電站煤粉鍋爐受熱面膨脹和應力的影響分析

顧瑋倫胡超見

(1.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司)，哈爾濱 150046；2.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046)

0 引 言

經(jīng)過對近些年電站煤粉鍋爐常發(fā)問題進行梳理，發(fā)現(xiàn)因膨脹和熱應力引起的問題占比較大，且大多難于治理，有的與運行有關，有的則是先天性設計缺陷，無法根治，電廠頭疼不已。鍋爐設計需要綜合考慮運行、傳熱、應力分析、結構設計、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力有關，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。所以本文結合多年來對這方面的分析研究，闡述一下設計鍋爐時應考慮的關于膨脹和熱應力方面的觀點，供讀者借鑒參考，因筆者能力有限，不當之處請多指教。

1 概述

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

2 膨脹差與應力

2.1 系統(tǒng)間膨脹差過大導致熱應力過大或變形

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，在兩個系統(tǒng)連接的位置，在鍋爐運行過程中會產(chǎn)生脹差，有脹差就會存在熱應力，若應力過大就會產(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，因兩個系統(tǒng)中介質(zhì)存在溫差，若介質(zhì)流動方向也不同，在鍋爐啟停變負荷過快時，兩個系統(tǒng)的溫差會加大，連接處會因脹差過大存在過大的應力。所以在設計時要避免兩個系統(tǒng)連接位置的溫差過大、介質(zhì)流向相反，同時要要增加結構的柔性。

2.2 局部與局部間脹差過大導致熱應力過大或變形

指同一個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烈，這時不同區(qū)域的管屏壁溫會有很大的差異，那么水冷壁管屏就會因此出現(xiàn)變形，凹凸不平，嚴重的話會導致局部拉裂，所以在設計之初就要計算好介質(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，建議設計時建模分析。

2.3 膨脹不同步的影響

主要會引起熱應力或交變應力，導致結構變形、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，設計時應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

局部過熱一般會引起局部超溫、變形嚴重，導致局部應力過大，使結構或材料受損。一般是由局部傳熱異常引起的，多與運行和燃燒有關；也有些特殊結構會導致局部傳熱異常，如，煙氣被導流后導致受沖刷的位置換熱強烈；或煙氣流場的阻力不均勻，阻力小的地方煙速高等。

2.5 交變應力

是導致材料失效的主要原因。一般是由于結構之間存在脹差，在冷熱交替的變化下產(chǎn)生了交變應力，應力水平即使沒有超過材料的許用范圍，但也會導致材料失效。在機組經(jīng)常變負荷的情況下，某些位置頻繁出現(xiàn)交變應力是不可避免的，通過結構設計是不能完全消除交變應力產(chǎn)生的損傷的，但可以通過改進結構來減弱。交變應力有的是由于結構形狀引起的，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；有的是結構間膨脹不一致引起的，比如集箱與頂棚膨脹不一致導致集箱管接頭根部存在交變應力；等等，好多交變應力的產(chǎn)生是多重原因造成的，需綜合考慮。

3 考慮要點

3.1 柔性和剛性

包括局部的和整體的。鍋爐設計時要同時考慮結構的柔性和剛性，剛性大了會“硬”，變形能力差，柔性大了會“軟”，強度不足，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力或交變應力時，通常是提高結構的柔性，一般做法是增加散管的長度；為減小結構變形量，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、增加輔助結構等。

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計時要重點考慮的問題，尤其是當前的高參數(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常用在壁溫相對低的入口端，不銹鋼常用在壁溫相對高的出口端，所以管屏出口段的膨脹量比入口段管屏的大，導致管屏變形，如果材料搭配的不好，管屏變形量過大，運行時間長了，輕則管屏限位裝置脫開脫落致使管屏亂排、與相鄰結構碰磨，重則管子被拉裂或爆管泄露致使機組非停。所以對于新產(chǎn)品，最好建模分析，特別是啟停階段的危險工況，對各段管子壁溫要區(qū)分細致，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，若脹差過大就會導致焊縫端部的應力水平過大，從而產(chǎn)生裂紋或直接拉裂管子。所以，對于新產(chǎn)品建議建模分析，對于輸入的條件要細致準確。

3.3 膨脹方向

設計時不要忽略對膨脹方向的考慮，電站煤粉鍋爐一般是整體懸吊結構，雖然是整體向下膨脹，但結構間相對膨脹方向并不完全一致，甚至有的絕對膨脹方向會向上。比如爐內(nèi)管屏相對包墻、包墻相對爐外平臺(其上有吹灰器，需考慮槍管與受熱面的距離)、墻再相對水冷壁和頂棚、懸吊管與包墻(可用于計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雜，承受著管屏載荷、管子入出口間脹差產(chǎn)生的應力、集箱與頂棚之間橫向或縱向的脹差產(chǎn)生的應力、管接頭與集箱開孔間脹差產(chǎn)生的應力(與形狀和材質(zhì)有關)、安裝殘余應力、焊接殘余應力、交變應力等等。所以對于新產(chǎn)品建議建模分析，對結構、材質(zhì)、溫度、壓力等前提條件及其變換做細致分析，保證輸入條件的準確性。

3.5 應力集中

應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，在設計時應避免這樣的結構，在制造、裝焊等過程中應采取保護措施，在應力集中的位置減少應力疊加。

3.6 通過減小脹差降低應力的方式

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 結束語

以上所述都源于工程中遇到的實際問題，是鍋爐結構設計中考慮的重點，具有很強的指導意義，在設計時應考慮全面、綜合分析，做好預防性設計。