玻璃窯爐高溫?zé)煹琅蛎浌?jié)在線改造

曹世蘭（科立視材料科技有限公司，福建 福州 350000）

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玻璃窯爐高溫?zé)煹琅蛎浌?jié)在線改造

曹世蘭
（科立視材料科技有限公司，福建 福州 350000）

摘 要：科立視材料科技有限公司玻璃窯爐高溫?zé)煹琅蛎浌?jié)在2013年5月投入使用至2014年11月，發(fā)現(xiàn)膨脹節(jié)已經(jīng)完全腐蝕，經(jīng)過對(duì)膨脹節(jié)損壞原因、設(shè)計(jì)要求及膨脹節(jié)的作用分析，采取了同鋼煙道同材質(zhì)同壁厚直管段在線更換措施，運(yùn)行到2016年3月還保持完好，避免定期在線更換膨脹節(jié)影響爐壓波動(dòng)，從而造成對(duì)生產(chǎn)影響，取得預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：玻璃窯爐；高溫?zé)煹琅蛎浌?jié)；在線改造

1 高溫?zé)煹琅蛎浌?jié)損壞基本情況

該膨脹節(jié)于2013年3月安裝，5月投入運(yùn)行，經(jīng)過18個(gè)月的運(yùn)行，已經(jīng)完全腐蝕，煙道變形嚴(yán)重，影響煙道的安全平穩(wěn)運(yùn)行，如圖1所示。

2 膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)參數(shù)

該膨脹節(jié)設(shè)計(jì)壓力0.2MPa，介質(zhì)溫度為800℃，波數(shù)6、層數(shù)1、波紋管厚度1mm、直徑450mm、長(zhǎng)度450mm、法蘭厚度10mm，波紋管及法蘭材質(zhì)均為SUS316L不銹鋼，軸向最大補(bǔ)償量70mm，剛度100N/mm。

3 膨脹節(jié)腐蝕原因分析

該膨脹節(jié)使用場(chǎng)合（如圖2所示）為玻璃窯爐高溫?zé)煔?，煙氣溫度設(shè)計(jì)為800℃，由于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)的不可避免時(shí)而達(dá)到850℃，煙氣含有NOx、NaO等酸堿性腐蝕性物質(zhì)，在高溫下容易對(duì)鋼煙道及膨脹節(jié)腐蝕。由于該膨脹節(jié)靠近窯爐出口，后段長(zhǎng)度2.63m，升溫800℃膨脹量約40mm，如波紋管厚度加厚，壽命可以延長(zhǎng)，但在膨脹節(jié)長(zhǎng)度有限情況下，膨脹節(jié)的剛度將提高，膨脹時(shí)對(duì)窯爐出口處的磚面形成很大的反作用力，可能破壞出口處的磚結(jié)構(gòu)，引起倒塌，膨脹節(jié)波紋管厚度通過測(cè)算最佳選擇取1mm。以上各不利因素不可避免，如本次還使用膨脹節(jié)進(jìn)行更換，后期只能定期被動(dòng)對(duì)膨脹節(jié)實(shí)施更換作業(yè)，影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

圖1

4 膨脹節(jié)腐蝕損壞改進(jìn)措施

4.1 膨脹節(jié)更換難度分析

由于窯爐運(yùn)行后無法停機(jī)，高溫?zé)煔鉄o法停止，必須在線更換，這給定期更換膨脹節(jié)增加很大難度，表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

（1）拆除難度

如圖2所示：膨脹節(jié)波紋管已經(jīng)完全腐蝕，法蘭及螺栓雖沒有完全腐蝕，但在高溫環(huán)境下已無法拆除，只能在高溫下實(shí)施危險(xiǎn)切割作業(yè)。

（2）安裝難度

切割原法蘭后，必須制作新法蘭且在線焊接，由于管道溫度采取降溫措施后預(yù)計(jì)還達(dá)650℃，在這種環(huán)境下嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，焊接時(shí)間。

（3）影響生產(chǎn)時(shí)間

以8人（2班作業(yè)，每班4人，高溫環(huán)境交替作業(yè)）測(cè)算：拆除原管道保溫棉，切割法蘭、安裝法蘭、安裝保溫需10h，影響窯爐正常運(yùn)行達(dá)12h，破壞原來生產(chǎn)線的各工藝參數(shù)，影響生產(chǎn)時(shí)間將達(dá)24h（工藝參數(shù)的恢復(fù)穩(wěn)定等需很長(zhǎng)時(shí)間）

4.2 膨脹節(jié)替代品的設(shè)計(jì)分析

膨脹節(jié)損壞后，若還用新膨脹節(jié)更換，壽命還是小于煙道壽命，在鋼煙道壽命前還需更換，且更換難度逐步加大、影響生產(chǎn)時(shí)間加長(zhǎng)，故擬取消膨脹節(jié)，直接用和煙道同材質(zhì)、同壁厚的316L不銹鋼直管段替代，靠窯爐一端和原管件焊接，一端預(yù)留伸縮縫并安裝支架，這樣壽命就有條件達(dá)到煙道的壽命，再不會(huì)出現(xiàn)因更換膨脹節(jié)而影響生產(chǎn)的事情，下面就可行性進(jìn)行分析。

（1）該膨脹節(jié)的作用

（a）補(bǔ)償鋼煙道溫度變化（從常溫到800℃）的軸向熱膨脹量，且補(bǔ)償軸向力小于一定值，避免對(duì)窯爐磚結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

（b）避免煙氣外泄或漏風(fēng)。

（2）膨脹量計(jì)算

膨脹量δ=材料熱膨脹系數(shù)×長(zhǎng)度×溫度變化值

該膨脹節(jié)后段316L鋼煙道長(zhǎng)度為2.63m，使用溫度800℃，升溫前溫度設(shè)為20℃，316L不銹鋼在800℃時(shí)線膨脹系數(shù)取19×10-6/℃，膨脹量δ=19×10-6× 2630× 780≈39mm。

現(xiàn)場(chǎng)情況：由于鋼煙道已運(yùn)行在800℃情況下在線更換膨脹節(jié)，更換時(shí)由于該段煙氣為負(fù)壓，拆除時(shí)會(huì)有外氣吸入，后段溫度經(jīng)預(yù)估將降低到650℃，故更換安裝保溫后溫度只提高150℃，這個(gè)時(shí)候的安裝膨脹量δ=19×10-6×2630×150≈7.5mm。

圖2

圖3

（3）煙道通氣量計(jì)算分析

煙道抽煙風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率：更換時(shí)運(yùn)行頻率為32Hz，最大可達(dá)50Hz，功率為37kW，煙道抽煙風(fēng)機(jī)的抽煙量：50Hz時(shí)3.5Nm3/s，在32Hz時(shí)抽氣量可近似取為：2.24Nm3/h。

（a）預(yù)留膨脹縫的必要性及對(duì)煙道抽煙風(fēng)機(jī)運(yùn)行及爐壓的影響：

考慮到極限情況，窯爐煙道煙氣冷卻風(fēng)機(jī)損壞時(shí)，窯爐排氣溫度可達(dá)1000℃，這個(gè)時(shí)候?yàn)楸ＷC（由于沒有膨脹節(jié)補(bǔ)償）增加的膨脹量對(duì)窯爐磚結(jié)構(gòu)造成反作用力而破壞，故須預(yù)留膨脹縫且膨脹縫預(yù)留量要大于從800℃～1000℃情況下的新增膨脹量。

預(yù)留膨脹縫δ=19×10-6×（2630+374）×（1000-800）=11.4mm（374來源見后）

預(yù)留膨脹縫的通氣面積A1=π×D× δ=3.14×450×11.4= 16108mm2

煙道通氣面積A=π×D2/4=3.14× 4502/4≈158961mm2

預(yù)留膨脹縫通氣面積占煙道通氣面積比為A1/A×100%≈10%，若沒有加保溫棉阻止漏氣（經(jīng)測(cè)試該段煙氣壓力約為-10Pa）風(fēng)機(jī)頻率將會(huì)提高10%達(dá)35.2Hz（風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率和抽風(fēng)量線性近似計(jì)算），在未加保溫棉裸露情況下，預(yù)留膨脹縫影響抽煙量問題可以接受，不會(huì)影響爐壓。

（b）保溫棉的通氣能力測(cè)試（部分?jǐn)?shù)據(jù)模擬現(xiàn)場(chǎng)）

如圖3所示，壓力表量程為0～60Pa，氣體溫度21℃，管道及氣管接頭體積V0約為286132mm3，保溫棉（ISOWOOL1000）尺寸為100mm×100mm×50mm，以厚度方向堵住（壓緊力約為2kg）內(nèi)孔Φ27的鋼管，檢查其它無漏氣情況下，進(jìn)過10次簡(jiǎn)易測(cè)試，壓力表值從30Pa減到10Pa用時(shí)1.5s，根據(jù)理想氣體動(dòng)態(tài)方程P0V0/T0=P1V1/T1.，設(shè)P0為101325+30（Pa），V0為286132mm3，T0、T1均為273+21（k），P1為101325+10 （Pa），則V1=286188mm3，漏氣量V漏=V1-V0=286188-286132=56mm3。則堵口處單位漏氣量V單=56/（堵口面積572.3×?xí)r間1.5）=0.065mm3/mm2×s= 0.06Nmm3/mm2×s。

結(jié)論：每平方毫米孔洞在20Pa氣壓2kg壓緊力下每秒通過ISOWOOL1000尺寸100mm×100mm×50mm保溫棉流量為0.06Nmm3。

（c）加保溫棉后預(yù)留膨脹縫對(duì)煙道通氣的最終影響

預(yù)留膨脹縫的面積為A1=16108mm2，按測(cè)試條件加保溫棉后通氣量為0.06×16108=966mm3，由于現(xiàn)場(chǎng)保溫棉加2層（模擬測(cè)試1層），現(xiàn)場(chǎng)壓差10Pa（模擬測(cè)試20Pa），故現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留膨脹縫加保溫棉后漏氣量將會(huì)小于966mm3，而煙道抽煙風(fēng)機(jī)頻率每變化1Hz的抽風(fēng)量為70000mm3/s，對(duì)煙道抽煙風(fēng)機(jī)的頻率影響甚微，可忽略不計(jì)，因此預(yù)留膨脹縫加ISOWOOL1000保溫棉防止漏風(fēng)方案可行。

4.3 膨脹節(jié)替代品——直管段的設(shè)計(jì)

（1）直管段的長(zhǎng)度確定

由于煙道上原膨脹節(jié)長(zhǎng)度為450mm，扣除沒有腐蝕的法蘭20mm，煙道800℃情況下膨脹量39mm，實(shí)際原膨脹節(jié)拆除后空段長(zhǎng)度為：450-20-39=391mm，設(shè)直管段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則：

直管段長(zhǎng)度L+直管段長(zhǎng)度L800℃情況下的膨脹量=391-預(yù)留膨脹縫

L+19×10-6×L×780=391-19× 10-6×（2630+L）×（1000-800）

L≈374mm

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到原膨脹節(jié)法蘭螺栓腐蝕不嚴(yán)重，為安裝方便必須查找原膨脹節(jié)圖紙，預(yù)留法蘭螺栓突起部分40mm，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)度應(yīng)為2段組成，主段長(zhǎng)度L主=391-40=351mm，輔段長(zhǎng)度L輔=374-351+現(xiàn)場(chǎng)焊接重合長(zhǎng)度27=50mm

（2）直管段的外徑確定

考慮到原煙道直徑為450mm，可以取直徑450mm。

（3）直管段材料及厚度的確定

為保證同原煙道的壽命相同，材料選擇為316L不銹鋼，厚度為5mm。

（4）直管段支架確定

由于膨脹節(jié)損壞后，靠近窯爐磚結(jié)構(gòu)端變形段（方孔變圓孔）只靠塞進(jìn)窯爐磚結(jié)構(gòu)連接部支撐，長(zhǎng)期可能導(dǎo)致磚結(jié)構(gòu)變形，為安全起見，直管段一端和原變形段焊接，在直管段下部安裝隔熱可調(diào)整支撐架。

（5）設(shè)計(jì)圖（如圖4所示）。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)安裝情況（如圖5所示）

圖4

圖5

5 用直管段替代膨脹節(jié)在線施工注意事項(xiàng)

5.1 在拆除工作前，協(xié)調(diào)生產(chǎn)部門，認(rèn)真研究施工方案及施工過程可能存在的問題，做好必要的預(yù)防措施和事前準(zhǔn)備，如生產(chǎn)工藝參數(shù)調(diào)整，人員安全防護(hù)、防火措施等。

5.2 拆除時(shí)緩慢進(jìn)行，注意人員燙傷、窯爐爐壓變化、煙道抽風(fēng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，確認(rèn)無問題后，方可繼續(xù)施工。

5.3 安裝時(shí)直管段逐步推進(jìn)，到位時(shí)調(diào)整角度、高度達(dá)要求后，先和窯爐端的變形段焊接加固。

5.4 待直管段升溫穩(wěn)定后，測(cè)量直管段及后段的溫度，計(jì)算升溫到800℃時(shí)產(chǎn)生的膨脹量，加上預(yù)留膨脹縫，調(diào)整直管段的輔段位置并焊接。

5.5 安裝保溫棉，注意預(yù)留膨脹縫處不能塞進(jìn)保溫棉，保溫棉固定后，再裝保溫棉的外層。

5.6 觀察煙道抽風(fēng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率、爐壓變化情況、直管段支架的溫度，待穩(wěn)定且達(dá)要求后，方可整理工具收工。

5.7 做好施工總結(jié)

結(jié)語

本次改造通過對(duì)膨脹節(jié)損壞原因、設(shè)計(jì)要求及膨脹節(jié)的作用分析，采取了同鋼煙道同材質(zhì)同壁厚直管段在線更換措施，從2014年12月改造完成后運(yùn)行到2016 年3月共27個(gè)月一直保持完好，避免定期在線更換膨脹節(jié)影響爐壓波動(dòng)，從而造成對(duì)生產(chǎn)影響，取得預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)

［1］張可偉.催化裝置高溫?zé)煹琅蛎浌?jié)開裂分析及改進(jìn)［J］.煉油技術(shù)與工程，2014，44 （6）：30-33.

中圖分類號(hào)：TQ171

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A