不锈钢带钢光亮退火马弗炉缺陷分析及修复.doc

不锈钢带钢光亮退火马弗炉缺陷分析及修复TotalNo.179February2010总第179期2010年2月第1期不锈钢带钢光亮退火马弗炉缺陷分析及修复叶乃威杨安孙朝阳(1:宁波宝新不锈钢有限公司浙江宁波315807;2:北京科技大学机械工程学院北京100083)摘要分析得到了不锈钢光亮退火机组马弗管在高温自重长期服役条件下缺陷的形式及相应的原因.马弗管在高温自重作用下易产生缩颈,厚度减薄,截面变形,龟裂,橡胶状弯曲,鼓包,烧穿,焊缝开裂,渣滓,高温腐蚀坑等缺陷.高温蠕变是除焊缝开裂,渣滓,高温腐蚀坑外多种缺陷产生的直接或间接原因,设计,制造,使用工艺不当是引起诸如焊缝开裂,烧穿缺陷等的重要原因.针对各种缺陷特点,制定了合理修复技术方案,现场应用表明修复工艺方案是切实可行的,从而保证了马弗炉的正常使用.关键词马弗炉高温蠕变缺陷形式修复方法不锈钢中图分类号TG155.1+4文献标识码BDefectsAnalysisandRepairingofMuffleUsedinBright.AnnealingLineforStainlessSteelStripYeNaiweiYangAnSunChaoyang(1:NingboBaoxinStainlessSteelCo.,Ltd.,NingboZhejiang315807;2:SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083)ABSTRACTDefectsofmufflewhichisusedinbrightannealedline(BAL)forstainlesssteelstripatlongtermhightemperatureunderlargegravityareinvestigated,andthenthecorrespondingreasonsofdifferentdefectsareobtainedrespectively.Thenecking,wallthicknessthinning,CreSSsectiondeformation,checkedsurface,rubberlikebending,protrusion,burningthrough,weldmetalcracking,aswellasetchpitsaremaindefectsofmuffleathightemperatureandlargeweight.Hightemperaturecreepisattributedtoallofthedefectsbesidestheweldmetalcrackingandtheetchpits.Thedesign,manufactureprocessandtechnologicaloperationalsoaretheimportancefac-torswhichresultsinthedefectsofmuffle,suchastheweldmetalcrackingandtheetchpits.Forvariousdefectchar-acteristics,areasonablerepairingprogramformuffleSdefectstomakethemuffleworkwellwasdeveloped.Practicalapplicationshowsthattherepairingprocessisfeasible.KEYWORDSMuffleHightemperaturecreepDectsRepairingtechniqueStainlesssteel1前言某钢厂不锈钢光亮退火生产线(BrightAn-neMingline,BAL)是由国外公司设计制造的用于不锈钢带光亮退火的大型生产线,其总高度为55m,可处理宽度为6001250mm,厚度为0.13.0mm的不锈钢板带.炉中马弗管尺寸大(61820mm28500mm),质量大(20000kg),马弗管正常使用温度为1000以上,最高工作温度可以达到1200C.由于马弗管用材料为高温镍基耐热合金,该材料具有优异的力学性能,尤其是优良的高温持久强度及抗氧化性,国内无法生产,还完全依赖进口.作者简介:叶乃威,男,1955年出生,北京科技大学冶金设备专业毕业,高级工程师,硕士,宁波宝新不锈钢有限公司设备部从事设备技术工作-40-NEMP备E设金R冶暑:AE时叶乃威等:不锈钢带钢光亮退火马弗炉缺陷分析及修复2010年2月第1期高温自重条件的长时间作用使得不锈钢光亮退火生产线运行过程中产生多种缺陷而影响生产.实际生产中,为确保BAL可靠运行,缩短更换马弗的时间,准备了两支马弗(分别表示为A1和A2),两支马弗(一用一备)在实际运行过程中相继出现缺陷而无法正常使用,新制造一支马弗需要大约1年的时间且价值昂贵.因而分析各种缺陷的原因并对马弗进行修复将有助于确保正常生产,具有重要的工程应用价值.2光亮退火马弗炉结构及使用工艺2.1光亮退火马弗炉结构光亮退火炉采用立式马弗炉结构,退火炉结构如图1所示.退火炉主要由入口密封箱,炉体,冷却段和返回通道等组成.马弗管安装在炉体内,顶部法兰与冷却段用螺栓联结,采用硅橡胶密封圈密封,底部悬空插入入口密封箱内,人口密封箱箱体内充入高温淬火油用于隔断马弗管与燃烧室.回通道图1马弗炉结构马弗管结构如图2所示,管体由12段厚度和尺寸不同的钢板焊接而成.为方便描述,自上而下分别表示为A,B,C,.两支马弗管壁厚度分别从25mm到15mm不等.管体内径通长为1820mm,A段外径为1845mm,管壁厚度为25mm.2.2光亮退火马弗炉工作条件马弗炉是保证不锈钢带光亮化的关键设备】儿,工作条件恶劣,退火时内部填充100%的氢气保护气氛3,外部采用45个按照一定规律排列的对称分布在炉体180度两边的液化石油气(LiquidPetroleumGas,LPG)或天然气烧嘴以加热马弗炉体.缩颈变形段图2马弗管结构2.3马弗管用材料及特性马弗管材料选用高温,高强度的镍基合金(主要化学成分如表1所示).该合金能在温度高达1180C具有出色的抗氧化性,甚至在很严酷的条件下,如加热和冷却循环过程中,能生成一层致密的氧化膜而具有很高的抗剥落性.由于有较高的铬,铝含量,在高温含硫气氛中具有很好的抗氧化性.在室温和高温时该合金具有高的机械性能及很好的耐应力腐蚀开裂性能.由于控制了碳含量和晶粒尺寸,高温时具有高的蠕变断裂强度(如表2所示),适用于500cC以上高温使用环境.表1合金主要化学成分(%)温度/蠕变强度Rpl_./MPa蠕变断裂强度R/MPa10hrs10hrs10hrs10hrs3光亮退火马弗管缺陷及原因分析马弗管在长时间高温,自重(20000kg)及烧41总第179期冶金设备2010年2月第1期嘴燃烧不均导致的温度不均匀等因素作用下,会在使用过程中出现缩颈,壁厚减薄,焊缝开裂,截面变形,香蕉状弯曲,鼓包等缺陷.如Al马弗管的实际使用时间正好3年就出现缺陷,A2马弗管的实际使用时间仅为20个月就出现缺陷,无法正常使用.两支马弗管的缺陷有共性一高温蠕变及高温氧化,也有因设计,制造或使用原因造成各自特有的缺陷形式(如焊缝开裂).下面将分析两支马弗管使用过程出现的缺陷及原因.3.1高温蠕变引起的缺陷3.1.1A段发生严重缩颈对马弗管进行了测量发现在上部靠近水冷安装法兰500ram处往下开始有缩颈变形现象,呈不规则椭圆形.如A1的内径短轴为1650mm,内径长轴为1825mm.缩颈后最小周长减少了274mm.A,B两段之间的焊缝外径也减少了181mm.缩颈的主要原因是材料在高温时重力作用下发生蠕变,使得金属出现轴向伸长所致,尤其是在A段受到自身重力作用的载荷最大,因而在A段出现较为明显的缩颈.3.1.2壁厚减薄在高温和重力作用下,马弗管本体沿轴向伸长,导致管壁减薄,其中在A段壁厚减薄尤为显着.以A1的A段为例,壁厚最薄为22.8mm,较原母材25ram厚度减薄了2.2mm.3.1.3表面出现大面积龟裂现象如图3所示,这种情况也是由高温蠕变和重力作用引起的,属高温蠕变过程出现的正常现象.图3大面积龟裂现象3.1.4马弗管整体呈香蕉状弯曲如图4所示,这种弯曲在A1马弗管中部最一42一大弯曲量达到200ram,A2马弗管中部最大弯曲量达到150mm.这种弯曲产生的原因较为复杂.首先,马弗管的上端法兰与冷却段连接,在加热过程中不能向上膨胀,下端插在油封套中.在加热过程中允许马弗向下自由伸长,并在一定长度伸长时应切除多余的马弗.如果多余马弗来不及切除导致下部自由伸长被阻止时,就容易发生弯曲.其次,加热烧嘴只沿长度方向分布在马弗管两侧,若两侧烧嘴燃烧能力不能完全一致也可能引起各段受热不均而产生各段伸长量不同,导致弯曲.通过在马弗炉运行一段时间后旋转180度再运行,则可消除弯曲现象.这一情况说明了马弗管两侧烧嘴燃烧能力并不完全对称而导致管体热应力也不对称产生的弯曲.图4弯曲示意图3.1.5截面变形使用过程中马弗管由圆形截面变成了椭圆形截面(如图5所示),d和d分别表示变形后长轴和短轴与变形前直径的差值的绝对值.如表3为A1马弗管实测的截面变形大小,可以看出沿管轴线方向自上而下越靠上部截面变形越大,其中直径变化最大的为B段(第二段),长轴与短轴之差达到了254mm,而越靠近下部截面变形较小,与产生缩颈和壁厚减薄规律相似.A2马弗管的截面变形与A1类似,但A2还发生烧穿现象,在穿孔处实测,长轴为1900ram,短轴为1700mm.这种情况是由烧嘴分布和燃烧能力不一致使得管体温度分布不均匀,从而使得产生不均匀的变形.对于A2马弗管,在正常情况下,马弗炉外壁与炉壳烧嘴距离为250mm.而椭圆长轴正好处于烧嘴区,同时,马弗管弯曲方向也正好偏向烧嘴区.两者叠加的结果进一步缩短了烧嘴与马弗炉外壁距离而导致烧嘴火焰直接与叶乃威等:不锈钢带钢光亮退火马弗炉缺陷分析及修复2010年2月第l期马弗管接触而烧穿马弗管.图5截面变形示意图表3马弗管直径测量值/mmAdl01510129030313161828464946413O1815l32324153.1.6鼓包Al马弗管在二次吊装法兰位置处出现局部鼓包(如图6所示),鼓包向外凸,高度h约30ram,直径d约41-50mm,表面呈颗粒状结瘤现象,内外表面粗糙,周围有明显拉伸状长凹坑和点状凹坑.对于A2马弗管的分布情况如图7所示(17为鼓包编号),鼓包大小,形式及位置如表4所示.产生上述鼓包的原因是当马弗管体整体发生香蕉状弯曲后,在弯曲部位一侧与烧嘴的距离变短,烧嘴火焰一直对着马弗管体加热,使得局部变形大于周边马弗本体,最终导致鼓包和表面晶粒粗大._图6A1马弗简体鼓包每ll6I争()123456图7A2马弗简体鼓包分布表4A2马弗简体鼓包形状及位置/nun编号1234567鼓包类型外凸外凸外凸外凸外凸外凸内凹焊缝距离4506502506709004501100鼓包高度h10251015101010鼓包直径d64003.2设计和制造及使用工艺不当引起缺陷3.2.1二次吊装法兰设计二次吊装法兰用于马弗管安装及更换时吊装操作.根据原始设计二次吊装法兰在马弗管E段,距马弗炉顶部法兰约9.6m处,其结构为整圈焊接筋板,分段在360圆周方向以每隔30ram间距焊接立筋,如图8所示.焊接筋板与马弗炉本体存在厚度差异,在高温作用下,互相作用产生不均匀的拉应力,导致在二次吊装法兰部位的本体产生椭圆形甚至鼓包缺陷.f/,.1,liIJIl:/a)圆周筋板布置b)立筋结构图8二次吊装法兰结构3.2.2第一道环形焊缝开裂如图9所示,裂纹最宽处约5mm,裂纹总长度约720mm.在修复焊接过程中,发现开裂处有约30ram长的焊缝未焊接.该缺陷产生的原因是采用分层焊接的操作失误,并且未能探伤发现.这一焊接缺陷是焊缝开裂发生的最重要原因之一.在同样使用条件下,另一只马弗管未出现类似的问题.图9焊缝裂纹3.2.3烧穿马弗管在二次吊装法兰处被火焰烧穿孔,如图lO所示.出现该缺陷是由于如前所述的不均匀一43总第179期冶金设备2010年2月第1期蠕变变形造成的马弗管整体呈香蕉状弯曲变形和截面椭圆变形使得烧嘴与管体距离靠近,导致该烧穿处正好对着烧嘴位置,最终把马弗管母材烧穿.图10二次吊装法兰处马弗管本体烧穿3.3高温氧化引起的缺陷3.3.1马弗管内部高温腐蚀坑在高温工作时,其他材料与马弗管本体母材发生反应,形成腐蚀坑,如图11所示,该缺陷具体形成机理和成分尚不明确.图l1内部高温腐蚀3.3.2马弗管内部渣滓在马弗管母材上面有一些析出物质,如图12所示.该缺陷是由于母材杂质在高温下被炉内氢气还原而形成的.图12内部渣滓4光亮退火马弗管缺陷的修复对于由于高温蠕变引起的伸长,缩颈,厚度减薄,截面变形,弯曲,鼓包及由于设计,制造,使用不当引起的焊缝开裂,烧穿缺陷,可以通过切除失效部位的措施进行修复.为此,在修复前首44先对马弗管进行全面测量以确定修复工艺和修复后的验收标准.其次,对缺陷部位切除后进行焊接.4.1焊接工艺的选择为了确保修复时材料焊接的可行性,对A2马弗管材料母体及马弗管材料(编号1,2)与替代材料(编号3,4)进行焊接性能的实验.如表5所示为试验结果,可以看出对于A2的焊接试验,焊缝的最小抗拉强度为525MPa,其断口都出现在焊缝处,母材没有出现断裂,说明母材的强度大于焊缝强度,比母材抗拉强度(600MPa)减小12.5%,按A段马弗管最薄壁厚计算该段的室温静态拉应力为1.58MPa,远小于实测焊缝最小抗拉强度525MPa,表明采用焊接实验可以满足马弗炉的强度要求.表5焊缝拉伸强度编号母材盯/MPa焊缝处仃/MPa断口位置实验结论4.1.1焊接工艺焊前打磨坡口(如图13所示),两侧打磨至金属本色.按照坡口图对接定位点固焊,错边量小于1.0mm.分层焊接,每焊接一层,必须清渣干净,再焊接下一层,直到焊接焊缝高出母材5mm左右.4.1.2焊接焊缝检测所有焊缝均采用X光拍片检查评判焊缝等级.60.4-0图l3焊接坡口尺寸4.2修复方案的确定4.2.1A1马弗管的修复方案由于Al管缺陷主要表现为:第一道环形焊缝开裂,二次吊装法兰设计缺陷及产生处局部鼓包,香蕉状弯曲,A段的严重缩颈,壁厚减薄,大面积龟裂和截面变形.因而充分考虑上述缺陷特叶乃威等:不锈钢带钢光亮退火马弗炉缺陷分析及修复2010年2月第1期点,采用的修复方案为:首先用手工切割机截去第一道焊缝两侧各100mm左右的简体,重新焊接(具体切除长度应按着色检查裂纹情况后再定);用手工切割机切二次吊装法兰,并截去鼓包段约400mm,人工校正筒体端面平整度,然后双面倒角后对接;采用厚度151iCl/lq的替代材料制成筒体焊接在马弗管尾部至马弗管总长度达28522mm;二次吊装法兰结构及安装部位进行了重新设计,将整段法兰焊接结构改为分段法兰焊接结构方式.4.2.2A2马弗管的缺陷修复方案由于A2管缺陷主要表现为:二次吊装法兰处烧穿,多处鼓包缺陷,香蕉状弯曲,A段的严重缩颈,壁厚减薄,大面积龟裂和截面变形.因而充分考虑上述缺陷特点,采用的修复方案具体如下:从二次吊装法兰处用等离子切割机切割开马弗管;采用着色渗透检查方法检查马弗管穿孔处裂纹确定切割的尺寸,采用手动砂轮片切割机对马弗管进行切割;对表面切口按照焊接坡口要求打磨,由于马弗管切口断面已成椭圆形(长轴约1900ram,短轴约1700mm),对接时必须按椭圆形还原对接,然后进行手工焊接;采用着色渗透检查方法检查焊缝质量;在马弗管底部焊接一定长度的替代钢板(b1820ram900ram,厚度15mm)使马弗炉总长度达到设计要求(约28500mm);二次吊装法兰处理与A1马弗管相同;A2马弗炉已出现7处鼓包,由于没有合适的材料,因而只对最为严重的鼓包(表4中3号鼓包)采用与烧穿相同的方法进行了整段切除,对焊,其余部位的鼓包只能进行定期跟踪渗透探