油田注汽鍋爐爆管原因分析及其對策

周 英

(中石油遼河油田分公司總機械廠，遼寧 盤錦 124010)

油田注汽鍋爐爆管原因分析及其對策

周 英

(中石油遼河油田分公司總機械廠，遼寧 盤錦 124010)

針對油田注汽鍋爐的現場運行情況，對注汽鍋爐爆管原因進行了分析，并提出了相應的預防措施，以保證注汽鍋爐的正常運行，延長其使用壽命。

注汽鍋爐；爆管；傳熱惡化

隨著我國稠油資源的不斷開發，注汽鍋爐成為油田開采稠油所必需的蒸汽發生設備［1］。在注汽鍋爐運行過程中常會發生爆管現象，從而導致注汽鍋爐不能正常運行，影響了注汽鍋爐的利用率和注汽效率。為此，筆者對油田注汽鍋爐爆管原因進行分析并提出相應對策。

1 鍋爐受熱面傳熱分析

鍋爐蒸汽的產生是通過燃燒產物放熱和管內蒸汽吸熱的熱交換過程來進行的。熱交換過程在鍋爐的各個受熱面內進行。因此，鍋爐的可靠性主要取決于受熱面的運行是否安全，即要求所有受熱面管都能得到足夠的冷卻，使管壁溫度不超過規定的極限溫度。

注汽鍋爐管的規格通常為?89×13、?73×11、?60×9等，根據傳熱學原理［2］，當注汽鍋爐管內徑與注汽鍋爐管外徑之比大于0.5時，可把管壁的導熱近似地用平面壁的導熱過程來處理。由于管外壁傳進管內壁的熱流量是連續的，而熱流通過管壁的面積沿徑向變化，因而熱流密度不斷變化，故注汽鍋爐管外壁溫度可表示如下［2］：

(1)

式中，twb、tgz分別表示注汽鍋爐管的外壁和蒸汽溫度，℃；δb表示管壁厚度，m；λb表示管壁金屬導熱系數，W/(m·℃)；β表示注汽鍋爐管外徑與內徑之比；α2表示注汽鍋爐管內壁與管內蒸汽間對流放熱系數，W/(m2·℃)；q表示熱流密度，W/m2。

由式(1)可知，管外壁溫度與熱流密度、管內蒸汽溫度以及管內側熱阻等因素有關。

2 注汽鍋爐爆管原因

2.1管壁溫度超過允許極限值

鍋爐正常運行時，在非傳熱惡化區沸騰蒸發管內蒸汽作核態沸騰時，表面傳熱系數很高，注汽鍋爐管內壁溫度接近于蒸汽飽和溫度，但是進入傳熱惡化區后，表面傳熱系數急劇下降，管壁溫度急劇上升，造成注汽鍋爐管因過熱而燒壞，這種現象稱為沸騰傳熱惡化，具體包括第1類傳熱惡化和第2類傳熱惡化。

1)第1類傳熱惡化 第1類傳熱惡化發生在受熱面熱負荷很高時的欠熱區和含汽率較低的區域。由于汽化核心密集，在管壁上形成連續的汽膜而將水和受熱面隔離開來，使管壁得不到液體的冷卻，放熱系數顯著下降，即由核態沸騰直接轉入膜態沸騰。由經驗公式［3］可以計算出發生第1類傳熱惡化時的臨界熱負荷。以油田常用移動式注汽鍋爐為例，計算其臨界熱負荷值，相關鍋爐參數如下：額定蒸發量為11.2t/h；額定蒸汽壓力為21MPa；額定蒸汽溫度為370℃。注汽鍋爐管規格為?73×11。經計算，蒸汽干度在0%～40%時臨界熱負荷值如表1所示。

表1 臨界熱負荷值

由表1可知，臨界熱負荷隨蒸汽干度的增加而降低。當蒸汽干度達到40%時，其臨界熱負荷約為218.1kW/m2。注汽鍋爐運行中若熱負荷超過該值，則極容易發生第1類傳熱惡化，管壁溫度突然上升，變化很大，導致注汽鍋爐管發生爆管。

2)第2類傳熱惡化 第2類傳熱惡化發生在熱負荷比第1類傳熱惡化較低、質量含汽率較高的環狀流動區，該處的水膜很薄，由于注汽鍋爐管中心汽流將水膜撕破或因蒸發使水膜部分或全部消失，此時管壁直接與蒸汽接觸而得不到液體冷卻，表面傳熱系數顯著下降，這種現象稱為第2類傳熱惡化。研究表明［4］，一般直流鍋爐在工作條件下，當蒸汽干度超過10%～12%時即可進入環狀流動區域，而現場油田注汽鍋爐蒸汽干度一般在75%左右，因此較容易發生第2類傳熱惡化。出現這類傳熱惡化時壁溫的增值較第一類傳熱惡化時小，其速度變化也較慢，但當管壁溫度超過允許極限值時也會使注汽鍋爐管燒損。

此外，燃燒調整不當時，燃燒器火焰發生偏離，會使爐膛燃燒發生在水冷壁附近，或與受熱面產生“貼邊”現象，導致火焰直接燃燒爐管。若霧化油滴粘附在管壁上，則會在水冷壁上形成二次燃燒，使水冷壁發生超溫爆管。

2.2管內壁發生積鹽、結垢

目前，國內外注汽鍋爐的水處理絕大多數采用只去除水中硬度、不去除鹽類的軟化方法。為保證受熱面安全，在輻射段內一般產生干度為70%～80%的濕飽和蒸汽，利用其中20%～30%的飽和水來溶解水處理時未去除的鹽類。注汽鍋爐在運行中一旦蒸汽干度超過80%，則極不容易控制蒸汽干度，導致飽和水含量急劇下降，而蒸汽帶鹽的能力很差，因而鹽類會在輻射段管束的管壁上逐漸積累而產生積鹽現象。此外，鍋爐經長期運行后在管壁上形成水垢，由于水垢導熱性能很差，其導熱系數很小，要比鋼材導熱系數小幾十倍至數百倍，因而熱阻很大，具有顯著的隔熱作用。在經過同樣熱流密度和管內蒸汽溫度時，受熱面金屬壁的溫度會大大升高，以致過熱，引起金屬強度降低。在管內壓力作用下，會造成注汽鍋爐管局部變形、鼓包甚至爆管。

2.3管壁發生腐蝕

由于注汽鍋爐管長期在高溫高壓蒸汽條件下工作，會發生腐蝕現象，使管壁逐漸變薄，這種現象稱為管壁腐蝕，包括氣體腐蝕、垢下腐蝕和疲勞腐蝕3種情形［4］。

1)氣體腐蝕 如果鍋爐給水時除氧不徹底，就會含有O2、CO2等氣體，這些氣體均會引起金屬腐蝕。

2)垢下腐蝕 當注汽鍋爐管表面產生水垢時，會產生垢下腐蝕。由于水垢所在處的金屬溫度較高，當鍋爐水滲透到水垢下面時，其中雜質可以腐蝕金屬而產生腐蝕坑，最終導致注汽鍋爐管發生鼓包甚至爆管。

3)疲勞腐蝕 汽鍋爐管金屬在鍋爐水作用下經常受到方向和大小不一的應力作用時會產生疲勞腐蝕。由于注汽鍋爐的輻射段管束為水平蛇形往復管結構，當負荷較低時易發生汽水分層，此時注汽鍋爐管會受到交變的熱應力作用而產生疲勞腐蝕。

2.4管內產生汽水分層

油田注汽鍋爐采用臥式直流結構形式，輻射段管束為水平蛇形往復布置，汽水混合物在該水平管中流動時，受汽水密度差的作用，液態水傾向于在水平管下部流動，蒸汽傾向于在水平管上部流動，嚴重時會出現清晰的分界面，從而產生汽水分層。當發生汽水分層時，由于水面的波動，水面附近的管壁交替地與蒸汽和水接觸，使管壁溫度不斷發生變化，最終導致注汽鍋爐管產生疲勞而損壞。

3 預防注汽鍋爐爆管的措施

3.1采取合適的蒸汽質量流速

為避免發生沸騰傳熱惡化，應提高蒸汽的質量流速，提高沸騰放熱系數，以保證受熱面得到足夠的冷卻，使管壁溫度控制在材料所允許的工作范圍內。與此同時，不能使蒸汽質量流速過大，否則鍋爐的阻力增大，增加了泵能量的消耗。因此，應綜合考慮兩者的影響，采取合理的蒸汽質量流速來保證注汽鍋爐的正常運行。

3.2采用內螺紋管或加裝擾流子

對于熱負荷較高的輻射受熱面，可考慮采用內螺紋管或加裝擾流子以增加流體的擾動，推遲膜態沸騰的發生，使管壁溫度降低。

3.3高干度區采用高強度合金管

由于注汽鍋爐輻射段管束的水平蛇形往復結構，蒸汽在其中流動時總是循環地經過火焰溫度最高的中心區，尤其在汽化點以后，輻射段管束內開始產生蒸汽，其干度一般達到70%～80%，該高干度區經過火焰中心時，容易引起管壁過熱超溫，因而可以在高干度區采用高強度合金管。

3.4調整燃燒器運行狀態

注汽鍋爐運行時要調整好燃燒器火焰的中心位置，避免火焰直接接觸水冷壁，同時要防止霧化油滴粘附在管壁上造成二次燃燒。

3.5加強水質及干度監測

嚴格控制注汽鍋爐的給水水質指標，加強監測蒸汽干度，防止鍋爐長期在蒸汽干度超過80%的情況下運行，避免輻射受熱面的積鹽。

3.6減少管壁腐蝕

采用熱力除氧和化學除氧等方式除去水中溶解的氣體，避免發生氣體腐蝕。定期對爐管進行除垢，防止爐管的垢下腐蝕，可采用化學除垢的方式進行除垢，包括酸洗和堿煮等方法。為避免發生疲勞腐蝕，應從消除熱應力方面著手，即避免輻射段管束產生汽水分層現象。

4 結 語

注汽鍋爐是稠油開采的關鍵設備，其安全運行為油田稠油開采提供了保障。在注汽鍋爐的實際運行中，要嚴格遵守操作規程，以減少爆管現象的發生，延長鍋爐的使用壽命，實現稠油長期穩定的開采。

［1］劉繼和，孫素鳳.注汽鍋爐［M］.北京：石油工業出版社，2007.

［2］西安交通大學《直流鍋爐》編寫組.直流鍋爐［M］.北京：水利電力出版社，1977.

［3］清華大學熱能工程系熱能工程教研室.鍋爐原理及計算［M］.北京：科學出版社，1987.

［4］胡蔭平.電站鍋爐手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.031

TE357.44

A

1673-1409(2012)07-N094-02

2012-04-25

周英(1970-)，女，2004年大學畢業，工程師，現主要從事油田注汽鍋爐方面的研究工作。

［編輯］ 李啟棟