浅谈电厂锅炉汽包热应力的产生及控制

浅谈电厂锅炉汽包热应力的产生及控制

【摘要】就锅炉汽包壁温度变化引起的热应力进行讨论，详细分析了汽包上下壁、内外壁温差的产生原因、温差引起的热应力的产生过程和热应力对汽包寿命的各种影响因素，提出了控制汽包壁温差的措施，以保证汽包安全运行。

【关键词】锅炉；汽包；热应力；温差 0.引言

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综合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。

汽包承受的应力主要有压力引起的机械应力和温度变化引起的热应力，其中机械应力与其工作压力成正比，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。本文仅就因汽包壁温度变化引起的热应力进行讨论，分析汽包壁温差大的原因，并提出控制方法。

1.汽包热应力分析

锅炉在启动和停炉过程中，汽包承受的应力主要有机械应力和热应力。机械应力与汽包工作压力成正比，通过强度计算，在确定的汽包壁厚、直径和材质下，只要运行中不超压，机械应力的最大值是一定的。而热应力在运行中要随着传热条件和温度场的不断变化而发生变化。因汽包可自由膨胀，故略去纵向温差的影响。

1.1汽包壁温差产生的机理

锅炉在启停炉过程中，受工质传热的影响，汽包温度场发生变化，相应的温差也不断改变。当锅炉正常运行后，汽包各部分温度场趋于稳定，温差也逐渐减小。

1.1.1锅炉上水时，汽包产生的温差

锅炉上水时，来自除氧器的给水进入汽包后，先与汽包下壁接触，使汽包水位以下壁温首先上升，而上部未能与给水接触换热，壁温上升较慢，造成汽包下部壁温高于上部壁温，产生上下壁温差。同时，一定温度的给水进入汽包后，内壁温度随之升高，因汽包壁较厚，外部与环境接触，外表面温升速度较内壁温升慢，从而形成了内外壁温差。

1.1.2锅炉升压过程中汽包产生的温差

锅炉点火后，升压初期投入炉内的燃料量很少，火焰在炉内的充满程度差，水冷壁受热不均，工质吸热量少，且在压力低时，工质的汽化潜热大，这时产生的蒸汽量很少，蒸发区内的自然循环尚不正常，汽包内的水流动缓慢或局部停滞，对汽包下壁的放热系数很小，所以汽包下壁温升小。而汽包上壁与饱和蒸汽接触，当压力升高时，饱和蒸汽遇到较冷的汽包壁便发生凝结放热，由于蒸汽凝结时的放热系数要比汽包下半部水的放热系数大3－4倍，上壁温度很快达到对应压力下的饱和温度，使汽包上壁温度大于下壁温度，出现温差，且汽包升压速度越快，饱和温度升高也越快，产生的温差就越大。同时，汽包内壁与工质接触，吸收热量，温度上升较快，由于汽包壁较厚，传热过程中存在热阻，使汽包外壁温度上升较慢，出现内外壁温差。

1.1.3在停炉冷却过程中汽包产生的温差

在停炉过程中，锅炉进入降压和冷却阶段，汽包主要由内部工质进行冷却，由于汽包内炉水压力及对应的饱和温度逐渐下降，汽包下壁对炉水放热，使汽包下壁很快冷却，而汽包上壁与蒸汽接触，在降压过程中放热系数较低，金属冷却缓慢，出现上部壁温大于下部壁温，造成温差。且降压速度越快，则温差越大。同时，汽包内壁受到工质冷却，温度降低，而外壁由于有保温材料包裹，处于绝热状态，温度下降较慢，出现外壁温度高于内壁温度，产生内外壁温差。

1.1.4在事故状态下汽包产生的温差

在事故状态下，如机组甩负荷、四管爆漏紧急停炉时，大量的蒸汽排出，水位很快下降，为了维持汽包水位补入温度较低的给水，使得上下壁、内外壁受到冷却产生很大的温差。

1.2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。

1.3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。应力计算表明，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。

2.汽包应力分析与低周疲劳寿命 2.1应力分析

一般情况，汽包上下壁温度很接近，故外壁拉伸应力较小，内壁压缩应力较大。机械应力与热应力的合成应力可能已超过材料的屈服强度σs。但汽包使用的钢材的塑性较好，合成应力增加到屈服强度后就不再增加，由塑性变形吸收。汽包壁不会因实际应力达到材料的抗拉强度而立即破坏，但是会使汽包的工作寿命缩短。

2.2应力对汽包寿命的影响

a）材料在接近塑性变形或局部塑性变形下长期工作，材质变坏，抗腐蚀能力下降,还可能引起应力腐蚀。

b）在锅炉启动、停运及变负荷过程中，汽包应力发生周期性变化，这将引起疲劳损坏。在长期的交变应力的作用下，汽包壁形成裂纹，扩展到一定程度时汽包破坏。

c）汽包应力峰值超过屈服强度的数值越大，塑性变形区越大，达到低周疲劳破坏的循环周数越少，即应力每循环一次的寿命损耗增大。

3.控制措施

锅炉在启停过程中，由于温差的出现，使汽包产生热压力。如果控制不当，长期出现较大的热应力，会使汽包产生疲劳裂纹甚至出现拱背和弯曲变形，对汽包造成损害。因此，锅炉在运行中应从以下几方面严格控制：

a）在升、停炉过程中，严格控制升温或降温速度，一般升(降)温速度不大于1.5℃/min。但在锅炉启动初期应采用更小的升温速度，因为升压初期汽水饱

和温度随压力的变化较大，此期间更容易产生较大的壁温差。在升压或降压过程中，若发现汽包上下壁温差超过规定值(40℃)，应减慢升(降)压速度。

b）升炉时，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。

c）维持燃烧稳定和均匀。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。

d）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。

e）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。

f）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。

g）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。

h）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。

i）提高设备的检修质量，确保阀门严密。 4.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必然存在。因此，除做好应力控制措施外，还必须在检修期认真做好检查工作，及时消除缺陷。 [科]