推鋼式加熱爐上升管并聯(lián)引發(fā)的水梁開裂事故分析

李寶林

（天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

1 引言

推鋼式連續(xù)加熱爐（簡稱推鋼爐）因其結(jié)構(gòu)簡單、建設(shè)成本低等原因，目前冶金軋鋼行業(yè)仍有較大比例在運(yùn)行，其汽化系統(tǒng)幾乎全部采用自然循環(huán)。目前國內(nèi)推鋼爐汽化冷卻裝置的自然水循環(huán)系統(tǒng)一般有單獨(dú)下降單獨(dú)上升、分組下降單獨(dú)上升、集中下降單獨(dú)上升、分組下降分組上升和集中下降分組上升等五種典型系統(tǒng)，其中以分組下降單獨(dú)上升及集中下降單獨(dú)上升居多。

近些年部分爐窯公司從便于簡化布置、有利于維護(hù)檢修、減小工程量及投資等角度出發(fā)，開始采用分組下降分組上升和集中下降分組上升系統(tǒng)，此兩種系統(tǒng)由于存在下降管、上升管并聯(lián)問題，因此在設(shè)計(jì)、施工等環(huán)節(jié)稍有不慎便可能造成爐底管水梁開裂事故，給軋鋼生產(chǎn)造成損失。為避免類似事故出現(xiàn)，特提出設(shè)計(jì)、施工過程注意事項(xiàng)，以供借鑒。

2 上升管并聯(lián)形成的水梁事故及原因

2.1 汽化系統(tǒng)上升管并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式

上升管并聯(lián)存在于分組下降分組上升、集中下降分組上升的汽化系統(tǒng)中。

分組下降分組上升系統(tǒng)是將熱負(fù)荷與流動阻力較接近的幾個爐底管回路并聯(lián)成一組，每組設(shè)上升集管和下降集管各一根。

集中下降分組上升系統(tǒng)是在分組下降分組上升基礎(chǔ)上只由一根下降集管供水。

2.2 上升管并聯(lián)形成水梁事故

分組下降分組上升、集中下降分組上升系統(tǒng)均存兩個或多個上升回路共用一個上升并聯(lián)集管的情況，由于并聯(lián)方式不當(dāng)造成爐底水梁壽命降低，嚴(yán)重時產(chǎn)生爐底水梁開裂漏水。

水梁抽頭出爐后上升管并聯(lián)示意圖見圖1。

圖1 水梁抽頭出爐后上升管并聯(lián)示意圖

天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司帶鋼廠130 t/h 加熱爐汽化冷卻采用自然循環(huán)系統(tǒng)，共有4 根Φ140×22 mm，長38 m 的爐底縱梁，為縮短爐底縱梁汽化循環(huán)回路長度，有利于汽水循環(huán)，在每根縱梁中部適當(dāng)部位設(shè)置堵板，將每根縱梁由一個循環(huán)回路變?yōu)閮蓚€循環(huán)回路。堵板兩側(cè)由2 根Φ140×22 mm 水梁抽頭將縱梁內(nèi)汽水混合物引出爐外，抽頭出爐后管徑變?yōu)? 根Φ159×6 mm 循環(huán)管。該爐西側(cè)兩根縱梁的4 根抽頭出爐后在水平管段兩根一組并聯(lián)，并聯(lián)集管管徑為Φ159×6，兩循環(huán)上升管并聯(lián)時采用90°彎頭，相當(dāng)于垂直并聯(lián)；該爐東側(cè)兩根縱梁的4 根抽頭出爐在垂直向上管段并聯(lián)，并聯(lián)集管管徑為Φ219×6，兩上升管并聯(lián)時有一定夾角。

該爐于2012年3月27 日開始試生產(chǎn)，運(yùn)行僅3 個月在加熱爐實(shí)爐底段偏西側(cè)出現(xiàn)水梁開裂漏水，溢出水柱將熱鋼坯澆黑無法軋制，加熱爐被迫停爐檢修。在檢查時發(fā)現(xiàn)漏水位置出現(xiàn)在西側(cè)兩根縱水梁上，開裂段分別出現(xiàn)在堵板兩側(cè)，堵板的高溫段縱梁開裂，漏水出現(xiàn)在均熱段實(shí)爐底段，堵板低溫段縱梁開裂，漏水部位出現(xiàn)在距堵板2～3 m處；西側(cè)兩根縱梁完好。

為找出問題所在，將開裂管段剖開，發(fā)現(xiàn)管子上部內(nèi)壁出現(xiàn)不規(guī)則裂紋，管子下部內(nèi)壁卻完好，經(jīng)UT 超聲波無損檢測發(fā)現(xiàn)在管子內(nèi)壁不同深度存在裂紋缺陷，從表象看裂紋是由管子內(nèi)壁向外壁發(fā)展最后形成開裂漏水。

2.3 水梁開裂原因分析

本案例縱梁開裂部位出現(xiàn)在西側(cè)兩根縱梁的堵板兩側(cè)，東側(cè)兩根縱梁卻完好，為此在現(xiàn)場對爐子?xùn)|側(cè)兩根縱梁與西側(cè)兩根縱梁的循環(huán)上升管進(jìn)行了仔細(xì)比較，發(fā)現(xiàn)東側(cè)2 根水梁雖然也存在上升回路并聯(lián)情況，但并聯(lián)方式與西側(cè)2 根縱梁存在以下明顯區(qū)別。

2.3.1 并聯(lián)集管管徑不同

東側(cè)2 根縱梁的每根縱梁抽頭出爐后管徑由Φ140×22 mm 變?yōu)棣?59×6 mm，2 根Φ159×6 mm 抽頭循環(huán)管并聯(lián)時并聯(lián)集管為Φ219×6 mm，然后上升到汽化器汽包；而西側(cè)2 根縱梁的每根縱梁抽頭出爐后管徑也是由Φ140×22 mm 變?yōu)棣?59×6 mm，2根Φ159×6 mm 抽頭循環(huán)管也采取并聯(lián)，并聯(lián)段并聯(lián)集管僅為Φ159×6 mm，隨后該并聯(lián)集管再由Φ159×6 mm 調(diào)整為Φ219×6 mm 上升至汽化器汽包。

2.3.2 并聯(lián)位置不同

東側(cè)2 根縱梁的每根縱梁抽頭出爐后由90°彎頭彎轉(zhuǎn)向上，在垂直向上管段并聯(lián)；而西側(cè)2 根縱梁的每根縱梁抽頭出爐后直接在水平管段上并聯(lián)。

2.3.3 并聯(lián)角度不同

東側(cè)兩根縱梁的每根縱梁抽頭出爐后并聯(lián)時兩抽頭循環(huán)管并聯(lián)夾角為45°；而西側(cè)兩根縱梁的每根縱梁抽頭出爐后并聯(lián)時兩抽頭循環(huán)管采用90°彎頭直接并聯(lián)，夾角為90°。

從上述區(qū)別看出，東側(cè)兩根縱梁與西側(cè)兩根縱梁雖然都采用縱梁抽頭并聯(lián)方式，但由于并聯(lián)位置、并聯(lián)夾角及并聯(lián)集管管徑等不同，導(dǎo)致同一縱梁的堵板兩側(cè)兩個回路汽水循環(huán)狀態(tài)不同。由于西側(cè)縱梁抽頭并聯(lián)方式不當(dāng)，導(dǎo)致縱梁堵板兩側(cè)管段汽水循環(huán)相互干擾，由于并聯(lián)管段熱負(fù)荷與流動阻力不同，在并聯(lián)點(diǎn)汽水壓力較高一端首先阻礙汽水壓力較低一段，使汽水壓力較低一端汽水循環(huán)流動變慢甚至停滯；此時變慢或停滯循環(huán)管段內(nèi)的水在爐內(nèi)高溫作用下吸收熱量快速汽化，此時該管段壓力升高，當(dāng)升至高于正在循環(huán)管段壓力時，噴出水或蒸汽又阻礙或封住正在循環(huán)管段。如此反復(fù)互相干擾。

綜上，上升管并聯(lián)造成水梁開裂原因是兩個（或多個）回路并聯(lián)產(chǎn)生相互干擾，并聯(lián)各回路中均存在汽水混合物流動受阻情況，當(dāng)回路中汽水混合物流速低于臨界流速與0.4 m/s 兩者之中較大值時，管段中便出現(xiàn)汽水分層，表現(xiàn)為爐底水梁管上部為蒸汽、下部為水，由于蒸汽傳熱性能很差，使得管壁溫度劇烈增高。此外管子下部的水珠濺到上部管壁，鹽分析出附著在管壁上，更加劇了管壁溫度升高，最后導(dǎo)致管壁過熱產(chǎn)生裂紋或汽水腐蝕，形成開裂漏水。這就是本例中管子裂紋只出現(xiàn)在上部而下部卻完好的原因。

3 防止上升管并聯(lián)造成爐底管水梁開裂措施

對于由于場地限制及其它條件限制必須并聯(lián)的情況，一定要滿足以下條件要求。

3.1 并聯(lián)集管管徑應(yīng)滿足以下要求

根據(jù)加熱爐汽化冷卻裝置設(shè)計(jì)參考資料，上升管并聯(lián)集管應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)要求：

（1）循環(huán)管道與爐底管內(nèi)徑的比值，ds/dz為1.35～1.75；ds/dh為1.1～1.5。其中，ds為上升管內(nèi)徑;dz為縱爐底管內(nèi)經(jīng);dh為橫爐底管內(nèi)徑。

（2）上升集管與爐底管的流通截面積比值，F(xiàn)sj/∑Fz為1.6；Fsj/∑Fh為0.95～1.15。其中，F(xiàn)sj為上升集管流通截面積；∑Fz、∑Fh為連接于同一集管上的各縱、橫爐底管流通截面積的總和。

爐底管的管徑與壁厚應(yīng)按照加熱爐強(qiáng)度計(jì)算要求確定。一旦爐底管直徑確定，便可初步按照循環(huán)管道與爐底管內(nèi)徑比值確定與爐底水梁相連爐外上升循環(huán)管內(nèi)徑；按照上升集管與爐底管的流通截面積比值確定上升并聯(lián)集管管道內(nèi)徑，并聯(lián)集管內(nèi)徑計(jì)算公式可按以下公式計(jì)算：

式中：dsj為上升集管直徑。

當(dāng)上升管采用并聯(lián)集管時，集管內(nèi)徑應(yīng)不小于上式計(jì)算結(jié)果。

3.2 并聯(lián)點(diǎn)位置選擇

因自爐內(nèi)爐底管汽化點(diǎn)開始再向上升管流動過程中，管內(nèi)流動的是汽水混合物，因此上升管的走向必須滿足汽水混合物沿管線上升的流向要求，因此兩個(或多個)回路的并聯(lián)點(diǎn)應(yīng)盡量選擇在上升管的垂直向上管段或有一定向上坡度管段上。

3.3 并聯(lián)角度要求

根據(jù)加熱爐汽化冷卻裝置設(shè)計(jì)參考資料，上升管合流時應(yīng)避免出現(xiàn)垂直并聯(lián)方式，如圖2（a）所示，應(yīng)采用具有一定角度合流并聯(lián)方式，如圖2（b）、圖2（c）所示，圖中角度α 應(yīng)保持在30°～45°，這樣可有效避免兩個或多個回路并聯(lián)時汽水流動在并聯(lián)點(diǎn)互相干擾問題，確保每個并聯(lián)回路汽水流動始終朝預(yù)定（正）方向流動。

圖2 并聯(lián)管路的三通管樣式圖

4 改進(jìn)結(jié)果

依據(jù)以上理論要求，對加熱爐西側(cè)兩根縱梁抽頭出爐后的并聯(lián)管路進(jìn)行了以下改造。

4.1 并聯(lián)集管采用的改造方案

4.1.1 水梁抽頭出爐后變?yōu)樯仙艿墓軓叫：?/p>

縱梁堵板兩側(cè)爐底管均為Φ140×22 mm，根據(jù)公式：

水梁抽頭出爐后內(nèi)徑應(yīng)不小于上式計(jì)算結(jié)果：129.6～175 mm，本案抽頭出爐后采用Φ159×8 mm上升管，符合計(jì)算結(jié)果。

4.1.2 兩個水梁抽頭出爐后并聯(lián)集管校合

dsj=√4×1.6∑Fz/3.14=√1.6×2×0.0962=172 mm

本案例加熱爐西側(cè)水梁抽頭出爐后并聯(lián)集管采用Φ159×8 mm 管段小于由上式計(jì)算出的172 mm，此為造成兩并聯(lián)回路汽水循環(huán)互相影響的設(shè)計(jì)誘因。

4.1.3 整改結(jié)果

綜上，本案例中對加熱爐西側(cè)兩根水梁的每根縱梁抽頭的并聯(lián)集管按照以上計(jì)算結(jié)果由Φ159×6 mm 調(diào)整為Φ219×6 mm。

4.2 并聯(lián)點(diǎn)位置改造

本案中對加熱爐西側(cè)水梁抽頭循環(huán)管在水平管道上增加90°彎頭，使抽頭循環(huán)管在出爐后由90°彎頭彎轉(zhuǎn)向上，在垂直向上管段并聯(lián)。

4.3 并聯(lián)角度改進(jìn)

本案中將加熱爐西側(cè)每根縱梁抽頭出爐后并聯(lián)時采取45°夾角。

5 改進(jìn)后的效果

通過對本案例中加熱爐西側(cè)兩根縱梁抽頭并聯(lián)方式的上述改進(jìn)，自2012年8月實(shí)施改進(jìn)后，運(yùn)行9 個月沒有再出現(xiàn)水梁漏水事故，證明以上改進(jìn)措施得當(dāng)且效果顯著；加熱爐東側(cè)兩根縱梁因施工時采取正確并聯(lián)位置、并聯(lián)集管及并聯(lián)角度，自2012年3月投運(yùn)至今一直未出現(xiàn)水梁開裂事故。

6 建議

汽化冷卻裝置自然循環(huán)系統(tǒng)采用分組上升并聯(lián)回路布置時，對設(shè)計(jì)、施工環(huán)節(jié)需格外重視。

6.1 不提倡采用上升管并聯(lián)回路布置

上升管并聯(lián)基礎(chǔ)是熱負(fù)荷與流動阻力較接近的幾個爐底管回路才可以并聯(lián)成一組，但在加熱爐燒鋼過程中為保證燒鋼產(chǎn)量及質(zhì)量要求，需不斷調(diào)整爐內(nèi)熱負(fù)荷配置，加之爐底水梁隔熱包扎料脫落，因此在實(shí)際燒鋼時要滿足并聯(lián)各回路的熱負(fù)荷與流動阻力基本一致確實(shí)有一定困難，一旦并聯(lián)回路熱負(fù)荷與阻力損失嚴(yán)重失調(diào)，輕則影響爐底水梁壽命，重則形成水梁開裂事故，因此建議盡可能不要采用分組上升并聯(lián)回路布置。

6.2 把好上升管并聯(lián)關(guān)

對于由于場地及其它條件限制必須采用上升管并聯(lián)情況，一定要從并聯(lián)集管直徑、并聯(lián)位置、并聯(lián)角度上綜合把關(guān)；在進(jìn)行上升管并聯(lián)形式設(shè)計(jì)時，對于上升管并入點(diǎn)位置、并聯(lián)集管直徑及并聯(lián)角度一定要有詳圖，并進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)注，并附警告說明，這樣才能引起施工時足夠重視，絕不能僅畫出示意圖；施工人員應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工，圖紙不明確時應(yīng)向設(shè)計(jì)人員詢問，不得盲目施工。

以上建議希望為業(yè)內(nèi)人員在今后進(jìn)行汽化冷卻裝置上升管并聯(lián)回路設(shè)計(jì)、施工時提供參考。

7 結(jié)論

對于推鋼式加熱爐自然循環(huán)汽化冷卻系統(tǒng)，盡量不采用上升管并聯(lián)布置形式；如由于場地及其它客觀條件限制必須采用上升管并聯(lián)情形時，一定要從并聯(lián)集管直徑、并聯(lián)位置、并聯(lián)角度上綜合把關(guān)，只有上升管并聯(lián)方式正確，才能有效避免爐底水梁開裂事故的發(fā)生，使水梁使用壽命接近或達(dá)到單獨(dú)上升回路系統(tǒng)。

[1]鋼鐵廠工業(yè)爐設(shè)計(jì)參考資料編寫組.鋼鐵廠工業(yè)爐設(shè)計(jì)參考資料（上冊）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1977：684.

[2]加熱爐汽化裝置設(shè)計(jì)參考資料編寫組.加熱爐汽化裝置設(shè)計(jì)參考資料[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1980：218.

[3]武文裴，陳偉鵬，劉中強(qiáng)，等.冶金加熱爐設(shè)計(jì)與實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：371.