电站锅炉水冷壁管结垢分析

电站锅炉水冷壁管结垢分析侯伟峰（广东省特种设备检测研究院， 广东 广州 528251）[摘 要] 电站锅炉水冷壁管往往存在结垢现象。

本文阐述了结垢形成的原因及危害，并对结垢水冷壁温度场进行有限元分析，结果表明：管子内壁温度随着结垢厚度急剧上升，当结垢达到一定厚度后，内壁温度上升速度放缓。

文章最后提出了水冷壁管结垢的控制措施。

[关键词] 电站锅炉；水冷壁管；结垢；有限元分析作者简介：侯伟峰（1981—），男，广东清远人，硕士研究生，工程师。

现在广东省特种设备检测研究院从事锅炉压力容器及压力管道检验工作。

表1 钢铁和水垢的导热系数[3,4]在电站锅炉运行中，水冷壁结垢不可避免，特别是在管理不够完善的自备电厂，水冷壁结垢现象更为突出，影响锅炉的经济性和安全性，若结垢厚度超出标准规定，将造成严重的安全隐患，引发事故发生。

因此，水冷壁管结垢现象应引起足够重视。

1 水冷壁结垢的主要原因水冷壁结垢的主要原因是传热面与介质（水、蒸汽）的管壁表面上附着了各种沉积物。

按结构层沉积机理，可分为：结晶垢、颗粒垢、化合物垢、腐蚀垢[1]。

(1)结晶垢。

结晶垢是锅炉给水中的可溶性盐类在环境变化时结晶形成的积聚在管壁上的沉淀物，其形成是一个物理过程。

大部分结晶垢是由于锅炉在运行中，纯净水蒸发，而锅炉给水中所含的盐类留在炉内，并逐渐浓缩，使炉水中的含盐量达到过饱和状态，此时，一些钙、镁盐类从水中结晶析出，形成水垢；也有部分盐类的溶解度与温度成反比，如CO 32-等盐类，随着溶液温度升高，微结晶反而增多，从而结晶析出，结垢速率增大[2]。

(2)颗粒垢。

悬浮于锅炉给水中未完全过滤的固体微粒积聚在管壁上，如细小的泥粒、砂粒等。

往往在水处理不完善的情况下出现。

(3)化学反应垢。

锅炉给水中不同盐类经化学反应生成难溶于水的化合物，在管壁上沉积。

在该过程中，管壁不参与化学反应。

如Na 2CO 3和CaCl 2相互作用，生成CaCO 3沉淀。

(4)腐蚀垢。

管壁经氧腐蚀、碱腐蚀或酸腐蚀、氢腐蚀等产生的腐蚀产物聚集在管壁上，形成结垢。

2 水冷壁结垢的危害(1)降低锅炉传热效率。

水冷壁内的炉水通过管壁从高温烟气中吸收热量而被加热、沸腾、蒸发。

无垢的水冷壁传热阻力小，更多的热量被炉水吸收，易于沸腾、蒸发。

而存在结垢的金属壁，由于水垢的导热系数远小于金属管壁（如表1所示），通过受热面壁传导到水的热量少了，降低了锅炉的传热效率。

由于受热面吸热效率降低，排烟温度增加，降低了锅炉整体的热效率。

名称钢铁碳酸盐水垢硫酸盐水垢硅酸盐水垢导热系数λ（W/m•K）46.40~69.600.58~6.590.58~2.900.058~0.232名称混合水垢氧化铁水垢油垢导热系数λ（W/m•K）0.081~0.3490.116~0.2320.116(2)降低受热面性能，影响锅炉安全。

由于结垢层导热性差，从烟气中吸收的热量不能迅速地经过金属管壁传递到炉水中，提高了金属管壁的表2 有限元模拟边界条件温度，水冷壁管长期处于超温状态，从而加快材料的蠕变速度和老化速度，降低持久强度，缩短使用寿命，甚至引起爆管，影响锅炉的安全运行。

(3)引起垢下腐蚀。

因结垢层不是完全致密的，在结垢下面，往往形成一些锅炉给水中物质的积聚。

在正常给水中，这些物质浓度不太高，一旦在结垢下积聚，便会浓缩，或者因结垢的原因产生浓度差，进而腐蚀管壁，使管壁减薄乃至爆管。

一般常见的腐蚀类型有氧腐蚀、碱腐蚀、氢腐蚀、酸腐蚀[5]。

①氧腐蚀。

锅炉给水虽经过除氧器除氧，但在锅炉给水中仍存在一些溶解氧。

正常运行时，炉水的流速足以使溶解氧穿过滞流层扩散到水冷壁管壁，发生电化学耗氧腐蚀。

结垢形成的狭小甚至密闭空间，阻止了氧扩散，结垢区域的氧消耗后难以得到补充，缺氧区域形成阳极区；而其周围能够得到氧补充的区域形成阴极区，从而构成氧浓度差腐蚀原电池，阳极区域即结垢区域进一步腐蚀。

②碱腐蚀。

炉水呈碱性时，水冷壁金属、结垢与炉水形成化学原电池，发生耗氧腐蚀。

结垢为阴极耗氧，金属为阳极溶解而受腐蚀。

同时，随着炉水的蒸发，结垢下的溶液不断浓缩，且不易与外界溶液交换物质，导致pH 值不断上升，破坏金属保护膜，进一步加速对垢下金属管壁的腐蚀。

③酸腐蚀。

在化学清洗过程中，如果酸碱度控制不当，致使清洗后有残余的酸留在炉内，导致炉水偏酸性。

在偏酸性的炉水中，氢离子作为去极剂，在阴极上放电，促使金属阳极溶解过程持续进行而引起电化学析氢腐蚀[6]。

酸腐蚀常发生在比较致密的结垢下面，这是由于垢下溶液不易与外界流动交换，导致溶液浓缩，使得局部pH 值很低，即“自催化酸化”，进一步加速垢下区域的腐蚀。

④氢腐蚀。

水冷壁金属经酸腐蚀产生酸性腐蚀产物，同时释放出氢，由于在结垢层下易产生封闭结构，使得析出的氢聚集，形成高温（高于200℃，但又不太高）高压含氢环境。

此时，氢原子扩散入水冷壁金属中，与其中的C 结合生成CH 4，因甲烷分子的体积比氢原子大得多，形成后被封闭在钢材的微隙中，逐渐形成高压，高压作用使晶间萌生裂纹源然后产生裂纹[7]。

同时由于金属脱碳，最终使水冷壁金属的力学性能下降，乃至失效。

(4)破坏水循环。

结垢沉积使管道减小了流通面积，从而增加了流动阻力，破坏水循环，使流体输送设备能耗增加。

3 结垢水冷壁温度场有限元分析以某自备电厂的320t/h 循环流化床锅炉为例，在额定工况下，对水冷壁管按不同的结垢厚度进行温度场分析。

水冷壁管规格为Φ60×5，材质为20G ，导热系数为40W/(m•K)；结垢的导热系数为0.2W/(m•K)。

边界条件如表2所示。

炉膛侧温度（℃）汽水侧温度（℃）汽水侧对流换热系数W/(m 2•K)炉膛侧换热系数W/(m 2•K)91234015000209结垢厚度（mm）0.050.10.150.20.50.8表3 模型中水冷壁管不同结垢厚度为便于分析，对模型进行简化，水冷壁管按不同的结垢厚度（如表3）采用轴对称建模进行分析，假设结垢均匀分布在管壁上，结垢的物理性能均匀一致。

建模划分网格后如图1，因结垢温度梯度大，故结垢处网格划分更细。

加载载荷后，得出温度场分析结果，同时如图2沿水冷壁管管壁取点，绘制温度沿管壁分布曲线图。

各种结垢厚度的温度场分析结果及温度沿管壁分布曲线如图3至图16。

图1 结垢水冷壁模型图2 沿水冷壁管管壁取点结垢图3 无垢水冷壁管温度场分析结果 图4 无垢水冷壁管温度沿管壁分布曲线图图5 0.05mm结垢温度场分析结果 图6 0.05mm结垢温度沿管壁分布曲线图图7 0.1mm结垢温度场分析结果 图8 0.1mm结垢温度沿管壁分布曲线图图9 0.15mm结垢温度场分析结果 图10 0.15mm结垢温度沿管壁分布曲线图图11 0.2mm结垢温度场分析结果 图12 0.2mm结垢温度沿管壁分布曲线图图17 内壁温度与结垢厚度的对应关系图从上述分析可见，水冷壁管无结垢时，壁温沿管壁线性均匀变化，内、外壁温度分别与汽水侧、炉膛侧温度基本一致，平均壁温较低；水冷壁存在结垢时，随着结垢厚度不断增加，管子内壁温度急剧上升（内壁温度与结垢厚度的对应关系如图17），结垢厚度增至一定厚度后，内壁温度上升程度减缓。

内壁温度的上升，使得金属管壁平均温度相应上升，与炉膛侧温度差缩小，传热恶化，影响金属管壁性能。

因此，在产生结垢的初期，即结垢厚度还较小时，就应引起重视，积极消除结垢。

图13 0.5mm结垢温度场分析结果 图14 0.5mm结垢温度沿管壁分布曲线图图15 0.8mm结垢温度场分析结果 图16 0.8mm结垢温度沿管壁分布曲线图备，2000，29(4)：22-25.[2] 全贞花，陈永昌，马重芳，等. 碳酸钙于换热表面结垢影响因素的模拟分析[J].工程热物理学报，2008，29(11)：1944-1946.[3] 施燮钧，王蒙聚，肖作善. 热力发电厂水处理（第三版）[M].北京：中国电力出版社，1996.[4] 周本省. 工业水处理技术[M].北京：化学工业出版社，1997.[5] 高劲松. 锅炉受热面管的失效机理及预防措施研究[D].南昌：南昌大学，2007.[6] 陈匡民. 过程装备腐蚀与防护[M].北京：化学工业出版社，2001.[7] 廖景娱. 金属构件失效分析[M].北京：化学工业出版社，2003.收稿日期：2018-10-10；修回日期：2018-11-08给水必须符合标准，按要求做好水汽监督工作。

保证除氧器的除氧效率，按相关规程及时排污、加药，使锅炉给水符合要求；落实水处理人员岗位职责，及时进行水汽取样化验，水汽质量劣化时及时处理。

已产生结垢现象时，应及时分析结垢和腐蚀产物，查找原因，改善结垢状况。

(2)加强凝汽器泄漏管理。

凝结水作为锅炉给水的重要来源，因凝汽器泄漏而受污染的凝结水会影响炉水水质。

因此，要做好凝汽器的查堵漏工作，提高查漏水平，进一步有效减少凝汽器泄漏，避免影响锅炉水质。

(3)重视停炉保护。

在机组停机期间，若忽视停炉保护，容易使锅炉水汽系统各部件金属内表面产生氧腐蚀。

因此，在停机期间，要落实好停炉保养工作，同时在机组检修后投入运行前，要做好锅炉的换水和冲洗工作。

《石油和化工设备》列入国家新闻出版广电总局首批学术期刊认定名单2015年10月20日，我刊收到国家新闻出版广电总局新出报刊[2015]625号文件，正式通知《石油和化工设备》为中国石油和化学工业联合会主管的首批学术期刊。

2014年12月9日，国家新闻出版广电总局在其官方网站上正式公布了首批学术期刊认定名单，其中《石油和化工设备》列1217#（排名不分先后）。

此前，为严格学术期刊出版资质，优化学术期刊出版环境，促进学术期刊健康发展，新闻出版广电总局于2014年4月先后发布《关于规范学术期刊出版秩序 促进学术期刊健康发展的通知》《关于开展学术期刊认定及清理工作的通知》，经各省、区、市新闻出版广电局、中央期刊主管单位初审上报，新闻出版广电总局组织有关专家严格审定，确定了首批学术期刊认定名单，2014年11月18日至24日在总局网站进行了公示（共5756种），2014年12月9日公布正式名单（共5737种）。

（本刊编辑部）。