ASME規范下的全堆焊煙道在轉爐設備中的設計應用

趙英春，楊 平，崔 勇，孫世寶，宋 倩，梁 文

(煙臺國冶冶金水冷設備有限公司，山東 煙臺 265500)

1880年成立的美國機械工程師協會 (American Society of Mechanical Engineers，簡稱ASME)，是技術、教育等領域內世界性的工程學機構。現發行的ASME標準，通行于全球100多個國家。此次為安塞洛米塔爾鋼鐵集團加拿大某鋼廠提供的全堆焊轉爐煙道,就是按照業主要求，依據2017 ASME Boiler &Pressure Vessel Code(第一卷：動力鍋爐建造規則)等設計制作完成的。

轉爐煙道，作為轉爐煉鋼的主要配套設備之一，工作環境十分惡劣。尤其是轉爐爐口附近的煙道，不僅受煙氣高溫氧化、硫化和汽蝕的考驗，還要受煙氣中粉塵顆粒的沖刷和磨損，有時還受到濺渣的沖擊和損傷，久而久之，受熱管機械強度下降，壁厚減薄，將導致冷卻管爆裂、漏水等事故發生，迫使系統不能正常運行。某國內鋼廠，爐口煙道上線使用僅4個月左右就發生了漏水情況[1]，不得不時常停爐檢修，嚴重干擾了鋼廠的正常生產。其他用煙道較好的鋼廠，使用爐口煙道16個月左右也會發生大面積漏水情況[2]，帶來了很多的安全隱患和熱停工損失。總之，煙道壽命還有很大的提升空間。

根據煙道的實際工作條件及業主要求，此次設計制作的全堆焊轉爐煙道，基體仍采用碳鋼管，其表面采用當前最先進的鎳基合金(INCONEL625)堆焊保護技術。煙道雖然是按照ASME標準建造，因堆焊的關系，造價也較普通煙道高，但該煙道有效解決了轉爐該類設備承受高溫及交變應力、粉塵沖刷、煙氣波動性大等問題，其新技術、新工藝也完全可以按國內鍋爐標準國產化，能切實提高煙道的使用壽命，減少鋼廠的熱停工損失，降低檢修時間，創造可觀的經濟效益。

1 煙道設計計算

1.1 煙道主要技術參數

工作壓力/MPa：1.8；

工作溫度/℃：165；

最大允許工作壓力/MPa：2.0；

設計溫度/℃：261；

煙道直徑/mm：3 769.6；

受熱管直徑/mm：38.1；

受熱管材質：SA-210MGr.A-1

水壓試驗溫度/℃：20～40。

1.2 煙道結構簡介

煙道是帶彎頭的圓筒形結構，采用中壓強制循環，下降管內的飽和水經鍋爐熱水循環泵加壓后進入煙道下聯箱，以克服用于平衡各支路水阻的節流裝置的阻力。煙道拐點與水平面夾角為55°，見圖1。

圖1 煙道結構示意圖

煙道下部拐點處設有兩個對稱下料孔，煙道中部設有氧槍孔。

煙道水冷管豎直排列，上下由進出口集箱連接，管子與管子之間加圓鋼(扁鋼)焊接組成膜式水冷壁結構。

1.3 鎳基(INCONEL625)堆焊保護技術簡介

此技術是在普通碳鋼表面堆焊鎳基(INCONEL625)1.6～2.5 mm，由于INCONEL 625堆焊在受熱管表面后，材料表面局部性能已發生改變，呈近似于固溶強化處理的合金。據焊絲生產廠家實驗數據記錄：鋼管表面堆焊后，堆焊層與鋼管基材膨脹率基本一致，在拉伸試驗中，鋼管的抗拉強度和屈服強度比堆焊前增加了約100 MPa；在870 ℃，裸露16 000 h后的高溫非比例延伸強度為435 MPa(遠大于普通受熱管常溫非比例延伸強度245 MPa)，在沸騰的醋酸中浸泡一年的腐蝕量僅為25 μm，由此可見堆焊材料具有非常好的抗氧化、耐蝕、耐磨及耐熱性能。堆焊層的溶合性能良好，且可通過控制焊縫的稀釋率減少對母材成分的影響。在強化鋼管的同時，還可賦予鋼管以韌性，操作靈活，可針對設備薄弱環節對癥下藥。

堆焊技術對比國內一般常采用的超音速鎳鉻噴涂表面保護技術，造價比噴涂高，但是孔隙率、抗腐蝕、抗氧化、耐高溫、延展性、抗沖蝕性、涂層壽命等各方面都大幅度勝出。因此此次選用了堆焊技術，對受熱管采用360°螺旋圓周全堆焊的工藝(見圖2)，以提高煙道的使用壽命。

圖2 受熱管360°螺旋圓周全堆焊工藝示意圖

1.4 煙道的計算

用戶方、建造方和ASME授權檢驗師(AI)作為ASME規范中僅有的三個參與者，用戶方負責提出產品的功能和要求，建造方負責設備的計算書、施工圖、材料采購、設備的制作及檢驗等。而ASME規范和國內鍋爐體系相同的一點是，兩者都是采用了控制一次薄膜應力不超過許用應力的設計思想，都有各自不同的安全系數，以確保安全。需要注意的是，ASME標準涉及范圍廣，自封閉成統一體系，前后互相引用較多，實際計算時應認真查閱相關的標準條文，避免出錯。下面簡述設計過程。

收到該產品訂單后，審核了客戶規格書，確保其按規范要求包含規范設計和制造所需的所有數據和要求，包含如下各個方面：所用的ASME規范卷及版本、設計壓力包括最大允許工作壓力(MAWP)(內壓)、設計溫度、材料標準及牌號、無損檢測(NDE)要求和焊接接頭系數、焊后熱處理(PWHT)要求或其免除、壓力試驗要求、焊接節點詳圖、尺寸和公差、腐蝕裕量、認證標記和NB鋼印信息、測量單位、介質及其特性、特殊使用工況等。下面以煙道受熱管的計算為例，簡介煙道的計算過程。

依據2017 ASME Boiler &Pressure Vessel Code(第一卷：動力鍋爐建造規則)標準中的PG-27.2.1，當管子外徑不大于125 mm時：

式中：t為最小需要壁厚，mm；P為最大允許工作壓力,MPa；D為圓筒外徑,mm；S為在金屬設計溫度下的最大許用應力,N，按PG-23規定取值；w為焊縫接頭強度減弱系數，按PG-26規定取值；e為脹接管端部處的厚度因子，取值0。

開始計劃的鋼管壁厚為4.57 mm，且需要考慮公稱管的制作偏差，因此按規范PG-27.4.7條款，鋼管有效壁厚為

4.57-Cv=4.57-1=3.57 mm>t=0.511 mm

式中：Cv為鋼管制造偏差。

由此可見，選擇的鋼管壁厚滿足要求。

按規范PG-99.1條款，水壓試驗壓力是最高允許工作壓力的1.5倍，可以確認該設備的水壓試驗壓力是

PH=1.5×2.0 MPa=3.0 MPa

為了確保安全，按PG-27.2.1校核鋼管能否承受水壓試驗的壓力，其最大允許承受的壓力為

式中：SH為在金屬設計溫度下的最大許用應力。

可得MAP=30.65 MPa>PH=1.5×2.0 MPa=3.0 MPa

可以推斷設備進行水壓試驗是安全的。

總之，結合多年的設計經驗，合理設置各項計算參數，依次按規范進行各項設計計算，優化煙道的性能，可以逐步確定設備所用的承壓材料都符合規范要求，也滿足了業主規格書的要求。

2 全堆焊煙道特點及技術優勢

2.1 煙道持久耐用

因全面采用了INCONEL 625堆焊，并應用鍋爐相關傳熱、流阻設計理論，此型的煙道服役年限成倍增長，經久不壞。國內爐口煙道一般服役年限為2年左右，該類煙道服役年限在10年以上。此次制作的煙道備件，最新一次的大修替換日期是在2009年，業主計劃是在2021年上線使用我們此次提供的煙道產品，即該業主使用爐口煙道約12年未更換新煙道。這意味著每年大量檢修損失的降低和生產效率的大大提升，具備較高的經濟效益和社會效益。

2.2 受熱管基體仍采用碳鋼管，使煙道投資大幅度降低

根據規范及相關計算，在確定碳鋼管能滿足要求的前提下，業主追求更高性能的設備，合金管替代碳鋼管，以高代低就不是第一選擇，用碳鋼管360°圓周螺旋堆焊的工藝，提升了鋼管本身的性能，造價比全合金管所制煙道降低，有利于業主降低投資，而設備性能卻比普通碳鋼管的煙道設備大幅度提升。

而且該鋼管360°圓周螺旋堆焊后，仍可以采用膜式壁機器自動焊制作管屏技術，生產效率高，焊縫質量好，生產周期短，兩三個月即可完成制作。

2.3 安全可靠有切實保證

全堆焊的煙道結構，使承壓件管板的強度、耐沖蝕磨損等性能提升明顯，在正常生產條件下，克服了以前設備難以承受的轉爐煉鋼工藝帶來的缺點，正常服役期間不可能爆管與開裂，余熱鍋爐安全可靠性得到切實保證。

3 結 論

根據ASME規范設計制作的全堆焊煙道，因ASME該規范的控制一次薄膜應力理念與國內鍋爐規范相同，ASME標準下設計優化的煙道，也完全可以在國標下設計制作，這可以為轉爐煙道的新工藝提供參考，能夠推動我國轉爐煙道設備的技術進步。因全堆焊煙道具備的提高生產效率的巨大價值，完全可以在國內推廣。