第三章 设计
一、本章结构及主要变化
本章共计25节,由“3.1基本要求”“3.2设计文件鉴定”“3.3强度计算”“3.4锅炉结构的基本要求”“3.5锅筒(壳)、炉胆等壁厚及长度”“3.6安全水位”“3.7主要受压元件的连接”“3.8管孔布置”“3.9焊缝布置”“3.10扳边元件直段长度”“3.11套管”“3.12定期排污管”“3.13紧急放水装置”“3.14水(介质)要求、取样装置和反冲洗系统的设置”“3.15膨胀指示器”“3.16与管子焊接的扁钢”“3.17喷水减温器”“3.18锅炉启动时省煤器的保护”“3.19再热器的保护”“3.20吹灰及灭火装置”“3.21尾部烟道疏水装置”“3.22防爆门”“3.23门孔”“3.24锅炉钢结构”“3.25直流电站锅炉特殊规定”组成。本章主要变化为:
在基本要求中增加了环保要求,同时还增加了对燃烧器安全、节能和环保的要求;
进一步明确和肯定了也可以采用试验或者其他计算方法确定锅炉受压元件强度,不再要求按照本规程“1.6特殊情况的处理”的规定执行;
在炉膛和燃烧设备的结构以及布置、燃烧方式的要求中,增加了防止火焰直接冲刷受热面的要求;
在T型接头的连接有关规定和要求中,增加了锅壳式余热锅炉。明确指出除受烟气直接冲刷的部位的连接之外,在满足一定要求的情况下,可以采用T型接头的连接;
增加了对水(介)质的质量要求;
对于原条款中一些不够规范、不够严谨的用词用语作了修改。
二、条款说明与解释
3.1 基本要求
锅炉的设计应当符合安全、节能和环保的要求。锅炉制造单位对其制造的锅炉产品设计质量负责。锅炉及其系统设计时,应当综合能效和大气污染物排放要求进行系统优化,并向锅炉使用单位提供大气污染物初始排放浓度(注3-1)等相关技术参数。
注3-1:电加热锅炉、余热锅炉、垃圾焚烧锅炉不要求提供大气污染物初始排放浓度数据。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.1 基本要求
锅炉的设计应当符合安全、可靠和节能的要求。取得锅炉制造许可证的单位对锅炉产品设计质量负责。
●条款解释:本条款是关于锅炉设计的原则要求。
锅炉设计首先要保证安全、可靠,同时结合当前节能减排降耗的基本国策,还要求尽可能满足节能和环保的要求。
我国锅炉行业的锅炉设计工作,是由具有相应资质的锅炉制造单位负责完成的。因此,锅炉制造单位即锅炉设计者必须要对其锅炉产品设计质量负责。
锅炉及其系统设计时,应当综合能效和大气污染物排放要求进行系统优化,以求获取最佳的设计效果。锅炉设计制造单位应当向使用单位提供大气污染物初始排放浓度等相关技术参数,以便锅炉运行时对运行效果实时监控。
电加热锅炉没有污染物排放问题,余热锅炉污染物排放决定于其所用余热的热源,而非余热锅炉本身。垃圾焚烧锅炉排放物与常规锅炉有所不同,其所排放的有毒有害物质成因也较复杂,目前尚难以作出定量规定。因此,本规程注3-1对于电加热锅炉、余热锅炉、垃圾焚烧锅炉不要求提供大气污染物初始排放浓度数据。
锅炉及其系统设计时,应当兼顾其能效与大气污染物排放要求,在满足大气污染物排放要求的前提下,通过技术路线优化,提高能源利用效率,从本质上实现节能减排;锅炉生产企业应当向使用单位提供大气污染物排放浓度等相关技术参数,例如烟尘排放浓度、SO2排放浓度、NOx排放浓度等,使用单位根据生产单位提供的初始排放浓度优化尾部大气污染物治理技术措施。
在至少达到锅炉热效率限定值条件下,同时需要满足在设计文件中承诺的大气污染物初始排放浓度。
注3-1:余热锅炉、垃圾焚烧锅炉不要求提供大气污染物初始排放浓度数据,但其最终大气污染物排放应满足环保要求。
3.2 设计文件鉴定
锅炉的设计文件应当按照本规程第9章的要求经过鉴定。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.2设计文件鉴定
锅炉本体的设计文件应当经过国家质检总局核准的设计文件鉴定机构鉴定合格后方可投入生产。
●条款解释:本条款是关于锅炉设计文件的规定。
设计质量与锅炉的安全运行息息相关,因此,对于设计质量的监督审查就十分必要。
《特设法》第二十条规定,锅炉、气瓶、氧舱、客运索道、大型游乐设施的设计文件,应当经负责特种设备安全监督管理的部门核准的检验机构鉴定,方可用于制造。
因此,按照《特设法》的规定,本规程规定了锅炉的设计文件应当经过鉴定。
3.3 强度计算
3.3.1 安全系数选取
强度计算时,确定锅炉承压件材料许用应力的最小安全系数,见表3-1。其他设计方法和部件材料安全系数的确定应当符合相关产品标准的规定。
表3-1 强度计算的安全系数
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.3.1安全系数的选取
强度计算时,确定锅炉承压件材料许用应力的最小安全系数,见表3-1规定。其他设计方法和部件材料安全系数的确定应当符合相关产品标准的规定。
表3-1 强度计算的安全系数
注 3-1:如果产品标准允许采用,则可以选用该值计算其许用应力。
注 3-2: 指1.0×105h持久强度极限值。
●条款解释:本条款是关于确定锅炉承压件材料许用应力时选取材料安全系数的规定。
锅炉承压件材料许用应力是锅炉承压件强度计算所依据的基础数据,而材料许用应力的确定又直接和所选用的材料安全系数有关。安全系数是考虑各种不确定性因素的影响,确定锅炉材料许用应力的系数,其重要性不言而喻。本规程作为政府法规,有必要对材料安全系数作出规定,不允许随意选用。
本规程作为锅炉受压元件强度计算标准的上位法,对材料安全系数作出规定,也为锅炉受压元件强度计算标准所规定的材料安全系数提供了出处和法理依据。
本条款删除了原条款表3-1下的“注3-1”和“注3-2”。
原条款“注3-1”是关于钢材屈服强度取值条件的规定。屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限,亦即抵抗微量塑性变形的应力。对于无明显屈服的金属材料,我国现行锅炉受压元件强度计算标准取用以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限,称为条件屈服极限或屈服强度,大于此极限的外力作用,将会使锅炉零部件产生永久变形。为方便锅炉设计人员工作,强度计算标准以列表形式分别给出了不同材料在不同温度下的许用应力值。原条款“注3-1”规定,如果产品标准允许采用,即以产生1.0%残余变形的应力值来确定屈服强度,则可以选用该值计算其许用应力。如上所述,我国锅炉产品强度计算标准所取用的屈服强度是以产生0.2%残余变形的应力值来确定的,即而非。再则,即便是某些产品标准允许采用,即以产生1.0%残余变形的应力值来确定屈服强度,也无需专门加此备注,因为本条款已经说得很清楚了,“其他设计方法和部件材料安全系数的确定应当符合相关产品标准的规定”,因此本条款将其删除。
原条款“注3-2”的内容已经纳入本条款表3-1之中,不再以备注形式给出。
3.3.2 许用应力
许用应力取室温下的抗拉强度Rm、设计温度下的屈服强度 ()、设计温度下持久强度极限平均值、设计温度下蠕变极限平均值除以相应安全系数后的最小值。
对奥氏体高合金钢,当设计温度低于蠕变温度范围并且允许有微量的永久变形时,可以适当提高许用应力至0.9,但不得超过(此规定不适用于法兰或者其他有微量永久变形就产生泄漏或者故障的场合)。
● 条款说明:新增条款。
●条款解释:本条款是确定锅炉用材料许用应力的基本原则要求。原《锅规》只明确了安全系数的选取原则。确定安全系数的目的是确定材料的许用应力,以便进行受压元件强度计算,根据强度计算结果选取金属材料并确定受压元件壁厚。
一般情况下钢种的许用应力值,常温下由抗拉强度控制,中温下由屈服强度控制,高温下由持久强度控制。常用的钢材为碳钢与低合金钢,屈强比都在0.5左右,即材料屈服强度值仅是抗拉强度值的1/2。当用屈服强度除以安全系数1.5时,所得到的许用应力值则为抗拉强度的1/3。
对于碳素钢和一般合金钢,许用应力的取值为室温下的抗拉强度、设计温度下的屈服强度、设计温度下持久强度极限平均值、设计温度下蠕变极限平均值分别除以相应安全系数后取其计算结果中的最小值。
对于奥氏体高合金钢,分为两种情况,设计温度位于蠕变范围和设计温度低于蠕变范围,当设计温度低于蠕变范围时,可以适当提高许用应力至0.9。
设计温度低于蠕变温度范围,表明材料破坏是由抗拉强度或屈服强度所控制。通常情况下,许用应力提高到0.9倍的屈服强度,不会导致材料发生塑性变形,因此是安全的。
奥氏体高合金钢的屈强比,相对于碳钢与低合金钢就小得多了,一般屈强比可小至0.25,即材料的屈服强度仅是抗拉强度的1/4。当用屈服强度除以安全系数1.5时,所得到的许用应力值则为抗拉强度的1/6。此时若用基于屈服强度所得到的许用应力进行强度计算,金属材料的安全裕度明显偏大。
因此,本条款对于奥氏体高合金钢适当提高了其许用应力,规定“当设计温度低于蠕变范围时,可以适当提高许用应力至0.9”,有利于锅炉设计选材和用材更加科学合理。
3.3.3 强度计算标准
锅炉本体受压元件的强度可以按照GB/T 16507《水管锅炉》或者GB/T 16508《锅壳锅炉》进行计算和校核,也可采用试验或者其他计算方法确定锅炉受压元件强度。
锅炉范围内管道强度可以按照国家或者行业相关标准进行计算和校核。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.3.2强度计算标准
锅炉本体受压元件的强度可以按照GB/T 9222《水管锅炉受压元件强度计算》或者GB/T 16508《锅壳锅炉受压元件强度计算》进行计算和校核。当采用试验或者其他计算方法确定锅炉受压元件强度时,应当按照本规程1.6的规定执行。
A级锅炉范围内管道强度可按照DL/T 5054《火力发电厂汽水管道设计技术规定》进行计算;B级及以下锅炉范围内管道强度可按照GB 50316《工业金属管道设计规范》进行计算。
●条款解释:本条款是关于设计所依据的强度计算标准的规定。
目前,我国的锅炉受压元件的强度计算标准分为水管锅炉和锅壳锅炉两种。两种强度计算标准中,相同的受压元件的计算公式完全一样,仅仅是在一些系数的选取上有些差异。这些差异也是技术政策的规定,而不是理论上的差异。
由于本规程的适用范围包括主给水管道、主蒸汽管道、再热蒸汽管道等,因此,本条款规定了锅炉范围内管道强度可以按照国家或者行业相关标准进行计算和校核。
本条款所列强度计算时所用试验方法或其他计算方法,包括有限元计算、爆破验证法等。随着锅炉技术水平的不断发展,各种强度计算的核定方法都有了较快的发展。许多强度核定方法比传统的核定方法更加精准可靠,允许采用这些方法进行强度校核,并且不再要求按照本规程第1.6条特殊情况的处理规定执行。
3.4 锅炉结构的基本要求
(1)各受压元件应当有足够的强度;
(2)受压元件结构的形式、开孔和焊缝的布置应当尽量避免或者减少复合应力和应力集中;
(3)锅炉水(介)质循环系统应当能够保证锅炉在设计负荷变化范围内水(介)质循环的可靠性,保证所有受热面得到可靠的冷却;受热面布置时,应当合理地分配介质流量,尽量减少热偏差;
(4)锅炉制造单位应当选用满足安全、节能和环保要求的燃烧器;炉膛和燃烧设备的结构以及布置、燃烧方式应当与所设计的燃料相适应,防止火焰直接冲刷受热面,并且防止炉膛结渣或者结焦;
(5)非受热面的元件,壁温可能超过该元件所用材料的许用温度时,应当采取冷却或者绝热措施;
(6)各部件在运行时应当能够按照设计预定方向自由膨胀;
(7)承重结构在承受设计载荷时应当具有足够的强度、刚度、稳定性及防腐蚀性;
(8)炉膛、包墙及烟道的结构应当有足够的承载能力;
(9)炉墙应当具有良好的绝热和密封性;
(10)便于安装、运行操作、检修和清洗内外部。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.4 锅炉结构的基本要求
(1)各受压部件应当有足够的强度;
(2)受压元件结构的形式、开孔和焊缝的布置应当尽量避免或者减小复合应力和应力集中;
(3)锅炉水循环系统应当能够保证锅炉在设计负荷变化范围内水循环的可靠性,保证所有受热面都得到可靠的冷却。受热面布置时,应当合理地分配介质流量,尽量减小热偏差;
(4)炉膛和燃烧设备的结构以及布置、燃烧方式应当与所设计的燃料相适应,并且防止炉膛结渣或者结焦;
(5)非受热面的元件,当壁温可能超过该元件所用材料的许用温度时,应当采取冷却或者绝热措施;
(6)各部件在运行时应当能够按照设计预定方向自由膨胀;
(7)承重结构在承受设计载荷时应当具有足够的强度、刚度、稳定性及防腐蚀性;
(8)炉膛、包墙及烟道的结构应当有足够的承载能力;
(9)炉墙应当具有良好的绝热和密封性;
(10)便于安装、运行操作、检修和清洗内外部。
●条款解释:本条款是对锅炉结构的基本要求。
本条款主要修改内容:
对原条款“(3)锅炉水循环……”文字修改为“锅炉水(介质)循环……”,锅炉工质除水之外,还有有机热载体等,仅仅说“水循环”,显然用词不够严谨,所以添加了“介质”两字;
对原条款(4)补充了“锅炉制造单位应当选用满足安全、节能和环保的燃烧器”以及“防止火焰直接冲刷受热面”的要求。
其他内容和文字未作变化,下面按照本条款内容逐一进行解释:
(1)锅炉受压部件应该有足够的强度。锅炉是承受内压的特种设备,若锅炉设计、运行和使用不当,锅炉就可能发生事故。锅炉受压部件应有足够的强度,是保证锅炉安全运行和使用的基本要求。所谓受压部件有足够的强度,就是在锅炉设计时,必须按照国家现行的锅炉强度计算标准和规范进行锅炉受压元件的强度计算,选取合适的受压元件材料及其厚度,确保锅炉在设计条件下安全运行和使用。目前,世界各国根据自己的国情,都制定有相应的锅炉强度计算标准或方法。
同一锅炉受压元件,在相同的工作状态下,由于设计时使用的强度计算标准或方法不同,尽管所选用的材质相同,但受压元件的厚度却有所不同。因此,所谓受压部件有足够的强度,是相对于锅炉设计时所选用的强度计算标准或方法而言的,符合所选用的强度计算标准或方法的规定和要求,即谓之受压部件有足够的强度。
(2)锅炉的结构形式应尽量减小复合应力或应力集中。由于锅炉结构的原因,锅炉受压元件出现应力的叠加(复合应力)和应力集中是难以避免的。如常见的受压元件开孔,由于结构连续性遭到破坏,在孔边必然要产生应力集中现象。因此,在锅炉设计和制造时,应采取必要措施尽可能减小应力集中。为了防止开孔产生的附加应力与其他应力叠加,本规程和有关标准都对锅炉受压元件的开孔位置作出了规定和限制。同样,为了防止焊接残余应力与其他应力叠加,本规程和有关标准关于锅炉受压元件焊缝的布置也有相应的规定和限制。
(3)锅炉水(介质)循环系统应当能够保证锅炉在设计负荷变化范围内水(介质)循环的可靠性,保证所有受热面得到可靠的冷却;受热面布置时,应当合理地分配介质流量,尽量减小热偏差;
可靠的锅炉水(介质)循环系统,能够使锅炉运行时各受热面得到可靠而有效的冷却,这是保证锅炉安全运行的前提。为了保证受热面得到可靠冷却,锅炉设计时要使各受热面内介质有足够的流速,以便加强介质对受热面的冷却效果,从而将金属壁温控制在材料允许的适用温度之内。
锅炉运行时,同一受热面烟气侧、工质侧必然存在一定的热偏差,这是难以彻底避免的。锅炉设计时应当合理分配介质流量,尽量减小热偏差,以利于锅炉安全运行。
锅炉设计时还要注意选取适当的烟气流速。提高烟气流速虽然可以增强烟气对受热面管壁的对流传热效果,但也不宜过高。过高的烟气流速不仅增加了管壁的磨损,同时也会导致管壁金属温度的升高,不利于锅炉安全运行。
对于一些小型水管锅炉和火管锅炉,设计时还要保证其最高火界低于最低安全水位,以保证受热面始终得到可靠冷却。
如果受热面金属未能得到可靠的冷却,将会导致受热面金属管壁温超出其适用温度范围,金属材料将会因壁温过热而导致材料金相组织发生变化,力学性能下降,从而影响锅炉使用寿命,甚至发生锅炉事故。
(4)锅炉制造单位应当选用满足安全、节能和环保的燃烧器;炉膛和燃烧设备的结构以及布置、燃烧方式应当与所设计的燃料相适应,防止火焰直接冲刷受热面,并且防止炉膛结渣或者结焦;
锅炉燃烧器性能与安全、节能和环保息息相关。电站锅炉燃烧器一般由锅炉制造单位根据燃料及环保要求自行设计制造,应具有良好的安全、节能和环保性能。小型锅炉一般配置外购燃烧器,应当注意一定要选用满足安全、节能和环保的燃烧器。
本条款主要是针对煤粉锅炉,提出的关于燃烧方式、炉膛及燃烧器结构和布置要与所用燃料相匹配的原则要求。同时燃用煤粉的锅炉还要防止炉膛结焦或结渣,而火焰直接冲刷受热面,也是导致炉膛结焦或结渣的主要原因之一。因此,锅炉设计和运行时要注意防止火焰直接冲刷受热面。
该条款是基于1993年3月10日,浙江宁波某电厂600MW锅炉机组发生特大锅炉爆炸伤亡事故而制定的。该起事故造成23人死亡,8人重伤,直接经济损失780多万,导致华东地区一段时期供电紧张。究其原因,就是因为所用燃料与燃烧方式、炉膛及燃烧器结构和布置不相匹配,造成炉膛严重结焦,炉膛上部屏式过热器处结焦后巨大焦块坠落,将炉底冷灰斗水冷壁管子砸破,大量高温高压水蒸气瞬间急速喷出,造成重大人身伤亡事故。就在同一电厂,其他锅炉厂家设计制造的相同运行参数的锅炉,由于炉膛结构和燃烧器布置不同,对燃煤煤种的适应性较强,锅炉运行状况正常,就没有严重的结渣和结焦问题发生。由此可知,炉膛和燃烧设备的结构以及布置、燃烧方式应当与所设计的燃料相适应,是多么的重要,锅炉设计时必须要给予充分重视。鉴于此事故,在1996版《蒸汽锅炉安全技术监察规程》中特意增加了此项条款并一直保留至今。
(5)锅炉本体中除了受热面元件外,还有许多非受热面元件,如水冷壁的吊架,过热器的吊架和梳形板、省煤器的支撑梁、燃油锅炉尾部吹灰器等,在锅炉运行时也会受到火焰或高温烟气的加热。这些非受热面元件的壁温如果超过所用材料的适用温度,不仅会影响这些元件的使用寿命,而且因这些非受热面元件的损坏也会导致受热面元件发生事故。锅炉运行时,这些元件不可能直接得到锅炉工质的冷却,金属材料壁温也有可能会超过材料的适用温度。因此,对于这些受热的非受热面元件,应当尽可能对其采取冷却或绝热措施。
(6)物体热胀冷缩,是其基本特性之一。锅炉运行时,炉内部件将会受到火焰、高温烟气的加热,炉外部件虽然不会接触到火焰或者烟气,但是如炉外管道等部件仍然会受到管内介质的加热而壁温升高。因此,在进行锅炉结构设计时必须要考虑各部件受热膨胀的问题,而且应当明确设定其膨胀方向。当锅炉受压元件热膨胀受阻时,因其自由膨胀受到限制,受压元件中将会产生一个附加热应力,从而改变了受压元件的工作状态。在锅炉受压元件强度设计计算时,必须要考虑这一附加热应力。锅炉设计时,应当明确设定受压元件的膨胀方向,尽可能使其受热后能够自由膨胀或者尽量减少对其热膨胀的限制,以便降低附加热应力。锅炉受压元件受热时很难做到完全的自由膨胀,电站锅炉设计时一般还要进行受热面和管道系统受热后的应力分析计算,以确保锅炉安全运行。1980年版及以前的锅炉规程均是规定受热自由膨胀,显然是难以真正做到的。1987年版及以后的锅炉规程才明确了按设计预定方向自由膨胀,此规定一直延续至今。
(7)锅炉承重结构,如钢结构是锅炉的重要组成部分,目前大型电站锅炉的钢结构已是近百米之高的庞然大物,锅炉本体总重已达万吨,全部要悬吊于锅炉钢架之上,必须要具有足够的强度、刚度、稳定性及防腐蚀性,其重要性不言而喻。
(8)炉膛、包墙及烟道结构应有足够的承载能力。炉膛,尤其是由水冷壁管组成的煤粉锅炉炉膛,必须要有足够的承载能力,以防炉膛在非正常燃烧工况下,一旦发生煤粉爆燃,可以减轻对炉膛的破坏程度。由包墙过热器管所组成的锅炉侧墙及锅炉顶棚,当炉膛出现爆燃事故时,也将受到巨大冲击力,当然也应具有足够的承载能力。随着锅炉环保要求的日益严格,电站锅炉尾部还要加装脱硫和脱硝装置等设备。这些环保装置运行时,将会给锅炉炉膛和烟道形成较大的负压,这一情况也要求炉膛、包墙和烟道具有足够的承载能力,承受因炉内负压而产生的炉外压力。炉膛设计承压能力应按有关规程和技术标准确定。对于机组容量大于等于300MW的电站锅炉,炉膛设计承压能力一般应高于等于5.8kPa, 瞬间最大承压能力一般为±8.7kPa。
(9)炉墙应有良好的绝热和密封性。炉墙具有良好的绝热性,可有效地减少锅炉散热损失,降低其对锅炉热效率的影响。炉墙具有良好的密封性,对于负压运行状态的锅炉尾部烟道,可有效防止炉外空气向炉内漏风,避免或降低炉内漏风对锅炉热效率的影响。对于正压运行状态下的炉膛和炉墙,因密封性能不好可能导致高温火焰或烟气向炉外泄漏,将会危及锅炉运行人员的人身安全。因此,炉墙必须要具有良好的绝热和密封性。
(10)锅炉的结构应便于安装、运行操作、检修和清洗内外部。为此,需要设置尺寸规格合适的、数量足够的各类门孔,设置运行操作平台和扶梯。设计时尤其要注意锅炉管道和锅炉钢架的梁、柱、平台等的布置不要妨碍各类门孔的正常使用。
3.5 锅筒(壳)、炉胆等壁厚及长度
3.5.1 水管锅炉锅筒壁厚
锅筒的取用壁厚应当不小于6mm。
3.5.2 锅壳锅炉壁厚及炉胆长度
(1)锅壳内径大于1000mm时,锅壳筒体的取用壁厚应当不小于6mm;当锅壳内径不大于1000mm时,锅壳筒体的取用壁厚应当不小于4mm;
● 条款说明:保留条款。
● 原《锅规》:3.5 锅筒(锅壳)、炉胆等壁厚及长度(略)
●条款解释:本条款是对锅炉锅筒(壳)筒体最小取用壁厚的规定。
最小壁厚的限制主要考虑筒体失稳的问题,同时也兼顾加工和腐蚀裕量的要求。如果锅筒工作压力较低,筒体强度计算的结果得出设计所需壁厚可能很薄,虽然筒体强度没有问题,但是,如果筒体壁厚太薄,将导致筒体整体稳定性不好,也会影响锅炉的安全正常运行。因此,本条款对筒体最小壁厚作出了限制。当强度计算结果所得壁厚小于本条款规定时,设计取用壁厚也不得小于本条款所规定的最小壁厚。最小壁厚数值为经验数值,同时与国外规范基本一致。
对原条款个别词语作了修改,使其更加规范,如:3.5标题中的“锅筒(锅壳)……”修改为“锅筒(壳)……”;3.5.2(1)中的“当锅壳内径不超过……”修改为“当锅壳内径不大于……”。
(2)锅壳锅炉的炉胆内径应当不大于1800mm,其取用壁厚应当不小于8mm,并且不大于22mm;炉胆内径不大于400mm时,其取用壁厚应当不小于6mm;
(3)卧式内燃锅炉的回燃室筒体的取用壁厚应当不小于10mm,并且不大于35mm;
(4)卧式锅壳锅炉平直炉胆的计算长度应当不大于2000mm,如果炉胆两端与管板扳边对接连接,平直炉胆的计算长度可以放大至3000mm。
● 条款说明:保留条款。
● 原《锅规》:3.5.2(2)、(3)(略)
●条款解释:本条款是对锅壳锅炉高温区部件主要几何尺寸的规定。
本条款限制了高温区部件的最大、最小壁厚,关于限制最小壁厚的原因前面已经讲过,主要考虑部件失稳的问题,而最大壁厚的限制,主要是考虑了高温区温差应力过大的问题。锅炉运行时,炉胆内壁由于直接和火焰或高温烟气接触,壁温较高,而炉胆外壁由于介质的冷却作用,壁温相对较低。随着炉胆壁厚的增大,这种存在于炉胆内外壁之间的壁温差也将随之增大,将会不可避免地在筒壁上产生过大的温差应力,造成部件损坏。本条款参考了英国标准BS2790、德国TRD和IS05730,规定了承受外压的炉胆其最大壁厚应不大于22mm,回燃室不大于35mm。
考虑到炉胆直径越大,其稳定性越差;同时,在相同的工作状态下,炉胆直径越大,强度计算其所需筒体厚度也就越大,其厚度有可能超过最大壁厚的限制。再考虑到保证燃烧稳定的需要,燃烧器与炉胆尺寸应相互匹配,本条款参考了英国标准BS2790、德国TRD和IS05730,本条款规定炉胆的最大内径不大于1800mm。
根据经验数值,本条款规定:对于承受外压的炉胆、回燃室的最小壁厚分别应不小于8mm和10mm。当炉胆内径不大于400mm时,最小壁厚应不小于6mm。
炉胆长度的有关规定主要是考虑热膨胀的问题,炉胆直接和火焰接触,相应的金属壁温和受热伸长量也较大,将在炉胆与管板连接处产生附加热应力。为避免该附加热应力过大,对炉胆的计算长度应当予以限制。
国外有关锅炉规范对平直炉胆的计算长度也有限制,具体规定也不完全一样。如:英国标准BS 2790和ISO 5730规定,除了回燃式平直炉胆外,其计算长度不大于3000mm。根据我国国情提出了平直炉胆的计算长度不大于2000mm,如果炉胆两端与管板扳边对接连接时,平直炉胆的计算长度不大于3000mm的限制要求。
本条款对原条款个别词语作了修改,使其更加规范,如:“不超过”修改为“不大于”,“小于或者等于”修改为“不大于”。同时,将原条款(2)中的“卧式内燃锅炉的回燃室筒体的取用壁厚应当不小于10mm,并且不大于35mm”单独列为现条款的(3),内容未作变化。
3.5.3 胀接连接
(1)胀接连接的锅筒(壳)的筒体、管板的取用壁厚应当不小于12mm;
(2)胀接连接的管子外径应当不大于89mm。
● 条款说明:保留条款。
● 原《锅规》:3.5.3 胀接连接的锅筒(锅壳)的筒体、管板(略)
●条款解释:本条款是对胀管管径及筒体壁厚的规定。
(1)管子胀接时,管壁将会出现塑性变形,但管孔产生的却是弹性变形。胀管结束后,发生弹性变形的管孔要恢复原位,而发生塑性变形的管壁则不能复位,致使管孔和管壁间存留了较大的径向残余应力,因此二者间也就产生了足够大的摩擦力,将管子牢牢固定在管孔中。
当然,摩擦力的大小与径向残余应力大小有关,同时也与管板的厚度有关。在孔径相同的条件下,管板厚度越大,自然摩擦力也就越大,管子胀接也就更加牢固。反之,管板太薄,所产生的摩擦力过小,将难以保证胀接质量。所以,根据生产实际经验,本条款规定,当管子与筒体或管板采用胀接连接时,筒体或管板的厚度应不小于12mm。
(2)原条款参考了苏联1973年版锅炉规程的规定,其规定管子外径大于102mm时不宜采用胀接方法。管子外径越大,所需要的胀接力也就越大,不易保证胀接质量。鉴于我国国情,采用胀接方法的低、中压锅炉罕见使用外径等于102mm的管子,也缺乏这一规格的管材,因此原条款在不改变苏联规程本意的前提下,以常见的外径89mm的管子划界,规定“外径大于89mm的管子不应当采用胀接。”本条款沿用了原条款的规定,但文字描述将“外径大于89mm的管子不应采用胀接”改写为“胀接连接的管子外径应当不大于89mm”。
本条款将原条款标题“3.5.3 胀接连接的锅筒(锅壳)的筒体、管板”改写为“3.5.3胀接连接”,更加简单明了。
3.6 安全水位
(1)水管锅炉锅筒的最低安全水位,应当保证下降管可靠供水;
(2)锅壳锅炉的最低安全水位,应当高于最高火界100mm;锅壳内径不大于1500mm的卧式锅壳锅炉,最低安全水位应当高于最高火界75mm;
(3)锅壳锅炉的安全降水时间(指锅炉停止给水情况下,在锅炉额定负荷下继续运行,锅炉水位从最低安全水位下降到最高火界的时间)一般应当不低于7min,对于燃气(液)锅炉一般应当不低于5min;
(4)锅炉的最低及最高安全水位应当在图样上标明;
(5)直读式水位计和水位示控装置上下开孔位置,应当包括该锅炉最高、最低安全水位的示控范围。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.6 安全水位
(1)水管锅炉锅筒的最低安全水位,应当能够保证下降管可靠供水;
(2)锅壳锅炉的最低安全水位,应当高于最高火界100mm;对于内径小于或者等于1500mm卧式锅壳锅炉的最低安全水位,应当高于最高火界75mm;
(3)锅炉的最低及最高安全水位应当在图样上标明;
(4)直读式水位计和水位示控装置开孔位置,应当保证该装置的示控范围包括最高、最低安全水位。
●条款解释:本条款是对安全水位的规定。确定最低安全水位是为了保证锅炉受热面在锅炉运行时能够得到可靠的冷却,避免由于冷却不足造成金属材料过热而危及锅炉运行安全。
(1)对于水管锅炉,锅筒最低安全水位在下降管管口上方应保持有足够的高度。主要是考虑下降管管口的抽吸作用,可能导致蒸汽带入下降管中,降低锅炉水循环回路压差,水循环局部受阻,严重时,可导致水冷壁传热恶化,甚至发生水冷壁爆管事故。
根据锅炉设计规范,锅筒最低安全水位至下降管入口处的高度计算公式:
式中 h——最低安全水位至下降管入口处的高度,m;
W0——下降管中水的流速,m/s;
g——重力加速度,9.8m/s2。
原条款中的“应当能够保证……”修改为“应当保证……”。
(2)对于锅壳式锅炉,锅炉安全水位需要考虑两个方面的因素,一是最低安全水位,二是足够的锅水容量。在限定最低安全水位的同时,要考虑到对安全降水时间进行控制,二者是相互关联的有机整体。最低安全水位是对水位下降直线距离控制要求,而安全降水时间则是对水位下降的容积控制要求。对锅壳锅炉仅限定最低安全水位是不完整的,锅炉水容积太小,运行中锅炉水位会频繁波动,锅炉受热面易产生热疲劳损伤;如突发停止给水故障,水容积太小,运行锅炉水位瞬间会迅速下降,而锅炉操作人员又难以获得应急响应所需时间,锅炉易因缺水而烧坏受热面。近年来发现一些锅炉锅壳直径太小,水容积不足,造成安全隐患。根据锅炉易发生恶性事故的情况分析,本条款修订时,为进一步降低锅壳锅炉事故风险,结合实际操作经验并参照国际上成熟的规定——TRD标准,在对锅壳锅炉最低安全水位作出规定的同时,增加了对锅壳锅炉安全降水时间的具体要求。条文中:
①本条款(2)是对锅壳锅炉的最低安全水位距离提出要求。
②本条款(3)是对锅壳锅炉安全降水时间即水容量提出要求。
③“锅壳锅炉安全降水时间”是与本条款(2)最低安全水位相互关联的新增加条款。根据锅炉易发生恶性事故的情况分析,对锅壳锅炉仅限定最低安全水位是不完整的,还须考虑有足够的安全水容积。因此,本条款修订时,为进一步降低锅壳锅炉事故风险,结合实际操作经验并参照国际上的规定——TRD标准,在对锅壳锅炉最低安全水位做出规定的同时,增加了对安全降水时间的具体要求。
水位示意图见释图3-1。
释图3-1 水位示意图
1—正常水位;2—最低允许水位(最低安全水位);3—受热面最高点(最高火界)
安全降水时间计算公式:
式中 D——设计蒸发量额定值,kg/min;
V——最低允许水位与受热面最高点之间的锅炉水量,m3;
ν——水的比容,m3/kg;
t——安全降水时间,min。
(3)锅炉最低及最高安全水位应当在图样上标明。锅炉水位过低,其对锅炉安全运行的影响,上述(1)和(2)条款解释已作了说明。水位过高,会恶化蒸汽品质,不仅影响锅炉安全、经济运行,而且电站锅炉蒸汽品质恶化还会对汽轮机的正常运行带来危害。因此,本条款要求锅炉的最低及最高安全水位应当在图样上标明,以便于锅炉运行操作管理。
(4)直读式水位仪表的开孔位置应当能保证该装置的示控范围包括最高、最低安全水位,即上开孔位置要高于最高安全水位,下开孔位置要低于最低安全水位,确保最高、最低安全水位都能够在仪表上显露出来,以避免造成假水位。
3.7 主要受压元件的连接
3.7.1 基本要求
(1) 锅炉主要受压元件包括锅筒(壳)、启动(汽水)分离器及储水箱、集箱、管道、集中下降管、炉胆、回燃室以及封头(管板)、炉胆顶和下脚圈等;
(2)锅炉主要受压元件的主焊缝[包括锅筒(壳)、启动(汽水)分离器及储水箱、集箱、管道、集中下降管、炉胆、回燃室的纵向和环向焊缝,封头(管板)、炉胆顶和下脚圈等的拼接焊缝]应当采用全焊透的对接焊接;
(3)锅壳锅炉的拉撑件不应当拼接。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.7 主要受压元件的连接
3.7.1 基本要求
(1)锅炉主要受压元件的主焊缝〔包括锅筒(锅壳)、集箱、炉胆、回燃室以及电站锅炉启动(汽水)分离器、集中下降管、汽水管道的纵向和环向焊缝,封头、管板、炉胆顶和下脚圈等的拼接焊缝〕应当采用全焊透的对接接头。
(2)锅壳锅炉的拉撑件不应当采用拼接。
●条款解释:本条款是对锅炉主要受压元件主焊缝以及拉撑件拼接的规定。
(1)本次修订,新增了本项内容,对锅炉主要受压元件所包含的范围作了详细说明;
(2)对主焊缝形式的规定,即主要受压部件的主要焊缝应采用全焊透的对接接头。
明确指出主焊缝包括纵向和环向焊缝以及拼接焊缝。
锅炉主要受压部件是组成锅炉的最重要的部件,必须要保证这些部件的主要焊缝的焊接质量。对接接头主要承受拉应力,受力状况较好,加之焊缝得以全焊透,更进一步增强了锅炉运行的安全性。采用对接接头形式也便于对焊缝的无损检测,利于确保焊接质量。
(3)锅壳式锅炉的拉撑件,包括板拉撑、杆拉撑及管拉撑等。拉撑件是强度计算中重要的承载元件,如果拉撑件采用拼接,容易发生质量问题,历史上也发生过此类事故。因此,规定拉撑件不得采用拼接。
本条款对原条款3.7.1(1)条文中关于主要受压部件的范围和罗列顺序作了调整,基本内容未作变化。
3.7.2 T型接头的连接
对于额定工作压力不大于2.5MPa的卧式内燃锅壳锅炉、锅壳式余热锅炉以及贯流式锅炉,除受烟气直接冲刷的部位(见图3-1)的连接处以外,在符合以下要求的情况下,其管板与炉胆、锅壳可采用T型接头的对接连接,但是不得采用搭接连接:
(1)采用全焊透的接头型式,并且坡口经过机械加工;
(2)管板与筒体的连接采用插入式的结构(贯流式锅炉除外);
(3)T型接头连接部位的焊缝计算厚度不小于管板(盖板)的壁厚,并且其焊缝背部能够封焊的部位均应当封焊,不能够封焊的部位应当采用氩弧焊或者其他气体保护焊打底,并且保证焊透;
(4)T型接头连接部位的焊缝应当进行超声检测。
图3-1 不允许采用T型接头连接的部位
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.7.2 T型接头的连接
对于额定工作压力不大于2.5MPa的卧式内燃锅炉以及贯流式锅炉,工作环境烟温小于等于600℃的受压元件连接,在满足下列条件下可以采用T型接头的对接连接,但不得采用搭接连接:
(1)焊缝采用全焊透的接头型式,并且坡口经过机械加工;
(2)卧式内燃锅炉锅壳、炉胆的管板与筒体的连接应当采用插入式结构;
(3)T型接头连接部位的焊缝厚度不小于管板(盖板)的壁厚,并且其焊缝背部能够封焊的部位均应当封焊,不能够封焊的部位应当采用氩弧焊打底,并且保证焊透;
(4)T型接头连接部位的焊缝按照NB/T 47013(JB/T 4730)《承压设备无损检测》的有关要求进行超声检测。
●条款解释:本条款是对采用T型接头连接的规定。
T型接头连接由于其制造工艺要求简单,制造成本较低,因此在国外锅炉生产中应用较为广泛。有的国家锅炉规范,如美国的ASME CODE,英国的BS 2790,国际标准ISO 5730等对这种连接形式所适用部位并未限制,但对结构尺寸都有严格的规定,以确保在锅炉运行中这些部位得到可靠的冷却。考虑到我国的实际制造需要以及与国际接轨,1996版《蒸汽锅炉安全技术监察规程》曾经规定了工作压力不超过1.6MPa的卧式内燃锅炉可以采用T型接头连接。
经过多年的实践,我国对卧式内燃锅炉、锅壳式余热锅炉以及贯流式锅炉烟温较低(一般不高于600℃)的连接部位采用T型接头焊接的经验和技术已经趋于成熟,因此原条款将适用压力范围在1996版《蒸汽锅炉安全技术监察规程》基础上提高至2.5MPa,同时增加了贯流式锅炉,本条款又进一步增加补充了锅壳式余热锅炉。但考虑到高温烟区热负荷较大,产生的热应力也较大,T型接头处应力状态复杂,二次应力较大,加上其相对于对接接头焊接质量较难控制,特别是我国锅炉的具体使用状况,因此高温烟区仍不允许采用这种接头型式。原条款允许采用T型接头连接的受压元件部位的限定条件为“工作环境温度小于或者等于600℃的受压元件连接”。
“600℃”这一严格而又具体的数值要求,在锅炉设计或运行中难以操作和掌握,因此,本条款将限定条件修改为“除受烟气直接冲刷的部位(见图3-1)的连接处以外”,同时用图3-1的形式给以明确,更加方便了对本条款规定的理解和执行。
采用T型接头形式应满足的条件:
(1)必须采用全焊透的接头形式,且坡口需机械加工。T型接头形式的受力状态比对接接头受力状态要差,主要承受的是弯曲应力,而弯曲应力对连接处应力疲劳的影响远比拉应力、剪切应力的影响大的多。如果T型接头采用了非全焊透的形式,在反复弯曲应力作用下,接头处容易产生裂纹并逐渐扩展,最终导致锅炉事故。机械加工的焊接坡口,几何尺寸和形状标准统一,有利于保证焊接质量。
(2)锅壳、炉胆的管板与筒体的连接应当采用插入式的结构,利于保证焊接质量,使得连接更加牢固可靠。
(3)连接部位焊缝的计算厚度应不小于管板的厚度,这是为了保证焊缝与管板等强度。焊缝背部能封焊的部位均要封焊,不能封焊的部位应采用氩弧焊或混合气体保护焊打底,以保证焊透。背部封焊以减小焊缝根部的应力,不能封焊的部位采用氩弧焊或者其他气体保护焊打底,保证焊透,提高焊缝承受弯曲应力的能力。原条款仅仅强调了采用氩弧焊打底一种方式,本条款又增添了其他气体保护焊打底,同样可以保证焊接质量。
(4)由于受结构的限制,T型接头只适合采用超声波探伤方法进行检验其焊接质量。
原条款要求T型接头连接部位的焊缝应按照NB/T 47013《承压设备无损检测》有关规定进行超声波检测,本次修订时删除了此项标准。锅炉设计制造时,由于所采用的标准体系不同,相应的无损检测标准也不尽相同,因此,本规程不宜对无损检测标准的选取作出规定。
3.7.3 管接头与锅筒(壳)、集箱、管道的连接
锅炉管接头与锅筒(壳)、集箱、管道的连接,在以下情况下应当采用全焊透的接头型式:
(1)强度计算要求全焊透的加强结构型式;
(2)A级高压及以上(含高压、下同)锅炉管接头外径大于76mm时;
(3)A级锅炉集中下降管管接头;
(4)下降管或者其管接头与集箱连接时(外径小于或者等于108mm,并且采用插入式结构的下降管除外)。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.7.3 管接头与锅筒(锅壳)、集箱、管道的连接
管接头与锅筒(锅壳)、集箱、管道的连接,在以下情况下应当采用全焊透的接头型式:
(1)强度计算中,开孔需要以管接头进行强度补强时;
(2)A级高压及以上锅炉管接头外径大于76mm时;
(3)A级锅炉集中下降管管接头;
(4)下降管或者其管接头与集箱连接时(外径小于或者等于108mm,且采用插入式结构的下降管除外)。
●条款解释:本条款是对管子(管接头)与筒体和集箱连接结构形式的规定。
(1)强度计算标准规定,管接头可以用作对筒体和集箱的开孔补强,但对管接头与筒体和集箱的连接型式有一定要求,即强度计算标准所称的孔的补强结构型式,并附有详图予以说明,这也就是本条款所要求采用的全焊透接头型式。管接头采用全焊透结构,有利于管接头与筒体连接成一个整体。
锅炉设计时特意将管接头实际取用壁厚较多地大于强度计算结果所需壁厚,两者之壁厚差,即满足强度计算所需壁厚之外多余的壁厚,按强度计算标准规定,可视同为缩小了管接头在筒体上的开孔直径,因此可以适当减小筒体壁厚,强度计算标准将这种情况称之为管接头开孔补强。
对于非补强用的管接头,其角焊缝按JB/T 6734《锅炉角焊缝强度计算方法》进行强度验算合格即可,并不强求管接头和筒体开孔一定要采用补强结构型式,即不强求采用全焊透结构型式。
本条款对原条款文字作了调整,将“(1)强度计算中,开孔需以管接头进行强度补强时”改写为“(1)强度计算要求全焊透的加强结构型式”。
(2)对于A级高压及以上锅炉,要求外径大于76mm的管接头采用全焊透的接头型式。对于集箱上成排密集排列的外径小于或等于76mm的小直径管接头,若要求采用全焊透的接头型式,无论采用手工氩弧焊或内孔自动氩弧焊,现有的装备和技术能力均难以完全满足要求。
20世纪90年代以来,A级高压及以上电站锅炉在我国开始大量生产,由于当时焊接水平和工艺控制等问题,曾经出现集箱管接头泄漏现象。为此1996版《蒸汽锅炉安全技术监察规程》在要求在管端开全焊透坡口,以利焊透,同时考虑到受热面集箱采用了长管接头结构时管接头如果开了坡口将无法定位施焊,因此,特意强调了“长管接头除外”。经过多年的生产实践,现在我国这个问题已经得到了有效的解决,一些新结构(也包括当时提到长管接头在内)虽不属于全焊透结构形式,但只要加强焊接工艺保障仍然可以保证焊接质量。此外国际上ASME规范和欧洲标准并不强求必须采用全焊透的接头型式。
基于上述实际情况,原2012版《锅规》制定时,就将1996 版《蒸规》相应的条款修改为要求外径大于76mm的管接头采用全焊透的接头型式。不再对所有小管径焊接提出要求。本条款保留了原《锅规》条款的这项规定。
(3)A级锅炉下降管是极为重要的受压部件,并且其外径都较大,也便于对其实施全焊透。因此,下降管管接头与锅筒、集箱连接的接头型式应当采用全焊透的接头型式。
(4)对于低压锅炉,下降管与锅筒的连接,一般采用插入式,可以进行双面焊接。对于集箱,当采用插入式时无法进行双面焊接,所以要求在集箱上开全焊透型坡口。当下降管的外径小于或者等于108mm时,如采用插入式,由于管径较小,在集箱上可不开全焊透型坡口,实践证明,这样也是安全可靠的。在任何情况下,当下降管与集箱采用骑座式连接时,必须采用全焊透的接头型式。
3.7.4 小管径管接头
A级锅炉外径小于32mm的排气、疏水、排污和取样管等管接头与锅筒、集箱、管道相连接时,应当采用厚壁管接头。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.7.4 小管径管接头
A级锅炉外径小于32mm的排气、疏水、排污和取样管等管接头与锅筒(锅壳)、集箱、管道相连接时,应当采用厚壁管接头。
●条款解释:本条款是对非受热面小口径管接头结构的规定。
A级锅炉外径小于32mm的排气、疏水、排污和取样管等管接头,因其管径较小,强度计算所需壁厚较薄,刚性较差,且大多单独处于筒体或集箱的某一位置,在制造、运输及安装过程中稍有不慎就容易发生碰撞变形。此外,由于此类小口径管子管线较长,柔性很大,致使锅炉运行时管线频繁振动,很容易造成管接头根部疲劳损坏。为了避免锅炉运行时发生此类事故,因此在锅炉设计时,需要采用厚壁(相对于强度计算所需壁厚而言)管接头以提高其刚性。
本条款将原条款“……管接头与锅筒(锅壳)……”括号里的“锅壳”两字删除,因为锅壳式锅炉没有此类问题发生。
3.8 管孔布置
3.8.1 胀接管孔
(1)胀接管孔间的净距离应当不小于19mm;
(2)胀接管孔中心与焊缝边缘以及管板扳边起点的距离应当不小于0.8d(d为管孔直径),并且不小于0.5d+12mm;
(3)胀接管孔不应当开在锅筒筒体的纵向焊缝上,并且避免开在环向焊缝上;对于环向焊缝,如果结构设计不能够避免,在管孔周围60mm(如果管孔直径大于60mm,则取孔径值)范围内的焊缝经过射线或者超声检测合格,并且焊缝在管孔边缘上不存在夹渣缺陷,对开孔部位的焊缝内外表面进行磨平且将受压元件整体热处理后,可以在环向焊缝上开胀接管孔。
3.8.2 焊接管孔
集中下降管的管孔不应当开在焊缝及其热影响区上,其他焊接管孔也应当避免开在焊缝及其热影响区上。如果结构设计不能够避免,在管孔周围60mm(如果管孔直径大于60mm,则取孔径值)范围内的焊缝经过射线或者超声检测合格,并且焊缝在管孔边缘上不存在夹渣缺陷,管接头焊后经过热处理(额定出水温度小于120℃的热水锅炉除外)消除应力的情况下,可以在焊缝及其热影响区上开焊接管孔。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.8 管孔布置
3.8 管孔布置
3.8.1 胀接管孔
(1)胀接管孔间的净距离不小于19mm;
(2)胀接管孔中心与焊缝边缘以及管板扳边起点的距离不小于0.8d(d为管孔直径, mm),并且不小于0.5d+12mm;
(3)胀接管孔不应当开在锅筒筒体的纵向焊缝上,同时亦应当避免开在环向焊缝上。对于环向焊缝,如果结构设计不能够避免时,在管孔周围60mm(若管孔直径大于60mm,则取孔径值)范围内的焊缝经过射线或者超声检测合格,并且焊缝在管孔边缘上不存在夹渣缺陷,对开孔部位的焊缝内外表面进行磨平且将受压部件整体热处理后,方可在环向焊缝上开胀接管孔。
3.8.2 焊接管孔
集中下降管的管孔不应当开在焊缝上。其他焊接管孔亦应当避免开在焊缝及其热影响区上。如果结构设计不能够避免时,在管孔周围60mm(若管孔直径大于60mm,则取孔径值)范围内的焊缝经过射线或者超声检测合格,并且焊缝在管孔边缘上不存在夹渣缺陷,管接头焊后经过热处理消除应力的情况下,方可在焊缝及其热影响区上开焊接管孔。
●条款解释:本条款是对管孔布置的规定。
1.胀接管孔的布置
(1)胀接管孔间的净距离应当不小于19mm,主要考虑两个胀接管孔之间保持足够的距离,防止胀接相邻两孔之间残余应力互相干扰,影响胀接质量,19mm是经验数值。1996版《蒸汽锅炉安全技术监察规程》第124条的规定是“胀接管孔间的距离不小于19mm”。由于“孔间的距离”没有明确是指孔中心之间距还是孔边缘之间距,因此原条款特意明确是“孔间的净距离”。本条款基本保留了原条款的内容,仅在“不小于19mm”之前增加了“应当”两字。
(2)胀接管孔中心与焊缝边缘、管板扳边起点要有一定的距离,可避免胀接形成的残余应力与焊缝、管板扳边起点处因焊接或加工所引起的附加应力叠加。胀接是利用在胀接过程中形成的径向残余应力而将管子与筒体(管板)牢牢固定,如果径向残余应力与其他附加应力叠加,就可能影响胀接质量。胀接管孔与焊缝边缘留有一定距离,也是为了避开焊缝热影响区。距离不小于0.8d且不小于0.5d+12mm是我国锅炉行业多年来行之有效的经验数值。本条款基本保留了原条款的内容,仅在“不小于0.8d”之前增加了“应当”两字。同时还删除了“(d为管孔直径,mm)”括号里的单位“mm”。
(3)原则上不主张在筒体环焊缝上开胀接管孔,如果结构设计无法避免,由于筒体工作时环焊缝应力远小于纵焊缝应力,所以允许在一定条件下可以在环焊缝上开胀接管孔。
这条规定起源于北京巴威公司引进FM锅炉(双锅筒纵置D形布置)技术。由于该锅炉后部布置有大量的受热面管子,这种结构条件下,无论从设计到实际工艺,都无法避免焊缝上开胀接管孔。当时按照引进技术的工艺要求,进行了相应的试验验证,证明是可行的,因此,1996版《蒸汽锅炉安全技术监察规程》增加了焊缝上开胀接管孔的内容,同时提出了相应的附加条件。原《锅规》修订时增加了在开孔前对胀接管孔周围进行无损检测时,也可以采用超声检测的方法。主要是考虑超声检测技术水平已经有了大幅度提高,只要能达到相应的检测目的,采用射线和超声检测都是可行的。考虑到焊接和胀接应力的叠加,所以原条款规定需要在环焊缝上开胀接管孔时,应将筒体进行整体热处理。
本条款基本保持了原条款(3)的内容,仅将文字“同时亦应当”修改为“并且”,文字叙述更加流畅。
2.焊接管孔的布置。
(1)集中下降管是锅炉重要的承压部件,其管孔直径较大,开在焊缝上,容易造成安全隐患,并且在设计、制订工艺时,集中下降管避开焊缝及其热影响区布置也是完全可行的。因此本条款规定集中下降管的管孔不得开在焊缝及其热影响区上。同理,其他焊接管孔也应当避免开在焊缝及其热影响区上。
本条款在原条款“集中下降管的管孔不应当开在焊缝”这段文字之后又补充了“及其热影响区”上,显然是很有必要,解决了原条款的疏漏问题。
(2)在受压部件上开孔,致使筒体结构的连续性遭到破坏,在孔边产生应力集中,同时,筒体上开孔也削弱了其承载能力。焊缝是受压元件的薄弱部位,如在焊缝上开焊接管孔,除了焊缝本身存在的残余应力外,又新增了管接头的焊接附加应力,残余应力两者叠加,不利于筒体的安全使用。由于焊缝热影响区金属晶粒变粗,力学性能和塑性可能会低于母材,焊接管孔当然也应该避免开在焊缝热影响区上。
(3)如果由于结构限制,焊缝上需要开设焊接管孔,应当保证管孔周围焊缝无缺陷且焊后要进行消除应力的热处理。具体的技术要求主要是参照了ISO/R831的相关规定。
本条款基本保留了原条款的内容,但在要求管接头焊后热处理的规定后面,增加了括号内容,即“额定出水温度低于120℃的热水锅炉除外”。原《锅规》之前的《热水锅炉安全技术监察规程》关于管接头焊后热处理的要求,就是将额定出水温度低于120℃的热水锅炉除外的。原《锅规》制定时,参考了《热水锅炉安全技术监察规程》这项规定,但却删除了“额定出水温度低于120℃的热水锅炉除外”这段文字。原《锅规》颁布执行后,有关锅炉企业对此反映强烈,认为对于低温热水锅炉没有必要如此严格要求管接头焊后热处理。多年来的实践证明,按照原《热水锅炉安全技术监察规程》的规定执行,锅炉运行也是安全可靠的。因此,本条款又恢复了原《热水锅炉安全技术监察规程》将额定出水温度低于120℃的热水锅炉除外的规定。
3.9 焊缝布置
3.9.1 锅筒(壳)、炉胆等对接焊缝
锅筒(筒体壁厚不相等的除外)、锅壳和炉胆上相邻两筒节的纵向焊缝,以及封头(管板)、炉胆顶或者下脚圈的拼接焊缝与相邻筒节的纵向焊缝,都不应当彼此相连,其焊缝中心线间距离(外圆弧长)至少为较厚钢板厚度的3倍,并且不小于100mm。
● 条款说明:保留条款。但是将原条款3.9.1标题名称由“相邻主焊缝”更改为“锅筒(壳)、炉胆等焊缝”。
● 原《锅规》:3.9 焊缝布置、3.9.1 相邻主焊缝(略)
●条款解释:此条款是对相邻两个筒节纵向焊缝以及纵向焊缝与其相邻的拼接焊缝相互位置的要求。
(1)相邻两个筒节的纵向焊缝以及封头、管板等的拼接焊缝与相邻筒节的纵向焊缝不能彼此相连,因为焊接时要在相连处焊接起弧或收弧,不易保证焊接质量。若对接处存在较大的尺寸偏差,也将会形成应力集中,不利于筒体安全运行。
(2)若采用不等壁厚的锅筒,相邻两个筒节的纵向焊缝必然相连。一般锅炉的锅筒基本上都是等壁厚的。强度计算设计时,按照筒体开孔减弱最大之处,计算出局部区域满足强度计算所需的壁厚,以此作为整个锅筒的壁厚。显然,对于锅筒大部分区域而言,并不需要这样的厚度,可以更薄一些。一般锅筒大量开孔均处于下半部,因此锅筒下半部取用壁厚可以比锅筒上半部壁厚更大一些。对于高参数、大容量锅炉而言,如采用不等厚锅筒,则可更加科学合理地使用材料,降低钢材耗量,节省锅炉制造成本。由于不等厚相邻筒节的纵向焊缝无法错开,必然彼此相连,因此对不等厚相邻筒节不可能要求纵向焊缝相互错开。
本条款对原条款“……不应彼此相连。其焊缝中心线……”中的句号改为逗号,仅此而已。因此,仍将此条款称作了保留条款。
3.9.2 受热面管子及管道对接焊缝
3.9.2.1 对接焊缝中心线间的距离
锅炉受热面管子(异种钢接头除外)以及管道直段上,对接焊缝中心线间的距离(L)应当符合以下要求:
(1)外径小于159mm时,L≥2倍外径;
(2)外径大于或者等于159mm时,L≥300mm。
当锅炉结构无法满足(1)、(2)的要求时,对接焊缝的热影响区不应当重合,并且L≥50mm。
3.9.2.2 对接焊缝
(1)受热面管子及管道(盘管及成型管件除外)对接焊缝应当位于管子直段上;
(2)受热面管子的对接焊缝中心线至锅筒(壳)及集箱外壁、管子弯曲起点、管子支吊架边缘的距离至少为50mm,对于A级锅炉此距离至少为70mm(异种钢接头除外);管道此距离应当不小于100mm。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.9.2 锅炉受热面管子及管道对接焊缝
3.9.2.1 对接焊缝中心线间的距离(保留条款,略)
3.9.2.2 对接焊缝位置(修改条款)
(1)受热面管子及管道(盘管及成型管件除外)对接焊缝应当位于管子直段上;
(2)受热面管子的对接焊缝中心线至锅筒(锅壳)及集箱外壁、管子弯曲起点、管子支、吊架边缘的距离至少为50mm,对于A级锅炉距离至少为70mm;对于管道距离应当不小于100mm。
●条款解释:此两条款是对管件的对接焊缝布置的规定。
1.对接焊缝中心线间的距离的规定主要是为了避免焊后热应力叠加。原《锅规》之前有关规程规定“锅炉受热面管子直段上,对接焊缝间的距离应不小于150mm”,未涉及管道。原《锅规》制定时,将管道直段上对接焊缝间的距离也纳入其中。原《锅规》之前有关规程未考虑管子外径大小而笼统规定了应不小于150mm,也是欠妥的。原条款以管子外径159mm为界,结合锅炉制造时管子(管道)直段拼接实际情况,作出了规定,(1)外径小于159mm,L≥2倍外径;(2)外径大于或者等于159mm,L≥300mm。本条款保留了原条款的规定。
A级高压以上锅炉由于锅炉结构的原因,难以满足原条款以管子外径159mm为界所规定的对接焊缝中心线间的距离要求,所以原条款参照之前有关规程关于对接焊缝位置的要求,提出了“当锅炉结构难以满足本条(1)、(2)要求时,对接焊缝的热影响区不应当重合,并且L≥50mm”。此外,进入21世纪以来,我国超临界、超超临界电站锅炉陆续投入运行,这些锅炉的过热器、再热器管组和集箱连接时,有些耐高温高压的奥氏体合金钢异种钢接头因结构需要以及空间位置的限制,无论如何其长度也满足不了L≥50mm的要求。因此,原条款在涉及受热面管子对接焊缝中心线间的距离要求时,特意强调了“异种钢接头除外”,本条款也保留了此项规定。
2.受热面管子及管道(盘管及成型管件除外)对接焊缝应当位于管子直段上,显然也是为了尽可能避免对接焊缝热影响区应力和管子(管道)加工所致的弯曲应力相互叠加。由于盘管及成型管件本身弯头就没有直段或直段很短,难于满足此项规定,所以将盘管及成型管件除外。
3.在管子弯曲起点附近残留有附加的弯曲加工应力,在管件的支、吊架边缘存在着局部膜应力,锅筒、集箱的外壁上开孔边缘也会存在因焊接管接头而产生的焊后热应力。管件对接焊缝中心与这些部位离开一段距离,就是为了防止多种应力的相互叠加。本条款虽然保留了原条款“3.9.2.2对接焊缝位置(2)”的内容,但增加了括号内容“异种钢接头除外”,以便与3.9.2.1对接焊缝中心线间的距离所规定的“异种钢接头除外”保持一致。同时对原条款个别文字作了修改,如:“当锅炉结构难以满足本条(1)、(2)要求时”句中的“本条”修改为“前款”;“锅筒(锅壳)”修改为“锅筒(壳)”;“对于A级锅炉距离”修改为“对于A级锅炉此距离”;“对于管道距离”修改为“对于管道此距离”,用词更加严谨。
3.9.3 其他要求
受压元件主焊缝及其邻近区域应当避免焊接附件。如果不能够避免,则附件的焊缝可以穿过对接焊缝,而且不应当在对接焊缝及其邻近区域终止。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.9.3 受压元件主要焊缝
受压元件主要焊缝及其邻近区域应当避免焊接附件。如果不能够避免,则焊接附件的焊缝可以穿过主要焊缝,而不应当在主要焊缝及其邻近区域终止。
●条款解释:本条款是对主要受压元件的对接焊缝及其邻近区域焊接零件的规定。
1.主要受压元件的对接焊缝,它的应力状况与受压元件的安全密切相关。对接焊缝焊后将产生焊接残余应力,如在这些对接焊缝上再施焊其他零件,将会产生应力叠加,对接焊缝的安全性可能会受到影响。
2.如果焊接附件的焊缝终止于主要受压元件对接焊缝处,由于焊接起弧或收弧处,易产生焊接缺陷,加之焊接应力重叠,不利于保证焊接质量。因此,本条款规定,在主要受压元件的对接焊缝及其邻近区域焊接附件不能避免时,附件焊缝要穿过对接焊缝,而不要在对接焊缝处终止。
本规程基本保留了原条款的内容,将原条款“3.9.3 受压元件主要焊缝”修改为“3.9.3其他焊缝”,条款标题更加贴近条款内容。同时将原条款中的“主要焊缝”修改为“对接焊缝”,表达更为清晰明确。
3.10 扳边元件直段长度
除了球形封头以外,扳边的元件(例如封头、管板、炉胆顶等)与圆筒形元件对接焊接时,扳边弯曲起点至焊缝中心线均应当有一定的直段距离。扳边元件直段长度应当符合表3-2的要求。
表3-2 扳边元件直段长度
● 条款说明:保留条款。
● 原《锅规》:3.10扳边元件直段长度(略)
●条款解释:本条款是对扳边元件与圆筒形元件连接时,扳边直段长度的规定。
除了球形封头以外,扳边的元件(例如封头、管板、炉胆顶等)与圆筒形元件对接焊接时,扳边弯曲起点至焊缝中心线均应当有一定的直段距离,以利于扳边元件与筒体的焊接连接。
1.国外主要国家和地区标准的相关规定
(1)美国2007版ASME卷Ⅰ《动力锅炉建造规则》
PW篇《焊接制造锅炉的要求》中关于“设计”部分PW-13“封头扳边直段的要求”规定如下:
除了球形封头以外,其他凹面受压对接焊接的凸形封头、用角焊缝连接的扳边封头或炉胆的扳边连接件,均应有一直段。当封头外径或炉胆连接件的孔径不大于24in(约600mm)时,直段的长度不小于1in(约25mm);大于24in(约600mm)时,不小于1.5in(约38mm)。
(2)欧洲标准EN12952-3:2001(E)
欧洲标准对准球形封头及半椭球形封头均规定了封头扳边直段大于等于50mm,并对封头的一些几何尺寸作出了限制。
(3)联邦德国国家标准《蒸汽锅炉技术规程》(1986年)
联邦德国国家标准《蒸汽锅炉技术规程》(1986年)对封头扳边直段规定尺寸较大,具体规定如下:
蝶形封头的圆筒形裙边的高度必须大于等于3.5Sk,对椭圆形封头则必须大于等于3.0Sk,但不需超过释表3-1所给定的尺寸(Sk为凸形封头扳边处无附加量时的要求壁厚)。
释表3-1 裙边高度hB与壁厚Sk的关系
主要受静内压载荷时,裙边高度可以稍短,但相连接焊缝应经过无损检测,打磨至无缺口,并满足焊缝系数VN=1的要求。不要求进行焊接试板检验。
半球形封头不需要带圆筒形裙边。
2.薄壁圆筒端部的边界效应
(1)薄壁圆筒
国内外锅炉圆筒形受压件的强度计算公式均是建立在薄壁圆筒的假设基础之上推导出的,即假设环向及纵向应力都是沿壁厚均匀分布,且径向力为零。
因此,锅炉锅筒等圆筒形受压件均属薄壁圆筒的范畴,实际设计时通过对筒体外径与内径比值β的限制,使锅筒等圆筒形受压元件符合薄壁圆筒几何尺寸的要求。不同国家的相关标准对于锅炉不同的圆筒形受压元件,根据它的重要性及实际工作条件对其β值都规定了不同的限制,如我国规定锅筒β≤1.2;水、汽水混合物或饱和蒸汽集箱β≤1.5;过热蒸汽集箱β≤2.0;管子或管道β≤2.0等等。
总之,锅炉锅筒等受压元件均属于薄壁圆筒。
(2)薄壁圆筒端部作用力偶及剪力时的边界效应
薄壁圆筒在端部作用力偶或剪力时,它们的影响只是在端部较大,离端部稍远处就会很快地衰减。一般将这种内力很快衰减的分布规律称为圆筒体的“边界效应”。
3.封头起弯点处局部弯曲应力及直段的边界效应
经计算分析可知,带有直段的扳边元件如封头与圆筒形的元件焊接后,工作时在介质内压作用下,筒体在封头起弯点处要向外发生位移,而与此相反,封头在起弯点处则要向内发生位移,但此处的实际位移应该是连续变化的。为了保持位移的连续性,在封头扳边起弯点处将产生附加弯矩和附加剪力。由上述薄壁圆筒端部作用力偶及剪力时的边界效应问题分析可知,这种附加弯矩和附加剪力将在以封头起弯点为起始点的筒体端部一段范围内产生很大的附加弯曲应力,这一附加弯曲应力要比内压作用下产生的膜应力大得多。
经分析计算,对于平封头(平管板),最大弯曲应力发生在扳边起点处;对于标准椭圆球形封头,最大弯曲应力则发生在距扳边起点0.433处。Dp为扳边元件平均直径,S为扳边元件壁厚。
由上述分析结果可知,扳边元件直段长度选择不当时,如直段长度等于或接近计算值,将会使扳边元件和圆筒形元件对接焊缝处于最高应力区,形成焊接残余应力与上述边界效应产生的局部弯曲应力的叠加。
4.扳边元件直段长度
(1) 留有直段以便于加工、装配和无损检测
除球形封头外,其他扳边元件一般都要留有一定长度的直段,这也是便于加工装配和无损检测的需要。对于椭球形封头,如果仅从焊缝中心线远离最大弯曲应力区考虑,根据上述薄壁圆筒端部作用力偶及剪力时的边界效应问题分析结果,直段长度取大于最好,焊缝处附加弯曲应力等于零。但过长的直段将给扳边元件的加工带来一定困难,显然无此必要。
(2)直段长度应避开边界效应最大弯曲应力发生的区域
由上述可知,直段长度取大于最好,这样焊缝处附加弯曲应力等于零。但是,直段长度太大将会给扳边元件的加工制造造成很大的困难。比较实际的作法应是将直段长度避开边界效应最大弯曲应力发生的区域。
由力学计算分析可知,椭球形封头起弯点到最大弯曲应力区的距离为。由此式可以看出,最大弯曲应力发生的位置不但与壁厚有关,而且也与扳边元件平均直径有关。
5.不同标准对封头直段长度规定的比较
(1) 1996版《蒸汽锅炉安全技术监察规程》
1996版《蒸汽锅炉安全技术监察规程》先将扳边元件厚度S分为四类,然后再根据扳边元件厚度S分别计算出相应的扳边直段长度L。
扳边元件厚度S≤10mm,L≥25mm。由取不同Dp计算结果可知,在Dp比较小时,如Dp=600mm及以下,25与算出来的值非常接近。
扳边元件厚度10<S≤20,L≥S+25。由取不同Dp计算结果可知,在Dp比较小时,如Dp=300,L≥S+25计算值与在各种厚度下都非常接近。
扳边元件厚度20mm<S≤50mm,L≥0.5S+25。由取不同Dp计算结果可知,在Dp比较小时,如Dp=300mm,L≥0.5S+25计算与计算值在各种厚度下也都非常接近。但在实际生产中,厚度S超过20mm以上而且直径在300mm左右的扳边元件是不太多的。
扳边元件厚度S>50mm,L≥50mm,对于锅炉包括超高参数的电站锅炉,壁厚超过50mm而直径又小于600mm的受压件是很少有的。此时按计算出的直段数值都较大,规定L≥50mm是无问题的。
(2) 美国ASME
当封头的外径或炉胆连接件的孔径不大于24in(约600mm)时,直段的长度不小于1in(约25mm);大于24in(约600mm)时,直段的长度不小于1.5in(约38mm)。对照表3-1可知,在Dp=600mm及以下时,尤其是在扳边元件厚度S=20mm及以下时,ASME关于扳边元件直段长度的规定与1996版《蒸汽锅炉安全技术监察规程》相比,可以更多地避免与相接近。
在Dp>600mm时,ASME规定扳边元件直段L≥38mm。此时在不同壁厚范围内都可避免直段长度与相接近的问题。
(3) 欧洲标准EN12952-3:2001(E)
欧洲标准不区分封头直径和壁厚大小,将封头直段长度一律规定为等于或大于50mm,的确比较简单,但对于直径和壁厚较小的封头,此直段长度又嫌较大了一些,封头的加工制造难度增加。
(4) 原联邦德国国家标准
原联邦德国国家标准《蒸汽锅炉技术规程》(TRD)关于扳边元件直段长度的规定显然比较保守,直段长度过长了。也许考虑尽可能将此长度超出前述之边界效应的影响范围,这样虽然可有效避免了与计算值相接近,但过长的直段会给封头的加工制造带来麻烦。
6.扳边元件直段长度的规定
美国ASME相对于1996版《蒸汽锅炉安全技术监察规程》而言,关于扳边元件直段长度的规定更加简单明了,而且可以更多地避免直段长度与计算值相接近问题。用筒体直径大于或不大于600mm一个数值来作为扳边元件直段长度的分界点,更客观也更直观。因为筒体直径一般远大于筒体壁厚,筒体直径对于计算值的影响更大,可见ASME的封头直段长度规定已经能考虑了筒体端部边界效应问题。我国引进大量国外技术都是按照ASME规范生产的,多年实践证明也是安全的。因此在2012版《锅规》制定时吸纳借鉴了ASME的有关规定。
本条款保留了原《锅规》条款3.10扳边元件直段长度的内容。
3.11 套管
B级以上(含B级)蒸汽锅炉,凡能够引起锅筒(壳)壁或者集箱壁局部热疲劳的连接管(如给水管、减温水管等),在穿过锅筒(壳)壁或者集箱壁处应当加装套管。
● 条款说明:保留条款。
● 原《锅规》:3.11 加装套管(略)
●条款解释:本条款是为了防止产生锅筒(壳)壁或集箱壁局部热疲劳,对给水管、减温水管等穿过锅筒(壳)壁或集箱壁处应加装套管所作出的规定。
给水管、减温水管等穿过锅筒(壳)壁或集箱壁处,由于管内水温和锅筒(壳)壁或集箱壁的壁温存在较大温差,将会因产生温差应力而引起热疲劳。特别是中、高压锅炉的锅筒或减温器集箱其壁厚较厚,如果给水或减温水的水温与壁温温差较大,在给水管孔处或喷水管孔处将产生较大的温差应力,锅炉长期运行后将可能在管孔四周产生辐射状的疲劳裂纹。给水管或减温水管加装保护套管之后,由于给水管或减温水管与锅筒壁或减温器集箱壁不直接接触,避免了温差应力的发生,从而也就有效防止和避免了锅筒或减温器集箱管孔四周出现疲劳裂纹,确保锅炉安全运行。
本条款基本保留了原条款的相关规定,仅作了一些文字上的修改。如:原条款“3.11加装套管”改写为“3.11套管”;“B级及以上蒸汽锅炉”改写为“B级以上(含B级)蒸汽锅炉”;“锅筒(锅壳)”改写为“锅筒(壳)”等,用语更加规范。
3.12 定期排污管
(1)锅炉定期排污管口不应当高出锅筒(壳)或者集箱内壁的最低表面;
(2)小孔式排污管用作定期排污时,小孔应当开在排污管下部,并且贴近筒体底部。
● 条款说明:保留条款。
● 原《锅规》:3.12 定期排污管(略)
●条款解释:本条款是对排污管口位置的规定。
锅炉排污的目的,是排掉含盐浓度较高的锅水以及锅水中的腐蚀物及沉淀物,使锅水含盐量维持在规定的范围之内,以防范、减小锅水的膨胀及出现泡沫层,从而可降低蒸汽湿度及含盐量,保证良好的蒸汽品质。同时,排污还可避免或减轻蒸发受热面管内结垢。锅炉定期排污又叫间断排污或底部排污,定期排污是每隔一定时间排放一次,其主要作用是排除积聚在锅筒下部的、因加入锅筒的磷酸盐药剂与锅水中的钙、镁离子生成的水渣,当然也带出溶于锅水中的盐分。为了最大限度地排出炉水杂质,定期排污的排放位置当然应该是沉淀水渣较多的锅筒(壳)的最低部位,排污口就应设置在锅筒(壳)或集箱的内壁最低表面。电站锅炉的定期排污大多从水冷壁下集箱排放。定期排污持续时间很短,但排出锅筒内沉淀物的能力很强。
本规程对原《锅规》条款仅作了个别文字修改,如:“锅筒”改写为“锅筒(壳)”,“集箱的内壁”改写为“集箱内壁的”。
3.13 紧急放水装置
电站锅炉锅筒应当设置紧急放水装置,放水管口应当高于最低安全水位。
● 条款说明:保留条款
● 原《锅规》:3.13 紧急放水装置(略)
●条款解释:本条款是对锅筒设置紧急放水装置的规定。
锅筒设置紧急放水装置的目的是一旦锅筒发生满水事故,可迅速降低锅筒水位,以保证蒸汽品质。电站锅炉所用的蒸汽均为过热蒸汽,锅筒满水后将会使饱和蒸汽的干度下降,湿度过大的饱和蒸汽进入过热器后继续蒸发,将会造成过热器内壁结垢,影响过热器的传热和使用寿命。同时也会影响过热蒸汽品质,进而影响到汽轮机的安全运行。紧急放水管口应当高于最低安全水位,主要是为了避免在紧急放水时造成水位降低到最低安全水位之下。但是紧急放水管口也不应高于正常水位,如紧急放水管口接在正常水位之上,当汽水共腾时,不易将水迅速放出。
3.14 水(介)质要求、取样装置和反冲洗系统的设置
应当根据锅炉结构、运行参数、蒸汽质量要求等因素,明确水(介)质标准及质量指标要求。取样点的设置应当保证所取样品具有代表性。取样器和反冲洗系统设置要求如下:
(1)A级锅炉的省煤器进口(或者给水泵出口)、锅筒、饱和蒸汽引出管、过热器、再热器、凝结水泵出口等应当设置水汽取样装置;
(2)A级锅炉的过热器一般需要设置反冲洗用接口,反冲洗的介质也可以通过主汽阀前疏水管路引入;
(3)B、C级蒸汽锅炉给水泵出口和蒸汽冷凝回水系统应当设置取样装置,锅水(直流锅炉除外)和热力除氧器出水应当设置具有冷却功能的取样装置,对蒸汽质量有要求时,应当设置蒸汽取样装置;热水锅炉应当在循环泵出口设置锅水取样装置。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.14 水汽取样器和反冲洗系统的设置
锅炉应当按照以下情况配置水汽取样器和反冲洗系统,并且在锅炉设计时,选择有代表性位置设置取样点:
(1)A级直流锅炉的给水泵出口设置给水取样点;
(2)A级锅炉的省煤器进口、锅筒、饱和蒸汽引出管、过热器、再热器等部位,配置水汽取样器;
(3)A级锅炉的过热器一般需要设置反冲洗系统,反冲洗的介质也可以通过主汽阀前疏水管路引入;
(4)B、C级锅炉需要配置锅水取样器,对蒸汽质量有要求时,设置蒸汽取样器。
●条款解释:本条款是对水(介)质的要求及设置水、汽取样器和反冲洗系统的规定。
1.本条款在原条款的基础上作了补充修改,补充了“应当根据锅炉结构、运行参数、蒸汽质量要求等因素,明确水(介)质标准及质量指标要求。”的规定。
为满足锅炉安全运行、节能等有关要求,必须要对水(介)质的质量有所要求。本规程前言指出,本规程的制定是以现有的《锅炉安全技术监察规程》、《锅炉化学清洗规则》、《锅炉水(介)质处理监督管理规则》、《锅炉水(介)质处理检验规则》等九个规范为基础,整合形成了关于锅炉的综合技术规范,即本规程。因此,本条款新增了关于水(介质)方面的内容。原则上强调了在锅炉设计、运行时应当明确水(介)质标准及质量指标要求。
本规程第3章是对锅炉设计作出规定。锅炉设计包含性能设计和结构设计两个方面的内容,因此要求锅炉制造单位和管道系统设计单位设计时必须要求设置水汽取样点,以保证锅炉运行时的水汽质量监控。
现行锅炉水(介质)质量要求及质量指标的相关标准如下:
额定工作压力低于3.8MPa的蒸汽锅炉和热水锅炉,水质应当符合GB/T 1576《工业锅炉水质》标准。
额定工作压力高于等于3.8MPa的A级锅炉,水汽质量应符合GB/T 12145《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》标准。
有机热载体锅炉介质应符合GB/T 24747《有机热载体安全技术条件》标准。
有时虽然锅炉参数相同,但有可能因锅炉结构、用途等某些因素影响,锅炉所需控制的水(介质)汽质量有所不同。因此锅炉设计应当根据锅炉结构、运行参数、蒸汽质量要求等因素,明确水(介)质标准及质量指标要求。
有的锅炉对水汽(介质)质量另有要求时,应当在设计资料中明确提出。例如GB/T 1576《工业锅炉水质》标准允许工作压力低于等于1.0MPa的自然循环锅炉采用锅内水处理。但有些结构的锅炉采用锅内水处理很容易结垢,需要采用锅外水处理。有的不用作发电的A级无过热器锅炉对蒸汽质量要求不高(例如油田注水用小型直流锅炉,工作压力可达9.8MPa或更高),其水汽质量没有必要而且也难以达到GB/T 12145标准的要求,锅炉设计时可根据锅炉结构和用途,有针对性地提出具体的水汽质量指标要求。
2.锅炉水汽取样装置的合理设置是保证水汽样品具有代表性及检测准确性的重要前提。因此本条款规定了从锅炉给水至热力系统流程各部位取样器的设置要求。
(1)本条款合并和修改了原条款的(1)和(2),并增加了凝结水泵出口设置取样装置的要求。凝结水是锅炉给水的主要来源,通过检测凝结水可以及时发现并处理凝汽系统的腐蚀或泄漏问题,确保给水质量。A级锅炉的水汽取样装置应当符合DL/T 5068《发电厂化学设计规范》的设置要求。水(介质)、蒸汽样品的采集是保证分析结果准确的一个重要步骤,因此需要从锅炉及其热力系统的各个部位取出具有代表性的水(介质)和蒸汽样品。本条款明确指出,A级锅炉的省煤器进口(或者给水泵出口)、锅筒、饱和蒸汽引出管、过热器、再热器、凝结水泵出口等应当设置水汽取样装置。
(2)本条款由原条款的(3)修改而来,仅作了个别文字修改。A级锅炉一般均布置有垂直管圈过热器,其蛇形管底部易堆积沉积物,因此需要对过热器实施反冲洗,为了实施反冲洗,也就需要设置反冲洗接口。本条款将原条款条文中的“反冲洗系统”修改为“反冲洗用接口”,更符合实际情况。
反冲洗的介质也可以通过主汽阀前疏水管路引入,此时过热器就无需设置反冲洗用接口了。
(3)本条款在原条款(4)条文基础上作了补充修改,增加了B、C级锅炉给水泵出口、蒸汽冷凝回水系统应当设置取样装置,要求锅水和热力除氧器出水应当设置具有冷却功能的取样装置。也增加了热水锅炉应当在循环泵出口设置锅水取样装置。之前有些B、C级锅炉给水无取样点,大多取交换器出口的补给水作为给水进行测定,并不能真实反映锅炉给水质量。因此本条款增加了在给水泵出口设置取样点的要求。
蒸汽冷凝水回用具有十分显著的节能节水效果,但如果蒸汽及回水系统管道产生腐蚀或受到污染,将直接影响给水质量。因此,蒸汽冷凝回水系统应当设置取样装置。
工业用直流锅炉没有锅筒和集箱,给水进入螺旋形盘管后随着连续加热而蒸发浓缩,通过汽水分离器分离后的浓缩水,少部分经排污管路而排放,大部分则通过疏水器返回至除氧给水箱,与补给水、蒸汽冷凝返回水一起进入锅炉。所以,除氧给水箱中的给水相当于普通工业锅炉锅筒中的锅水,因此GB/T 1576《工业锅炉水质》标准也对工业用直流锅炉仅规定了给水质量要求,通常在除氧给水箱出口取样,不需另行设置锅水取样器。
有机热载体锅炉的介质取样要求在本规程第10章10.2.4.9条款中作出了规定。
3.15 膨胀指示器
A级锅炉的锅筒和集箱应当设置膨胀指示器。悬吊式锅炉本体设计确定的膨胀中心应当予以固定。
● 条款说明:保留条款。
● 原《锅规》:3.15 膨胀指示器(略)
●条款解释:本条款是对A级锅炉设置膨胀指示器和悬吊式锅炉膨胀中心应予以固定的规定。
1.本规程条款3.4 锅炉结构的基本要求(6),规定了锅炉各部件在运行时应当能够按照设计预定方向自由膨胀,这是对锅炉各部件受热膨胀的原则要求,对于A级锅炉的锅筒和集箱,其膨胀问题仅满足这一要求还远远不够。A级锅炉的锅筒及集箱都是主要受压元件,是否能按设计预定方向自由膨胀,是一个关系到锅炉安全运行的重要问题,装设膨胀指示器可有效显示、监控膨胀方向和膨胀位移量,保证锅炉运行安全。
2.明确了悬吊式锅炉本体设计的膨胀中心应予固定。高参数、大容量电站锅炉的本体基本上均采用悬吊式结构,即整个锅炉本体的荷载通过吊杆悬吊在锅炉顶部几根钢结构的大梁上,然后再通过锅炉钢柱将锅炉荷载传递于地基之上。锅炉的这种悬吊形式,在锅炉运行时保证了锅炉各个部件按照设计预定方向膨胀,即向下和前后左右都能自由膨胀。
(1)锅炉膨胀中心固定后,就明确了锅炉各部件膨胀位移的计算零点。锅炉设计时就可以计算出各种工况下的锅炉部件膨胀方向和膨胀位移量。在此基础上就可以进行受热面和管道系统应力分析和锅炉整体密封设计。锅炉设计时,除按照国家强度计算标准进行强度计算外,还必须进行锅炉整体系统的应力分析,确定系统所有部位的应力状况,以便采取相应措施,保证锅炉运行安全。计算锅炉密封部位的膨胀方向和位移量,也便于锅炉密封设计时采取相应措施,确保锅炉运行时锅炉本体和烟风道各部位密封,避免烟风向炉内外泄漏。
(2)膨胀中心的位置。悬吊式锅炉的膨胀中心是根据各种不同型式的锅炉运行的实际经验加以确定的。这个膨胀中心是人为设置的,而不是锅炉各部分膨胀的自然中心。要确定锅炉的一个自然膨胀中心十分困难,几乎是不可能的。国内外大量锅炉设计资料表明,膨胀中心的位置是根据经验按炉型来确定的。常见的单炉膛П型锅炉,膨胀中心的位置一般设定在炉膛左右侧中心线上、选择在炉膛后水冷壁前方一定距离与炉顶顶棚过热器的交点处。膨胀中心的固定靠设置于锅炉不同标高处钢结构梁柱上的导向或限位装置来实现。
3.16 与管子焊接的扁钢
膜式壁等结构中与管子焊接的扁钢,其膨胀系数应当和管子相近,扁钢宽度的确定应当保证在锅炉运行中不超过其金属材料许用温度,焊缝结构应当保证扁钢有效冷却。
● 条款说明:保留条款。
● 原《锅规》:3.16 与管子焊接的扁钢(略)
●条款解释:本条款是对膜式壁管间扁钢的规定。
1.膜式壁扁钢与管子材料的膨胀系数应相近,可避免扁钢和管子间因相对膨胀量过大而产生的附加应力,防止扁钢与管子焊接处撕裂。
2.扁钢宽度的限制。本规程对扁钢的宽度只是一个原则要求,即锅炉运行时扁钢的各部位的温度不应超过其金属材料许用温度。锅炉运行时,扁钢受到火焰或高温烟气加热后,通过扁钢自身的热传导作用,将热量传导给管壁,再经管壁传送给管内介质。因此,扁钢自身也得到了有效冷却而不至于金属材料过热。扁钢宽度越大,扁钢宽度中心部位因为距离管壁较远而得不到有效冷却,其金属壁温也就更高,有可能超出扁钢金属的许用温度。因此,对于扁钢宽度应有一定的限制。
3.焊缝结构应当保证扁钢有效冷却。如上所述,扁钢受热后,将以热传导方式向管壁传热,从而扁钢自身也就得到了冷却。若扁钢和管子间的连接焊缝有脱焊、虚焊等熔合质量问题或焊缝高度过低,将会直接影响到扁钢和管壁间的热传导,致使扁钢金属壁温升高,得不到有效冷却。因此,本条款要求“焊缝结构应当保证扁钢有效冷却”。
3.17 喷水减温器
(1)喷水减温器的集箱与内衬套之间以及喷水管与集箱之间的固定方式,应当能够保证其相对膨胀,并且能够避免产生共振;
(2)喷水减温器的结构和布置应当便于检修;在减温器或者减温器进(出)口管道上应当设置一个内径不小于80mm的检查孔,检查孔的位置应当便于对减温器内衬套以及喷水管进行内窥镜检查。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.17 喷水减温器
(1)喷水减温器的集箱与内衬套之间以及喷水管与集箱之间的固定方式,应当能够保证其相对膨胀,并且能够避免产生共振;
(2)喷水减温器的结构和布置应当便于检修;应当设置一个内径不小于80mm的检查孔,检查孔的位置应当便于对减温器内衬套以及喷水管进行内窥镜检查。
●条款解释:本条款是对喷水减温器结构布置的规定。
1.减温器集箱与套管、喷水管与集箱的固定方式要保证其相对膨胀。喷水减温这种减温方式是将减温水以雾状喷入减温器内的过热蒸汽中,因减温水的汽化而降低过热蒸汽温度。通过调节喷水量,达到调节过热蒸汽温度的目的。为了防止减温器集箱因喷进相对温度较低的减温水而引起的减温器筒体金属热疲劳,除了减温器喷水管应加装保护套管外,在减温器内还要加装内衬套,以防止相对较冷的减温水直接喷洒到减温器内壁上。无论是喷水减温器的筒体与内衬套,还是筒体与喷水管,由于金属温度不同,受热后膨胀量也不一样,因此它们之间的固定方式要能够使其相对膨胀,以防止产生附加热应力。锅炉运行时,减温器喷水管或喷水头因结构尺寸固有频率等问题,可能导致在蒸汽流中发生共振现象,引发喷水管或喷水头脱落事故,影响锅炉安全运行。因此,本条款要求减温器筒体与内衬套之间以及喷水管与筒体之间的固定方式,要保证其相对膨胀并能够避免产生共振现象。
2.减温器的结构应便于检修。喷水减温器的内衬套因反复接触较冷的喷水而产生热疲劳问题,易发生热疲劳损坏,所以减温器的结构设计应便于更换内衬套。
3.锅炉大量检验案例说明,由于减温器工作条件恶劣,内部元件极易损坏,特别是内部套管和固定装置,时常会出现疲劳裂纹甚至发生断裂。因此,需要在适当位置设置检查孔,以便于使用内窥镜检查喷水减温器内部情况。本条款保留了原条款对检查孔的内径尺寸不小于80mm的要求。由于减温器喷水管及喷头一般都位于减温器端部,其附近很难再有增设检查孔的合适位置,因此,本条款进一步明确了检查孔的设置位置,既可以设置在减温器上,也可以设置在与减温器相连接的进出口管道上。
3.18 锅炉启动时省煤器的保护
设置有省煤器的蒸汽锅炉,应当设置旁通水路、再循环管或者采取其他省煤器启动保护措施。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.18 锅炉启动时省煤器的保护
设置有省煤器的锅炉,应当设置旁通水路、再循环管或者采取其他省煤器启动保护措施。
●条款解释:本条款是锅炉启动时对省煤器保护的规定。
1.省煤器“水击”问题
锅炉启动初期,由于没有向锅炉补充给水,省煤器中的水处于静止状态。随着烟温的逐渐升高,省煤器中的水有可能会产生蒸汽,这些蒸汽以汽泡形式封存在省煤器中,直到锅炉开始供水,汽泡才连同给水一起流入锅筒。
如果在锅炉启动时省煤器有蒸汽产生,在开始给水时可能会使锅筒水位调节滞后。同时,省煤器内的汽泡由于与温度相对较低的给水接触而骤然凝结,形成局部真空,从而产生水击现象,严重时可导致省煤器损坏。
2.锅炉启动时省煤器的保护措施
一些工业锅炉在省煤器进出口之间设置有旁通水路,锅炉启动时切断省煤器与锅筒的联系,省煤器和旁通水路之间形成水的自然循环流动,达到保护省煤器的目的。
还有个别工业锅炉在省煤器烟道进出口间设置有旁通烟道,锅炉启动时打开旁通烟道,原本流经省煤器烟道的烟气经旁通烟道直接短路到省煤器之后的烟道,省煤器烟道没有烟气流通,省煤器自然就得到了保护。
电站锅炉一般在集中下降管或锅筒至省煤器入口集箱之间设置有省煤器再循环管,再循环管与省煤器形成一个自然循环回路。锅炉启动时,省煤器中即使有汽泡产生,汽泡也会因自然循环的存在而随同循环水流进入锅筒,就不会在省煤器中聚集。没有汽泡聚集,开始给水时就不会发生水击现象,省煤器因此而得到保护。
3.防“水击”的重点在于保护铸铁式省煤器
铸铁式省煤器的强度不高,一般只用于工作压力低于2.2MPa的锅炉中。铸铁耐腐蚀性好,常用于给水未经除氧处理的小型锅炉中,使其不至于因省煤器管壁腐蚀而很快损坏。但是,由于铸铁性脆,不能承受冲击,因此在锅炉启动初期,防止水击现象发生从而保护铸铁式省煤器是非常必要的。
4.再热机组电站锅炉不需要装设省煤器再循环管。
再热机组电站锅炉高温高压蒸汽由锅炉高温过热器出口进入汽轮机高压缸作功后,又被引入锅炉再次加热,然后进入汽轮机中压缸再次作功。
锅炉点火启动时,由于汽轮机没有回汽进入到锅炉再热器受热面之中,此时再热器处于干烧状态,金属壁温将会急剧上升,这是不允许的。为此,锅炉炉膛出口装设有烟温探针,严格限制锅炉启动时的炉膛出口烟气温度。亚临界自然循环锅炉启动时炉膛出口烟温一般限定为低于538℃,相当于高温再热器管组材料等级最低的15CrMo合金钢管许可的使用温度。
省煤器布置于锅炉尾部,其烟温远低于高温再热器烟温,锅炉启动时控制了炉膛出口烟温,就不存在所谓避免“烧坏”省煤器的保护问题了。
5.省煤器再循环管对锅炉的不良作用
一般电站锅炉,省煤器再循环管将锅筒和省煤器入口相连通,管路上设置有截止阀,锅炉点火启动时将此阀打开,锅炉启动后再将此阀关闭。也就是说锅炉正常运行时此阀应始终处于关闭状态。
然而,阀门关闭不严而漏流是十分常见的问题。对截止阀而言,即使截止阀处于正常关闭状态也会有一定的漏流量,更不必讲截止阀本身难免处于非正常状态了。锅炉正常运行时,当省煤器再循环管路上的阀门漏流时,一部分给水将会由省煤器入口不经省煤器而由再循环管直接进入锅筒,给水温度相对锅筒内的饱和水温而言是低温“冷水”,直接进入锅筒而危及锅筒的安全,也将干扰锅炉的正常水循环,对于锅炉安全运行显然是不利的。
锅炉实际运行时也发生过一部分“冷水”(给水)不经省煤器而由再循环管直接进入锅筒、导致锅筒内壁出现裂纹的问题。因此,早在20世纪90年代,许多300~600MW亚临界电站锅炉机组陆续取消了省煤器再循环管。实践证明,这样不仅不会损坏省煤器,反而更加有利于锅炉的安全运行。
综上所述,关于锅炉启动时省煤器保护问题,对于中低压锅炉,尤其是装有铸铁式省煤器的锅炉,应当装设旁通水路、旁通烟道或省煤器再循环管。
再热机组电站锅炉,锅炉启动时保护的重点是处于干烧状态的再热器而不是省煤器。装设炉膛出口烟温探针的直接目的虽然是保护再热器,当然也客观上保护了省煤器。尽管省煤器无需保护,若一定要为了“保护”而保护,炉膛出口装设烟温探针也就是本条款所说的“采取其他省煤器启动保护措施”了。
对非再热机组而言,从防止或抵御锅炉启动时可能发生的省煤器水击问题而言,只要选用了钢管式省煤器,也就可以说是从省煤器选材角度已经考虑“采取其他省煤器启动保护措施”了。
对于直流电站锅炉而言,均设置有锅炉启动系统,在锅炉点火启动前就必须不间断地向锅炉供水,而锅炉供水首先要流经省煤器,即省煤器中始终就存在水的流动,根本就不再有所谓的省煤器启动保护问题了。
本条款保留了原条款全部文字内容,仅仅增添了“蒸汽”两个字,将原条款“设置有省煤器的锅炉”修改为“设置有省煤器的蒸汽锅炉”,用词更加严谨。非蒸汽锅炉,也可以有省煤器,但并无本条款所说的锅炉启动时的省煤器保护问题。
3.19 再热器的保护
电站锅炉应当装设蒸汽旁路或者炉膛出口烟温监测等装置,确保再热器在启动及甩负荷时的冷却。
● 条款说明:保留条款。
● 原《锅规》:3.19再热器的保护(略)
●条款解释:本条款是关于再热器保护的规定。
再热器的保护就是防止再热器壁温超温的问题,保证再热器在锅炉启动或甩负荷时不会因壁温超温而损坏,即保证了锅炉安全、经济运行。本条款规定,应当装设蒸汽旁路或者炉膛出口烟温监测等装置,确保再热器在锅炉启动或甩负荷时的冷却,以防止管壁金属超温。
正如上述要求锅炉启动时省煤器保护的条款解释所言,对于再热器,无论是锅炉启动还是汽轮机甩负荷时,都不会有蒸汽从汽轮机抽回进入再热器将其再次加热,此时再热器内没有介质流动,处于干烧状态,有可能造成再热器的损坏。锅炉启动时,由于炉膛出口烟温探针严格限制了炉膛出口烟温,尽管此时再热器处于干烧状态,但仍然是安全的。当汽机甩负荷时,锅炉出口主蒸汽先后流经高压旁路和低压旁路,经再热器排出,再热器因获得了足够的冷却而得到了可靠的保护。
3.20 吹灰及灭火装置
装设油燃烧器的A级锅炉,尾部应当装设可靠的吹灰及空气预热器灭火装置。燃煤粉或者水煤浆锅炉、生物质燃料锅炉以及循环流化床锅炉在炉膛和布置有过热器、再热器和省煤器的对流烟道,应当装设吹灰装置。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.20 吹灰及灭火装置
装设油燃烧器的A级锅炉,尾部应当装设可靠的吹灰及空气预热器灭火装置。燃煤粉或者水煤浆锅炉在炉膛和布置有过热器、再热器的对流烟道,应当装设吹灰装置。
●条款解释:本条款是对设置吹灰及灭火装置的规定。
1.装设油燃烧器的A级锅炉,锅炉尾部应装有空气预热器吹灰与灭火装置。在锅炉启动或调整燃烧时,如果氧气供应不充分或不及时,喷入炉膛内的油雾因燃烧不完全所形成的细小炭黑将被烟气带到尾部空气预热器并粘结在空气预热器上。这些油污如果得不到及时清理,炭黑越积越多,尤其在锅炉启动运行时,将会起火燃烧,烧毁空气预热器。为了防止锅炉尾部发生二次燃烧事故,本条款规定要装设吹灰及灭火装置。装设有点火油枪的煤粉电站锅炉,也应属于装设油燃烧器的锅炉之列,锅炉启动阶段及低负荷投油稳燃时,也会发生油污聚集于尾部空气预热器上的问题。因此,锅炉尾部也应当装有空气预热器吹灰及灭火装置。
2.燃煤粉或者水煤浆锅炉、生物质燃料锅炉以及循环流化床锅炉,在炉膛和布置有过热器、再热器和省煤器的对流烟道应装设吹灰装置。锅炉运行时,炉内水冷壁或布置于对流烟道内的过热器、再热器、省煤器上会出现结焦或沾污积灰现象,导致水冷壁、过热器、再热器和省煤器传热恶化。为了保证锅炉蒸汽参数达到设计规定值,保证锅炉效率,应当在炉膛或布置有过热器、再热器和省煤器的对流烟道装设吹灰装置,以便及时清理这些受热面上的焦与灰。
3.本条款增加了对生物质燃料锅炉和循环流化床锅炉的要求,其受热面结焦或沾污积灰问题本质上是和燃煤粉锅炉相同的,生物质燃料锅炉受热面粘污积灰往往还会导致管壁腐蚀问题,因此也要对其提出同样的吹灰要求。锅炉对流烟道不仅布置有过热器、再热器,也布置有省煤器,因此本条款也增加了对省煤器的吹灰要求。
3.21 尾部烟道疏水装置
B级及以下燃气锅炉和冷凝式锅炉的尾部烟道应当设置可靠的疏水装置。
● 条款说明:保留条款。
● 原《锅规》:3.21 尾部烟道疏水装置(略)
●条款解释:本条款是对尾部烟道设置疏水装置的规定。
工业锅炉排烟温度一般在160~250℃,烟气中的水蒸气仍处于过热状态,不会凝结成液态的水而释放汽化潜热。冷凝式锅炉就是利用高效的烟气冷凝余热回收装置来吸收锅炉尾部排烟中的显热和水蒸气凝结所释放的潜热,以达到提高锅炉热效率的目的。冷凝式锅炉能够回收烟气中水蒸气潜热的多少与锅炉所使用的燃料种类和锅炉的出水温度有关。当无冷凝回收装置的普通锅炉燃烧天然气时,如果锅炉的热效率按燃料低位发热量计算为90%,采用冷凝式余热回收装置后,排烟温度降到30~50℃,其热效率将会提高到107%左右(这是计算热效率的方法不同,而非违背能量守恒定律)。当锅炉尾部受热面金属壁温低于烟气露点温度时,烟气中的水蒸气将被冷凝而成为凝结水。B级及以下燃气锅炉和冷凝式锅炉尾部烟道烟气侧易形成冷凝水,而且容易短时间内形成大量冷凝水,这些冷凝水对金属腐蚀性很强,必须设置可靠的疏水装置将其及时排出,以保证锅炉的正常运行。
本条款对原条款仅仅增加了一个“的”字,即“锅炉尾部”修改为“锅炉的尾部”,所以仍称其为保留条款。
3.22 防爆门
额定蒸发量小于或者等于75t/h的燃用煤粉、油、气体及其他可能产生爆燃的燃料的水管锅炉,未设置炉膛安全自动保护系统的,炉膛和烟道应当设置防爆门,防爆门的设置不应当危及人身安全。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.22 防爆门
额定蒸发量小于或者等于75t/h的燃用煤粉、油或者气体的水管锅炉,未设置炉膛安全自动保护系统时,炉膛和烟道应当设置防爆门,防爆门的设置不应当危及人身安全。
●条款解释:本条款是对炉膛和烟道设置防爆门的规定。
1.燃用煤粉、油、气体及其他可能产生爆燃的燃料的水管锅炉,其炉膛在非正常燃烧工况下,如煤粉混合浓度过高等等,一旦具备合适的条件,如炉温等符合煤粉爆燃条件,将会发生炉膛爆炸事故。一般大型电站锅炉燃烧自动化控制程度很高,都设置有炉膛安全保护系统装置。该装置在锅炉启动、运行及停炉的各个阶段,连续实时监测锅炉有关运行参数,根据防爆规程规定的安全条件,不间断地进行逻辑判断和运算,通过相应联锁装置使燃烧设备按照既定程序完成必要操作。避免可能导致炉膛爆炸的空气-燃料混合物在炉膛、烟道内聚积,并在出现危及锅炉安全的状况时,迅速切断进入炉膛的所有燃料和空气,可有效预防炉膛发生爆炸事故。
2.额定蒸发量小于或者等于75t/h的燃用煤粉、油、气体及其他可能产生爆燃的燃料的水管锅炉,才要求在炉膛和烟道合适部位装设防爆门。防爆门的作用不在于防止炉膛发生爆炸,而是一旦发生炉膛爆炸,防爆门可以自行开启,起到炉膛泄压作用,降低炉膛破坏程度。对于水管锅炉炉膛装设防爆门的必要性,国内外锅炉业界认识尚不完全一致。国内也有锅炉技术人员提出防爆门不防爆的看法。随着锅炉容量的增加,炉膛容积越来越大,一旦炉膛发生爆炸,防爆门根本就来不及起到炉膛泄压的作用。国内大型电站锅炉早已不再装设防爆门,考虑到我国的习惯,对于容量较小的锅炉,一般还是要求装设防爆门。锅壳锅炉本身结构有足够的防爆能力,所以不要求装设防爆门。
3.防爆门的装设位置要考虑到锅炉运行操作人员通行的安全,以免防爆门一旦打开,伤及操作人员。
水管锅炉所用燃料除煤粉、油、气体之外,本条款又补充了燃用“其他可能产生爆燃的燃料”,锅炉也需要装设防爆门。
3.23 门孔
3.23.1 门孔的设置和结构
(1)锅炉上开设的人孔、头孔、手孔、清洗孔、检查孔、观察孔的数量和位置应当满足安装、检修、运行监视和清洗的需要;
(2)集箱手孔孔盖与孔圈采用非焊接连接时,应当避免直接与火焰接触;
(3)微正压燃烧的锅炉,炉墙、烟道和各部位门孔应当有可靠的密封,看火孔应当装设防止火焰喷出的联锁装置;
(4)锅炉受压元件人孔圈、头孔圈与筒体、封头(管板)的连接应当采用全焊透结构,人孔盖、头孔盖、手孔盖、清洗孔盖、检查孔盖应当采用内闭式结构;对于B级及以下锅炉,其受压元件的孔盖可以采用法兰连接结构,但是不得采用螺纹连接;炉墙上人孔门应当装设坚固的门闩,保证炉墙上监视孔的孔盖不会被烟气冲开;
(5)锅筒内径大于或者等于800mm的水管锅炉和锅壳内径大于1000mm的锅壳锅炉,均应当在筒体或者封头(管板)上开设人孔,由于结构限制导致人员无法进入锅炉时,可以只开设头孔;对锅壳内布置有烟管的锅炉,人孔和头孔的布置应当兼顾锅壳上部和下部的检修需求;锅筒内径小于800mm的水管锅炉和锅壳内径为800mm~1000mm的锅壳锅炉,应当至少在筒体或者封头(管板)上开设一个头孔;
(6)立式锅壳锅炉(电加热锅炉除外)下部开设的手孔数量,应当满足清理和检验的需要,其数量不少于3个。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.23 门孔
3.23.1 门孔的设置和结构
(1)锅炉上开设的人孔、头孔、手孔、清洗孔、检查孔、观察孔的数量和位置应当满足安装、检修、运行监视和清洗的需要;
(2)集箱手孔孔盖与孔圈采用非焊接连接时,应当避免直接与火焰接触;
(3)微正压燃烧的锅炉,炉墙、烟道和各部位门孔应当有可靠的密封,看火孔应当装设防止火焰喷出的联锁装置;
(4)锅炉受压元件人孔圈、头孔圈与筒体、封头(管板)的连接应当采用全焊透结构;人孔盖、头孔盖、手孔盖、清洗孔盖、检查孔盖应当采用内闭式结构;对于B级及以下锅炉,其受压元件的孔盖可以采用法兰连接结构,但不得采用螺纹连接;炉墙上人孔门应当装设坚固的门闩,炉墙上监视孔的孔盖应当保证不会被烟气冲开;
(5)锅筒内径大于或者等于800mm的水管锅炉和锅壳内径大于1000mm的锅壳锅炉,均应当在筒体或者封头(管板)上开设人孔,由于结构限制导致人员无法进入锅炉时,可以只开设头孔;对锅壳内布置有烟管的锅炉,人孔和头孔的布置应当兼顾锅壳上部和下部的检修需求;锅筒内径小于800mm的水管锅炉和锅壳内径为800~1000mm的锅壳锅炉,应当至少在筒体或者封头(管板)上开设一个头孔;
(6)立式锅壳锅炉下部开设的手孔数量应当满足清理和检验的需要,其数量应当不少于3个。
●条款解释:本条款是对各种门孔设置和结构的规定。
本条款主要修改内容:保留了原条款(1)~(5)的全部内容(个别文字作了调整),对原条款(6)修改补充了一段文字“电加热锅炉除外”。下面按照本条款内容逐条进行解释:
1.锅炉上开设门孔的种类和作用。锅炉上开设门孔的种类包括人孔、头孔、手孔、清洗孔、检查孔和观察孔等等。这些孔的位置和数量要满足安装、检修、运行监视和清洗的要求。
锅筒上的人孔主要是为了安装、检修的需要。散装出厂的水管锅炉的锅筒内的部件一般是在安装工地进行安装,而锅壳式锅炉锅壳内的一些元件,如拉撑件与锅壳、管板的焊接也需要在锅壳内进行。锅炉检修时,检验人员和修理人员均需进入锅筒内,没有人孔无法完成上述工作。头孔是开在锅筒(锅壳)上,主要是为了检验之用。有些锅炉容积较小。锅筒直径较小,无法开设人孔,需要开设头孔,检验时检验人员虽然不能进入锅筒内,但头部可以伸入锅筒内察看其内部情况。
2.当集箱上的手孔盖与孔圈采用非焊接方式连接时,应避免与火焰直接接触。如果手孔直接与火焰接触,将会因得不到足够冷却而极易发生变形,同时孔盖与孔圈间的密封垫圈也极易老化,导致孔盖与孔圈失去了严密性,容易发生泄漏事故。
如果孔盖与孔圈采用焊接连接方式形成了一个整体,也就不存在孔盖与孔圈之间密封垫片的受热老化问题。孔盖在锅炉运行时也可以得到较好的冷却,也就可以与火焰直接接触了。
3.微正压燃烧的锅炉,炉膛内的压力稍高于炉外的大气压力,如果炉膛密封不佳,火焰或高温烟气会从炉膛或烟道内自动向外喷出。不但恶化了操作环境,威胁操作人员的人身安全,同时也会降低锅炉热效率,缩短锅炉使用寿命。
看火孔应有防止火焰喷出的联锁装置。联锁装置的主要作用是,当打开看火孔的孔盖时,看火孔可同时自动向炉内吹射压缩空气,以防止火焰喷出伤人。
4.人孔圈、头孔圈与筒体、封头的连接应当采用全焊透结构,主要是考虑到这些焊缝对锅炉安全至关重要,大量锅炉事故也证明了这些部位是薄弱环节。受压件上的人孔盖、头孔盖和手孔盖等应采用内闭式结构,主要是考虑到内闭式结构在承压状态下密封效果更好,同时在承压情况下内闭式孔盖由于系统压力的作用不易打开,可防止汽水喷出伤人。B级及以下锅炉受压元件的孔盖可采用法兰连接结构是96版规程增加的条款。当时主要是考虑电加热锅炉结构的需要,后来热水锅炉下集箱采用法兰结构也便于清理集箱内部。螺纹连接因其无法长期保证密封性所以不得采用。
当锅炉处于正压燃烧状态时,为防止火焰喷出伤人,炉墙上的人孔门和监视孔的孔盖应当保证不会被烟气冲开。
5.为了满足锅炉内部构件组装、维护、检验、修理等需要,锅炉应当在筒体或封头上开设人孔,以便人员能够进入内部空间作业。对于水管锅炉锅筒内径大于或等于800mm,对于锅壳锅炉的锅壳内径大于1000mm,均应当在筒体或者封头(管板)上开设人孔。由于结构原因,人员无法进入内部时,开设人孔已经没有实际意义可只开设头孔,以便于人员察看内部。
6.以往发生锅炉爆炸事故较多的就是立式锅壳锅炉,究其原因,使用维护不当是事故发生的主要原因之一。特别是立式锅壳锅炉下脚圈由于原始设计制造缺陷加之清理维护不足,是此种类型锅炉事故的主要起爆点。立式锅壳锅炉下部开设手孔是为了满足泥垢清理和检验的需要,因此,本条款规定其下部开设的手孔数量不得少于3个。手孔数量分布应当满足整个下脚圈的周向检查和清理的需要。立式电加热锅炉由于拆除电极棒法兰后,即可对锅炉检查清理,本条款在要求立式锅炉下部开设手孔时,将电加热锅炉除外。
3.23.2 门孔的尺寸(注3-2)
(1)锅炉受压元件上,椭圆人孔应当不小于280mm×380mm,圆形人孔直径应当不小于380mm,人孔圈的密封平面宽度应当不小于19mm,人孔盖凸肩与人孔圈之间总间隙应当不超过3mm(沿圆周各点上不超过1.5mm),并且凹槽的深度应当能够完整地容纳密封垫片;
(2)锅炉受压元件上,椭圆头孔应当不小于220mm×320mm,颈部或者孔圈高度不应当超过100mm,头孔圈的密封平面宽度应当不小于15mm;
(3)锅炉受压元件上,手孔短轴应当不小于80mm,颈部或者孔圈高度不应当超过65mm,手孔圈的密封平面宽度应当不小于6mm;
(4)锅炉受压元件上,清洗孔内径应当不小于50mm,颈部高度不应当超过50mm;
(5)炉墙上椭圆人孔一般不小于400mm×450mm,圆形人孔直径一般不小于450mm,矩形门孔一般不小于300mm×400mm。
注3-2:如果因结构原因,颈部或者孔圈高度超过本条规定,门孔的尺寸应当适当放大。
● 条款说明:保留条款。
● 原《锅规》:3.23.2 门孔的尺寸(略)
●条款解释:本条款是对门孔几何尺寸的规定。
各种门孔几何尺寸的大小,既要兼顾门孔不同功能的需要,又要尽量减少因开孔尺寸过大而造成开孔部位强度减弱过多,增加制造成本。限制人孔的最小几何尺寸是为了方便工作人员进入筒体等锅炉不同部位内部;限制头孔、手孔的最小几何尺寸是为了便于检修人员的头(手)部能自如伸入筒体内。由于孔圈或颈部高度会妨碍检修人员头(手)部进入筒体内部后自由运动,因此对孔圈或颈部高度也规定了上限值,按此道理,当孔圈或颈部高度超过规定值时,孔的尺寸应当适当放大。
人孔圈、头孔圈和手孔圈密封面的尺寸是为了保证人孔、头孔和手孔的密封。本条款人孔圈最小的密封平面宽度为19mm,这与GB/T 16508—1996《锅壳锅炉受压元件强度计算》标准的规定一致。
3.24 锅炉钢结构
3.24.1 基本要求
支承式和悬吊式锅炉钢结构的设计,应当符合相关标准的要求。
● 条款说明:修改条款。
● 原《锅规》:3.24 锅炉钢结构
3.24.1 基本要求
支承式和悬吊式锅炉钢结构的设计应当符合GB/T 22395《锅炉钢结构设计规范》的要求。
●条款解释:本条款是对锅炉钢结构设计的规定。
锅炉钢结构是锅炉的重要组成部分。目前大型电站锅炉的钢结构已是近百米之高的庞然大物,其重要性不言而喻,有必要对其基本设计要求进行规定。锅炉钢结构设计应当贯彻执行国家现行标准,符合相关标准的要求即可,做到技术先进、经济合理、安全适用。
3.24.2 平台、扶梯
作业人员立足地点距离地面(或者运转层)高度超过2000mm的锅炉,应当装设平台、扶梯和防护栏杆等设施。锅炉的平台、扶梯应当符合以下规定:
(1)扶梯和平台的布置能够保证作业人员顺利通向需要经常操作和检查的地方;
(2)扶梯、平台和需要操作及检查的炉顶周围设置的栏杆、扶手以及挡脚板的高度满足相关规定;
(3)扶梯的倾斜角度一般为45°~50°,个别位置布置有困难时,倾斜角度可以适当增大;
(4)水位表前的平台到水位表中间的铅直高度宜为1000mm~1500mm。
● 条款说明:保留条款(仅将“操作人员”修改为“作业人员”,其他内容未作修改)。
● 原《锅规》:3.24.2 平台、扶梯(略)
●条款解释:本条款是对锅炉扶梯和平台的规定。
本条款的规定主要是为了方便锅炉作业人员进行操作、检验、维修等日常活动。同时也是为了保证作业人员在工作中的人身安全,防止发生人身跌落事故。
平台、扶梯广泛应用于工业、建筑等各行各业。不同行业间的相关标准规定难免有所不同。原《锅规》制定时参考了这些不同的标准规定,经综合考虑后,形成了原条款。本条款保留了原条款的全部内容。
3.25 直流电站锅炉特殊规定
(1)直流电站锅炉应当设置启动系统,其容量应当与锅炉最低直流负荷相适应;
(2)直流电站锅炉采用外置式启动(汽水)分离器启动系统的,隔离阀的工作压力应当按照最大连续负荷下的设计压力考虑,启动(汽水)分离器的强度按照锅炉最低直流负荷的设计参数设计计算;采用内置式启动(汽水)分离器启动系统时,各部件的强度应当按照锅炉最大连续负荷的设计参数计算;
(3)直流电站锅炉启动系统的疏水排放能力应当满足锅炉各种启动方式下发生汽水膨胀时的最大疏水流量;
(4)直流电站锅炉水冷壁管内工质的质量流速在任何运行工况下都应当大于该运行工况下的最低临界质量流速。
● 条款说明:保留条款。
● 原《锅规》:3.25 直流电站锅炉特殊规定(略)
●条款解释:本条款是对直流电站锅炉的规定。
1.直流电站锅炉的启动特点是在锅炉点火前就必须不间断地向锅炉进水,建立足够的启动流量,确保给水连续不断地强制流经受热面,使其得到有效冷却。这就需要设置启动系统来实现,以使锅炉在启动、停炉和低负荷运行期间水冷壁管内工质的质量流速不小于最小直流负荷点(本生点)的质量流速。
2.直流锅炉采用外置式汽水分离器启动系统时,在锅炉由启动阶段转为纯直流运行后,汽水分离器即从系统中切除,因此仅隔离阀需按照最大连续负荷下的设计压力考虑,汽水分离器的强度按照锅炉最低直流负荷的设计参数设计计算即可。对于高参数大容量直流电站锅炉,为减少系统中的阀门数量、简化操作,避免切除汽水分离器时带来较大的汽温扰动以及考虑到调峰运行、机组频繁启停的要求,均采用内置式汽水分离器启动系统。汽水分离器在锅炉全部运行负荷范围内均在系统中不解列,因此其强度应当按照锅炉最大连续负荷的设计参数计算。
3.直流电站锅炉启动初期,锅炉蒸发受热面中会有汽水膨胀现象,且以热态启动时的膨胀流量最大,启动系统的疏水排放能力应大于这个膨胀流量,以避免过热器进水。
4.直流电站锅炉水冷壁管内工质的质量流速与负荷成正比。在任何运行工况下,管内工质的质量流速都必须超过该工况下的最低极限临界流速,以保证水冷壁管有足够的冷却能力,避免水冷壁管金属超温。为此,在省煤器进口处应设有流量测量装置,在给水流量低于启动所需流量时将发出报警信号,甚至炉膛安全保护系统动作。