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锅筒

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锅筒

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简介

　中文名称：锅筒

英文名称：drum 其他名称：汽包

定义：水管锅炉中用于进行蒸汽净化、组成水循环回路和蓄存锅水的筒形压力容器。

应用学科：电力（一级学科）；锅炉（二级学科）

锅筒是锅炉中最笨重且价格昂贵的厚壁承压部件。锅筒不但承受很高的内压，而且由于运行工况变化，还会由于壁温的波动产生热应力，因而工作条件恶劣，需进行有效的运行工况监督。结构和材料锅筒工作条件复杂，出现事故的后果严重，必须严格控制锅筒所用材料的化学成分、机械性能和焊接与加工工艺质量，并经过一系列的严格检验。铜筒由筒体和封头构成.(1)筒体:指锅筒的圆筒部分，它的内径和长度与循环方式、锅炉容量、蒸汽参数及内部设备结构形式有关。锅筒筒体通常在多辊筒卷板机上卷制而成.亚临界压力锅炉锅筒筒壁太厚，需在巨型压力机上压制.(2)封头:亚临界压力锅炉常为半球形，高压、超高压锅炉常为椭球形，中压锅炉为较扁的椭球形，封头上设有人孔，以便安装和检修内部装!。封头在水压机或油压机上压制成型。工况监督在锅炉起停过程中，锅筒上下壁及内外壁之间均有一定温差，产生热应力，特别是高参数锅护拐筒壁很厚，锅筒往往成为限制起动速度的主要部件，因此必须对锅筒内外壁及上下壁温差进行测t并加强监督。旋风分离.与连搜，的猫接方法次汽演洗兀州线位

作用

锅筒（亦称汽包）是自然循环锅炉中最重要的受压元件，锅筒的作用主要有：　　

1：是工质加热、蒸发、过热三过程的连接枢纽，保证锅炉正常的水循环。　　

2：内部有汽水分离装置和连续排污装置，保证锅炉蒸汽品质。　　

3：有一定水量，具有一定蓄热能力，缓和汽压的变化速度。　　

4：锅筒上有压力表、水位计、事故放水、安全阀等设备，保证锅炉安全运行。

锅炉的发展与工作原理

　　锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。　　锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，又叫蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。　　锅炉承受高温高压，安全问题十分重要。即使是小型锅炉，一旦发生爆炸，后果也十分严重。因此，对锅炉的材料选用、设计计算、制造和检验等都制订有严格的法规。

锅炉的发展

　　锅炉的发展分锅和炉两个方面。　　18世纪上半叶，英国煤矿使用的蒸汽机，包括瓦特的初期蒸汽机在内，所用的蒸汽压力等于大气压力。18世纪后半叶改用高于大气压力的蒸汽。19世纪，常用的蒸汽压力提高到0.8兆帕左右。与此相适应，最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后来改用卧式锅壳，在锅壳下方砖砌炉体中烧火。　　随着锅炉越做越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。开始只装一只火筒，称为单火筒锅炉或康尼许锅炉，后来加到两个火筒，称为双火筒锅炉或兰开夏锅炉。　　1830年左右，在掌握了优质钢管的生产和胀管技术之后出现了火管锅炉。一些火管装在锅壳中，构成锅炉的主要受热面，火(烟气)在管内流过。在锅壳的存水线以下装上尽量多的火管，称为卧式外燃回火管锅炉。它的金属耗量较低，但需要很大的砌体。　　19世纪中叶，出现了水管锅炉。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。初期的水管锅炉只用直水管，直水管锅炉的压力和容量都受到限制。　　二十世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉。开始是采用多锅筒式。随着水冷壁、过热器和省煤器的应用，以及锅筒内部汽、水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。　　以前的火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉都属于自然循环锅炉，水汽在上升、下降管路中因受热情况不同，造成密度差而产生自然流动。在发展自然循环锅炉的同时，从30年代开始应用直流锅炉，40年代开始应用辅助循环锅炉。

辅助循环锅炉

　　辅助循环锅炉又称强制循环锅炉，它是在自然循环锅炉的基础上发展起来的。在下降管系统内加装循环泵，以加强蒸发受热面的水循环。直流锅炉中没有锅筒，给水由给水泵送入省煤器，经水冷壁和过热器等蒸发受热面，变成过热蒸汽送往汽轮机，各部分流动阻力全由给水泵来克服。　　第二次世界大战以后，这两种型式的锅炉得到较快发展，因为当时发电机组要求高温高压和大容量。发展这两种锅炉的目的是缩小或不用锅筒，可以采用小直径管子作受热面，可以比较自由地布置受热面。随着自动控制和水处理技术的进步，它们渐趋成熟。在超临界压力时，直流锅炉是唯一可以采用的一种锅炉，70年代最大的单台容量是27兆帕压力配1300兆瓦发电机组。后来又发展了由辅助循环锅炉和直流锅炉复合而成的复合循环锅炉。　　在锅炉的发展过程中，燃料种类对炉膛和燃烧设备有很大的影响。因此，不但要求发展各种炉型来适应不同燃料的燃烧特点，而且还要提高燃烧效率以节约能源。此外，炉膛和燃烧设备的技术改进还要求尽量减少锅炉排烟中的污染物(硫氧化物和氮氧化物) 　　早年的锅壳锅炉采用固定炉排，多燃用优质煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管锅炉出现后开始采用机械化炉排，其中链条炉排得到了广泛的应用。炉排下送风从不分段的“统仓风”发展成分段送风。　　早期炉膛低矮，燃烧效率低。后来人们认识到炉膛容积和结构在燃烧中的作用，将炉膛造高，并采用炉拱和二次风，从而提高了燃烧效率。　　发电机组功率超过6兆瓦时，以上这些层燃炉的炉排尺寸太大，结构复杂，不易布置，所以20年代开始使用室燃炉，室燃炉燃烧煤粉和油。煤由磨煤机磨成煤粉后用燃烧器喷入炉膛燃烧，发电机组的容量遂不再受燃烧设备的限制。自第二次世界大战初起，电站锅炉几乎全部采用室燃炉。　　早年制造的煤粉炉采用了U形火焰。燃烧器喷出的煤粉气流在炉膛中先下降，再转弯上升。后来又出现了前墙布置的旋流式燃烧器，火焰在炉膛中形成L形火炬。随着锅炉容量增大，旋流式燃烧器的数目也开始增加，可以布置在两侧墙，也可以布置在前后墙。1930年左右出现了布置在炉膛四角且大多成切圆燃烧方式的直流燃烧器。　　第二次世界大战后，石油价廉，许多国家开始广泛采用燃油锅炉。燃油锅炉的自动化程度容易提高。70年代石油提价后，许多国家又重新转向利用煤炭资源。这时电站锅炉的容量也越来越大，要求燃烧设备不仅能燃烧完全，着火稳定，运行可靠，低负荷性能好，还必须减少排烟中的污染物质。　　在燃煤(特别是燃褐煤)的电站锅炉中采用分级燃烧或低温燃烧技术，即延迟煤粉与空气的混合或在空气中掺烟气以减慢燃烧，或把燃烧器分散开来抑制炉温，不但可抑制氮氧化物生成，还能减少结渣。沸腾燃烧方式属于一种低温燃烧，除可燃用灰分十分高的固体燃料外，还可在沸腾床中掺入石灰石用以脱硫。

锅炉的工作

　　锅炉参数是表示锅炉性能的主要指标，包括锅炉容量、蒸汽压力、蒸汽温度、给水温度等。　　锅炉容量可用额定蒸发量或最大连续蒸发量来表示。额定蒸发量是在规定的出口压力、温度和效率下，单位时间内连续生产的蒸汽量。最大连续蒸发量是在规定的出口压力、温度下，单位时间内能最大连续生产的蒸汽量。　　蒸汽参数包括锅炉的蒸汽压力和温度，通常是指过热器、再热器出口处的过热蒸汽压力和温度如没有过热器和再热器，即指锅炉出口处的饱和蒸汽压力和温度。给水温度是指省煤器的进水温度，无省煤器时即指锅筒进水温度。

锅炉的分类

　　锅炉可按照不同的方法进行分类。锅炉按用途可分为工业锅炉、电站锅炉、船用锅炉和机车锅炉等；按锅炉出口压力可分为低压、中压、高压、超高压、亚临界压力、超临界压力等锅炉；锅炉按水和烟气的流动路径可分为火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉，其中火筒锅炉和火管锅炉又合称为锅壳锅炉；按循环方式可分为自然循环锅炉、辅助循环锅炉(即强制循环锅炉)、直流锅炉和复合循环锅炉；按燃烧方式，锅炉分为室燃炉、层燃炉和沸腾炉等。　　在水汽系统方面，给水在加热器中加热到一定温度后，经给水管道进入省煤器，进一步加热以后送入锅筒，与锅水混合后沿下降管下行至水冷壁进口集箱。水在水冷壁管内吸收炉膛辐射热形成汽水混合物经上升管到达锅筒中，由汽水分离装置使水、汽分离。分离出来的饱和蒸汽由锅筒上部流往过热器，继续吸热成为450℃的过热蒸汽，然后送往汽轮机。　　在燃烧和烟风系统方面，送风机将空气送入空气预热器加热到一定温度。在磨煤机中被磨成一定细度的煤粉，由来自空气预热器的一部分热空气携带经燃烧器喷入炉膛。燃烧器喷出的煤粉与空气混合物在炉膛中与其余的热空气混合燃烧，放出大量热量。燃烧后的热烟气顺序流经炉膛、凝渣管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经过除尘装置，除去其中的飞灰，最后由引风机送往烟囱排向大气。

锅炉的结构

　　锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。

炉膛

　　炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。　　炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热。　　炉膛设计需要充分考虑使用燃料的特性。每台锅炉应尽量燃用原设计的燃料。燃用特性差别较大的燃料时锅炉运行的经济性和可靠性都可能降低。^[1]

锅筒

　　锅筒是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。　　锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。　　锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件；中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。锅筒上还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。　　为了考核性能和改进设计，锅炉常要经过热平衡试验。直接从有效利用能量来计算锅炉热效率的方法叫正平衡，从各种热损失来反算效率的方法叫反平衡。考虑锅炉房的实际效益时，不仅要看锅炉热效率，还要计及锅炉辅机所消耗的能量。

理论空气量

　　单位质量或单位容积的燃料完全燃烧时，按化学反应计算出的空气需求量称为理论空气量。为了使燃料在炉膛内有更多的机会与氧气接触而燃烧，实际送入炉内的空气量总要大于理论空气量。虽然多送入空气可以减少不完全燃烧热损失，但排烟热损失会增大，还会加剧硫氧化物腐蚀和氮氧化物生成。因此应设法改进燃烧技术，争取以尽量小的过量空气系数使炉膛内燃烧完全。　　锅炉烟气中所含粉尘(包括飞灰和炭黑)、硫和氮的氧化物都是污染大气的物质，未经净化时其排放指标可达到环境保护规定指标的几倍到数十倍。控制这些物质排放的措施有燃烧前处理、改进燃烧技术、除尘、脱硫和脱硝等。借助高烟囱只能降低烟囱附近地区大气中污染物的浓度。　　烟气除尘所使用的作用力有重力、离心力、惯性力附着力以及声波、静电等。对粗颗粒一般采用重力沉降和惯性力的分离，在较高容量下常采用离心力分离除尘静电除尘器和布袋过滤器具有较高的除尘效率。湿式和文氏—水膜除尘器中水滴水膜能粘附飞灰，除尘效率很高还能吸收气态污染物。　　二十世纪50年代以来，人们努力发展灰渣综合利用，化害为利。如用灰渣制造水泥、砖和混凝土骨料等建筑材料。70年代起又从粉煤灰中提取空心微珠，作为耐火保温等材料。

未来发展

　　锅炉未来的发展将进一步提高锅炉和电站热效率；降低锅炉和电站的单位功率的设备造价；提高锅炉机组的运行灵活性和自动化水平；发展更多锅炉品种以适应不同的燃料；提高锅炉机组及其辅助设备的运行可靠性；减少对环境的污染。

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锅炉锅筒焊接工艺

一、前言

　　锅筒是锅炉产品中一个非常重要的部件，锅筒的焊接质量历来是各锅炉厂家最为关心的，但以往大家一般主要将注意力集中在锅筒的纵缝、环缝及集中下降管、给水管上，对于Φ133mm及Φ159mm引出管管座的焊接一直没有引起足够重视，但随着用户对管座焊接要求的不断提高，锅筒管座的焊接已成为锅炉行业关注的焦点。

　　以往在220t/h、420t/h锅筒的Φ133×12引出管管座焊接时，选用全焊透的结构型式，焊接采用内孔氩弧焊封底、手工电弧焊盖面，焊后仅进行表面磁粉探伤，然而在采用超声波探伤检查后，连续两台产品的锅筒管座角焊缝一次合格率低得实在确实令人难以接受，也立即引起了大家的高度重视，经过实物解剖的分析，发现锅筒管座焊接缺陷主要分布在内孔氩弧封底焊根部和手工焊焊缝底部，大部分呈整圈分布，缺陷的性质为未焊透、夹渣和气孔。

　　从目前生产情况来看，现有的设备，管座加工精度，焊接坡口的具体尺寸，焊工的操作技能等均不能满足要求，因而焊接质量难以达到超声波探伤合格标准。根据前两台锅筒管座焊接的实际情况分析，我们发现由于管座的壁厚、椭圆度公差及管座的加工精度使得管座的钝边尺寸过大或不均匀，管座装配时，由于没有仔细控制又造成错边量过大，从而造成了管座根部内孔焊未焊透、焊穿，而管座底部的手工焊缺陷，则主要是由于坡口间距过小，造成焊工运条不当以及操作环境恶劣等因素引起。

　　二、管座焊接质量改进

　　1．改变设计坡口型式，完成焊接工艺评定

　　由于1000t/h和2000t/h锅筒上Φ159×20管座的坡口型式全部采用从美国CE公司引进的根部不焊透的J型坡口，难于满足超声波探伤的要求，我们根据220t/h、420t/h锅筒的Φ133×12引出管管座焊接经验，将根部不焊透的J型坡口全部改成全焊透的D型坡口，并重新设计满足要求的坡口型式，重新进行工艺评定，为了保证生产的顺利进行，我们设计了新的内孔氩弧焊工装，包括导电杆、导电嘴、外保护气套、定位芯棒等工装。对焊接坡口也作了新的设计，为了检验重新设计的工装及焊接坡口的合理性，工艺部门在生产车间的配合下先后制备了近百个管座试样，边焊边调整规范参数及坡口型式的具体尺寸，边焊边总结经验，在短时间内完成了试验及工艺评定，满足了生产的正常进行。

　　2．细化提高管座角焊缝一次合格率的措施

　　针对管座角焊缝的一次合格率奇低问题，先后数次组织了工艺、车间、探伤、标准、设计的有关人员进行了会诊，并与车间操作工人一起对缺陷产生的原因进行了分析、探讨，根据缺陷主要集中在根部及整圈的特点，制订了新的工艺方案，并在第三台锅筒管座焊接时采取如下措施：

　　①针对坡口间距过小，在加工坡口时，常有加工不到位的情况，决定将锅筒筒体上的坡口角度由原来的30°改为15°,坡口盆口尺寸加工须满足图纸要求的尺寸。

　　②针对钝边尺寸太大或不均匀的情况，决定从第三台起管座内孔全部内镗，并对管座的加工要求提出更高的要求，管座的壁厚适当放厚以满足内镗的需要。

　　③针对手工焊时焊条运条不畅，难以摆动的情况，决定手工焊第一层焊接时由原来的Φ4.0焊条全部改为Φ3.2焊条。

　　④针对错边过大的情况，采取了装配点焊时使用定位芯棒，对管座纵、环向偏差暂不考核，以满足内孔氩弧焊的需要。

　　⑤焊前向焊工进行交底，焊接过程中，工艺人员到现场进行跟班、指导，以进一步掌握第一手资料，车间将原生产周期从2天改为7～10天，以保证质量。

　　经过连续10天的精心焊接，第3台锅筒管座的一次焊接合格率终于从第1台的3个合格，第2台的9个合格提高到了31个合格，但合格率仍仅41.9%，这无疑极大地打击了焊工的信心，也使很多人产生了管座焊后采用超声波探伤是否能行的疑问。在公司领导的关心和支持下，工艺部门和生产车间协手合作对第3台锅筒管座的缺陷情况进行了分析，并在产品上抽刮了3个管接头进行仔细观察、研究，并让操作焊工一起来观看，使焊工对缺陷的位置、性质有一个直观了解。为此，我们又组织了工艺人员与焊工进行了交流，通过交流，工艺部门充分听取了焊工的意见并进行分析，对焊接工艺又作了如下修改：

　　①将原来一直进大炉进行预热的工艺改为局部预热，以改善焊工的操作条件。

　　②打破常规改变原来的操作工艺，对打底层焊接由原来的运条电弧不能给在中间，改为运条时电弧直接给在中间，并适当增加焊接电流，以保证根部焊透。

　　③根据第3台管座角焊缝缺陷已由原来的整圈变为主要集中在起弧及收弧接头处的特点，要求焊工加强责任心，对接头处要求进行修磨。

　　④生产车间根据实际情况又发出了“关于加强锅筒上内孔氩弧焊管接头质量的几点要求”，对锅筒管座的焊接作出了详细规定，并分发到各有关工段和有关人员。

　　采取了如上措施后，第4台锅筒管座的焊接质量有了很大提高，经超声波探伤检查，一次合格率为73.4%，基本达到了预定的质量指标。在以后的锅筒管座焊接过程中，我们又不断总结经验，使锅筒管座的一次合格率不断提高，现在锅筒管座的一次合格率已基本达到90%以上，截至2002年底统计结果，15台产品中有6台锅筒管座焊接的一次合格率达到100%。

　　三、管座角焊缝自动焊接技术的研究

　　为了保证锅筒、压力容器上管座的焊接质量，并使管座角焊缝的一次合格率稳定地保持在90%以上，减少电焊工操作技能等人为因素引起的质量问题，有必要开发用自动焊进行管座焊接的新型焊机，为此工艺部门开始立项研制管座自动焊机，并与国内某焊接设备专业生产厂家合作开发管座自动焊机。

　　1．管座自动焊焊机的主要技术参数

　　a.管接头外径适用范围:Ф100～Ф300mm

　　b.管接头壁厚适用范围:8～30mm

　　c．管接头高度:150～200mm

　　d．管接头最小净距(轴向、环向):100mm

　　e．最大马鞍形落差量:50mm

　　f．筒节本体及管接头材料:碳钢、低合金钢

　　g．适应的最高预热温度:250℃

　　2．设备组成

　　设备由马鞍形焊接主机、控制箱、进口送丝机、可摆动鹅颈式空冷焊枪以及进口IGBT逆变式焊接电源组成。适用于细丝埋弧焊、熔化极气保护焊。