熱管的使用壽命。

4 改進加濕鍋爐提升使用效率

鑒于用戶對鍋爐的維護保養難度較大，對鍋爐結構進行優化能夠有效的解決該問題，優化后的鍋爐結構如圖2所示。

經過優化的鍋爐對于使用、維修和維護保養，主要優點有：

1）在底部的進水與排水分開，進水孔高于鍋爐底部25毫米較為合適，即使有水垢產生，也會先沉積在鍋爐底部堵塞排水，不會造成進水通道堵塞。

2）鍋爐加熱管安裝采用單個法蘭盤模式，即每個法蘭盤對應一個加熱管，如果燒壞了一個更換一個，法蘭盤結構的密封性好，因此更換方便快捷，更換時間不超過1小時。

3）排水孔采用法蘭盤式過渡連接，法蘭盤為Φ100毫米，手可以在打開法蘭盤后進入鍋爐內部維護清洗，在鍋爐的側面補水處加水清洗鍋爐內水垢，很方便快捷將水垢清洗干凈，清洗時間不超過0.5小時。

目前使用的濕熱箱鍋爐改造后的結構如圖3所示。

使用結果表明，鍋爐加熱管維修，鍋爐內的水垢清洗，更加方便快捷，確保了鍋爐加熱管使用環境，其工作效率也提高了至少25倍，較好的延長了濕熱箱加濕鍋爐中加熱管的使用壽命，提高濕熱箱設備的使用可靠性。

圖2 優化后的鍋爐結構圖

圖3 濕熱箱鍋爐改造后的結構圖

5 結論

本文通過分析鍋爐加熱管壽命影響因素，結合實際工程經驗，提出一種有效的改進方案，并在環境實驗室的多臺濕熱試驗箱進行了改造與應用。使用結果表明：

1）采用較好的離子交換樹脂軟化水水處理裝置，使鈣鎂離子含量減少了97%，降低了水垢生成的條件。除垢清洗維護周期由一個月一次降低到半年一次，而且水垢堆積物還更少，不僅提升了加熱管的效率，而且還降低了維修保養成本；

2）采用加濕鍋爐的改進方法，改造后的加濕鍋爐維修保養更方便快捷，其效率也提高了至少25倍，更好的保證了加熱管的使用壽命也會達到預期壽命，提高了濕熱試驗箱設備的使用可靠性。

[1]邵林.水處理用離子交換樹脂[M].北京:水利電力出版社,1989.

[2]武漢克萊美特環境設備有限公司.高低溫濕熱箱說明書[Z]. 2012.

[3]謝舜韶,龍荷云.水垢熱阻測算的探討[J]. 南京工業大學學報(自然科學版),1981(01):34-35.

[4]吉桂明.簡單循環裝置的技術規范[J]. 熱能動力工程, 2014(02):174-174.

[5]王汝武.混合式加熱器的發展及應用[J]. 節能, 2004(01):22-23.