曹世蘭（科立視材料科技有限公司，福建 福州 350000）

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玻璃窯爐高溫煙道膨脹節(jié)在線改造

曹世蘭
（科立視材料科技有限公司，福建 福州 350000）

摘 要：科立視材料科技有限公司玻璃窯爐高溫煙道膨脹節(jié)在2013年5月投入使用至2014年11月，發(fā)現(xiàn)膨脹節(jié)已經(jīng)完全腐蝕，經(jīng)過對膨脹節(jié)損壞原因、設計要求及膨脹節(jié)的作用分析，采取了同鋼煙道同材質(zhì)同壁厚直管段在線更換措施，運行到2016年3月還保持完好，避免定期在線更換膨脹節(jié)影響爐壓波動，從而造成對生產(chǎn)影響，取得預期效果。

關鍵詞：玻璃窯爐；高溫煙道膨脹節(jié)；在線改造

1 高溫煙道膨脹節(jié)損壞基本情況

該膨脹節(jié)于2013年3月安裝，5月投入運行，經(jīng)過18個月的運行，已經(jīng)完全腐蝕，煙道變形嚴重，影響煙道的安全平穩(wěn)運行，如圖1所示。

2 膨脹節(jié)的設計參數(shù)

該膨脹節(jié)設計壓力0.2MPa，介質(zhì)溫度為800℃，波數(shù)6、層數(shù)1、波紋管厚度1mm、直徑450mm、長度450mm、法蘭厚度10mm，波紋管及法蘭材質(zhì)均為SUS316L不銹鋼，軸向最大補償量70mm，剛度100N/mm。

3 膨脹節(jié)腐蝕原因分析

該膨脹節(jié)使用場合（如圖2所示）為玻璃窯爐高溫煙氣，煙氣溫度設計為800℃，由于現(xiàn)場調(diào)節(jié)的不可避免時而達到850℃，煙氣含有NOx、NaO等酸堿性腐蝕性物質(zhì)，在高溫下容易對鋼煙道及膨脹節(jié)腐蝕。由于該膨脹節(jié)靠近窯爐出口，后段長度2.63m，升溫800℃膨脹量約40mm，如波紋管厚度加厚，壽命可以延長，但在膨脹節(jié)長度有限情況下，膨脹節(jié)的剛度將提高，膨脹時對窯爐出口處的磚面形成很大的反作用力，可能破壞出口處的磚結構，引起倒塌，膨脹節(jié)波紋管厚度通過測算最佳選擇取1mm。以上各不利因素不可避免，如本次還使用膨脹節(jié)進行更換，后期只能定期被動對膨脹節(jié)實施更換作業(yè)，影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

圖1

4 膨脹節(jié)腐蝕損壞改進措施

4.1 膨脹節(jié)更換難度分析

由于窯爐運行后無法停機，高溫煙氣無法停止，必須在線更換，這給定期更換膨脹節(jié)增加很大難度，表現(xiàn)為以下幾點：

（1）拆除難度

如圖2所示：膨脹節(jié)波紋管已經(jīng)完全腐蝕，法蘭及螺栓雖沒有完全腐蝕，但在高溫環(huán)境下已無法拆除，只能在高溫下實施危險切割作業(yè)。

（2）安裝難度

切割原法蘭后，必須制作新法蘭且在線焊接，由于管道溫度采取降溫措施后預計還達650℃，在這種環(huán)境下嚴重影響焊接質(zhì)量，焊接時間。

（3）影響生產(chǎn)時間

以8人（2班作業(yè)，每班4人，高溫環(huán)境交替作業(yè)）測算：拆除原管道保溫棉，切割法蘭、安裝法蘭、安裝保溫需10h，影響窯爐正常運行達12h，破壞原來生產(chǎn)線的各工藝參數(shù)，影響生產(chǎn)時間將達24h（工藝參數(shù)的恢復穩(wěn)定等需很長時間）

4.2 膨脹節(jié)替代品的設計分析

膨脹節(jié)損壞后，若還用新膨脹節(jié)更換，壽命還是小于煙道壽命，在鋼煙道壽命前還需更換，且更換難度逐步加大、影響生產(chǎn)時間加長，故擬取消膨脹節(jié)，直接用和煙道同材質(zhì)、同壁厚的316L不銹鋼直管段替代，靠窯爐一端和原管件焊接，一端預留伸縮縫并安裝支架，這樣壽命就有條件達到煙道的壽命，再不會出現(xiàn)因更換膨脹節(jié)而影響生產(chǎn)的事情，下面就可行性進行分析。

（1）該膨脹節(jié)的作用

（a）補償鋼煙道溫度變化（從常溫到800℃）的軸向熱膨脹量，且補償軸向力小于一定值，避免對窯爐磚結構產(chǎn)生破壞。

（b）避免煙氣外泄或漏風。

（2）膨脹量計算

膨脹量δ=材料熱膨脹系數(shù)×長度×溫度變化值

該膨脹節(jié)后段316L鋼煙道長度為2.63m，使用溫度800℃，升溫前溫度設為20℃，316L不銹鋼在800℃時線膨脹系數(shù)取19×10-6/℃，膨脹量δ=19×10-6× 2630× 780≈39mm。

現(xiàn)場情況：由于鋼煙道已運行在800℃情況下在線更換膨脹節(jié)，更換時由于該段煙氣為負壓，拆除時會有外氣吸入，后段溫度經(jīng)預估將降低到650℃，故更換安裝保溫后溫度只提高150℃，這個時候的安裝膨脹量δ=19×10-6×2630×150≈7.5mm。

圖2

圖3

（3）煙道通氣量計算分析

煙道抽煙風機的運行頻率：更換時運行頻率為32Hz，最大可達50Hz，功率為37kW，煙道抽煙風機的抽煙量：50Hz時3.5Nm3/s，在32Hz時抽氣量可近似取為：2.24Nm3/h。

（a）預留膨脹縫的必要性及對煙道抽煙風機運行及爐壓的影響：

考慮到極限情況，窯爐煙道煙氣冷卻風機損壞時，窯爐排氣溫度可達1000℃，這個時候為保證（由于沒有膨脹節(jié)補償）增加的膨脹量對窯爐磚結構造成反作用力而破壞，故須預留膨脹縫且膨脹縫預留量要大于從800℃～1000℃情況下的新增膨脹量。

預留膨脹縫δ=19×10-6×（2630+374）×（1000-800）=11.4mm（374來源見后）

預留膨脹縫的通氣面積A1=π×D× δ=3.14×450×11.4= 16108mm2

煙道通氣面積A=π×D2/4=3.14× 4502/4≈158961mm2

預留膨脹縫通氣面積占煙道通氣面積比為A1/A×100%≈10%，若沒有加保溫棉阻止漏氣（經(jīng)測試該段煙氣壓力約為-10Pa）風機頻率將會提高10%達35.2Hz（風機運行頻率和抽風量線性近似計算），在未加保溫棉裸露情況下，預留膨脹縫影響抽煙量問題可以接受，不會影響爐壓。

（b）保溫棉的通氣能力測試（部分數(shù)據(jù)模擬現(xiàn)場）

如圖3所示，壓力表量程為0～60Pa，氣體溫度21℃，管道及氣管接頭體積V0約為286132mm3，保溫棉（ISOWOOL1000）尺寸為100mm×100mm×50mm，以厚度方向堵?。▔壕o力約為2kg）內(nèi)孔Φ27的鋼管，檢查其它無漏氣情況下，進過10次簡易測試，壓力表值從30Pa減到10Pa用時1.5s，根據(jù)理想氣體動態(tài)方程P0V0/T0=P1V1/T1.，設P0為101325+30（Pa），V0為286132mm3，T0、T1均為273+21（k），P1為101325+10 （Pa），則V1=286188mm3，漏氣量V漏=V1-V0=286188-286132=56mm3。則堵口處單位漏氣量V單=56/（堵口面積572.3×時間1.5）=0.065mm3/mm2×s= 0.06Nmm3/mm2×s。

結論：每平方毫米孔洞在20Pa氣壓2kg壓緊力下每秒通過ISOWOOL1000尺寸100mm×100mm×50mm保溫棉流量為0.06Nmm3。

（c）加保溫棉后預留膨脹縫對煙道通氣的最終影響

預留膨脹縫的面積為A1=16108mm2，按測試條件加保溫棉后通氣量為0.06×16108=966mm3，由于現(xiàn)場保溫棉加2層（模擬測試1層），現(xiàn)場壓差10Pa（模擬測試20Pa），故現(xiàn)場預留膨脹縫加保溫棉后漏氣量將會小于966mm3，而煙道抽煙風機頻率每變化1Hz的抽風量為70000mm3/s，對煙道抽煙風機的頻率影響甚微，可忽略不計，因此預留膨脹縫加ISOWOOL1000保溫棉防止漏風方案可行。

4.3 膨脹節(jié)替代品——直管段的設計

（1）直管段的長度確定

由于煙道上原膨脹節(jié)長度為450mm，扣除沒有腐蝕的法蘭20mm，煙道800℃情況下膨脹量39mm，實際原膨脹節(jié)拆除后空段長度為：450-20-39=391mm，設直管段的長度為L，則：

直管段長度L+直管段長度L800℃情況下的膨脹量=391-預留膨脹縫

L+19×10-6×L×780=391-19× 10-6×（2630+L）×（1000-800）

L≈374mm

實際設計時，考慮到原膨脹節(jié)法蘭螺栓腐蝕不嚴重，為安裝方便必須查找原膨脹節(jié)圖紙，預留法蘭螺栓突起部分40mm，實際設計時長度應為2段組成，主段長度L主=391-40=351mm，輔段長度L輔=374-351+現(xiàn)場焊接重合長度27=50mm

（2）直管段的外徑確定

考慮到原煙道直徑為450mm，可以取直徑450mm。

（3）直管段材料及厚度的確定

為保證同原煙道的壽命相同，材料選擇為316L不銹鋼，厚度為5mm。

（4）直管段支架確定

由于膨脹節(jié)損壞后，靠近窯爐磚結構端變形段（方孔變圓孔）只靠塞進窯爐磚結構連接部支撐，長期可能導致磚結構變形，為安全起見，直管段一端和原變形段焊接，在直管段下部安裝隔熱可調(diào)整支撐架。

（5）設計圖（如圖4所示）。

4.4 現(xiàn)場安裝情況（如圖5所示）

圖4

圖5

5 用直管段替代膨脹節(jié)在線施工注意事項

5.1 在拆除工作前，協(xié)調(diào)生產(chǎn)部門，認真研究施工方案及施工過程可能存在的問題，做好必要的預防措施和事前準備，如生產(chǎn)工藝參數(shù)調(diào)整，人員安全防護、防火措施等。

5.2 拆除時緩慢進行，注意人員燙傷、窯爐爐壓變化、煙道抽風風機的運行情況，確認無問題后，方可繼續(xù)施工。

5.3 安裝時直管段逐步推進，到位時調(diào)整角度、高度達要求后，先和窯爐端的變形段焊接加固。

5.4 待直管段升溫穩(wěn)定后，測量直管段及后段的溫度，計算升溫到800℃時產(chǎn)生的膨脹量，加上預留膨脹縫，調(diào)整直管段的輔段位置并焊接。

5.5 安裝保溫棉，注意預留膨脹縫處不能塞進保溫棉，保溫棉固定后，再裝保溫棉的外層。

5.6 觀察煙道抽風風機的運行頻率、爐壓變化情況、直管段支架的溫度，待穩(wěn)定且達要求后，方可整理工具收工。

5.7 做好施工總結

結語

本次改造通過對膨脹節(jié)損壞原因、設計要求及膨脹節(jié)的作用分析，采取了同鋼煙道同材質(zhì)同壁厚直管段在線更換措施，從2014年12月改造完成后運行到2016 年3月共27個月一直保持完好，避免定期在線更換膨脹節(jié)影響爐壓波動，從而造成對生產(chǎn)影響，取得預期效果。

參考文獻

［1］張可偉.催化裝置高溫煙道膨脹節(jié)開裂分析及改進［J］.煉油技術與工程，2014，44 （6）：30-33.

中圖分類號：TQ171

文獻標識碼：A