摘   要  分析煉鐵廠5號(hào)高爐熱風(fēng)爐熱風(fēng)管道波紋補(bǔ)償器應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂原因，介紹處理方法。

關(guān)鍵詞  高爐熱風(fēng)爐  波紋補(bǔ)償器  應(yīng)力腐蝕

1  問(wèn)題的提出

金屬波紋膨脹節(jié)（又稱(chēng)波紋補(bǔ)償器）是由金屬波紋補(bǔ)償器管和構(gòu)件組成的具有補(bǔ)償功能的器件。它能夠補(bǔ)償管道的熱變形、機(jī)械變形和吸收各種機(jī)械振動(dòng)，起到降低管道變形應(yīng)力和提高管道使用壽命的作用。柳鋼5號(hào)高爐熱風(fēng)爐熱風(fēng)管道共配備7個(gè)波紋補(bǔ)償器，2012年隨高爐一罐制改造后投入使用，為0.6BFGZ-2594-J型高溫軸向型波紋補(bǔ)償器，內(nèi)層254SMO/外層316L，軸向補(bǔ)償量30mm。2015年12月08日點(diǎn)檢中發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)總管中段的波紋補(bǔ)償器有漏風(fēng)現(xiàn)象，崗位人員及時(shí)對(duì)波紋補(bǔ)償器進(jìn)行打水冷卻，12月9日休風(fēng)處理，清理波紋補(bǔ)償器表面發(fā)現(xiàn)有10處軸向裂紋。于是煉鐵廠組織修復(fù)，本文進(jìn)行總結(jié)。

2  原因分析[1]

熱風(fēng)爐燃燒室在燒爐過(guò)程中的煙氣含有大量有害、腐蝕性物質(zhì)—硫化物（H2S和SO2），同時(shí)含有O2和H2O。如果波紋管膨脹節(jié)的溫度降到露點(diǎn)以下，波紋管內(nèi)表面將發(fā)生水汽凝結(jié)形成水膜，煤氣中的H2S、SO2等會(huì)溶解在水膜中，形成腐蝕性很強(qiáng)的酸性介質(zhì)，引發(fā)露點(diǎn)腐蝕，反應(yīng)式：Fe+H2S→FeS+H2；3FeS+5O2→Fe2O2?FeO+3SO2；SO2+H2O→H2SO3；2H2SO3+O2→2H2SO4；Fe+H2SO3→FeSO3；Fe+H2SO4→FeSO4。

如果有Cl-存在，則腐蝕更為嚴(yán)重。Cl-和S2-對(duì)腐蝕反應(yīng)有相互促進(jìn)作用，反應(yīng)式：Fe+2Cl-+2H+→FeCl2+H2；FeCl2+H2S→FeS+2Cl-+2H+；Fe+H2S→FeS+H2；FeS+2Cl-+2H+→FeCl2+H2S。

Cl-和S2-具有很強(qiáng)的腐蝕穿透性，能夠破壞不銹鋼金屬表面鈍化膜的完整性，引發(fā)點(diǎn)蝕等局部腐蝕。腐蝕主要是向縱深發(fā)展，從而使設(shè)備很快產(chǎn)生泄漏。點(diǎn)蝕是波紋補(bǔ)償器失效的主要原因，較高的環(huán)境溫度（露點(diǎn)以下）和強(qiáng)酸性介質(zhì)又是生產(chǎn)點(diǎn)蝕的重要條件。

在O2和 H2O存在的條件下，煤氣中的硫化物還能生成連多硫酸，反應(yīng)式： Fe+H2S→FeS+H2；SO2+H2O→H2SO3；FeS+H2SO3→mH2SxO6+nFe；H2S+H2SO3 →mH2SxO6+ nS。在硫酸和應(yīng)力特別是拉應(yīng)力存在的條件下，不銹鋼和鈍化耐蝕合金將發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂，應(yīng)力腐蝕裂紋主要沿晶粒邊界擴(kuò)展。煤氣管線殘存液和腐蝕產(chǎn)物的分析結(jié)果都證實(shí)硫酸的存在，但硫酸成分不穩(wěn)定，易分解為SO32-,再轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的SO42-。由于波紋補(bǔ)償器工作時(shí)存在應(yīng)力，因此會(huì)在點(diǎn)蝕坑定部產(chǎn)生應(yīng)力集中，在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，而點(diǎn)蝕坑則是應(yīng)力腐蝕的裂紋源。

3  處理措施

本次5號(hào)高爐熱風(fēng)直管補(bǔ)償器多點(diǎn)泄漏故障，先在不影響生產(chǎn)的情況下做臨時(shí)處理，再于合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行徹底處理。

3.1  臨時(shí)處理 

在高爐正常生產(chǎn)的過(guò)程中采取在線原位安裝碳鋼包的臨時(shí)處理方案。此時(shí)，管道熱膨脹已到位，只要生產(chǎn)正常，無(wú)休慢風(fēng)導(dǎo)致管道冷卻產(chǎn)生冷縮，碳鋼包則不會(huì)變形、受力。原管道外徑Φ2 594 mm，補(bǔ)償器波紋高度80 mm,新增耐高溫纖維氈厚度約200 mm,碳鋼包最小直徑2 054 mm,考慮卷管誤差及拼裝方便，碳鋼包直徑D0設(shè)定為3 200 mm,長(zhǎng)度約600 mm（見(jiàn)圖1）。為保障措施安全，需對(duì)碳鋼包壁厚進(jìn)行核算。

（1）碳鋼包設(shè)計(jì)壁厚核算 [2] 。已知條件：工作壓力P：0.4 MPa；工作溫度t：150 ℃。管道理論壁厚計(jì)算： =6.65mm（1）式中：δ為管道計(jì)算壁厚（mm）；P設(shè)計(jì)壓力（MPa）；D0為管道外徑（mm）；為鋼管在設(shè)計(jì)溫度t下的許用應(yīng)力：113 MPa；φ為焊接接頭系數(shù)：0.85；Y為系數(shù)，對(duì)于≤482℃鋼管，Y=0.4，510℃，Y=0.5。管道設(shè)計(jì)壁厚計(jì)算:δs=δ+C=8mm（2）。C=C1+C2 =1.35 mm（3）。式中：δs為管道設(shè)計(jì)壁厚（mm）；C為管道壁厚附加量（mm）；C1為管道壁厚負(fù)偏差附加量，包括加工、開(kāi)槽和螺紋深度及材料厚度負(fù)偏差（mm）；C2為管道壁厚腐蝕附加量（mm）；δ為管道計(jì)算壁厚（mm）；通過(guò)查表所知： C1=0.6 mm； C2=0.75 mm（符號(hào)一致）。根據(jù)式（2）計(jì)算，可采用δ=8 mm鋼板卷制Φ3200 mm碳鋼包，在保障高爐不休風(fēng)的前提下，進(jìn)行泄漏波紋補(bǔ)償器的臨時(shí)緊急封堵。（文中公式請(qǐng)正確書(shū)寫(xiě)，注意物理量的正斜體、上下標(biāo)）

（2）實(shí)施內(nèi)容：①在損壞的補(bǔ)償器與碳鋼包之間，填充約200 mm厚耐高溫纖維氈，防止泄漏點(diǎn)熱輻射直吹碳鋼包造成炭化，降低碳鋼包強(qiáng)度。②碳鋼包制作安裝。將補(bǔ)償器泄漏點(diǎn)處的碳鋼包預(yù)留約400 mm長(zhǎng)最后焊接，并安裝DN50 mm手動(dòng)泄壓球閥，保障焊接收口。

3.2  徹底處理 

采取移位外包不銹鋼波紋補(bǔ)償器的徹底處理方案，主要達(dá)到減少檢修時(shí)間、恢復(fù)補(bǔ)償器功能的目的，防止熱風(fēng)直管、高爐因溫差變化產(chǎn)生的熱位移對(duì)熱風(fēng)圍管及送風(fēng)裝置產(chǎn)生影響(見(jiàn)圖2)。外包不銹鋼波紋補(bǔ)償器長(zhǎng)度約1 800 mm，緊鄰舊碳鋼包，其最大直徑比原補(bǔ)償器大，內(nèi)壓產(chǎn)生的盲板力已增大，為保障管系安全，需重新核算4根Φ105 mm管道大拉桿的最大受力，以確定外包不銹鋼波紋直徑。

（1）外包不銹鋼波紋補(bǔ)償器最大直徑核算 。已知條件：工作壓力P：0.4 MPa；工作溫度t：150 ℃；大拉桿抗拉許用應(yīng)力[δ] [2]：1130 kg/cm2；盲板力[3]：F=P×A0（4）。式中：P為工作壓力（MPa）；A0為補(bǔ)償器最大截面積（mm2），未知。單根螺栓承載力[4]： Ne=π(2d-1.8763t)2[δ]/16=884217 N（5）。式中：Ne為抗拉承載力(kg)；d為螺栓直徑，10.5cm；t為螺紋間距，0.55 cm；[δ]為抗拉許用應(yīng)力，1130kg/ cm2 。保守計(jì)算，按3根大拉桿受力，則：3×Ne≥F（6）。根據(jù)式（4）、（6）Image≤Image≤Image Image ≤1453 mm式（7）。式中：Image為補(bǔ)償器最大半徑（mm）。根據(jù)上述公式計(jì)算，補(bǔ)償器最大直徑D=2×r0=2906 mm（8）。故外包不銹鋼波紋補(bǔ)償器尺寸確定：通徑D=2700 mm，波紋高度（圖2所示）=75 mm,最大截面直徑2850 mm。 （文中公式請(qǐng)正確書(shū)寫(xiě)，注意物理量的正斜體、上下標(biāo)）

（2）方案實(shí)施內(nèi)容：①將外包不銹鋼波紋補(bǔ)償器分成4瓣制作。②高爐休風(fēng)前，完成外包補(bǔ)償器現(xiàn)場(chǎng)拼裝，管道與新補(bǔ)償器之間填充耐高溫纖維氈，減少熱輻射對(duì)不銹鋼波紋的影響。③高爐休風(fēng)后，割除舊碳鋼包，舊補(bǔ)償器保護(hù)拉桿、環(huán)板、鎧甲環(huán)。同時(shí)，為減少舊補(bǔ)償器彈性反力，在不銹鋼波紋上均布鉆10個(gè)Φ40 mm通孔，新接短管與外包補(bǔ)償器拼接后，安裝補(bǔ)償器新鎧甲環(huán)，進(jìn)行試壓。④注意事項(xiàng)：新接短管因承受補(bǔ)償器彈性反力作用，需要一定的強(qiáng)度，故采用δ12 mm鋼板卷制。同時(shí)，新接短管、外包補(bǔ)償器都存在制安誤差，為方便對(duì)接，需提前在外包補(bǔ)償器與新接短管連接端，焊接寬度約50～80 mm的δ12 mm環(huán)板。

4  結(jié)語(yǔ)

本次5號(hào)高爐熱風(fēng)直管補(bǔ)償器多點(diǎn)泄漏故障，分兩個(gè)階段處理的方案，達(dá)到了以下幾個(gè)目的。

（1）減少高爐休風(fēng)頻次，節(jié)約檢修時(shí)間。臨時(shí)處理方案在線施工，給高爐生產(chǎn)有一定的影響。徹底處理方案中，不銹鋼波紋補(bǔ)償器安裝耗時(shí)長(zhǎng)，提前把剖分式波紋補(bǔ)償器的一部分在線焊接到位，不占用檢修休風(fēng)時(shí)間。

（2）恢復(fù)了該段管系補(bǔ)償器的補(bǔ)償功能，避免了熱風(fēng)直管、高爐因溫差變化產(chǎn)生的熱位移對(duì)熱風(fēng)圍管及送風(fēng)裝置產(chǎn)生的影響。

（3）對(duì)更換下來(lái)的波紋補(bǔ)償器樣品進(jìn)行化驗(yàn)，針對(duì)化驗(yàn)結(jié)果來(lái)處理熱風(fēng)直管內(nèi)殘余有害氣體。

5  參考文獻(xiàn)

[1] 徐赤坤，賈新民.波紋管膨脹節(jié)實(shí)際應(yīng)用中的腐蝕分析與防護(hù)對(duì)策.材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2001，16（2）：P17～P20.

[2]  《動(dòng)力管道設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫(xiě)組.動(dòng)力管道設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006. P9，P557～P578.

[3] 徐灝. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).2第1卷. 機(jī)械工業(yè)出版社，1991. P4-P45. 

[4] 王一駿，顧泰昌等.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè) 第三版）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.P52-P78.