鍋爐汽包熱應力的產生及控制

邱立國

摘要 本文對鍋爐汽包壁溫度變化引起的熱應力進行討論,詳細分析了汽包上下壁、內外壁溫差的產生原因,溫差引起的熱應力的產生過程和熱應力對汽包壽命的各種影響因素,提出了控制汽包壁溫差的措施,以保證汽包安全運行 。

關鍵詞 鍋爐;汽包;熱應力;溫差

中圖分類號 TE963文獻標識碼 A文章編號 1674-6708(2009)08-0073-02

汽包是鍋爐的重要組件,在使用中如果操作或管理不當會使其上下壁、內外壁產生過大的溫差和熱應力,其機械應力和熱應力的綜合應力在局部區域的峰值可能接近或超過汽包材料的屈服強度,汽包壁容易形成裂紋,擴展到一定程度時汽包將被破壞。

汽包承受的應力主要有壓力引起的機械應力和溫度變化引起的熱應力,其中機械應力與其工作壓力成正比,在設計中通過強度計算來確定汽包的壁厚、直徑和選材等,運行中只要控制不超壓運行,機械應力的最大值是穩定的。本文僅就因汽包壁溫度變化引起的熱應力進行討論,分析汽包壁溫差大的原因,并提出控制方法。

1 汽包熱應力分析

鍋爐在啟動和停爐過程中,汽包壁內的溫度場和傳熱條件不斷變化。當溫度變化時,汽包筒體存在著3種溫差即內外壁溫差(沿壁厚方向存在溫度梯度)、上下壁溫差(圓周方向的溫度不均勻)、縱向溫差(長度方向的溫度不均勻)。因汽包可自由膨脹,故略去縱向溫差的影響。

1.1 上下壁溫差的產生

1.1.1 升壓過程

在升壓過程中,汽包內壁溫度表現為上部溫度高,下部溫度低。原因分析如下:

1)汽包下部為水空間,上部為汽空間。在鍋爐啟動過程中,汽側介質的溫度為飽和溫度,而水側介質的溫度則低于飽和溫度,而且在升溫過程中,汽包壁金屬溫度低于介質溫度,形成介質對汽包壁加熱。汽包下部為汽水混合物對汽包壁對流放熱,汽包上部為飽和蒸汽對汽包壁凝結放熱,因為凝結放熱系數比對流傳熱的放熱系數要大3~4倍,所以汽包上半部溫升比下半部溫升快,形成上下壁溫差。

2)鍋爐啟動初期,水循環微弱,汽包內水流緩慢,在爐膛受熱較弱的局部甚至出現循環停滯區,使水溫明顯偏低,而蒸汽在汽包內的蒸汽空間傳熱相對較均勻,使汽包上下壁溫差進一步增大。

3)在升壓過程中,汽包上部飽和蒸汽溫度與壓力是單一關系,壓力上升時,溫度跟著上升。蒸汽空間的蒸汽只能過熱不會欠焓。下部水溫的上升需要靠介質流動傳熱,水溫上升緩慢,升壓速度越快,汽包上下部介質溫差越大。

1.1.2 停爐降壓冷卻過程

在停爐降壓冷卻過程中,也有很多因素使汽包上部壁溫高、下部壁溫低。

1)在停爐過程中,水側介質溫度接近于飽和溫度,而汽側介質過熱而使溫度高于飽和溫度,且汽包壁厚較大,加上表面有良好的保溫層,汽包具有較大的蓄熱能力。由于汽包向周圍介質散熱很少,所以停爐過程中汽包的冷卻主要依靠水循環。當汽包內介質的壓力及相應的飽和溫度逐漸降低時,汽包金屬對工質放熱,由于上部金屬對蒸汽的放熱系數小于下部金屬對水的放熱系數,從而使上部溫度高于下部溫度。降壓速度越快,汽包下部溫度下降越快,而上部壁溫相對下降較慢,造成上下壁溫差大。

2)在停爐過程中沒控制好汽包水位,頻繁地向汽包補入溫度較低的水,使上下壁溫差進一步增大。

3)在“四管”爆漏的事故處理中,由于降壓速度快,同時又不斷地大量補水維持汽包水位,造成上下壁溫差嚴重超標。在規程中,為使爐內的水蒸氣排走,規定爆管時不關煙道擋板(或引風機擋板)使爐內溫度迅速下降,以至汽包壁溫差進一步加大。

1.2 上下壁溫差產生的熱應力

汽包熱應力計算表明,汽包上下壁溫差引起的熱應力主要是軸向應力、切向和徑向應力,與之相比約低一個數量級,故可忽略不計。汽包上部壁溫高,金屬膨脹量大 ,下部壁溫低,金屬膨脹量相對較小,這樣就造成上部金屬膨脹受到限制,上部產生壓縮應力,下部產生拉伸應力,熱應力與溫差成正比,汽包上下壁溫差越大,產生的熱應力越大 。

1.3 內外壁溫差產生的熱應力

汽包內外壁溫差的形成主要是在升溫過程中,介質不斷地對汽包內壁加熱,內壁溫升快 ,外壁溫升慢,造成內外壁存在溫差,使內壁產生壓縮應力,外壁產生拉伸應力。應力計算表明,內外壁溫差產生的熱應力主要是軸向和切向熱應力,而且軸向與切向熱應力大小相當,所以控制汽包內外壁熱應力的關鍵是控制升溫速度。

2 汽包應力分析與低周疲勞壽命

2.1 應力分析

一般情況,汽包上下壁溫度很接近,故外壁拉伸應力較小,內壁壓縮應力較大。機械應力與熱應力的合成應力可能已超過材料的屈服強度σs,但汽包使用的鋼材的塑性較好,合成應力增加到屈服強度后就不再增加,由塑性變形吸收。汽包壁不會因實際應力達到材料的抗拉強度而立即被破壞,但是會使汽包的工作壽命縮短。

2.2 應力對汽包壽命的影響

1)材料在接近塑性變形或局部塑性變形下長期工作,會導致材質變壞、抗腐蝕能力下降,還可能引起應力腐蝕;

2)在鍋爐啟動、停運及變負荷過程中,汽包應力發生周期性變化,這將引起疲勞損壞。在長期的交變應力的作用下,汽包壁形成裂紋,擴展到一定程度時汽包破壞;

3)汽包應力峰值超過屈服強度的數值越大,塑性變形區越大,達到低周疲勞破壞的循環周數越少,即應力每循環一次的壽命損耗增大。

3 控制措施

汽包熱應力的控制實質上就是對汽包上下壁、內外壁溫差進行控制。

1)在升、停爐過程中,嚴格控制升溫或降溫速度,一般升(降)溫速度不大于1.5℃/min。但在鍋爐啟動初期應采用更小的升溫速度,因為升壓初期汽水飽和溫度隨壓力的變化較大,此期間更容易產生較大的壁溫差。在升壓或降壓過程中,若發現汽包上下壁溫差超過規定值(40℃),應減慢升(降)壓速度;

2)升爐時,加強水冷壁下聯箱的放水,通過適當放水用熱水替換受熱較少的水冷壁及不受熱的聯箱等部件內的冷水,促使各部位溫升均勻,有利于建立正常的水循環,減小汽包壁溫差;

3)維持燃燒穩定和均勻。采用對稱投油槍定期切換,或采用多油槍少油量等方法使爐膛熱負荷均勻,確保水循環正常;

4)盡量維持較高的給水溫度。因為溫度低的給水進入汽包,會使下壁溫度低,造成上下壁溫差大;

5)向汽包補給水時須嚴密關閉省煤器再循環門,否則,水短路進入汽包造成上下壁溫差增大;

6)停爐后要避免大量排汽造成降壓速度太快,應使汽包緩慢均勻冷卻,同時盡量保持汽包高水位;

7)降壓后期及停爐后要特別注意控制好汽包水位,盡量避免大量放水、補水使汽包下壁急劇冷卻,汽包上下壁溫差增大;

8)在處理“四管”爆漏事故中,盡可能穩定地控制補水量。水冷壁、省煤器爆漏,水位難維持時宜盡快停爐,停爐后可不再向汽包進水,同時,停爐后要避免長時間開啟煙道擋板造成爐內急劇冷卻。

9)提高設備的檢修質量,確保閥門嚴密。

4 結論

汽包在長期運行中受交變應力的作用是必然的,在運行中應力對汽包的損害也必然存在。因此,除做好應力控制措施外,還必須在檢修期認真做好檢查工作,及時消除缺陷。

中國科協舉辦機關和事業單位副局級以上干部培訓班

11月11~13日,中國科協機關和事業單位副局級以上干部培訓班在中國科協科普綠化示范基地舉辦。中國科協副主席、書記處書記、黨組副書記齊讓同志出席培訓班并作了題為《關于科協工作的幾點思考》的專題報告。機關和直屬事業單位2009年未參加過中共中央黨校、三所干部學院及中國科協局級領導干部培訓班的副局級以上干部共28人參加了培訓。

齊讓在報告中結合胡錦濤總書記在紀念中國科協成立50周年大會上的重要講話精神和黨的十七屆四中全會精神,全面盤點了中國科協近年來所做的工作,并從科協的組織、宗旨,科協的工作任務、思路、品牌,科協工作的方法、定位和能力等3個方面,談了他近年來對科協工作的一些思考。他指出,全國學會是中國科協的主體,要結合正在開展的第三批深入學習實踐科學發展觀活動,加強全國學會黨組織建設。要正確認識中國科協“三服務一加強”的工作定位與“三主一家”之間的關系,深入分析我國科技人才隊伍現狀,在工作中堅持以科技工作者為本,進一步增強科協及所屬團體的宗旨意識。他指出,近年來,中國科協先后創建了中國科協年會、科普日等品牌活動,形成了“科普惠農興村”計劃、“講?比”活動、各類特色社區科普活動為代表的品牌工作,要在年會為經濟社會發展服務,科普日為提高全民科學素質服務的基礎上,切實把會員日辦成為廣大科技工作者服務的品牌活動。在談到科協干部的工作方法、工作定位和工作能力時,他指出,科協干部要在體現合作、溝通、共贏的基礎上,增強工作效率,要正確定位自己的權力、財力和能力,在工作中不斷增強分析問題、問題決策和決策執行的綜合能力,不斷提高個人素質,踏踏實實做好本職工作。

培訓班還邀請中國科協調宣部部長王春法、中共中央黨校社會發展研究中心研究員董振華和中共中央黨校哲學部教授張耀光分別作了題為《學習胡錦濤總書記12?15講話幾點體會》、《黨的十七屆四中全會精神解讀》、《哲學思維方式與領導方法》的專題報告。

同時,培訓班還根據鄧楠同志在黨組理論中心組學習擴大會議上的講話,就如何學習貫徹黨的十七屆四中全會精神和胡錦濤總書記在紀念中國科協成立50周年大會上的重要講話精神,創新聯系和服務科技工作者的途徑和方式以及中國科協2010年工作思路、重點工作進行了熱烈討論,提出了很好的意見建議。

此次培訓由中國科協組織人事部主辦,中國科協學會服務中心和機關服務局協辦。

(中國科學技術協會)