5500 m3 高炉炉喉补偿器失效分析及解决方案

张振存

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼铁部，河北唐山 063200）

1 存在的问题

首钢京唐5500 m3高炉装料能力为9 批/h（矿，150 t/批；焦，25 t/批）。为吸收过料时常温物料与高炉煤气温差变化产生的热位移及炉料下落时的冲击，采用波纹管补偿器，该补偿器具有结构紧凑、补偿量大、流动阻力小、零泄漏和免维修等诸多优点。炉喉补偿器安装在高炉气密箱与三角漏斗之间，补偿器波纹管直径1100 mm，内部过料部分直径700 mm。

高炉炉喉补偿器所承受的外力复杂，而且工作温度和应力较高。高炉在冶炼过程中产生的煤气成分复杂，常含有氯、硫、氢、碳等成分，具有较强腐蚀性，波纹管在有较强的腐蚀性介质中工作。在炉况运行不稳定时，常出现高温、高压、异常气流冲击等恶劣工况，时常失效。目前，该部位安装的补偿器，使用寿命长则1 年，短则两个月就出现腐蚀、磨损、过烧等，致使波纹管开裂穿孔，大量煤气泄漏。不仅严重影响高炉稳定运行，而且威胁工作人员人身安全，严重影响企业的正常生产经营。

这种情况通常采用临时包覆，消除泄漏，临时维持生产。通过分析研究，找到炉喉补偿器真正失效原因，拿出对策才是解决问题的关键。

2 运行工况及原因分析

2.1 补偿器设计工况条件

根据设计院计算核定，该补偿器在使用工况条件工作压力不大于0.3 MPa，设计温度200，安装径向位移在标准允许范围内，疲劳寿命101000 次，属于非易损坏件。

2.2 补偿器实际工况条件

通常情况下，高炉煤气的主要腐蚀成分是硫离子，首钢京唐高炉煤气含有大量氯离子。补偿器除了要受到煤灰粉的冲刷磨损以及焦炭、矿石下料时的冲击，在炉况不稳时还要受到高于300450的高温烟气的侵蚀。由于气密箱法兰与炉顶三角漏斗法兰不同心，补偿器安装时需径向强迫变形28 mm 后才能安装。补偿器失效如图1 所示。

图1 波纹补偿器失效

2.3 原因分析

（1）补偿器安装时径向变形过大，疲劳寿命严重降低。补偿器主要有轴向、径向、角向以及组合补偿方式，不同类型的膨胀节补偿形式不同。轴向型补偿器主要吸收轴向位移，只能吸收微小径向位移。在JB辕T 6169—1992 金属波纹管标准中，对此项性能的检测做出规定。对同时存在多种位移的波纹膨胀节，要对其各种位移进行合成，求出总等效轴向位移，检测是对总等效轴向位移而言。当轴向补偿器吸收较大的径向位移时，其径向刚度较大，由此产生变形应力大大增加，导致其补偿器的疲劳寿命大大降低。径向位移对波纹管寿命影响计算对比见表1。通过计算对比，可以看出径向位移过大对波纹管的寿命影响是致命的。计算中，当轴向位移为10 mm，径向位移为20 mm 时与轴向为50 mm，径向为0 mm 时，许用疲劳寿命出现巨大差别。首钢京唐的径向变形则达到28 mm，使用寿命要远远低于设计寿命。

（2）含尘荒煤气冲刷磨损，引起波纹管内部减薄直至穿孔。检查失效的波纹补偿器，发现波纹内部波纹间充满了煤灰粉，补偿器波纹元件的内壁直接与介质接触。由于高炉荒煤气含尘浓度高，颗粒大，当高炉运行不稳定时，恶劣工况频繁出现，高温、高压、含尘荒煤气高速冲刷补偿器径向内壁，加剧了含尘荒煤气对波纹管内壁的磨损，一旦出现小孔，快速扩展直至大面积泄漏。出现这种状况，必将造成高炉休风，影响生产。

表1 径向位移对波纹管寿命影响计算对比

（3）高炉煤气含有酸性成分，Cl-对补偿器产生应力腐蚀及点蚀破裂。高炉煤气中含有多种酸性成分，对波纹管有腐蚀作用。通常，硫影响波纹管，因此波纹元件选用耐蚀材料In原coloy825。高炉煤气硫对波纹管腐蚀的相关的化学反应方程式：

尽管首钢京唐炉喉补偿器的波纹元件也选用耐蚀材料In原coloy825，在失效补偿器返厂解剖后发现，内部均有米粒大小点蚀坑。当点蚀继续扩展到穿孔时，就会造成煤气泄漏。通过查询有关研究发现，当煤气中存在Cl-时，腐蚀性更为严重。反应式：

Cl-和S2-具有很强的腐蚀穿透性，能够破坏不锈钢或钝性耐蚀合金表面钝化膜的完整性，引发点蚀等局部腐蚀。在首钢京唐TRT 加药时对高炉煤气进行检验，发现煤气中含Cl-的成分是通常企业的5 倍。Cl-和S2-对腐蚀反应有相互促进作用，因此腐蚀更加严重（图2）。

3 解决方案

通过上述分析，补偿器在安装时径向变形太大，导致波纹管的二次应力严重超标，使补偿器的疲劳寿命大大降低，再加上荒煤气的冲刷磨损及酸性介质的腐蚀，是导致补偿器在短时间内失效的主要原因。因此，对波纹管进行重新设计改造。

图2 受腐蚀的波纹管内壁

3.1 安装时消除径向变形

采取自然安装方式。先将补偿器与其下部的气密箱短节进行安装，然后将补偿器与上部联接中间漏斗的法兰进行安装，最后将波纹管与法兰焊接。这样分体安装后焊接，消除了因上下错位强迫补偿器变形来适应现场的缺陷，消除了补偿器径向变形的应力。

3.2 补偿器内部增加对插保护套

采取自然安装的方式消除了补偿器工作时产生径向位移的可能，补偿器两端只有轴向相对运动，这为在补偿器内部增加对插保护套创造了有利条件。在补偿器内侧增加不影响补偿，可伸缩耐高温对插保护套。其中在一端伸缩管加工密封槽，在槽内设置耐高温陶瓷纤维密封环。对插保护套阻止了含尘浓度高、颗粒大的高炉荒煤气高速冲刷补偿器径向内壁，消除了补偿器内壁波纹管的磨损，延长其寿命。

3.3 在波纹元件内壁填充含锆陶瓷纤维毡

在波纹元件内壁与保护套之间填充含锆陶瓷纤维毡，起隔热保护作用。一方面消除了炉况不稳时的高温烟气的侵蚀，另一方面使得波纹元件免受小颗粒粉尘的磨损。纤维毡很好地阻止了波纹管内与炉内的气体交换，降低高温烟气的侵蚀，减轻煤气对其腐蚀。

4 结论

首钢京唐高炉炉喉补偿器通过增加对插保护套、在波纹元件内壁填充含锆陶瓷纤维毡的结构新设计，安装时现场采用最后焊接其中一个联接法兰消除径向位移的方法，彻底解决了炉喉补偿器使用寿命短的问题。改造后经过几年实践，补偿器使用良好，再未出现频繁失效现象，证明该方法是可行的。