焙燒爐爐體裂縫的故障解析

王文智 俞培建 賈石河

摘 要：本文探討我廠某裝置焙燒爐爐體裂縫的故障處理及原因分析。焙燒爐在運(yùn)行中觀察爐膛內(nèi)有漏料，判斷筒體可能發(fā)生缺陷。停工清料后檢測(cè)出爐體鼓包變形，母材產(chǎn)生裂縫，并有局部點(diǎn)蝕蝕坑。對(duì)筒體缺陷部位校正修復(fù)后，做著色檢測(cè)，并采取加固措施。從工藝和力學(xué)性能兩方面對(duì)筒體缺陷原因進(jìn)行分析，研判設(shè)備運(yùn)行情況，制定故障削減措施。

關(guān)鍵詞：焙燒爐;裂縫;鼓包變形;點(diǎn)蝕;原因分析

我廠某裝置焙燒爐是2003年03月裝置建造時(shí)投入使用的，由某化工設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)制造安裝。設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示：

焙燒爐主體由爐體、爐膛、燃燒器、爐頭支撐裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、爐頭自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)、進(jìn)出料箱及其他輔助部件組成。其中爐體是焙燒爐的核心，其合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用直接影響到焙燒爐的安全、使用壽命及裝置的整體投資。我裝置焙燒爐爐筒采用2520材質(zhì)，爐筒內(nèi)設(shè)有翻料板（抄板）及環(huán)形堰板。爐筒內(nèi)設(shè)有中心管，中心管由爐內(nèi)支架支撐，熱電偶從中心管插入，并延伸到爐筒內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)與物料接觸測(cè)量物料溫度。爐膛內(nèi)由耐火陶瓷纖維磚砌筑2堵隔墻分割成3個(gè)燃燒室。焙燒爐安裝時(shí)傾斜1°的角度，是為保證其回轉(zhuǎn)加熱過(guò)程中物料向前流動(dòng)。

1 筒體故障發(fā)現(xiàn)過(guò)程

2020年5月中旬，通過(guò)焙燒爐燃燒器火嘴口觀察發(fā)現(xiàn)我裝置焙燒爐爐--2爐膛內(nèi)有漏料現(xiàn)象，且積料日增，初步判斷爐體發(fā)生缺陷。查閱相關(guān)檔案得知，該焙燒爐自2003年3月投用以來(lái)，先后多次發(fā)生爐體斷裂、裂縫故障，最近一次于2014年7月將爐筒整體進(jìn)行更換，爐內(nèi)附件按照原設(shè)計(jì)尺寸重新制作安裝，爐膛大蓋澆筑料全部改用陶瓷纖維砌筑。

2020年6月15日，我裝置焙燒爐停止進(jìn)料，熄火停運(yùn)清料后檢查檢修。爐體內(nèi)壁接近燃燒室隔離墻處母材發(fā)現(xiàn)2條長(zhǎng)約450mm裂縫，裂縫處筒體鼓包拱起，且裂縫周圍沿筒體徑向1000mm范圍內(nèi)有密集蝕坑。

2 故障處理經(jīng)過(guò)

經(jīng)過(guò)對(duì)爐體內(nèi)壁全覆蓋著色滲透檢測(cè)，除裂紋處外未發(fā)現(xiàn)其他部位缺陷。使用角磨機(jī)將裂縫打磨切出45°雙向坡口，裂縫末梢處鉆孔防止裂縫擴(kuò)散。測(cè)量切口厚度約14mm，爐體板材無(wú)顯著減薄。爐體鼓包最高處切出十字坡口（未切透），消弱應(yīng)力后（千斤頂）強(qiáng)力修復(fù)筒體。坡口處預(yù)熱后，選用ER310焊條以低電流電弧焊多層、多道施焊。焊接過(guò)程中使用手動(dòng)方式敲除焊皮焊渣，焊接完成后角磨機(jī)打磨焊縫，再次著色滲透測(cè)試未見(jiàn)缺陷。選用δ=8mm厚度2520材質(zhì)不銹鋼板卷制2塊300mm×

1320mm弧形板，覆蓋在焊縫處對(duì)焊縫進(jìn)行隔離保護(hù)。貼板沿爐體徑向兩面滿焊，橫向沿著物料流入一側(cè)滿焊，流出一側(cè)斷焊留出排氣孔道。

3 焊接強(qiáng)度核算

爐體材質(zhì)0Cr25Ni20，查表得其抗拉強(qiáng)度τb（MPa）≥520，斷面收縮率50%。焊材為ER310焊條。[1-2]

①近似認(rèn)為焊接鋼件為剛性，焊縫為彈性;

②焊縫計(jì)算長(zhǎng)度偏安全地取lw=2θπr，為爐體焊縫長(zhǎng)度與爐體周長(zhǎng)比率;

③取正面角焊縫強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)βf=1.0;

④管道外徑與焊腳尺寸之比d/hf≥25。

滿足上述條件時(shí)，對(duì)于承受彎矩、扭矩或者同時(shí)承受彎矩與扭矩作用的環(huán)焊縫，其焊接強(qiáng)度按照近似公式（1）（2）驗(yàn)算產(chǎn)生的誤差是可以接受的。

對(duì)于承受扭矩作用的環(huán)形角焊縫連接（如圖1），角焊縫有效截面上，任意一點(diǎn)的剪應(yīng)力應(yīng)該按照下式計(jì)算：

4 故障原因分析

經(jīng)過(guò)深入爐膛察看，發(fā)現(xiàn)此次爐體缺陷集中在爐體與爐膛內(nèi)燃燒室隔墻接觸部位，此處爐墻有部分磚塊凸起，凸起部位磨痕與爐體鼓包軌跡吻合，而裂紋位于鼓包區(qū)域內(nèi)。同時(shí)全面檢查分子篩焙燒爐的傳動(dòng)部件和支撐結(jié)構(gòu)，支撐爐體的拖輪輥磨損沉落，且拖輪輥支撐面有明顯凹槽，導(dǎo)致?tīng)t體存在輕度下沉。據(jù)此分析認(rèn)為，造成此次筒體缺陷的原因如下：

第一，爐體下沉后與爐膛內(nèi)墻體陶瓷纖維磚塊（耐熱溫度1400℃）摩擦，在長(zhǎng)期高溫條件下（800+℃）爐體板材通過(guò)熱應(yīng)力和強(qiáng)外力“頂”起鼓包撕裂。尤其是開(kāi)停工時(shí)溫度劇烈變化下這種作用更加顯著。裂縫處鋼板減薄并不劇烈情況亦可佐證造成缺陷的主要原因是外力和熱應(yīng)力共同作用下的結(jié)構(gòu)性斷裂。焙燒爐轉(zhuǎn)動(dòng)部件和支撐部件的不平衡，造成了爐體的下沉和結(jié)構(gòu)摩擦。

第二，爐體鼓包處介質(zhì)流動(dòng)不暢通，造成物料堆積。焙燒爐內(nèi)固料含有SO42-、NH4+、Cl-及稀土元素等多種腐蝕性化學(xué)成分，對(duì)爐體材質(zhì)持續(xù)化學(xué)腐蝕，這是造成爐體鼓包處附近點(diǎn)蝕蝕坑的主要原因。爐體鼓包位置是爐內(nèi)環(huán)形堰板處，此處物料聚集，加之爐體鼓包變形阻擋了物料的流動(dòng)，加劇了筒體的化學(xué)腐蝕。

第三，爐體的外力作用和金屬腐蝕相輔相成，互相促進(jìn)，造成母材的開(kāi)縫斷裂缺陷。

5 故障防范措施

針對(duì)造成爐體缺陷的故障原因，在做好缺陷修復(fù)的同時(shí)在后期運(yùn)行中從多方位入手，采取故障防范和削減措施。

第一，做好爐體的轉(zhuǎn)動(dòng)部件和支撐結(jié)構(gòu)的日常維護(hù)。我裝置在檢修中已完成對(duì)爐體支撐拖輪輥的更換和調(diào)整，保證旋轉(zhuǎn)爐體的同心度。同時(shí)將爐膛內(nèi)燃燒室隔墻墻磚凸起部分打磨除刺，消除外力。后續(xù)運(yùn)行中將強(qiáng)化監(jiān)控，適時(shí)檢測(cè)調(diào)整，消除爐體的不平衡因素。

第二，嚴(yán)格按照工藝操作規(guī)范組織焙燒爐開(kāi)停工作業(yè)。爐膛內(nèi)升/降溫過(guò)程堅(jiān)守升/降溫曲線，平緩升/降溫，避免爐體溫度劇烈變化，最大限度降低溫度應(yīng)力對(duì)筒體板材的不利影響。尤其是在開(kāi)工過(guò)程中，爐體溫度在短時(shí)間內(nèi)上升至800℃以上，爐體進(jìn)料后重量增加至40t以上，需嚴(yán)密監(jiān)控運(yùn)行適時(shí)對(duì)爐體變形狀況進(jìn)行校正，防范爐體下沉造成的機(jī)械損傷。

第三，利用工序停工機(jī)會(huì)，對(duì)爐體內(nèi)焊縫、母材進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)定期測(cè)厚、探傷等方式掌握爐體變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷并予以消除，避免缺陷擴(kuò)大。理論上，應(yīng)至少每年對(duì)爐體進(jìn)行一次全面的檢查與檢測(cè)，條件運(yùn)行情況下進(jìn)行母材晶粒分析，掌握材質(zhì)蠕變狀況。

參考文獻(xiàn)：

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