加熱爐水梁爆管事故原因分析

姜世龍

(重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術有限公司，重慶 401122)

水梁立柱是步進梁式加熱爐中托舉坯料的重要承重機構(gòu)，對于大型板坯步進梁式加熱爐，其爐內(nèi)板坯重達1 000余噸，要托舉如此重的坯料，保證水梁立柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是至關重要。由于水梁立柱長期處在爐內(nèi)高溫環(huán)境中，這就要求水梁立柱必須得到充分而有效的冷卻，避免由于高溫導致的強度及穩(wěn)定性下降。

水梁立柱的冷卻主要采用凈環(huán)水冷卻和汽化冷卻兩種方式，在節(jié)能減排及減少水消耗的前提下，越來越多的加熱爐采用了汽化冷卻，本文所述的加熱爐即為采用了汽化冷卻方式的加熱爐。本文結(jié)合水梁立柱損壞事故的發(fā)生及處理、事故原因的初步推斷、調(diào)研分析、校核計算，找到了事故的形成原因，并提出了避免事故發(fā)生及減輕事故損失的建議，對今后避免類似事故的發(fā)生及解決提供了一定的借鑒指導作用。

1 事故的發(fā)生及處理

1.1 事故的發(fā)生

某熱軋廠加熱爐于投產(chǎn)多年后的某天下午，操作人員在HMI監(jiān)控畫面上發(fā)現(xiàn)加熱爐均熱段爐溫突然下降，與此同時，汽包液位也急劇下降。在查找問題原因過程中，操作工打開爐門后發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)出現(xiàn)大量水蒸汽，初步判定可能是爐內(nèi)水梁或立柱發(fā)生漏水，于是操作人員啟動應急機制，緊急停爐。

在停爐、涼爐后，進入加熱爐內(nèi)進行檢查，發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)出料端靠軋機側(cè)3根活動梁變形，扭曲嚴重，立柱彎曲變形(見圖1)，水梁包扎材料大面積剝落；在靠近爐墻側(cè)的1根水梁的頂部有一凸起裂口(見圖2)，裂口處墊塊及前后相鄰墊塊掉落。

圖1 水梁立柱變形扭曲

圖2 水梁頂部凸起

1.2 事故的處理

針對入爐檢查結(jié)果，確定處理方案如下：

(1)損壞的水梁、立柱全部拆除。

(2)制作全新水梁的水管及卡件，其上耐熱墊塊利用舊原損壞水梁上的。

(3)立柱管按全新制作備料加工。

(4)全新制作的水梁及立柱管參照爐內(nèi)舊梁標高進行安裝。

按照上述處理方案，經(jīng)緊急制作、安裝、搶修，最終歷時15天處理完成，加熱爐于水梁搶修完成后重新點火。

2 事故原因的初步推斷

水梁立柱是加熱爐內(nèi)承受鋼坯重量，將鋼坯從裝料端一步步運送至出料端的重要設備，其長期處于高溫的運行環(huán)境中，因此水梁立柱冷卻效果如何是決定水梁強度及穩(wěn)定性的至關重要的因素。

從本次事故過程來看，水梁立柱損壞是水梁“爆管”導致冷卻效果減弱，進而導致水梁變形損壞。所謂“爆管”，是指在短時間內(nèi)，管道內(nèi)局部產(chǎn)生大量蒸汽，由于蒸汽換熱系數(shù)很低，冷卻效果差，造成鋼管局部超溫，材料強度明顯下降，在內(nèi)壓力作用和長時間高溫高壓條件下產(chǎn)生塑性變形和蠕變，局部鼓包、厚度變薄、直至爆管。

通過對該水梁立柱的冷卻設計圖調(diào)查發(fā)現(xiàn)，變形損壞的三根水梁屬于同一冷卻回路，當其中一根水梁發(fā)生“爆管”后，該冷卻回路的大量水汽從爆點冒出，使通過水梁立柱進行循環(huán)的水汽量急劇減少，降低了水梁立柱的冷卻效果，從而導致這一回路的水梁立柱全部變形損壞。因此，分析造成水梁立柱損壞的原因也即為分析水梁發(fā)生“爆管”的原因。

水梁產(chǎn)生“爆管”的可能原因主要為以下幾方面：

(1)水梁內(nèi)部結(jié)垢，導致水梁管壁冷卻效果差，在長期使用下產(chǎn)生爆管。

(2)水梁外部耐材脫落，導致水梁長期局部過熱，使水梁管壁強度減弱，在長期使用下產(chǎn)生爆管。

(3)水梁的冷卻水量不足，導致水梁管壁冷卻效果差，在長期使用下產(chǎn)生爆管。

(4)水梁的水管“母材”本身存在缺陷，在水梁長期使用下，缺陷擴大導致爆管。

3 事故原因的現(xiàn)場排查

針對上述提到的可能導致水梁爆管的原因進行一一排查。

3.1 水梁內(nèi)部結(jié)垢導致爆管的原因分析

事故發(fā)生后，即組織了對水梁的拆除更換，由于水梁本身比較長，且由于爐內(nèi)更換維護空間狹窄，因此在水梁拆除更換時即對水梁進行了切割、分離，通過切開的水梁斷面，對水管內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)，水管內(nèi)部管壁光滑均勻，無結(jié)垢現(xiàn)象。因此排除是由于水梁內(nèi)部結(jié)垢導致冷卻效果減弱進而引起爆管。

3.2 水梁外部耐材脫落導致爆管的原因分析

事故發(fā)生后，對爐內(nèi)水梁檢查時發(fā)現(xiàn)：爆管位置墊塊脫落，周圍耐材剝落。因此懷疑是由于脫落區(qū)域的水梁露裸，使得水梁局部失去耐材保護，其在爐內(nèi)高溫煙氣烘烤及壓在上面的鋼坯烘烤，短時間快速產(chǎn)生蒸汽，導致水梁冷卻效果差引起爆管。

通過檢查水梁立柱冷卻的熱負荷設計及相關加熱爐運行情況分析，在水梁立柱的熱負荷設計時均考慮了一定的剝落率(即水梁出現(xiàn)光管情況)，且加熱爐在運行中也均出現(xiàn)過一定的剝落，并沒有因為剝落導致水梁冷卻效果變差導致爆管的先例。因此，可以排除是由于局部耐材剝落導致水梁爆管。

3.3 水梁冷卻水量或流速不足，導致水梁冷卻效果差，引起爆管

在排除了上述兩種原因后，水梁冷卻系統(tǒng)即汽化冷卻系統(tǒng)設計冷卻水量不足或者設計冷卻流速不足也引起了懷疑。但從該廠加熱爐配置情況看，該原因應該首先排除：該廠配備了3座相同配置的加熱爐，且該廠加熱爐也長期運行了6年左右，若由于汽化冷卻系統(tǒng)原因?qū)е滤簱p壞，則其他加熱爐或其他回路水梁均可能出現(xiàn)問題。為此，對汽化冷卻系統(tǒng)進行重新校核分析：

1)總循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)流量校核計算

按照原設計條件，分平均熱負荷(水梁包扎正常，加熱爐產(chǎn)量為額定)及最大熱負荷(加熱爐最大產(chǎn)量，并水梁包扎耐材存在一定剝落)兩種情況分別進行校核計算，計算結(jié)果如下：

平均熱負荷條件：循環(huán)流量631 m3/h、蒸汽產(chǎn)量19 t/h。

最大熱負荷條件：循環(huán)流量583 m3/h、蒸汽產(chǎn)量27 t/h。

系統(tǒng)設計總循環(huán)流量為：760 m3/h，實際運行總流量約720 m3/h。因此總循環(huán)系統(tǒng)能力是足夠的，完全能保證加熱爐安全運行。從類似熱軋廠已投產(chǎn)的其他類似加熱爐項目來看，其總循環(huán)流量一般在550～650 m3/h，目前均運行正常。因此從校核計算結(jié)果看，總循環(huán)系統(tǒng)為安全可靠的。

2)事故回路的循環(huán)流量校核計算

產(chǎn)生事故的回路在原設計汽化冷卻系統(tǒng)中為2回路(活動梁回路)，是由三根水梁串聯(lián)而成，其組成系統(tǒng)見圖3。

圖3 2回路立體系統(tǒng)圖

此回路校核計算結(jié)果如下：

(1)平均熱負荷條件：循環(huán)流量82.6 m3/h、蒸汽產(chǎn)量2.39 t/h，循環(huán)流速2.92 m/s，大于臨界流速1.158 m/s。

(2)最大熱負荷條件：循環(huán)流量66.8 m3/h、蒸汽產(chǎn)量4.2 t/h，循環(huán)流速2.35 m/s，大于臨界流速1.48 m/s。

通過對該加熱爐循環(huán)回路流量校核計算值與此前操作工手動記錄值以及相同的另一座未產(chǎn)生事故的加熱爐運行數(shù)據(jù)相比較，三者比較接近，說明該循環(huán)回路能力足夠，完全能保證該回路水梁安全運行。

3)事故回路中汽化點的校核計算

2回路由三根水梁串聯(lián)而成，爆管處發(fā)生在2回路進水的第一段水梁，距進口約16 m處(見圖3，發(fā)生爆管的部位在圖3中第115管段，位于第120管段上方)。在正常情況下，管內(nèi)全是欠飽和熱水，不可能產(chǎn)生蒸汽。計算結(jié)果顯示汽化點在第2段水梁的后半段(見圖3，2回路的汽化點在管段的143號處)，因此，不是該回路設計循環(huán)流量或流速不足導致循環(huán)不暢產(chǎn)生蒸汽引起爆管。

4 事故原因

如前所述，爆管是指在短時間內(nèi)，管道內(nèi)局部產(chǎn)生大量蒸汽，由于蒸汽換熱系數(shù)很低，冷卻效果差，造成鋼管局部超溫，材料強度明顯下降，在內(nèi)壓力作用和長時間高溫高壓條件下產(chǎn)生塑性變形和蠕變，局部鼓包、厚度變薄、直至爆管。

通過前述逐一排查，對短時形成大量蒸汽引起冷卻效果差造成爆管的原因進行了排除，因此剩下的最大可能原因即為水管母材。由于爆管處母材有微小的缺陷(細的裂紋、氣泡等)，有缺陷的母材在高溫下經(jīng)長達6年的負重工作，內(nèi)部的裂紋、氣泡逐漸放大，氣泡擴展成裂紋，鋼材許用應力逐漸下降，鋼管逐漸變軟。裂紋同時向鋼管內(nèi)表面及外表面擴展，當裂紋擴展到內(nèi)表面時，冷卻水就進入到裂紋內(nèi)不流動，很快就過熱產(chǎn)生蒸汽。隨著裂紋的增大，蒸汽越來越多，最后演變成“爆管”。

通過對比分析事故前后汽包液位的趨勢記錄，從汽包液位波動來看，在爆管前水梁應該已經(jīng)有裂紋和小的泄露，但由于活動梁停在中位，且水梁上的鋼坯負荷將泄露點封堵，是泄漏量很少；在保溫待軋結(jié)束，步進梁下降時，水梁上的鋼坯荷載解除，使泄漏點的泄露量逐漸增大，最后大量水汽噴出。

因此，通過排查分析、現(xiàn)場事故趨勢記錄，可以判定，此次水梁事故即為水管母材缺陷引起。

5 建議及措施

為避免類似事故的再次發(fā)生，及在發(fā)生事故時減輕損失，降低對生產(chǎn)的影響，特提出如下建議及措施，供借鑒參考。

(1)水管材質(zhì)選用時增加探傷要求或提高材質(zhì)等級，增加水管母材的檢查，減少由于管材本身生產(chǎn)缺陷導致的事故。

(2)加強采購制作管理，嚴格控制材料的采購及制作流程，防止在設備制作過程中的“偷梁換柱”行為。

(3)編制應急處理機制，進行應急處理培訓，減少事故發(fā)生時由于處置不當造成的損壞。

(4)加強計算機的監(jiān)控管理及報警處理功能，對汽化冷卻回路進行重點監(jiān)控保護，在類似事故發(fā)生時能提供鮮明報警，提示操作工處理，減少事故損失。