金属软管爆裂原因分析及对策

李良华 曹银平 张福行 宝钢股份炼铁厂

金属软管爆裂原因分析及对策

李良华 曹银平 张福行 宝钢股份炼铁厂

宝钢“以烟道气做载气的蒸汽多管回转煤调湿工艺（Steam Tube Dryer+Inertia，简称STD+I）”供热介质包括烟道气和蒸汽，以蒸汽的间接换热为主。其“蒸汽—凝液”系统如图1所示：管网蒸汽稳压后经由调节阀分两路，主体经金属软管A和旋转接头进入干燥机汽室和换热管，完成换热后的蒸汽凝液依靠干燥机的旋转和凝液自重从旋转接头经由金属软管B1-B2进入凝液罐，见图2。干燥机换热管内的未凝蒸气从尾部不凝气管排出。凝液罐的液位由出口液位调节阀控制，超出控制值时阀门开启，凝液依靠直接通入凝液罐的蒸汽的压力排至闪蒸罐。

图1 蒸汽凝液系统流程

图2 旋转接头及金属软管结构

1 事故状态

煤调湿设备运转中，各项参数正常，中控操作员发现：旋转接头摄像监控画面被蒸汽遮蔽，工艺画面上凝液罐液位迅速下降至0，蒸汽流量远远超出设定值，蒸汽主管压力迅速下降。操作员立即关闭蒸汽总阀，停止了干燥机系统运转。现场确认凝液回水管B1爆裂，金属软管的不锈钢内衬撕裂、飞溅，金属软管的断面形态及内衬碎片见图3、图4：

图3 金属软管断口断面

图4 飞溅的不锈钢波纹管碎片

2 原因分析

2.1 金属软管质量问题

金属软管直径250mm，长3.75m，设计压力2.5MPa，属于非标件，制造难度较大。但考虑到工况的最大压力仅1.6MPa，安全系数较高，软管内衬为0.8mm厚不锈钢波纹管，有较好的刚度和挠度，抗腐蚀能力也较强。软管外部为致密钢丝网，若不考虑泄漏，仅该层钢丝网亦能承受1.6MPa的压力。且金属软管出厂时经过严格的打压测试，对软管质量问题的怀疑基本可以排除。

2.2 金属疲劳

与旋转接头连接的金属软管在干燥机运转的过程中将承受周期性的挠动负荷，以B1凝液回水管为例进行分析，如图5所示。金属软管上端与旋转接头通过法兰连接，软管下端通过法兰与凝液罐回水管连接。由于凝液罐为地面构筑物，可认为是静止的，与之相连的金属软管下端亦是稳定的。在干燥机系统冷态加热时，金属软管将产生纵向的膨胀伸缩。干燥机旋转的过程中，与之对接的旋转接头也会产生一定的挠动，造成金属软管随之横向偏移，对软管下端的A和A1点造成挤压和拉伸，载荷周期为4.25次/分。在长时间的应力作用下，造成A-A1断面波纹管疲劳。

图5 金属软管运动状态示意图

从受力分析来看的确是金属软管下端所受应力最大，加之该处为波纹管与法兰的焊接点，强度相对薄弱，与现场的软管爆裂位置吻合。但实际的运转过程中，旋转接头固定在井字梁上，两侧均设置有止转杆，目的就是防止旋转接头跟转和振动，运转中现场目测，振动也是不可见的，微小的振动完全在金属软管的弹性范围以内。且若A-A1截面真的发生疲劳失效，首先应该是出现裂纹和蒸汽泄漏现象，然后可能会出现撕裂现象，而不应该是爆裂，断面也不会如此整齐。故金属疲劳失效的说法也不成立。

2.3 水击现象

有关文献指出了两种不同性质的水击原因：1)积聚在管路中的冷凝水，突然被高速流动的蒸汽托起和带走；2)蒸汽与低温积水相遇时，蒸汽凝结，造成局部真空，引起周围介质高速冲击。第一种情况下，水击方向与蒸汽流动方向相同；第二种情况下，水击方向与蒸汽流动方向相反，即水与蒸汽对流冲击。干燥机的蒸汽凝液系统中，存在冷凝水，也存在有加热蒸汽，完全存在水击的环境，问题点在于冷凝水和蒸汽发生水击时的条件——温差，在何时、何处出现？

爆管发生前一周时，由于来煤水分加大，增大了干燥机蒸汽用量，凝液罐压力由0.7～0.9MPa增至1.2～1.3MPa，与管网压力接近。蒸汽换热管内的凝液量显著增大，由之前的层状流变化为塞状流，水塞携带蒸汽进入金属软管，未凝蒸汽在3.75m长的未设保温的金属软管管段发生冷凝，后面的水塞在真空抽吸和重力加速的作用下，对金属软管下端管路改向处形成剧烈水击，在最薄弱的软管下端释放压力，形成软管爆裂现象。只有水击现象才能解释金属软管断面整齐、波纹管内衬被击平的事故现场。

爆管前蒸汽流量调节阀开度已达100%，从爆管后蒸汽流量迅速增加来看，干燥机的换热能力是受限的。在供热无法满足系统要求的情况下，将造成冷凝水温度偏低。而凝液罐由于与蒸汽主管直接连通，凝液罐上部蒸汽温度和压力都较高，当温度偏低的冷凝水进入凝液罐时，将使冷凝水产生二次蒸汽，压力瞬间上升，也会产生水击现象。

以上两种水击现象在蒸汽用量不断增加、凝液罐压力随之升高的情况下，是一直存在的，只是强弱有差别，爆管现象的发生是水击压力远远大于金属软管受压极限的极端体现。

3 对策

为防止水击爆管现象的再次发生：

1）在旋转接头与凝液罐间增设凝液包，气液分离，避免塞状流的出现。这样缩短了金属软管长度，若进一步对软管设置保温，即使出现夹带未凝蒸汽的塞状流，也不会出现急速冷凝引发水击的现象。

2）在凝液罐上部的压力平衡管上加设流量调节阀。通过控制直接进入凝液罐的蒸汽流量，控制凝液罐内适当压力。这样既有利于凝液的顺利排出，避免凝液温度过低，又能控制凝液罐内蒸汽温度，从而避免温差过大导致的水击出现。

采取以上措施后，煤调湿系统运转正常。

2013－07－15）