摘要：汽包是锅炉的重要组件，在使用中如果操作或管理不当会使其上下壁、内外壁产生过大的温差和热应力。其机械应力和热应力的总应力在局部区域的峰值可能接近或超过汽包材料的屈服强度，汽包壁容易形成裂纹，扩展到一定程度时汽包将被破坏，产生严重的爆破和重大的安全生产事故。
关键词：汽包；热应力；控制
1汽包应力分析
汽包主要有压力引起的机械应力和温度变化引起的热应力。压力产生的机械应力有切向、轴向和径向应力三种，计算公式如下：
由(1)、(2)、(3)式可知，机械应力与其工作压力成正比，因此在设计中通过强度计算来确定汽包的壁厚、直径和选材等，运行中只要控制不超压运行，机械应力的最大值是稳定的。
2汽包热应力的产生
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，汽包筒体存在着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。
2.1上下壁温差的产生
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。原因分析如下：
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传热的放热系数要大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。
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，而汽侧介质过热而使温度高于饱和温度。而且汽包壁厚较大，加上表面有良好的保温层，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。
2.2上下壁温差产生的热应力
汽包热应力计算表明，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。
2.3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。应力计算指出，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。
3汽包热应力的控制措施
汽包热应力的控制实质上就是对汽包上下壁、内壁温差进行控制。
在启、停炉过程中，严格控制升温或降温速度，一般规定升温(降温)速度ω值不得超过(1.5-2.0)℃/min，或100℃/h。由于水和蒸汽在饱和状态下温度和压力之间存在一定的对应关系，所以锅炉启动的升压过程也就是升温过程，通常锅炉在启动时以升压速度来控制其温升速度的大小。但在锅炉启动初期应采用更小的升压速度，因为升压初期汽水饱和温度随压力的变化较大(见表1)，此期间更容易产生较大的壁温差。