对WNS热水锅炉泄漏检验的启示

【摘要】在对WNS热水炉的检验中，可以规纳一个共同的特点，即泄漏总是发生在一个特定的区域：卧式内燃三回程下位炉胆燃气热水炉管板孔桥开裂，烟管裂纹总是发生在内前管板两侧45°方位居中位置。这种特定的部位显然是与设计结构有关，虽然在裂纹处附有很多的水垢或沉积泥沙等污垢，依然可以表明是结构造成的。

【关键词】热水炉检验；卧式内燃；管板开裂

1、下面分几个方面来陈述热水炉的特点

1.1 热水锅炉炉水是单工质，炉水不沸腾运行时只有显热的变化没有潜热存在，是不饱和炉水。用热水采暖是热水重量比热，比蒸汽比热大得多，系统蓄热能力强，供暖安全平稳舒适。

1.2 热水锅炉炉水自然循环压头，来自炉水温差而产生的密度差，由于载带的只是显热与同样热功率的蒸汽炉相比工质循环流量要大20多倍，因此自然循环压头很小，因要保证经济流速在2m/s右左，进出水管径要比蒸汽炉大许多。

1.3 由于炉水不蒸发浓缩因此水质可略低于蒸汽炉，但运行中要减少失水，控制补水硬度并定期排污。

1.4 热水炉运行时要防止汽化，出水温度低于运行压力下相对应饱和温度20℃以上，以保障运行安全。

2、卧式内燃锅壳式热水炉的炉胆位置

对炉胆面言，不论是蒸汽炉，还是热水炉，不管炉胆布设在什么位置，都是浸没在炉水中的辐射受热面。其单位面积的吸热率他很高，炉胆外表面有水层附着辐射换热使炉胆金属温度只比炉水高出约50℃，这是由于胆壁金属导热热阻很小，大部分温差都用在克服胆内壁金属氧化层、灰垢，甚至还有积碳的热阻上。炉胆金属温度与附着表面炉水温差也是炉胆金属的储蓄热。由于炉胆的强烈辐射换热，在炉胆外表面附着的水层内部产生大量小汽泡，小汽泡聚集成汽膜，依靠浮力脱离受热壁面，向上升溢出蒸汽，同时带动小汽泡四周贴附的水层升浮与进行热交换，小汽泡与其四周的炉水构成汽水混合物密度减小而远离炉胆壁的炉水受热差，水温低密度大，则炉水与汽水混合物两者密度差与到顶高度H的乘积即自然循环压头△P=H△r（式中△r 为由密度差△P 形成的重度差）在流动压头△P的推动下，炉水不断地进行自然循环，这也表明热水炉的自然循环的流动压头的强弱与炉胆的位置有关。

2.1 炉胆在下位。炉胆在下位的卧式内燃三回程热水炉，其上有二回程管束，虽然二回程烟管也能产生自然循环推动压头△P但管内烟温已降低其外部炉水已有下位炉胆加热，两者温差减小，换热量Q=αF△t也很小，所以烟管的自然循环压头△P很小。在炉胆上部的二回程烟管束层叠布设，上层管束对下层管束产生的向上浮升流动压头形成阻碍，、整个二回程管束也阻碍了下位炉胆向上的浮升推动压头，这样下位炉胆热水炉，一定高度的自然循环流动压头△P是沿高度方向由下向上递减，炉胆虽然有很强劲的向上推动压头，但在上浮时遇到上面烟管束阻拦和四周过冷炉水的包围与换热而削弱。在内前管板处就会形成高热负荷低流速。这是产生局部过冷沸腾的必备条件，也使内前管板过热的必然结果。

2.2 炉胆在上位。上位炉胆在一定高度下的自然循环推动压头△P是沿高度方向从下到上是由小到大逐渐递增，水温度也是由下到上逐步提高，是顺应着自然循环的流动方向，压头和水温的递增是与自然循环路线相伴而行。这样可以减少或避免在内前管板区域过冷沸腾的发生。适用于热水锅炉。

3、热水炉的运行工况分析

热水炉属于大容器低流换热设备，炉水不沸腾加热只是提高或改变炉水的显热，只是改变炉水的蓄热能力仅是紧贴加热表面很薄的一层炉水温度才有明显升高。并产生小汽泡，其他区域的炉水尚末达到饱和温度仍然是欠热炉水。

这种局部汽化还会因流速过低而形成汽膜，使炉水中的盐类被加热蒸浓而产生水垢，使受热面壁温因垢热阻增大，升温过热的恶性循环，因为汽膜的导热系数很小λ汽=0.025千卡/米.时℃，炉水导热系数λ水=0.5千卡/米.时℃两者相差20倍这也是过冷沸腾的必然后果，这也说明过冷沸腾只能发生在低流速高热负荷自然循环不良的区域中。卧式内燃锅壳式热水锅炉，下位炉胆不管是强制循环还是自然循环都很难保证前后管板内侧附近的个别区域不存在呆滞区，过低的流速过高的热负荷而形成过冷沸腾。如加大二回程管束的管孔带将有利于水循环，减少发生管桥开裂的可能性。可防止因排管过密出现水循环呆滞而引发汽膜的存在。热水炉运行特点是间断启停，反复承受升温、降温的频繁变化，使这些区域产生热疲劳，同时缺乏对水质的行重视等，最终导致内前管板45°区域管裂纹管孔带开裂。

4、防止转烟室内前管板高温区开裂的措施

要防止管板高温区开裂纹，就要设法消除转烟室内前管板的呆滞区，使该区域的水处于较好地流动循环，促使附着的汽膜不能生成或使汽膜发生浮升移动，只有运动才能驱逐汽膜，只有流动才能使被汽膜附着的受热面得到冷却。

4.1 自然循环的规律。锅壳式热水炉是轴对称结构。炉水自然循环路线也是左右对称的，中间因受热向上浮升，如遇到阻碍仍绕行向上，而烟管与锅壳之间区域水温较低，又远离炉胆中心，因此水循环方向总是沿锅壳内壁向下流动。水循环的强弱程度取决于循环路线的高度，温度与受阻情况及上行与下行之间的密度差，防止管板开裂就要顺从炉水自然循环的规律，按自然循环的路线提高循环流速，减少流动阻力而提升流动压头，从故障成因中寻找对策。

4.2 内前管板开裂的提示。在内前管板高温区发生过冷沸腾为浓缩蒸发局部炉水中的杂质提供了条件。使重碳的酸盐受热分解成难溶的沉淀物、非碳酸盐也随温度的升高而溶解降低，当达到饱和浓度时析出结晶状沉积物而附着在受热面上成水垢，水垢导热系数很小约为钢导热系数的1/50～1/80自然循环速度很低，热负荷又很高，形成局部汽膜使難溶的盐类达到浓度积，形成致密的硬垢使传热进一步恶化，也提示硬垢聚积处是热强度较高处。疏松绵软水垢结在流速温度较低处。

4.3 为什么内前管板开裂总是发生在两侧45°方位中的位置？

烟管、炉胆转烟室都是浸没在炉水的圆柱形受热面均为水平放置，内都有加热源。在运行时其筒形外壁面都附着有小汽泡，紧贴壁向上浮升形成热流。

5、下半周水侧壁面

在小汽泡浮升流动过程中紧贴壁面继续不断受热和汽泡浮动碰撞聚积孕育成大汽泡，提升了浮力，当到达水平中心线时升浮力达到最大值，上升速度最大，为高速边缘流。而对单根烟管、烟管束也有关似情况。只是没有炉胆、转烟室那样明显。在受热的过程中，炉水携带的盐类被加热蒸浓析出固体悬浮物也随强劲边缘流向上抛洒和重力分离。超过水平中心线后，依据惯性顺势垂直向上浮升。失去结构约束也失去了热量支持，即失去了浮升向上的动力源。（下转第页）

（上接第页）在顺势向上垂直浮升的过程中要消失动能用于克服阻力，又遇到周边较凉的炉水进行换热，则很快将向上浮升的能量消耗殆尽而停止，即边缘流过中心水平线后跃升一段即停，所携带的固体悬浮物随即抛洒沉降。

6、上半周水侧壁面

过水平中心线后进入转烟室及炉胆的上半周的上拱形受热面，在内部都拥有热流载体的圆筒截面中，由于下半周为凹面的几何形状，有能使热量聚集聚交作用和热流本身具有向上飘逸的性能。使上拱形的转烟室和炉胆外壁面垂直中心线处和上拱形二回程管束的中心处形成强劲的中心热流。中心热流有足够的上升浮力足以穿透二回程烟管束的阻碍，贯穿大于阻挡而直挺向上成为强劲的中心热流。

7、在内前管板与烟管的结合部

对于下位炉胆，在内前管板与二回程烟管的结合部的水侧，有炉胆边缘流、炉胆中心流、转烟室边缘流和转烟室中心流。还存在着二回程烟管束热流但存在着下管束的热流向上升浮受到上排管束的阻挡。使上升速度降低。

在烟侧：转烟室内有900℃左右的高温烟气流在结合部位被分配为烟管束热流的结合面，在分配中由于处流通两截面不等，发生部分压力能转变为动能，造成入管口的摩擦阻力和时滞，使内前管板的为高热负荷区。

8、如何改善下位炉胆热水炉的自然循环

8.1 减少自然循环的流动阻力，二回程为顺排列管

8.1.1 下位炉胆热水锅炉在二回程烟管束的中间不布设烟管，留足宽的通道，下窄上宽150/200直通炉胆的垂直空间通道。使中心流更为强劲。带领引导45°方位附着的汽膜的升浮移动。

8.1.2 二回程45°方位处居中位置留出贯穿垂直空間的宽通道，二回程都为顺排，其余垂直通道可稍窄于45°方位。以减小阻力增强流动。

8.2.1 将回水由炉前顶部避开拉撑后进入锅筒垂直向下，到二回程烟管束上部，中分两侧沿二、三回程管束中间缝隙（相当于转烟室筒体外缘和内前管板板边自由呼吸段之间的空隙）下伸到二回程管束下瑞部以下约50mm处用管三通与水平的回水分配管相连（两边对称），水平分配管由三通向前至前管板处约40mm，向后至内前管板30mm处，封死两端。在水平回水分配管上开均流孔φ10，在两管端接一小管都针对45°方位管孔内径约20mm长度为可沿伸至45°方位的垂直向上方向，管端压扁成10mm宽，控制流速为2m/s，均流孔φ10孔位倾向为有利于炉水自然循环即顺势推动方向不得冲刷受热面壁。

8.2.2出水集水管为缝隙式，流速为1.5～2m/S，并略大于热水引出管的管径，两端者死，缝隙的总截面积等于集水管截面积，向后伸到内前管板边缘上方，向前到回水管处，即利用出水吸引牵拉内前板炉水的自然循环流动。即利用回水压头在水平分配管中由压力头 转换成速度头 促使呆滞区流动。从对热水炉的检验中获知内前管析孔桥开裂，烟管开裂等与二回程烟管的布设有很大关系。开裂的管排列主要为齐拉勃排列或错排。凡顺排列垂直通道较宽大水循环均顺畅，很少发现有水垢附着。这也说明了流动状态较好，凡烟管端开裂主要是：一、管端伸出过长。二、末贴胀就焊或欠胀，泄漏点都会发现有水垢在窄缝中。所以WNS热水炉要注意进出循环水的布设和二回程烟管的布设都要顺应炉水自然循环的规律。

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