轉爐汽化煙道爆管分析及預防

沙 勇 張彭博

（歐薩斯能源環境設備（南京）有限公司，江蘇 南京 210058）

1 前言

轉爐汽化冷卻系統是冶金行業的重要設備，其安全穩定運行是保證轉爐穩產、環保、節能的重要條件，在實際運行過程中，水冷壁一旦發生爆管事故，輕則影響轉爐產能，重則導致事故發生。國外某公司的轉爐汽化冷卻系統就發生過類似事故，其爐管材質為SA-192， 規格：Φ38×5.5mm。汽化冷卻系統在運行后不久，移動罩受熱面爐管發生爆管事故。爆管的切割試樣如圖1和圖2所示。

事故發生后，該公司高度重視，立即組織相關人員對事故做了深入調查分析，找出了事故根源，并制定了相關措施，收到了很好效果。

2 爆管原因分析

針對本案例，本文從爆管的宏觀形貌、材料成分、機械性能、微觀組織、焊接過程、運行環境（如水質結垢、沖刷、腐蝕等）等方面進行分析，以期找出事故的根結。

2.1 爆管的宏觀形貌

爆管處呈喇叭狀，管壁逐漸從厚減薄，爆口脹裂明顯，邊緣鋒利，呈撕裂狀，變形嚴重，內壁光滑，破口有一層黑色氧化皮，有明顯塑性變形。

2.2 材料分析

在爆管所處的完好母材上用德國SPECTRO TEST TXC25移動式光譜分析儀進行成分檢測，分析結果見表1。由對比測試數據和標準要求，可以看出，管材化學成分符合SA-192/SA-192M 材料的要求。

表1 母材PMI 分析結果 %

表2 材料機械性能試驗指標

取爆管完好部位進行機械性能試驗，檢測數據見表2。對比材料標準規定，可知，原材料機械性能符合SA-192/SA-192M材料的要求。本案例的移動罩受熱面的設計最高運行溫度330℃，工作壓力為5.4 MPa，而設計所選用的SA-192/SA-192M 材料在330℃條件下，根據標準，利用插值法計算得到的許用應力為90.12MPa，滿足轉爐汽化冷卻裝置的設計溫度和使用壓力。

通過表1及表2的數據，表明原材料符合設計要求，爆管與原材料無關。

2.3 焊接方面分析

本案例爆管所處位置均不在焊縫連接處，故爆管與焊接工藝無關。

2.4 金相檢測分析

對爆管試樣（即圖2所示試樣）和未變形完好的SA-192鋼管取樣，其顯微組織分別如圖3和圖4所示。圖3為爆管處的組織，其組織為片狀珠光體和鐵素體，部分鐵素體呈針狀向珠光體內部生長，形成魏氏組織，為典型的過熱組織；圖4為未爆裂正常SA-192鋼管金相照片，組織為分布均勻的鐵素體和片狀珠光體，晶粒度達8.5級。

金相檢驗結果表明，爆管處鋼管組織發生局部過熱，產生了塑性比較低的魏氏組織，使得該處鋼管變脆，延伸率降低。

圖1

圖2

圖3 爆管處試樣 200×

圖4 完好試樣 100×

2.5 結垢、沖刷及腐蝕方面分析

因本鍋爐開工時間很短，管子結垢、沖刷及腐蝕對管子爆管的影響比較小，從爆管實物也得到證實，管子內部幾乎無垢，也沒有明顯的腐蝕。

2.6 爆管原因分析

通過上面的分析，我們基本可以排除材料、焊接、結構及腐蝕因素引起爆管的可能性。

從設備系統運行的情況知道，此汽化煙道使用不久就出現爆管，爆口邊緣鋒利，呈撕裂狀。我們知道，移動罩是強制水循環冷卻，進口集箱內裝有拉蒙管，移動罩受熱面小徑管內部冷卻水是通過拉蒙管限流孔（口徑一般為Φ7.3mm）流入的。若拉蒙管孔堵塞，受熱面管子內部水流量就會不足，甚至缺水，受熱面管子在溫度超過1600℃煙氣的環境下，接受到的熱量不能及時被冷卻水帶走，就會帶來兩種后果：一是管壁在高溫下受熱時間過長，鋼管組織發生過熱，產生魏氏組織，使得水管機械性能惡化，嚴重的情況下，鋼管會發生脫碳和過燒等現象；二是使得管壁內的少量水汽或者空氣膨脹，壓力增大，在此溫度狀態下，當管壁內壓力大于管壁本身許用應力時，就會發生爆管現象，造成設備事故。

圖5 現場移動罩進口集箱解剖圖

為此，對移動罩進口集箱內部進行了檢查。集箱割口后，檢查發現進口集箱內部比較臟，鐵銷、污物把拉蒙管孔幾乎堵塞，如圖5所示。

從現場移動罩進口集箱解剖的內部情況，表明爆管的根本原因是移動罩進口集箱的拉蒙管孔被堵塞，使受熱面溫度急劇上升，超過了設計溫度330℃，由此最終導致了水管過熱，機械性能下降，鋼管被內部氣體脹裂。爆管的宏觀形貌以及爆管的金相組織檢驗結果也印證了這點。

3 處理及預防措施

3.1 對爆管的技術處理

對此轉爐汽化煙道，經研究后，我們采取了下列處理措施：

（1）切開強制水循環系統的進口集箱檢查孔管帽，進行清潔檢查，確保無雜物。

（2）通過拉蒙管檢查孔，取出拉蒙管，并進行徹底清洗。用絲堵封堵拉蒙管檢查孔，拉蒙管在煮爐后再安裝。

（3）按原制造WPS重新焊接集箱檢查孔管帽，焊后進行100%射線檢測。

（4）對爆管及管子變形處進行換管處理，用同樣規格的SA-192鋼管，按原制造WPS進行焊接，換管長度不低于500mm，換管后進行100%射線檢測。

（5）對轉爐汽化冷卻系統進行整體水壓。

（6）水壓后，對轉爐汽化冷卻系統進行煮爐處理，確保煮爐效果。

（7）煮爐后，用拉蒙管專用工具重新回裝拉蒙管。

（8）再一次用絲堵封堵拉蒙管檢查孔。

3.2 預防措施

針對轉爐汽化煙道爆管的原因，可以采取下列措施進行預防：

（1）制造、安裝時，要嚴把材料關，嚴防用錯材料。

（2）焊接要嚴格遵照WPS，焊接后按要求進行檢測。

（3）由于灰黏結在表面粗糙物體上的可能性比黏結在表面光滑物體上的可能性要大得多，因此移動罩受熱面上煙氣側對接焊縫須磨平并與母材圓滑過渡，盡量減少因管壁表面粗糟度對結焦的影響。

（4）為降低煙氣沖刷及腐蝕，可在移動罩煙氣側管壁表面堆焊2mm厚的ERNiCrMo-3材料，實踐證明，效果比較理想，移動罩的使用壽命大大增加。

（5）制造、安裝過程中，要嚴格仔細，切勿讓鐵屑、焊渣、氧化皮等污物進入轉爐汽化冷卻系統。

（6）水壓后及時檢查集箱清潔度，確保無污物滯留堵塞拉蒙管。

（7）嚴格按要求控制鍋爐循環水質，盡可能降低水質在管子內部結垢和腐蝕。

（8）煮爐一定要徹底，確保煮爐達到要求。

（9）精心操作，杜絕設備超負荷運行。

結語

通過以上的檢驗和分析，可以看出本案例中爆管的根本原因是，集箱內部拉蒙管被污物堵塞，與被堵拉蒙管連接的受熱面管子內部循環水供給不足，導致水冷壁管受熱不均，管壁得不到及時冷卻，短時急劇過熱，破壞了鋼管材料的高溫綜合機械性能，從而引起瞬間破裂。本文根據爆管產生的原因，提出的預防措施，在實際運行中成功避免了此類事故的發生，確保了轉爐汽化煙道系統安全、穩定、長期運行。

[1]SA-192/SA-192M-2013，高壓用無縫碳鋼鍋爐鋼管[S].

[2]ASME SECTION II Part D -2013，ASME鍋爐及壓力容器規范[S].

[3]高慶坤，丁立波. 鍋爐運行及事故處理[M].北京：化學工業出版社，2013.

[4]SFA-5.14/SFA-5.14M-2013，鎳和鎳合金光填充絲和焊絲標準[S].