汽化冷卻加熱爐水梁泄露原因分析及應(yīng)對(duì)措施

陳 揚(yáng)

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

0 引言

步進(jìn)式加熱爐相對(duì)于推鋼式加熱爐優(yōu)點(diǎn)明顯，應(yīng)用廣泛。水梁是步進(jìn)梁式加熱爐的關(guān)鍵組件。在步進(jìn)梁式加熱爐運(yùn)行過程中，水梁起到承重和托運(yùn)鋼坯的作用，為保證水梁強(qiáng)度，對(duì)水梁的冷卻顯得尤為重要。水梁的冷卻方式一般有水冷卻和汽化冷卻兩種，而汽化冷卻因省水、節(jié)能、加熱效果好、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。汽化冷卻水梁十分重要，一旦發(fā)生泄露，很容易造成水梁坍塌，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

1 加熱爐簡介

天鋼高線廠2#加熱爐于2009年建造完成投入使用，設(shè)計(jì)產(chǎn)量為110 t/h，爐型為雙蓄熱步進(jìn)式加熱爐，水梁起到鋼坯承重和托運(yùn)的作用，為了確保水梁的工作強(qiáng)度，需要對(duì)水梁進(jìn)行冷卻[1]。加熱爐水梁采用強(qiáng)制循環(huán)汽化冷卻[2]，軟水從水站進(jìn)入軟水箱，經(jīng)軟水泵進(jìn)入熱力除氧器，除氧后經(jīng)給水泵進(jìn)入汽包，然后通過循環(huán)泵進(jìn)入水梁系統(tǒng)，在水梁內(nèi)進(jìn)行汽化冷卻過程，汽水混合物重新回到汽包進(jìn)行汽水分離。

加熱爐水梁設(shè)計(jì)為4根活動(dòng)梁，5根固定梁，軟水由雙立柱進(jìn)水管進(jìn)入縱梁，經(jīng)縱梁循環(huán)后從雙立柱回水管回到汽包，單立柱為套管結(jié)構(gòu)，如圖1所示。汽水混合物在縱梁內(nèi)流動(dòng)時(shí)，從單立柱芯管坡口進(jìn)入芯管，向下穿過芯管后，從芯管外部向上返回縱梁，從而完成立柱的汽化冷卻過程。

圖1 單立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 事故發(fā)生

2017年9月23日晚，在正常生產(chǎn)過程中，2#加熱爐操作人員聽到一聲異響，幾分鐘后，首先發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)出現(xiàn)大量蒸汽，爐壓失控，去爐底檢查發(fā)現(xiàn)爐底排渣孔出現(xiàn)滴水，通過排查判斷為水梁泄漏，于是加強(qiáng)軟水補(bǔ)水，將汽包壓力逐步降低為0，同時(shí)馬上進(jìn)行停爐處理。將對(duì)應(yīng)位置的爐內(nèi)輥拆除以后，發(fā)現(xiàn)3#水梁1#立柱出現(xiàn)泄漏，泄漏部位耐火材料大片脫落，軟水呈發(fā)散噴射狀從泄露點(diǎn)噴出，縱梁已經(jīng)發(fā)生坍塌。

3 事故處理

圖2 3#活動(dòng)梁縱梁和雙立柱截?cái)嗝?/p>

停爐降溫后，將發(fā)生泄露的3#活動(dòng)梁拆除，發(fā)現(xiàn)該水梁縱梁及雙管立柱基本完好，無腐蝕或明顯積垢及堵塞情況，截?cái)嗝嫒鐖D2所示。20號(hào)鋼，管壁厚16 mm，更換為同尺寸20G鍋爐管材質(zhì)，提高水梁強(qiáng)度，延長使用壽命。對(duì)新水梁按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行保溫包扎，但將原設(shè)計(jì)澆筑水梁用低水泥澆注料更換為磷酸鹽高溫防爆澆注料，以減少烘爐時(shí)間，快速投入生產(chǎn)。

4事故發(fā)生過程及原因分析

綜合事故發(fā)生前后加熱爐運(yùn)行情況和3#水梁拆解情況，分析水梁泄露過程如下。

發(fā)生泄露的單管立柱，泄露部位發(fā)生鼓脹，鼓脹部位有多條縱向裂紋，鼓脹中心部位的一條縱裂紋中間，有兩個(gè)緊鄰的漏點(diǎn)。圖3為發(fā)生鼓脹泄露的水梁立柱和泄露點(diǎn)情況。該立柱內(nèi)部芯管已經(jīng)脫落，且氧化燒損嚴(yán)重，基本已經(jīng)全部成為氧化鐵皮，用手可捏碎。同時(shí)，該活動(dòng)水梁5#立柱的芯管也已經(jīng)脫落，立柱底部積垢已將芯管下部掩埋，該立柱耐火材料包扎完好，也未發(fā)生泄露或其他異常情況。圖4（a）箭頭所示為發(fā)生泄露的立柱內(nèi)已經(jīng)碎斷的芯管，圖4（b）為芯管脫落但未發(fā)生泄露的水梁立柱。搶修作業(yè)將該3#活動(dòng)水梁縱梁和立柱全部拆除，按原設(shè)計(jì)尺寸制作新水梁，原水梁設(shè)計(jì)材質(zhì)為

4.1 立柱芯管脫落

生產(chǎn)過程中，3#活動(dòng)水梁1#立柱和5#立柱芯管脫落，這個(gè)情況可能發(fā)生在較長時(shí)間之前，因?yàn)槿绻麅H僅是芯管脫落，那么并非一定會(huì)很快發(fā)生水梁泄漏的事故。芯管脫落之后，這兩個(gè)立柱由強(qiáng)制循環(huán)汽化冷卻改變?yōu)樽匀谎h(huán)汽化冷卻，即冷卻方式由汽水混合物從縱梁內(nèi)流動(dòng)時(shí)經(jīng)立柱芯管坡口向下進(jìn)入芯管，然后由立柱底部向上從芯管外部返回水梁縱梁的強(qiáng)制循環(huán)汽化冷卻，改變?yōu)槠旌衔飶目v梁內(nèi)直接從立柱與縱梁連接處流下，經(jīng)加熱汽化后飽和蒸汽向上返回縱梁的自然循環(huán)汽化冷卻，冷卻效果變差，但仍然能夠維持立柱的工作強(qiáng)度。

圖3 已拆除的發(fā)生鼓脹的水梁立柱和立柱上的泄露點(diǎn)

圖4 發(fā)生泄露的立柱和芯管脫落但未泄露的立柱

4.2 立柱耐材脫落

直至事故發(fā)生的兩天前，操作人員日常巡檢發(fā)現(xiàn)3#水梁1#立柱耐火材料在生產(chǎn)過程中部分脫落，脫落的高溫通紅的塊狀耐火材料從出料懸臂輥道下方的排渣口掉至爐底，剛掉落時(shí)加熱爐未出現(xiàn)其他異常，所以只能加強(qiáng)巡檢，勤觀察，隨時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行情況。

4.3 發(fā)生泄漏

耐火材料脫落以后，該立柱吸熱量大幅增加，縱梁流下的汽水混合物由于過量吸熱導(dǎo)致其中的水大量汽化，使得該立柱的冷卻效果減弱，自然循環(huán)已經(jīng)無法滿足冷卻需要，導(dǎo)致立柱管壁溫度過高失去強(qiáng)度，水梁內(nèi)部壓力將已燒紅的管壁脹破，出現(xiàn)泄露點(diǎn)，于是高溫高壓的汽水混合物大量噴出。事故發(fā)生時(shí)，操作人員聽到的一聲異響即為水梁立柱管壁脹破瞬間所發(fā)出。而芯管同樣已經(jīng)脫落的3#活動(dòng)梁5#立柱，由于耐火材料包扎完好，吸熱量被很好地控制在安全限度內(nèi)，自然循環(huán)汽化冷卻仍然能夠達(dá)到維持立柱強(qiáng)度所需的冷卻效果，所以該立柱沒有出現(xiàn)泄漏情況。實(shí)際上，即使立柱芯管沒有脫落，如果立柱底部積垢達(dá)到一定高度，也會(huì)將芯管下部掩埋，從而使立柱的強(qiáng)制循環(huán)消失，冷卻效果變差[3]。

4.4 水梁坍塌

因?yàn)樗簝?nèi)汽水混合物為飽和狀態(tài)，立柱泄露造成該水梁內(nèi)部壓力急劇降低，使得內(nèi)部水的沸點(diǎn)降低，加劇沸騰，該水梁內(nèi)的水很快全部成為水蒸汽，失去冷卻效果，于是整根水梁縱梁被燒紅，失去強(qiáng)度，造成坍塌。泄露立柱的芯管由于管壁較薄（2.5 mm），被全部氧化成為氧化鐵皮。這段時(shí)間內(nèi)，汽包供應(yīng)的軟水被泄露和汽化大量消耗，導(dǎo)致汽包水位迅速下降。消耗的軟水很大一部分在事故水梁內(nèi)汽化為水蒸汽通過泄露點(diǎn)排入爐膛內(nèi)，造成爐壓失控。

4.5 事故處理

發(fā)生泄漏后，操作人員緊急停爐降溫，同時(shí)人為控制通過蒸汽放散降低汽包壓力。隨著汽包壓力降低，供應(yīng)至水梁的給水壓力隨之降低，所有水梁，包括發(fā)生泄漏的3#活動(dòng)梁內(nèi)逐漸不再發(fā)生汽化過程，成為水冷卻。這時(shí)，泄露水梁內(nèi)部逐漸充滿軟水。汽包降壓為0后，水梁內(nèi)的汽化冷卻過程，改變?yōu)樗鋮s，不再產(chǎn)生蒸汽，使得泄露的水梁在其燒塌變形之后也維持了一定的強(qiáng)度，沒有再度惡化。汽化冷卻循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為：汽包-循環(huán)泵-給水聯(lián)箱（活動(dòng)梁、固定梁）-各水梁-回水聯(lián)箱（活動(dòng)梁、固定梁）-汽包，各水梁為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每根水梁都有單獨(dú)的循環(huán)回路，3#活動(dòng)水梁立柱泄漏時(shí)，給水聯(lián)箱仍然同時(shí)供應(yīng)所有水梁的進(jìn)水，所以其他水梁并沒有受到3#水梁立柱泄漏的影響。同時(shí)由于測量水梁支路流量的孔板流量計(jì)位于水梁支路進(jìn)水管處，其測量的流量數(shù)據(jù)為單根水梁總的流量，個(gè)別立柱的冷卻方式由強(qiáng)制循環(huán)改變?yōu)樽匀谎h(huán)，對(duì)水梁流量的影響微乎其微，所以直至事故發(fā)生前，加熱爐PLC系統(tǒng)中水梁流量參數(shù)仍然顯示正常。

4.6 分析總結(jié)

根據(jù)上述分析可知，本次事故導(dǎo)致水梁發(fā)生泄露的直接原因有兩點(diǎn)：（1）立柱芯管脫落，造成立柱的強(qiáng)制循環(huán)汽化冷卻改變?yōu)樽匀谎h(huán)汽化冷卻，冷卻效果大打折扣；（2）立柱耐火材料脫落，使得吸熱量大幅增加，自然循環(huán)汽化冷卻已無法滿足立柱冷卻需要，導(dǎo)致管壁燒紅失去強(qiáng)度，從而被內(nèi)部壓力脹破，發(fā)生泄露。間接原因包括汽化冷卻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較長，即使水質(zhì)合格，長時(shí)間的運(yùn)行也會(huì)造成立柱芯管與水梁管壁焊接點(diǎn)被腐蝕，導(dǎo)致芯管脫落。

5 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)本次事故，通過上述對(duì)事故發(fā)生過程和原因的分析，提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，包括水梁泄漏事故的預(yù)防措施和應(yīng)急處理措施。

5.1 預(yù)防措施

（1）注意控制汽包水質(zhì)，方法有兩種：一是定期對(duì)汽包和除氧器內(nèi)軟水進(jìn)行取樣化驗(yàn)，不合格時(shí)加藥處理，以保證汽化冷卻系統(tǒng)內(nèi)軟水水質(zhì)合格，避免水梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)被腐蝕和大量積垢；二是適當(dāng)加強(qiáng)排污，主要是汽包的連續(xù)排污，排出長時(shí)間參與汽化冷卻循環(huán)的硬度和腐蝕性增加的軟水，同時(shí)不斷補(bǔ)充新水，輔助控制軟水水質(zhì)。

（2）水梁立柱定期排污沖洗，利用每次停爐檢修時(shí)間，將立柱底部盲板打開，進(jìn)行排污沖洗，避免立柱底部大量積垢。

（3）確保水梁耐火材料完好，一旦發(fā)生脫落，必須利用停爐檢修進(jìn)行修復(fù)，避免水梁吸熱過量，增加汽化冷卻系統(tǒng)工作負(fù)擔(dān)。

5.2 發(fā)生水梁泄露事故應(yīng)急處理措施

（1）加強(qiáng)補(bǔ)水，確保水梁系統(tǒng)內(nèi)部供水正常，避免出現(xiàn)因供水不足導(dǎo)致事故擴(kuò)大。

（2）第一時(shí)間降低汽包壓力，將汽包壓力在最短時(shí)間內(nèi)降至0，使水梁的汽化冷卻過程改變?yōu)樗鋮s過程，水梁內(nèi)高溫高壓的汽水混合物改變?yōu)闇囟群蛪毫Χ驾^低的軟水，可增強(qiáng)事故水梁的冷卻效果，避免情況惡化，并一定程度減少泄露。

（3）馬上進(jìn)行緊急停爐降溫處理，水梁泄露是較嚴(yán)重的加熱爐事故，帶病作業(yè)很可能會(huì)加重泄露情況，增加對(duì)設(shè)備傷害，使事故造成的損失進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)，水梁泄露也會(huì)影響鋼坯加熱效果，降低產(chǎn)品質(zhì)量，帶病作業(yè)得不償失。

6 結(jié)束語

加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行是加熱爐安全生產(chǎn)的保證，加熱爐操作人員對(duì)此必須引起足夠重視。水梁泄漏屬于汽化冷卻系統(tǒng)的嚴(yán)重事故，重在預(yù)防，加熱爐操作和維護(hù)人員可參考本文所述預(yù)防措施做好預(yù)防工作，一旦發(fā)生水梁泄漏事故，應(yīng)馬上執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)急處理措施，以減少損失。