1、汽包热应力分析
锅炉在启动和停炉过程中，汽包壁内的温度场和传热条件不断变化。当温度变化时，汽包简体存在着3种温差：内外壁温差（沿壁厚方向存在温度梯度）、上下壁温差（圆周方向的温度不均匀）、纵向温差（长度方向的温度不均匀）。因汽包可自由膨胀，故略去纵向温差的影响。
1.1上下壁温差的产生
1)启动升压过程。在升压过程中，汽包内壁温度表现为上部温度高，下部温度低。
a)汽包下部为水空间，上部为汽空间。在锅炉启动过程中，汽侧介质的温度为饱和温度，而水侧介质的温度则低于饱和温度。而且在升温过程中，汽包壁金属温度低于介质温度，形成介质对汽包壁加热。汽包下部为汽水混合物对汽包壁对流放热，因为凝结放热系数比对流放热系数大3～4倍，所以汽包上半部温升比下半部温升快，形成上下壁温差。
b)锅炉启动初期，水循环微弱，汽包内水流缓慢，在炉膛受热较弱的局部甚至出现循环停滞区，使水温明显偏低，而蒸汽在汽包内的蒸汽空间传热相对较均匀，使汽包上下壁温差进一步增大。
c)在升压过程中，汽包上部饱和蒸汽温度与压力是单一关系，压力上升时，温度跟着上升。蒸汽空间的蒸汽只能过热不会欠焓。下部水温的上升需要靠介质流动传热，水温上升缓慢。升压速度越快，汽包上下部介质温差越大。
2)停炉降压冷却过程。在停炉降压冷却过程中，也有很多因素使汽包上部壁温高、下部壁温低。
a)在停炉过程中，水侧介质温度接近于饱和温度，而汽侧介质过热使温度高于饱和温度。而且汽包壁厚较大，加上表面有较好的保温层，汽包具有较大的蓄热能力。由于汽包向周围介质散热很少，所以停炉过程中汽包的冷却主要依靠水循环。当汽包内介质的压力及相应的饱和温度逐渐降低时，汽包金属对工质放热，由于上部金属对蒸汽的放热系数小于下部金属对水的放热系数，从而使上部温度高于下部温度。降压速度越快，汽包下部温度下降越快，而上部壁温相对下降较慢，造成上下壁温差大。
b)在停炉过程中没控制好汽包水位，频繁地向汽包补入温度较低的水，使上下壁温差进一步增大。
c)在“四管”爆漏的事故处理中，由于降压速度快，同时又不断地大量补水维持汽包水位，造成上下壁温差严重超标。在规程中，为使炉内的水蒸气排走，规定爆管时不关烟道挡板（或引风机挡板），运行人员没有把握好尺度，甚至让挡板一直开着，使炉内温度迅速下降，以至汽包壁温差进一步加大。
1.2上下壁温差产生的热应力
汽包上下壁温差引起的热应力主要是轴向应力，切向和径向应力与之相比约低一个数量级，故可忽略不计。汽包上部壁温高，金属膨胀量大；下部壁温低，金属膨胀量相对较小。这样就造成上部金属膨胀受到限制，上部产生压缩应力，下部产生拉伸应力。热应力与温差成正比，汽包上下壁温差越大，产生的热应力越大。
1.3内外壁温差产生的热应力
汽包内外壁温差的形成主要是在升温过程，介质不断地对汽包内壁加热，内壁温升快，外壁温升慢，造成内外壁存在温差，使内壁产生压缩应力，外壁产生拉伸应力。内外壁温差产生的热应力主要是轴向和切向热应力，而且轴向与切向热应力大小相当，控制汽包内外壁热应力的关键是控制升温速度。
2、汽包应力危害与低周疲劳寿命
1)应力分析。当汽包出现上壁温高于下壁温时，如图1所示：汽包上壁有膨胀的趋势，但是由于下壁温度低，阻止了上壁的膨胀，上半部汽包壁承受压应力，而下壁在上壁膨胀的影响下被拉伸，承受拉伸应力。这种情况下，汽包将会产生向上拱起的变形，这种变形称为香蕉变形。
可以得出，金属的热应力和金属壁温差△t成正比例关系，汽包上下温差△t越大，则热应力也越大。过大壁温差的产生，将会导致汽包的热应力增大，进而导致汽包受到损伤；特别是在停炉过程中，这时由于汽包内蒸汽参数较高，还有一定压力，存在较大的机械应力，在热应力和机械应力的共同作用下，有可能超过汽包材料的许可应力，造成汽包损坏，在汽包内外壁应力集中的部位产生裂纹，减少汽包的使用寿命。
2)应力对汽包寿命的影响。
a)材料在接近塑性变形或局部塑性变形下长期工作，材质变坏，抗腐蚀能力下降，还可能引起应力腐蚀。
b)在锅炉启动、停运及变负荷过程中，汽包应力发生周期性变化，这将引起疲劳损坏。在长期的交变应力的作用下，汽包壁形成裂纹，扩展到一定程度时汽包破坏。
c)汽包应力峰值超过屈服强度的数值越大，塑性变形区越大，见图2。
达到低周疲劳破坏的循环周数越少，即应力每循环一次的寿命损耗增大。
3、控制措施
汽包热应力的控制实质上就是对汽包上、下壁及内、外壁温差进行控制。
1)在启、停炉过程中，严格控制升温或降温速度，一般升（降）温速度不大于1.5℃/min。但在锅炉启动初期应采用更小的升温速度，因为升压初期汽水饱和温度随压力的变化较大，此期间更容易产生较大的壁温差（见表1）。在升压或降压过程中，若发现汽包上下壁温差超过规定值(40℃)，应减慢升（降）压速度，控制升（降）压速度的主要手段是控制好燃料量。
2)升压初期汽压上升要稳定，尽量不使汽压波动太大。因低压阶段，汽压波动时饱和温度变化率很大，饱和温度变化大必将引起汽包壁温差大。
3)升压时，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，有利于建立正常的水循环，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。因为温度低的给水进入汽包，会使下壁温度低，造成上下壁温差大。
6)向汽包补给水时须严密关闭省煤器再循环门，否则，水短路进入汽包造成上下壁温差增大。
7)在有条件的情况下，尽量采用邻炉蒸汽加热水冷壁下联箱方法，能加快建立正常水循环。
8)停炉后要避免大量排汽造成降压速度太快，应使汽包缓慢均匀冷却，同时尽量保持汽包高水位。
9)降压后期及停炉后要特别注意控制好汽包水位，尽量避免大量放水、补水使汽包下壁急剧冷却，造成汽包上下壁温差增大。停炉后为防止汽包壁温差过大，锅炉熄火后将汽包上满水，具体可以根据给水流量情况，在汽包水位上至+300 mm后，再继续上水2 min左右，如果发现汽包上壁温有降低趋势时，应该立即停止上水。停炉冷却过程中当汽包水位降低后，及早进行上水。
10)停炉后要避免长时间开启烟道挡板造成炉内急剧冷却。熄火后，以30%的风量对炉膛吹扫5 min，停止送、引风机的运行并关闭其出入口风门，保持封闭，此后可根据汽包壁温差不大于40℃的条件，8h后开启烟道挡板、引风挡板，进行自然通风冷却。18 h后方可启动引风机进行通风。
11)在处理“四管”爆漏事故中，尽可能稳定地控制补水量。水冷壁、省煤器爆漏水位难维持时宜尽快停炉，停炉后可不再向汽包补水。
12)提高设备的检修质量，确保阀门严密。给水门不严密，启、停炉过程中不补水时，给水可能直接经省煤器再循环门漏入汽包；省煤器再循环门不严密，给水会直接漏入汽包，使汽包壁局部温度下降；定期排污门不严密，会破坏水循环，需要补充更多的给水，造成上下壁温差增大；对空排汽门、事故放水门的严密性差也会造成不良影响。
4、结束语
汽包在长期运行中受交变应力的作用是必然的，在运行中应力对汽包的损害也必然存在。因此，检修人员应严格按照规程及有关技术措施的要求，采取有效措施，使汽包壁温差控制在规定的范围内，以保证汽包安全运行。
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