高炉热风主管道用波纹管膨胀节泄漏失效分析

某特大型高炉于2010年6月开炉，送风温度稳定后达到1 310℃，拱顶温度控制上限1 420℃，热风管道上部设计温度150℃，运行温度180～280℃。2011年下半年开始，相继出现过波纹管直边段与受压筒节之间焊缝腐蚀泄漏、并在波纹管下部有黏稠液体流出现象。经分析，流出物主要成分为Al（NO₃）₃?9H₂O。2013年6月，该高炉热风主管波纹管膨胀节突然爆裂失效。针对该高炉波纹管膨胀节的失效现象，制造商技术人员跟现场工作人员进行了详细的沟通，考虑了工作环境、工作温度等等因素进行了膨胀节的失效分析，具体如下：

（1）膨胀节设计校核

按照膨胀节设计参数，对波纹管膨胀节的强度进行计算校核，校核结果：耐压强度、位移补偿能力、耐温性能均满足设计要求。

（2）管系建模分析校核

采用CAESAR Ⅱ 2011应力分析软件进行建模分析。

本模型计算结果中的一次应力为95MPa，二次应力为206MPa，许用一次应力为185MPa，许用二次应力为250MPa，均在允许范围之内。从现场失效情况看，固定支架未出现强度失效现象，本部分不对固定管架进行校核。设计院要求的补偿量D_X=22.7mm，D_y=5mm，实际波纹管膨胀节热位移D_?X?=25mm，D_y?=6mm，D_z=17mm。通过计算校核，该高炉热风管线应力、位移在许用范围内。

（3）膨胀节下部微泄漏分析

高炉拱顶的高温加速了氮氧化物（NO_X）的产生，热风中NO_?X与H₂O在低于露点时凝结成具有强腐蚀性的硝酸，该硝酸与耐材中Al₂O₃反应生成Al（NO_?3）_?3?? 9H_?2?O，沉积在筒节及波纹管的内表面。波纹管内层采用Incoloy825，具有较强耐腐蚀性。波纹管一般不会出现腐蚀失效现象。该液体在重力的作用向下流动，而焊缝附近与波纹管与受压筒节采用外插焊接，腐蚀性介质很容易渗透到缝隙内，而焊缝附近与波纹管母材相比，C_r、N_i、M_o含量降低，更容易形成缝隙腐蚀。造成波纹管直边段与筒节之间腐蚀泄漏，在波纹管下部形成黏稠液体流出。

（4）膨胀节爆裂失效分析

失效膨胀节爆裂的位置是膨胀节中间筒节的上部，如图9-56所示是膨胀节砌砖图。

当钢质管道的外壁温度偏高时（按200℃计算），轴向热位移为30mm，轴向位移比设计的25mm明显增加，致使耐火砖产生轴向错位，极可能使O形砖（HL-127）脱落。膨胀缝中高温陶瓷纤维毡被热风抽走或在1 450℃分化，1 400℃高温气体直接窜到膨胀节中间筒节，同时热风的NO_X在管壁上结露形成硝酸盐，中间筒节Q345C在含有硝酸根离子介质中出现“硝脆”现象，在较低应力下，与介质接触的部位产生应力腐蚀，导致开缝漏风，出现高温气流通道，高温气流烧穿中间筒节，使膨胀节爆裂失效。