某鋼廠軋鋼加熱爐余熱鍋爐漏水原因分析及解決方案

劉偉

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900）

前言

近幾年，在軋鋼加熱爐工藝流程中，煙氣余熱鍋爐是其中一個(gè)重要的組成部分，同時(shí)也是一個(gè)節(jié)能環(huán)保設(shè)備。余熱鍋爐的運(yùn)行的穩(wěn)定性已經(jīng)成為工藝生產(chǎn)穩(wěn)定性的重要保證，特別是冷軋高強(qiáng)鋼加熱爐直燃段，排煙溫度較高，可達(dá)650～850 ℃，余熱鍋爐一旦出現(xiàn)故障，在煙氣旁通的工況下，軋機(jī)主線速度也將降速約50%，嚴(yán)重影響軋線的生產(chǎn)效率，余熱鍋爐可以說(shuō)是已經(jīng)成為一個(gè)重要的工藝設(shè)備。因此余熱鍋爐的設(shè)計(jì)不但要注重?zé)煔饣厥赵O(shè)計(jì)方案，更要關(guān)注余熱鍋爐設(shè)備本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造。以某鋼廠軋鋼加熱爐余熱鍋爐為例分析其2次漏水的原因及改造方案，為軋鋼加熱爐余熱鍋爐的設(shè)計(jì)提供借鑒。

該軋鋼加熱爐余熱鍋爐的煙氣成分及設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1，余熱鍋爐設(shè)計(jì)為立式煙道式火管余熱鍋爐，并設(shè)置省煤器、蒸發(fā)器、汽包、本體管路、真空脫氣膜除氧器、磷酸鹽加藥裝置等。

表1 余熱鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)

1 第一次漏水原因分析及解決方案

1.1 漏水原因分析

余熱鍋爐于2019 年10 月熱負(fù)荷成功投入使用，投產(chǎn)3個(gè)月后，在2020年1月突然出現(xiàn)鍋爐漏水現(xiàn)象，經(jīng)停爐做充水試驗(yàn)并檢查發(fā)現(xiàn)，鍋爐蒸發(fā)器導(dǎo)汽管與蒸發(fā)器火管筒體上管板焊縫上部導(dǎo)汽管開(kāi)裂，且導(dǎo)汽管有嚴(yán)重變形。漏水位置及導(dǎo)汽管設(shè)計(jì)圖詳見(jiàn)圖1，導(dǎo)汽管規(guī)格為φ57×4，材料為20，管板材料為Q245R。

圖1 導(dǎo)汽管設(shè)計(jì)圖

鍋爐蒸發(fā)器火管筒體上管板處于熱區(qū)，管子與管板一般采用先脹后焊，由于管子與管板的角焊縫周邊的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，焊縫區(qū)域較小，《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定對(duì)于A 級(jí)鍋爐也只做20%的表面檢測(cè)，實(shí)踐中也沒(méi)有好的辦法檢測(cè)其內(nèi)部質(zhì)量，所以此位置的焊接質(zhì)量很難保證，經(jīng)常有開(kāi)裂或產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象。管板處焊縫開(kāi)裂的原因一般有以下幾種：管板焊縫處的溫差應(yīng)力，熱應(yīng)力不均勻、管板與管子之間存在間隙、鍋爐水質(zhì)不合格、焊縫質(zhì)量不合格、頻繁啟停的影響、焊接殘余應(yīng)力、疲勞裂紋的擴(kuò)展[1][2]等。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，導(dǎo)汽管變形及開(kāi)裂處為直管段處，未在焊縫上。查看鍋爐廠設(shè)計(jì)圖紙，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器導(dǎo)汽管從管板處豎直引出后，直管段和彎頭的總長(zhǎng)度只有155mm 即水平轉(zhuǎn)彎，并在導(dǎo)汽管穿過(guò)煙道外護(hù)板處，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)為擴(kuò)孔穿過(guò)，實(shí)際制造中將導(dǎo)汽管焊接在煙道外護(hù)板上，并且導(dǎo)汽管完全被埋在保溫澆注料內(nèi)部。此次管道泄漏的原因并非上述的這些原因，其主要原因是：導(dǎo)汽管直管過(guò)短，設(shè)計(jì)時(shí)未計(jì)算此導(dǎo)汽管熱膨脹量，制造時(shí)錯(cuò)將導(dǎo)汽管埋在保溫澆注料內(nèi)，并將導(dǎo)汽管與煙道外護(hù)板焊接，限制了導(dǎo)汽管受熱膨脹，從而使產(chǎn)生的二次應(yīng)力無(wú)法釋放，二次應(yīng)力集中導(dǎo)致開(kāi)裂。

1.2 解決方案

更換導(dǎo)汽管，增加導(dǎo)汽管吸收膨脹的能力，并在導(dǎo)汽管穿出煙道外護(hù)板處擴(kuò)孔，使導(dǎo)汽管受熱后可自由膨脹，增加熱補(bǔ)償能力，以避免受熱后二次應(yīng)力集中，改造導(dǎo)汽管設(shè)計(jì)圖詳見(jiàn)圖2 所示。并在導(dǎo)汽管外部設(shè)置足夠厚的保溫層，避免高溫?zé)煔鈱?duì)其直接沖刷，超過(guò)其許用溫度。改造后，余熱鍋爐恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 改造導(dǎo)汽管設(shè)計(jì)圖

2 第二次漏水原因分析及解決方案

2.1 漏水位置及現(xiàn)象

2020 年3 月，此余熱鍋爐蒸發(fā)器又發(fā)生了第二次漏水，且漏水現(xiàn)象非常嚴(yán)重，經(jīng)停爐后現(xiàn)場(chǎng)查看，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器受熱面管子有62 根發(fā)生漏水（共697根），并均為受熱面管子變形，在靠近管板頂部處被壓扁，在壓扁處破裂漏水，受熱面管子變形圖見(jiàn)圖3。發(fā)生變形的62根管子位置分布詳見(jiàn)圖4。

圖3 受熱面管子變形圖

圖4 損壞管子位置分布圖

2.2 原因分析

受熱面管子被壓扁而破裂這種現(xiàn)象在余熱鍋爐漏水事故中并不常見(jiàn)，造成受熱面管子被壓扁而材料損壞的原因一般有：受熱面管子壁厚不夠、煙氣中的粉塵磨損管壁導(dǎo)致壁厚減薄、鍋爐受熱面缺水干燒后被壓扁（短時(shí)局部過(guò)熱）、鋼材本身缺陷、短時(shí)急劇過(guò)熱破裂、長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱蠕變等[3]。經(jīng)查看此余熱鍋爐PLC 控制系統(tǒng)中的余熱鍋爐煙氣溫度、給水流量、汽包液位等歷史記錄，發(fā)現(xiàn)此余熱鍋爐并未出現(xiàn)過(guò)受熱面缺水干燒現(xiàn)象。經(jīng)查看鍋爐廠余熱鍋爐受熱面耐磨管的設(shè)計(jì)圖，詳見(jiàn)圖5，余熱鍋爐為火管余熱鍋爐，立式豎直布置，上升管設(shè)置在火管筒體上部，管板頂部?jī)H設(shè)置1 根DN50 的導(dǎo)汽管，鍋爐受熱面管子高出管板4～5.5 mm，耐磨管直接與受熱面管子高出管板部分點(diǎn)焊，耐磨管部位設(shè)置200 mm厚的耐火澆注料。

圖5 余熱鍋爐耐磨管設(shè)計(jì)圖

此次漏水事故原因?yàn)橛酂徨仩t本身的設(shè)計(jì)缺陷引起的。其原因：余熱鍋爐煙氣溫度高達(dá)850 ℃，管板頂部設(shè)置了耐火澆筑料有效保護(hù)了管板，避免其過(guò)熱，但是在靠近蒸發(fā)器管板頂部處煙氣溫度較高，在進(jìn)入管板后的受熱面管子時(shí)，勢(shì)必造成管板與管子連接處的飽和水大量汽化，且此蒸發(fā)器頂部管板為平管板，頂部?jī)H在邊緣側(cè)設(shè)置了1根DN50的導(dǎo)汽管，不足以全部導(dǎo)出此處產(chǎn)生的蒸汽，且平管板的型式不利于蒸汽的流動(dòng)使其順暢導(dǎo)出，從而導(dǎo)致在蒸發(fā)器上管板頂部蒸汽流動(dòng)的遲滯，在上管板頂部的空間形成“蒸汽停滯層”[4]?！罢羝印敝械恼羝?jīng)高溫?zé)煔鉀_刷加熱后形成過(guò)熱蒸汽，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的加熱，過(guò)熱蒸汽溫度越來(lái)越高，勢(shì)必造成靠近管板處的受熱面管子壁溫超過(guò)材料的最大允許壁溫發(fā)生蠕變，管子的許用應(yīng)力大幅降低，在水側(cè)0.6～0.7 MPa的壓力作用下變形、壓扁、破裂。

2.3 解決方案

從根本上解決此次鍋爐漏水問(wèn)題的解決方案：采用蒸發(fā)器斜置5°的型式，并在管板局部最高點(diǎn)增加4 根DN50 導(dǎo)汽管，共設(shè)置5 根導(dǎo)汽管，以減小蒸汽的停滯，消除導(dǎo)汽管與管板之間的“蒸汽停滯層”，使蒸汽順暢導(dǎo)出；受熱面管子防磨管全部采用可耐高溫的插入式陶瓷保護(hù)套管，套管在受熱面管子中插入深度80 mm，保護(hù)套管外壁與受熱面管子內(nèi)壁的間隙為2 mm，有利于使高溫?zé)煔庵苯舆M(jìn)入浸泡在汽水混合物中的受熱面管子中，降低管板及其連接管子接頭處的溫度，從而避免煙氣入口管板處受熱面管子局部過(guò)熱而損壞。改造后鍋爐耐磨管設(shè)計(jì)圖詳見(jiàn)圖6。經(jīng)改造后，余熱鍋爐已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行15個(gè)月。

圖6 改造后耐磨管設(shè)計(jì)圖

3 高溫軋鋼加熱爐余熱鍋爐設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2 次漏水原因分析可知，該余熱鍋爐煙氣溫度較高時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)不但要注意常規(guī)煙氣余熱回收設(shè)計(jì)中需要注意的一些因素，不影響工藝生產(chǎn)、余熱回收產(chǎn)品參數(shù)對(duì)口、煙氣露點(diǎn)、煙氣流速等[5]；還要注意煙氣流量和煙氣的特性等；更為重要的是根據(jù)其煙氣溫度和相關(guān)參數(shù)，選擇相匹配的余熱鍋爐結(jié)構(gòu)形式，并在煙氣沖刷的高溫區(qū)域采取相應(yīng)的熱防護(hù)措施。

3.1 結(jié)構(gòu)形式

軋鋼加熱爐余熱鍋爐煙氣溫度較高，一般在500～1 000 ℃時(shí)，鍋爐結(jié)構(gòu)形式要求較高的耐熱性能和吸收膨脹的能力，鍋爐結(jié)構(gòu)形式應(yīng)優(yōu)先選用水冷壁密排管式鍋爐和火管式臥式鍋爐，火管式臥式余熱鍋爐煙氣方向與受熱面方向一致，上升管布置在火管筒體的頂部，非常有利于蒸汽的導(dǎo)出，但是占地面積較大，當(dāng)有足夠的占地面積布置時(shí)可優(yōu)先考慮臥式火管式余熱鍋爐。當(dāng)溫度較高時(shí)且沒(méi)有足夠的占地面積布置鍋爐時(shí)，應(yīng)考慮優(yōu)先采用水冷壁密排管式結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)采用立式火管余熱鍋爐時(shí)，蒸發(fā)器的上管板應(yīng)優(yōu)先采用相背式橢圓形管板或采用碟型管板，當(dāng)采用平管板立式布置時(shí)宜使蒸發(fā)器偏離中心線5～7°，以有利用蒸汽的導(dǎo)出，避免在管板處產(chǎn)生“蒸汽停滯層”。

3.2 熱防護(hù)

高溫軋鋼加熱爐余熱鍋爐的應(yīng)在高溫?zé)煔鉀_刷的區(qū)域設(shè)置合適熱防護(hù)，主要是煙氣入口側(cè)管板的熱防護(hù)，煙氣入口側(cè)管板與管子的連接處，在高溫、高速煙氣的沖刷下，是最薄弱的最容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置。熱防護(hù)措施主要有：在管子進(jìn)口處管板上設(shè)置耐熱混凝土或者堆焊的方法設(shè)置耐熱合金層、在管子入口段設(shè)置楔入式保護(hù)套管、在管子入口段采用水冷套，上述三種方法也可單獨(dú)使用，也可組合使用。采用保護(hù)套管結(jié)構(gòu)時(shí)，保護(hù)套管與受熱面管子之間要根據(jù)設(shè)計(jì)條件留有2～3 mm的環(huán)縫，并在環(huán)縫中適當(dāng)填充絕熱材料，以達(dá)到較好的熱防護(hù)效果。保護(hù)套管和絕熱材料的允許使用溫度宜高于煙氣溫度200 ℃以上。水冷套管保護(hù)效果較好，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造、檢修都比較困難，一般較少采用此種結(jié)構(gòu)形式。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)研究某鋼廠軋鋼加熱爐余熱鍋爐兩次漏水問(wèn)題，根據(jù)余熱鍋爐漏水位置，結(jié)合余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)型式、設(shè)計(jì)制造、應(yīng)力分析、耐熱防護(hù)等進(jìn)行綜合分析研判，分析此余熱鍋爐2 次漏水的根本原因：蒸發(fā)器導(dǎo)汽管設(shè)計(jì)不合理，其受熱后應(yīng)力集中引起導(dǎo)汽管與管板處焊縫開(kāi)裂；管板型式及導(dǎo)汽管設(shè)計(jì)不合理，煙氣入口管未設(shè)置熱防護(hù)，導(dǎo)致蒸汽停滯在蒸發(fā)器上管板頂部，高溫?zé)煔鉀_刷后使煙氣入口管板處受熱面管子過(guò)熱，超過(guò)其最大允許使用溫度而損壞。

（2）解決方案：增加導(dǎo)汽管的數(shù)量，蒸發(fā)器傾斜5°以減小蒸汽的停滯，消除導(dǎo)汽管與管板之間的蒸汽停滯層；受熱面管子采用插入式陶瓷保護(hù)套管，避免煙氣入口管板處受熱面管子局部過(guò)熱而損壞。

（3）進(jìn)一步提出設(shè)計(jì)煙氣溫度較高的軋鋼加熱爐余熱鍋爐時(shí)需要特別注意的兩點(diǎn)重要事項(xiàng)：選擇互相匹配的鍋爐結(jié)構(gòu)形式和在煙氣沖刷的高溫區(qū)域采取相應(yīng)的熱防護(hù)措施。