不銹鋼連續(xù)光亮退火爐馬弗管修復(fù)方案探討

胡典石

（中冶南方（武漢）熱工有限公司，湖北 武漢 430000）

隨著時(shí)代的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，我國(guó)不銹鋼市場(chǎng)的消費(fèi)水平一直呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，高端不銹鋼的應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越多，因此用于生產(chǎn)、加工高端不銹鋼的連續(xù)光亮退火機(jī)組產(chǎn)線也越來(lái)越多。連續(xù)光亮退火機(jī)組分為立式光亮退火和臥式光亮退火，其中立式光亮退火機(jī)組比臥式光亮退火機(jī)組生產(chǎn)的產(chǎn)品擁有更高的質(zhì)量和附加值，但是立式光亮退火機(jī)組產(chǎn)線需要更大的投資，長(zhǎng)期以來(lái)，立式光亮退火機(jī)組產(chǎn)線市場(chǎng)被國(guó)外公司壟斷（日本中外爐和奧地利艾伯納工業(yè)爐），2012年立式光亮退火機(jī)組由中冶南方實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。

不銹鋼連續(xù)光亮退火爐是光亮退火機(jī)組產(chǎn)線的核心設(shè)備，立式光亮退火馬弗管需要承受高溫（1100℃）和高溫下自身重力的應(yīng)力，一般選用鎳基合金601或以上的材質(zhì)。由于鎳基合金601材質(zhì)附加值高，價(jià)格昂貴，而國(guó)內(nèi)601材質(zhì)又不能滿足馬弗管的使用要求，加上馬弗管長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境，屬于易損件，需要定期更換備件，因此國(guó)內(nèi)立式光亮退火機(jī)組一直以來(lái)都有降低馬弗管備件成本的需求。

1 項(xiàng)目概述

1.1 立式光亮退火爐工作原理

立式光亮退火爐主要由爐子本體、馬弗管、密封塞、燃燒控制以及管路系統(tǒng)組成，馬弗管豎直放置于爐堂內(nèi)。退火爐采用間接加熱的方式，燃料或電能在爐膛內(nèi)產(chǎn)生熱量來(lái)加熱馬弗管。馬弗管主要通過(guò)輻射傳熱的方式加熱帶鋼，內(nèi)充氮?dú)狻錃獗Ｗo(hù)性氣體，用于隔絕外部媒介。日本中外爐馬弗管進(jìn)、出口兩側(cè)采用耐高溫陶瓷纖維塞頭密封（馬弗進(jìn)口和出口端置于爐膛外側(cè)），艾伯納工業(yè)爐馬弗管出口使用耐高溫陶瓷纖維塞頭密封，進(jìn)口采用油密封。

1.2 項(xiàng)目背景說(shuō)明

某不銹鋼廠搬遷，有2條光亮退火線，光亮退火爐為日本中外爐承建，現(xiàn)有2個(gè)相同的舊馬弗管（舊馬弗管尺寸內(nèi)徑為1750mm，長(zhǎng)度為16215mm）。利用2個(gè)舊馬弗管的材料做一個(gè)新的馬弗管，將其作為備件（新馬弗管尺寸內(nèi)徑為1400mm，長(zhǎng)度為18416mm）。2個(gè)舊馬弗管中的一個(gè)使用了8個(gè)月，另外一個(gè)使用了3年，二者之前同為燃?xì)廨椛浼訜帷?/p>

進(jìn)行修復(fù)之前，對(duì)每個(gè)舊馬弗管從上部到下部（上、中、下）切割3塊取樣，將試板標(biāo)記做焊評(píng)試驗(yàn)、成分檢查分析以及第三方檢測(cè)，第三方檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 第三方檢測(cè)結(jié)果

使用3年和使用8個(gè)月的馬弗管經(jīng)過(guò)高溫退火，雖然材料性能均有下降（3年的馬弗管材料性能下降得更明顯），經(jīng)過(guò)材料成分分析和焊評(píng)，初步判定2個(gè)馬弗管的材料還可以繼續(xù)使用，具有修復(fù)價(jià)值。

2 修復(fù)方案

2.1 實(shí)施前初步制定的維修方案

初步維修方案如下：1）舊馬弗管的處理。將2個(gè)舊馬弗管托運(yùn)回廠后對(duì)表面進(jìn)行初步處理，除去灰塵和雜物；檢查筒體表面，將較大缺陷做好標(biāo)記（劃線尺寸大于實(shí)際要求尺寸50mm～100mm，切割線劃線避開(kāi)焊縫及缺陷位置；對(duì)筒體進(jìn)行切割（沿著以前的焊縫位置），然后通過(guò)滾床對(duì)筒體做校平處理；將板材清洗干凈，對(duì)板材進(jìn)行檢測(cè)（使用放大鏡檢測(cè)表面缺陷，用PT檢測(cè)、確認(rèn)疑似缺陷，每塊板超聲抽查20%，如有缺陷，全部檢查。2）新制造馬弗管的主要工序。

立式不銹鋼光亮退火爐馬弗管由從上到下不等厚的高溫耐熱合金板卷601制成的筒體拼接而成，其主要生產(chǎn)工序?yàn)榘辶掀驴诩庸ぁ⑼搀w卷制、筒體縱縫焊接、筒體環(huán)縫焊接以及頂部法蘭裝配等。修復(fù)時(shí)選用2個(gè)舊馬弗檢測(cè)合格的基板，利用不同厚度合格的基板組合進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，優(yōu)先并最大限度地使用8個(gè)月的馬弗管材料，按照新做馬弗的工序和要求進(jìn)行制造和探傷檢查，最終做出一個(gè)新的馬弗管。

2.2 實(shí)施過(guò)程中的維修方案

將運(yùn)回的馬弗進(jìn)行預(yù)處理，解體拆除，然后進(jìn)行校平。但是在校平的過(guò)程中，由于馬弗管長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境，材料性能已發(fā)生較大變化，脆性變大，筒體在校平機(jī)碾軋過(guò)程中局部發(fā)生細(xì)微裂紋，因此對(duì)原維修方案進(jìn)行修改和調(diào)整。為了避免舊馬弗板再次出現(xiàn)裂紋，對(duì)解體后的舊馬弗筒體不再通過(guò)壓平校直，對(duì)解體后的馬弗筒體進(jìn)行探傷檢查，選取沒(méi)有問(wèn)題的筒體做滾圓加工。滾圓縮徑將舊筒體內(nèi)徑1750mm變?yōu)閮?nèi)徑1400mm，其他方案保持不變。通過(guò)篩選解體舊馬弗管每節(jié)筒體材料，設(shè)計(jì)不同厚度的位置分布，設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)方案計(jì)算冷態(tài)條件下馬弗管每節(jié)的懸垂重力應(yīng)力分布和現(xiàn)有國(guó)外運(yùn)行馬弗爐（中外爐）冷態(tài)條件下馬弗管每節(jié)應(yīng)力（馬弗懸垂?fàn)顟B(tài)下自身重力產(chǎn)生的應(yīng)力）分布，分別見(jiàn)表3和表4。

表3 冷態(tài)條件下馬弗管每節(jié)的懸垂重力應(yīng)力分布

表4 現(xiàn)有國(guó)外運(yùn)行馬弗爐（中外爐）冷態(tài)條件下馬弗管每節(jié)應(yīng)力分布

該文修復(fù)的馬弗管用作現(xiàn)有國(guó)外運(yùn)行馬弗爐的備件，通過(guò)表3、表4的應(yīng)力對(duì)比可知，冷態(tài)條件下維修馬弗管第1節(jié)、第3節(jié)的應(yīng)力大于現(xiàn)有國(guó)外運(yùn)行馬弗爐馬弗管的應(yīng)力值。結(jié)合馬弗管設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，該文的馬弗管設(shè)計(jì)方案雖然滿足冷態(tài)應(yīng)力要求，但是由于維修的馬弗管材料為使用過(guò)的舊材料，考慮安全性，該文對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 內(nèi)容及要求

在設(shè)計(jì)的馬弗二維平面設(shè)計(jì)圖基礎(chǔ)上，建立馬弗管結(jié)構(gòu)本體的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）仿真分析模型。

馬弗應(yīng)力分析（含大小和分布），即模擬馬弗自重懸掛的純重力載荷工況，并對(duì)該工況進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力分析。載荷工況為馬弗連接法蘭固定時(shí)，馬弗依靠自重懸掛；載荷工況為馬弗連接法蘭固定時(shí)，馬弗依靠自重懸掛，馬弗溫度1090℃，其余覆蓋陶瓷纖維毯部分的鋼結(jié)構(gòu)溫度為300℃。

3.2 技術(shù)資料及數(shù)據(jù)

馬弗材質(zhì)為601合金，與法蘭（310S不銹鋼）焊接而成[1]。其鋼結(jié)構(gòu)各部分材料成分與機(jī)械性能參考數(shù)據(jù)見(jiàn)表5～表7。

表5 材料機(jī)械性能（室溫）

表6 AISI310S在溫升下短期強(qiáng)度和延伸率

表7 馬弗的熱物理性質(zhì)

3.3 熱-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力分析

3.3.1 溫度載荷邊界條件

因馬弗上、下段存在耐材，考慮其鋼結(jié)構(gòu)各個(gè)位置的熱傳導(dǎo)、對(duì)流造成的溫度差異，馬弗鋼結(jié)構(gòu)溫度值施加見(jiàn)表8。

表8 馬弗鋼結(jié)構(gòu)溫度載荷參數(shù)

每隔100mm左右使管身溫度增加100℃，從法蘭陶瓷密封塞300℃均勻過(guò)渡到1090℃并逐步遞增，同理，其材料物性也根據(jù)300℃的熱膨脹系數(shù)過(guò)渡到1090℃的熱膨脹系數(shù)。通過(guò)模擬計(jì)算，馬弗熱-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力分布云圖如圖1所示[2]。

3.3.2 主要零部件的應(yīng)力及分布

由于整體熱應(yīng)力比純機(jī)械應(yīng)力大，最大應(yīng)力部位對(duì)應(yīng)的材料具備足夠的強(qiáng)度，又由于零部件包括不同材料或采用不同厚度的鋼板焊接，因此有必要考察主要零部件的應(yīng)力水平和局部分布，分別進(jìn)行強(qiáng)度校核，以全面深入地評(píng)價(jià)馬弗鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的承載能力。整體系統(tǒng)的CAE仿真分析已得出所有單元的應(yīng)力，純機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力上的最大應(yīng)力及其發(fā)生部位的分析結(jié)果見(jiàn)表9，其中括號(hào)里的尺寸為最大應(yīng)力單元所屬的零件板厚。

表9 各主要零部件（局部）最大應(yīng)力和所在部位

3.4 馬弗整體結(jié)構(gòu)位移變形結(jié)果

模擬仿真結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)也得到了整體結(jié)構(gòu)變形的全域數(shù)值信息，確定了與應(yīng)力分析對(duì)應(yīng)的2種工況時(shí)的變形行為。馬弗整體結(jié)構(gòu)的最大位移和部位見(jiàn)表10。與應(yīng)力分析的結(jié)果指明的最惡劣工況類似，熱-結(jié)構(gòu)耦合時(shí)出現(xiàn)全域最大的彈性變形位移值。最大彈性變形位移雖然表現(xiàn)在某一點(diǎn)上，但它是整體結(jié)構(gòu)各部分位移積累的相對(duì)綜合效應(yīng)。

表10 馬弗整體最大變形位移和部位

3.5 模擬結(jié)論

該文仿真結(jié)合實(shí)際馬弗管運(yùn)行的工況條件，應(yīng)用有限元法，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真與材料力學(xué)公式計(jì)算，驗(yàn)證了馬弗在自重懸掛下的應(yīng)力和方向的分布。鑒于馬弗材料特殊，在計(jì)算熱應(yīng)力中，除上端陶瓷纖維密封塞處溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力（108MPa）稍大，馬弗爐身熱應(yīng)力為1MPa左右（1090℃均勻時(shí)），其余部位應(yīng)力較小，法蘭自身熱應(yīng)力為45.3MPa（300℃）。參考蒂森克虜伯提供馬弗（601合金）材料屬性，馬弗的熔點(diǎn)約為1320℃～1370℃。馬弗在1090℃高溫下工作時(shí)存在高溫蠕變和高溫疲勞現(xiàn)象，但是馬弗爐身和法蘭在工作溫度下所受最大熱應(yīng)力均在其屈服強(qiáng)度內(nèi)，因此滿足安全使用要求。

4 修復(fù)方案確定

對(duì)該文馬弗管修復(fù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行冷態(tài)和熱態(tài)模擬計(jì)算后可知，設(shè)計(jì)方案雖然符合要求，但是由于馬弗上部出口位置處應(yīng)力較大，而第2節(jié)馬弗筒體選用的是3年的舊馬弗材料，從安全的角度考慮，馬弗管上部應(yīng)力位置較大處應(yīng)盡量減少使用3年的舊馬弗材料，因此需要重新從現(xiàn)有材料中進(jìn)行選擇，找到8個(gè)月舊馬弗管出口位置段，從中選取未變形的材料（由于馬弗管出口側(cè)有一段有密封塞耐材的保護(hù)和暴露于爐外環(huán)境中，溫度≤350℃，因此材料仍然保持良好的性能），結(jié)合馬弗管的整體方案，避開(kāi)應(yīng)力變形最大和筒體焊縫位置，只選用600mm長(zhǎng)的筒體，將該節(jié)筒體作為維修馬弗管的第0節(jié)，上述方案中的第1節(jié)作為第1節(jié)長(zhǎng)度不變，第2節(jié)作為第2節(jié)且長(zhǎng)度減少600mm，其他位置和長(zhǎng)度保持不變。另外考慮馬弗管最下端（帶鋼進(jìn)口處）溫差變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，將上述方案第8節(jié)和第9節(jié)位置互換，以此作為修復(fù)的最終方案，見(jiàn)表11。

表11 最終方案

5 結(jié)論

該文以某鋼廠馬弗維修項(xiàng)目為實(shí)例，詳細(xì)論述了馬弗管維修的過(guò)程和方案，通過(guò)冷態(tài)馬弗管應(yīng)力計(jì)算和熱態(tài)馬弗管數(shù)值模擬的方式對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)舊馬弗管材料進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，制成一個(gè)新的馬弗管。將新馬弗管用于立式光亮退火爐的備件，從而有效降低了馬弗管備件的成本，對(duì)今后同類型立式馬弗管的修復(fù)和維修具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義。