黎 明 中國成達工程有限公司 成都 610041

1 熱膨脹的危害

工業(yè)鍋爐的制造與安裝往往在常溫狀態(tài)下進行，而鍋爐的運行又都是處于高溫的熱狀態(tài)下，鍋爐零件受熱膨脹產(chǎn)生熱脹力非常大。另外，鍋爐各部分由于受熱不同，材料不同，所以熱膨脹方向和熱脹量也不同，會產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，如果兩端固定不能自由伸長，則產(chǎn)生大的推力，導(dǎo)致設(shè)備本身和相接觸的其他物體受損，甚至破壞。因此，鍋爐結(jié)構(gòu)的鍋筒、集箱、水冷壁、鋼架、爐墻等設(shè)計安裝和檢驗時，必須充分考慮熱膨脹，應(yīng)留有熱脹冷縮余地，否則會產(chǎn)生巨大的推力，可能造成鍋爐受壓元件(鍋筒)或支座變形損壞，爐墻開裂，嚴(yán)重危及鍋爐的安全運行和使用壽命。

為控制鍋爐的膨脹，需要設(shè)計鍋爐的膨脹中心，以它為死點或原點進行有規(guī)律的膨脹，并根據(jù)膨脹規(guī)律集中各種部件，采用合理的密封結(jié)構(gòu)。

2 工程實例

國內(nèi)某化肥項目自備熱電站配置了由某鍋爐廠生產(chǎn)的75t/h (5.0MPa (G)，400℃)雙鍋筒縱置式燃氣鍋爐兩臺。

該鍋爐為“D”型布置的雙鍋筒自然循環(huán)水管鍋爐，室外布置。鍋爐整體置于鋼制底座上，上下鍋筒縱向布置，其間有對流管束，形成鍋爐本體。這種以眾多管子連接兩個鍋筒為特征的結(jié)構(gòu)，可以省去支撐鍋爐受熱面和鍋筒等部件的鋼結(jié)構(gòu)，只需在鍋爐外部進行輕型保溫。按照鍋爐廠設(shè)計，下鍋筒前側(cè)為固定端，后側(cè)為活動端 (即膨脹端)，并安裝了膨脹指示器;上鍋筒均為自由膨脹。

本項目兩臺鍋爐于2015年1月28日開始點火運行，主要用于全廠蒸汽管網(wǎng)的吹掃，操作參數(shù)約為3.2MPa (G)，380℃，尚未達到正常運行的參數(shù)。3月10日，巡檢人員發(fā)現(xiàn)兩臺鍋爐下鍋筒固定端的基礎(chǔ)出現(xiàn)不同程度的裂縫，見圖1、圖2。

圖1 1#鍋爐下鍋筒固定端

圖2 2#鍋爐下鍋筒固定端

此時兩臺鍋爐均處于停止運行狀態(tài)，下鍋筒活動端的膨脹指示值見圖3、圖4。

兩臺膨脹指示器顯示，兩臺鍋爐在前述參數(shù)運行時，熱膨脹值分別為15mm、25mm，均未達到鍋爐廠提供的熱膨脹值，見表1 (膨脹中心均為下鍋筒固定支座)。即使考慮到實際運行參數(shù)未達到設(shè)計參數(shù)，其膨脹值也偏小，并且固定端的地腳螺栓有明顯移動的痕跡。由此可以斷定，鍋爐的活動端并未充分的膨脹，從而對固定端產(chǎn)生強剪力，破壞了下鍋筒基礎(chǔ)。

圖3 1#鍋爐膨脹指示

圖4 2#鍋爐膨脹指示

表1 鍋爐廠設(shè)計膨脹值

對鍋爐進行全面檢查，發(fā)現(xiàn)下鍋筒的鋼底座發(fā)生了變形，見圖5。

圖5 下鍋筒鋼底座變形

可以推斷出由于底座的預(yù)埋鋼板強度不夠，產(chǎn)生變形，進而阻礙了下鍋筒的自由膨脹，其反沖力造成了固定端基礎(chǔ)的損壞。

此案例中，運行人員及時發(fā)現(xiàn)問題，總包方積極解決，阻止了事態(tài)的進一步惡化，鍋爐的正常運行得到保障。

3 熱膨脹的應(yīng)對

此案例說明，應(yīng)重視鍋爐熱膨脹。對鍋爐熱膨脹，關(guān)鍵是給鍋爐部件自由膨脹的空間，盡量使鍋爐部件溫度變化緩慢均勻，下面從鍋爐設(shè)計制造、安裝、運行三方面討論如何避免熱膨脹對鍋爐安全的影響。

3.1 設(shè)計制造應(yīng)考慮因素

(1)在部件的膨脹部位應(yīng)留有適當(dāng)?shù)拈g隙，該間隙中不應(yīng)布置其他部件及結(jié)構(gòu)。

(2)溫升部件，如果兩端是固定的，則部件本身應(yīng)有吸收膨脹的機構(gòu)。如臥式的各種蝸殼式鍋爐的爐膽要有膨脹伸縮等裝置，或做成波浪形;水管鍋爐的各種受熱面管由彎管制成，使其本身有吸收熱膨脹的能力;輸送蒸汽、熱水管道上應(yīng)有膨脹補償結(jié)構(gòu)，如彎管段、膨脹環(huán)等;煙道上應(yīng)裝設(shè)波紋伸縮節(jié)等。

(3)鍋筒、集箱的支承，通常一端為固支，一端為鉸支，以適應(yīng)筒體沿軸線的膨脹。在鉸支連接端，接觸面要光滑，并裝設(shè)膨脹指示裝置。

(4)平封頭或平管板連接有爐膽或煙管時，若平板用拉撐板拉撐，應(yīng)在爐膽及煙管管束周圍的平板留有足夠尺寸在呼吸空位，即沿平板使拉撐板離開爐膽或煙管管束足夠的距離，防止限制爐膽或煙管的脹縮，避免產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力。平板上爐膽周圍呼吸空位的大小和平板厚度、爐膽形式有關(guān);管束區(qū)域上下的呼吸空位，不應(yīng)小于10mm。

3.2 安裝過程中應(yīng)注意的熱膨脹影響

(1)保證基礎(chǔ)與下鍋筒的足夠間隙，如筒體一端為固定端，則需保證固定端能夠承受筒體熱膨脹的反作用力。

(2)集箱及爐墻板之間，爐排邊片與側(cè)密封板之間均需留有足夠的間隙，以保證熱態(tài)運行時，不致因熱膨脹而影響鍋爐的安全運行。

(3)熱力管道較長時要有膨脹節(jié)。

(4)在爐墻與鋼架、鍋筒、集箱等結(jié)合處，砌筑時要用石繩棉、石棉瓦填充，以保證其伸縮余地。

(5)火管鍋爐的爐膽分為幾段，每段連接處用波浪形或波紋形連接環(huán)。

(6)集箱、受熱面管道在一定方向留有自由膨脹余地。

(7)安裝完畢，要經(jīng)過烘爐階段，烘爐時必須讓鍋爐本體和爐墻的溫度緩慢而均勻地升高，否則各部分熱脹冷縮不均，會造成爐墻產(chǎn)生裂紋，爐體滲漏。

(8)爐墻砌筑過程中要留有膨脹縫。

3.3 運行過程中需注意的問題

(1)鍋爐點火或停爐時溫度變化必須緩慢均勻，以防鍋爐部件發(fā)生急驟脹縮，造成鍋爐損壞或爐墻脹裂等不良后果。

(2)送水溫度忽高忽低，會引起管道及配件等熱脹冷縮而漏水，應(yīng)采取相應(yīng)措施，使鍋爐供水溫度保持穩(wěn)定。

(3)鍋爐進行改造時，不宜搞剛性結(jié)構(gòu)，要使鍋爐結(jié)構(gòu)具有彈性和伸縮余地。

4 結(jié)語

鍋爐熱膨脹是不容忽視的重要問題，在鍋爐生產(chǎn)、安裝、運行的整個過程中，某一個環(huán)節(jié)的一個小疏漏都會對鍋爐的安全運行造成極大威脅。因此，須從設(shè)計、制造、安裝、運行等幾方面綜合考慮，做好事前控制。如發(fā)現(xiàn)鍋爐熱膨脹異常，分析現(xiàn)象，找出問題，采取恰當(dāng)措施，消除隱患，為鍋爐的安全運行提供保障。

1 孫玉振，鍋爐熱膨脹和熱脹應(yīng)力計算［J］. 東方鍋爐，1997，(2).

2 DL/T 5047 -95，電力建設(shè)施工及驗收技術(shù)規(guī)范鍋爐機組篇［S］.

3 林嘉斌，俞志紅. 熱力設(shè)備的熱脹、熱脹量、熱脹應(yīng)力及推力［J］. 啤酒科技，2012，(2).

4 李召科，馬國英. 電站鍋爐水冷壁膨脹受阻原因分析及對策［J］. 山西電力，2001，(3).