电站煤粉锅炉受热面膨胀和应力的影响分析

顾玮伦胡超见

(1.高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室(哈尔滨锅炉厂有限责任公司)，哈尔滨 150046；2.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046)

0 引 言

经过对近些年电站煤粉锅炉常发问题进行梳理，发现因膨胀和热应力引起的问题占比较大，且大多难于治理，有的与运行有关，有的则是先天性设计缺陷，无法根治，电厂头疼不已。锅炉设计需要综合考虑运行、传热、应力分析、结构设计、制造工艺、现场安装等众多方面，且这些方面均与膨胀和应力有关，若有考虑不周则有可能引发某些问题，待问题出现后再治理，不仅损失巨大，而且治理难度极大。所以本文结合多年来对这方面的分析研究，阐述一下设计锅炉时应考虑的关于膨胀和热应力方面的观点，供读者借鉴参考，因笔者能力有限，不当之处请多指教。

1 概述

膨胀和热应力是锅炉设计要考虑的重中之重，金属热胀冷缩是正常现象，也是锅炉运行不可避免的，零件个体单独自由膨胀一般是安全的，但零件之间是相互关联、相互作用的，膨胀时会相互影响产生胀差和热应力，虽然金属材料本身能够承受一定的热应力或反复次数，但超出一定范围或次数时，材料就会受损且不可逆。下面简单介绍一下与膨胀和热应力有关的问题和可采取的措施。

2 膨胀差与应力

2.1 系统间膨胀差过大导致热应力过大或变形

锅炉受热面的子系统一般有水冷壁系统、顶棚包墙系统、过热器系统、再热器系统、省煤器系统等，在两个系统连接的位置，在锅炉运行过程中会产生胀差，有胀差就会存在热应力，若应力过大就会产生变形或拉裂现象。比如，水冷壁和包墙系统的连接处，因两个系统中介质存在温差，若介质流动方向也不同，在锅炉启停变负荷过快时，两个系统的温差会加大，连接处会因胀差过大存在过大的应力。所以在设计时要避免两个系统连接位置的温差过大、介质流向相反，同时要要增加结构的柔性。

2.2 局部与局部间胀差过大导致热应力过大或变形

指同一个整体的不同位置之间膨胀不协调引起的变形和过大的应力。比如，水冷壁管屏，由于介质流量与吸热不匹配或局部受热非常强烈，这时不同区域的管屏壁温会有很大的差异，那么水冷壁管屏就会因此出现变形，凹凸不平，严重的话会导致局部拉裂，所以在设计之初就要计算好介质流量分配，有的在后期可通过调整燃烧、锅炉运行等方式等减轻或消除此现象，有的则调整不好。再如，高温受热面管屏的入口段和出口段、不同材质的区域之间，因壁温、金属膨胀系数、长度不同引起的管屏乱屏、管子出列、焊缝拉裂等现象，建议设计时建模分析。

2.3 膨胀不同步的影响

主要会引起热应力或交变应力，导致结构变形、材料失效或受损。主要原因是温度变化的速度不同，如，顶棚大包内和炉膛内的部件，在启停炉过程中升温和降温的速度肯定是不同的，膨胀肯定也不同步。膨胀不同步几乎是无法避免的，除非锅炉不受热，设计时应考虑它的存在并想办法减弱其影响，或通过一些措施控制温度的变化速度，或减少交变的频率和次数。

2.4 局部过热的影响

局部过热一般会引起局部超温、变形严重，导致局部应力过大，使结构或材料受损。一般是由局部传热异常引起的，多与运行和燃烧有关；也有些特殊结构会导致局部传热异常，如，烟气被导流后导致受冲刷的位置换热强烈；或烟气流场的阻力不均匀，阻力小的地方烟速高等。

2.5 交变应力

是导致材料失效的主要原因。一般是由于结构之间存在胀差，在冷热交替的变化下产生了交变应力，应力水平即使没有超过材料的许用范围，但也会导致材料失效。在机组经常变负荷的情况下，某些位置频繁出现交变应力是不可避免的，通过结构设计是不能完全消除交变应力产生的损伤的，但可以通过改进结构来减弱。交变应力有的是由于结构形状引起的，如集箱管接头与集箱开孔；有的是由于材料不同，膨胀系数不同引起的，如异种钢焊接接头；有的是由于温度梯度引起的，如筒身内外壁；有的是结构间膨胀不一致引起的，比如集箱与顶棚膨胀不一致导致集箱管接头根部存在交变应力；等等，好多交变应力的产生是多重原因造成的，需综合考虑。

3 考虑要点

3.1 柔性和刚性

包括局部的和整体的。锅炉设计时要同时考虑结构的柔性和刚性，刚性大了会“硬”，变形能力差，柔性大了会“软”，强度不足，柔性和刚性是矛盾的，是解决问题的双刃剑，具体问题应具体分析，如有必要需建模分析。但在一般情况下，为解决因胀差引起的热应力或交变应力时，通常是提高结构的柔性，一般做法是增加散管的长度；为减小结构变形量，通常是提高整体刚性，一般做法有增加厚度、提高材质等级、增加辅助结构等。

3.2 材质搭配

包括材料种类的搭配和尺寸的搭配。这是高温受热面管屏设计时要重点考虑的问题，尤其是当前的高参数锅炉，温度水平高、变形量大、余量小。举例如下：

(1)同屏管子的材质搭配。例如T91/92与不锈钢管子的搭配，两种材料的膨胀系数差值太大，而且T91/92常用在壁温相对低的入口端，不锈钢常用在壁温相对高的出口端，所以管屏出口段的膨胀量比入口段管屏的大，导致管屏变形，如果材料搭配的不好，管屏变形量过大，运行时间长了，轻则管屏限位装置脱开脱落致使管屏乱排、与相邻结构碰磨，重则管子被拉裂或爆管泄露致使机组非停。所以对于新产品，最好建模分析，特别是启停阶段的危险工况，对各段管子壁温要区分细致，不要按整体平均水平模拟，综合考虑管屏固定装置产生的约束等边界条件。

(2)焊接件间的材质搭配。比如，管子上焊接的鳍片、炉内受热面管子上焊接的固定件或定位块等，因管子和这些附件之间的温度水平不同、或存在温度梯度、或材质不同等等，胀差很难消除，若胀差过大就会导致焊缝端部的应力水平过大，从而产生裂纹或直接拉裂管子。所以，对于新产品建议建模分析，对于输入的条件要细致准确。

3.3 膨胀方向

设计时不要忽略对膨胀方向的考虑，电站煤粉锅炉一般是整体悬吊结构，虽然是整体向下膨胀，但结构间相对膨胀方向并不完全一致，甚至有的绝对膨胀方向会向上。比如炉内管屏相对包墙、包墙相对炉外平台(其上有吹灰器，需考虑枪管与受热面的距离)、墙再相对水冷壁和顶棚、悬吊管与包墙(可用于计算穿墙散管的柔性是否可行)、等等。

3.4 集箱管接头的特殊考虑

集箱管接头的受力很复杂，承受着管屏载荷、管子入出口间胀差产生的应力、集箱与顶棚之间横向或纵向的胀差产生的应力、管接头与集箱开孔间胀差产生的应力(与形状和材质有关)、安装残余应力、焊接残余应力、交变应力等等。所以对于新产品建议建模分析，对结构、材质、温度、压力等前提条件及其变换做细致分析，保证输入条件的准确性。

3.5 应力集中

应力集中容易引起局部损伤，一般是由产品形状引起的，比如厚度过渡区域梯度太大、焊接成型缺陷、“树杈”形状且受“掰”力等等，在设计时应避免这样的结构，在制造、装焊等过程中应采取保护措施，在应力集中的位置减少应力叠加。

3.6 通过减小胀差降低应力的方式

主要有两种：

一是增加“段数”，将胀差化整为零。

二是增加柔性，如增加长度、减小厚度等。

4 结束语

以上所述都源于工程中遇到的实际问题，是锅炉结构设计中考虑的重点，具有很强的指导意义，在设计时应考虑全面、综合分析，做好预防性设计。