电站锅炉汽包热应力的产生及预控措施

　　摘  要：汽包是锅炉的重要组件，在使用中如果操作或管理不当会使其上下壁、内外壁产生过大的温差和热应力。其机械应力和热应力的总应力在局部区域的峰值可能接近或超过汽包材料的屈服强度，汽包壁容易形成裂纹，扩展到一定程度时汽包将被破坏，产生严重的爆破和重大的安全生产事故。

　　关键词：汽包；热应力；控制

　　1汽包应力分析

　　汽包主要有压力引起的机械应力和温度变化引起的热应力。压力产生的机械应力有切向、轴向和径向应力三种，计算公式如下：

 

　　由(1)、(2)、(3)式可知，机械应力与其工作压力成正比，因此在设计中通过强度计算来确定汽包的壁厚、直径和选材等，运行中只要控制不超压运行，机械应力的最大值是稳定的。

　　2汽包热应力的产生

　　锅炉在启动和停炉过程中，汽包壁内的温度场和传热条件不断变化。当温度变化时，汽包筒体存在着3种温差：内外壁温差(沿壁厚方向存在温度梯度)、上下壁温差(圆周方向的温度不均匀)、纵向温差(长度方向的温度不均匀)。因汽包可自由膨胀，故略去纵向温差的影响。

　　2.1上下壁温差的产生

　　升压过程。在升压过程中，汽包内壁温度表现为上部温度高下部温度低。原因分析如下：

　　a)汽包下部为水空间，上部为汽空间。在锅炉启动过程中，汽侧介质的温度为饱和温度，而水侧介质的温度则低于饱和温度。而且在升温过程中，汽包壁金属温度低于介质温度，形成介质对汽包壁加热。汽包下部为汽水混合物对汽包壁对流放热，因为凝结放热系数比对流传热的放热系数要大3～4倍，所以汽包上半部温升比下半部温升快，形成上下壁温差。

　　b)锅炉启动初期，水循环微弱，汽包内水流缓慢，在炉膛受热较弱的局部甚至出现循环停滞区，使水温明显偏低，而蒸汽在汽包内的蒸汽空间传热相对较均匀，使汽包上下壁温差进一步增大。

　　c)在升压过程中，汽包上部饱和蒸汽温度与压力是单一关系，压力上升时，温度跟着上升。蒸汽空间的蒸汽只能过热不会欠焓。下部水温的上升需要靠介质流动传热，水温上升缓慢。升压速度越快，汽包上下部介质温差越大。

　　停炉降压冷却过程。在停炉降压冷却过程中，也有很多因素使汽包上部壁温高、下部壁温低。

　　a)在停炉过程中，水侧介质温度接近于饱和温度，而汽侧介质过热而使温度高于饱和温度。而且汽包壁厚较大，加上表面有良好的保温层，汽包具有较大的蓄热能力。由于汽包向周围介质散热很少，所以停炉过程中汽包的冷却主要依靠水循环。当汽包内介质的压力及相应的饱和温度逐渐降低时，汽包金属对工质放热，由于上部金属对蒸汽的放热系数小于下部金属对水的放热系数，从而使上部温度高于下部温度。降压速度越快，汽包下部温度下降越快，而上部壁温相对下降较慢，造成上下壁温差大。

　　b)在停炉过程中没控制好汽包水位，频繁地向汽包补入温度较低的水，使上下壁温差进一步增大。

　　c)在“四管”爆漏的事故处理中，由于降压速度快，同时又不断地大量补水维持汽包水位，造成上下壁温差严重超标。

　　2.2上下壁温差产生的热应力

　　汽包热应力计算表明，汽包上下壁温差引起的热应力主要是轴向应力，切向和径向应力与之相比约低一个数量级，故可忽略不计。汽包上部壁温高，金属膨胀量大 ；下部壁温低，金属膨胀量相对较小。这样就造成上部金属膨胀受到限制，上部产生压缩应力，下部产生拉伸应力。热应力与温差成正比，汽包上下壁温差越大，产生的热应力越大。

　　2.3内外壁温差产生的热应力

　　汽包内外壁温差的形成主要是在升温过程，介质不断地对汽包内壁加热，内壁温升快 ，外壁温升慢，造成内外壁存在温差，使内壁产生压缩应力，外壁产生拉伸应力。应力计算指出，内外壁温差产生的热应力主要是轴向和切向热应力，而且轴向与切向热应力大小相当，控制汽包内外壁热应力的关键是控制升温速度。

　　3 汽包热应力的控制措施

　　汽包热应力的控制实质上就是对汽包上下壁、内壁温差进行控制。

　　在启、停炉过程中，严格控制升温或降温速度，一般规定升温(降温)速度ω值不得超过(1.5-2.0)℃/min，或100℃/h。由于水和蒸汽在饱和状态下温度和压力之间存在一定的对应关系，所以锅炉启动的升压过程也就是升温过程，通常锅炉在启动时以升压速度来控制其温升速度的大小。但在锅炉启动初期应采用更小的升压速度，因为升压初期汽水饱和温度随压力的变化较大(见表1)，此期间更容易产生较大的壁温差。

 

　　图1所示为某台HG-220/100-YM10型锅炉在母管制系统中的冷态启动曲线。从曲线上可以看出：在升压的初始阶段，升压速度很低，在100min内汽压升高仅为0.25MPa。随后锅炉的升压速度逐步有所提高。从图上还可以看出，该锅炉从点火开始直至并汽，总共需要约4.25h。

　　在升压或降压过程中，若发现汽包上下壁温差超过规定值(50℃)，应减慢升(降)压速度。控制升压速度的主要手段是控制燃料耗量，此外还可以加大旁路阀门的开度进行升压速度控制。启炉时，加强水冷壁下联箱的放水，通过适当放水，用热水替换受热较少的水冷壁及不受热的联箱等部件内的冷水，促使各部位温升均匀，有利于建立正常的水循环，减小汽包壁温差。维持炉膛燃烧稳定，热负荷均匀，并且有一定水平。采用对称投油枪定期切换，或采用多油枪少油量等方法使炉膛热负荷均匀，确保水循环正常。尽量维持较高的给水温度。因为温度低的给水进入汽包，会使下壁温度低，造成上下壁温差大。向汽包补给水时须严密关闭省煤器再循环门，否则，水短路进入汽包造成上下壁温差增大。在有条件的情况下，尽量采用蒸汽加热水冷壁下联箱方法，能加快建立正常水循环。HG-220/100-YM10型锅炉水冷壁下联箱装有加热蒸汽引入管，借助临机抽汽加热锅水，将锅水加热到100℃左右再进行锅炉点火。这样，在锅炉点火以后，水冷壁可以立即开始产汽，大大加快了水循环的建立和稳定。停炉后要避免大量排汽造成降压速度太快，应使汽包缓慢均匀冷却，同时尽量保持汽包高水位。降压后期及停炉后要特别注意控制好汽包水位，尽量避免大量放水、补水使汽包下壁急剧冷却，汽包上下壁温差增大。

 

　　在处理“四管”爆漏事故中，尽可能稳定地控制补水量。水冷壁、省煤器爆漏，水位难维持时宜尽快停炉，停炉后可不再向汽包进水。同时停炉后要避免长时间开启烟道挡板造成炉内急剧冷却。

　　提高设备的检修质量，确保阀门严密。给水门不严密，启、停炉过程中不补水时 ，给水可能直接经省煤器进入汽包；省煤器再循环门不严密，给水会直接漏入汽包 ，使汽包壁局部温度下降；定期排污门不严密，会破坏水循环，同时停炉中漏流，需要补充更多的给水，造成上下壁温差增大；对空排汽门、事故放水门的严密性差也会造成不良影响。

　　结束语。汽包在长期运行中受交变应力的作用是必然的，在运行中应力对汽包的损害也是长期存在的。因此，除做好预控措施外，还应结合机组的大、小修及临检等工作认真做好检查维护工作，及时发现缺陷、隐患并加以消除。