撓性薄管板廢熱鍋爐安裝與操作常見問題分析

齊 波 雷 飛 張合生

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

撓性薄管板廢熱鍋爐安裝與操作常見問題分析

齊 波*雷 飛 張合生

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

針對撓性薄管板廢熱鍋爐安裝、操作中遇到的耐火襯里不合格、誤做外保溫、更改上升下降管走向、水質不合格、水位控制不當以及操作波動過大等問題逐一進行分析討論。

撓性薄管板廢熱鍋爐 安裝 操作

廢熱鍋爐是化工生產過程中的重要設備。臥式火管式撓性薄管板廢熱鍋爐(以下簡稱薄管板廢熱鍋爐或廢熱鍋爐)是目前公認的穩定性和可靠性最高的廢熱鍋爐之一。在甲烷化、甲醇、制氫、合成氨、硫酸及硫回收等化工生產過程中，優先選用薄管板廢熱鍋爐已逐漸成為共識。根據對進口和天華化工機械及自動化研究設計院有限公司(以下簡稱天華院)自行設計供貨的數十套薄管板廢熱鍋爐的跟蹤調查得知，該結構的廢熱鍋爐可平穩運行15年以上。然而，一些廠家的廢熱鍋爐遠未使用到以上年限就出現故障，導致故障的主要原因有：使用單位采購的薄管板廢熱鍋爐存在嚴重的設計或制造缺陷；安裝與操作失誤。筆者僅就錯誤安裝與操作失誤造成的廢熱鍋爐故障進行分析。

1 安裝問題

1.1耐火襯里

廢熱鍋爐與高溫氣體接觸的部位一般需安裝耐火襯里[1～3]作防護，以降低金屬壁溫。耐火襯里設置不當，會造成廢熱鍋爐故障。

1.1.1耐火襯里硅鐵超標

廢熱鍋爐耐火襯里所選用的耐火、絕熱材料對SiO2和Fe2O3的含量有嚴格要求，一般規定SiO2含量不超過0.5%，Fe2O3不超過0.4%。因為入廢熱鍋爐管程的高溫氣體多為還原性氣體，在高溫還原性氣體中，耐火襯里中的SiO2會氣化流失，Fe2O3會和CO發生化學反應而流失。SiO2和Fe2O3的流失使襯里疏松形成空洞而失效。更嚴重的是，當溫度降低時，SiO2會重新凝結附著在設備上，引起管路堵塞。用戶在安裝和更換耐火襯里時，有時會忽視這方面的要求，從而造成嚴重損失。

1.1.2誤設耐熱鋼護套

在澆筑耐火襯里和維檢修更換耐火襯里時，部分廠家為避免澆注料裂紋而引起的超溫，在耐火襯里上設置了耐熱鋼護套，但該方法有其弊端，因為工藝氣溫度常高達800～1 000℃甚至更高，在這個溫度下耐熱鋼護套常會與耐火襯里分離甚至斷裂，斷裂的鋼護套壓在熱端管板上堵塞一部分管子，這時剩下的管子就需負擔全部氣流量，從而造成因熱流密度過高而引起的廢熱鍋爐故障。筆者認為，當前的耐火襯里質量已大為提升、應用范圍也已拓展，僅靠耐火襯里本身即可滿足設備運行要求，完全沒必要另設耐熱鋼護套。

1.1.3施工質量欠佳

耐火襯里的施工質量對使用效果影響很大，因此必須嚴格控制。建議在耐火襯里施工前，參照GB 50474-2008、SH 3531-2003等標準的相關要求，制定至少不低于上述標準的施工規范并嚴格執行，最好請有經驗的專業廠家進行施工。耐火襯里施工中常見的問題有以下幾種：

a. 耐火襯里疏松、有蜂窩麻面、空洞等缺陷。此問題在非專業施工隊伍中經常出現。

b. 耐火襯里養護和烘爐不到位。耐火襯里施工后，需先進行養護，在開車前應依據耐火襯里廠家提供的烘爐曲線進行烘爐；耐火襯里施工后在最終烘爐之前，需進行吊裝、運輸時，還應先預烘爐至表干。養護和烘爐時間不足，會造成耐火襯里強度不足，易出現裂紋等諸多質量問題。造成這一問題的多因建設單位盲目催促進度，不遵循耐火襯里施工規律，未嚴格按照耐火襯里養護和烘爐方案執行所致。

c. 施工或養護溫度不當。施工和養護溫度過低，會明顯影響耐火襯里的強度趨勢，溫度低于0℃時會導致耐火襯里凍壞；溫度過高會影響耐火襯里的凝結硬化和常溫強度。耐火襯里的施工和養護環境溫度在有取暖措施的廠房中一般可達到，但在施工現場則常因難以做到而被忽視。因此建議對新設備耐火襯里的澆筑工作最好在廠房內，完成后運至施工現場。更換耐火襯里時，建設單位和耐火襯里施工單位應對施工溫度控制引起高度重視，依據不同環境，采取有效措施，保證耐火襯里施工和養護的溫度適宜。

1.2誤做外保溫

由于廢熱鍋爐的前、后管箱等部位如無特殊情況均設置了耐火襯里，此時不可做外保溫。誤做外保溫相當危險，廢熱鍋爐管箱的設計溫度遠低于工藝氣溫度。開車運行后，由于外保溫層的存在，廢熱鍋爐管箱外壁側無法散熱，管箱金屬會很快超出設計溫度。由于外保溫層的包覆，金屬超溫后不易立即發現，往往在管箱變形鼓包后才被發現。處理稍不及時，則非常容易造成泄漏甚至設備爆炸等重大事故。為防止這一情況的發生，建議設計單位均在供貨的廢熱鍋爐管箱明顯處標注“此處不做外保溫”等警示文字。

1.3更改上升下降管走向

廢熱鍋爐的換熱管熱負荷往往很大，為防止換熱管溫度過高，必須保證有連續的水膜沖刷管壁及時帶走熱量。這就需要廢熱鍋爐系統有良好的水循環，保證其水循環倍率在一定的范圍內。廢熱鍋爐一般采用自然循環，即依靠上升管和下降管中水的重度差實現循環。廢熱鍋爐的水循環需由專業人員綜合考慮廢熱鍋爐系統中的廢熱鍋爐、汽包、上升管、下降管等設備或部件，反復核算調整后確定。用戶更改上升、下降管走向后，會改變廢熱鍋爐系統中的各項阻力，從而改變廢熱鍋爐的水循環[4，5]。當實際水循環倍率超出一定范圍后，會導致換熱管管壁和管板超溫過熱甚至爆管，從而影響廢熱鍋爐的安全正常運行。

2 操作問題

2.1改變操作工況

隨著行業水平的提升，超負荷、超壓、超溫運行的情況現已很少出現。但降壓、降溫、降負荷使用卻時有發生。由于廢熱鍋爐的設計遠比一般換熱器復雜，涉及管板應力分析、熱負荷計算、水循環計算、高溫腐蝕以及露點腐蝕等各方面的問題。即便降壓、降溫、降負荷使用也會出現各種問題。如某些工況下，降負荷使用會導致出口溫度過低而發生露點腐蝕；某些情況下會因蒸汽側降溫、降壓造成管板應力變化等問題。因此如需改變操作工況，應提前通知專業廠家進行核算，確認設備能夠在此工況下運行后再做更改。

2.2水質問題

廢熱鍋爐對水質要求較高[6，7]。水質不良會導致廢熱鍋爐結垢、腐蝕及品質惡化等一系列問題，嚴重時可造成腐蝕穿孔甚至過熱爆管等事故。廢熱鍋爐水質不合格造成的影響主要有：

a. 結垢。水質不良時，常會導致廢熱鍋爐傳熱面上形成一層堅硬而致密的水垢層。水垢層形成后，使管壁溫度升高，結垢嚴重時會造成超溫爆管。積垢嚴重時，大量的結垢或垢層脫落的沉積物會造成循環回路阻力增大，嚴重時會堵塞流道，引起因水循環不良而導致的事故。此外，廢熱鍋爐水側沉積的水垢還會造成垢下腐蝕。

b. 影響蒸汽品質。水質不良，會使廢熱鍋爐產生的蒸汽中水含量增加，并會攜帶雜質，影響蒸汽的品質。如所產蒸汽用于透平，蒸汽中攜帶的硅酸類雜質及其他雜質會在蒸汽通過的各個部位沉積(在過熱器、透平等設備上形成垢層)從而產生諸多不利影響。

2.3水位控制不當

2.3.1上水速度過快

上水速度過快，尤其是在低水位時大量上水，易在短時間內出現換熱管周邊的水為未飽和水，即“欠焓”現象。欠焓現象會導致換熱面傳熱工況瞬間惡化，不但會在短時間內出現工藝氣出口溫度急劇上升，不利于后續工藝生產，而且會對設備產生熱沖擊。熱沖擊對設備影響很大，嚴重時會直接導致廢熱鍋爐壞損。

2.3.2干鍋

干鍋是指部分或全部換熱管周圍已無水，處于“干燒”狀態，它會導致廢熱鍋爐管板和換熱管溫度急劇升高，很容易造成換熱管和管板壞損。因此，干鍋在操作中嚴禁出現。但在實際生產過程中卻時有發生，發生干鍋的主要原因有備用供水泵出現故障未及時更換、排污不當、自動上水控制調節系統失靈以及操作人員疏忽大意等。這一情況在缺乏生產經驗的用戶中較常見。

更嚴重的是，發生干鍋后沒經驗的操作人員往往會采取立即往汽包內加水的處理方法。干鍋后應緊急停車，絕對禁止向汽包內注水，否則進水后換熱管和管板會由于激冷而產生很大的熱沖擊而破裂。同時會大量產生蒸汽，壓力猛漲，嚴重時會發生爆炸事故。

2.4操作波動過大

在開、停車及調整廢熱鍋爐產氣壓力時，應注意緩慢調整廢熱鍋爐產汽側的壓力，并注意控制上水速度。產汽側壓力上升過快或上水速度過快，易出現“欠焓”現象。產汽側壓力下降過快，容易造成劇烈蒸發。“欠焓”和短時間劇烈蒸發均會對設備產生熱沖擊，嚴重時會直接導致設備壞損。

3 結束語

廢熱鍋爐的安裝、運行有自身的規律和特點，為保證廢熱鍋爐長周期安全運行，除需廢熱鍋爐的設計、制造者不斷努力，還需廢熱鍋爐的使用者對此設備給予高度重視，充分了解廢熱鍋爐的特點和運行規律。目前有很多廢熱鍋爐的故障是由于錯誤安裝和操作失誤造成的，這需要各生產廠家在廢熱鍋爐設備安裝時選擇正規的、有經驗的安裝隊伍，同時嚴格按照總設計方和專業廠家提供的安裝說明規范安裝；在生產運行時，提高對廢熱鍋爐操作的重視程度，積極與專業廠家合作，規范并嚴格執行操作規程，提高操作人員的素質。

[1] GB 50474-2008，隔熱耐磨襯里技術規范[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[2] SH 3531-2003，隔熱耐磨襯里技術規范[S].北京：中國石化出版社，2004.

[3] 古大田，方子風.廢熱鍋爐[M].北京：化學工業出版社，2002:330～338.

[4] 安連想，雷飛，孟繁然，等.新型結構的廢熱鍋爐在甲烷化裝置中的應用[J].化工設備與管道，2015，52(5):29～31.

[5] 袁紹華，蔡武昌.廢熱鍋爐技術問答[M].北京：化學工業出版社，2008:34～38.

[6] 馮殿義，李曉東.廢熱鍋爐維修手冊[M].北京：化學工業出版社，2009:107～118.

[7] 沈文朋，王蓉，張合生，等.廢熱鍋爐換熱管爆管事故分析及防止措施[J].化工機械，2014，41(5): 254～256.

(Continued from Page 389)

tubes. Basing on temperature field, velocity field and CaSO4concentration field and the fouling model simulated, the CaSO4scale deposition rate, erosion rate, net deposition rate and fouling resistance’s variation with time were calculated. Analysis results show that, rise of CaSO4concentration can increase fouling’s mass deposition rate and denudation rate and resistance; the bigger pitch of square spiral tube can reduce tube fouling’s mass deposition rate and denudation rate and resistance; and increase of inlet velocity can decrease fouling’s mass rate and resistance in the tube. Analyzing the variation trend of dirt’s net deposition rate in spiral tubes with different pitches indicates that in a certain stage, the fouling rate in the tube is negative, and that is to say the square spiral tube has a certain anti-scale effect in a certain time. Smaller CaSO4concentration and bigger pitch of the square screw tube as well as higher inlet velocity can bring about better scale inhibition effect.

square spiral tube, crystallization fouling, fouling resistance, numerical calculation

*齊 波，男，1983年7月生，工程師。甘肅省蘭州市，730060。

TQ054

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0254-6094(2016)03-0407-03

2015-12-03，

2016-03-07)