第１期（总第１７６期） ２０１３年２月 机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡｌ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ． 文章编号：１６７２—６４１３（２０１３）０１—０２０５—０３ 电站锅炉汽包失效及预防 田 乾 ，丁克勤 ，陈 平 （１．北京化工大学机电工程学院，北京 １０００２９；２．中国特种设备检测研究院，北京 １０００１３） 摘要：对电站锅炉汽包的多种工况与选材的优劣比较进行了简要介绍，论述了汽包的各种失效方式及原因， 从设计与材质、加工与安装、运行与维护等角度给出了预防汽包失效的措施，为延长汽包的使用寿命及整个 电站锅炉机组的安全运行提供保障。 关键词：汽包；失效；预防措施；锅炉 中图分类号：ＴＫ２２３．１ ３ 文献标识码：Ｂ ０ 引言 汽包是自然循环锅炉中的核心承压设备，是加热、 蒸发、过热３个过程的连接点。不仅承受着很大的内 压，还要承受冷、热态启动以及负荷运转时的循环机械 应力和热应力，另外炉水的ｐＨ值及各种离子也对汽 包产生不利影响，这些因素的综合作用会导致汽包失 效。汽包的失效将会造成安全上、经济上的巨大损失， 因此，分析汽包失效的原因、制订防止汽包失效的措 施，对延长汽包的使用寿命以及整个电站锅炉机组的 安全运行都有重要意义。 ｌ汽包工况与选材 １．１ 汽包工况条件 力学性能、优良的抗疲劳性能、较高的耐热性能以及良 好的耐腐蚀性能。此外，由于汽包产生裂纹等缺陷后 修复起来比较困难，汽包的材料还应该具备一定的焊 接性能。 １６Ｍｎｇ是屈服极限为３５０ ＭＰａ级的普通低合金 钢，是我国应用最广泛的普通低合金钢种之一。推荐 应用的范围为一４Ｏ℃～４５Ｏ℃，１６Ｍｎｇ具有良好的综 合机械性能、焊接性能以及低温冲击韧性，但是缺口敏 感性比碳钢大。１５ＭｎＶｇ强度比１６Ｍｎｇ高，也具有良 好的综合机械性能及焊接性能，可用于制造中、高压锅 炉汽包，１５ＭｎＶｇ钢板也有较大的缺口敏感性。 １４ＭｎＭｏＶｇ是屈服极限为５００ ＭＰａ级的普通低合金 汽包的工况分为稳定工况、热态启动、冷态启动、 正常停机、锅炉灭火、压力波动、带压启动和快速放水 ８种。 汽包的复杂载荷主要有以下几种：①机械应力，包 钢，钢中由于加入了Ｍｏ，提高了钢的屈服强度及中温 机械性能，特别适合生产厚度为６０ ｍｍ以上的厚钢 板，以满足制造高压锅炉汽包的需要。１８ＭｎＭｏＮｂｇ 也是５００ ＭＰａ级的低合金钢，不仅有较高的屈服极 限，而且耐热性能也较高，适用于制造高压锅炉汽包。 １４ＣｒＭｎＭｏＶＢｇ的屈服极限很高， 为６５０ ＭＰａ～ ７００ ＭＰａ。该钢又加入强化元素铬，也是微量多元低 合金钢，不仅强度高，塑性、韧性也较好，焊接性能也 好，并且能耐湿度较大地区的大气腐蚀。 ２汽包失效 括正常运行下的稳定压力、启停过程中的压力升降以 及水压试验中引起的应力；②热应力，包括在正常运行 下由壁温差产生的稳定热应力以及在部件的个别部位 由壁温波动引起的频率较大的交变热应力；③附加载 荷，包括由部件自身、内部介质等的重力构成的均匀外 载，以及因支撑、悬吊引起的局部集中外载；④工艺应 力，包括焊接残余应力、胀接残余应力、元件不圆度造 成的弯曲应力等。其中，机械应力和热应力是整个应 力幅变化的主要因素，对汽包的应力分析主要针对这 两种应力。 １．２ 汽包选材 锅炉汽包的失效按其原因可分为低周疲劳、鼓包 开裂、腐蚀等多种失效方式。 ２．１ 鼓包变形开裂 由于水质不良和长时间的运行，汽包底部沉积大 制造汽包的材料必须在工作温度下具有足够高的 收稿日期：２０１２－０７—０２；修回日期：２０１２—０９—０２ 量垢渣，锅垢与钢板的膨胀系数不同，加热和冷却时， 在汽包的钢板与锅垢接触的表面上产生较大应力，当 作者简介：田乾（１９８６一），男，辽宁鞍山人，在读硕士研究生，主要研究方向为失效预防与寿命控制。 ・ ２Ｏ６ ・ 机械工程与自动化 ２Ｏｌ３年第ｌ期 应力超过钢板的强度极限时发生开裂导致过热鼓包。 若材料内部存在粗大的夹杂物时，这些夹杂物也就相 当于金属内部的锐角，会导致应力集中，使其在变形过 程中成为裂纹源．并在外力的持续作用下进一步扩展， 最终导致开裂＿１’。对出现严重鼓包变形的部位应采取 挖补的处理方法。 ２．２ 腐蚀断裂 应合理布置汽包内部的旋风分离器．具体来说就是每 个旋风分离器与它左右相邻及埘面的旋风分离器的旋 转方向是相反的，借以相互抵消各旋风分离器下部出 水的旋转动能，抵消它们的旋转作用，以求达到汽包内 水位的稳定平衡，并削弱水流对汽包本身的动能影响。 ３．２材质 汽包的腐蚀主要为应力腐蚀和氧腐蚀。 应力腐蚀包括应力腐蚀破裂和腐蚀疲劳，两者在 裂纹的特点上有显著区别。应力腐蚀外观无变化。裂 材质状况直接影响到汽包的力学性能和抗腐蚀性 能，不良的材质会降低汽包的疲劳抗力。例如。材料中 的夹杂物、不均匀的块状铁索体、链状碳化物、粗大奥 氏体晶粒、回火脆性、内应力等材料缺陷对材料的疲劳 纹发展迅速且预测困难，因而危险性很大。腐蚀疲劳 产生的裂纹是可观察到的，在宏观上裂纹常常成群地、 丛状地垂直于应力方向分布。腐蚀疲劳又称为交变应 力腐蚀，断口上有腐蚀产物、腐蚀坑、腐蚀沟、槽式台阶 以及疲劳弧带、疲劳沟纹、疲劳台阶等。 汽包的内壁由于长期受到炉水的浸渍，在水中氧 的去极化作用下发生电化学腐蚀，在管内的钝化膜破 裂处发生氧腐蚀。金属材料的点蚀电位与溶液的氯离 子活度、ｐＨ值和温度都有很大的关系。当溶液中氯 离子活性变大时，点蚀电位向负方向移动，而当ｐＨ值 降低或温度升高时，点蚀电位同样也向负方向移动，也 就是说增加了产生点蚀的敏感性。钢材成分对汽包氧 腐蚀的影响主要是与钢表面的保护膜有关，因为腐蚀 速度在氧化膜遭到破坏后会显著加快。合金钢材的成 分对点蚀也有一定影响，例如不锈钢的点蚀敏感性比 普通碳钢高一些＿２：。 ２．３低周疲劳断裂 全国各大电网的电网容量、峰谷差越来越大，为适 应负荷的变化，调峰机组启停频繁，经常处于急剧的变 负荷工况，这样就容易导致疲劳裂纹在给水管孔、下降 管孔处产生［３］。造成低周疲劳的原因主要是汽包在频 繁启、停运行工况下形成的高温与高压的交变应力，致 使在汽包结构中易产生应力与应变集中部位的局部区 域里所产生的循环应力的峰值超过所使用材料的疲劳 极限甚至屈服极限，导致疲劳损伤断裂破坏。启动、停 炉的温度变化越快，热应力越大．就越容易造成疲劳裂 纹｛ 。汽包局部区域的应力集中、焊接的缺陷和裂纹 往往是低周疲劳裂纹的源点。 低周疲劳损伤是汽包的主要失效形式 。大量资 料表明，下降管与汽包承插焊接部位是汽包结构中受 力最大、最危险的位置 ：。 ３预防措施 ３．１ 设计 对下降管内伸接头处进行倒角后能很大程度地降 低汽包的应力集中 。国内外一些国家对锅炉结构进 行了改进，如美国ＣＥ公司、德国ＢＡＢＣＯＣＫ公司在 ３ｏ０ Ｗ、６００ Ｗ级锅炉汽包内安装丁与汽包长度相同 的弧形衬板Ｉ 。此外．应尽量采用大直径的下降管，可 降低流速，从而有效地防止进人下降管内的炉水汽化。 寿命及耐腐蚀能力是极为不利的，须加以控制。在选 定汽包材料时，应进行一系列的材质复验工作，检查材 料的化学成分、金相组织、力学性能等材质指标是否符 合规定的要求，还要对与原材料有关的热加工工艺进 行审核。 ３．３加工与安装 在汽包加工过程中，必须注意在下料划线时每节 之间留有工艺余量。当节与节拼接时．须尽量减小错 开量，焊接时应注意保持焊口清洁，不得有油污、杂物 等 。在开孔划线时，一定要保证水平度和垂直度，注 意孔的数量和方向。钻孔时要保证公差，以免影响成 品质量。 汽包的安装操作应遵循作业指导书来进行。汽包 安装前必须严格认真进行划线及地面找正，并按规定 认真做好记录；汽包划线必须留有明显的中心标志（但 严禁在汽包上施焊）；汽包安装的标高偏差应不大于 ３ ｍｍ，水平偏差应不大于ｌ ｍｍ，汽包吊环与外圆接触 吻合良好，个别间隙应≤２ １１１１１１。除此之外，还应该极 力避免因运输、搬运等造成的材料表面划痕与瑕疵。 ３．４运行与维护 在汽包事故中，由于运行与维护不当原因的占有 相当大的比例，应引起高度重视。具体做法为：①在 升、停炉过程中，应严格控制升温或降温速度．一般升 （降）温速度＜１．５℃／ｍｉｎ。若发现汽包上、下壁温差 超过规定值（４０℃），应减慢升（降）温速度；②加强汽 包使用前的保护，新炉启动前应进行化学清洗．去除铁 锈和脏物，运行中应严格控制ｐＨ值含氧萤，注意停炉 保护；③开机时，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，减小汽包壁温 差；④维持燃烧稳定和均匀，采用对称投油枪定期切 换，或采用多油枪少油量等方法使炉膛热负荷均匀．确 保水循环正常；⑤尽量维持较高的给水温度；⑥向汽包 补给水时须严关省煤器再循环门．防止上、下壁温差增 大；⑦尽量采用蒸汽加热水冷壁下联箱方法．能加快建 立ｊＥ常水循环；⑧停炉后应使汽包缓慢均匀冷却，问日寸 应尽量保持汽包高水位；⑨降压后期及 炉后应特别 注意控制好汽包水位．尽量避免大量放水、补水他汽包 下壁急剧冷却．汽包上、 壁温差增犬；⑩做好定期排 ２０１３年第１期 机械工程与自动化 污和连续排污；⑩为了防止加药管堵塞，可在加药前先 通热水至溶药罐，将热水经加药管加入汽包，将药品在 溶药罐里加热水充分搅动至溶解再加入炉内．并控制 磷酸盐浓度。 ４ 结束语 龚洵洁，曾武．国内外锅炉汽包腐蚀问题的研究状况［Ｊ］． 长沙电力学院学报．１９９５，１０（４）：４１３—４１６． 蒋佳楠，张瑾，林兴华．锅炉汽包的低周疲劳寿命分析 ［Ｊ］．机械强度，１９９３，１５（２）：４１—４５． 赵志宏，杨春龙，薛锋．２００８ ｔ／ｈ锅炉汽包疲劳寿命分析 到目前为止，我国在汽包各类失效方面的研究已 取得满意的结果，主要包括疲劳起源与机理、断口金相 学与失效分析、汽包热应力的控制与低周疲劳分析、优 化设计、材质控制、制造安装工艺的改进、运行与维护 ＥＪ３．华北电力技术，２００７（９）：９－１１． 郭帅，段鹏．电站锅炉汽包的安全性评定和剩余寿命评估 口］．华东电力，２００５，３３（１０）：６３—６５． 梁艳明，沈月芬，梅清理．锅炉汽包下降管区域三维有限元 应力集中分析［Ｊ］．西安交通大学学报，１９９９，３３（７）：４１—４５． 江爱林．３００ＭＷ锅炉汽包应力分析与裂纹计算［Ｄ］．武 情况等。这些都为控制汽包热应力提供了理论支撑， 在此研究的基础上，再加上相关操作标准的不断完善， 汉：武汉理工大学。２００５：７７—７８． 将会使我国电站汽包运行的可靠性和服役寿命得到不 纪象民，刘波，任德强．电站锅炉汽包在启停过程中的应 断提高，带来更大的经济效益。 力分析［Ｊ］．中国特种设备安全，２００７，２３（６）：２－６． 参考文献： 谭蓬，陈明．电站锅炉汽包缺陷检验案例及原因分析［Ｊ］． Ｅ１３金健，张斌，李海山．锅炉锅简底部鼓包裂纹原因分析 中国特种设备安全，２００８，２４（７）；４９—５０． ＥＪ３．石油与化工设备，２０Ｉ“１４）：］ ］ ］Ｌ＝Ｉ ］ ４６—］４８． ］ ］ ］ Ｆａｉｌｕｒｅ ａｎｄ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｏｉｌｅｒ Ｄｒｕｍ ＴＩＡＮ Ｑｉａｎ ，ＤＩＮＧ Ｋｅ－ｑｉｎ。，ＣＨＥＮ Ｐｉｎｇ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｐｅｃｉａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏ￣１ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｇｉｖｅｓ ａ ｂｒｉｅｆ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔＯ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｂｏｉｌｅｒ ｄｒｕｍ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅａｓｏｎｓ ａｎｄ ｆｏｒｍｓ ｏｆ ｄｒｕｍ ｆａｉｌｕｒｅ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｉｔ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｔｈｅ ｗａｙｓ ｔＯ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｂｏｉｌｅｒ ｄｒｕｍｓ ｆｒｏｍ ｆａｉｌｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｄｒｕｍ ｄｅｓｉｇｎ，ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，ａｓｓｅｍｂｌｙ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｒｕｍ；ｆａｉｌｕｒｅ；ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ；ｄｏｉｌｅｒ （上接第２０４页） ５ 结论 技信息。２０１１（２１）：９４． 本文分析了异步电动机速度上升过程的动态方 ［２３ 李松涛，李俊，林锦国．基于Ｉ ＩＣ单片机为内核的电机保 程，得出了堵转保护的方法，将此电机堵转保护方法应 护器的研制［Ｊ］．机床与液压。２００９（６）：２３８—２４０． 用于碎纸机，达到了预期的试验效果。 ［３３ 冯崇智．基于ＤＳＰ的异步电动机保护装置的研制与开发 参考文献： ［Ｄ］．天津：天津大学，２００４：８－１４． ［１］刘民富．异步电机智能综合保护器的设计［Ｊ］．黑龙江科 Ａ Ｎｅｗ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍｏｔｏｒ Ｓｔａｌｌ ｆｏｒ Ｐａｐｅｒ Ｓｈ ｒｅｄｄｅｒ ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｔａｏ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｃｉｔｙ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０９２５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｇａｉｎｓｔ ｔＯ ＡＣ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｓｔａｌｌ ｏｆ ｐａｐｅｒ ｓｈｒｅｄｄｅｒ。ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｗｈｅｎ ｍｏｔｏｒ ｓｔａｌｌ ｈａｐｐｅｎｓ．Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｓｔａｌｌ ｏｆ ｓｈｒｅｄｄｅｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｅｓｔ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｐｅｒ ｓｈｒｅｄｄｅｒ；ｍｏｔｏｒ ｓｔａｌｌ；ＡＣ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ