劉宏臣 范姜玲 韋 晨 張 旭

(天津市特種設備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 天津 300192)

提到鍋爐的安全運行，人們更多地想到的是如何提高鍋爐的質(zhì)量、如何加強鍋爐的運行管理；而提到鍋爐的節(jié)能運行，人們則往往想到的是如何通過改善鍋爐結(jié)構(gòu)、使用節(jié)能產(chǎn)品提高鍋爐的熱效率?？陀^地說，上述解決方案的確對保障鍋爐安全、高效運行起到了良好地作用，但筆者認為，加強鍋爐水質(zhì)管理則是保障鍋爐安全運行、提高鍋爐效率的一個良方。

1 鍋爐水質(zhì)管理的重要性

水質(zhì)管理失控，特別是由此引起的水垢是鍋爐的“百害之源”，主要體現(xiàn)在：

1.1 嚴重影響鍋爐安全運行

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，鍋爐因水垢引起的事故占鍋爐事故總數(shù)的20%以上[1]，不但造成設備損失，也威脅著人身安全。具體表現(xiàn)有：

●1.1.1 導致事故

2010年7月，天津市某加工廠一臺LSG0.3-0.4-AⅡ型立式橫水管鍋爐發(fā)生爆炸事故，造成一人死亡?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)鍋爐下腳圈內(nèi)大量積渣，積渣高度達到300mm，鍋爐橫水管內(nèi)同樣覆蓋大量水垢。調(diào)查結(jié)果表明，事發(fā)前，事故單位對鍋爐水質(zhì)的管理嚴重失控：水處理設備一直沒有投用，而是直接使用硬度達到了標準規(guī)定值的2.25倍的深井水作為鍋爐的給水；在鍋水管理方面，由于投堿量和排污均不足，使得同工況的另一臺鍋爐中溶解固形物超過標準規(guī)定值1.5倍，總堿度和酚酞堿度分別為0.94mmol/L和0.27mmol/L，遠遠低于標準規(guī)定值的下限8mmol/L和6mmol/L。水質(zhì)管理的嚴重失控導致鍋爐內(nèi)結(jié)生了大量水垢，由于水垢的傳熱系數(shù)遠低于鋼材，因此造成爐膽局部發(fā)生了超溫現(xiàn)象，并進一步導致爐膽彈性模量下降，加上事故發(fā)生時鍋爐處于相對較高的壓力條件下，兩者共同作用，造成了爐膽失穩(wěn)變形，并最終在爐排剛性支撐位置產(chǎn)生撕裂，造成了爆炸[2]。

●1.1.2 降低金屬的機械強度

由于熱傳導性能差，水垢會使金屬表面溫度急劇升高，當q=175×103W/m時，lmm厚水垢使壁溫升高約180℃，3mm厚水垢使壁溫升高約350℃。金屬壁溫的升高會使金屬機械強度降低，并在鍋爐內(nèi)壓的共同作用下造成鍋筒下部過熱鼓包，水冷壁管變形、鼓包甚至爆管。

●1.1.3 堵塞管路，影響鍋爐正常的水循環(huán)

水垢會減小受熱管內(nèi)部流通截面，增加管內(nèi)水循環(huán)的流動阻力，嚴重時甚至導致管路完全堵塞，從而破壞鍋爐水循環(huán)的正常工作，使管子燒壞造成事故發(fā)生。

●1.1.4 造成鍋爐腐蝕

正常情況下，由于水的存在，鍋爐金屬構(gòu)件都會或多或少的發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，這些金屬腐蝕產(chǎn)物被鍋水攜帶到鍋爐受熱面上后，容易與其他雜質(zhì)結(jié)成水垢，含有高價鐵的水垢，容易引起與水垢接觸的金屬鐵腐蝕，而鐵的腐蝕產(chǎn)物又容易重新結(jié)成水垢。此外，在鍋爐運行中，鍋水可能從水垢的孔隙中滲入垢層并很快被蒸干，從而使鍋爐水在垢層高度濃縮，各種雜質(zhì)的濃度變得很高。若水中含有游離氫氧化鈉時，會導致沉積物下的爐水pH值升高，當pH值＞13時，就很容易使設備發(fā)生堿性腐蝕；當給水含有氯化物時，那么沉積物下就會發(fā)生酸性腐蝕。這三種腐蝕都會與結(jié)垢相互促進，形成惡性循環(huán)，從而導致鍋爐構(gòu)件的迅速損壞。

1.2 影響鍋爐熱效率

水垢對鍋爐熱效率的影響主要體現(xiàn)在其導熱系數(shù)小。水垢因其化學成分和特征不同，其熱導率差別很大，但總體來說，其導熱系數(shù)僅為鋼板傳熱系數(shù)(47～58W/m·℃)的數(shù)十分之一到數(shù)百分之一，見表1，熱導系數(shù)低直接造成了如下影響。

表1 各種水垢的導熱系數(shù)[3]

(續(xù)表)

●1.2.1 增加燃料的消耗

當鍋爐結(jié)有水垢時，會降低設備的傳熱效率。假設水垢的導熱系數(shù)約1.2W/m·℃，鋼板的導熱系數(shù)為48W/m·℃，則1mm厚的水垢熱阻相當于40mm厚的鋼板熱阻。水垢不僅影響傳熱，幾毫米厚的水垢會使傳熱效率下降一半，為保證鍋爐的出力，就必須提高火側(cè)的溫度，從而屬使熱損失增加，造成大量燃料的浪費。對于一臺4t/h鍋爐，燃用Ⅱ類煙煤，燃料消耗量約740kg/h，如果積有1.5mm厚的水垢，則每小時浪費燃料約22.2kg，全年運行6000h，則浪費133.2t煤。有文獻指出，鍋爐結(jié)1mm厚的垢多耗煤5%～8%，鍋爐效率降低1%～2%[4]，也有文獻直接給出了水垢的厚度與燃料損失對比表(見表2)。

表2 水垢的厚度與燃料損失對比[5]

●1.2.2 降低鍋爐出力

當鍋爐結(jié)有水垢時，火側(cè)的熱能不能很快傳遞給爐水，同時水循環(huán)管路結(jié)垢也會減少流通面積，從而導致鍋爐出力降低。

1.3 水垢的其它影響

由于水垢人工清除難度很大，因此往往要采用專用的煮爐藥劑或進行化學清洗才能清除，可見水垢除了會導致鍋爐出現(xiàn)泄漏、裂紋、變形、腐蝕等問題外，還會導致鍋爐運行、維護和檢修過程中大量的人力、物力、財力的額外開銷。

從上述分析不難看出，水質(zhì)管理對保障鍋爐安全、提高鍋爐熱效率的作用不可忽略，正如美國統(tǒng)計資料所介紹的，水處理的基建和運行費用，占各項節(jié)約費用的四分之一，可以說對鍋爐進行水處理，從全局講是“一本萬利”的事。

2 天津市鍋爐水質(zhì)現(xiàn)狀

2.1 宏觀情況

劉宏臣[6]等人在對21438份鍋爐定期檢驗報告進行分析后得出，在9大類外部檢驗缺陷中，水處理方面的問題以19.3%的缺陷率高居榜首(見圖1)，其中化驗記錄及項目和汽水品質(zhì)及化驗數(shù)據(jù)分別占到水處理問題的49.4%和42.8%；在8大類內(nèi)部檢驗缺陷中，出現(xiàn)水垢缺陷的設備占了設備總量的18.9%，而出現(xiàn)腐蝕、變形、裂縫等其它七類缺陷的設備在設備總量中所占的比例則都在5%以下(見圖2)。

對天津特檢院2009年11月至2014年8月間出具的20330份水質(zhì)化驗報告的統(tǒng)計表明，水質(zhì)的總體合格率只有不足85%，雖然經(jīng)過本市監(jiān)察機構(gòu)和檢驗機構(gòu)的共同努力，鍋爐的月平均水質(zhì)合格率由2009年11月的17.4%提高到了95%左右(見圖3)，但從設備總量上看，天津至少還有500余臺鍋爐的水處理是不達標的，這一數(shù)據(jù)足以讓筆者等人不安。

圖1 各大類統(tǒng)計項目平均缺陷率

圖2 鍋爐本體上8大類缺陷的出現(xiàn)率

圖3 水質(zhì)報告合格率統(tǒng)計圖

2.2 常見水質(zhì)指標分析

工業(yè)鍋爐的水質(zhì)指標[7]按水的類型分為原水、給水、鍋水、回水四大類指標；從具體項目上又分為溶解固形物、pH值、全堿度、酚酞堿度、氯化物、總硬度、含油量、相對堿度、濁度、全鐵、電導率、磷酸根、亞硫酸根、溶解氧等多個指標；對于具體的鍋爐來講，其水質(zhì)指標因鍋爐種類、壓力等級、循環(huán)方式、給水類型等因素的不同而有所不同，這里不再贅述。

對水質(zhì)化驗報告中給水和鍋水兩大類12個指標的適用報告數(shù)和合格情況的統(tǒng)計結(jié)果表明，在全部12個統(tǒng)計指標中，給水的pH值、全鐵含量、油含量、濁度、硬度和鍋水的pH值等6項指標適用的設備數(shù)最多，應引起足夠的重視。而鍋水pH值、酚酞堿度、總堿度、溶解固形物和給水電導率、硬度等6個指標不但是直接影響鍋爐結(jié)垢的因素，其合格率也相對較低，統(tǒng)計結(jié)果顯示鍋水的pH、酚酞堿度、總堿度的合格率都只有92%左右，給水硬度的合格率只有93%左右，給水電導率和鍋水溶解固形物的合格率都只有95%左右，應作為鍋爐水質(zhì)日常管理的重點，見圖4。

圖4 鍋爐水質(zhì)化驗報告分析指標統(tǒng)計情況

●2.2.1 總硬度

硬度按水中陰離子存在的情況分為碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度兩種，總硬度是指水中含有鈣、鎂離子的總和，即碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度之和[1]。

在蒸汽鍋爐運行過程中，純水變?yōu)檎羝慑仩t送出，而給水中所含的鹽類則留在鍋爐內(nèi)，因此，鍋水中的鹽濃度會不斷升高。同時由于硫酸鈣和碳酸鈣在水中均為微溶物，且其溶解度隨溫度的升高而明顯降低(硫酸鈣在25℃時溶解度為2028mg／L，在100℃時為1620mg／L；碳酸鈣的溶解度在常溫下約為14mg／L，在315℃的高溫下僅為4mg／L[4])，因此隨著溫度上升，這些物質(zhì)很容易達到飽和甚至過飽和狀態(tài)，并析出一些鈣鎂鹽類，形成沉積物。此外，在爐水中的濃度相對偏高的二氧化硅、碳酸氫鈣和碳酸氫鎂等可溶性重碳酸鹽的受熱分解、蒸汽鍋爐給水及熱水鍋爐回水中的泥沙沉積等都會產(chǎn)生難溶性的沉積物，如果這些沉積物不能及時排出爐外，就會在鍋爐部件表面沉淀，形成水垢。由此可見，控制鍋爐給水硬度是控制鍋爐水垢生成的最有效措施。

表3所示為給水硬度實測值的統(tǒng)計表，從表3中可以看出，雖然適用的36份中壓鍋爐水質(zhì)報告的給水硬度值都符合≤0.005的標準，但數(shù)量最多的低壓蒸汽和汽水兩用鍋爐給水硬度值的不合格率都達到7%左右，鍋內(nèi)加藥處理的鍋爐給水硬度因標準值放寬不合格率較鍋外處理的低，但仍有超過3%的不合格率，可見給水硬度的控制是所有鍋爐必須加強的一項工作。

表3 給水硬度實測值統(tǒng)計表

(續(xù)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種鹽類。在105℃～110℃不揮發(fā)性鹽類含量的總和值越大，說明水質(zhì)越差。溶解固形物是判斷水質(zhì)好壞的一個重要指標， 當鍋爐給水中溶解固形物值過高時，易造成鍋爐汽、水共騰和鍋爐腐蝕。

氯化物[1]是指水中氯離子的含量，鍋爐水中氯化物含量越少，水質(zhì)就越好。

國家對氯離子的檢測并沒含量上的具體規(guī)定，而是對溶解固形物含量進行了明確的規(guī)定。然而在實際的水質(zhì)監(jiān)測中，對溶解固形物的分析比較復雜，所涉及的分析儀器和設備較多，而且分析結(jié)果的產(chǎn)生周期長。相比溶解固形物而言，氯化物具有檢測方法簡單，在爐內(nèi)的高溫作用下不易分解、揮發(fā)、沉淀，能夠穩(wěn)定的存在于鍋爐水中，且由于氯化物在鍋爐內(nèi)濃縮的情況與同等條件下鍋爐水中溶解固形物存在較為明顯的比例關系，即在原水水質(zhì)較為穩(wěn)定的情況下，爐水溶解固形物與氯離子的比值為常數(shù)，因此，在實際的檢測中，多通過測量氯離子的濃度，然后利用爐水溶解固形物與氯離子的比例關系來推定溶解固形物的濃度，進而實現(xiàn)二者之間的指標轉(zhuǎn)化[8]。

表4 鍋水溶解固形物實測值統(tǒng)計表

(續(xù)表)

表4所示為鍋水溶解固形物實測值統(tǒng)計表，從中可以看出，適用報告中的鍋水溶解固形物不合格率都在4%左右，鍋內(nèi)投藥的蒸汽鍋爐和汽水兩水鍋爐則達到了6.5%以上，可見鍋水溶解固形物控制是所有蒸汽和汽水兩用鍋爐必須加強的一項工作。

●2.2.3 給水電導率

電導率是用來衡量鍋爐水或蒸汽的純凈程度常用方法[9]。經(jīng)給水進入鍋爐中的各種鹽會因鍋爐蒸發(fā)過程的濃縮作用而富集，并可能形成各種水垢，因此必須嚴格控制給水的含鹽量。工廠測定水中含鹽量的方法通常是蒸干法，但這種方法耗時長，不利于快速測定?？紤]到水中溶解的鹽類大都是強電介質(zhì)，它們在水中都電離成了能夠?qū)щ姷碾x子，離子濃度越高，電導率越大，所以水的電導率可反映出含鹽量的多少，進而實現(xiàn)通過測量電導率間接測定含鹽量的目的。

根據(jù)GB/T 1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》的規(guī)定，給水電導率是額定蒸汽壓力p在1.0＜p＜3.8MPa范圍內(nèi)的自然循環(huán)蒸汽鍋爐和汽水兩用鍋爐必須要分析的一個重要指標，其中當1.0＜p≤1.6MPa且使用軟化水作為鍋爐給水時要求其電導率小于等于550，使用除鹽水作為給水時要求其電導率小于110，當1.6＜p≤2.5MPa，且使用軟化水作為給水時要求其電導率小于等于500。

從表5可以看出，額定蒸汽壓力在1.0～1.6MPa范圍內(nèi)的鍋爐，其給水不合格率最高，達到7.75%，不合格數(shù)量占到給水電導率不合格總數(shù)的99.1%，可見加強對這類鍋爐的給水電導率的控制是提高給水合格率的重中之重。

表5 給水電導率實測值統(tǒng)計表

(續(xù)表)

●2.2.4 pH值

pH值是表示水酸堿性強弱的一項指標，其標準值的確定是根據(jù)pH值對水中其他雜質(zhì)的存在形態(tài)和各種水質(zhì)控制過程以及水對金屬的腐蝕程度有密切的關系而確定的，是最重要的水質(zhì)指標之一[1]，與鍋水總堿度、酚酞堿度關聯(lián)性很強，并對水垢的形成有著直接的影響，因此國家工業(yè)鍋爐水質(zhì)標準對給水和鍋水的pH值都提出了明確的要求。但由于在實際的鍋爐運行管理中給水的pH值控制難度較小，且在圖4所示的四個合格率較低的鍋水指標中，鍋水總堿度、酚酞堿度均與pH值有較大的關聯(lián)性，因此，本文只對鍋水的pH值指標進行重點分析。

表6所示為鍋水pH值實測值的統(tǒng)計表，從表中可以看出，不合格率最高的是標準要求值在9～12的，但其適用范圍較小，相比較起來，標準要求值在9～11的鍋爐其鍋水pH值不合格數(shù)更高，查詢GB/T 1576—2008可知，只有熱水鍋爐和額定工作壓力p為2.5＜p＜3.8MPa，且使用除鹽水的自然循環(huán)蒸汽鍋爐或汽水兩用鍋爐鍋水的pH值要求范圍才為9～11，又對所統(tǒng)計的報告進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，采用這一標準的報告中，熱水鍋爐占99.5%以上，所以可以認為，熱水鍋爐鍋水pH值不合格是造成鍋水pH值總體不合格率偏高的原因。同時，從表6還可以看出，實際測試結(jié)果中部分鍋水pH值與標準值的偏差值較大，最低只有0.72，最高則達到了13.82，熱水鍋爐低于標準值下限的達到333臺次，占適用的報告總數(shù)的3.4%，高于標準值上限的達到702臺，占適用的報告總數(shù)的7.2%，可見急需對熱水鍋爐鍋水pH值的控制情況進行嚴格管理。

表6 鍋水pH值實測值統(tǒng)計表

3 結(jié)論

通過前述分析不難得出如下結(jié)論：

1)加強水質(zhì)管理對保障鍋爐安全高效運行非常重要。

2)水質(zhì)問題是現(xiàn)階段鍋爐日常監(jiān)察管理中出現(xiàn)頻率最高的問題。

3)控制鍋爐給水硬度是控制鍋爐水垢生成的最有效措施之一。

4)鍋水溶解固形物控制是所有蒸汽和汽水兩用鍋爐必須加強的一項工作。

5)加強對額定蒸汽壓力在1.0～1.6MPa范圍內(nèi)的鍋爐的給水電導率的控制是提高給水合格率的重中之重。

6)對熱水鍋爐鍋水pH值的控制情況需要進行嚴格管理。

[1]周艷方.水質(zhì)不良對鍋爐的影響[J].品牌與標準，2011,(16):47.

[2]天津市寶坻區(qū)大口屯鎮(zhèn)7.22鍋爐爆炸事故調(diào)查報告，天津市寶坻區(qū)大口屯鎮(zhèn)7.22事故調(diào)查組，2010.8

[3]王保衛(wèi),瞿玉華.淺談鍋爐水垢與燃料消耗[J].工業(yè)鍋爐，1996，(45)：46-49.

[4]高艷春，郭維，鄭綠茵.工業(yè)小型鍋爐中鈣垢的形成及控制研究[J].江西化工，2009，(01)：11-13.

[5]高海宏.重視排污 節(jié)約能源[J].節(jié)能與環(huán)保，2005，(02)：47-48.

[6]劉宏臣，張旭，毛富杰，等.從檢驗報告統(tǒng)計數(shù)據(jù)看鍋爐管理和檢驗的側(cè)重點[J].中國特種設備安全，2008，24(08)：1-8.

[7]GB/T 1576-2008 工業(yè)鍋爐水質(zhì)[S].

[8]文華.鍋爐水質(zhì)常測項目的意義與處理意見[J].科技創(chuàng)新導報，2011，(31)：79.

[9]龐承新，張麗霞，陸琳心，等.鍋爐用水中電導率與含鹽量關系的研究[J].廣西師范學院學報(自然科學版)，2008，25(04)：61-65.