ASME规范下的全堆焊烟道在转炉设备中的设计应用

赵英春，杨 平，崔 勇，孙世宝，宋 倩，梁 文

(烟台国冶冶金水冷设备有限公司，山东 烟台 265500)

1880年成立的美国机械工程师协会 (American Society of Mechanical Engineers，简称ASME)，是技术、教育等领域内世界性的工程学机构。现发行的ASME标准，通行于全球100多个国家。此次为安塞洛米塔尔钢铁集团加拿大某钢厂提供的全堆焊转炉烟道,就是按照业主要求，依据2017 ASME Boiler &Pressure Vessel Code(第一卷：动力锅炉建造规则)等设计制作完成的。

转炉烟道，作为转炉炼钢的主要配套设备之一，工作环境十分恶劣。尤其是转炉炉口附近的烟道，不仅受烟气高温氧化、硫化和汽蚀的考验，还要受烟气中粉尘颗粒的冲刷和磨损，有时还受到溅渣的冲击和损伤，久而久之，受热管机械强度下降，壁厚减薄，将导致冷却管爆裂、漏水等事故发生，迫使系统不能正常运行。某国内钢厂，炉口烟道上线使用仅4个月左右就发生了漏水情况[1]，不得不时常停炉检修，严重干扰了钢厂的正常生产。其他用烟道较好的钢厂，使用炉口烟道16个月左右也会发生大面积漏水情况[2]，带来了很多的安全隐患和热停工损失。总之，烟道寿命还有很大的提升空间。

根据烟道的实际工作条件及业主要求，此次设计制作的全堆焊转炉烟道，基体仍采用碳钢管，其表面采用当前最先进的镍基合金(INCONEL625)堆焊保护技术。烟道虽然是按照ASME标准建造，因堆焊的关系，造价也较普通烟道高，但该烟道有效解决了转炉该类设备承受高温及交变应力、粉尘冲刷、烟气波动性大等问题，其新技术、新工艺也完全可以按国内锅炉标准国产化，能切实提高烟道的使用寿命，减少钢厂的热停工损失，降低检修时间，创造可观的经济效益。

1 烟道设计计算

1.1 烟道主要技术参数

工作压力/MPa：1.8；

工作温度/℃：165；

最大允许工作压力/MPa：2.0；

设计温度/℃：261；

烟道直径/mm：3 769.6；

受热管直径/mm：38.1；

受热管材质：SA-210MGr.A-1

水压试验温度/℃：20～40。

1.2 烟道结构简介

烟道是带弯头的圆筒形结构，采用中压强制循环，下降管内的饱和水经锅炉热水循环泵加压后进入烟道下联箱，以克服用于平衡各支路水阻的节流装置的阻力。烟道拐点与水平面夹角为55°，见图1。

图1 烟道结构示意图

烟道下部拐点处设有两个对称下料孔，烟道中部设有氧枪孔。

烟道水冷管竖直排列，上下由进出口集箱连接，管子与管子之间加圆钢(扁钢)焊接组成膜式水冷壁结构。

1.3 镍基(INCONEL625)堆焊保护技术简介

此技术是在普通碳钢表面堆焊镍基(INCONEL625)1.6～2.5 mm，由于INCONEL 625堆焊在受热管表面后，材料表面局部性能已发生改变，呈近似于固溶强化处理的合金。据焊丝生产厂家实验数据记录：钢管表面堆焊后，堆焊层与钢管基材膨胀率基本一致，在拉伸试验中，钢管的抗拉强度和屈服强度比堆焊前增加了约100 MPa；在870 ℃，裸露16 000 h后的高温非比例延伸强度为435 MPa(远大于普通受热管常温非比例延伸强度245 MPa)，在沸腾的醋酸中浸泡一年的腐蚀量仅为25 μm，由此可见堆焊材料具有非常好的抗氧化、耐蚀、耐磨及耐热性能。堆焊层的溶合性能良好，且可通过控制焊缝的稀释率减少对母材成分的影响。在强化钢管的同时，还可赋予钢管以韧性，操作灵活，可针对设备薄弱环节对症下药。

堆焊技术对比国内一般常采用的超音速镍铬喷涂表面保护技术，造价比喷涂高，但是孔隙率、抗腐蚀、抗氧化、耐高温、延展性、抗冲蚀性、涂层寿命等各方面都大幅度胜出。因此此次选用了堆焊技术，对受热管采用360°螺旋圆周全堆焊的工艺(见图2)，以提高烟道的使用寿命。

图2 受热管360°螺旋圆周全堆焊工艺示意图

1.4 烟道的计算

用户方、建造方和ASME授权检验师(AI)作为ASME规范中仅有的三个参与者，用户方负责提出产品的功能和要求，建造方负责设备的计算书、施工图、材料采购、设备的制作及检验等。而ASME规范和国内锅炉体系相同的一点是，两者都是采用了控制一次薄膜应力不超过许用应力的设计思想，都有各自不同的安全系数，以确保安全。需要注意的是，ASME标准涉及范围广，自封闭成统一体系，前后互相引用较多，实际计算时应认真查阅相关的标准条文，避免出错。下面简述设计过程。

收到该产品订单后，审核了客户规格书，确保其按规范要求包含规范设计和制造所需的所有数据和要求，包含如下各个方面：所用的ASME规范卷及版本、设计压力包括最大允许工作压力(MAWP)(内压)、设计温度、材料标准及牌号、无损检测(NDE)要求和焊接接头系数、焊后热处理(PWHT)要求或其免除、压力试验要求、焊接节点详图、尺寸和公差、腐蚀裕量、认证标记和NB钢印信息、测量单位、介质及其特性、特殊使用工况等。下面以烟道受热管的计算为例，简介烟道的计算过程。

依据2017 ASME Boiler &Pressure Vessel Code(第一卷：动力锅炉建造规则)标准中的PG-27.2.1，当管子外径不大于125 mm时：

式中：t为最小需要壁厚，mm；P为最大允许工作压力,MPa；D为圆筒外径,mm；S为在金属设计温度下的最大许用应力,N，按PG-23规定取值；w为焊缝接头强度减弱系数，按PG-26规定取值；e为胀接管端部处的厚度因子，取值0。

开始计划的钢管壁厚为4.57 mm，且需要考虑公称管的制作偏差，因此按规范PG-27.4.7条款，钢管有效壁厚为

4.57-Cv=4.57-1=3.57 mm>t=0.511 mm

式中：Cv为钢管制造偏差。

由此可见，选择的钢管壁厚满足要求。

按规范PG-99.1条款，水压试验压力是最高允许工作压力的1.5倍，可以确认该设备的水压试验压力是

PH=1.5×2.0 MPa=3.0 MPa

为了确保安全，按PG-27.2.1校核钢管能否承受水压试验的压力，其最大允许承受的压力为

式中：SH为在金属设计温度下的最大许用应力。

可得MAP=30.65 MPa>PH=1.5×2.0 MPa=3.0 MPa

可以推断设备进行水压试验是安全的。

总之，结合多年的设计经验，合理设置各项计算参数，依次按规范进行各项设计计算，优化烟道的性能，可以逐步确定设备所用的承压材料都符合规范要求，也满足了业主规格书的要求。

2 全堆焊烟道特点及技术优势

2.1 烟道持久耐用

因全面采用了INCONEL 625堆焊，并应用锅炉相关传热、流阻设计理论，此型的烟道服役年限成倍增长，经久不坏。国内炉口烟道一般服役年限为2年左右，该类烟道服役年限在10年以上。此次制作的烟道备件，最新一次的大修替换日期是在2009年，业主计划是在2021年上线使用我们此次提供的烟道产品，即该业主使用炉口烟道约12年未更换新烟道。这意味着每年大量检修损失的降低和生产效率的大大提升，具备较高的经济效益和社会效益。

2.2 受热管基体仍采用碳钢管，使烟道投资大幅度降低

根据规范及相关计算，在确定碳钢管能满足要求的前提下，业主追求更高性能的设备，合金管替代碳钢管，以高代低就不是第一选择，用碳钢管360°圆周螺旋堆焊的工艺，提升了钢管本身的性能，造价比全合金管所制烟道降低，有利于业主降低投资，而设备性能却比普通碳钢管的烟道设备大幅度提升。

而且该钢管360°圆周螺旋堆焊后，仍可以采用膜式壁机器自动焊制作管屏技术，生产效率高，焊缝质量好，生产周期短，两三个月即可完成制作。

2.3 安全可靠有切实保证

全堆焊的烟道结构，使承压件管板的强度、耐冲蚀磨损等性能提升明显，在正常生产条件下，克服了以前设备难以承受的转炉炼钢工艺带来的缺点，正常服役期间不可能爆管与开裂，余热锅炉安全可靠性得到切实保证。

3 结 论

根据ASME规范设计制作的全堆焊烟道，因ASME该规范的控制一次薄膜应力理念与国内锅炉规范相同，ASME标准下设计优化的烟道，也完全可以在国标下设计制作，这可以为转炉烟道的新工艺提供参考，能够推动我国转炉烟道设备的技术进步。因全堆焊烟道具备的提高生产效率的巨大价值，完全可以在国内推广。