摘要：轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐作為煉鋼轉(zhuǎn)爐的配套設(shè)施，發(fā)揮著回收轉(zhuǎn)爐余熱及煉鋼轉(zhuǎn)爐煤氣的作用。由于轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐的特殊工況，在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)遇到諸多問(wèn)題，其中水冷壁管的破裂漏水是該類鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的故障，直接影響到轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命。本文從工程生產(chǎn)和檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，闡述了轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐水冷壁管失效漏水的原因和失效機(jī)理如粉塵及煙氣磨損、熱疲勞、局部超溫、低壓運(yùn)行、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)等。在對(duì)壁管破損原因進(jìn)行科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施和解決方案。以期提高在相對(duì)惡劣工況下的轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐的運(yùn)行壽命。

關(guān)鍵詞 轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐;水冷壁管;漏水原因;預(yù)防措施

中圖分類號(hào)：TQ051.5

福建三鋼二煉鋼轉(zhuǎn)爐車間有3座120t轉(zhuǎn)爐，每座轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)都配套有轉(zhuǎn)爐煙道式余熱鍋爐。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐在冶煉鋼水時(shí)，從爐口冒出大量的高溫?zé)煔?，?jīng)余熱鍋爐汽化冷卻系統(tǒng)換熱冷卻，煙氣降為約850℃，轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐在回收轉(zhuǎn)爐煤氣、吸收煙氣余熱和控制爐口煙氣污染外冒等環(huán)節(jié)中發(fā)揮著重要作用。此外，轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐系統(tǒng)的安全運(yùn)行直接影響到轉(zhuǎn)爐冶煉的正常生產(chǎn)。

三鋼轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐的水汽循環(huán)系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)和自然循環(huán)相結(jié)合的方式，

具體包括：低壓熱水強(qiáng)制循環(huán)（活動(dòng)煙罩、下料口）、高壓強(qiáng)制循環(huán)（轉(zhuǎn)爐爐口固定段和可移動(dòng)段）、自然循環(huán)（煙道斜一段、煙道斜二段、煙道末一段、煙道末二段），以上三個(gè)循環(huán)的流程如圖1所示。

轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐作為煉鋼轉(zhuǎn)爐的配套設(shè)施，伴隨著煉鋼車間連續(xù)生產(chǎn)，在投用期間發(fā)生位于鍋爐斜段的水冷壁管泄漏的問(wèn)題，直接影響到轉(zhuǎn)爐煉鋼和余熱鍋爐系統(tǒng)的安全順行。因此，充分分析余熱鍋爐漏水的原因并進(jìn)行針對(duì)性的預(yù)防和檢查是很有意義的。本文從檢驗(yàn)檢測(cè)工程實(shí)踐和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，分析轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐水冷壁管破裂漏水的原因并提出相應(yīng)的措施和改進(jìn)建議。

1斜段壁管漏水原因分析

（1）爐口外冒粉塵、煙氣磨損。轉(zhuǎn)爐在冶煉時(shí)，爐口冒出粉塵主要為鐵屑、噴濺爐渣等，噴濺爐渣的主要成分為鐵及其氧化物^[1]。在冶煉期間隨著轉(zhuǎn)爐吹氧煉鋼進(jìn)程的推進(jìn)，通過(guò)余熱鍋爐的粉塵濃度逐步達(dá)到高峰。在此過(guò)程中夾雜著粉塵的高溫?zé)煔獯┻^(guò)煙道時(shí)，煙罩壁管受到高溫?zé)煔夂头蹓m的沖刷磨損。此外，在兩個(gè)轉(zhuǎn)爐冶煉周期的間隙，進(jìn)行轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐操作過(guò)程中也對(duì)煙道壁管產(chǎn)生粉塵和煙氣的沖刷磨損。

（2）轉(zhuǎn)爐周期性生產(chǎn)環(huán)境下的交變熱應(yīng)力。三鋼120t轉(zhuǎn)爐冶煉工藝的吹氧時(shí)間為15min左右，冶煉周期約為40min。在冶煉吹氧過(guò)程中，隨著冶煉過(guò)程的推進(jìn)，余熱鍋爐煙道內(nèi)煙氣溫度不斷上升，煙氣峰值溫度約為1600℃。在這個(gè)過(guò)程中，由于熱負(fù)荷的增加，余熱鍋爐的水冷壁管溫度不斷上升;當(dāng)吹氧結(jié)束至一個(gè)冶煉周期停止時(shí)，煙道內(nèi)的煙氣量和溫度會(huì)急劇下降，水冷壁管的溫度也同步下降。此外，在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中的倒渣操作、出鋼操作和濺渣操作過(guò)程中余熱鍋爐所受到的熱負(fù)荷也不一樣。可以看出，余熱鍋爐水冷壁管溫度的變化與轉(zhuǎn)爐冶煉周期和進(jìn)程直接相關(guān)。這種周期性溫度循環(huán)變化的過(guò)程使得水冷壁管產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，其對(duì)應(yīng)的損傷模式為熱疲勞破壞^[2]。在生產(chǎn)檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的余熱鍋爐煙道壁管橫向裂紋就是由于這種熱疲勞破壞產(chǎn)生的。

（3）轉(zhuǎn)爐煙罩斜管段部位。在對(duì)120t轉(zhuǎn)爐煙罩壁管漏水部位進(jìn)行生產(chǎn)檢修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)壁管泄漏點(diǎn)主要位于斜管段的向火部位并集中發(fā)生于煙罩下沿管段（傾角約為52°），并且這種漏水事故在自然循環(huán)的管段和高壓強(qiáng)制循環(huán)管段均有出現(xiàn)。通過(guò)氣液兩相流原理可知，蒸汽由于密度小于水，所以當(dāng)蒸汽和水同時(shí)存在于傾斜的管段內(nèi)時(shí)，蒸汽層存在于水層的上部，如圖2。因此，位于環(huán)形煙道下沿的傾斜管段，轉(zhuǎn)爐高溫?zé)煔庀蛩浔诠苓M(jìn)行熱量傳輸時(shí)，水冷壁管上沿由于蒸汽富集導(dǎo)致熱傳遞差，由此容易引發(fā)傳熱惡化，造成該部位水冷壁管局部超溫破裂。此外，在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，由于管內(nèi)汽水液面的波動(dòng)，氣相空間的管壁也會(huì)交替地與蒸汽和水接觸，造成金屬溫度的變化，也會(huì)產(chǎn)生熱疲勞。

（4）局部超溫引發(fā)的氫腐蝕。由上述分析可知，轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐由于熱負(fù)荷的

周期性變化、客觀存在的斜管段構(gòu)造等所引發(fā)的汽水分層會(huì)使壁管局部溫度升得比較高，嚴(yán)重的可能造成局部超溫引發(fā)氫腐蝕。當(dāng)鍋水水質(zhì)惡化、壁管內(nèi)壁結(jié)垢較為嚴(yán)重時(shí)，發(fā)生如下反應(yīng)過(guò)程：

在高溫下，產(chǎn)生的H₂向金屬晶界擴(kuò)散，進(jìn)一步引發(fā)反應(yīng)：

生成CH₄。由于CH₄在金屬中的擴(kuò)散能力較弱，在晶界上產(chǎn)生聚集，隨著CH₄的濃度升高在晶界局部產(chǎn)生壓力，造成晶界斷裂產(chǎn)生微裂紋。

（5）鍋爐運(yùn)行壓力。

在鍋爐水汽循環(huán)中，上升管和下降管發(fā)揮著傳輸水汽的中樞作用，它們的管徑規(guī)格是與鍋爐的設(shè)計(jì)壓力相對(duì)應(yīng)的^[3]。如果鍋爐長(zhǎng)期低壓運(yùn)行，即汽包的壓力大幅低于設(shè)計(jì)壓力運(yùn)行，水冷壁管和上升管中的汽水混合物體積流量將大大增加，由此使循環(huán)水系統(tǒng)的流動(dòng)阻力增大^[4]，減少了循環(huán)水量，使得鍋爐正常的水循環(huán)特性遭到破壞，有可能造成水冷壁管局部過(guò)熱。

（6）余熱鍋爐的水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。

過(guò)去，鋼鐵冶煉行業(yè)中與轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐相關(guān)的煤氣回收、余熱回收、水處理

等環(huán)節(jié)作為轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的輔助工藝設(shè)施，得到的重視程度往往不夠。其中，與鍋爐水處理相關(guān)的鍋外水處理設(shè)施及工藝、水質(zhì)化驗(yàn)工作及人員持證情況等是做好余熱鍋爐水質(zhì)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鍋爐水質(zhì)控制不良導(dǎo)致水冷壁管結(jié)垢嚴(yán)重進(jìn)而破裂漏水是轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐常見(jiàn)的運(yùn)行故障^[5]。生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，鍋爐給水除氧控制不當(dāng)、鍋外水處理設(shè)施運(yùn)行不達(dá)預(yù)期、鍋爐加藥控制不當(dāng)是造成鍋爐水質(zhì)不合格的主要原因。

（7）其他因素的影響。

此外，轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)檢修、及鍋爐清洗養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)控制不當(dāng)，也會(huì)對(duì)后期運(yùn)行壽命產(chǎn)生影響。如在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，余熱鍋爐煙道各段的固定支座、活動(dòng)支座以及水冷壁排管連接處的熱膨脹^[6-7]問(wèn)題未予充分考慮，致使鍋爐壁管在運(yùn)行過(guò)程中受熱膨脹不均勻，產(chǎn)生拉應(yīng)力導(dǎo)致水冷壁管的局部破損泄漏。在鍋爐檢修過(guò)程中，違反操作規(guī)程帶壓帶水焊接導(dǎo)致焊接質(zhì)量不合格，使得鍋爐壁管泄漏進(jìn)一步擴(kuò)大等。在余熱鍋爐煮爐清洗過(guò)程中，未將堆積在局部管內(nèi)的水垢徹底清理，生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于工作疏忽導(dǎo)致局部水冷壁管堵塞、鍋爐集箱的拉蒙管孔堵塞等，造成局部水冷壁管內(nèi)水流量不足，甚至堵塞缺水最終造成破裂爆管等。

以上只是在理論上對(duì)轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐水冷壁管破裂漏水的原因及機(jī)理進(jìn)行了闡述，而在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐水冷壁管發(fā)生減薄、變形、泄漏失效等故障往往是多方面綜合作用造成的^[8]，如含塵煙氣的沖刷磨損、局部含汽率過(guò)高及其循環(huán)的熱交變應(yīng)力的共同作用等。

2預(yù)防控制措施和解決方案

（1）合理控制轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐循環(huán)系統(tǒng)的工作壓力，避免汽包長(zhǎng)期在遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壓力的工況下運(yùn)行。（2）在煙道下沿壁管的斜管段向火側(cè)敷設(shè)耐火涂料，降低該處壁管斜管段向火側(cè)的熱量吸收，從而使得該處壁管的截面含汽率降低，避免壁管局部過(guò)熱。（3）部分水冷壁管段采用內(nèi)螺紋管。內(nèi)螺紋管的設(shè)計(jì)有利于強(qiáng)化傳熱，特別是針對(duì)位于截面含汽率高的運(yùn)行環(huán)境的水冷壁管，實(shí)踐證明有比較好的效果。（4）設(shè)計(jì)上調(diào)整部分節(jié)流圈孔徑。轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐水冷壁管位于煙道中的位置不同其受熱負(fù)荷也不同，有些部位的管子受熱強(qiáng)，有些則受熱弱，如果在水流量相同的情況下，水冷壁出口就會(huì)有溫差。如果通過(guò)調(diào)整節(jié)流圈的孔徑，讓受熱強(qiáng)的水冷壁管流量多于受熱差的水冷壁管流量，這樣就有利于減小熱偏差。在生產(chǎn)實(shí)踐中，通過(guò)增大活動(dòng)煙罩下沿節(jié)流圈的孔徑，減小循環(huán)阻力，使該部位的工質(zhì)流量增加，從而降低煙罩下沿管段的截面含汽率，避免傳熱惡化造成管壁超溫。（5）科學(xué)制定并嚴(yán)格實(shí)施鍋爐水處理工藝，做好鍋爐給水的除氧、除鹽工作，良好的鍋爐水處理有利于防止蒸汽品質(zhì)出現(xiàn)劣化引發(fā)氫腐蝕。定期對(duì)轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐進(jìn)行清洗，做好鍋爐清洗后的清渣除垢工作，可以采用內(nèi)窺鏡等輔助措施防止局部管孔堵塞。

3結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐作為煉鋼生產(chǎn)的輔助設(shè)施，當(dāng)設(shè)備發(fā)生異常時(shí)也會(huì)影響到轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)。煉鋼轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)特點(diǎn)決定了余熱鍋爐處于快速變化并相對(duì)惡劣的工況當(dāng)中，固余熱鍋爐的使用壽命相對(duì)其他鍋爐更短。通過(guò)科學(xué)的分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，應(yīng)從多方面采取切實(shí)可行的措施來(lái)改進(jìn)和完善。

本文從鍋爐運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，通過(guò)分析余熱鍋爐水冷壁管失效故障原因的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的解決和預(yù)防措施。

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作者信息

作者：曾凌（1987-），男，漢族，福建三明人，碩士研究生，工程師，主要從事承壓類特種設(shè)備的檢驗(yàn)工作。