鍋爐汽包熱應(yīng)力的產(chǎn)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(yīng)力進(jìn)行討論,詳細(xì)分析了汽包上下壁、內(nèi)外壁溫差的產(chǎn)生原因,溫差引起的熱應(yīng)力的產(chǎn)生過程和熱應(yīng)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(yùn)行 。

關(guān)鍵詞 鍋爐;汽包;熱應(yīng)力;溫差

中圖分類號(hào) TE963文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 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(dāng)會(huì)使其上下壁、內(nèi)外壁產(chǎn)生過大的溫差和熱應(yīng)力,其機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合應(yīng)力在局部區(qū)域的峰值可能接近或超過汽包材料的屈服強(qiáng)度,汽包壁容易形成裂紋,擴(kuò)展到一定程度時(shí)汽包將被破壞。

汽包承受的應(yīng)力主要有壓力引起的機(jī)械應(yīng)力和溫度變化引起的熱應(yīng)力,其中機(jī)械應(yīng)力與其工作壓力成正比,在設(shè)計(jì)中通過強(qiáng)度計(jì)算來確定汽包的壁厚、直徑和選材等,運(yùn)行中只要控制不超壓運(yùn)行,機(jī)械應(yīng)力的最大值是穩(wěn)定的。本文僅就因汽包壁溫度變化引起的熱應(yīng)力進(jìn)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(yīng)力分析

鍋爐在啟動(dòng)和停爐過程中,汽包壁內(nèi)的溫度場和傳熱條件不斷變化。當(dāng)溫度變化時(shí),汽包筒體存在著3種溫差即內(nèi)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(chǎn)生

1.1.1 升壓過程

在升壓過程中,汽包內(nèi)壁溫度表現(xiàn)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(dòng)過程中,汽側(cè)介質(zhì)的溫度為飽和溫度,而水側(cè)介質(zhì)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(zhì)溫度,形成介質(zhì)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(jié)放熱,因?yàn)槟Y(jié)放熱系數(shù)比對流傳熱的放熱系數(shù)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(dòng)初期,水循環(huán)微弱,汽包內(nèi)水流緩慢,在爐膛受熱較弱的局部甚至出現(xiàn)循環(huán)停滯區(qū),使水溫明顯偏低,而蒸汽在汽包內(nèi)的蒸汽空間傳熱相對較均勻,使汽包上下壁溫差進(jìn)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(guān)系,壓力上升時(shí),溫度跟著上升。蒸汽空間的蒸汽只能過熱不會(huì)欠焓。下部水溫的上升需要靠介質(zhì)流動(dòng)傳熱,水溫上升緩慢,升壓速度越快,汽包上下部介質(zhì)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(cè)介質(zhì)溫度接近于飽和溫度,而汽側(cè)介質(zhì)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(zhì)散熱很少,所以停爐過程中汽包的冷卻主要依靠水循環(huán)。當(dāng)汽包內(nèi)介質(zhì)的壓力及相應(yīng)的飽和溫度逐漸降低時(shí),汽包金屬對工質(zhì)放熱,由于上部金屬對蒸汽的放熱系數(shù)小于下部金屬對水的放熱系數(shù),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(bǔ)入溫度較低的水,使上下壁溫差進(jìn)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(shí)又不斷地大量補(bǔ)水維持汽包水位,造成上下壁溫差嚴(yán)重超標(biāo)。在規(guī)程中,為使?fàn)t內(nèi)的水蒸氣排走,規(guī)定爆管時(shí)不關(guān)煙道擋板(或引風(fēng)機(jī)擋板)使?fàn)t內(nèi)溫度迅速下降,以至汽包壁溫差進(jìn)一步加大。

1.2 上下壁溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力

汽包熱應(yīng)力計(jì)算表明,汽包上下壁溫差引起的熱應(yīng)力主要是軸向應(yīng)力、切向和徑向應(yīng)力,與之相比約低一個(gè)數(shù)量級(jí),故可忽略不計(jì)。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(chǎn)生壓縮應(yīng)力,下部產(chǎn)生拉伸應(yīng)力,熱應(yīng)力與溫差成正比,汽包上下壁溫差越大,產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大 。

1.3 內(nèi)外壁溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力

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

2 汽包應(yīng)力分析與低周疲勞壽命

2.1 應(yīng)力分析

一般情況,汽包上下壁溫度很接近,故外壁拉伸應(yīng)力較小,內(nèi)壁壓縮應(yīng)力較大。機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力的合成應(yīng)力可能已超過材料的屈服強(qiáng)度σs,但汽包使用的鋼材的塑性較好,合成應(yīng)力增加到屈服強(qiáng)度后就不再增加,由塑性變形吸收。汽包壁不會(huì)因?qū)嶋H應(yīng)力達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度而立即被破壞,但是會(huì)使汽包的工作壽命縮短。

2.2 應(yīng)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(huì)導(dǎo)致材質(zhì)變壞、抗腐蝕能力下降,還可能引起應(yīng)力腐蝕;

2)在鍋爐啟動(dòng)、停運(yùn)及變負(fù)荷過程中,汽包應(yīng)力發(fā)生周期性變化,這將引起疲勞損壞。在長期的交變應(yīng)力的作用下,汽包壁形成裂紋,擴(kuò)展到一定程度時(shí)汽包破壞;

3)汽包應(yīng)力峰值超過屈服強(qiáng)度的數(shù)值越大,塑性變形區(qū)越大,達(dá)到低周疲勞破壞的循環(huán)周數(shù)越少,即應(yīng)力每循環(huán)一次的壽命損耗增大。

3 控制措施

汽包熱應(yīng)力的控制實(shí)質(zhì)上就是對汽包上下壁、內(nèi)外壁溫差進(jìn)行控制。

1)在升、停爐過程中,嚴(yán)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(dòng)初期應(yīng)采用更小的升溫速度,因?yàn)樯龎撼跗谄柡蜏囟入S壓力的變化較大,此期間更容易產(chǎn)生較大的壁溫差。在升壓或降壓過程中,若發(fā)現(xiàn)汽包上下壁溫差超過規(guī)定值(40℃),應(yīng)減慢升(降)壓速度;

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

3)維持燃燒穩(wěn)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?fàn)t膛熱負(fù)荷均勻,確保水循環(huán)正常;

4)盡量維持較高的給水溫度。因?yàn)闇囟鹊偷慕o水進(jìn)入汽包,會(huì)使下壁溫度低,造成上下壁溫差大;

5)向汽包補(bǔ)給水時(shí)須嚴(yán)密關(guān)閉省煤器再循環(huán)門,否則,水短路進(jìn)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(yīng)使汽包緩慢均勻冷卻,同時(shí)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(bǔ)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(wěn)定地控制補(bǔ)水量。水冷壁、省煤器爆漏,水位難維持時(shí)宜盡快停爐,停爐后可不再向汽包進(jìn)水,同時(shí),停爐后要避免長時(shí)間開啟煙道擋板造成爐內(nèi)急劇冷卻。

9)提高設(shè)備的檢修質(zhì)量,確保閥門嚴(yán)密。

4 結(jié)論

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

中國科協(xié)舉辦機(jī)關(guān)和事業(yè)單位副局級(jí)以上干部培訓(xùn)班

11月11~13日,中國科協(xié)機(jī)關(guān)和事業(yè)單位副局級(jí)以上干部培訓(xùn)班在中國科協(xié)科普綠化示范基地舉辦。中國科協(xié)副主席、書記處書記、黨組副書記齊讓同志出席培訓(xùn)班并作了題為《關(guān)于科協(xié)工作的幾點(diǎn)思考》的專題報(bào)告。機(jī)關(guān)和直屬事業(yè)單位2009年未參加過中共中央黨校、三所干部學(xué)院及中國科協(xié)局級(jí)領(lǐng)導(dǎo)干部培訓(xùn)班的副局級(jí)以上干部共28人參加了培訓(xùn)。

齊讓在報(bào)告中結(jié)合胡錦濤總書記在紀(jì)念中國科協(xié)成立50周年大會(huì)上的重要講話精神和黨的十七屆四中全會(huì)精神,全面盤點(diǎn)了中國科協(xié)近年來所做的工作,并從科協(xié)的組織、宗旨,科協(xié)的工作任務(wù)、思路、品牌,科協(xié)工作的方法、定位和能力等3個(gè)方面,談了他近年來對科協(xié)工作的一些思考。他指出,全國學(xué)會(huì)是中國科協(xié)的主體,要結(jié)合正在開展的第三批深入學(xué)習(xí)實(shí)踐科學(xué)發(fā)展觀活動(dòng),加強(qiáng)全國學(xué)會(huì)黨組織建設(shè)。要正確認(rèn)識(shí)中國科協(xié)“三服務(wù)一加強(qiáng)”的工作定位與“三主一家”之間的關(guān)系,深入分析我國科技人才隊(duì)伍現(xiàn)狀,在工作中堅(jiān)持以科技工作者為本,進(jìn)一步增強(qiáng)科協(xié)及所屬團(tuán)體的宗旨意識(shí)。他指出,近年來,中國科協(xié)先后創(chuàng)建了中國科協(xié)年會(huì)、科普日等品牌活動(dòng),形成了“科普惠農(nóng)興村”計(jì)劃、“講?比”活動(dòng)、各類特色社區(qū)科普活動(dòng)為代表的品牌工作,要在年會(huì)為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展服務(wù),科普日為提高全民科學(xué)素質(zhì)服務(wù)的基礎(chǔ)上,切實(shí)把會(huì)員日辦成為廣大科技工作者服務(wù)的品牌活動(dòng)。在談到科協(xié)干部的工作方法、工作定位和工作能力時(shí),他指出,科協(xié)干部要在體現(xiàn)合作、溝通、共贏的基礎(chǔ)上,增強(qiáng)工作效率,要正確定位自己的權(quán)力、財(cái)力和能力,在工作中不斷增強(qiáng)分析問題、問題決策和決策執(zhí)行的綜合能力,不斷提高個(gè)人素質(zhì),踏踏實(shí)實(shí)做好本職工作。

培訓(xùn)班還邀請中國科協(xié)調(diào)宣部部長王春法、中共中央黨校社會(huì)發(fā)展研究中心研究員董振華和中共中央黨校哲學(xué)部教授張耀光分別作了題為《學(xué)習(xí)胡錦濤總書記12?15講話幾點(diǎn)體會(huì)》、《黨的十七屆四中全會(huì)精神解讀》、《哲學(xué)思維方式與領(lǐng)導(dǎo)方法》的專題報(bào)告。

同時(shí),培訓(xùn)班還根據(jù)鄧楠同志在黨組理論中心組學(xué)習(xí)擴(kuò)大會(huì)議上的講話,就如何學(xué)習(xí)貫徹黨的十七屆四中全會(huì)精神和胡錦濤總書記在紀(jì)念中國科協(xié)成立50周年大會(huì)上的重要講話精神,創(chuàng)新聯(lián)系和服務(wù)科技工作者的途徑和方式以及中國科協(xié)2010年工作思路、重點(diǎn)工作進(jìn)行了熱烈討論,提出了很好的意見建議。

此次培訓(xùn)由中國科協(xié)組織人事部主辦,中國科協(xié)學(xué)會(huì)服務(wù)中心和機(jī)關(guān)服務(wù)局協(xié)辦。

(中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì))