摘  要：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總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，產生嚴重的爆破和重大的安全生產事故。

　　關鍵詞：汽包；熱應力；控制

　　1汽包應力分析

　　汽包主要有壓力引起的機械應力和溫度變化引起的熱應力。壓力產生的機械應力有切向、軸向和徑向應力三種，計算公式如下：

 

　　由(1)、(2)、(3)式可知，機械應力與其工作壓力成正比，因此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。

　　2汽包熱應力的產生

　　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：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。

　　2.1上下壁溫差的產生

　　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：

　　a)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，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。

　　b)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。

　　c)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。

　　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。

　　a)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。而且汽包壁厚較大，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。

　　b)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。

　　c)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。

　　2.2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。

　　2.3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，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。應力計算指出，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，控制汽包內外壁熱應力的關鍵是控制升溫速度。

　　3 汽包熱應力的控制措施

　　汽包熱應力的控制實質上就是對汽包上下壁、內壁溫差進行控制。

　　在啟、停爐過程中，嚴格控制升溫或降溫速度，一般規定升溫(降溫)速度ω值不得超過(1.5-2.0)℃/min，或100℃/h。由于水和蒸汽在飽和狀態下溫度和壓力之間存在一定的對應關系，所以鍋爐啟動的升壓過程也就是升溫過程，通常鍋爐在啟動時以升壓速度來控制其溫升速度的大小。但在鍋爐啟動初期應采用更小的升壓速度，因為升壓初期汽水飽和溫度隨壓力的變化較大(見表1)，此期間更容易產生較大的壁溫差。

 

　　圖1所示為某臺HG-220/100-YM10型鍋爐在母管制系統中的冷態啟動曲線。從曲線上可以看出：在升壓的初始階段，升壓速度很低，在100min內汽壓升高僅為0.25MPa。隨后鍋爐的升壓速度逐步有所提高。從圖上還可以看出，該鍋爐從點火開始直至并汽，總共需要約4.25h。

　　在升壓或降壓過程中，若發現汽包上下壁溫差超過規定值(50℃)，應減慢升(降)壓速度。控制升壓速度的主要手段是控制燃料耗量，此外還可以加大旁路閥門的開度進行升壓速度控制。啟爐時，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。維持爐膛燃燒穩定，熱負荷均勻，并且有一定水平。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。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。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。在有條件的情況下，盡量采用蒸汽加熱水冷壁下聯箱方法，能加快建立正常水循環。HG-220/100-YM10型鍋爐水冷壁下聯箱裝有加熱蒸汽引入管，借助臨機抽汽加熱鍋水，將鍋水加熱到100℃左右再進行鍋爐點火。這樣，在鍋爐點火以后，水冷壁可以立即開始產汽，大大加快了水循環的建立和穩定。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。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。

 

　　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。

　　提高設備的檢修質量，確保閥門嚴密。給水門不嚴密，啟、停爐過程中不補水時 ，給水可能直接經省煤器進入汽包；省煤器再循環門不嚴密，給水會直接漏入汽包 ，使汽包壁局部溫度下降；定期排污門不嚴密，會破壞水循環，同時停爐中漏流，需要補充更多的給水，造成上下壁溫差增大；對空排汽門、事故放水門的嚴密性差也會造成不良影響。

　　結束語。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是長期存在的。因此，除做好預控措施外，還應結合機組的大、小修及臨檢等工作認真做好檢查維護工作，及時發現缺陷、隱患并加以消除。