波紋補償器在線移位包覆技術(shù)在熱風管系應(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)合有限責任公司，河北唐山 063000）

波紋補償器在線移位包覆技術(shù)在熱風管系應(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)合有限責任公司，河北唐山 063000）

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

波紋補償器；熱風；腐蝕；包覆

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.44

1 高爐熱風管系補償器

1.1 波紋補償器介紹

波紋補償器一般安裝于壓力管道的2個固定支座之間，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可靠連接。它能補償管道的機械變形、熱位移和吸收各種機械振動，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 熱風管系波紋補償器概況

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

2 熱風管系波紋補償器存在問題及原因分析

2.1 熱風管系波紋補償器存在問題

熱風管系流體溫度高且管道周期性變化，熱風管道容易出現(xiàn)波紋補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 波紋補償器腐蝕性液體

2.2 波紋補償器腐蝕性液體流出成因分析

高爐鼓風中的氮氣和氧氣，高溫下可生成氮氧化物，溫度越高，氮氧化物濃度越大。當熱風爐拱頂溫度＞1450℃時（換爐充壓期間），氮氧化物濃度可高達35%，而燃燒期間火焰溫度＞1500℃，氮氧化物可傳至熱風爐本體和管系。查1#熱風爐近一個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時間＞1420℃，最高瞬時溫度可達1486℃。例如3月1日，1#熱風爐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)物與熱風爐殼上的冷凝水作用生成H2SO4，在有Fe3+時成為鋼材的強腐蝕劑。H2SO4和HNO3氣體的露點約170℃，而波紋補償器漏點處鋼殼溫度約70℃，遠低于此溫度，容易形成腐蝕性液體[4]。腐蝕液從熱風爐殼體存在應(yīng)力處（如焊縫）沿著晶格侵入、擴展而致破裂。同時由于熱風爐操作中會緩慢產(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 波紋補償器開裂原因分析

高爐熱風爐系統(tǒng)熱風支管及熱風總管波紋補償器，自2011年開始陸續(xù)出現(xiàn)焊縫開焊現(xiàn)象。分析原因：熱風爐投入運行后，存在較大膨脹變形，致使波紋補償器部位存在較大的應(yīng)力，尤其是檢修及送風前后，溫度變化較大，波紋補償器承受較大交變應(yīng)力；現(xiàn)場觀察，局部波紋補償器底部存有積水，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，進而導致焊縫撕裂。

3 解決方案

3.1 補焊加強處理方案

波紋補償器出現(xiàn)上述問題后，首先對焊縫進行焊接加強，提高焊肉寬度和厚度，在止漏的同時對原始波紋補償器焊縫實現(xiàn)加強作用，避免頻繁開裂造成補償器失效。現(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。分析認為，原焊接寬度不能充分滿足波紋補償器的應(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，浸透在補償器內(nèi)壁。波紋管材料為INCOLOY825，耐腐蝕性能較強，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，提高焊縫強度，對整圈焊縫進行加強：可先用不銹鋼鋼刷對焊縫進行打磨，除銹除漆；然后沿原焊縫進行焊接，使整個焊縫向外側(cè)碳鋼部位擴展到寬15 mm，高3 mm，加強焊縫強度，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，須在高爐停風狀態(tài)，即熱風管道內(nèi)無壓力的情況下進行施工，每臺波紋補償器處理時間約12 h。為此利用高爐停風檢修時機進行實施，但送風后不久，焊接部位再次開焊。對開焊部位再次補焊后，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制密封的方法進行臨時處理。使用一段時間后，波紋補償器還是反復開裂。波紋補償器焊縫補焊加強處理方案，沒有解決補償器腐蝕開裂問題，熱風管系波紋補償器存在極大全隱患。

圖2 波紋補償器漏點

圖3 補焊加強方案

3.2 波紋補償器在線移位包覆方案

由于熱風管系屬于高溫高壓管道，其內(nèi)部均砌有耐火磚，無法長時間停風停爐，此部位波紋補償器無法進行更換。為解決熱風管系波紋補償器反復開裂問題，保證高爐連續(xù)生產(chǎn)，只能對波紋補償器進行外部包覆。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行處理：一方面，外層補償器可以吸收管道變形保證管道自由膨脹；另一方面，由于外層補償器隔絕了腐蝕介質(zhì)，會提高焊縫強度。為了不增加軸向盲板力，波紋管采用移位打包的方式。補償器采用架高結(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

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

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

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

［3］葛子余.波紋補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：化學工業(yè)出版社，1984.

圖4 熱風主管補償打包示意

TF549+.9

B

〔編輯 吳建卿〕