【文章內(nèi)容簡介】 至使部件損壞。一般來說，部件越厚，在單側(cè)受熱時(shí)的內(nèi)、外壁溫差越大，熱應(yīng)力也越大。汽包、過熱器聯(lián)箱、蒸汽管道和閥門等的壁厚均較大，所以在受熱過程中必須妥善控制，尤其是汽包。 鍋爐啟動(dòng)初期受熱面內(nèi)部工質(zhì)的流動(dòng)尚不正常，工質(zhì)對(duì)受熱面金屬的沖刷和冷卻作用是很差的，有的受熱面內(nèi)甚至在短時(shí)間內(nèi)根本沒有工質(zhì)流過。如果這時(shí)受熱過強(qiáng)，金屬壁溫就有可能超過許用溫度。鍋爐的水冷壁、過熱器、再熱器及省煤器均有可能超溫。因此，啟動(dòng)初期的燃燒過程應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行 [8]。 爐膛爆燃也是啟動(dòng)過程中容易發(fā)生的 事故，鍋爐啟動(dòng)之初，燃料量少、爐溫低、燃燒不完全且不易控制，極有可能燃燒不穩(wěn)定導(dǎo)致滅火，一旦發(fā)生爆燃，將使設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p壞。 啟動(dòng)過程中所用燃料，除用于加熱工質(zhì)和部件外，還有一部分耗于排汽和放水，造成熱損失和工質(zhì)損失。在低負(fù)荷燃燒階段，過量空氣和燃燒損失也較大，鍋爐的運(yùn)行效率要比正常運(yùn)行時(shí)低得多。 總之，在鍋爐啟動(dòng)過程中，既有安全問題也有經(jīng)濟(jì)問題，二者經(jīng)常是矛盾的。為保證受熱面的安全，減小熱應(yīng)力，啟動(dòng)過程應(yīng)盡可能較慢的升溫升壓，燃料量的增加也只能緩慢進(jìn)行。但勢必延長啟動(dòng)時(shí)間，使鍋爐在啟動(dòng)過程中消耗更多的燃料 ，降低了經(jīng)濟(jì)性。鍋爐啟動(dòng)的原則是在保證設(shè)備安全的前提下，盡可能縮短啟動(dòng)時(shí)間，減少啟動(dòng)燃料的消耗量，并使機(jī)組盡早帶負(fù)荷 [9]。 華北電力大學(xué)成人教育學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 汽包概述 汽包是鍋爐中體積最大、壁最厚的承壓元件，以東方 300MW 機(jī)組鍋爐為例，汽包承受工作壓力 ，對(duì)應(yīng)飽和溫度 362℃，汽包的結(jié)構(gòu)尺寸為外徑 2090 ㎜，厚度為 145 ㎜。汽包的主要作用有四個(gè)： 1）連接。 汽包將水冷壁、下降管、過熱器及省煤器等各種直徑不同、根數(shù)不同、用途不同的管子有機(jī)的連接在一起，起到了一個(gè)大聯(lián)箱的作用。 2）汽水分 離。將由水冷壁蒸發(fā)受熱面來的汽水混合物，經(jīng)汽包內(nèi)的汽水分離裝置分離出來，進(jìn)入過熱器。 3）儲(chǔ)水。汽包是一較大的汽水分離容器，它的下半部貯存了一定容量的水，在鍋爐運(yùn)行中可以對(duì)給水流量變化起到緩沖作用，所以允許給水流量短時(shí)間內(nèi)的少量波動(dòng)，增加了鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)汽包中貯存的水還起到了緩沖壓力波動(dòng)的作用，當(dāng)壓力升高時(shí)，因?qū)?yīng)飽和溫度升高，汽包中的水貯存了一部分熱量，從而使壓力升高較緩慢；當(dāng)壓力降低時(shí)，對(duì)應(yīng)飽和溫度降低，汽包中的水釋放了一部分熱量，使壓力降低較緩慢。 4）汽包中的連續(xù)排污裝置、清洗裝置能保持蒸汽 品質(zhì)，加藥裝置能進(jìn)行汽包內(nèi)處理，防止蒸發(fā)受熱面結(jié)垢。 汽包內(nèi)具有大量高壓的飽和水和飽和蒸汽，其破裂而引起爆炸將是一種災(zāi)難性的事故。同時(shí)，汽包在自然循環(huán)鍋爐中地位重要，更換困難，若發(fā)生損壞，將會(huì)嚴(yán)重影響鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，本章將會(huì)對(duì)在鍋爐啟動(dòng)過程中汽包所出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析解決 [10]。 汽包啟動(dòng)應(yīng)力分析 汽包啟動(dòng)應(yīng)力是指鍋爐啟動(dòng)過程中汽包壁的應(yīng)力。它主要由工質(zhì)壓力引起的機(jī)械應(yīng)力、汽包壁溫度不均引起的熱應(yīng)力以及汽包與內(nèi)部介質(zhì)重力等引起的附加應(yīng)力組成。汽包壁應(yīng)力可分為主體膜應(yīng)力和峰值應(yīng)力兩種。 峰值 應(yīng)力是汽包壁的局部應(yīng)力，由汽包壁溫度不均勻及結(jié)構(gòu)等原因引起，它比主體膜應(yīng)力大 2～ 4倍。峰值應(yīng)力使汽包壁局部材料屈服，引起應(yīng)力再分配，最大應(yīng)力達(dá)到屈服極限，在靜態(tài)時(shí)不構(gòu)成破壞。但是，對(duì)波動(dòng)的峰值應(yīng)力，到了一定的波動(dòng)次數(shù)后，材料就會(huì)脆性破壞 [11]。 汽包機(jī)械應(yīng)力 汽包的機(jī)械應(yīng)力是指由汽包內(nèi)的工質(zhì)壓力引起的金屬應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力在任意點(diǎn)的三個(gè)方向均為拉應(yīng)力，且均與汽包內(nèi)壓力成正比。隨著汽壓的升高，汽包機(jī)械應(yīng)力將會(huì)越來越大。 汽包的內(nèi)、外直徑之比都在 左右，屬薄壁容器。薄壁容器在內(nèi)壓力的作用下只是向外擴(kuò)張而無其他變形。故汽包的縱橫斷面上只有正應(yīng)力而無剪應(yīng)力。汽包壁任一點(diǎn)有三個(gè)方向的應(yīng)力，即沿圓筒切線方向的切向應(yīng)力、沿圓筒軸線方向的軸向應(yīng)力和沿圓筒直徑方向的徑向應(yīng)力。 同時(shí)，汽包由焊接而制成，并在壁上開有很多小孔，從而使汽包壁的應(yīng)力增大了許多。 華北電力大學(xué)成人教育學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 汽包熱應(yīng)力 熱應(yīng)力的概念 金屬部件的體積隨著溫度的升高而膨脹擴(kuò)大，隨著溫度的下降而收縮減小。如果金屬部件的體積能隨溫度變化而自由變化，金屬部件內(nèi)就不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；但是當(dāng)金屬部件的體積變化受到約束時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。通常，我們把由于金屬 部件之間存在著一定的溫差所引起的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。 鍋爐啟動(dòng)過程中汽包的熱應(yīng)力 鍋爐啟動(dòng)過程中工質(zhì)溫度逐漸升高，汽包被加熱，在汽包的上半部分飽和蒸汽對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行凝結(jié)放熱，在下半部分鍋水對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行對(duì)流放熱，凝結(jié)放熱系數(shù)比對(duì)流放熱系數(shù)大 2～ 3 倍，故汽包上壁溫升高于下壁溫升。汽包溫度較高的部位金屬膨脹量大、溫度較低的部位金屬膨脹量小。但汽包是一個(gè)整體，其各部分之間無相對(duì)位移的自由，因而汽包內(nèi)壁受到壓縮、外壁受到拉伸，汽包上壁受到壓縮、下壁受到拉伸。汽包被壓縮的部分產(chǎn)生壓縮熱應(yīng)力、被拉伸的部分產(chǎn)生拉伸熱 應(yīng)力。 熱應(yīng)力又稱溫差應(yīng)力，是由于不同部位金屬在不同溫度下其體積變化受到限制而產(chǎn)生的應(yīng)力。汽包啟動(dòng)熱應(yīng)力主要是由汽包的上、下壁溫差和內(nèi)、外壁溫差引起的 [12]。 汽包上、下壁溫差引起的熱應(yīng)力 在鍋爐進(jìn)水和鍋爐升壓過程中都將會(huì)出現(xiàn)汽包上、下壁溫差。鍋爐進(jìn)水時(shí)，水總是先與汽包下壁接觸，然后逐漸升高與上壁接觸。這樣壁溫就是上低下高。汽包下壁受壓而上壁受拉。汽包起壓后，上、下壁溫差轉(zhuǎn)為上高下低。這是因?yàn)槠喜靠臻g為汽、下部空間為水，都對(duì)汽包壁進(jìn)行單向傳熱。但蒸汽對(duì)汽包上壁的放熱為凝結(jié)放熱，而水對(duì)汽 包下壁的放熱為微弱的對(duì)流放熱，放熱系數(shù)差別很大，前者比后者要大 2～ 3 倍。所以汽包上壁的受熱要比下壁劇烈得多，使汽包上壁溫度上升很快，因而造成汽包上、下壁產(chǎn)生溫差。升壓速度越快，汽包上、下壁溫差就越大。 汽包下壁的應(yīng)力狀態(tài)由受壓轉(zhuǎn)為受拉經(jīng)歷一次應(yīng)力循環(huán)。由于啟停一次應(yīng)力變化的幅值與最初的壓應(yīng)力有關(guān)，而應(yīng)力循環(huán)幅值大小會(huì)影響汽包的低周疲勞壽命，所以啟動(dòng)前的進(jìn)水應(yīng)該限制進(jìn)水的溫度和時(shí)間，盡可能減小汽包上、下壁溫差。 當(dāng)汽包上部壁溫高于下部壁溫時(shí)，汽包有產(chǎn)生彎曲變形的傾向。這時(shí)由于上壁溫度高，膨脹量大，并力圖拉著下 壁一起膨脹；而下壁溫度低，膨脹量小，并力圖阻止上壁的膨脹。因而汽包上壁受壓縮應(yīng)力，下壁則受拉伸應(yīng)力。但是，與汽包連接的很多管子將約束汽包的自由變形，這樣就產(chǎn)生了很大的附加應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)使聯(lián)箱、管子彎曲變形和管座焊縫產(chǎn)生裂紋。 為降低汽包上、下壁溫差，國外有些鍋爐在汽包結(jié)構(gòu)上有所改進(jìn)。例如美國的 CE公司、德國的 BABCOCK 公司在其設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 300MW、 600MW 級(jí)鍋爐汽包內(nèi)安裝了與汽包同樣長度的弧形襯板。上升管匯集來的汽水混合物由汽包的中上部進(jìn)入，經(jīng)環(huán)形夾層向下流動(dòng)，所以汽包上壁也有相當(dāng)部分的面積與水接 觸，汽包上壁的冷凝放熱影響相對(duì)減弱。但是由于沖刷汽包上壁的水速較高，上、下壁溫差還存在，但允許的飽和水溫升率要大的多 [13]。 華北電力大學(xué)成人教育學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 汽包內(nèi)、外壁溫差引起的熱應(yīng)力 汽包內(nèi)、外壁溫差出現(xiàn)于鍋爐進(jìn)水和鍋爐升壓的過程中。進(jìn)水時(shí)，熱水只與汽包內(nèi)壁接觸，外壁接受內(nèi)壁熱流，故其溫度低于內(nèi)壁，從而產(chǎn)生汽包的內(nèi)、外壁溫差。 點(diǎn)火后隨著汽壓的上升，飽和溫度也升高，同水和蒸汽接觸的汽包內(nèi)壁溫度接近于飽和溫度，但外壁溫度的升高則受到金屬導(dǎo)熱及壁厚的限制，因而造成汽包內(nèi)、外壁之間的溫差。鍋爐在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，由于汽包的導(dǎo)熱系 數(shù)很大，所以汽包壁內(nèi)的溫差很小，熱應(yīng)力也較小，可以忽略不計(jì)。然而，鍋爐在啟?；蜃冐?fù)荷過程中，由于汽包內(nèi)的介質(zhì)溫度不斷上升，故產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力。汽包內(nèi)壁溫度高，膨脹受阻而承受壓應(yīng)力；外壁溫度低，相對(duì)內(nèi)壁力圖收縮而承受拉應(yīng)力。并且，熱應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在內(nèi)、外壁表面處。升壓速度越快，汽包內(nèi)、外壁溫差及熱應(yīng)力就越大，且基本呈線性關(guān)系。這是因?yàn)樵诤芸斓慕橘|(zhì)溫升速度下，內(nèi)壁熱量未來的及傳給外壁，飽和溫度就又升高了，所以將引起更大的內(nèi)、外壁溫差。由于汽包內(nèi)的飽和溫升始終伴隨著升壓過程，所以在整個(gè)升壓過程中，汽包內(nèi)外壁溫 差始終存在 [15]。 汽包壁溫差的最大值通常出現(xiàn)在啟動(dòng)之初。其原因一是由于啟動(dòng)之初，水循環(huán)較弱，水的擾動(dòng)較小，汽包下半部與幾乎不動(dòng)的水接觸傳熱，從而使汽包下部金屬溫升慢；二是由于低壓階段壓力不大的變化就會(huì)引起飽和溫度很大的變化，即引起鍋水和汽溫產(chǎn)生較大的變化，使水、汽對(duì)汽包壁的放熱量也相應(yīng)發(fā)生較大的變化，加大了汽包的上下壁溫差。 汽包附加應(yīng)力 汽包的附加應(yīng)力是指汽包與內(nèi)部介質(zhì)重力引起的應(yīng)力，其數(shù)值上與以上兩種應(yīng)力比較要小得多。 峰值應(yīng)力 鍋爐升壓過程中汽包應(yīng)力有機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力兩種。汽包內(nèi)壓力產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，汽包壁溫不均產(chǎn)生熱應(yīng)力，還有附加應(yīng)力，它們疊加后產(chǎn)生總應(yīng)力，最大局部總應(yīng)力點(diǎn)成為峰值應(yīng)力。汽包頂部機(jī)械應(yīng)力和上下壁溫差熱應(yīng)力方向相反，相互減弱；汽包下部機(jī)械應(yīng)力和上下壁溫差應(yīng)力方向相同，相互增強(qiáng)。再疊加內(nèi)外壁溫差引起的熱應(yīng)力及應(yīng)力集中的作用，峰值應(yīng)力常出現(xiàn)在大直徑下降管孔附近。 啟動(dòng)過程汽包峰值應(yīng)力的大小決定于汽包內(nèi)壓力、壓力變動(dòng)率及循環(huán)流速。某 1000t/h亞臨界壓力自然循環(huán)鍋爐進(jìn)行啟停應(yīng)力峰值試驗(yàn)表明，在控制汽包壁溫差的情況下，汽包峰值應(yīng)力在 325～ +380Mpa 之間變化。其最大負(fù)應(yīng)力出現(xiàn)在冷態(tài)啟動(dòng)的初期，最大正應(yīng)力則出現(xiàn)在汽包壓力的最高值區(qū)域。 汽包峰值應(yīng)力是局部應(yīng)力，當(dāng)它超過材料的屈服極限時(shí)，將引起應(yīng)力再分配，最大只能達(dá)到屈服極限，這在穩(wěn)定壓力下對(duì)強(qiáng)度是無害的，但在交變應(yīng)力作用下，可能產(chǎn)生疲勞裂紋，并最終導(dǎo)致元件泄漏 [10]。 汽包低周疲勞破壞分析 汽包峰值應(yīng)力超過材料屈服極限時(shí)，材料局部發(fā)生塑性變形，使斷面上的應(yīng)力重新分配，最大值不大于屈服極限。汽包金屬在遠(yuǎn)低于其抗拉強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后會(huì)產(chǎn)生疲勞裂 痕以至破裂，這種現(xiàn)象稱為低周疲勞破壞。達(dá)到低周疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)總次數(shù)稱為壽命，運(yùn)行中應(yīng)力循環(huán)次數(shù)占?jí)勖陌俜謹(jǐn)?shù)稱為壽命損耗。 華北電力大學(xué)成人教育學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 是否要對(duì)汽包進(jìn)行低周疲勞分析，美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ ASME）給出了一個(gè)臨界值。對(duì)于材料屈服極限小于 552Mpa 的汽包，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)超過 1000 次，都應(yīng)對(duì)汽包進(jìn)行低周疲勞分析。關(guān)于應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有以下定義： 1）鍋爐啟動(dòng)停運(yùn)一個(gè)循環(huán)為一次。 2）壓力波動(dòng)范圍在數(shù)值上超過設(shè)計(jì)壓力值 20％算一次。 3）汽包上任何相鄰兩點(diǎn)，因溫度變化產(chǎn)生溫差，不同溫差值折算成次數(shù)，如下： ～ 55℃， 應(yīng)力循環(huán) 1次； ～ 83℃，應(yīng)力循環(huán) 2 次； ～ 139℃，應(yīng)力循環(huán) 4 次； ～ 194℃，應(yīng)力循環(huán) 8次； ～ 250℃，應(yīng)力循環(huán) 12次； f.＞ 250℃，應(yīng)力循環(huán) 20 次； 啟停過程中汽包壁的溫差監(jiān)視 為了保護(hù)汽包，在整個(gè)鍋爐啟動(dòng)過程中必須不斷監(jiān)視汽包上下壁溫差以及內(nèi)外壁溫差。為此，在大型鍋爐的汽包壁上，安裝有若干組溫度測點(diǎn)，以集中下降管外壁溫度代替汽包下部的內(nèi)壁溫度。在監(jiān)護(hù)和控制溫差時(shí)，按以下方法計(jì)算壁溫差：以最大的引出管外壁溫度減去汽包 上部外壁最小溫度，差值就是汽包上部內(nèi)外壁的最大溫差；若減去汽包下集中下降管外壁最小溫度，差值就是汽包上下內(nèi)壁最大差值；同理，也可計(jì)算得到汽包下部內(nèi)外壁溫差。有的鍋爐還引入汽包的壓力等數(shù)據(jù)對(duì)上述計(jì)算進(jìn)行修正。以前，國內(nèi)機(jī)組對(duì)汽包上下壁溫差和內(nèi)外壁溫差啟動(dòng)中的最大允許值，均控制在 50℃以內(nèi)，這個(gè)限制主要是鑒于對(duì)啟動(dòng)過程中汽包金屬的溫度分布規(guī)律還不能充分掌握，所以理論上對(duì)它的熱應(yīng)力尚不能精確的計(jì)算，同時(shí)，也考慮到損傷汽包的嚴(yán)重性。實(shí)踐證明，溫差只要在此范圍內(nèi)，產(chǎn)生的附加熱應(yīng)力不會(huì)造成汽包損壞，是偏于安全的。近年來 引進(jìn)的機(jī)組對(duì)汽包壁溫差的控制普遍較寬，例如東方鍋爐的 1025t/h 自然循環(huán)鍋爐，冷態(tài)啟動(dòng)限制上下壁溫差小于 40℃；日本三菱公司的 1175t/h控制循環(huán)鍋爐，規(guī)定進(jìn)水升溫速度不大于 ℃ /min，以此來限制汽包壁溫差 [6]。 在鍋爐的啟動(dòng)過程中，機(jī)械應(yīng)力隨氣壓上升而增大，逐漸成為汽包應(yīng)力的主要部分，汽包熱應(yīng)力則隨氣壓上升而逐漸減小，并且它只與汽包壁溫差有關(guān)。在汽包內(nèi)壁，內(nèi)壁溫差引