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柳钢5号高炉热风炉波纹补偿器腐蚀开裂的 分析与处理

时间:2019-11-14 05:44来源:柳钢炼铁厂 作者:覃志强 张洪波 点击:
  • 摘   要  分析炼铁厂5号高炉热风炉热风管道波纹补偿器应力腐蚀开裂原因,介绍处理方法。

    关键词  高炉热风炉  波纹补偿器  应力腐蚀


    1  问题的提出

    金属波纹膨胀节(又称波纹补偿器)是由金属波纹补偿器管和构件组成的具有补偿功能的器件。它能够补偿管道的热变形、机械变形和吸收各种机械振动,起到降低管道变形应力和提高管道使用寿命的作用。柳钢5号高炉热风炉热风管道共配备7个波纹补偿器,2012年随高炉一罐制改造后投入使用,为0。6BFGZ-2594-J型高温轴向型波纹补偿器,内层254SMO/外层316L,轴向补偿量30mm。2015年12月08日点检中发现热风总管中段的波纹补偿器有漏风现象,岗位人员及时对波纹补偿器进行打水冷却,12月9日休风处理,清理波纹补偿器表面发现有10处轴向裂纹。于是炼铁厂组织修复,本文进行总结。

    2  原因分析[1]

    热风炉燃烧室在烧炉过程中的烟气含有大量有害、腐蚀性物质—硫化物(H2S和SO2),同时含有O2和H2O。如果波纹管膨胀节的温度降到露点以下,波纹管内表面将发生水汽凝结形成水膜,煤气中的H2S、SO2等会溶解在水膜中,形成腐蚀性很强的酸性介质,引发露点腐蚀,反应式: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,则腐蚀更为严重。Cl-和S2-对腐蚀反应有相互促进作用,反应式:Fe+2Cl-+2H+→FeCl2+H2;FeCl2+H2S→FeS+2Cl-+2H+;Fe+H2S→FeS+H2;FeS+2Cl-+2H+→FeCl2+H2S。

    Cl-和S2-具有很强的腐蚀穿透性,能够破坏不锈钢金属表面钝化膜的完整性,引发点蚀等局部腐蚀。腐蚀主要是向纵深发展,从而使设备很快产生泄漏。点蚀是波纹补偿器失效的主要原因,较高的环境温度(露点以下)和强酸性介质又是生产点蚀的重要条件。

    在O2和 H2O存在的条件下,煤气中的硫化物还能生成连多硫酸,反应式: Fe+H2S→FeS+H2;SO2+H2O→H2SO3;FeS+H2SO3→mH2SxO6+nFe;H2S+H2SO3 →mH2SxO6+ nS。在硫酸和应力特别是拉应力存在的条件下,不锈钢和钝化耐蚀合金将发生应力腐蚀破裂,应力腐蚀裂纹主要沿晶粒边界扩展。煤气管线残存液和腐蚀产物的分析结果都证实硫酸的存在,但硫酸成分不稳定,易分解为SO32-,再转变为稳定的SO42-。由于波纹补偿器工作时存在应力,因此会在点蚀坑定部产生应力集中,在应力和腐蚀介质的共同作用下导致应力腐蚀裂纹的产生和扩展,而点蚀坑则是应力腐蚀的裂纹源。

    3  处理措施

    本次5号高炉热风直管补偿器多点泄漏故障,先在不影响生产的情况下做临时处理,再于合适的时机进行彻底处理。

    3.1  临时处理 

    在高炉正常生产的过程中采取在线原位安装碳钢包的临时处理方案。此时,管道热膨胀已到位,只要生产正常,无休慢风导致管道冷却产生冷缩,碳钢包则不会变形、受力。原管道外径Φ2 594 mm,补偿器波纹高度80 mm,新增耐高温纤维毡厚度约200 mm,碳钢包最小直径2 054 mm,考虑卷管误差及拼装方便,碳钢包直径D0设定为3 200 mm,长度约600 mm(见图1)。为保障措施安全,需对碳钢包壁厚进行核算。

    image.png

    (1)碳钢包设计壁厚核算 [2] 。已知条件:工作压力P:0.4 MPa;工作温度t:150 ℃。管道理论壁厚计算: =6.65mm(1)式中:δ为管道计算壁厚(mm);P设计压力(MPa);D0为管道外径(mm); 为钢管在设计温度t下的许用应力:113 MPa;φ为焊接接头系数:0.85;Y为系数,对于≤482℃钢管,Y=0.4,510℃,Y=0.5。管道设计壁厚计算:δs=δ+C=8mm(2)。C=C1+C2 =1.35 mm(3)。式中:δs为管道设计壁厚(mm);C为管道壁厚附加量(mm);C1为管道壁厚负偏差附加量,包括加工、开槽和螺纹深度及材料厚度负偏差(mm);C2为管道壁厚腐蚀附加量(mm);δ为管道计算壁厚(mm);通过查表所知: C1=0.6 mm; C2=0.75 mm(符号一致)。根据式(2)计算,可采用δ=8 mm钢板卷制Φ3200 mm碳钢包,在保障高炉不休风的前提下,进行泄漏波纹补偿器的临时紧急封堵。(文中公式请正确书写,注意物理量的正斜体、上下标)

    (2)实施内容:①在损坏的补偿器与碳钢包之间,填充约200 mm厚耐高温纤维毡,防止泄漏点热辐射直吹碳钢包造成炭化,降低碳钢包强度。②碳钢包制作安装。将补偿器泄漏点处的碳钢包预留约400 mm长最后焊接,并安装DN50 mm手动泄压球阀,保障焊接收口。

    3。2  彻底处理 

    采取移位外包不锈钢波纹补偿器的彻底处理方案,主要达到减少检修时间、恢复补偿器功能的目的,防止热风直管、高炉因温差变化产生的热位移对热风围管及送风装置产生影响(见图2)。外包不锈钢波纹补偿器长度约1 800 mm,紧邻旧碳钢包,其最大直径比原补偿器大,内压产生的盲板力已增大,为保障管系安全,需重新核算4根Φ105 mm管道大拉杆的最大受力,以确定外包不锈钢波纹直径。

    image.png

    (1)外包不锈钢波纹补偿器最大直径核算 。已知条件:工作压力P:0.4 MPa;工作温度t:150 ℃;大拉杆抗拉许用应力[δ] [2]:1130 kg/cm2;盲板力[3]:F=P×A0(4)。式中:P为工作压力(MPa);A0为补偿器最大截面积(mm2),未知。单根螺栓承载力[4]: Ne=π(2d-1.8763t)2[δ]/16=884217 N(5)。式中:Ne为抗拉承载力(kg);d为螺栓直径,10.5cm;t为螺纹间距,0.55 cm;[δ]为抗拉许用应力,1130kg/ cm2 。保守计算,按3根大拉杆受力,则:3×Ne≥F(6)。根据式(4)、(6) ≤ ≤    ≤1453 mm式(7)。式中: 为补偿器最大半径(mm)。根据上述公式计算,补偿器最大直径D=2×r0=2906 mm(8)。故外包不锈钢波纹补偿器尺寸确定:通径D=2700 mm,波纹高度(图2所示)=75 mm,最大截面直径2850 mm。 (文中公式请正确书写,注意物理量的正斜体、上下标)

    (2)方案实施内容:①将外包不锈钢波纹补偿器分成4瓣制作。②高炉休风前,完成外包补偿器现场拼装,管道与新补偿器之间填充耐高温纤维毡,减少热辐射对不锈钢波纹的影响。③高炉休风后,割除旧碳钢包,旧补偿器保护拉杆、环板、铠甲环。同时,为减少旧补偿器弹性反力,在不锈钢波纹上均布钻10个Φ40 mm通孔,新接短管与外包补偿器拼接后,安装补偿器新铠甲环,进行试压。④注意事项:新接短管因承受补偿器弹性反力作用,需要一定的强度,故采用δ12 mm钢板卷制。同时,新接短管、外包补偿器都存在制安误差,为方便对接,需提前在外包补偿器与新接短管连接端,焊接宽度约50~80 mm的δ12 mm环板。

    4  结语

    本次5号高炉热风直管补偿器多点泄漏故障,分两个阶段处理的方案,达到了以下几个目的。

    (1)减少高炉休风频次,节约检修时间。临时处理方案在线施工,给高炉生产有一定的影响。彻底处理方案中,不锈钢波纹补偿器安装耗时长,提前把剖分式波纹补偿器的一部分在线焊接到位,不占用检修休风时间。

    (2)恢复了该段管系补偿器的补偿功能,避免了热风直管、高炉因温差变化产生的热位移对热风围管及送风装置产生的影响。

    (3)对更换下来的波纹补偿器样品进行化验,针对化验结果来处理热风直管内残余有害气体。

    5  参考文献

    [1] 徐赤坤,贾新民。波纹管膨胀节实际应用中的腐蚀分析与防护对策。材料开发与应用,2001,16(2):P17~P20。

    [2]  《动力管道设计手册》编写组.动力管道设计手册.北京:机械工业出版社,2006. P9,P557~P578.

    [3] 徐灏. 机械设计手册.2第1卷. 机械工业出版社,1991. P4-P45. 

    [4] 王一骏,顾泰昌等.钢结构设计手册(上册 第三版).北京:中国建筑工业出版社,2004.P52-P78.

    (责任编辑:zgltw)
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