5500 m3 高爐爐喉補償器失效分析及解決方案

張振存

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司煉鐵部，河北唐山 063200）

1 存在的問題

首鋼京唐5500 m3高爐裝料能力為9 批/h（礦，150 t/批；焦，25 t/批）。為吸收過料時常溫物料與高爐煤氣溫差變化產(chǎn)生的熱位移及爐料下落時的沖擊，采用波紋管補償器，該補償器具有結(jié)構(gòu)緊湊、補償量大、流動阻力小、零泄漏和免維修等諸多優(yōu)點。爐喉補償器安裝在高爐氣密箱與三角漏斗之間，補償器波紋管直徑1100 mm，內(nèi)部過料部分直徑700 mm。

高爐爐喉補償器所承受的外力復(fù)雜，而且工作溫度和應(yīng)力較高。高爐在冶煉過程中產(chǎn)生的煤氣成分復(fù)雜，常含有氯、硫、氫、碳等成分，具有較強腐蝕性，波紋管在有較強的腐蝕性介質(zhì)中工作。在爐況運行不穩(wěn)定時，常出現(xiàn)高溫、高壓、異常氣流沖擊等惡劣工況，時常失效。目前，該部位安裝的補償器，使用壽命長則1 年，短則兩個月就出現(xiàn)腐蝕、磨損、過燒等，致使波紋管開裂穿孔，大量煤氣泄漏。不僅嚴(yán)重影響高爐穩(wěn)定運行，而且威脅工作人員人身安全，嚴(yán)重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)經(jīng)營。

這種情況通常采用臨時包覆，消除泄漏，臨時維持生產(chǎn)。通過分析研究，找到爐喉補償器真正失效原因，拿出對策才是解決問題的關(guān)鍵。

2 運行工況及原因分析

2.1 補償器設(shè)計工況條件

根據(jù)設(shè)計院計算核定，該補償器在使用工況條件工作壓力不大于0.3 MPa，設(shè)計溫度200，安裝徑向位移在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，疲勞壽命101000 次，屬于非易損壞件。

2.2 補償器實際工況條件

通常情況下，高爐煤氣的主要腐蝕成分是硫離子，首鋼京唐高爐煤氣含有大量氯離子。補償器除了要受到煤灰粉的沖刷磨損以及焦炭、礦石下料時的沖擊，在爐況不穩(wěn)時還要受到高于300450的高溫?zé)煔獾那治g。由于氣密箱法蘭與爐頂三角漏斗法蘭不同心，補償器安裝時需徑向強迫變形28 mm 后才能安裝。補償器失效如圖1 所示。

圖1 波紋補償器失效

2.3 原因分析

（1）補償器安裝時徑向變形過大，疲勞壽命嚴(yán)重降低。補償器主要有軸向、徑向、角向以及組合補償方式，不同類型的膨脹節(jié)補償形式不同。軸向型補償器主要吸收軸向位移，只能吸收微小徑向位移。在JB轅T 6169—1992 金屬波紋管標(biāo)準(zhǔn)中，對此項性能的檢測做出規(guī)定。對同時存在多種位移的波紋膨脹節(jié)，要對其各種位移進行合成，求出總等效軸向位移，檢測是對總等效軸向位移而言。當(dāng)軸向補償器吸收較大的徑向位移時，其徑向剛度較大，由此產(chǎn)生變形應(yīng)力大大增加，導(dǎo)致其補償器的疲勞壽命大大降低。徑向位移對波紋管壽命影響計算對比見表1。通過計算對比，可以看出徑向位移過大對波紋管的壽命影響是致命的。計算中，當(dāng)軸向位移為10 mm，徑向位移為20 mm 時與軸向為50 mm，徑向為0 mm 時，許用疲勞壽命出現(xiàn)巨大差別。首鋼京唐的徑向變形則達到28 mm，使用壽命要遠遠低于設(shè)計壽命。

（2）含塵荒煤氣沖刷磨損，引起波紋管內(nèi)部減薄直至穿孔。檢查失效的波紋補償器，發(fā)現(xiàn)波紋內(nèi)部波紋間充滿了煤灰粉，補償器波紋元件的內(nèi)壁直接與介質(zhì)接觸。由于高爐荒煤氣含塵濃度高，顆粒大，當(dāng)高爐運行不穩(wěn)定時，惡劣工況頻繁出現(xiàn)，高溫、高壓、含塵荒煤氣高速沖刷補償器徑向內(nèi)壁，加劇了含塵荒煤氣對波紋管內(nèi)壁的磨損，一旦出現(xiàn)小孔，快速擴展直至大面積泄漏。出現(xiàn)這種狀況，必將造成高爐休風(fēng)，影響生產(chǎn)。

表1 徑向位移對波紋管壽命影響計算對比

（3）高爐煤氣含有酸性成分，Cl-對補償器產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕及點蝕破裂。高爐煤氣中含有多種酸性成分，對波紋管有腐蝕作用。通常，硫影響波紋管，因此波紋元件選用耐蝕材料In原coloy825。高爐煤氣硫?qū)Σy管腐蝕的相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)方程式：

盡管首鋼京唐爐喉補償器的波紋元件也選用耐蝕材料In原coloy825，在失效補償器返廠解剖后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部均有米粒大小點蝕坑。當(dāng)點蝕繼續(xù)擴展到穿孔時，就會造成煤氣泄漏。通過查詢有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤氣中存在Cl-時，腐蝕性更為嚴(yán)重。反應(yīng)式：

Cl-和S2-具有很強的腐蝕穿透性，能夠破壞不銹鋼或鈍性耐蝕合金表面鈍化膜的完整性，引發(fā)點蝕等局部腐蝕。在首鋼京唐TRT 加藥時對高爐煤氣進行檢驗，發(fā)現(xiàn)煤氣中含Cl-的成分是通常企業(yè)的5 倍。Cl-和S2-對腐蝕反應(yīng)有相互促進作用，因此腐蝕更加嚴(yán)重（圖2）。

3 解決方案

通過上述分析，補償器在安裝時徑向變形太大，導(dǎo)致波紋管的二次應(yīng)力嚴(yán)重超標(biāo)，使補償器的疲勞壽命大大降低，再加上荒煤氣的沖刷磨損及酸性介質(zhì)的腐蝕，是導(dǎo)致補償器在短時間內(nèi)失效的主要原因。因此，對波紋管進行重新設(shè)計改造。

圖2 受腐蝕的波紋管內(nèi)壁

3.1 安裝時消除徑向變形

采取自然安裝方式。先將補償器與其下部的氣密箱短節(jié)進行安裝，然后將補償器與上部聯(lián)接中間漏斗的法蘭進行安裝，最后將波紋管與法蘭焊接。這樣分體安裝后焊接，消除了因上下錯位強迫補償器變形來適應(yīng)現(xiàn)場的缺陷，消除了補償器徑向變形的應(yīng)力。

3.2 補償器內(nèi)部增加對插保護套

采取自然安裝的方式消除了補償器工作時產(chǎn)生徑向位移的可能，補償器兩端只有軸向相對運動，這為在補償器內(nèi)部增加對插保護套創(chuàng)造了有利條件。在補償器內(nèi)側(cè)增加不影響補償，可伸縮耐高溫對插保護套。其中在一端伸縮管加工密封槽，在槽內(nèi)設(shè)置耐高溫陶瓷纖維密封環(huán)。對插保護套阻止了含塵濃度高、顆粒大的高爐荒煤氣高速沖刷補償器徑向內(nèi)壁，消除了補償器內(nèi)壁波紋管的磨損，延長其壽命。

3.3 在波紋元件內(nèi)壁填充含鋯陶瓷纖維氈

在波紋元件內(nèi)壁與保護套之間填充含鋯陶瓷纖維氈，起隔熱保護作用。一方面消除了爐況不穩(wěn)時的高溫?zé)煔獾那治g，另一方面使得波紋元件免受小顆粒粉塵的磨損。纖維氈很好地阻止了波紋管內(nèi)與爐內(nèi)的氣體交換，降低高溫?zé)煔獾那治g，減輕煤氣對其腐蝕。

4 結(jié)論

首鋼京唐高爐爐喉補償器通過增加對插保護套、在波紋元件內(nèi)壁填充含鋯陶瓷纖維氈的結(jié)構(gòu)新設(shè)計，安裝時現(xiàn)場采用最后焊接其中一個聯(lián)接法蘭消除徑向位移的方法，徹底解決了爐喉補償器使用壽命短的問題。改造后經(jīng)過幾年實踐，補償器使用良好，再未出現(xiàn)頻繁失效現(xiàn)象，證明該方法是可行的。