锅炉受热面的胀接

锅炉受热面的胀接（精选3篇）

锅炉受热面的胀接 篇1

1受热面的水侧工作特点

锅炉本体的受热面均由管子组成, 特点是处于高温、高压下的工作。 由锅筒、集箱和管子组成的各受热面组内部进行着水流动的水循环过程, 伴随着结垢与腐蚀。 受热面组的外部受到火焰的辐射与高温烟气的冲刷而使传热过程的同时伴随着管子的腐蚀、磨损与积灰等。 因此必须了解和掌握热水锅炉受热面的工作特点。 受热面是由锅筒、集箱和管子组成的水循环系统。 就锅炉本身的结构可分为自然循环与强制循环。 但在整个供暖系统中, 水的流动是在循环水泵所提供的流动压头下进行强制循环的。 应当说, 当循环水泵已经运转而锅炉没有升火仍然处于冷态时, 无论是对于自然循环还是强制循环结构锅炉, 此时锅炉内部的水的循环流动都是强制性的流动。只有当自然循环锅炉升火以后, 水系统的自然循环才开始。经过热水锅炉的水仅仅是温度的升高, 没有蒸汽锅炉中的水的相态变化, 因此, 受热面呈现以下特点:

1.1对于水质的硬度处理要求不高。 由于水在受热面内部没有相态变化, 不存在水中盐分的浓缩过程, 也就是说在受热面内部结垢能力较弱, 可以适当放宽水的硬度处理指标。

1.2受热面的布置应有利于气体的排除。 水在受热、升温的同时析出原水中含有的气体而形成水中的气泡, 这些水中游离的气泡是不允许停留和集中在受热面的任何一处的, 因为空气的传热能力非常低, 有可能造成传热阻力增大, 局部受热面的管壁温度升高。 因此受热面的布置在尽可能地有利于水中气体的排除。

1.3在受热面内部不允许发生水的汽化。 在热水锅炉受热面内部即使是某一局部性汽化, 都将造成受热面结垢及小范围水冲击, 严重时则会使受热面金属过热而引起胀纹、裂纹甚至爆管。 为了保证锅炉运行的安全性和经济性, 必须选择合理的流动速度和包括进水方式在内的水的流程。

1.4合理地选择水的流速。 合理的流动速度指的是, 在确保水对于受热面的充分的冷却作用的同时应具有适当的流动阻力的速度。 水的冷却作用是水的吸热过程的另一方面反映。 水的流速愈高, 水的流量就放大, 水的吸热量就愈多, 对受热面的冷却作用就愈好, 但水的流动阻力愈大。 因此合理地选择水的流速, 以保证充分的冷却作用的同时使水循环具有适当的流动阻力, 这是保证锅炉运行安全可取的又一重要因素。

1.5有利于沉渣物的排出。 在封闭的供暖系统循环水中含有大量的泥渣和金属的腐蚀产物———铁锈渣。 这些渣状物在循环水泵的强制循环流动中很容易被带入锅炉内而沉淀。 这些沉淀泥渣是造成锅炉受热面结垢, 降低传热量, 过热而变形, 甚至引起爆管的祸首, 因此受热面的结构布局必须有利于沉淀物的排出。

1.6不能产生热偏差。 所谓热偏差指的是, 在平行并列的受热面各管子中, 在进口水温相同的条件下, 由于吸热量的不同而造成出口水温不一致所产生的温差。 受热面热偏差的产生决定于如下两方面的影响因素。 一方面是由于受热面组各区域热负荷不同, 即火焰或高温烟气对于受热面组各区域管子的传热量不同而造成的;另一方面是由于受热面组各管子内流过的水的流量不同, 即吸热量不同而造成的各管子出口温度不一致。 因此, 必须根据各受热面组不同区域、不同的热量所来选择不同的连接方式, 一定要能保证受热面各并列管子的吸热量均匀。 同时要合理选择集箱的进水方式及集箱内的铀向速度来降低同一热负荷区域各并列管子间流量偏差。

2受热面的温度工况

热水锅炉受热面内部工质的流动呈现着单相流体的水动力特性, 但在某些持殊情况下, 受热面的局部地区有可能产生气泡、甚至结有水垢, 使受热面管壁热阻增大, 甚至使受热面金属过热, 以致破坏受热面金属的正常工作。 因此从锅炉运行的安全可靠性要求出发, 必须控制受热面金属在正常温度工况下的工作。 在热水锅炉中经常出现的问题是过冷沸腾现象。 沸腾指的是水在饱和温度下, 由液态变为汽态蒸汽的相态变化过程。 所谓的过冷沸腾是指在热水锅炉中大部分水仍未达到饱和温度情况下, 局部热负荷较大的区域受热面管壁上的水达到饱和温度而产生蒸汽的现象。 显然在过冷沸腾状态下产生的蒸汽以小气泡的形态粘附于受热面管里。 当产生过冷沸腾时, 如果受热面的热负荷较大, 则所产生的气泡周围过热层较厚, 而当水的流速较高时其过热层将迅速减小。 毕竟在过热层水和欠热层水之间有某一界限, 在这一界限之内所产生的气泡有可能未能脱离受热面而消失。 当产生过冷沸腾时, 由于水在相态变化过程中盐分的浓缩作用, 水中含有的钙镁离子就有可能被浓缩, 粘附于受热面金属表面而产生水垢。 同时在气泡的消失过程中由于气泡体积的瞬间缩小, 伴随有受热面内部的难以察觉的响声和振动。

当产生过冷沸腾时, 气泡是不可能在产生的瞬间立即消失约。 当受热面热负荷较大、过热水层较厚时, 在已生成的气泡还没有消失之际t在其周围又产生了气泡, 如此就形成了过冷沸腾的区域。 在这一区域中由于水中含有的钙镁离子的不断浓缩与粘附, 极大地增加了受热面金属管壁的热阻, 使金属壁温不断升高而强度下降, 致使管子胀粗而变形、裂纹甚至爆管。 在热水锅炉运行实践中常看到水冷壁爆管部位是处在高热负荷区域的上部弯曲管段处。

这是由于水冷壁管上部温度较下部高, 且过冷沸腾时产生的气泡容易在管子的倾斜段处停留所致。 无论是老式快装锅炉的后管板或改进的蝶纹烟管锅炉的前管板处发生过热、变形, 甚至于开裂的原因就在于此处发生过冷沸腾的缘故。

防止过冷沸腾的根本措施在于, 首先要在锅炉设计中按照客观存在的热负荷区域来分配水流量。 锅炉的结构决定了热负荷分布区域, 应该按照热负荷分布规律来决定水流量的分配, 即热负荷高的区域水的流量分配要大, 热负荷低的区域自然要分配小的流量。 无论是自然循环热水锅炉或强制循环热水锅炉, 忽视客观存在的热负荷分布规律, 而盲目地追求各受热面管组的平均流量分配是不科学的。 其次要合理选择各受热面管内水的流速。 再者要在锅炉运行管理中严格控制水质处理质量关, 并及时清除系统循环水中的水渣。

3受热面的磨损

锅炉在燃用固体燃料时, 烟气中含有的大量的飞灰颗粒以较高速度的运动直接冲刷对流受热面管束, 使其表面受到强烈的磨损, 特别是在煤粉炉与沸腾炉中尤为严重。 受热面的磨损直接影响着锅炉运行的可靠性和使用寿命, 因此不仅是在锅炉设计中而已在实际运行中应给予足够的重视。

摘要：根据工质所处的热力学状态, 本文对受热面的水侧特点、受热面的温度工况、受热面的磨损等进行详细分析。

关键词：锅炉,受热面,工作特点

参考文献

[1]史志龙, 张宇, 于洪斌.大庆燃机电厂2号锅炉受热面模块组件安装的技术特点[J].黑龙江电力, 2008 (2) .

[2]赵芳.锅炉安装工程中受热面管子的焊接[J].河北建筑工程学院学报, 2005 (1) .

锅炉受热面的胀接 篇2

1 蠕变概述

蠕变是材料在保持应力不变的条件下应变随加载时间而增大的现象, 发生蠕变的温度因材料不同有很大的差异, 通常不大于0.3-0.4倍的溶化温度。蠕变过程大致可以分为3个阶段, 即蠕变第一阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。材料在蠕变过程中, 微观组织也在发生着明显的变化, 蠕变过程的三个阶段, 不同的蠕变机制单独或耦合作用, 最终导致材料的失效。通常情况下, 蠕变机制可分为扩散和位错两种。扩散蠕变理论的第一种形式为Nabarro-Herring, 大多发生在高温度低应力水平下, 晶体内的空位沿平行于应力晶界面的方向扩散, 大量原子聚积在垂直于晶界面的面上;扩散蠕变理论的第二种形式为Coble蠕变, 多发生在低温低应力下, 原子沿晶界扩散使得、晶粒沿应力方向被拉长。位错蠕变理论主要是山于滑移面上的位错移动使得材料发生性变形, 位错蠕变很大程度上取决于加载应力。

2 蠕变寿命损耗机理分析

材料微观机理的研究最终统一到对蠕变本构模型的研究中去, 纵观国内外学者的对蠕变本构模型的研究, 大体可以分为三种:经典塑性力学、孔洞长大理论和连续损伤力学。

2.1 经典塑性力学

在高温构件强度设计和剩余寿命评估方面, 经典塑性力学发挥了巨大的作用。Hai Ty和Spence把蠕变应变描述为应力、时间和温度的函数, 为以后蠕变本构模型的描述打下基础, 其中Norton的应力指数方程得以广泛使用。多轴蠕变的实验结果表明各向同性均质物体的蠕变是剪切应力主导的过程。

2.2 孔洞长大理论

从微观上看, 材料中总是存在一定的缺陷, 如点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷, 即空位、位错、晶界、孔洞、夹杂等。高温下靭性材料的破坏通常被认为是孔洞绕夹杂物或第二相粒子形成、长大和聚合的结果。Cane等认为, 孔洞的长大在材料蠕变时效中占据主导地位, 即在高温构件失效的整个过程中, 孔洞长大经历的时间要远远大于孔洞的形成与聚合。:》Hull与Edward指出, 夹杂粒子与基体的聚合力小, 在外力的作用下夹杂物与基体分离后发展成为孔洞。Edward认为, 品界滑移是造成孔洞聚合的因素之一。孔洞生长机理可分为三种:扩散控制孔洞生长、塑性控制孔洞生长和受约束孔洞生长。Hull等提出, 孔洞生长速率受到孔洞形状和扩散过程的影响, 孔洞生长率由空位化学势梯度决定。Hales总结出孔洞生长机制对断裂时间和应变影响的完整描述。

2.3 连续损伤力学

损伤过程是不可逆的热力学过程, 损伤材料存在一个应变能密度和耗散势。材料在微观层面上是离散的, 中间有很多的夹杂物、第二项粒子或孔洞。连续损伤力学是将具有离散结构的损伤材料理想为连续介质模型, 以不可逆热力学为基础, 在材料的蠕变本构模型中引入损伤变量, 描述从材料内部损伤到出现宏观裂纹的过程, 唯象地导出材料的损伤本构模型, 达到对高温部件断裂应变和寿命进行预测的目的。Kachanov于1958年首次提出了连续损伤力学的概念, Rabotnov在此基础上提出了有效应力的概念, 即损伤出现后有效承载面积变小, 使得有效应力增大, 将损伤与应力应变关系耦合, 得出可以描述蠕变加速阶段的K-R本构模型。连续损伤力学的发展使得数值模拟损伤演化过程成为可能, 通过模拟, 可以获得蠕变实验无法提供的应力应变位移数据, 为分析蠕变损伤机理发展奠定基础。

由于几何尺寸、载荷和热约束的影响, 实际工程构件多受到多轴应力状态。为了描述实际构件的蠕变失效行为, 需要将单轴蠕变本构模型推广到多轴蠕变状态。对于多轴本构的描述可以归纳为两大类:一类是含单个变量的多轴蠕变损伤本构模型, 该损伤变量不区分不同微观损伤机理, 是材料退化的一个总括;一类是含多个损伤变量的多轴蠕变损伤本构模型, 以区分不同的蠕变损伤机理的影响, 能够更好的描述材料高温蠕变失效机理。

对于单变量多轴蠕变本构模型, 可分为两种:Lemaitre本构和Kachanov-Rabotnov本构。前者基于Lemaitre的不可回复热力学理论, 后者则是直接将经典的Kachanov-Rabotnov单轴本构推广到多轴蠕变状态, 即把单轴应力状态下的控制损伤增长的作用应力替换为受最大主应力和von-Mises应力共同作用的等效应力。王飞等以Lemaitre模型为基础, 对工作在650℃下的某航空发动机用高温钛合金材料IMI834的高温蠕变和蠕变断裂行为进行了研究, 研究结果表明多轴应力状态加速了蠕变损伤的累积, 从而降低了材料的蠕变断裂寿命。Kwon利用K-R模型研究Durehetel055和2.25Crl Mo钢在550℃下的蠕变断裂行为, 研究发现控制Duretel055钢的多轴断裂应力准则是等效应力和骨点应力共同控制。Chen利用K-R模型及ABAQUS有限元软件对0.5Cr0.5Mo0.25V铁素体钢弯管和三通在530℃的蠕变应变容限进行了分析, 研究发现ASME Code Case N-47规范有时偏于保守, 有时偏于危险, 理论上讲, 三通达到使用年限时应该进行更换, 而弯头的使用寿命可以适当延长。这一结论对于在役高温构件的安全评定和寿命预测有着非常重要的指导意义。

参考文献

[1]王飞, 郭万林.钛合金材料IMI834高温蠕变和蠕变断裂的连续损伤力学分析[J].机械强度, 2005, 27 (04) .

[2]荆建平, 孙毅.高温蠕变分析的、非线性连续损伤力学模型[J].推进技术, 2001, 22 (02) .

[3]姚华堂, 轩福贞, 王正东等.基于蠕变孔洞长大理论的高温构件蠕变强度设计准则研究[J].核动力工程, 2008 (04) .

锅炉受热面的胀接 篇3

燃煤锅炉是火力发电厂中的三大主机之一,对发电厂的重要性不言而喻,但是在锅炉实际运行中由于受到燃料特性、燃烧工况、炉膛结构布置等因素的影响,导致在运行中经常遇到受热面高温腐蚀的问题,严重影响着锅炉的安全、稳定运行和电厂的经济效益。锅炉受热面是指锅炉本体范围内的省煤器管、水冷壁管、过热器管和再热器管等换热管道,工质吸收热量后在管道内循环流动,实现热能的传递。受燃烧煤质的影响,炉膛内的环境非常复杂,各种传热传质、流动等物理、化学现象相互交错,难以控制,致使锅炉燃烧工况控制难度较大,经常出现锅炉高温受热面腐蚀现象发生,进而出现锅炉受热面管道的腐蚀、泄露、爆管等问题。锅炉的受热面包括尾部低温受热面和炉膛高温受热面两部分,其中位于锅炉尾部烟道中的省煤器、空气预热器等称为是尾部低温受热面,位于锅炉炉膛及其出口附近的水冷壁、过热器和再热器称为锅炉高温受热面。根据锅炉受热面高温腐蚀部位的不同,高温腐蚀可以分为过热器管、再热器管的烟气侧高温腐蚀和水冷壁管的烟气侧高温腐蚀。由于炉膛实际燃烧时温度较高,要想减少锅炉受热面高温腐蚀的发生,必须加强对其内在机理的研究分析,采取防治措施,才能保证锅炉的安全稳定运行。

1 锅炉受热面高温腐蚀机理

根据高温腐蚀发生的原因及腐蚀产物的成分差别,高温腐蚀的形式主要包括:硫酸盐型高温腐蚀、硫化物型高温腐蚀、氯化物型高温腐蚀和由还原性气体引起的高温腐蚀[1]。

1.1 硫酸盐型高温腐蚀

当锅炉燃烧含硫量高和含有碱性物质的燃煤时,会在锅炉高温受热面部位产生硫酸盐型的高温腐蚀。根据发生在锅炉水冷壁的高温腐蚀产物的研究分析,发现部分高温腐蚀积灰中含有大量的硫与碱金属元素,且以硫酸盐、焦硫酸盐、三硫酸铁钠等复合硫酸盐形式存在,其腐蚀过程包括两种方式:(1)在炉内高温环境下形成的带有粘性的碱金属硫酸盐,吸收氧化的二氧化硫后与金属氧化物发生化学反应生成熔点较低的钠、钾复合硫酸盐,当钠、钾复合硫酸盐中的钾与钠之比在1~4之间时,其熔点会降低到约550℃,管壁表面的Fe2O3氧化膜被复合硫酸盐熔解破坏掉,导致管壁持续腐蚀。(2)炉内碱金属的熔盐腐焦硫酸盐蚀。焦硫酸盐的存在温度大致在400~590℃,并且受烟气中SO3含量的影响,当SO3的浓度低于其存在温度所要求的浓度时,焦硫酸盐不会存在。当温度在400~480℃时,烟气侧的腐蚀以焦硫酸盐为主,焦硫酸盐与金属表面的氧化膜发生反应生成硫酸盐,而在此温度下,硫酸盐不稳定,会分解成没有保护性的氧化膜,外露的金属会逐步被氧化。

1.2 硫化物型高温腐蚀

硫化物型高温腐蚀主要发生在火焰冲刷壁管的情况下,煤粉中含有的黄铁矿受热分解出游离态的硫,在炉膛壁面附近的还原性气体和腐蚀性气体氛围中,游离态的硫和高温下的水冷壁管壁金属发生化学反应,生成铁的氧化物和硫化物,腐蚀水冷壁管壁,当温度高于350℃时腐蚀过程进行的很快。

1.3 氯化物型高温腐蚀

煤中含有一定量的Na Cl,其熔点为801℃,蒸发点为1465℃,远低于炉膛火焰温度,当进入炉膛后,便迅速汽化,以气态的形式存在着,并且容易与水、SO2和SO3发生化学反应生成Na2SO4和HCl,因此沉积层中的HCl要比烟气中多,而HCl又会与水冷壁氧化膜发生化学反应,腐蚀水冷壁。一般情况下,HCl高温腐蚀要具备两方面的条件:要有足够浓度的HCl存在;管壁周围必须是还原性气氛。通常情况下,氯化物高温腐蚀如果没有HCl的存在影响不会太大,但是当有HCl存在时,会加速破坏管壁腐蚀,若管壁周围是氧化性气氛,则会减轻氯化物腐蚀。

1.4 还原性气体引起的高温腐蚀

煤粉进入炉膛后,一定区域内的煤粉(包括挥发分)还没有完全燃烧,存在一定的还原性气体,当炉膛含氧量超过2%时,CO含量低于3%~5%,当炉膛含氧量不足时,CO含量波动较大。由于CO会与水冷壁金属氧化铁保护膜发生化学反应,将致密的氧化铁保护膜还原成稀疏多孔的氧化亚铁,从而造成水冷壁腐蚀。为此,许多研究者将监测CO含量作为水冷壁高温腐蚀的一个关键参数,防止因还原性气体造成管壁腐蚀。

2 高温腐蚀的防治措施

由于发生高温腐蚀的最主要原因是管壁温度和水冷壁附近的烟气成分,因此一方面应防止热力系统的腐蚀,另一方面要确保燃烧不出问题,控制腐蚀条件的形成,防止腐蚀性物质的产生。由于煤中含有硫和氯,且水冷壁壁温和附近温度不可能降低到350℃以下,因此只能采取其他方面措施[2]。

2.1 改善炉内燃烧的空气动力学工况

在保证稳定燃烧的前提下,适当降低一次风压,提高二次风压,保证煤粉的着火和燃烧完全,减少未燃尽煤粉冲刷受热面管子。炉膛高温受热面腐蚀主要是由硫化物造成的,且满足一定的温度要求,可通过调整风压,改变炉内煤粉的燃烧工况及火焰中心,从而减缓高温受热面的硫腐蚀。

2.2 高温受热面金属的表面处理

在不提高高温受热面管材等级的条件下,采取一定的方法对金属表面进行处理,提高管材表面的抗腐蚀和抗磨损性能。实践证明,对高温受热面管材表面采取热喷涂措施可以使涂层在交变热应力条件下不脱落,且能满足实际运行要求,性能较为稳定,能够有效地防止高温受热面金属管壁发生腐蚀。

2.3 控制高温受热面金属温度

炉内高温受热面的温度越高,约容易造成受热面管壁腐蚀,因此在实际运行中应加强对管壁温度的控制,抑制高温受热面腐蚀的发生。可通过采取合适的燃烧温度场,控制炉膛火焰中心的温度、热流密度和管子内部结垢的均匀性,降低过热蒸汽的流量偏差等,避免因出现局部高温导致高温腐蚀。

2.4 采用添加剂防止高温腐蚀

添加剂防治高温腐蚀的原理是通过添加剂与灰中的成分发生化学反应生成高熔点的化合物,从而减少高温受热面化学腐蚀的发生。试验结果得出,陶土、硅藻土、氧化镁及其他氧化碱等物质可以作为添加剂用于抑制炉膛的高温腐蚀,实际运行中将添加剂浆液喷到锅炉高温受热面上,就能起到防止高温腐蚀的目的。

2.5 采用低氧燃烧技术

在满足机组运行负荷的条件下,控制燃烧器出口风压均匀,调整二次风量使之与燃烧器的燃料量相匹配,减少备用燃烧器的冷却二次风量,使燃烧区处于低氧状态,减少自由氧原子数目,减少SO3的生成,防止炉膛高温受热面发生腐蚀。实践表明,当炉膛过量空气系数从1.2降低至1.1时,受热面的高温腐蚀明显减少。

3 结束语

燃煤锅炉受热面发生高温腐蚀是多种因素复合作用的结果,是一个复杂的物理化学过程,与煤质的特性、炉内燃烧工况、锅炉受热面布置等多个因素有关。通过对锅炉受热面高温腐蚀机理的研究分析,提出具体的防治受热面高温腐蚀的措施,以期为电厂实际运行中防治高温腐蚀提供理论参考。

参考文献

[1]李琰,鲁金涛,杨珍,等.燃煤锅炉烟气侧高温腐蚀研究进展[J].腐蚀科学与防护技术,2016,2:167-172.