預熱器內筒的安裝及故障分析處理

王洪霞

預熱器內筒的安裝及故障分析處理

Installation and Troubleshooting for Cyclone-duct of Cyclone

王洪霞

1 引言

水泥廠窯尾預熱器系統是水泥生產過程中的核心設備之一，主要功能在于充分利用回轉窯排出的熾熱氣流中所具有的熱焓加熱生料，使之預熱和分解，然后進入分解爐和回轉窯繼續加熱分解，完成熟料燒成任務。旋風筒的主要功能是使氣料分離，其分離效率的高低直接關系到系統的熱效率。其中，旋風筒內筒是預熱器的關鍵部件，內筒使用正常與否，會直接影響旋風筒的分離效率、系統的熱效率及系統的正常生產。本文將就預熱器內筒安裝的注意事項及生產中幾例故障的分析處理作一介紹，供同行參考。

2 預熱器旋風筒內筒掛片常見結構形式及安裝注意事項

內筒工況條件極為惡劣，如高溫物料流的磨損、氧化，含K2O、Na2O、SO2、CI-等氣體的腐蝕及水泥生產線非正常產量等因素，均會使內筒的使用壽命縮短且容易導致生產運行故障。為了充分發揮內筒的使用性能，延長使用壽命，在保證內筒制造質量的基礎上，還應特別注意內筒的安裝質量，正確的安裝將對內筒長期使用產生重要影響。

2.1 C1內筒

C1內筒為整體筒式結構。C1旋風筒工作溫度在300℃左右，溫度較低，不易損壞，故一般采用整體的筒式結構。

2.2 C2、C3內筒

C2、C3內筒為掛片筒式結構。C2和C3旋風筒內溫度在550～750℃之間，內筒受熱腐蝕損壞幾率較大，需要階段性更換。為此，采用懸掛式大掛片等分圓周式結構設計，可以保證掛片間隙均勻分布，便于安裝調整，提高設備運行的可靠性。安裝前，應仔細校對旋風筒出風口處內筒支架的相關尺寸和螺栓孔定位尺寸，若制作尺寸偏差較大應做必要的修整。第一排掛片安裝完成后，要求掛片間隙均勻。

后續掛片安裝時不但要保證相鄰兩塊掛片之間的環向間隙達到最佳，而且與上一排掛片之間的豎直間隙也要保證均勻。安裝時應避免掛片受斜拉，因為這種情況容易導致掛片間隙上下不均勻，進而影響下一排的掛片縫隙。為避免出現這些情況，應先進行試掛，將尺寸不合適的地方拆下來打磨或修補，達到要求后方可使用。

掛完之后的內筒整體應呈規則的正圓柱形，相鄰兩塊掛片之間的間隙均勻，不存在零間隙情況，也不能有過大間隙。間隙過大，料流和氣流短路，會降低旋風筒的分離效率；間隙過小甚至沒有間隙往往會使C2和C3掛片因受擠壓而斷裂，從而降低內筒的使用壽命。2.3C4、C5內筒

C4及C5旋風筒內筒通常為鑲嵌式組合小掛片的結構。C4和C5旋風筒內工作溫度增加到750～950℃，工況環境非常惡劣，高溫和堿性環境易使內筒腐蝕和變形。為此，C4和C5內筒采用鑲嵌式耐熱鋼鑄造小掛片結構，便于不定期更換。

C4、C5掛片的安裝首先要進行內筒支架及頂蓋的檢查工作。與安裝C2和C3內筒類似，安裝時應確保第一排每塊掛片豎直平整，掛片之間的周向縫隙均勻，掛片搭接處不存在擠壓情況，第一排掛片調整合格后方可進行后續掛片的掛接。

雖然C4、C5掛片尺寸小，安裝、調整方便，但掛片安裝過程中仍然需要隨時檢查周向和縱向的掛片間隙。掛片間隙過大，在運行中如遇氣流劇烈波動或偶然爆燃、塌料等工藝故障，容易使掛片的掛鉤脫落，甚至掛片脫落，造成下料管堵塞或熟料破碎機損壞；掛片間隙過小，在熱膨脹后易出現內筒變形等。

綜上所述，預熱器旋風筒內筒掛片的正確安裝是保證內筒正常使用的前提條件。下面，筆者介紹一下因未正確安裝及使用掛片而帶來的一些故障案列，并就此分析一下故障的原因。

3 預熱器旋風筒內筒掛片的常見故障及原因分析

圖1 C3掛片受擠壓開裂

3.1 C3掛片的開裂及脫落（見圖1）

3.1.1 故障現象描述

在南方某現場，C3掛片使用不到半年的時間即出現碎裂甚至脫落的現象。其中，C3內筒第一環掛片損壞共計12塊，第二環損壞共計2塊（見圖1所示）。

3.1.2 故障原因分析

掛片在正常使用時，主要受到三個外力作用：（1）掛片自身重力；（2）物料的沖刷力；（3）旋風筒內的風壓。掛片失效通常是在物料沖刷及熱腐蝕綜合作用下逐步減薄形成的。C3掛片的設計厚度是16mm，現場人員通過測量損壞掛片的端面尺寸，發現掛片的厚度至少有15mm，從圖1也可清晰看出，掛片厚度幾乎沒有磨損、減薄且厚度均勻。因此可以判斷：C3掛片碎裂非掛片厚度嚴重減薄強度下降所致。

前文強調，在安裝C2、C3掛片時必須保證每塊掛片之間的熱膨脹間隙。C3內筒掛片的材質是含Ni的雙相耐熱鋼，雖然韌性優良，但在沒有膨脹間隙的情況下仍會受到熱膨脹力的擠壓而斷裂。研究資料表明：這個熱膨脹應力是個很大的力。在實驗室做高溫拉伸試驗時，將一根? 10mm、長70mm、與掛片同材質的試棒加熱到600℃時，熱膨脹力不低于30kN。C3掛片的長度是該試棒的10倍左右，厚度是試棒直徑的2倍，其熱膨脹應力不言而喻。

圖1照片顯示：該處損壞的掛片在冷態時已經頂死，這說明掛片是被擠壓斷裂的。究其原因是在冷態安裝時，掛片的膨脹間隙沒有達到圖紙的設計要求甚至掛片根本就沒有膨脹間隙，這就是此現場較短使用時間內掛片即斷裂的原因。

3.1.3 故障解決方法

更換損壞的掛片，同時仔細調整C3每環掛片之間的間隙，達到圖紙的設計要求，符合掛片安裝規范。考慮到現場操作的實際情況，對于那些間隙確實不好調整的掛片，采取補焊或切割的方法來滿足掛片間隙的圖紙要求，即：對間隙較大的掛片補焊耐熱圓鋼，把掛片間隙補償到圖紙要求尺寸；對間隙過小甚至沒有間隙的掛片，利用等離子切割設備或氣刨條，把掛片間隙切割到圖紙要求尺寸。

3.2 C4、C5掛片的脫落

3.2.1 故障現象描述

某廠在投料運行幾個月后即出現這兩級最下邊兩環的部分掛片（含T型連接塊、帶孔小掛片、小掛片）有脫落。客戶發現該故障現象后，即找到安裝公司相關人員對脫落掛片進行了補掛，然而運行不久又發生上述故障現象（見圖2、圖3）。

圖2 現場掛片間隙均勻

3.2.2 故障原因分析

C4、C5掛片由于尺寸小便于安裝、調整，安裝時很容易達到圖紙的技術要求。因此，這兩級的掛片出現脫落、擠裂的故障現象很少見。（1）對脫落掛片進行了尺寸測量，獲知掛片、帶孔小掛片及T型連接塊外觀良好無明顯磨損痕跡，且厚度減薄最多1mm，由此判斷：上述零件的脫落并非過度磨損減薄所致；（2）各掛片之間的間隙符合圖紙設計要求，說明掛片等零件的脫落不是由于膨脹間隙小受擠壓所致；（3）從現場圖片看，最下端一圈帶孔小掛片后面的內孔圓周內只是點焊而沒有滿焊，當受到物料沖刷特別是風壓的沖擊時，由于小掛片沒有與T型連接塊滿焊牢固，導致T型連接塊首先脫落而起不到鎖片的作用，從而造成帶孔小掛片及部分其他掛片的脫落，這就是前述故障發生的原因。

3.2.3 故障解決方法

將脫落的掛片按照圖紙要求重新補掛好，并且達到圖紙設計的間隙要求。同時，重點對T型連接塊應該焊接的部位仔細進行操作，確保每一T型連接塊焊接可靠、牢固。經過這次檢修，該現場小掛片脫落的故障現象消除，保證了熱工系統設備的正常運行（見圖4）。

圖4C4、C5易脫落的帶孔小掛片、T型連接塊及其焊接示意部位

圖5 內筒嚴重變形

圖6 掛片磨損情況

3.3 旋風筒內筒的嚴重變形

3.3.1 故障現象描述

這是一條利用化工廠的生產廢料電石渣作為原料生產水泥的2500t/d生產線，其預熱器為兩級，一級內筒為大掛片，二級內筒為小掛片，點火投料運行期間工藝系統正常，產量穩定在2500t/d左右。該生產線運行半年后，一級內筒大掛片嚴重變形（掛片由耐熱鋼板制成非鑄鋼件），導致燒成系統停產。

正常生產時，C1出口壓力在-2300～-2800Pa之間，出口溫度在580～640℃之間；C2出口壓力在-650～-800Pa之間，出口溫度在840～890℃之間，產量穩定在2500t/d左右。

故障發生的當天從18：15開始，C1出口壓力從-2854Pa不斷上升，在23：30己達到-4282Pa，轉天上午9點停窯檢查發現：預熱器C1內筒己完全變形成扁平狀，不能通風（見圖5、圖6）。

3.3.2 故障原因分析

現場實物照片清晰顯示，內筒掛片的壁厚減薄嚴重，大部分掛片的壁厚尺寸只有2～3㎜，大大削弱了內筒的整體剛度，在系統內風壓不停的作用下最終導致嚴重變形。由此判斷，內筒掛片的過快磨損、嚴重減薄是內筒產生變形故障的原因。下面，分析一下掛片磨損過快的原因。

掛片減薄一般情況下是在物料沖刷及熱腐蝕綜合作用下產生的。此外，還有一個不容忽視的減薄原因是物料中含腐蝕性元素對掛片帶來的磨損，其中對掛片使用壽命影響較大的是Cl元素。相關資料表明：入預熱器系統的水泥生產原料中的Cl元素會在溫度場的作用下離析出來，由于氯離子有很強的可被金屬吸附的能力，在氯離子環境中很容易產生應力腐蝕，從而生成可溶性物質，加速掛片的腐蝕。因此，生產中對Cl元素含量的正常控制范圍應低于0.015%。由于該生產線水泥原料中含有化工廠的生產廢料，其Cl元素成分含量大約在0.03%左右，是Cl元素正常控制范圍的2倍，故加速了掛片的磨損。

3.3.3 故障解決方法

現場采取臨時補救措施：（1）把已收縮變形的內筒拉開、調圓、找正；（2）內筒基本找好圓度后，在內筒里圈最薄弱部位先焊接一圈耐熱鋼筋板，然后在其上焊接“米”字支撐筋以加強內筒的剛度；（3）客戶應及時訂購新內筒掛片，一俟備件到貨后立即更換。

對此，我們建議：（1）盡量優化、控制水泥原料組分，即盡可能降低生產原料中Cl元素含量；（2）加強對預熱器內筒掛片磨損情況的檢查，每個月有停窯檢修的機會時要對掛片進行檢查，而且兩次檢查的間隔時間最長不能超過3個月；（3）在Cl元素含量不能有效改善的情況下，建議在掛片材質中增加Mo、N元素或提高Ni含量，以降低Cl元素對奧氏體耐熱鋼掛片的熱腐蝕傷害；（4）庫存一套掛片備件。當磨損后的掛片厚度尺寸超過設計尺寸的一半時就要考慮適時更換，以免影響正常生產。

4 結語

雖然預熱器是水泥廠燒成系統中重要的工藝設備，內筒掛片產生故障會直接影響燒成系統的正常生產，但由于內筒在設備內部為易損件，大家往往會忽略對內筒掛片運行情況的重視程度。希望通過本文對內筒掛片安裝要求和幾起典型掛片故障的分析、處理過程的介紹，能引起大家對內筒安裝、維護環節的重視，最大限度地延長內筒的使用壽命。■

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2014-02-07；編輯：呂光