1、汽包熱應(yīng)力分析
鍋爐在啟動和停爐過程中，汽包壁內(nèi)的溫度場和傳熱條件不斷變化。當(dāng)溫度變化時，汽包簡體存在著3種溫差：內(nèi)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。
1.1上下壁溫差的產(chǎn)生
1)啟動升壓過程。在升壓過程中，汽包內(nèi)壁溫度表現(xiàn)為上部溫度高，下部溫度低。
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(cè)介質(zhì)的溫度為飽和溫度，而水側(cè)介質(zhì)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(zhì)溫度，形成介質(zhì)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(jié)放熱系數(shù)比對流放熱系數(shù)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(huán)微弱，汽包內(nèi)水流緩慢，在爐膛受熱較弱的局部甚至出現(xiàn)循環(huán)停滯區(qū)，使水溫明顯偏低，而蒸汽在汽包內(nèi)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(guān)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(zhì)流動傳熱，水溫上升緩慢。升壓速度越快，汽包上下部介質(zhì)溫差越大。
2)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(cè)介質(zhì)溫度接近于飽和溫度，而汽側(cè)介質(zhì)過熱使溫度高于飽和溫度。而且汽包壁厚較大，加上表面有較好的保溫層，汽包具有較大的蓄熱能力。由于汽包向周圍介質(zhì)散熱很少，所以停爐過程中汽包的冷卻主要依靠水循環(huán)。當(dāng)汽包內(nèi)介質(zhì)的壓力及相應(yīng)的飽和溫度逐漸降低時，汽包金屬對工質(zhì)放熱，由于上部金屬對蒸汽的放熱系數(shù)小于下部金屬對水的放熱系數(shù)，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(biāo)。在規(guī)程中，為使?fàn)t內(nèi)的水蒸氣排走，規(guī)定爆管時不關(guān)煙道擋板（或引風(fēng)機擋板），運行人員沒有把握好尺度，甚至讓擋板一直開著，使?fàn)t內(nèi)溫度迅速下降，以至汽包壁溫差進一步加大。
1.2上下壁溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力
汽包上下壁溫差引起的熱應(yīng)力主要是軸向應(yīng)力，切向和徑向應(yīng)力與之相比約低一個數(shù)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(chǎn)生壓縮應(yīng)力，下部產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。熱應(yīng)力與溫差成正比，汽包上下壁溫差越大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大。
1.3內(nèi)外壁溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力
汽包內(nèi)外壁溫差的形成主要是在升溫過程，介質(zhì)不斷地對汽包內(nèi)壁加熱，內(nèi)壁溫升快，外壁溫升慢，造成內(nèi)外壁存在溫差，使內(nèi)壁產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，外壁產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。內(nèi)外壁溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力主要是軸向和切向熱應(yīng)力，而且軸向與切向熱應(yīng)力大小相當(dāng)，控制汽包內(nèi)外壁熱應(yīng)力的關(guān)鍵是控制升溫速度。
2、汽包應(yīng)力危害與低周疲勞壽命
1)應(yīng)力分析。當(dāng)汽包出現(xiàn)上壁溫高于下壁溫時，如圖1所示：汽包上壁有膨脹的趨勢，但是由于下壁溫度低，阻止了上壁的膨脹，上半部汽包壁承受壓應(yīng)力，而下壁在上壁膨脹的影響下被拉伸，承受拉伸應(yīng)力。這種情況下，汽包將會產(chǎn)生向上拱起的變形，這種變形稱為香蕉變形。
可以得出，金屬的熱應(yīng)力和金屬壁溫差△t成正比例關(guān)系，汽包上下溫差△t越大，則熱應(yīng)力也越大。過大壁溫差的產(chǎn)生，將會導(dǎo)致汽包的熱應(yīng)力增大，進而導(dǎo)致汽包受到損傷；特別是在停爐過程中，這時由于汽包內(nèi)蒸汽參數(shù)較高，還有一定壓力，存在較大的機械應(yīng)力，在熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的共同作用下，有可能超過汽包材料的許可應(yīng)力，造成汽包損壞，在汽包內(nèi)外壁應(yīng)力集中的部位產(chǎn)生裂紋，減少汽包的使用壽命。
2)應(yīng)力對汽包壽命的影響。
a)材料在接近塑性變形或局部塑性變形下長期工作，材質(zhì)變壞，抗腐蝕能力下降，還可能引起應(yīng)力腐蝕。
b)在鍋爐啟動、停運及變負荷過程中，汽包應(yīng)力發(fā)生周期性變化，這將引起疲勞損壞。在長期的交變應(yīng)力的作用下，汽包壁形成裂紋，擴展到一定程度時汽包破壞。
c)汽包應(yīng)力峰值超過屈服強度的數(shù)值越大，塑性變形區(qū)越大，見圖2。
達到低周疲勞破壞的循環(huán)周數(shù)越少，即應(yīng)力每循環(huán)一次的壽命損耗增大。
3、控制措施
汽包熱應(yīng)力的控制實質(zhì)上就是對汽包上、下壁及內(nèi)、外壁溫差進行控制。
1)在啟、停爐過程中，嚴格控制升溫或降溫速度，一般升（降）溫速度不大于1.5℃/min。但在鍋爐啟動初期應(yīng)采用更小的升溫速度，因為升壓初期汽水飽和溫度隨壓力的變化較大，此期間更容易產(chǎn)生較大的壁溫差（見表1）。在升壓或降壓過程中，若發(fā)現(xiàn)汽包上下壁溫差超過規(guī)定值(40℃)，應(yīng)減慢升（降）壓速度，控制升（降）壓速度的主要手段是控制好燃料量。
2)升壓初期汽壓上升要穩(wěn)定，盡量不使汽壓波動太大。因低壓階段，汽壓波動時飽和溫度變化率很大，飽和溫度變化大必將引起汽包壁溫差大。
3)升壓時，加強水冷壁下聯(lián)箱的放水，通過適當(dāng)放水，用熱水替換受熱較少的水冷壁及不受熱的聯(lián)箱等部件內(nèi)的冷水，促使各部位溫升均勻，有利于建立正常的水循環(huán)，減小汽包壁溫差。4）維持燃燒穩(wěn)定和均勻。采用對稱投油槍定期切換，或采用多油槍少油量等方法使?fàn)t膛熱負荷均勻，確保水循環(huán)正常。
5)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。
6)向汽包補給水時須嚴密關(guān)閉省煤器再循環(huán)門，否則，水短路進入汽包造成上下壁溫差增大。
7)在有條件的情況下，盡量采用鄰爐蒸汽加熱水冷壁下聯(lián)箱方法，能加快建立正常水循環(huán)。
8)停爐后要避免大量排汽造成降壓速度太快，應(yīng)使汽包緩慢均勻冷卻，同時盡量保持汽包高水位。
9)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，造成汽包上下壁溫差增大。停爐后為防止汽包壁溫差過大，鍋爐熄火后將汽包上滿水，具體可以根據(jù)給水流量情況，在汽包水位上至+300 mm后，再繼續(xù)上水2 min左右，如果發(fā)現(xiàn)汽包上壁溫有降低趨勢時，應(yīng)該立即停止上水。停爐冷卻過程中當(dāng)汽包水位降低后，及早進行上水。
10)停爐后要避免長時間開啟煙道擋板造成爐內(nèi)急劇冷卻。熄火后，以30%的風(fēng)量對爐膛吹掃5 min，停止送、引風(fēng)機的運行并關(guān)閉其出入口風(fēng)門，保持封閉，此后可根據(jù)汽包壁溫差不大于40℃的條件，8h后開啟煙道擋板、引風(fēng)擋板，進行自然通風(fēng)冷卻。18 h后方可啟動引風(fēng)機進行通風(fēng)。
11)在處理“四管”爆漏事故中，盡可能穩(wěn)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補水。
12)提高設(shè)備的檢修質(zhì)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(jīng)省煤器再循環(huán)門漏入汽包；省煤器再循環(huán)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(huán)，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。
4、結(jié)束語
汽包在長期運行中受交變應(yīng)力的作用是必然的，在運行中應(yīng)力對汽包的損害也必然存在。因此，檢修人員應(yīng)嚴格按照規(guī)程及有關(guān)技術(shù)措施的要求，采取有效措施，使汽包壁溫差控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以保證汽包安全運行。
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