電站煤粉鍋爐受熱面膨脹和應(yīng)力的影響分析

顧瑋倫胡超見

(1.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司)，哈爾濱 150046；2.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046)

0 引 言

經(jīng)過對(duì)近些年電站煤粉鍋爐常發(fā)問題進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)因膨脹和熱應(yīng)力引起的問題占比較大，且大多難于治理，有的與運(yùn)行有關(guān)，有的則是先天性設(shè)計(jì)缺陷，無法根治，電廠頭疼不已。鍋爐設(shè)計(jì)需要綜合考慮運(yùn)行、傳熱、應(yīng)力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、現(xiàn)場安裝等眾多方面，且這些方面均與膨脹和應(yīng)力有關(guān)，若有考慮不周則有可能引發(fā)某些問題，待問題出現(xiàn)后再治理，不僅損失巨大，而且治理難度極大。所以本文結(jié)合多年來對(duì)這方面的分析研究，闡述一下設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)于膨脹和熱應(yīng)力方面的觀點(diǎn)，供讀者借鑒參考，因筆者能力有限，不當(dāng)之處請(qǐng)多指教。

1 概述

膨脹和熱應(yīng)力是鍋爐設(shè)計(jì)要考慮的重中之重，金屬熱脹冷縮是正常現(xiàn)象，也是鍋爐運(yùn)行不可避免的，零件個(gè)體單獨(dú)自由膨脹一般是安全的，但零件之間是相互關(guān)聯(lián)、相互作用的，膨脹時(shí)會(huì)相互影響產(chǎn)生脹差和熱應(yīng)力，雖然金屬材料本身能夠承受一定的熱應(yīng)力或反復(fù)次數(shù)，但超出一定范圍或次數(shù)時(shí)，材料就會(huì)受損且不可逆。下面簡單介紹一下與膨脹和熱應(yīng)力有關(guān)的問題和可采取的措施。

2 膨脹差與應(yīng)力

2.1 系統(tǒng)間膨脹差過大導(dǎo)致熱應(yīng)力過大或變形

鍋爐受熱面的子系統(tǒng)一般有水冷壁系統(tǒng)、頂棚包墻系統(tǒng)、過熱器系統(tǒng)、再熱器系統(tǒng)、省煤器系統(tǒng)等，在兩個(gè)系統(tǒng)連接的位置，在鍋爐運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生脹差，有脹差就會(huì)存在熱應(yīng)力，若應(yīng)力過大就會(huì)產(chǎn)生變形或拉裂現(xiàn)象。比如，水冷壁和包墻系統(tǒng)的連接處，因兩個(gè)系統(tǒng)中介質(zhì)存在溫差，若介質(zhì)流動(dòng)方向也不同，在鍋爐啟停變負(fù)荷過快時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)的溫差會(huì)加大，連接處會(huì)因脹差過大存在過大的應(yīng)力。所以在設(shè)計(jì)時(shí)要避免兩個(gè)系統(tǒng)連接位置的溫差過大、介質(zhì)流向相反，同時(shí)要要增加結(jié)構(gòu)的柔性。

2.2 局部與局部間脹差過大導(dǎo)致熱應(yīng)力過大或變形

指同一個(gè)整體的不同位置之間膨脹不協(xié)調(diào)引起的變形和過大的應(yīng)力。比如，水冷壁管屏，由于介質(zhì)流量與吸熱不匹配或局部受熱非常強(qiáng)烈，這時(shí)不同區(qū)域的管屏壁溫會(huì)有很大的差異，那么水冷壁管屏就會(huì)因此出現(xiàn)變形，凹凸不平，嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)致局部拉裂，所以在設(shè)計(jì)之初就要計(jì)算好介質(zhì)流量分配，有的在后期可通過調(diào)整燃燒、鍋爐運(yùn)行等方式等減輕或消除此現(xiàn)象，有的則調(diào)整不好。再如，高溫受熱面管屏的入口段和出口段、不同材質(zhì)的區(qū)域之間，因壁溫、金屬膨脹系數(shù)、長度不同引起的管屏亂屏、管子出列、焊縫拉裂等現(xiàn)象，建議設(shè)計(jì)時(shí)建模分析。

2.3 膨脹不同步的影響

主要會(huì)引起熱應(yīng)力或交變應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形、材料失效或受損。主要原因是溫度變化的速度不同，如，頂棚大包內(nèi)和爐膛內(nèi)的部件，在啟停爐過程中升溫和降溫的速度肯定是不同的，膨脹肯定也不同步。膨脹不同步幾乎是無法避免的，除非鍋爐不受熱，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮它的存在并想辦法減弱其影響，或通過一些措施控制溫度的變化速度，或減少交變的頻率和次數(shù)。

2.4 局部過熱的影響

局部過熱一般會(huì)引起局部超溫、變形嚴(yán)重，導(dǎo)致局部應(yīng)力過大，使結(jié)構(gòu)或材料受損。一般是由局部傳熱異常引起的，多與運(yùn)行和燃燒有關(guān)；也有些特殊結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致局部傳熱異常，如，煙氣被導(dǎo)流后導(dǎo)致受沖刷的位置換熱強(qiáng)烈；或煙氣流場的阻力不均勻，阻力小的地方煙速高等。

2.5 交變應(yīng)力

是導(dǎo)致材料失效的主要原因。一般是由于結(jié)構(gòu)之間存在脹差，在冷熱交替的變化下產(chǎn)生了交變應(yīng)力，應(yīng)力水平即使沒有超過材料的許用范圍，但也會(huì)導(dǎo)致材料失效。在機(jī)組經(jīng)常變負(fù)荷的情況下，某些位置頻繁出現(xiàn)交變應(yīng)力是不可避免的，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不能完全消除交變應(yīng)力產(chǎn)生的損傷的，但可以通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)來減弱。交變應(yīng)力有的是由于結(jié)構(gòu)形狀引起的，如集箱管接頭與集箱開孔；有的是由于材料不同，膨脹系數(shù)不同引起的，如異種鋼焊接接頭；有的是由于溫度梯度引起的，如筒身內(nèi)外壁；有的是結(jié)構(gòu)間膨脹不一致引起的，比如集箱與頂棚膨脹不一致導(dǎo)致集箱管接頭根部存在交變應(yīng)力；等等，好多交變應(yīng)力的產(chǎn)生是多重原因造成的，需綜合考慮。

3 考慮要點(diǎn)

3.1 柔性和剛性

包括局部的和整體的。鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的柔性和剛性，剛性大了會(huì)“硬”，變形能力差，柔性大了會(huì)“軟”，強(qiáng)度不足，柔性和剛性是矛盾的，是解決問題的雙刃劍，具體問題應(yīng)具體分析，如有必要需建模分析。但在一般情況下，為解決因脹差引起的熱應(yīng)力或交變應(yīng)力時(shí)，通常是提高結(jié)構(gòu)的柔性，一般做法是增加散管的長度；為減小結(jié)構(gòu)變形量，通常是提高整體剛性，一般做法有增加厚度、提高材質(zhì)等級(jí)、增加輔助結(jié)構(gòu)等。

3.2 材質(zhì)搭配

包括材料種類的搭配和尺寸的搭配。這是高溫受熱面管屏設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮的問題，尤其是當(dāng)前的高參數(shù)鍋爐，溫度水平高、變形量大、余量小。舉例如下：

(1)同屏管子的材質(zhì)搭配。例如T91/92與不銹鋼管子的搭配，兩種材料的膨脹系數(shù)差值太大，而且T91/92常用在壁溫相對(duì)低的入口端，不銹鋼常用在壁溫相對(duì)高的出口端，所以管屏出口段的膨脹量比入口段管屏的大，導(dǎo)致管屏變形，如果材料搭配的不好，管屏變形量過大，運(yùn)行時(shí)間長了，輕則管屏限位裝置脫開脫落致使管屏亂排、與相鄰結(jié)構(gòu)碰磨，重則管子被拉裂或爆管泄露致使機(jī)組非停。所以對(duì)于新產(chǎn)品，最好建模分析，特別是啟停階段的危險(xiǎn)工況，對(duì)各段管子壁溫要區(qū)分細(xì)致，不要按整體平均水平模擬，綜合考慮管屏固定裝置產(chǎn)生的約束等邊界條件。

(2)焊接件間的材質(zhì)搭配。比如，管子上焊接的鰭片、爐內(nèi)受熱面管子上焊接的固定件或定位塊等，因管子和這些附件之間的溫度水平不同、或存在溫度梯度、或材質(zhì)不同等等，脹差很難消除，若脹差過大就會(huì)導(dǎo)致焊縫端部的應(yīng)力水平過大，從而產(chǎn)生裂紋或直接拉裂管子。所以，對(duì)于新產(chǎn)品建議建模分析，對(duì)于輸入的條件要細(xì)致準(zhǔn)確。

3.3 膨脹方向

設(shè)計(jì)時(shí)不要忽略對(duì)膨脹方向的考慮，電站煤粉鍋爐一般是整體懸吊結(jié)構(gòu)，雖然是整體向下膨脹，但結(jié)構(gòu)間相對(duì)膨脹方向并不完全一致，甚至有的絕對(duì)膨脹方向會(huì)向上。比如爐內(nèi)管屏相對(duì)包墻、包墻相對(duì)爐外平臺(tái)(其上有吹灰器，需考慮槍管與受熱面的距離)、墻再相對(duì)水冷壁和頂棚、懸吊管與包墻(可用于計(jì)算穿墻散管的柔性是否可行)、等等。

3.4 集箱管接頭的特殊考慮

集箱管接頭的受力很復(fù)雜，承受著管屏載荷、管子入出口間脹差產(chǎn)生的應(yīng)力、集箱與頂棚之間橫向或縱向的脹差產(chǎn)生的應(yīng)力、管接頭與集箱開孔間脹差產(chǎn)生的應(yīng)力(與形狀和材質(zhì)有關(guān))、安裝殘余應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、交變應(yīng)力等等。所以對(duì)于新產(chǎn)品建議建模分析，對(duì)結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、溫度、壓力等前提條件及其變換做細(xì)致分析，保證輸入條件的準(zhǔn)確性。

3.5 應(yīng)力集中

應(yīng)力集中容易引起局部損傷，一般是由產(chǎn)品形狀引起的，比如厚度過渡區(qū)域梯度太大、焊接成型缺陷、“樹杈”形狀且受“掰”力等等，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免這樣的結(jié)構(gòu)，在制造、裝焊等過程中應(yīng)采取保護(hù)措施，在應(yīng)力集中的位置減少應(yīng)力疊加。

3.6 通過減小脹差降低應(yīng)力的方式

主要有兩種：

一是增加“段數(shù)”，將脹差化整為零。

二是增加柔性，如增加長度、減小厚度等。

4 結(jié)束語

以上所述都源于工程中遇到的實(shí)際問題，是鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮的重點(diǎn)，具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮全面、綜合分析，做好預(yù)防性設(shè)計(jì)。