汽包是鍋爐的重要組件，在使用中如果操作或管理不當會使其上下壁、內外壁產生過大的溫差和熱應力。包括機械應力和熱應力的綜合應力在局部區域的峰值可能接近或超過汽包材料的屈服強度，汽包壁容易形成裂紋，擴展到一定程度時汽包將被破壞。汽包承受的應力主要有壓力引起的機械應力和溫度變化引起的熱應力，其中機械應力與其工作壓力成正比，在設計中通過強度計算來確定汽包的壁厚、直徑和選材等，運行中只要控制不超壓運行，機械應力的最大值是穩定的。本文以古交電廠1025 t/h鍋爐為例，對因汽包壁溫度變化引起的熱應力進行討論，分析汽包壁溫差大的原因，并提出控制措施，富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機、秸稈壓塊機壓制的生物質顆粒燃料。
1、汽包熱應力分析
    鍋爐在啟動和停爐過程中，汽包壁內的溫度場和傳熱條件不斷變化。當溫度變化時，汽包簡體存在著3種溫差：內外壁溫差（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上下壁溫差的產生
    1)啟動升壓過程。在升壓過程中，汽包內壁溫度表現為上部溫度高，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，汽側介質的溫度為飽和溫度，而水側介質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溫度，形成介質對汽包壁加熱。汽包下部為汽水混合物對汽包壁對流放熱，因為凝結放熱系數比對流放熱系數大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，水循環微弱，汽包內水流緩慢，在爐膛受熱較弱的局部甚至出現循環停滯區，使水溫明顯偏低，而蒸汽在汽包內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流動傳熱，水溫上升緩慢。升壓速度越快，汽包上下部介質溫差越大。
    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，水側介質溫度接近于飽和溫度，而汽側介質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散熱很少，所以停爐過程中汽包的冷卻主要依靠水循環。當汽包內介質的壓力及相應的飽和溫度逐漸降低時，汽包金屬對工質放熱，由于上部金屬對蒸汽的放熱系數小于下部金屬對水的放熱系數，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。在規程中，為使爐內的水蒸氣排走，規定爆管時不關煙道擋板（或引風機擋板），運行人員沒有把握好尺度，甚至讓擋板一直開著，使爐內溫度迅速下降，以至汽包壁溫差進一步加大。
1.2上下壁溫差產生的熱應力
    汽包上下壁溫差引起的熱應力主要是軸向應力，切向和徑向應力與之相比約低一個數量級，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，上部產生壓縮應力，下部產生拉伸應力。熱應力與溫差成正比，汽包上下壁溫差越大，產生的熱應力越大。
1.3內外壁溫差產生的熱應力
    汽包內外壁溫差的形成主要是在升溫過程，介質不斷地對汽包內壁加熱，內壁溫升快，外壁溫升慢，造成內外壁存在溫差，使內壁產生壓縮應力，外壁產生拉伸應力。內外壁溫差產生的熱應力主要是軸向和切向熱應力，而且軸向與切向熱應力大小相當，控制汽包內外壁熱應力的關鍵是控制升溫速度。
2、汽包應力危害與低周疲勞壽命
    1)應力分析。當汽包出現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力，而下壁在上壁膨脹的影響下被拉伸，承受拉伸應力。這種情況下，汽包將會產生向上拱起的變形，這種變形稱為香蕉變形。
    可以得出，金屬的熱應力和金屬壁溫差△t成正比例關系，汽包上下溫差△t越大，則熱應力也越大。過大壁溫差的產生，將會導致汽包的熱應力增大，進而導致汽包受到損傷；特別是在停爐過程中，這時由于汽包內蒸汽參數較高，還有一定壓力，存在較大的機械應力，在熱應力和機械應力的共同作用下，有可能超過汽包材料的許可應力，造成汽包損壞，在汽包內外壁應力集中的部位產生裂紋，減少汽包的使用壽命。
    2)應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，材質變壞，抗腐蝕能力下降，還可能引起應力腐蝕。
    b)在鍋爐啟動、停運及變負荷過程中，汽包應力發生周期性變化，這將引起疲勞損壞。在長期的交變應力的作用下，汽包壁形成裂紋，擴展到一定程度時汽包破壞。
    c)汽包應力峰值超過屈服強度的數值越大，塑性變形區越大，見圖2。
    達到低周疲勞破壞的循環周數越少，即應力每循環一次的壽命損耗增大。
3、控制措施
    汽包熱應力的控制實質上就是對汽包上、下壁及內、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，此期間更容易產生較大的壁溫差（見表1）。在升壓或降壓過程中，若發現汽包上下壁溫差超過規定值(40℃)，應減慢升（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，加強水冷壁下聯箱的放水，通過適當放水，用熱水替換受熱較少的水冷壁及不受熱的聯箱等部件內的冷水，促使各部位溫升均勻，有利于建立正常的水循環，減小汽包壁溫差。4）維持燃燒穩定和均勻。采用對稱投油槍定期切換，或采用多油槍少油量等方法使爐膛熱負荷均勻，確保水循環正常。
    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閉省煤器再循環門，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箱方法，能加快建立正常水循環。
    8)停爐后要避免大量排汽造成降壓速度太快，應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，具體可以根據給水流量情況，在汽包水位上至+300 mm后，再繼續上水2 min左右，如果發現汽包上壁溫有降低趨勢時，應該立即停止上水。停爐冷卻過程中當汽包水位降低后，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急劇冷卻。熄火后，以30%的風量對爐膛吹掃5 min，停止送、引風機的運行并關閉其出入口風門，保持封閉，此后可根據汽包壁溫差不大于40℃的條件，8h后開啟煙道擋板、引風擋板，進行自然通風冷卻。18 h后方可啟動引風機進行通風。
    11)在處理“四管”爆漏事故中，盡可能穩定地控制補水量。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)提高設備的檢修質量，確保閥門嚴密。給水門不嚴密，啟、停爐過程中不補水時，給水可能直接經省煤器再循環門漏入汽包；省煤器再循環門不嚴密，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，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、結束語
    汽包在長期運行中受交變應力的作用是必然的，在運行中應力對汽包的損害也必然存在。因此，檢修人員應嚴格按照規程及有關技術措施的要求，采取有效措施，使汽包壁溫差控制在規定的范圍內，以保證汽包安全運行。
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