热管锅炉热管爆管及失效原因分析

李斌东魏保杨

（江西省锅炉压力容器检验检测研究院）

廖礼平

（南昌大学)

热管锅炉热管爆管及失效原因分析

李斌东*魏保杨

（江西省锅炉压力容器检验检测研究院）

廖礼平

（南昌大学)

阐述了热管锅炉原理，介绍了热管热交换过程。从热管相容性、烟气腐蚀、烟气冲刷磨损、汽蚀和运行工况等方面分析了热管锅炉热管爆管及失效的原因。

热管锅炉 热管 爆管 失效 腐蚀 传热

1 热管锅炉介绍

热管锅炉系统主要由热管、水套、汽包、上升管、下降管等零部件组成，其结构如图1所示。

热管锅炉工作原理：热流体的热量通过热管传给水套内的饱和水 (饱和水由下降管输入)，并使其汽化，所产蒸汽 (汽、水混合物)经蒸汽上升管到达汽包，然后蒸汽经过集中分离，再经供汽主控阀输出。

2 热管原理

2.1 热管的结构

热管是一种传热性极好的传热元件。常用的热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管 （管壳），管内 （空腔内）有少量工作介质 （工作液）和毛细结构 （管芯），管内的空气及其他杂物必须清除干净。热管工作时利用了三种物理学原理：（1）在真空状态下，液体的沸点降低； （2）同种物质的汽化潜热比显热高得多； （3）多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。从传热状况看，热管沿轴向可分为蒸发段、绝热段和冷凝段 （凝结段）三部分，如图2所示。

图1 热管锅炉结构

图2 热管结构

2.2 热管的工作过程

如图3所示，当热管的一端受热时毛细管芯中的液体蒸发气化，蒸气在微小的压差下流向另一端并放出热量凝结成液体，然后液体再依靠多孔材料毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量便从一端传到了另一端。

图3 热管工作原理

在这一热量转移的过程中，具体包含了以下六个相互关联的过程：

（1）热量从热源通过热管管壁和充满工作液的吸液芯传递到液-气分界面；

（2）液体在蒸发段的液-气分界面上蒸发；

（3）蒸气腔内的蒸气从蒸发段流向冷凝段；

（4）蒸气在冷凝段内的液-气分界面上凝结；

（5）热量从液-气分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；

（6）在吸液芯内由于毛细作用 （或重力作用等）使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。

3 热管爆管及失效原因

导致热管锅炉热管爆管和失效的原因通常有下述几个方面。

3.1 热管相容性问题

热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应，各自也没有显著的物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。钢-水热管由于工作液体与管壳材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冷凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化。钢-水热管内化学反应机理如下：

在钢-水热管内，铁、杂质和水构成一种原电池。其中铁为阳极，杂质为阴极。杂质一般为FeC3、石墨等，为碳钢与水中所含有。水的电离度虽小，但仍有少量的OH-和H+生成。热管内主要的电化学反应过程如下：

3.2 烟气腐蚀问题

在热管锅炉的热源锅炉烟气中常含有一些SO2气体，SO2气体转化为SO3后遇水凝结成硫酸，引起露点腐蚀。其过程如下：

热管锅炉低温腐蚀是锅炉运行过程中常见的腐蚀形式之一。在锅炉运行过程中应尽量控制锅炉的运行温度，以降低低温腐蚀出现的可能性。

3.3 烟气冲刷问题

与普通锅炉一样，热管锅炉中的热管处于烟气冲刷的一侧也存在管道冲刷磨损问题。合理选择热管对流受热面上的烟气流速，能有效减少烟气中粉尘对热管的冲刷作用，粉尘长期对热管的冲刷将导致管壁变薄甚至穿孔。

3.4 汽蚀问题

热管锅炉的热管外存在套管 （水套），吸热介质 （水）从汽包下降管进入联箱后分流至各套管内，吸热介质 （水）流经套管时由于受热不均加之存在局部压降极易引起汽蚀问题。汽蚀造成热管放热段腐蚀严重，形成鼠咬状外表，严重时会产生沟槽状深痕。

3.5 运行工况问题

热管锅炉超温运行是引起锅炉超温爆管的主要原因之一。对于超温爆管的热管其爆管处钢材多有球化现象。另外，热管锅炉由于受限于其工艺特性，锅炉进口烟气量变化频繁，导致锅炉蒸发量变化频繁，受压部件的壁温随着汽包压力的变化而变化，压力不稳定，再加上温差应力的作用，其结果必然引起受压部件薄弱环节的损坏。

4 防止措施

对于热管相容性引起的失效问题，可以通过钢材钝化、工质内添加缓蚀剂等方法来解决，也可以采用排放法和渗透法来解决。

对于可能会产生低温腐蚀的热管，应尽量合理地设计热管使用条件，尽可能使热管在腐蚀露点以上的工况下使用。

对于存在烟气冲刷问题的热管，可以通过合理选择热管材料以及对钢管热管外电喷涂耐磨材料来加以预防。

对于由汽蚀引起的失效问题，可以通过改进设计以减少汽泡产生、使用抗汽蚀好的材料等方法来解决。

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Analysis on Tube Bursting and Failure of Heat Tube in Heat Tube Boiler

Li Bingdong Wei Baoyang Liao Liping

Describes the principle of heat tube boiler,introduces the heat transfer process of heat tube.And analyzes the causes of heat tube bursting and failure from tubes miscibility,gas corrosion,gas erosion,cavitation and operation condition.

Heat tube boiler;Heat tube;Tube bursting;Failure;Corrosion;Heat transfer

TQ 051.6

2012-02-17）

*李斌东，男，1985年生，硕士，工程师。南昌市，330029。