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摘要：本文就锅炉汽包壁温变化引起的热应力和壁温差进行讨论，详细分析了汽包上下壁、内外壁温差产生的原因、温差引起的热应力的产生过程和热应力对汽包寿命的影响因素，提出了控制汽包壁温差的措施，以保证锅炉汽包的安全稳定运行。
关键词：汽包 壁温差 控制措施
汽包是锅炉加热、蒸发、过热的三个阶段的连接枢纽或大致的分界点，它是是锅炉的重要组件，在运行中如果操作或管理不当会使其上下壁、内外壁产生过大的温差和热应力。其机械应力和热应力的综合应力在局部区域的峰值可能接近或超过汽包材料的屈服强度，使汽包壁形成裂纹，扩展到一定程度时汽包将被破坏。
汽包承受的应力主要有压力引起的机械应力和温度变化引起的热应力，其中机械应力与其工作压力成正比，在设计中通过强度计算来确定汽包的壁厚、直径和选材等，运行中只要控制不超压运行，机械应力的最大值是稳定的。并且在启动过程中，必须严格控制升温升压速度，停炉过程中也是如此，当然停炉后的冷却对汽包的保护将显得尤为重要，本文仅就自己从事锅炉运行以来，对汽包应力引起壁温差的一些认识，进行讨论、分析汽包壁温差大的原因，并提出相应的控制措施和方法。
一、汽包热应力分析
锅炉在启动和停炉过程中，汽包壁内的温度场和传热条件不断变化。当温度变化时,汽包筒体存在着三种温差：内外壁温差、上下壁温差、纵向温差。因汽包沿长度方向可自由膨胀，故略去纵向温差的影响。
（一）上下壁温差的产生的机理：
1.点火升压过程中的汽包壁温差
在升压过程中，汽包内壁温度表现为上部温度高下部温度低。原因分析如下：
1.1汽包下部为水空间，上部为汽空间。在锅炉启动过程中，汽侧介质的温度为饱和温度，而水侧介质的温度则低于饱和温度。而且在升温过程中，汽包壁金属温度低于介质温度，形成介质对汽包壁加热。汽包下部为汽水混合物对汽包壁对流放热，因为凝结放热系数比对流传热的放热系数要大3～4倍，所以汽包上半部温升比下半部温升快，形成上下壁温差。
1.2锅炉启动初期，水循环微弱，汽包内水流缓慢，在炉膛受热较弱的局部甚至出现循环停滞区，使水温明显偏低，而蒸汽在汽包内的蒸汽空间传热相对较均匀，使汽包上下壁温差进一步增大。
1.3在升压过程中，汽包上部饱和蒸汽温度与压力是单一关系，压力上升时，温度跟着上升。蒸汽空间的蒸汽只能过热不会欠焓。下部水温的上升需要靠介质流动传热，水温上升缓慢。升压速度越快，汽包上下部介质温差越大。
由于汽包上、下壁温差的存在，使汽包上部受到热压缩应力，下部受到热拉伸力，同时使汽包产生拱背变形。汽包上下部壁温差越大，其热应力就越大，因此规定，启停炉期间汽包上下壁温差不超过40℃,最高不超过50℃。
2.停炉降压冷却过程中的汽包壁温差
在停炉降压冷却过程中，也有很多因素使汽包上部壁温高、下部壁温低。
2.1在停炉过程中，水侧介质温度接近于饱和温度，而汽侧介质过热而使温度高于饱和温度。而且汽包壁厚较大，加上表面有良好的保温层，汽包具有较大的蓄热能力。由于汽包向周围介质散热很少，所以停炉过程中汽包的冷却主要依靠水循环。当汽包内介质的压力及对应饱和温度逐渐降低时，汽包金属对工质放热，由于上部金属对蒸汽的放热系数小于下部金属对水的放热系数，从而使上部温度高于下部温度。降压速度越快，汽包下部温度下降越快，而上部壁温相对下降较慢，造成上下壁温差大。
2.2在停炉过程中未能有效控制汽包水位，频繁向汽包补入温度较低的水，使上下壁温差进一步增大。
2.3在“四管”爆破的事故处理中，由于降压速度快，同时又不断地大量补水维持汽包水位，造成上下壁温差严重超标。另外爆管后为使炉内的水蒸气排出，一般保留一台引风机运行，使炉内温度迅速下降，必然会使汽包壁温差进一步加大。
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（二）上下壁温差产生的热应力
汽包上下壁温差引起的热应力主要是轴向应力，切向和径向应力与之相比很小，故可忽略不计。汽包上部壁温高，金属膨胀量大；下部壁温低，金属膨胀量相对较小。这样就造成上部金属膨胀受到限制，上部产生压缩应力，下部产生拉伸应力。热应力与温差成正比，汽包上下壁温差越大，产生的热应力越大 。
（三）内外壁温差产生的热应力
汽包内外壁温差的形成主要是在升温过程，介质不断地对汽包内壁加热，内壁温升快 ，外壁温升慢，造成内外壁存在温差，使内壁产生压缩应力，外壁产生拉伸应力。内外壁温差产生的热应力主要是轴向和切向热应力，而且轴向与切向热应力大小相当，控制汽包内外壁热应力的关键是控制升温速度。
二、应力对汽包寿命的影响
1.材料在接近塑性变形或局部塑性变形下长期工作，材质变坏，抗腐蚀能力下降,还可能引起应力腐蚀。
2.在锅炉启动、停运及变负荷过程中，汽包应力发生周期性变化，这将引起疲劳损坏。在长期的交变应力的作用下，汽包壁形成裂纹，扩展到一定程度时汽包破坏。
3.汽包应力峰值超过屈服强度的数值越大，塑性变形区越大，达到低周疲劳破坏的循环周数越少，即应力每循环一次的寿命损耗增大。
三、控制汽包壁温差的措施
1.严格按要求控制上水温度和上水速度，热炉上水应及早投入除氧器加热，启动给水泵上水，保持上水温差在20℃左右。
2.严格控制升温或降温速度，在启、停炉过程中，一般升(降)温速度不大于1.5℃/min。但在锅炉启动初期应采用更小的升温速度，因为升压初期汽水饱和温度随压力的变化较大，此期间更容易产生较大的壁温差。若发现汽包上下壁温差超过规定值(40℃)，应减慢升(降)压速度。
3.尽快建立汽包水循环，点炉时，加强水冷壁下联箱的放水，通过适当放水，用热水替换受热较少的水冷壁及不受热的联箱等部件内的冷水，促使各部位温升均匀，有利于建立正常的水循环，减小汽包壁温差。
4.维持燃烧稳定和均匀，采用对称投油枪并定期切换，或采用多油枪少油量等方法使炉膛热负荷均匀，合理配风，使燃烧稳定均匀，确保水循环建立正常。
5.事故情况下尽量提高的给水温度，因为温度低的给水进入汽包，会使下壁温度降低，造成上下壁温差大。
6.点炉向汽包连续给水时须严密关闭省煤器再循环门，正常运行中给水严禁开启再循环，否则，水短路进入汽包造成上下壁温差增大。
7.锅炉点火前采用蒸汽加热水冷壁下联箱方法，将炉水温度加热到100℃以上，加快建立正常水循环。
8.停炉后要避免大量排汽造成降压速度太快，应使汽包缓慢均匀冷却，定期补水，给水泵不可停运过早，尽量保持汽包高水位。同时停炉后要避免长时间开启烟道挡板造成炉内急剧冷却。
9.事故情况下保持正常汽包水位，在处理“四管”爆漏事故中，尽可能稳定地控制补水量；水冷壁、省煤器爆漏,水位难维持时宜尽快停炉，停炉后可不再向汽包进水。
10.提高设备的检修质量，确保阀门严密，省煤器再循环门不严密，给水会直接漏入汽包，使汽包壁局部温度下降；定期排污门不严密，会破坏水循环，造成上下壁温差增大；汽包空气门、事故放水门的严密性差也会造成不良影响。
四、结束语
在锅炉运行工况变化时，应该严格监视汽包壁温的变化，若发现温差过大时，应根据产生的原因和设备情况，及时检查控制。当然，汽包在长期运行中受交变应力的作用是必然的，在运行中应力对汽包的损害也必然存在；因此，除做好应力控制措施外，还必须在检修期认真做好检查工作，及时消除缺陷。
参 考 文 献
[1]范从振，电厂锅炉原理。北京：水利电力出版社，1992年。
[2]曾纬西，锅炉设备及运行。北京：水利电力出版社，1999年。
论文作者:赵永杰
论文发表刊物:《中国电业》2019年第13期
论文发表时间:2019/11/1
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