《電力工業鍋爐監察規程》規定鍋爐結構必須安全可靠的基本要求是:①鍋爐各受熱面均應得到可靠的冷卻;②鍋爐各部分受熱后,其熱膨脹應符合要求;③鍋爐各受壓部件、受壓元件有足夠的強度與嚴密性;④鍋爐爐膛、煙道有一定的抗爆能力;⑤鍋爐承重部件應有足夠的強度、剛度與穩定性,并能適應所在地區的抗震要求;⑥鍋爐結構應便于安裝、維修與運行。
以往分析鍋爐部件故障失效,比較重視超溫過熱、腐蝕、磨損與焊接質量,是因為水管鍋爐在汽、水壓力作用下一旦汽管、水管、管道不能承受內壓作用時,即發生爆破、泄漏;但自從采用懸吊式鍋爐結構后,由于鍋爐受熱面、汽水聯箱、管道、煙風煤粉管道都通過支吊架、梁、桁架,由鋼柱承重;并以膨脹中心為零點,向下,向四周膨脹。一旦承重系統失效,部件附落,部件的幾何形狀即發生變化,同樣可以導致鍋爐部件故障失效。
理論計算表明,一根細長的受熱管可以承受很高的內壓,但卻不能承受一般的軸向壓力,更不能承受側向彎曲力的作用,所以必須重視由此而產生的變形失效。事故案例表明此類失效會導致鍋爐報廢,不可大意。
1988年4月某熱電廠一臺220t/h鍋爐,由于爐膛內聚集的可燃氣體爆炸,鍋爐鋼架不能承受爆炸引起的側向作用力,爐后鋼柱扭曲、斷裂,爐頂大板梁失去支承點,向下向右塌落。于是鍋爐省煤器、過熱器、水冷壁也隨之掉落并發生彎曲變形,回轉式空氣預熱器也被壓下沉,導致整臺鍋爐報廢。
1994年3月某熱電廠的一臺220t/h鍋爐由于鍋爐房起火,鍋爐鋼柱遇熱屈服強度下降發生彎曲變形,致爐整體后傾10°,后移5.3m,汽包下沉2m,所有受熱面下坍彎曲變形,鍋爐報廢。1993年3月某廠一臺2008t/h鍋爐由于大量堆集以及可能存在的塌焦、爐壓突升等沖擊力,使支撐該爐冷灰斗的鋼結構失穩,組成冷灰斗的水冷壁管嚴重變形。
除此以外,近年來國內電力系統由于支吊件失效,而發生的灰斗、煤斗、煙道、風道坍塌、受熱面下沉的事故還有十余次。這些事故雖然沒有構成全爐報廢的特大、重大事故,但所造成的損失以及可能造成的人員傷亡,應該同樣引起我們對承重部件安全狀況的重視。
縱觀鍋爐承重件損壞事故,我們不難發現支吊件損壞事故的幾個特點:
(1)事故的突發性。鍋爐承重部件基本可以分成三類。一類是受拉部件,如吊桿;另一類是受壓部件,如鋼柱、支承桿;再有一類就是受彎部件,如梁。他們都具有突發性損壞的特點,如吊桿斷裂、壓桿失穩和桁架失穩。
所謂失穩或翹曲失效是指作用在支撐桿、支柱上的壓力達到某一臨界水平時,它們有時會突然發生例如弓起、褶皺、彎曲等幾何形狀上的劇烈變化。這時從強度觀點,作用力產生的應力完全在設計范圍內,但劇烈的幾何變形而引起的大撓度可能破壞結構的平衡,形成不穩定的構形,使其突然崩潰,即通常所謂的失穩或翹曲失效。而吊桿的斷裂因為常發生在具有應力集中特征的螺扣處,因而也具有突發性。
(2)修復困難。承重件一旦安裝就位,就很難卸載,因而給修復帶來難度。
(3)力的不確定性。鍋爐受熱膨脹,其他受力桿件的變形,將嚴重影響承重部件受力狀況,除帶受力指示標記的吊標外,一般難以了解受力狀況。
(4)常常導致事故擴大。承重件的損壞使相鄰承重件負載增加促進聯鎖損壞,同時也常常導致相關部件受力狀況的變化而損壞。嚴重時可導致該部件的報廢。
防止支、吊件損壞,應從防止超載及維持支、吊件承載能力兩方面著手。當前應注意以下問題。
(1)鍋爐鋼結構的工作溫度。美國鍋爐規范規定承重構件受熱后溫度不得大于315℃,這是因為鋼材的屈服強度因溫度上升而急劇下降。鍋爐鋼柱、鋼梁急劇升溫發生在鍋爐房著火時!督ㄖO計防火規范》中規定無保護層的鋼柱、鋼架、鋼層架耐火極限只有15分鐘,說是說在大火中鋼結構很快變形失效。為此要求:①鍋爐油管路,電纜的鋪設要離開承重部件;②一旦發生火災要組織力量控制承重部件的溫度,此時立柱和大梁的冷卻至關重要。
(2)要避免爐膛嚴重堆焦、轉向室灰斗存灰、風道積灰與煙道存水等超載現象。
(3)鍋爐剛性梁的作用是承受一定的爐膛爆炸力,其薄弱環節是角部絞接結構。在設計抗爆壓力下,剛性梁的撓度f=1/500。有懷疑時,應通過測試,確定是否需要加固。
(4)吊桿的安全性取決于力的分配及披屋內吊桿高溫部位的強度是否滿足要求,最好使用有承力指示的吊架。個別吊桿彈簧壓死或不承力都是不正常的現象,要作為鍋爐定期檢驗內容加以確認調整。
(5)現代鍋爐普遍采用全密封膜式爐壁,并確立膨脹中心,為此在鍋爐周圍、上下設許多向構件,保證以膨脹中心為零點,向一定方向膨脹。凡是沒有按設計值脹出的,必然存在殘余應力,將涉及支吊架安全,務必要究其原因,以防意外。
(6)要弄清鍋爐承重部件的設計意圖,哪些是受拉桿件,哪些是受壓桿件,哪些接合部位要留間隙,哪些部件是要焊牢的。在安裝與檢修中嚴格貫徹設計意圖,維持結構承重功能。