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        ASME規(guī)范下的全堆焊煙道在轉(zhuǎn)爐設(shè)備中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

        2021-10-21 09:19:18趙英春孫世寶
        工業(yè)加熱 2021年9期
        關(guān)鍵詞:爐口水壓試驗(yàn)堆焊

        趙英春,楊 平,崔 勇,孫世寶,宋 倩,梁 文

        (煙臺國冶冶金水冷設(shè)備有限公司,山東 煙臺 265500)

        1880年成立的美國機(jī)械工程師協(xié)會 (American Society of Mechanical Engineers,簡稱ASME),是技術(shù)、教育等領(lǐng)域內(nèi)世界性的工程學(xué)機(jī)構(gòu)。現(xiàn)發(fā)行的ASME標(biāo)準(zhǔn),通行于全球100多個(gè)國家。此次為安塞洛米塔爾鋼鐵集團(tuán)加拿大某鋼廠提供的全堆焊轉(zhuǎn)爐煙道,就是按照業(yè)主要求,依據(jù)2017 ASME Boiler &Pressure Vessel Code(第一卷:動力鍋爐建造規(guī)則)等設(shè)計(jì)制作完成的。

        轉(zhuǎn)爐煙道,作為轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要配套設(shè)備之一,工作環(huán)境十分惡劣。尤其是轉(zhuǎn)爐爐口附近的煙道,不僅受煙氣高溫氧化、硫化和汽蝕的考驗(yàn),還要受煙氣中粉塵顆粒的沖刷和磨損,有時(shí)還受到濺渣的沖擊和損傷,久而久之,受熱管機(jī)械強(qiáng)度下降,壁厚減薄,將導(dǎo)致冷卻管爆裂、漏水等事故發(fā)生,迫使系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。某國內(nèi)鋼廠,爐口煙道上線使用僅4個(gè)月左右就發(fā)生了漏水情況[1],不得不時(shí)常停爐檢修,嚴(yán)重干擾了鋼廠的正常生產(chǎn)。其他用煙道較好的鋼廠,使用爐口煙道16個(gè)月左右也會發(fā)生大面積漏水情況[2],帶來了很多的安全隱患和熱停工損失??傊?,煙道壽命還有很大的提升空間。

        根據(jù)煙道的實(shí)際工作條件及業(yè)主要求,此次設(shè)計(jì)制作的全堆焊轉(zhuǎn)爐煙道,基體仍采用碳鋼管,其表面采用當(dāng)前最先進(jìn)的鎳基合金(INCONEL625)堆焊保護(hù)技術(shù)。煙道雖然是按照ASME標(biāo)準(zhǔn)建造,因堆焊的關(guān)系,造價(jià)也較普通煙道高,但該煙道有效解決了轉(zhuǎn)爐該類設(shè)備承受高溫及交變應(yīng)力、粉塵沖刷、煙氣波動性大等問題,其新技術(shù)、新工藝也完全可以按國內(nèi)鍋爐標(biāo)準(zhǔn)國產(chǎn)化,能切實(shí)提高煙道的使用壽命,減少鋼廠的熱停工損失,降低檢修時(shí)間,創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

        1 煙道設(shè)計(jì)計(jì)算

        1.1 煙道主要技術(shù)參數(shù)

        工作壓力/MPa:1.8;

        工作溫度/℃:165;

        最大允許工作壓力/MPa:2.0;

        設(shè)計(jì)溫度/℃:261;

        煙道直徑/mm:3 769.6;

        受熱管直徑/mm:38.1;

        受熱管材質(zhì):SA-210MGr.A-1

        水壓試驗(yàn)溫度/℃:20~40。

        1.2 煙道結(jié)構(gòu)簡介

        煙道是帶彎頭的圓筒形結(jié)構(gòu),采用中壓強(qiáng)制循環(huán),下降管內(nèi)的飽和水經(jīng)鍋爐熱水循環(huán)泵加壓后進(jìn)入煙道下聯(lián)箱,以克服用于平衡各支路水阻的節(jié)流裝置的阻力。煙道拐點(diǎn)與水平面夾角為55°,見圖1。

        圖1 煙道結(jié)構(gòu)示意圖

        煙道下部拐點(diǎn)處設(shè)有兩個(gè)對稱下料孔,煙道中部設(shè)有氧槍孔。

        煙道水冷管豎直排列,上下由進(jìn)出口集箱連接,管子與管子之間加圓鋼(扁鋼)焊接組成膜式水冷壁結(jié)構(gòu)。

        1.3 鎳基(INCONEL625)堆焊保護(hù)技術(shù)簡介

        此技術(shù)是在普通碳鋼表面堆焊鎳基(INCONEL625)1.6~2.5 mm,由于INCONEL 625堆焊在受熱管表面后,材料表面局部性能已發(fā)生改變,呈近似于固溶強(qiáng)化處理的合金。據(jù)焊絲生產(chǎn)廠家實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄:鋼管表面堆焊后,堆焊層與鋼管基材膨脹率基本一致,在拉伸試驗(yàn)中,鋼管的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比堆焊前增加了約100 MPa;在870 ℃,裸露16 000 h后的高溫非比例延伸強(qiáng)度為435 MPa(遠(yuǎn)大于普通受熱管常溫非比例延伸強(qiáng)度245 MPa),在沸騰的醋酸中浸泡一年的腐蝕量僅為25 μm,由此可見堆焊材料具有非常好的抗氧化、耐蝕、耐磨及耐熱性能。堆焊層的溶合性能良好,且可通過控制焊縫的稀釋率減少對母材成分的影響。在強(qiáng)化鋼管的同時(shí),還可賦予鋼管以韌性,操作靈活,可針對設(shè)備薄弱環(huán)節(jié)對癥下藥。

        堆焊技術(shù)對比國內(nèi)一般常采用的超音速鎳鉻噴涂表面保護(hù)技術(shù),造價(jià)比噴涂高,但是孔隙率、抗腐蝕、抗氧化、耐高溫、延展性、抗沖蝕性、涂層壽命等各方面都大幅度勝出。因此此次選用了堆焊技術(shù),對受熱管采用360°螺旋圓周全堆焊的工藝(見圖2),以提高煙道的使用壽命。

        圖2 受熱管360°螺旋圓周全堆焊工藝示意圖

        1.4 煙道的計(jì)算

        用戶方、建造方和ASME授權(quán)檢驗(yàn)師(AI)作為ASME規(guī)范中僅有的三個(gè)參與者,用戶方負(fù)責(zé)提出產(chǎn)品的功能和要求,建造方負(fù)責(zé)設(shè)備的計(jì)算書、施工圖、材料采購、設(shè)備的制作及檢驗(yàn)等。而ASME規(guī)范和國內(nèi)鍋爐體系相同的一點(diǎn)是,兩者都是采用了控制一次薄膜應(yīng)力不超過許用應(yīng)力的設(shè)計(jì)思想,都有各自不同的安全系數(shù),以確保安全。需要注意的是,ASME標(biāo)準(zhǔn)涉及范圍廣,自封閉成統(tǒng)一體系,前后互相引用較多,實(shí)際計(jì)算時(shí)應(yīng)認(rèn)真查閱相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)條文,避免出錯。下面簡述設(shè)計(jì)過程。

        收到該產(chǎn)品訂單后,審核了客戶規(guī)格書,確保其按規(guī)范要求包含規(guī)范設(shè)計(jì)和制造所需的所有數(shù)據(jù)和要求,包含如下各個(gè)方面:所用的ASME規(guī)范卷及版本、設(shè)計(jì)壓力包括最大允許工作壓力(MAWP)(內(nèi)壓)、設(shè)計(jì)溫度、材料標(biāo)準(zhǔn)及牌號、無損檢測(NDE)要求和焊接接頭系數(shù)、焊后熱處理(PWHT)要求或其免除、壓力試驗(yàn)要求、焊接節(jié)點(diǎn)詳圖、尺寸和公差、腐蝕裕量、認(rèn)證標(biāo)記和NB鋼印信息、測量單位、介質(zhì)及其特性、特殊使用工況等。下面以煙道受熱管的計(jì)算為例,簡介煙道的計(jì)算過程。

        依據(jù)2017 ASME Boiler &Pressure Vessel Code(第一卷:動力鍋爐建造規(guī)則)標(biāo)準(zhǔn)中的PG-27.2.1,當(dāng)管子外徑不大于125 mm時(shí):

        式中:t為最小需要壁厚,mm;P為最大允許工作壓力,MPa;D為圓筒外徑,mm;S為在金屬設(shè)計(jì)溫度下的最大許用應(yīng)力,N,按PG-23規(guī)定取值;w為焊縫接頭強(qiáng)度減弱系數(shù),按PG-26規(guī)定取值;e為脹接管端部處的厚度因子,取值0。

        開始計(jì)劃的鋼管壁厚為4.57 mm,且需要考慮公稱管的制作偏差,因此按規(guī)范PG-27.4.7條款,鋼管有效壁厚為

        4.57-Cv=4.57-1=3.57 mm>t=0.511 mm

        式中:Cv為鋼管制造偏差。

        由此可見,選擇的鋼管壁厚滿足要求。

        按規(guī)范PG-99.1條款,水壓試驗(yàn)壓力是最高允許工作壓力的1.5倍,可以確認(rèn)該設(shè)備的水壓試驗(yàn)壓力是

        PH=1.5×2.0 MPa=3.0 MPa

        為了確保安全,按PG-27.2.1校核鋼管能否承受水壓試驗(yàn)的壓力,其最大允許承受的壓力為

        式中:SH為在金屬設(shè)計(jì)溫度下的最大許用應(yīng)力。

        可得MAP=30.65 MPa>PH=1.5×2.0 MPa=3.0 MPa

        可以推斷設(shè)備進(jìn)行水壓試驗(yàn)是安全的。

        總之,結(jié)合多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),合理設(shè)置各項(xiàng)計(jì)算參數(shù),依次按規(guī)范進(jìn)行各項(xiàng)設(shè)計(jì)計(jì)算,優(yōu)化煙道的性能,可以逐步確定設(shè)備所用的承壓材料都符合規(guī)范要求,也滿足了業(yè)主規(guī)格書的要求。

        2 全堆焊煙道特點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)勢

        2.1 煙道持久耐用

        因全面采用了INCONEL 625堆焊,并應(yīng)用鍋爐相關(guān)傳熱、流阻設(shè)計(jì)理論,此型的煙道服役年限成倍增長,經(jīng)久不壞。國內(nèi)爐口煙道一般服役年限為2年左右,該類煙道服役年限在10年以上。此次制作的煙道備件,最新一次的大修替換日期是在2009年,業(yè)主計(jì)劃是在2021年上線使用我們此次提供的煙道產(chǎn)品,即該業(yè)主使用爐口煙道約12年未更換新煙道。這意味著每年大量檢修損失的降低和生產(chǎn)效率的大大提升,具備較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

        2.2 受熱管基體仍采用碳鋼管,使煙道投資大幅度降低

        根據(jù)規(guī)范及相關(guān)計(jì)算,在確定碳鋼管能滿足要求的前提下,業(yè)主追求更高性能的設(shè)備,合金管替代碳鋼管,以高代低就不是第一選擇,用碳鋼管360°圓周螺旋堆焊的工藝,提升了鋼管本身的性能,造價(jià)比全合金管所制煙道降低,有利于業(yè)主降低投資,而設(shè)備性能卻比普通碳鋼管的煙道設(shè)備大幅度提升。

        而且該鋼管360°圓周螺旋堆焊后,仍可以采用膜式壁機(jī)器自動焊制作管屏技術(shù),生產(chǎn)效率高,焊縫質(zhì)量好,生產(chǎn)周期短,兩三個(gè)月即可完成制作。

        2.3 安全可靠有切實(shí)保證

        全堆焊的煙道結(jié)構(gòu),使承壓件管板的強(qiáng)度、耐沖蝕磨損等性能提升明顯,在正常生產(chǎn)條件下,克服了以前設(shè)備難以承受的轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝帶來的缺點(diǎn),正常服役期間不可能爆管與開裂,余熱鍋爐安全可靠性得到切實(shí)保證。

        3 結(jié) 論

        根據(jù)ASME規(guī)范設(shè)計(jì)制作的全堆焊煙道,因ASME該規(guī)范的控制一次薄膜應(yīng)力理念與國內(nèi)鍋爐規(guī)范相同,ASME標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)優(yōu)化的煙道,也完全可以在國標(biāo)下設(shè)計(jì)制作,這可以為轉(zhuǎn)爐煙道的新工藝提供參考,能夠推動我國轉(zhuǎn)爐煙道設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步。因全堆焊煙道具備的提高生產(chǎn)效率的巨大價(jià)值,完全可以在國內(nèi)推廣。

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