于占忠，張振存，熊 軍，王長水，樊統(tǒng)云

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063000）

波紋補(bǔ)償器在線移位包覆技術(shù)在熱風(fēng)管系應(yīng)用

于占忠，張振存，熊 軍，王長水，樊統(tǒng)云

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063000）

分析高爐熱風(fēng)管系波紋補(bǔ)償器出現(xiàn)腐蝕液體和焊縫開裂問題原因，采用波紋補(bǔ)償器在線移位包覆方式進(jìn)行處理，提高了焊縫強(qiáng)度。

波紋補(bǔ)償器；熱風(fēng)；腐蝕；包覆

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.44

1 高爐熱風(fēng)管系補(bǔ)償器

1.1 波紋補(bǔ)償器介紹

波紋補(bǔ)償器一般安裝于壓力管道的2個(gè)固定支座之間，通過波紋的伸縮變形來抵消管道熱脹冷縮產(chǎn)生的變形量，從而消除管道軸向或徑向內(nèi)應(yīng)力，防止管道撕裂，保證管道重要連接點(diǎn)可靠連接。它能補(bǔ)償管道的機(jī)械變形、熱位移和吸收各種機(jī)械振動(dòng)，有降低管道變形應(yīng)力和提高管道使用壽命的作用[1]。

1.2 熱風(fēng)管系波紋補(bǔ)償器概況

首鋼京唐公司5500 m3高爐配置4座新型頂燃式高風(fēng)溫長壽熱風(fēng)爐，設(shè)計(jì)風(fēng)溫1300℃，最高拱頂溫度1420℃，冷風(fēng)壓力0.55 MPa，冷風(fēng)風(fēng)量9300 m3/min。為便于熱風(fēng)爐各閥門的安裝、更換以及吸收管道的膨脹，在熱風(fēng)管系上設(shè)置了不同類型的金屬波紋補(bǔ)償器。

2 熱風(fēng)管系波紋補(bǔ)償器存在問題及原因分析

2.1 熱風(fēng)管系波紋補(bǔ)償器存在問題

熱風(fēng)管系流體溫度高且管道周期性變化，熱風(fēng)管道容易出現(xiàn)波紋補(bǔ)償器中間連接管上部管殼發(fā)紅、支管砌體破損等問題。自2011年下半年開始，京唐公司高爐熱風(fēng)管系相繼出現(xiàn)波紋變形、波紋與母體之間焊口開焊以及波紋管下部有黏稠液體流出等問題（圖 1）。

圖1 波紋補(bǔ)償器腐蝕性液體

2.2 波紋補(bǔ)償器腐蝕性液體流出成因分析

高爐鼓風(fēng)中的氮?dú)夂脱鯕?，高溫下可生成氮氧化物，溫度越高，氮氧化物濃度越大。?dāng)熱風(fēng)爐拱頂溫度＞1450℃時(shí)（換爐充壓期間），氮氧化物濃度可高達(dá)35%，而燃燒期間火焰溫度＞1500℃，氮氧化物可傳至熱風(fēng)爐本體和管系。查1#熱風(fēng)爐近一個(gè)月的燒火過程中拱頂溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，每天至少有1 h時(shí)間＞1420℃，最高瞬時(shí)溫度可達(dá)1486℃。例如3月1日，1#熱風(fēng)爐22:40-22:44，拱頂溫度在1477～1486℃持續(xù)了4 min，為產(chǎn)生氮氧化物提供了溫度條件。煤氣中的硫被氧化為氧化硫產(chǎn)物。氧化硫產(chǎn)物與熱風(fēng)爐殼上的冷凝水作用生成H2SO4，在有Fe3+時(shí)成為鋼材的強(qiáng)腐蝕劑。H2SO4和HNO3氣體的露點(diǎn)約170℃，而波紋補(bǔ)償器漏點(diǎn)處鋼殼溫度約70℃，遠(yuǎn)低于此溫度，容易形成腐蝕性液體[4]。腐蝕液從熱風(fēng)爐殼體存在應(yīng)力處（如焊縫）沿著晶格侵入、擴(kuò)展而致破裂。同時(shí)由于熱風(fēng)爐操作中會緩慢產(chǎn)生脈沖拉應(yīng)力和疲勞應(yīng)力，應(yīng)力有超過屈服極限的可能，從而加速腐蝕破裂。

綜上所述，豎管波紋管處流出的黏稠液體可能是HNO3和H2SO4氣體進(jìn)入縫隙遇冷凝結(jié)，對YJ-250耐酸性能薄弱的部位產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕，穿透鋼殼所致。

技術(shù)人員對波紋管下方流出物取樣化驗(yàn)分析。物相檢測結(jié)果為 Al（NO3）3·9H2O 含量 73.4%，Ca3SiO5含量為 16.9%，CaF2含量為 9.7%。流出物主要成分為 A（lN03）3·9H2O，是典型的晶間應(yīng)力腐蝕。

2.3 波紋補(bǔ)償器開裂原因分析

高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)熱風(fēng)支管及熱風(fēng)總管波紋補(bǔ)償器，自2011年開始陸續(xù)出現(xiàn)焊縫開焊現(xiàn)象。分析原因：熱風(fēng)爐投入運(yùn)行后，存在較大膨脹變形，致使波紋補(bǔ)償器部位存在較大的應(yīng)力，尤其是檢修及送風(fēng)前后，溫度變化較大，波紋補(bǔ)償器承受較大交變應(yīng)力；現(xiàn)場觀察，局部波紋補(bǔ)償器底部存有積水，也會對焊縫造成一定腐蝕，從而減少有效焊接寬度。在這種情況下，在波紋補(bǔ)償器的薄弱位置（碳鋼與不銹鋼的結(jié)合處）出現(xiàn)應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫撕裂。

3 解決方案

3.1 補(bǔ)焊加強(qiáng)處理方案

波紋補(bǔ)償器出現(xiàn)上述問題后，首先對焊縫進(jìn)行焊接加強(qiáng)，提高焊肉寬度和厚度，在止漏的同時(shí)對原始波紋補(bǔ)償器焊縫實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)作用，避免頻繁開裂造成補(bǔ)償器失效?，F(xiàn)場測量，焊縫寬約5 mm（圖2），波紋管與環(huán)板焊接焊縫面積較小。分析認(rèn)為，原焊接寬度不能充分滿足波紋補(bǔ)償器的應(yīng)力，此外管線因溫差產(chǎn)生冷凝與管線內(nèi)含硫介質(zhì)混合，產(chǎn)生腐蝕液體，浸透在補(bǔ)償器內(nèi)壁。波紋管材料為INCOLOY825，耐腐蝕性能較強(qiáng)，而接管則為碳鋼，耐腐蝕較差，焊縫的碳鋼焊接截面積受腐蝕減少，強(qiáng)度下降，造成泄漏。所以，應(yīng)增加焊縫與碳鋼材料的焊接面積，提高焊縫強(qiáng)度，對整圈焊縫進(jìn)行加強(qiáng)：可先用不銹鋼鋼刷對焊縫進(jìn)行打磨，除銹除漆；然后沿原焊縫進(jìn)行焊接，使整個(gè)焊縫向外側(cè)碳鋼部位擴(kuò)展到寬15 mm，高3 mm，加強(qiáng)焊縫強(qiáng)度，防止應(yīng)力撕裂情況（圖3）。

為確保安全防止打磨及焊接過程中，須在高爐停風(fēng)狀態(tài)，即熱風(fēng)管道內(nèi)無壓力的情況下進(jìn)行施工，每臺波紋補(bǔ)償器處理時(shí)間約12 h。為此利用高爐停風(fēng)檢修時(shí)機(jī)進(jìn)行實(shí)施，但送風(fēng)后不久，焊接部位再次開焊。對開焊部位再次補(bǔ)焊后，波紋管沿焊縫方向又出現(xiàn)新的開裂情況，只能采取加裝壓板或填充金屬密封膠強(qiáng)制密封的方法進(jìn)行臨時(shí)處理。使用一段時(shí)間后，波紋補(bǔ)償器還是反復(fù)開裂。波紋補(bǔ)償器焊縫補(bǔ)焊加強(qiáng)處理方案，沒有解決補(bǔ)償器腐蝕開裂問題，熱風(fēng)管系波紋補(bǔ)償器存在極大全隱患。

圖2 波紋補(bǔ)償器漏點(diǎn)

圖3 補(bǔ)焊加強(qiáng)方案

3.2 波紋補(bǔ)償器在線移位包覆方案

由于熱風(fēng)管系屬于高溫高壓管道，其內(nèi)部均砌有耐火磚，無法長時(shí)間停風(fēng)停爐，此部位波紋補(bǔ)償器無法進(jìn)行更換。為解決熱風(fēng)管系波紋補(bǔ)償器反復(fù)開裂問題，保證高爐連續(xù)生產(chǎn)，只能對波紋補(bǔ)償器進(jìn)行外部包覆。受位移量、外部空間和高爐生產(chǎn)影響，最好的辦法就是采用在線移位包覆方式進(jìn)行處理：一方面，外層補(bǔ)償器可以吸收管道變形保證管道自由膨脹；另一方面，由于外層補(bǔ)償器隔絕了腐蝕介質(zhì)，會提高焊縫強(qiáng)度。為了不增加軸向盲板力，波紋管采用移位打包的方式。補(bǔ)償器采用架高結(jié)構(gòu)、波紋管采用單層結(jié)構(gòu)，帶鎧裝環(huán)。波紋管材質(zhì)采用INCOLOY825（圖 4）。

4 結(jié)語

波紋補(bǔ)償器在線移位包覆技術(shù)，一方面可以實(shí)現(xiàn)原波紋補(bǔ)償器的封閉，降低波紋補(bǔ)償器與熱風(fēng)管道內(nèi)部溫度差，避免管道冷凝水的凝結(jié)析出，降低補(bǔ)償器下部晶間應(yīng)力腐蝕。另一方面可以保留補(bǔ)償器對管道變形的吸收量，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功能。因此，高爐熱風(fēng)管系波紋補(bǔ)償器采用在線移位包覆技術(shù)，可以減少高爐熱風(fēng)爐停產(chǎn)的損失，對高爐正常生產(chǎn)意義重大。

［1］楊定國.波紋管補(bǔ)償器在煤氣管道系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究［J］.冶金動(dòng)力，1998（6）：46-48.

［2］朱俊，雙世忠.熱風(fēng)爐拱頂聯(lián)絡(luò)管金屬波紋管在線包覆實(shí)踐［J］.安徽冶金，2011（4）：27-28.

［3］葛子余.波紋補(bǔ)償器及其在煉鐵系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煉鐵，1989（4）：21-25.

［4］魏寶明.金屬腐蝕理論及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1984.

圖4 熱風(fēng)主管補(bǔ)償打包示意

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〔編輯 吳建卿〕