【文章內(nèi)容簡介】 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。汽包下壁的應力狀態(tài)由受壓轉為受拉經(jīng)歷一次應力循環(huán)。由于啟停一次應力變化的幅值與最初的壓應力有關，而應力循環(huán)幅值大小會影響汽包的低周疲勞壽命，所以啟動前的進水應該限制進水的溫度和時間，盡可能減小汽包上、下壁溫差。當汽包上部壁溫高于下部壁溫時，汽包有產(chǎn)生彎曲變形的傾向。這時由于上壁溫度高，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力，下壁則受拉伸應力。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)生了很大的附加應力，嚴重時可能會使聯(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構上有所改進。例如美國的CE公司、德國的BABCOCK公司在其設計生產(chǎn)的300MW、600MW級鍋爐汽包內(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入，經(jīng)環(huán)形夾層向下流動，所以汽包上壁也有相當部分的面積與水接觸，汽包上壁的冷凝放熱影響相對減弱。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]。 汽包內(nèi)、外壁溫差引起的熱應力汽包內(nèi)、外壁溫差出現(xiàn)于鍋爐進水和鍋爐升壓的過程中。進水時，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)定運行時，由于汽包的導熱系數(shù)很大，所以汽包壁內(nèi)的溫差很小，熱應力也較小，可以忽略不計。然而，鍋爐在啟?；蜃冐摵蛇^程中，由于汽包內(nèi)的介質溫度不斷上升，故產(chǎn)生了較大的熱應力。汽包內(nèi)壁溫度高，膨脹受阻而承受壓應力；外壁溫度低，相對內(nèi)壁力圖收縮而承受拉應力。并且，熱應力的最大值出現(xiàn)在內(nèi)、外壁表面處。升壓速度越快，汽包內(nèi)、外壁溫差及熱應力就越大，且基本呈線性關系。這是因為在很快的介質溫升速度下，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)在啟動之初。其原因一是由于啟動之初，水循環(huán)較弱，水的擾動較小，汽包下半部與幾乎不動的水接觸傳熱，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、汽對汽包壁的放熱量也相應發(fā)生較大的變化，加大了汽包的上下壁溫差。 汽包附加應力汽包的附加應力是指汽包與內(nèi)部介質重力引起的應力，其數(shù)值上與以上兩種應力比較要小得多。 峰值應力鍋爐升壓過程中汽包應力有機械應力和熱應力兩種。汽包內(nèi)壓力產(chǎn)生機械應力，汽包壁溫不均產(chǎn)生熱應力，還有附加應力，它們疊加后產(chǎn)生總應力，最大局部總應力點成為峰值應力。汽包頂部機械應力和上下壁溫差熱應力方向相反，相互減弱；汽包下部機械應力和上下壁溫差應力方向相同，相互增強。再疊加內(nèi)外壁溫差引起的熱應力及應力集中的作用，峰值應力常出現(xiàn)在大直徑下降管孔附近。啟動過程汽包峰值應力的大小決定于汽包內(nèi)壓力、壓力變動率及循環(huán)流速。某1000t/h亞臨界壓力自然循環(huán)鍋爐進行啟停應力峰值試驗表明，在控制汽包壁溫差的情況下，汽包峰值應力在325～+380Mpa之間變化。其最大負應力出現(xiàn)在冷態(tài)啟動的初期，最大正應力則出現(xiàn)在汽包壓力的最高值區(qū)域。汽包峰值應力是局部應力，當它超過材料的屈服極限時，將引起應力再分配，最大只能達到屈服極限，這在穩(wěn)定壓力下對強度是無害的，但在交變應力作用下，可能產(chǎn)生疲勞裂紋，并最終導致元件泄漏[10]。 汽包低周疲勞破壞分析汽包峰值應力超過材料屈服極限時，材料局部發(fā)生塑性變形，使斷面上的應力重新分配，最大值不大于屈服極限。汽包金屬在遠低于其抗拉強度的循環(huán)應力作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后會產(chǎn)生疲勞裂痕以至破裂，這種現(xiàn)象稱為低周疲勞破壞。達到低周疲勞破壞的應力循環(huán)總次數(shù)稱為壽命，運行中應力循環(huán)次數(shù)占壽命的百分數(shù)稱為壽命損耗。是否要對汽包進行低周疲勞分析，美國機械工程師協(xié)會（ASME）給出了一個臨界值。對于材料屈服極限小于552Mpa的汽包，應力循環(huán)次數(shù)超過1000次，都應對汽包進行低周疲勞分析。關于應力循環(huán)次數(shù)有以下定義：1）鍋爐啟動停運一個循環(huán)為一次。2）壓力波動范圍在數(shù)值上超過設計壓力值20％算一次。3）汽包上任何相鄰兩點，因溫度變化產(chǎn)生溫差，不同溫差值折算成次數(shù)，如下：～55℃，應力循環(huán)1次； ～83℃，應力循環(huán)2次； ～139℃，應力循環(huán)4次； ～194℃，應力循環(huán)8次；～250℃，應力循環(huán)12次； f.＞250℃，應力循環(huán)20次； 啟停過程中汽包壁的溫差監(jiān)視為了保護汽包，在整個鍋爐啟動過程中必須不斷監(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，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)護和控制溫差時，按以下方法計算壁溫差：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)對上述計算進行修正。以前，國內(nèi)機組對汽包上下壁溫差和內(nèi)外壁溫差啟動中的最大允許值，均控制在50℃以內(nèi)，這個限制主要是鑒于對啟動過程中汽包金屬的溫度分布規(guī)律還不能充分掌握，所以理論上對它的熱應力尚不能精確的計算，同時，也考慮到損傷汽包的嚴重性。實踐證明，溫差只要在此范圍內(nèi)，產(chǎn)生的附加熱應力不會造成汽包損壞，是偏于安全的。近年來引進的機組對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，℃/min，以此來限制汽包壁溫差[6]。在鍋爐的啟動過程中，機械應力隨氣壓上升而增大，逐漸成為汽包應力的主要部分，汽包熱應力則隨氣壓上升而逐漸減小，并且它只與汽包壁溫差有關。在汽包內(nèi)壁，內(nèi)壁溫差引起壓應力與機械應力相抵消，汽包外壁引起拉應力與機械應力正向疊加。如果沒有孔邊應力集中，則外壁拉應力將成為最大的峰值應力。但若汽包溫差過大，則最大峰值應力亦可能在外壁某一點達到。從低周疲勞角度分析，啟動初期，飽和溫升率是影響循環(huán)過程中谷值應力的主要因素，降低谷值應力水平則可有效減小啟動過程中的交變應力幅值，從而減小啟動過程中的疲勞壽命損耗率。隨著壓力的升高，當機械應力占據(jù)主導地位后，則可適當采用較高的溫升速率。在汽輪機沖轉以后，鍋爐的啟動速度還要受到汽輪機運行方式的限制，升壓過程主要是控制過熱汽溫的升溫速率，而啟動熱應力所允許的壁溫差通常是自然滿足的[19]。 控制汽包應力的安全原則鍋爐啟動過程中的汽包應力安全原則有以下幾項：1）汽包機械應力要符合最大剪應力強度理論條件；2）汽包峰值應力超過屈服極限時發(fā)生局部塑性變形，吸收超過屈服極限部分的應力，但是不會造成汽包的靜態(tài)破壞；3）汽包峰值應力會產(chǎn)生低周疲勞與壽命損耗。降低峰值應力可以減少低周疲勞及壽命損耗，其關鍵是減小汽包熱應力。汽包熱應力是由汽包上下壁、內(nèi)外壁之間的溫差引起的，減小汽包壁各部分之間溫差的基本方法是促使工質流動，均勻鍋水溫度和限制升溫速度等；4）汽包材料屈服極限大于552Mpa，峰值應力循環(huán)次數(shù)小于1000次，可以不考慮汽包低周疲勞損耗[17]。 控制汽包啟動應力的措施汽包啟動應力控制的重要標志是汽包的上下壁溫差和內(nèi)外壁溫差。在實際操作中，是以控制壓力的變化率作為控制壁溫差的基本手段的。在鍋爐啟動過程中防止汽包壁溫差過大的措施有：1）啟動中嚴格控制升壓速度，尤其是低壓階段的升壓速度應該力求緩慢。這是防止汽包壁溫差過大的根本措施。為此，升壓過程應嚴格按給定的鍋爐曲線進行，若發(fā)現(xiàn)汽包壁溫差過大，應減慢升壓速度或暫停升壓?？刂粕龎核俣鹊闹饕侄问强刂迫紵?，此外，還可以加大向空排汽量或改變旁路系統(tǒng)的通汽量進行升壓過程的控制。2）盡快的建立正常的水循環(huán)。水循環(huán)越強，上升管出口的汽水混合就會物以更大的流速進入并擾動水空間，使水對汽包下壁的放熱系數(shù)提高，從而減小上下壁溫差。因此，能否盡早建立起正常的水循環(huán)，不僅影響水冷壁工作的安全性，而且也直接影響到汽包上下壁溫差的大小。3）初投燃料量不能太少，爐內(nèi)燃燒、傳熱應均勻。初投燃料量太少，水冷壁產(chǎn)汽量少，水流動慢，流量偏差大，且爐內(nèi)火焰不易充滿爐膛，有可能使部分水冷壁處于無循環(huán)或弱循環(huán)狀態(tài)，與這部分水冷壁相對應的汽包長度區(qū)間內(nèi)的上下壁溫差增大。因此保持均勻火焰是啟動燃燒調(diào)整的重要任務。初投燃料量與控制升壓速度的矛盾，可以通過開大旁路系統(tǒng)調(diào)門的方法解決[19]。4）進水時應嚴格控制進水參數(shù)。一般控制進水溫度與汽包溫度之差不大于90℃，進水時間冬季不少于4小時，夏季不少于2小時（進水速度也影響壁溫差）。啟動時適當將汽包水位維持在較高水平，對控制汽包壁溫差也有一定的作用。進水參數(shù)控制主要用于降低循環(huán)的谷值應力。 汽包啟動水位分析 概述三河電廠二期4爐均為東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1025／Ⅱ6型亞臨界一次中間再熱自然循環(huán)汽包爐。鍋爐配有兩臺容量為50％的汽動給水泵和一臺容量為30％的電動給水泵。電泵作為啟動泵或低負荷及汽泵故障時備用。在汽包給水管路上