金屬軟管爆裂原因分析及對(duì)策

李良華 曹銀平 張福行 寶鋼股份煉鐵廠

金屬軟管爆裂原因分析及對(duì)策

李良華 曹銀平 張福行 寶鋼股份煉鐵廠

寶鋼“以煙道氣做載氣的蒸汽多管回轉(zhuǎn)煤調(diào)濕工藝（Steam Tube Dryer+Inertia，簡(jiǎn)稱STD+I）”供熱介質(zhì)包括煙道氣和蒸汽，以蒸汽的間接換熱為主。其“蒸汽—凝液”系統(tǒng)如圖1所示：管網(wǎng)蒸汽穩(wěn)壓后經(jīng)由調(diào)節(jié)閥分兩路，主體經(jīng)金屬軟管A和旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入干燥機(jī)汽室和換熱管，完成換熱后的蒸汽凝液依靠干燥機(jī)的旋轉(zhuǎn)和凝液自重從旋轉(zhuǎn)接頭經(jīng)由金屬軟管B1-B2進(jìn)入凝液罐，見圖2。干燥機(jī)換熱管內(nèi)的未凝蒸氣從尾部不凝氣管排出。凝液罐的液位由出口液位調(diào)節(jié)閥控制，超出控制值時(shí)閥門開啟，凝液依靠直接通入凝液罐的蒸汽的壓力排至閃蒸罐。

圖1 蒸汽凝液系統(tǒng)流程

圖2 旋轉(zhuǎn)接頭及金屬軟管結(jié)構(gòu)

1 事故狀態(tài)

煤調(diào)濕設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中，各項(xiàng)參數(shù)正常，中控操作員發(fā)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)接頭攝像監(jiān)控畫面被蒸汽遮蔽，工藝畫面上凝液罐液位迅速下降至0，蒸汽流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)定值，蒸汽主管壓力迅速下降。操作員立即關(guān)閉蒸汽總閥，停止了干燥機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)凝液回水管B1爆裂，金屬軟管的不銹鋼內(nèi)襯撕裂、飛濺，金屬軟管的斷面形態(tài)及內(nèi)襯碎片見圖3、圖4：

圖3 金屬軟管斷口斷面

圖4 飛濺的不銹鋼波紋管碎片

2 原因分析

2.1 金屬軟管質(zhì)量問題

金屬軟管直徑250mm，長(zhǎng)3.75m，設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，屬于非標(biāo)件，制造難度較大。但考慮到工況的最大壓力僅1.6MPa，安全系數(shù)較高，軟管內(nèi)襯為0.8mm厚不銹鋼波紋管，有較好的剛度和撓度，抗腐蝕能力也較強(qiáng)。軟管外部為致密鋼絲網(wǎng)，若不考慮泄漏，僅該層鋼絲網(wǎng)亦能承受1.6MPa的壓力。且金屬軟管出廠時(shí)經(jīng)過嚴(yán)格的打壓測(cè)試，對(duì)軟管質(zhì)量問題的懷疑基本可以排除。

2.2 金屬疲勞

與旋轉(zhuǎn)接頭連接的金屬軟管在干燥機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中將承受周期性的撓動(dòng)負(fù)荷，以B1凝液回水管為例進(jìn)行分析，如圖5所示。金屬軟管上端與旋轉(zhuǎn)接頭通過法蘭連接，軟管下端通過法蘭與凝液罐回水管連接。由于凝液罐為地面構(gòu)筑物，可認(rèn)為是靜止的，與之相連的金屬軟管下端亦是穩(wěn)定的。在干燥機(jī)系統(tǒng)冷態(tài)加熱時(shí)，金屬軟管將產(chǎn)生縱向的膨脹伸縮。干燥機(jī)旋轉(zhuǎn)的過程中，與之對(duì)接的旋轉(zhuǎn)接頭也會(huì)產(chǎn)生一定的撓動(dòng)，造成金屬軟管隨之橫向偏移，對(duì)軟管下端的A和A1點(diǎn)造成擠壓和拉伸，載荷周期為4.25次/分。在長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力作用下，造成A-A1斷面波紋管疲勞。

圖5 金屬軟管運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖

從受力分析來看的確是金屬軟管下端所受應(yīng)力最大，加之該處為波紋管與法蘭的焊接點(diǎn)，強(qiáng)度相對(duì)薄弱，與現(xiàn)場(chǎng)的軟管爆裂位置吻合。但實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，旋轉(zhuǎn)接頭固定在井字梁上，兩側(cè)均設(shè)置有止轉(zhuǎn)桿，目的就是防止旋轉(zhuǎn)接頭跟轉(zhuǎn)和振動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)中現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)，振動(dòng)也是不可見的，微小的振動(dòng)完全在金屬軟管的彈性范圍以內(nèi)。且若A-A1截面真的發(fā)生疲勞失效，首先應(yīng)該是出現(xiàn)裂紋和蒸汽泄漏現(xiàn)象，然后可能會(huì)出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，而不應(yīng)該是爆裂，斷面也不會(huì)如此整齊。故金屬疲勞失效的說法也不成立。

2.3 水擊現(xiàn)象

有關(guān)文獻(xiàn)指出了兩種不同性質(zhì)的水擊原因：1)積聚在管路中的冷凝水，突然被高速流動(dòng)的蒸汽托起和帶走；2)蒸汽與低溫積水相遇時(shí)，蒸汽凝結(jié)，造成局部真空，引起周圍介質(zhì)高速?zèng)_擊。第一種情況下，水擊方向與蒸汽流動(dòng)方向相同；第二種情況下，水擊方向與蒸汽流動(dòng)方向相反，即水與蒸汽對(duì)流沖擊。干燥機(jī)的蒸汽凝液系統(tǒng)中，存在冷凝水，也存在有加熱蒸汽，完全存在水擊的環(huán)境，問題點(diǎn)在于冷凝水和蒸汽發(fā)生水擊時(shí)的條件——溫差，在何時(shí)、何處出現(xiàn)？

爆管發(fā)生前一周時(shí)，由于來煤水分加大，增大了干燥機(jī)蒸汽用量，凝液罐壓力由0.7～0.9MPa增至1.2～1.3MPa，與管網(wǎng)壓力接近。蒸汽換熱管內(nèi)的凝液量顯著增大，由之前的層狀流變化為塞狀流，水塞攜帶蒸汽進(jìn)入金屬軟管，未凝蒸汽在3.75m長(zhǎng)的未設(shè)保溫的金屬軟管管段發(fā)生冷凝，后面的水塞在真空抽吸和重力加速的作用下，對(duì)金屬軟管下端管路改向處形成劇烈水擊，在最薄弱的軟管下端釋放壓力，形成軟管爆裂現(xiàn)象。只有水擊現(xiàn)象才能解釋金屬軟管斷面整齊、波紋管內(nèi)襯被擊平的事故現(xiàn)場(chǎng)。

爆管前蒸汽流量調(diào)節(jié)閥開度已達(dá)100%，從爆管后蒸汽流量迅速增加來看，干燥機(jī)的換熱能力是受限的。在供熱無法滿足系統(tǒng)要求的情況下，將造成冷凝水溫度偏低。而凝液罐由于與蒸汽主管直接連通，凝液罐上部蒸汽溫度和壓力都較高，當(dāng)溫度偏低的冷凝水進(jìn)入凝液罐時(shí)，將使冷凝水產(chǎn)生二次蒸汽，壓力瞬間上升，也會(huì)產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。

以上兩種水擊現(xiàn)象在蒸汽用量不斷增加、凝液罐壓力隨之升高的情況下，是一直存在的，只是強(qiáng)弱有差別，爆管現(xiàn)象的發(fā)生是水擊壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬軟管受壓極限的極端體現(xiàn)。

3 對(duì)策

為防止水擊爆管現(xiàn)象的再次發(fā)生：

1）在旋轉(zhuǎn)接頭與凝液罐間增設(shè)凝液包，氣液分離，避免塞狀流的出現(xiàn)。這樣縮短了金屬軟管長(zhǎng)度，若進(jìn)一步對(duì)軟管設(shè)置保溫，即使出現(xiàn)夾帶未凝蒸汽的塞狀流，也不會(huì)出現(xiàn)急速冷凝引發(fā)水擊的現(xiàn)象。

2）在凝液罐上部的壓力平衡管上加設(shè)流量調(diào)節(jié)閥。通過控制直接進(jìn)入凝液罐的蒸汽流量，控制凝液罐內(nèi)適當(dāng)壓力。這樣既有利于凝液的順利排出，避免凝液溫度過低，又能控制凝液罐內(nèi)蒸汽溫度，從而避免溫差過大導(dǎo)致的水擊出現(xiàn)。

采取以上措施后，煤調(diào)濕系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

2013－07－15）