燃气锅炉下锅筒热膨胀受阻原因分析

黎 明 中国成达工程有限公司 成都 610041

1 热膨胀的危害

工业锅炉的制造与安装往往在常温状态下进行，而锅炉的运行又都是处于高温的热状态下，锅炉零件受热膨胀产生热胀力非常大。另外，锅炉各部分由于受热不同，材料不同，所以热膨胀方向和热胀量也不同，会产生大的热应力，如果两端固定不能自由伸长，则产生大的推力，导致设备本身和相接触的其他物体受损，甚至破坏。因此，锅炉结构的锅筒、集箱、水冷壁、钢架、炉墙等设计安装和检验时，必须充分考虑热膨胀，应留有热胀冷缩余地，否则会产生巨大的推力，可能造成锅炉受压元件(锅筒)或支座变形损坏，炉墙开裂，严重危及锅炉的安全运行和使用寿命。

为控制锅炉的膨胀，需要设计锅炉的膨胀中心，以它为死点或原点进行有规律的膨胀，并根据膨胀规律集中各种部件，采用合理的密封结构。

2 工程实例

国内某化肥项目自备热电站配置了由某锅炉厂生产的75t/h (5.0MPa (G)，400℃)双锅筒纵置式燃气锅炉两台。

该锅炉为“D”型布置的双锅筒自然循环水管锅炉，室外布置。锅炉整体置于钢制底座上，上下锅筒纵向布置，其间有对流管束，形成锅炉本体。这种以众多管子连接两个锅筒为特征的结构，可以省去支撑锅炉受热面和锅筒等部件的钢结构，只需在锅炉外部进行轻型保温。按照锅炉厂设计，下锅筒前侧为固定端，后侧为活动端 (即膨胀端)，并安装了膨胀指示器;上锅筒均为自由膨胀。

本项目两台锅炉于2015年1月28日开始点火运行，主要用于全厂蒸汽管网的吹扫，操作参数约为3.2MPa (G)，380℃，尚未达到正常运行的参数。3月10日，巡检人员发现两台锅炉下锅筒固定端的基础出现不同程度的裂缝，见图1、图2。

图1 1#锅炉下锅筒固定端

图2 2#锅炉下锅筒固定端

此时两台锅炉均处于停止运行状态，下锅筒活动端的膨胀指示值见图3、图4。

两台膨胀指示器显示，两台锅炉在前述参数运行时，热膨胀值分别为15mm、25mm，均未达到锅炉厂提供的热膨胀值，见表1 (膨胀中心均为下锅筒固定支座)。即使考虑到实际运行参数未达到设计参数，其膨胀值也偏小，并且固定端的地脚螺栓有明显移动的痕迹。由此可以断定，锅炉的活动端并未充分的膨胀，从而对固定端产生强剪力，破坏了下锅筒基础。

图3 1#锅炉膨胀指示

图4 2#锅炉膨胀指示

表1 锅炉厂设计膨胀值

对锅炉进行全面检查，发现下锅筒的钢底座发生了变形，见图5。

图5 下锅筒钢底座变形

可以推断出由于底座的预埋钢板强度不够，产生变形，进而阻碍了下锅筒的自由膨胀，其反冲力造成了固定端基础的损坏。

此案例中，运行人员及时发现问题，总包方积极解决，阻止了事态的进一步恶化，锅炉的正常运行得到保障。

3 热膨胀的应对

此案例说明，应重视锅炉热膨胀。对锅炉热膨胀，关键是给锅炉部件自由膨胀的空间，尽量使锅炉部件温度变化缓慢均匀，下面从锅炉设计制造、安装、运行三方面讨论如何避免热膨胀对锅炉安全的影响。

3.1 设计制造应考虑因素

(1)在部件的膨胀部位应留有适当的间隙，该间隙中不应布置其他部件及结构。

(2)温升部件，如果两端是固定的，则部件本身应有吸收膨胀的机构。如卧式的各种蜗壳式锅炉的炉胆要有膨胀伸缩等装置，或做成波浪形;水管锅炉的各种受热面管由弯管制成，使其本身有吸收热膨胀的能力;输送蒸汽、热水管道上应有膨胀补偿结构，如弯管段、膨胀环等;烟道上应装设波纹伸缩节等。

(3)锅筒、集箱的支承，通常一端为固支，一端为铰支，以适应筒体沿轴线的膨胀。在铰支连接端，接触面要光滑，并装设膨胀指示装置。

(4)平封头或平管板连接有炉胆或烟管时，若平板用拉撑板拉撑，应在炉胆及烟管管束周围的平板留有足够尺寸在呼吸空位，即沿平板使拉撑板离开炉胆或烟管管束足够的距离，防止限制炉胆或烟管的胀缩，避免产生过大的热应力。平板上炉胆周围呼吸空位的大小和平板厚度、炉胆形式有关;管束区域上下的呼吸空位，不应小于10mm。

3.2 安装过程中应注意的热膨胀影响

(1)保证基础与下锅筒的足够间隙，如筒体一端为固定端，则需保证固定端能够承受筒体热膨胀的反作用力。

(2)集箱及炉墙板之间，炉排边片与侧密封板之间均需留有足够的间隙，以保证热态运行时，不致因热膨胀而影响锅炉的安全运行。

(3)热力管道较长时要有膨胀节。

(4)在炉墙与钢架、锅筒、集箱等结合处，砌筑时要用石绳棉、石棉瓦填充，以保证其伸缩余地。

(5)火管锅炉的炉胆分为几段，每段连接处用波浪形或波纹形连接环。

(6)集箱、受热面管道在一定方向留有自由膨胀余地。

(7)安装完毕，要经过烘炉阶段，烘炉时必须让锅炉本体和炉墙的温度缓慢而均匀地升高，否则各部分热胀冷缩不均，会造成炉墙产生裂纹，炉体渗漏。

(8)炉墙砌筑过程中要留有膨胀缝。

3.3 运行过程中需注意的问题

(1)锅炉点火或停炉时温度变化必须缓慢均匀，以防锅炉部件发生急骤胀缩，造成锅炉损坏或炉墙胀裂等不良后果。

(2)送水温度忽高忽低，会引起管道及配件等热胀冷缩而漏水，应采取相应措施，使锅炉供水温度保持稳定。

(3)锅炉进行改造时，不宜搞刚性结构，要使锅炉结构具有弹性和伸缩余地。

4 结语

锅炉热膨胀是不容忽视的重要问题，在锅炉生产、安装、运行的整个过程中，某一个环节的一个小疏漏都会对锅炉的安全运行造成极大威胁。因此，须从设计、制造、安装、运行等几方面综合考虑，做好事前控制。如发现锅炉热膨胀异常，分析现象，找出问题，采取恰当措施，消除隐患，为锅炉的安全运行提供保障。

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3 林嘉斌，俞志红. 热力设备的热胀、热胀量、热胀应力及推力［J］. 啤酒科技，2012，(2).

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