多管粉末还原炉炉头管连接方式探索与改进

付绍军

(金堆城钼业股份有限公司金属分公司,陕西 西安710077)



多管粉末还原炉炉头管连接方式探索与改进

付绍军

(金堆城钼业股份有限公司金属分公司,陕西 西安710077)

多管还原炉为金钼股份金属分公司2001年从美国引进，是500 t/a钼粉生产线用于钼粉二次还原的主要工艺装备。由于炉管较长、在离心铸造过程中材质分布难以一致以及温度场的阶梯性、多变性、不均性，加之升、降温时炉管形变受到并非单一轴向约束等因素，炉管在生产使用中极易产生弯曲、扭转。此问题极易造成炉管与炉头管连接处氢气泄露，导致极大安全隐患及能源浪费。多年来技术人员对多管炉两侧炉头管与炉管本体连接方式进行了多次探索与改进。实践证明，采用整体活套法兰连接配合导向支架可以保证连接强度和气密性，同时有效解决了炉头管扭曲旋转问题。

炉管；扭曲；连接；改进

1 背景概述

十八管还原炉为金钼股份金属分公司(原西安华钼新材料股份有限公司)2001年从美国Kleenair公司成套引进，主要用于钼粉的二次还原(MoO2+H2→Mo+H2O)。设备总重68.947 t，炉体(本体)尺寸10 m×3.3 m×2 m，炉管(包含两侧炉头管)全长16 m，共18根炉管，单根炉管总重约0.5 t。该设备主要包括以下2个部分：①机械部分(炉体、炉管、装料及进料机构、出料及翻料机构、燃烧系统)；②电气及控制部分(配电柜、程序控制柜、Profibus I/O站点、传感器、执行机构、人机界面等)。

根据钼粉还原工艺的要求，装满物料的料舟按照工艺节拍在进料端通过行走小车运行至目标炉管(通过位移设定)，炉门开闭机构打开进料炉门盖，料舟推送机构将料舟从小车载舟板上导入炉管，随后关闭炉门。出料动作与此相似，出料小车在目标炉管位置首先打开炉门，出舟机械手在探测到料舟后将料舟拖出炉管，随后炉门关闭。

炉体部分由1个辐射温区和3个可控温区组成，分别为Ⅰ区(辐射区)、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区，可控温区分别对应的工艺温度区间大致为920～950℃/Ⅱ、930～980 ℃/Ⅲ、970～1 050 ℃/Ⅳ，参与反应的氢气在炉管内与物料逆向流动。

由于炉管较长(炉膛内受热长度10 m，总长16 m)、在离心铸造过程中材质分布难以一致以及温度场的阶梯性、多变性、不均性，在升降温过程中会产生极大的热应力。而在炉管的伸缩过程中，其自由端伸缩不能保证为理想情况的“零约束”或单一情况下的“轴向约束”，炉管极易出现扭转和弯曲变形等问题。

用于物料还原的氢气是一种无色无味的易燃易爆气体，其分子量极小，渗透能力强，沿微小缝隙泄漏的概率极高。生产使用的炉管由本体炉管外加进出料两处炉头管现场连接组成，连接处的密封性是影响氢气是否泄漏的关键所在。在高温情况下，既要保证连接强度和气密性，确保H2不泄漏产生安全隐患和能耗成本增加，又要保证炉头部分能够自动调整，缓解炉管变形产生的热应力，存在很大的技术难度。由于进出料机构与目标炉管定位精度较高，炉头扭曲会导致进出料机构无法正常工作，可能会导致料舟撞击炉口，或者炉门气缸顶头无法正确打开炉门盖，甚至导致进出料过程受阻，若不人为干预，极易造成空气进入炉管发生闪爆，后果非常严重。历史上曾出现多起炉口闪爆引起的设备受损、人员受伤的情况。

自2001年该套生产线引入我公司以来，技术人员持续对炉管本体与两侧炉头管的连接方式进行探索与改进，在解决了主要矛盾的同时，又带来了新的问题。一直到2014年7月份，在总结前期改造经验教训的基础上，对新订购的炉管采用整体活动法兰连接方式，较好解决了炉管扭曲和高温下密封不严的问题。

2 焊接结构

2001年，十八管还原炉在当时西安华钼新材料股份有限公司六分厂现场安装后投入使用。炉体、炉管、炉头管设备安装尺寸简图如图1所示。

图中炉头管与炉管的连接位置及方式，在图1中5、7处标出，由设备制造商在安装现场采用氩弧焊现场施工方式焊接，现场施焊条件较为简陋，炉管本体与炉头管的同轴度很难得到保证，仅能对焊缝进行超声探伤，由于现场条件不具备而未能进行压力试验及气密性试验。

现场采用氩弧焊焊接时，根据焊接工艺要求，采用小焊接线能量、高频引弧，短弧、快速焊工艺进行焊接，为避免焊接过程中出现热裂纹、气孔和夹杂等缺陷，在施焊过程中对坡口进行了处理，并对氩气保护措施进行了充分准备。

图1 炉管安装结构简图1-出料端炉门机构；2-出料端炉管滚轮支架A；3-改进后法兰连接位置(安装时不存在)；4-出料端炉管滚轮支架B；5-炉管本体与进料端炉头管焊接位置；6-炉体；7-炉管本体与进料端炉头管焊接位置；8-进料端炉管滚轮支架；9-进料端炉门机构

在其后的生产实践以及后续大修更换炉管过程中，逐步发现该结构主要存在如下缺点：

(1)炉头扭转传递到两侧炉头，很难进行人工调整。由于材质密度及材质不均匀、升降温过程中非完全自由收缩、炉膛内温度场沿炉管径向不均匀引起炉管不均匀受热等因素，导致炉管本体(炉管在炉膛中的部分)弯曲、扭转传递到两侧炉头管，造成两侧炉头管扭曲旋转，不能正常进出料作业[1-3]。

(2)焊接工艺复杂，现场作业面较小，充氩保护困难，所用炉管为镍基高温合金(ZG40Ni35Cr25NbM)，其焊接方法主要有氩弧焊焊接、电子束焊接、钎焊与扩散焊等焊接技术。但是由于镍基高温合金中加入了固溶强化元素W、Mo、Cr等及微量元素S、P、C、B等，这些元素会增大裂纹敏感性，从而造成弥合裂纹、焊后焊缝易形成组织偏析，析出脆性相以及其他缺陷，这些均容易导致焊接接头力学性能及高温持久性下降。

由于使用条件复杂(内有15 kPa氢气还原气氛，温度约900 ℃)，需制作专门夹具，同时对焊接工艺及焊接人员技术水平要求较高，一般需经过高温炉管焊接专业培训考核合格后方可施焊；施工现场对焊前预热、焊后保温(850 ℃×5 h)等工艺要求难以保证[4-6]。

(3)在生产中一旦炉管焊接面出现裂纹，根本无法处理。因为炉管内有易燃易爆气体——氢气，补焊作业会有极大的安全隐患。

(4)炉头管复用较为困难。一般情况下炉头管部分因为变形较小可以复用。而焊接为永久连接方式，加之炉管材质特殊性，拆解困难，拆卸后的炉头管必须返回厂家重新修整后方可再次使用，成本费用均较高。

3 活套法兰连接结构

为了解决焊接结构带来的炉头扭转无法调整，现场焊接工艺复杂，出现裂纹无法处理、炉头管复用困难等问题，技术人员对其结构进行了改造，拟采用活套法兰连接。

3.1 采用单侧半圆活套法兰连接结构

为了解决以上问题，分厂技术人员对其进行了首次改进尝试，2006年，将图1中5、7位置处进出料端炉头管与炉管本体的焊接结构修改为半圆法兰活动连接结构。其对应的连接部位主要零件结构如图2所示。

图2 半圆活动法兰连接结构图

以上为炉管本体法兰连接部分结构和配套采用的半圆活动法兰结构。与之相连接的炉头管采用死法兰焊接结构，以及炉管本体接口均在炉管出厂时做好，现场直接安装即可。

在随后的使用过程中，该连接结构能够缓解炉头的旋转问题，容许炉管本体在受热后自由转动，且彻底解决了现场焊接难题及原有的炉头管拆解后需返厂修整费工费时且运输费用高的问题，炉头管扭曲后调整非常方便，但同时带来了新问题，主要有如下几点：

(1)法兰位置不当，出料端距离高温区IV区过近，且在出料端滚轮支架B前侧，使得法兰连接不仅要承载炉管的旋转扭矩，同时还要承受由于炉管本体在炉膛内不均匀变形产生的径向弯矩。该弯矩极易将法兰连接面拉开导致密封失效。

(2)螺栓紧固力矩太低容易导致密封面失效。上下法兰结构，法兰内圆弧面与炉管端面外圆卡槽紧密贴合，上下半圆法兰依靠两侧两个螺栓拉紧，若螺栓紧固力矩不足，则上下法兰不能完全压紧引起密封面失效。

(3)螺栓紧固力矩太大，会降低炉管寿命。若增大螺栓紧固力矩，会造成法兰内圆弧面与炉管之间压力太大进而引起摩擦力增加，阻碍了炉管的自由旋转产生沿炉管端面的切应力，切应力不能有效释放将会传导至炉膛内的高温炉管段，降低炉管寿命。

(4)连接结构刚度不足，法兰密封面漏气严重。因为半圆法兰连接中两个半圆法兰通过螺栓进行连接，连接刚度极差。同时高温条件下螺栓连接极易产生疲劳失效，需定期补充紧固，但效果很不理想，很难保证螺栓能够均匀受力。

3.2 采用双活套法兰连接结构并变更连接位置

2010年4月，为了促进炉管自由旋转消除炉膛内高温炉管由于扭转而产生的剪切应力，技术人员又进行了第二次改进尝试。将原有炉头管的死法兰连接结构也变更为半圆活套法兰连接结构，并对法兰连接的安装位置进行变更。参考图1炉管安装尺寸简图，将出料端法兰位置从图示位置5移动到图示位置3，由于出料端为料舟冷却端(氢气入口端)，参与反应的新鲜氢气从氢回收干燥塔出塔时仅为30 ℃左右，对法兰连接面有一定的冷却作用，螺栓受热疲劳失效的情况得到了消除。

将法兰连接位置放于出料端支撑滚轮组4(又称导向支架)之后，支撑滚轮组约束了炉管的径向弯曲，使得法兰连接主要承受炉管的旋转。同时在安装完成后，利用纤维织物掺和密封胶，对法兰接触面缝隙进行填塞使其在高温下固化。

在使用过程中发现，改变连接位置并对法兰连接面进行缝隙填充，缓解了炉管漏气的状况，尤其是出料端炉管连接法兰的漏气状况。但进料端限于结构尺寸紧凑等问题，法兰位置无法向后调整，漏气现象依然较为严重。利用纤维织物和密封胶混合填充虽然能够缓解漏气状况，但仍为治标不治本，没有从根本上解决问题。

3.3 采用整体活套法兰连接结构

2012年7月，借新订购炉管之机，对连接方式进行了第三次改进。在保留出料端安装位置的基础上，彻底放弃原有的半圆法兰结构，引入两个半圆挡圈，采用整体活套法兰结构，对法兰片厚度进行了调整[7]，并进行校核验算。主要结构如图3所示。

图3 整体活动法兰连接结构

法兰及挡圈材质均选用不锈钢304(国标06Cr19Ni10)，强度校核时因为卡环厚度最小为10 mm，且卡环承受剪切与挤压两种应力作用，因此半圆卡环为危险零件，应分别校核计算其剪应力和挤压应力。通过查阅手册获得其剪切及挤压强度极限，除以安全系数得到许用应力。实际计算的应力与许用应力进行比较，用以校核其强度条件。

剪应力与挤压应力均假定沿受力面均匀分布，剪应力等于剪切面上的平均应力，剪切强度校核计算：

τ—计算应力；Fs—剪力；A—剪切面的面积；[τ]—许用剪应力。

剪切面面积计算公式为：

A=πdb

d—炉管外直径，144mm；

b—挡圈厚度，10mm。

τmax—极限应力，查阅材料手册可以获得；N—安全系数，此应用场合一般选取1.5～2。

实际应力进行计算时，可以利用一定拧紧力矩条件下螺栓的拉紧力作为外力约束条件(剪力)进行简易计算，本实例中假定4个螺栓拉紧力一致。螺栓拉紧力可以参照螺栓规格及强度等级所对应的屈服极限，计算应力，乘以螺栓横截面后，留足50%的安全余量进行近似计算。

Fs=4×σs×A1×0.5

σs—螺栓的屈服强度；A1—螺栓横截面积；

本例中选用强度10.9级高强度螺栓，螺栓公称直径18mm，查阅国标GB1231，屈服极限为900N/mm2，拧紧力矩为380～450Nm。

挤压强度校核与此相似，不再赘述。经过校核，挡圈剪切及挤压强度均满足要求。

改造后的安装方式为：将整体法兰推入炉管，之后将两个半圆卡环放入炉管卡槽内，拉紧法兰，紧固两个法兰上的4个螺栓即可安装到位。

相比前两次改造，该结构具有如下优点：

(1)采用整体法兰连接结构，连接的刚度提升，密封性能明显增加。

(2)出料端安装位置使得法兰连接面温度明显下降，避免了连接两个活套法兰的紧固螺栓不会再出现疲劳失效造成紧固力下降。

(3)螺栓紧固后力的作用线沿炉管轴向，将两个炉管端面拉紧，而并沿炉管径向的分力，可以使得炉管本体自由旋转，炉头管自由调整，消除了由此产生的剪应力。

(4)该结构安装方面，同半圆法兰结构相比，少紧固2个螺栓，而两侧法兰安装时的对正也更容易实现。

(5)法兰受理结构更均衡，避免了半圆法兰螺栓紧固时极易拉偏的现象，法兰通过两个半圆挡圈传递给炉管连接端面沿炉管轴向的拉紧力更加均衡，消除了局部受力的现象。

同半圆法兰结构相比，该结构安装更为简捷，且法兰刚度明显提升，炉管对接的拉紧力更加均衡，消除了局部受力的现象。同时由于消除了半圆法兰螺栓沿炉管径向的拉紧力，炉管(本体)部分旋转更加自由，在满足连接气密性的同时，炉头扭曲现象基本得以解决。

4 应用效果及结论

从焊接结构到单侧半圆法兰结构以及双侧半圆法兰结构、变更接口位置采用织物和密封胶混合填充，以及后续的采用整体活动法兰连接形式，体现了技术人员对十八管还原炉进出料端炉头管连接方式探索与改进的过程。

近4年的生产实践证明，采用整体活动法兰连接方式可以在解决进出料端炉头管炉头扭曲的同时，保证连接的刚度与气密性。该结构也明显降低了现场安装施工的难度和工作量。在其他影响因素未发生明显变化的情况下，系统补充氢气流量由改造前的110Nm3/h降低为85Nm3/h，氢气单耗也由改造前的1 450/m3/t降低为1 082m3/t。利用专业仪器进行检测，法兰上方的最大氢气浓度由改造前的约130mg/kg降低到了现在的3～6mg/kg，效果十分明显。

[1] 张为国,李 毅,张 雷.转化炉炉管弯曲的原因分析和对策[J].炼油与化工,2009,20(3):23-24.

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[3] 陈彦泽,仇性启,杨向平,等.温度分布不均匀对炉管弯曲变形影响[J].石油化工设备,2000,(5):24-28.

[4] 王锡恒,吴阳凤.浅谈9Cr-1Mo辐射室炉管焊接[J].石油化工设备,2009,38(3):67-69.

[5] 刘文香,郑五喜.裂解炉炉管焊接后的局部热处理[J].石油化工设备技术,2002,23(4):59-60.

[6] 李晓松,刘乃涛.高温合金炉管焊接技术[J].石油工程建设,2005,31(6):52-54.

[7] 张 丽,谢禹钧.活套法兰密封性影响因素分析[J].石油化工设备,2014,43(5):97-100.

EXPLORATION AND IMPROVEMENT OF THE FURNACE TUBES CONNECTION TYPES OF THE MULTI-TUBES MATERIAL REDUCTION FURNACE

FU Shao-jun

(Metal Branch,Jinduicheng Molybdenum Co.,Ltd.,Xi,an 710077,Shaanxi,China)

The multi-tubes material reduction furnace is main technological equipment of the 500t/a molybdenum powder production line used for secondary reduction process, which was introduced by JDC from the USA. Because of the factors such as the length of the furnace tubes, the material density and the temperature field are not uniform, the furnace tubes deform and leak easily. Technician have probed on the connection types of the head tubes and the body tubes for many times and finally got the improvements. Facts have shown that using whole flexible flange connection could resolve the distortion problems while ensure the connection strength and air tightness.

furnace tube; twist; connection; improvement

2016-10-09；

2016-11-10

付绍军(1983—)，男，机械工程师。E-mail:fushaojun1983@163.com

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.01.011

TF806.9

A

1006-2602(2017)01-0045-05