摘  要  包鋼目前擁有七座高爐，容積從1500～4150 m3。熱風(fēng)管系設(shè)置波紋補(bǔ)償器從上世紀(jì)九十年代初開始，有成功使用二十多年的實(shí)例，也有開爐半個(gè)月就破損的教訓(xùn)。波紋補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)形式，管道大拉桿的設(shè)置狀況，波紋補(bǔ)償器的安裝位置，決定了其成敗因素。包鋼7號(hào)、8號(hào)高爐，容積4150m3，采用“卡式熱風(fēng)管道設(shè)計(jì)理念”建設(shè)的熱風(fēng)管系，投產(chǎn)不到2年，熱風(fēng)管道主、支管上的波紋補(bǔ)償器，全部破損并現(xiàn)場進(jìn)行了處理。

關(guān)鍵詞  高爐  熱風(fēng)爐  熱風(fēng)管道  波紋補(bǔ)償器  破損

1  引言

包鋼集團(tuán)公司擁有兩個(gè)煉鐵廠，“包鋼煉鐵廠”有1～6號(hào)高爐（其中2號(hào)高爐2016年去產(chǎn)能拆除），“包鋼稀土鋼煉鐵廠”有7號(hào)、8號(hào)高爐。高爐熱風(fēng)管系上安裝波紋補(bǔ)償器，應(yīng)用好的是3號(hào)、4號(hào)高爐（2200m3），一代爐齡20多年波紋補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)完好無損，熱風(fēng)出口、熱風(fēng)管道三岔口未發(fā)生竄風(fēng)管殼高溫現(xiàn)象。同樣5號(hào)、6號(hào)高爐目前使用狀況良好。1號(hào)高爐1996年熱風(fēng)爐易地大修，熱風(fēng)主管上的4臺(tái)（共6臺(tái)）波紋補(bǔ)償器，投產(chǎn)一年波紋管（未設(shè)加強(qiáng)箍）變形成“鼓狀”，經(jīng)處理后使用至今。7號(hào)、8號(hào)兩座4150m3高爐，分別于2014年5月和2015年10月投產(chǎn)，在投產(chǎn)半個(gè)月后，熱風(fēng)管道上的波紋補(bǔ)償器開始破損，截止2016年底，熱風(fēng)管道上的15臺(tái)波紋補(bǔ)償器全部破損并現(xiàn)場進(jìn)行了處理。下面對(duì)3號(hào)高爐和7號(hào)高爐兩座代表性的熱風(fēng)管系設(shè)計(jì)做一介紹，分析其成敗的原因，以資借鑒。

2  3號(hào)高爐熱風(fēng)管系配置情況簡介

3號(hào)高爐外燃式熱風(fēng)爐于1993年10月建成投入運(yùn)行，目前仍在生產(chǎn)。設(shè)計(jì)采用“寶鋼1號(hào)高爐熱風(fēng)管系理念”，基本配置和補(bǔ)償器的選型如下：熱風(fēng)支管采用高溫耐壓復(fù)合型波紋補(bǔ)償器，吸收軸向和縱向位移。同時(shí)考慮便于更換和維檢熱風(fēng)閥。主管分段采用高溫耐壓軸向型補(bǔ)償器。主管與圍管高差通過混風(fēng)室來調(diào)節(jié)。熱風(fēng)管道上不設(shè)固定支架，通過分段式大拉桿，把管道整體變成剛性。熱風(fēng)支管在熱風(fēng)爐本體和熱風(fēng)主管之間設(shè)置四根大拉桿，熱風(fēng)主管分段設(shè)置大拉桿，大拉桿范圍內(nèi)布置單臺(tái)補(bǔ)償器。所有波紋補(bǔ)償器不受管道盲板力的作用。大拉桿兩頭采用鉸接，中間用左右旋螺母連接。管道支座采用導(dǎo)向滑動(dòng)支座。投產(chǎn)初期，開爐送風(fēng)穩(wěn)定后在熱風(fēng)管道三岔口等處管殼與耐火材料之間進(jìn)行一次壓力灌漿。

3  7號(hào)高爐熱風(fēng)管系配置情況簡介

包鋼7號(hào)高爐于2014年5月投產(chǎn)運(yùn)行，熱風(fēng)管系由“卡盧金公司”設(shè)計(jì)，采用“卡式熱風(fēng)管道設(shè)計(jì)理念”，波紋補(bǔ)償器采用套筒迷宮式無加強(qiáng)箍結(jié)構(gòu)，熱風(fēng)支管設(shè)2臺(tái)波紋補(bǔ)償器，一臺(tái)復(fù)式大拉桿橫向型補(bǔ)償器(K2)，一臺(tái)更換熱風(fēng)閥用大拉桿軸向型補(bǔ)償器(K3)，熱風(fēng)支管不設(shè)大拉桿。熱風(fēng)主管直管段設(shè)置6臺(tái)軸向型補(bǔ)償器(K1)。分兩段設(shè)置整體式大拉桿，一段為熱風(fēng)爐部分，全長63.422m，內(nèi)串4臺(tái)補(bǔ)償器。另一段通往高爐部分全長38.34m，內(nèi)串2臺(tái)補(bǔ)償器。大拉桿為四根￠150mm實(shí)心圓鋼，整體焊接雙頭螺栓的結(jié)構(gòu)形式。熱風(fēng)主管與圍管高差5.37m，采用50°斜管過渡，在此斜管段安裝一臺(tái)復(fù)式大拉桿橫向型補(bǔ)償器（K4）。波紋管的主要性能及參數(shù)如表1所示。熱風(fēng)支管設(shè)置彈簧支座，熱風(fēng)主管設(shè)置單向、雙向滑動(dòng)支座和吊架。

4  波紋補(bǔ)償器破損原因分析

4.1  波紋補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)形式

熱風(fēng)管系是連接熱風(fēng)爐到高爐之間的管道，管內(nèi)送風(fēng)溫度1200℃左右，送風(fēng)壓力約0.42MPa，管內(nèi)砌筑耐火磚和保溫材料，管殼正常工作溫度不超過100℃。3號(hào)高爐熱風(fēng)支管采用高溫耐壓隔熱復(fù)合型波紋補(bǔ)償器，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，主管道斷開只有膨脹縫的寬度，外側(cè)包箱子，在箱子上設(shè)波紋管，波紋管與鋼板連接的焊縫處設(shè)加強(qiáng)環(huán)，波紋管外部設(shè)加強(qiáng)箍。管道內(nèi)噴涂大于50mm厚的耐火材料層，管道外箱子內(nèi)設(shè)導(dǎo)流板形成迷宮結(jié)構(gòu)，內(nèi)填約50mm厚的隔熱纖維。圖2是目前生產(chǎn)的3號(hào)高爐外燃式熱風(fēng)爐拱頂聯(lián)絡(luò)管波紋補(bǔ)償器的照片。

7號(hào)高爐設(shè)置的補(bǔ)償器，結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，屬于套筒迷宮式結(jié)構(gòu)，波紋管直接焊在主管道上，管內(nèi)設(shè)一端為自由伸縮的套筒。套筒內(nèi)不設(shè)耐火噴涂層。波紋管外不設(shè)加強(qiáng)箍（8號(hào)高爐開爐前現(xiàn)場增設(shè)了加強(qiáng)箍）。該結(jié)構(gòu)波紋補(bǔ)償器既不隔熱，又不耐壓，受大口徑管道變形應(yīng)力又大，波紋管的焊縫在生產(chǎn)中極易開裂漏風(fēng)破損。圖4為熱風(fēng)支管K2補(bǔ)償器破損后現(xiàn)場套波處理的照片。

4.2  管道大拉桿的設(shè)置

熱風(fēng)爐和高爐是熱風(fēng)管系的兩端，相當(dāng)于管道兩端的固定支架，三座或四座熱風(fēng)爐是各自管端的固定支架。熱風(fēng)管道通過大拉桿，把管道整體變成剛性，分段內(nèi)膨脹變形靠波紋補(bǔ)償器來吸收。目的是保證管道內(nèi)砌筑的耐火材料，整體形狀的完整性和嚴(yán)密性。否則就會(huì)出現(xiàn)開裂、掉磚、竄風(fēng)，導(dǎo)致管殼高溫。

熱風(fēng)管系受力復(fù)雜，熱風(fēng)支管受熱風(fēng)爐殼體上漲產(chǎn)生軸向和縱向位移，受熱風(fēng)爐燃燒、送風(fēng)交替工作狀態(tài)的影響，在溫差應(yīng)力和壓差應(yīng)力（管內(nèi)局部壓力與流速有關(guān)）的周期性雙重作用下，熱風(fēng)管系在熱風(fēng)爐框架區(qū)域內(nèi)不是穩(wěn)定態(tài)。只有通過合理設(shè)置補(bǔ)償器和大拉桿，才能把變形有效限制在補(bǔ)償范圍內(nèi)。

7號(hào)高爐熱風(fēng)支管部分不設(shè)大拉桿，熱風(fēng)主管設(shè)置整體式大拉桿，大拉桿為雙頭螺紋剛性連接。其缺陷分述如下：

4.2.1 熱風(fēng)支管不設(shè)大拉桿

熱風(fēng)支管上不設(shè)置大拉桿，熱風(fēng)主管與熱風(fēng)爐相對(duì)位置沒有固定，支管上雖然安裝了兩臺(tái)波紋補(bǔ)償器，但熱風(fēng)支管的軸向膨脹位移（約35mm）無法補(bǔ)償。直接推動(dòng)熱風(fēng)主管遠(yuǎn)離熱風(fēng)爐，造成熱風(fēng)出口到主支管三岔口之間的耐火材料砌體產(chǎn)生裂縫、竄風(fēng)，熱風(fēng)支管上最薄弱的設(shè)備是補(bǔ)償器，最早損壞的也是波紋補(bǔ)償器，K2補(bǔ)償器為復(fù)合型最先損壞，修整后K3接著損壞，依次是三岔口和熱風(fēng)出口竄風(fēng)管殼高溫。

由于沒有設(shè)置大拉桿，正常生產(chǎn)中熱風(fēng)支管產(chǎn)生的約320噸盲板力，長期作用在K2和K3補(bǔ)償器上，使其一直處于拉緊狀態(tài)。增加了波紋補(bǔ)償器變形、焊縫開裂破損幾率。

由于沒有設(shè)置大拉桿，支管上補(bǔ)償器發(fā)揮不了作用，它只有在盲板力由大拉桿承受后，自身克服波紋管變形產(chǎn)生的彈性力，才能正常發(fā)揮作用。

4.2.2  熱風(fēng)主管設(shè)置整體式大拉桿

熱風(fēng)主管分兩段設(shè)置整體式大拉桿，一段為熱風(fēng)爐部分，內(nèi)串4臺(tái)軸向補(bǔ)償器，另一段通往高爐部分，內(nèi)串2臺(tái)軸向補(bǔ)償器，串接的幾臺(tái)補(bǔ)償器由于安裝位置不同，制作工藝的誤差，剛性大拉桿與管道同心度的誤差，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中作用在最薄弱一臺(tái)補(bǔ)償器上，造成串接的幾臺(tái)補(bǔ)償器一個(gè)接一個(gè)的破損。熱風(fēng)爐組靠熱風(fēng)主管末端的那座熱風(fēng)爐，熱風(fēng)出口和主支管三岔口先出現(xiàn)竄風(fēng)高溫現(xiàn)象。

整體式大拉桿，兩頭螺栓螺母緊固，中間剛性焊接，生產(chǎn)中沒有調(diào)節(jié)的余地，難以保證拉桿與管道的同心度，難以保證波紋補(bǔ)償器承壓的穩(wěn)定性和位移的一致性。

4.3  波紋補(bǔ)償器的安裝位置

高溫高壓大口徑熱風(fēng)管道，應(yīng)盡量避免利用斜管道調(diào)節(jié)高差，其主要原因是斜管道內(nèi)的耐火磚砌筑結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，如果在斜管道段再安裝上波紋補(bǔ)償器，砌體就更加不穩(wěn)定，極易產(chǎn)生裂縫乃至掉磚。

七號(hào)高爐可以說是個(gè)典型的例子，圖5為開爐半年內(nèi)對(duì)斜管段K4補(bǔ)償器處理的狀況，投產(chǎn)一個(gè)多月波紋補(bǔ)償開始出現(xiàn)焊縫漏點(diǎn)，斜管段上部拐彎處管殼發(fā)紅?，F(xiàn)場最初在漏點(diǎn)處支風(fēng)帶堵漏，管道高溫處壓力灌漿。但漏點(diǎn)頻繁不定時(shí)發(fā)生，現(xiàn)場點(diǎn)檢人員整天忙于巡檢，后來對(duì)波紋補(bǔ)償器采用了包盒子加雙層波紋補(bǔ)償器的處理方式，管道進(jìn)行多次耐火泥壓力灌漿。從照片可以看出，管端頂部密布?jí)簼{孔短管，平臺(tái)左側(cè)布置氮?dú)饫鋮s軟管，右側(cè)布置水冷卻軟管。目前內(nèi)層管殼溫度仍然高達(dá)450℃，通水冷卻和通氮?dú)饫鋮s維持在200℃左右。

8號(hào)高爐吸取7號(hào)高爐的教訓(xùn)，開爐前就把K4大拉桿橫向型補(bǔ)償器自身的12根￠75拉桿內(nèi)外側(cè)螺母緊固，使其成為一個(gè)剛性體（失去補(bǔ)償器的作用），目前生產(chǎn)一年多，保持良好狀態(tài)。

5  結(jié)論

熱風(fēng)管系是高溫高壓管道，通過波紋補(bǔ)償器和大拉桿的設(shè)置，有效補(bǔ)償管殼熱膨脹產(chǎn)生的位移，使其整個(gè)熱風(fēng)管系成為剛性。保證管道內(nèi)耐火材料砌體的完整性和嚴(yán)密性，只有這樣，熱風(fēng)管系才能正常工作。

熱風(fēng)管道的合理布局，波紋補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)選擇至關(guān)重要，破損往往始于焊縫開裂，漏風(fēng)局部高溫。加強(qiáng)波紋管焊縫處的剛性，尤其是大口徑熱風(fēng)管道尤為重要。大拉桿是配合波紋補(bǔ)償器使整個(gè)熱風(fēng)管系產(chǎn)生變形位移最小的有效分解措施。分段式設(shè)置大拉桿，大拉桿的端頭采用鉸接形式，可有效控制補(bǔ)償量，避免補(bǔ)償器的失穩(wěn)和補(bǔ)償過量。大口徑熱風(fēng)管道，應(yīng)盡量避免利用斜管道調(diào)節(jié)高差，更不應(yīng)在斜管道段安裝補(bǔ)償器。投產(chǎn)初期，送風(fēng)穩(wěn)定后進(jìn)行一次壓力灌漿很有必要。