锅炉水质管理的重要性及天津市锅炉水质现状分析

刘宏臣 范姜玲 韦 晨 张 旭

(天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192)

提到锅炉的安全运行，人们更多地想到的是如何提高锅炉的质量、如何加强锅炉的运行管理；而提到锅炉的节能运行，人们则往往想到的是如何通过改善锅炉结构、使用节能产品提高锅炉的热效率。客观地说，上述解决方案的确对保障锅炉安全、高效运行起到了良好地作用，但笔者认为，加强锅炉水质管理则是保障锅炉安全运行、提高锅炉效率的一个良方。

1 锅炉水质管理的重要性

水质管理失控，特别是由此引起的水垢是锅炉的“百害之源”，主要体现在：

1.1 严重影响锅炉安全运行

统计数据表明，锅炉因水垢引起的事故占锅炉事故总数的20%以上[1]，不但造成设备损失，也威胁着人身安全。具体表现有：

●1.1.1 导致事故

2010年7月，天津市某加工厂一台LSG0.3-0.4-AⅡ型立式横水管锅炉发生爆炸事故，造成一人死亡。现场发现锅炉下脚圈内大量积渣，积渣高度达到300mm，锅炉横水管内同样覆盖大量水垢。调查结果表明，事发前，事故单位对锅炉水质的管理严重失控：水处理设备一直没有投用，而是直接使用硬度达到了标准规定值的2.25倍的深井水作为锅炉的给水；在锅水管理方面，由于投碱量和排污均不足，使得同工况的另一台锅炉中溶解固形物超过标准规定值1.5倍，总碱度和酚酞碱度分别为0.94mmol/L和0.27mmol/L，远远低于标准规定值的下限8mmol/L和6mmol/L。水质管理的严重失控导致锅炉内结生了大量水垢，由于水垢的传热系数远低于钢材，因此造成炉胆局部发生了超温现象，并进一步导致炉胆弹性模量下降，加上事故发生时锅炉处于相对较高的压力条件下，两者共同作用，造成了炉胆失稳变形，并最终在炉排刚性支撑位置产生撕裂，造成了爆炸[2]。

●1.1.2 降低金属的机械强度

由于热传导性能差，水垢会使金属表面温度急剧升高，当q=175×103W/m时，lmm厚水垢使壁温升高约180℃，3mm厚水垢使壁温升高约350℃。金属壁温的升高会使金属机械强度降低，并在锅炉内压的共同作用下造成锅筒下部过热鼓包，水冷壁管变形、鼓包甚至爆管。

●1.1.3 堵塞管路，影响锅炉正常的水循环

水垢会减小受热管内部流通截面，增加管内水循环的流动阻力，严重时甚至导致管路完全堵塞，从而破坏锅炉水循环的正常工作，使管子烧坏造成事故发生。

●1.1.4 造成锅炉腐蚀

正常情况下，由于水的存在，锅炉金属构件都会或多或少的发生腐蚀现象，这些金属腐蚀产物被锅水携带到锅炉受热面上后，容易与其他杂质结成水垢，含有高价铁的水垢，容易引起与水垢接触的金属铁腐蚀，而铁的腐蚀产物又容易重新结成水垢。此外，在锅炉运行中，锅水可能从水垢的孔隙中渗入垢层并很快被蒸干，从而使锅炉水在垢层高度浓缩，各种杂质的浓度变得很高。若水中含有游离氢氧化钠时，会导致沉积物下的炉水pH值升高，当pH值＞13时，就很容易使设备发生碱性腐蚀；当给水含有氯化物时，那么沉积物下就会发生酸性腐蚀。这三种腐蚀都会与结垢相互促进，形成恶性循环，从而导致锅炉构件的迅速损坏。

1.2 影响锅炉热效率

水垢对锅炉热效率的影响主要体现在其导热系数小。水垢因其化学成分和特征不同，其热导率差别很大，但总体来说，其导热系数仅为钢板传热系数(47～58W/m·℃)的数十分之一到数百分之一，见表1，热导系数低直接造成了如下影响。

表1 各种水垢的导热系数[3]

(续表)

●1.2.1 增加燃料的消耗

当锅炉结有水垢时，会降低设备的传热效率。假设水垢的导热系数约1.2W/m·℃，钢板的导热系数为48W/m·℃，则1mm厚的水垢热阻相当于40mm厚的钢板热阻。水垢不仅影响传热，几毫米厚的水垢会使传热效率下降一半，为保证锅炉的出力，就必须提高火侧的温度，从而属使热损失增加，造成大量燃料的浪费。对于一台4t/h锅炉，燃用Ⅱ类烟煤，燃料消耗量约740kg/h，如果积有1.5mm厚的水垢，则每小时浪费燃料约22.2kg，全年运行6000h，则浪费133.2t煤。有文献指出，锅炉结1mm厚的垢多耗煤5%～8%，锅炉效率降低1%～2%[4]，也有文献直接给出了水垢的厚度与燃料损失对比表(见表2)。

表2 水垢的厚度与燃料损失对比[5]

●1.2.2 降低锅炉出力

当锅炉结有水垢时，火侧的热能不能很快传递给炉水，同时水循环管路结垢也会减少流通面积，从而导致锅炉出力降低。

1.3 水垢的其它影响

由于水垢人工清除难度很大，因此往往要采用专用的煮炉药剂或进行化学清洗才能清除，可见水垢除了会导致锅炉出现泄漏、裂纹、变形、腐蚀等问题外，还会导致锅炉运行、维护和检修过程中大量的人力、物力、财力的额外开销。

从上述分析不难看出，水质管理对保障锅炉安全、提高锅炉热效率的作用不可忽略，正如美国统计资料所介绍的，水处理的基建和运行费用，占各项节约费用的四分之一，可以说对锅炉进行水处理，从全局讲是“一本万利”的事。

2 天津市锅炉水质现状

2.1 宏观情况

刘宏臣[6]等人在对21438份锅炉定期检验报告进行分析后得出，在9大类外部检验缺陷中，水处理方面的问题以19.3%的缺陷率高居榜首(见图1)，其中化验记录及项目和汽水品质及化验数据分别占到水处理问题的49.4%和42.8%；在8大类内部检验缺陷中，出现水垢缺陷的设备占了设备总量的18.9%，而出现腐蚀、变形、裂缝等其它七类缺陷的设备在设备总量中所占的比例则都在5%以下(见图2)。

对天津特检院2009年11月至2014年8月间出具的20330份水质化验报告的统计表明，水质的总体合格率只有不足85%，虽然经过本市监察机构和检验机构的共同努力，锅炉的月平均水质合格率由2009年11月的17.4%提高到了95%左右(见图3)，但从设备总量上看，天津至少还有500余台锅炉的水处理是不达标的，这一数据足以让笔者等人不安。

图1 各大类统计项目平均缺陷率

图2 锅炉本体上8大类缺陷的出现率

图3 水质报告合格率统计图

2.2 常见水质指标分析

工业锅炉的水质指标[7]按水的类型分为原水、给水、锅水、回水四大类指标；从具体项目上又分为溶解固形物、pH值、全碱度、酚酞碱度、氯化物、总硬度、含油量、相对碱度、浊度、全铁、电导率、磷酸根、亚硫酸根、溶解氧等多个指标；对于具体的锅炉来讲，其水质指标因锅炉种类、压力等级、循环方式、给水类型等因素的不同而有所不同，这里不再赘述。

对水质化验报告中给水和锅水两大类12个指标的适用报告数和合格情况的统计结果表明，在全部12个统计指标中，给水的pH值、全铁含量、油含量、浊度、硬度和锅水的pH值等6项指标适用的设备数最多，应引起足够的重视。而锅水pH值、酚酞碱度、总碱度、溶解固形物和给水电导率、硬度等6个指标不但是直接影响锅炉结垢的因素，其合格率也相对较低，统计结果显示锅水的pH、酚酞碱度、总碱度的合格率都只有92%左右，给水硬度的合格率只有93%左右，给水电导率和锅水溶解固形物的合格率都只有95%左右，应作为锅炉水质日常管理的重点，见图4。

图4 锅炉水质化验报告分析指标统计情况

●2.2.1 总硬度

硬度按水中阴离子存在的情况分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度两种，总硬度是指水中含有钙、镁离子的总和，即碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度之和[1]。

在蒸汽锅炉运行过程中，纯水变为蒸汽由锅炉送出，而给水中所含的盐类则留在锅炉内，因此，锅水中的盐浓度会不断升高。同时由于硫酸钙和碳酸钙在水中均为微溶物，且其溶解度随温度的升高而明显降低(硫酸钙在25℃时溶解度为2028mg／L，在100℃时为1620mg／L；碳酸钙的溶解度在常温下约为14mg／L，在315℃的高温下仅为4mg／L[4])，因此随着温度上升，这些物质很容易达到饱和甚至过饱和状态，并析出一些钙镁盐类，形成沉积物。此外，在炉水中的浓度相对偏高的二氧化硅、碳酸氢钙和碳酸氢镁等可溶性重碳酸盐的受热分解、蒸汽锅炉给水及热水锅炉回水中的泥沙沉积等都会产生难溶性的沉积物，如果这些沉积物不能及时排出炉外，就会在锅炉部件表面沉淀，形成水垢。由此可见，控制锅炉给水硬度是控制锅炉水垢生成的最有效措施。

表3所示为给水硬度实测值的统计表，从表3中可以看出，虽然适用的36份中压锅炉水质报告的给水硬度值都符合≤0.005的标准，但数量最多的低压蒸汽和汽水两用锅炉给水硬度值的不合格率都达到7%左右，锅内加药处理的锅炉给水硬度因标准值放宽不合格率较锅外处理的低，但仍有超过3%的不合格率，可见给水硬度的控制是所有锅炉必须加强的一项工作。

表3 给水硬度实测值统计表

(续表)

●2.2.2 溶解固形物和氯化物

溶解固形物[1]是指溶解于水中的各种盐类。在105℃～110℃不挥发性盐类含量的总和值越大，说明水质越差。溶解固形物是判断水质好坏的一个重要指标， 当锅炉给水中溶解固形物值过高时，易造成锅炉汽、水共腾和锅炉腐蚀。

氯化物[1]是指水中氯离子的含量，锅炉水中氯化物含量越少，水质就越好。

国家对氯离子的检测并没含量上的具体规定，而是对溶解固形物含量进行了明确的规定。然而在实际的水质监测中，对溶解固形物的分析比较复杂，所涉及的分析仪器和设备较多，而且分析结果的产生周期长。相比溶解固形物而言，氯化物具有检测方法简单，在炉内的高温作用下不易分解、挥发、沉淀，能够稳定的存在于锅炉水中，且由于氯化物在锅炉内浓缩的情况与同等条件下锅炉水中溶解固形物存在较为明显的比例关系，即在原水水质较为稳定的情况下，炉水溶解固形物与氯离子的比值为常数，因此，在实际的检测中，多通过测量氯离子的浓度，然后利用炉水溶解固形物与氯离子的比例关系来推定溶解固形物的浓度，进而实现二者之间的指标转化[8]。

表4 锅水溶解固形物实测值统计表

(续表)

表4所示为锅水溶解固形物实测值统计表，从中可以看出，适用报告中的锅水溶解固形物不合格率都在4%左右，锅内投药的蒸汽锅炉和汽水两水锅炉则达到了6.5%以上，可见锅水溶解固形物控制是所有蒸汽和汽水两用锅炉必须加强的一项工作。

●2.2.3 给水电导率

电导率是用来衡量锅炉水或蒸汽的纯净程度常用方法[9]。经给水进入锅炉中的各种盐会因锅炉蒸发过程的浓缩作用而富集，并可能形成各种水垢，因此必须严格控制给水的含盐量。工厂测定水中含盐量的方法通常是蒸干法，但这种方法耗时长，不利于快速测定。考虑到水中溶解的盐类大都是强电介质，它们在水中都电离成了能够导电的离子，离子浓度越高，电导率越大，所以水的电导率可反映出含盐量的多少，进而实现通过测量电导率间接测定含盐量的目的。

根据GB/T 1576—2008《工业锅炉水质》的规定，给水电导率是额定蒸汽压力p在1.0＜p＜3.8MPa范围内的自然循环蒸汽锅炉和汽水两用锅炉必须要分析的一个重要指标，其中当1.0＜p≤1.6MPa且使用软化水作为锅炉给水时要求其电导率小于等于550，使用除盐水作为给水时要求其电导率小于110，当1.6＜p≤2.5MPa，且使用软化水作为给水时要求其电导率小于等于500。

从表5可以看出，额定蒸汽压力在1.0～1.6MPa范围内的锅炉，其给水不合格率最高，达到7.75%，不合格数量占到给水电导率不合格总数的99.1%，可见加强对这类锅炉的给水电导率的控制是提高给水合格率的重中之重。

表5 给水电导率实测值统计表

(续表)

●2.2.4 pH值

pH值是表示水酸碱性强弱的一项指标，其标准值的确定是根据pH值对水中其他杂质的存在形态和各种水质控制过程以及水对金属的腐蚀程度有密切的关系而确定的，是最重要的水质指标之一[1]，与锅水总碱度、酚酞碱度关联性很强，并对水垢的形成有着直接的影响，因此国家工业锅炉水质标准对给水和锅水的pH值都提出了明确的要求。但由于在实际的锅炉运行管理中给水的pH值控制难度较小，且在图4所示的四个合格率较低的锅水指标中，锅水总碱度、酚酞碱度均与pH值有较大的关联性，因此，本文只对锅水的pH值指标进行重点分析。

表6所示为锅水pH值实测值的统计表，从表中可以看出，不合格率最高的是标准要求值在9～12的，但其适用范围较小，相比较起来，标准要求值在9～11的锅炉其锅水pH值不合格数更高，查询GB/T 1576—2008可知，只有热水锅炉和额定工作压力p为2.5＜p＜3.8MPa，且使用除盐水的自然循环蒸汽锅炉或汽水两用锅炉锅水的pH值要求范围才为9～11，又对所统计的报告进行统计发现，采用这一标准的报告中，热水锅炉占99.5%以上，所以可以认为，热水锅炉锅水pH值不合格是造成锅水pH值总体不合格率偏高的原因。同时，从表6还可以看出，实际测试结果中部分锅水pH值与标准值的偏差值较大，最低只有0.72，最高则达到了13.82，热水锅炉低于标准值下限的达到333台次，占适用的报告总数的3.4%，高于标准值上限的达到702台，占适用的报告总数的7.2%，可见急需对热水锅炉锅水pH值的控制情况进行严格管理。

表6 锅水pH值实测值统计表

3 结论

通过前述分析不难得出如下结论：

1)加强水质管理对保障锅炉安全高效运行非常重要。

2)水质问题是现阶段锅炉日常监察管理中出现频率最高的问题。

3)控制锅炉给水硬度是控制锅炉水垢生成的最有效措施之一。

4)锅水溶解固形物控制是所有蒸汽和汽水两用锅炉必须加强的一项工作。

5)加强对额定蒸汽压力在1.0～1.6MPa范围内的锅炉的给水电导率的控制是提高给水合格率的重中之重。

6)对热水锅炉锅水pH值的控制情况需要进行严格管理。

[1]周艳方.水质不良对锅炉的影响[J].品牌与标准，2011,(16):47.

[2]天津市宝坻区大口屯镇7.22锅炉爆炸事故调查报告，天津市宝坻区大口屯镇7.22事故调查组，2010.8

[3]王保卫,瞿玉华.浅谈锅炉水垢与燃料消耗[J].工业锅炉，1996，(45)：46-49.

[4]高艳春，郭维，郑绿茵.工业小型锅炉中钙垢的形成及控制研究[J].江西化工，2009，(01)：11-13.

[5]高海宏.重视排污 节约能源[J].节能与环保，2005，(02)：47-48.

[6]刘宏臣，张旭，毛富杰，等.从检验报告统计数据看锅炉管理和检验的侧重点[J].中国特种设备安全，2008，24(08)：1-8.

[7]GB/T 1576-2008 工业锅炉水质[S].

[8]文华.锅炉水质常测项目的意义与处理意见[J].科技创新导报，2011，(31)：79.

[9]庞承新，张丽霞，陆琳心，等.锅炉用水中电导率与含盐量关系的研究[J].广西师范学院学报(自然科学版)，2008，25(04)：61-65.