5500 m3 高爐爐喉補償器失效分析及解決方案

張振存

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司煉鐵部，河北唐山 063200）

1 存在的問題

首鋼京唐5500 m3高爐裝料能力為9 批/h（礦，150 t/批；焦，25 t/批）。為吸收過料時常溫物料與高爐煤氣溫差變化產生的熱位移及爐料下落時的沖擊，采用波紋管補償器，該補償器具有結構緊湊、補償量大、流動阻力小、零泄漏和免維修等諸多優點。爐喉補償器安裝在高爐氣密箱與三角漏斗之間，補償器波紋管直徑1100 mm，內部過料部分直徑700 mm。

高爐爐喉補償器所承受的外力復雜，而且工作溫度和應力較高。高爐在冶煉過程中產生的煤氣成分復雜，常含有氯、硫、氫、碳等成分，具有較強腐蝕性，波紋管在有較強的腐蝕性介質中工作。在爐況運行不穩定時，常出現高溫、高壓、異常氣流沖擊等惡劣工況，時常失效。目前，該部位安裝的補償器，使用壽命長則1 年，短則兩個月就出現腐蝕、磨損、過燒等，致使波紋管開裂穿孔，大量煤氣泄漏。不僅嚴重影響高爐穩定運行，而且威脅工作人員人身安全，嚴重影響企業的正常生產經營。

這種情況通常采用臨時包覆，消除泄漏，臨時維持生產。通過分析研究，找到爐喉補償器真正失效原因，拿出對策才是解決問題的關鍵。

2 運行工況及原因分析

2.1 補償器設計工況條件

根據設計院計算核定，該補償器在使用工況條件工作壓力不大于0.3 MPa，設計溫度200，安裝徑向位移在標準允許范圍內，疲勞壽命101000 次，屬于非易損壞件。

2.2 補償器實際工況條件

通常情況下，高爐煤氣的主要腐蝕成分是硫離子，首鋼京唐高爐煤氣含有大量氯離子。補償器除了要受到煤灰粉的沖刷磨損以及焦炭、礦石下料時的沖擊，在爐況不穩時還要受到高于300450的高溫煙氣的侵蝕。由于氣密箱法蘭與爐頂三角漏斗法蘭不同心，補償器安裝時需徑向強迫變形28 mm 后才能安裝。補償器失效如圖1 所示。

圖1 波紋補償器失效

2.3 原因分析

（1）補償器安裝時徑向變形過大，疲勞壽命嚴重降低。補償器主要有軸向、徑向、角向以及組合補償方式，不同類型的膨脹節補償形式不同。軸向型補償器主要吸收軸向位移，只能吸收微小徑向位移。在JB轅T 6169—1992 金屬波紋管標準中，對此項性能的檢測做出規定。對同時存在多種位移的波紋膨脹節，要對其各種位移進行合成，求出總等效軸向位移，檢測是對總等效軸向位移而言。當軸向補償器吸收較大的徑向位移時，其徑向剛度較大，由此產生變形應力大大增加，導致其補償器的疲勞壽命大大降低。徑向位移對波紋管壽命影響計算對比見表1。通過計算對比，可以看出徑向位移過大對波紋管的壽命影響是致命的。計算中，當軸向位移為10 mm，徑向位移為20 mm 時與軸向為50 mm，徑向為0 mm 時，許用疲勞壽命出現巨大差別。首鋼京唐的徑向變形則達到28 mm，使用壽命要遠遠低于設計壽命。

（2）含塵荒煤氣沖刷磨損，引起波紋管內部減薄直至穿孔。檢查失效的波紋補償器，發現波紋內部波紋間充滿了煤灰粉，補償器波紋元件的內壁直接與介質接觸。由于高爐荒煤氣含塵濃度高，顆粒大，當高爐運行不穩定時，惡劣工況頻繁出現，高溫、高壓、含塵荒煤氣高速沖刷補償器徑向內壁，加劇了含塵荒煤氣對波紋管內壁的磨損，一旦出現小孔，快速擴展直至大面積泄漏。出現這種狀況，必將造成高爐休風，影響生產。

表1 徑向位移對波紋管壽命影響計算對比

（3）高爐煤氣含有酸性成分，Cl-對補償器產生應力腐蝕及點蝕破裂。高爐煤氣中含有多種酸性成分，對波紋管有腐蝕作用。通常，硫影響波紋管，因此波紋元件選用耐蝕材料In原coloy825。高爐煤氣硫對波紋管腐蝕的相關的化學反應方程式：

盡管首鋼京唐爐喉補償器的波紋元件也選用耐蝕材料In原coloy825，在失效補償器返廠解剖后發現，內部均有米粒大小點蝕坑。當點蝕繼續擴展到穿孔時，就會造成煤氣泄漏。通過查詢有關研究發現，當煤氣中存在Cl-時，腐蝕性更為嚴重。反應式：

Cl-和S2-具有很強的腐蝕穿透性，能夠破壞不銹鋼或鈍性耐蝕合金表面鈍化膜的完整性，引發點蝕等局部腐蝕。在首鋼京唐TRT 加藥時對高爐煤氣進行檢驗，發現煤氣中含Cl-的成分是通常企業的5 倍。Cl-和S2-對腐蝕反應有相互促進作用，因此腐蝕更加嚴重（圖2）。

3 解決方案

通過上述分析，補償器在安裝時徑向變形太大，導致波紋管的二次應力嚴重超標，使補償器的疲勞壽命大大降低，再加上荒煤氣的沖刷磨損及酸性介質的腐蝕，是導致補償器在短時間內失效的主要原因。因此，對波紋管進行重新設計改造。

圖2 受腐蝕的波紋管內壁

3.1 安裝時消除徑向變形

采取自然安裝方式。先將補償器與其下部的氣密箱短節進行安裝，然后將補償器與上部聯接中間漏斗的法蘭進行安裝，最后將波紋管與法蘭焊接。這樣分體安裝后焊接，消除了因上下錯位強迫補償器變形來適應現場的缺陷，消除了補償器徑向變形的應力。

3.2 補償器內部增加對插保護套

采取自然安裝的方式消除了補償器工作時產生徑向位移的可能，補償器兩端只有軸向相對運動，這為在補償器內部增加對插保護套創造了有利條件。在補償器內側增加不影響補償，可伸縮耐高溫對插保護套。其中在一端伸縮管加工密封槽，在槽內設置耐高溫陶瓷纖維密封環。對插保護套阻止了含塵濃度高、顆粒大的高爐荒煤氣高速沖刷補償器徑向內壁，消除了補償器內壁波紋管的磨損，延長其壽命。

3.3 在波紋元件內壁填充含鋯陶瓷纖維氈

在波紋元件內壁與保護套之間填充含鋯陶瓷纖維氈，起隔熱保護作用。一方面消除了爐況不穩時的高溫煙氣的侵蝕，另一方面使得波紋元件免受小顆粒粉塵的磨損。纖維氈很好地阻止了波紋管內與爐內的氣體交換，降低高溫煙氣的侵蝕，減輕煤氣對其腐蝕。

4 結論

首鋼京唐高爐爐喉補償器通過增加對插保護套、在波紋元件內壁填充含鋯陶瓷纖維氈的結構新設計，安裝時現場采用最后焊接其中一個聯接法蘭消除徑向位移的方法，徹底解決了爐喉補償器使用壽命短的問題。改造后經過幾年實踐，補償器使用良好，再未出現頻繁失效現象，證明該方法是可行的。