加热炉水梁爆管事故原因分析

2020-06-12姜世龙

工业加热 2020年4期

姜世龙

(重庆赛迪热工环保工程技术有限公司，重庆 401122)

水梁立柱是步进梁式加热炉中托举坯料的重要承重机构，对于大型板坯步进梁式加热炉，其炉内板坯重达1 000余吨，要托举如此重的坯料，保证水梁立柱结构的稳定性是至关重要。由于水梁立柱长期处在炉内高温环境中，这就要求水梁立柱必须得到充分而有效的冷却，避免由于高温导致的强度及稳定性下降。

水梁立柱的冷却主要采用净环水冷却和汽化冷却两种方式，在节能减排及减少水消耗的前提下，越来越多的加热炉采用了汽化冷却，本文所述的加热炉即为采用了汽化冷却方式的加热炉。本文结合水梁立柱损坏事故的发生及处理、事故原因的初步推断、调研分析、校核计算，找到了事故的形成原因，并提出了避免事故发生及减轻事故损失的建议，对今后避免类似事故的发生及解决提供了一定的借鉴指导作用。

1 事故的发生及处理

1.1 事故的发生

某热轧厂加热炉于投产多年后的某天下午，操作人员在HMI监控画面上发现加热炉均热段炉温突然下降，与此同时，汽包液位也急剧下降。在查找问题原因过程中，操作工打开炉门后发现炉内出现大量水蒸汽，初步判定可能是炉内水梁或立柱发生漏水，于是操作人员启动应急机制，紧急停炉。

在停炉、凉炉后，进入加热炉内进行检查，发现炉内出料端靠轧机侧3根活动梁变形，扭曲严重，立柱弯曲变形(见图1)，水梁包扎材料大面积剥落；在靠近炉墙侧的1根水梁的顶部有一凸起裂口(见图2)，裂口处垫块及前后相邻垫块掉落。

图1 水梁立柱变形扭曲

图2 水梁顶部凸起

1.2 事故的处理

针对入炉检查结果，确定处理方案如下：

(1)损坏的水梁、立柱全部拆除。

(2)制作全新水梁的水管及卡件，其上耐热垫块利用旧原损坏水梁上的。

(3)立柱管按全新制作备料加工。

(4)全新制作的水梁及立柱管参照炉内旧梁标高进行安装。

按照上述处理方案，经紧急制作、安装、抢修，最终历时15天处理完成，加热炉于水梁抢修完成后重新点火。

2 事故原因的初步推断

水梁立柱是加热炉内承受钢坯重量，将钢坯从装料端一步步运送至出料端的重要设备，其长期处于高温的运行环境中，因此水梁立柱冷却效果如何是决定水梁强度及稳定性的至关重要的因素。

从本次事故过程来看，水梁立柱损坏是水梁“爆管”导致冷却效果减弱，进而导致水梁变形损坏。所谓“爆管”，是指在短时间内，管道内局部产生大量蒸汽，由于蒸汽换热系数很低，冷却效果差，造成钢管局部超温，材料强度明显下降，在内压力作用和长时间高温高压条件下产生塑性变形和蠕变，局部鼓包、厚度变薄、直至爆管。

通过对该水梁立柱的冷却设计图调查发现，变形损坏的三根水梁属于同一冷却回路，当其中一根水梁发生“爆管”后，该冷却回路的大量水汽从爆点冒出，使通过水梁立柱进行循环的水汽量急剧减少，降低了水梁立柱的冷却效果，从而导致这一回路的水梁立柱全部变形损坏。因此，分析造成水梁立柱损坏的原因也即为分析水梁发生“爆管”的原因。

水梁产生“爆管”的可能原因主要为以下几方面：

(1)水梁内部结垢，导致水梁管壁冷却效果差，在长期使用下产生爆管。

(2)水梁外部耐材脱落，导致水梁长期局部过热，使水梁管壁强度减弱，在长期使用下产生爆管。

(3)水梁的冷却水量不足，导致水梁管壁冷却效果差，在长期使用下产生爆管。

(4)水梁的水管“母材”本身存在缺陷，在水梁长期使用下，缺陷扩大导致爆管。

3 事故原因的现场排查

针对上述提到的可能导致水梁爆管的原因进行一一排查。

3.1 水梁内部结垢导致爆管的原因分析

事故发生后，即组织了对水梁的拆除更换，由于水梁本身比较长，且由于炉内更换维护空间狭窄，因此在水梁拆除更换时即对水梁进行了切割、分离，通过切开的水梁断面，对水管内部检查发现，水管内部管壁光滑均匀，无结垢现象。因此排除是由于水梁内部结垢导致冷却效果减弱进而引起爆管。

3.2 水梁外部耐材脱落导致爆管的原因分析

事故发生后，对炉内水梁检查时发现：爆管位置垫块脱落，周围耐材剥落。因此怀疑是由于脱落区域的水梁露裸，使得水梁局部失去耐材保护，其在炉内高温烟气烘烤及压在上面的钢坯烘烤，短时间快速产生蒸汽，导致水梁冷却效果差引起爆管。

通过检查水梁立柱冷却的热负荷设计及相关加热炉运行情况分析，在水梁立柱的热负荷设计时均考虑了一定的剥落率(即水梁出现光管情况)，且加热炉在运行中也均出现过一定的剥落，并没有因为剥落导致水梁冷却效果变差导致爆管的先例。因此，可以排除是由于局部耐材剥落导致水梁爆管。

3.3 水梁冷却水量或流速不足，导致水梁冷却效果差，引起爆管

在排除了上述两种原因后，水梁冷却系统即汽化冷却系统设计冷却水量不足或者设计冷却流速不足也引起了怀疑。但从该厂加热炉配置情况看，该原因应该首先排除：该厂配备了3座相同配置的加热炉，且该厂加热炉也长期运行了6年左右，若由于汽化冷却系统原因导致水梁损坏，则其他加热炉或其他回路水梁均可能出现问题。为此，对汽化冷却系统进行重新校核分析：

1)总循环系统的循环流量校核计算

按照原设计条件，分平均热负荷(水梁包扎正常，加热炉产量为额定)及最大热负荷(加热炉最大产量，并水梁包扎耐材存在一定剥落)两种情况分别进行校核计算，计算结果如下：

平均热负荷条件：循环流量631 m3/h、蒸汽产量19 t/h。

最大热负荷条件：循环流量583 m3/h、蒸汽产量27 t/h。

系统设计总循环流量为：760 m3/h，实际运行总流量约720 m3/h。因此总循环系统能力是足够的，完全能保证加热炉安全运行。从类似热轧厂已投产的其他类似加热炉项目来看，其总循环流量一般在550～650 m3/h，目前均运行正常。因此从校核计算结果看，总循环系统为安全可靠的。

2)事故回路的循环流量校核计算

产生事故的回路在原设计汽化冷却系统中为2回路(活动梁回路)，是由三根水梁串联而成，其组成系统见图3。

图3 2回路立体系统图

此回路校核计算结果如下：

(1)平均热负荷条件：循环流量82.6 m3/h、蒸汽产量2.39 t/h，循环流速2.92 m/s，大于临界流速1.158 m/s。

(2)最大热负荷条件：循环流量66.8 m3/h、蒸汽产量4.2 t/h，循环流速2.35 m/s，大于临界流速1.48 m/s。

通过对该加热炉循环回路流量校核计算值与此前操作工手动记录值以及相同的另一座未产生事故的加热炉运行数据相比较，三者比较接近，说明该循环回路能力足够，完全能保证该回路水梁安全运行。

3)事故回路中汽化点的校核计算

2回路由三根水梁串联而成，爆管处发生在2回路进水的第一段水梁，距进口约16 m处(见图3，发生爆管的部位在图3中第115管段，位于第120管段上方)。在正常情况下，管内全是欠饱和热水，不可能产生蒸汽。计算结果显示汽化点在第2段水梁的后半段(见图3，2回路的汽化点在管段的143号处)，因此，不是该回路设计循环流量或流速不足导致循环不畅产生蒸汽引起爆管。

4 事故原因

如前所述，爆管是指在短时间内，管道内局部产生大量蒸汽，由于蒸汽换热系数很低，冷却效果差，造成钢管局部超温，材料强度明显下降，在内压力作用和长时间高温高压条件下产生塑性变形和蠕变，局部鼓包、厚度变薄、直至爆管。

通过前述逐一排查，对短时形成大量蒸汽引起冷却效果差造成爆管的原因进行了排除，因此剩下的最大可能原因即为水管母材。由于爆管处母材有微小的缺陷(细的裂纹、气泡等)，有缺陷的母材在高温下经长达6年的负重工作，内部的裂纹、气泡逐渐放大，气泡扩展成裂纹，钢材许用应力逐渐下降，钢管逐渐变软。裂纹同时向钢管内表面及外表面扩展，当裂纹扩展到内表面时，冷却水就进入到裂纹内不流动，很快就过热产生蒸汽。随着裂纹的增大，蒸汽越来越多，最后演变成“爆管”。

通过对比分析事故前后汽包液位的趋势记录，从汽包液位波动来看，在爆管前水梁应该已经有裂纹和小的泄露，但由于活动梁停在中位，且水梁上的钢坯负荷将泄露点封堵，是泄漏量很少；在保温待轧结束，步进梁下降时，水梁上的钢坯荷载解除，使泄漏点的泄露量逐渐增大，最后大量水汽喷出。

因此，通过排查分析、现场事故趋势记录，可以判定，此次水梁事故即为水管母材缺陷引起。