Дефекты на воздухонагревателях, воздуховодах и газопроводах комплекса доменных печей и связанные с этим “отказы” их металлоконструкций разнообразны. Они связаны с качеством металла, идущего на изготовление объектов, и с состоянием их футеровки, технического уровня эксплуатации и строительно-монтажных работ. Увеличение объемов доменных печей, количества вдуваемого воздуха, его температуры при повышенном давлении газа на колошнике требует значительного увеличения стойкости кожухов воздухонагревателей и воздуховодов. В настоящее время для их изготовления применяются марки сталей Ст3сп (ГОСТ 380-5/0), 09Г2С, 10Г2С1 и 14Г2 по ГОСТу 5520-62 и 19282-73 с толщиной металла до 40 мм, рассчитанных на работу при температурах 1350-1500°С с давлением в рабочем пространстве 0,25 — 0,35 МПа. Соотношение марок от общего их потребления составляет 09Г2С — 50%, Ст3сп — 32%, 10Г2С1 — 15% и 14Г2 — 5%, причем наиболее перспективными из них являются: 09Г2С и 09Г2МФБ, обладающие хорошими сочетаниями прочностных и пластических свойств.

Схема кожуха воздухонагревателя и наиболее распространенных дефектов кожуха

Наиболее часто возникают следующие дефекты (рис. 50):

  1. Трещины у штуцеров воздухопровода горячего дутья и газовых горелок (рис. 50 п. 1) вследствие вертикального роста кладки, нарушения целостности ее и перегрева металла; термический рост воздухопроводов (при отсутствии компенсаторов), вызывающий горизонтальное смещение их по отношению к воздухонагревателям и прямым участкам трубопроводов; вертикальное смещение опор подводов воздухопроводов к объектам из-за различного температурного роста.
  2. Выпучины из-за перегрева металла (рис. 50 п. 2) благодаря проникновению горячих газов и воздуха к кожуху при нарушении герметичности кладки и компенсационного зазора.
  3. Трещины по вертикальным швам (рис. 50 п. 3), возникающие из-за нарушения нормативных и проектных условий сварки, а также от больших кольцевых напряжений от радиально-термического роста кладки вследствие малых величин зазора или компенсирующих свойств материала засыпки.
  4. Кольцевые горизонтальные трещины (рис. 50 п. 4) от недостаточного зазора под куполом и повышенных сил трения между кладкой и кожухом при ее температурном росте. Трещины возникают также при оставлении монтажных приспособлений на внутренней поверхности кожуха или излишне плотном заполнении зазоров.
  5. Кольцевые разрывы вблизи швов приварки днища к кожуху (рис. 50 п. 5) вплоть до полного отрыва его из-за невозможности свободного роста кладки воздухонагревателя.
  6. Разрывы анкерных болтов, крепящих днище воздухонагревателя и их изгибов (рис. 50 п. 6), в случаях подъема кожуха насадкой при ее нагреве и малом зазоре между ней и кольцевой кладкой при радиальном расширении кладки, усиливающем давление насадки воздухонагревателя.
  7. Разрывы кожуха вдоль шва кольцевых ребер (рис. 50 п. 7), возникающих из-за большой концентрации напряжений.

Эти “отказы” связаны со спецификой работы воздухонагревателей. Их футеровка подвергается интенсивному влиянию высоких температур и частому, резкому колебанию нагрева при переводе с “газа” на “дутье” и обратно. Наблюдается значительная усадка насадки по высоте с отклонением футеровки стен воздухонагревателей к их центру. Через образующиеся трещины в кладке дутье под высоким давлением проникает в зазоры между ней и кожухом, перегревает кожух и способствует появлению в нем трещин. Кладка разделительной стенки между камерой горения и насадкой деформируется. Возникают вертикальные трещины и местные разрушения, образуя так называемое “короткое замыкание”. При нем нормальная работа воздухонагревателя нарушается. Недоиспользование тепловой мощности насадки и преждевременный переток газа и воздуха из камеры горения в насадку и обратно помимо купала резко снижает к.п.д. воздухонагревателя. Наиболее опасный для кожуха воздухонагревателя дефект — вертикальные трещины (рис. 50 п. 3), приводящие к полному разрушению воздухонагревателя. Они легко возникают при резких колебаниях температуры атмосферного воздуха, особенно в зимних условиях.

Пример 1.
Один из воздухонагревателей доменной печи Кузбасса объемом 1719 м3, будучи на дутьевом режиме, разрушился в условиях понижения температуры атмосферного воздуха в течение 12 ч. с -2,4°С до -28°С при суммарном избыточном давлении в печи 300 кПа (3,0 ати). Кожух разорвало по вертикали с выбросом насадки на ж.-д. пути: он был изготовлен из стали МСТЗ по группе (А-Б) ГОСТ 380-50, мартеновской, спокойной с дополнительными гарантиями предела текучести и загиба в холодном виде. Толщина цилиндрической части кожуха и купола 14 мм. Расчетное давление дутья 3,85 ати, рабочее 3,2, испытуемое — 0,4 ати. Расследование аварии установило: начало разрушения кожуха произошло по околошовной зоне вертикального сварочного шва 4-го пояса; трещина распространилась вверх и вниз по вертикали с последующим переходом в два кольцевых направления; кожух оказался оторванным от донышка по всему периметру со срезкой всех 12 анкерных болтов. На отметках 21-27 м кольцевая трещина распространилась почти по всей окружности аппарата, начиная с отметки 27 м и до низа кожух был развернут, в образовавшийся проем обрушилась огнеупорная кладка. Верхняя часть цилиндра с куполом опустилась на 8-10 м, опершись на груду огнеупорного кирпича. В результате аварии сильно разрушены все прилегающие к кауперу металлоконструкции и сооружения. Уборка и ремонт продолжались 266 ч., потери производства составили 180-200 тыс. т. Основной причиной разрушения кожуха стала его недостаточная прочность из-за заниженной проектной толщины металла, принятой ЦНИИПроектстальконструкцией. Это способствовало ускорению старения металла, который по механическим свойствам не удовлетворял ГОСТ 380-50. Импульсом к разрушению послужило резкое падение температуры наружного воздуха перед аварией.

Пример 2.
На той же печи (пример 1), но значительно ранее, при пусковых испытаниях воздухонагревателей такой же конструкции и тех же характеристик (перед задувкой печи) в условиях низких температур (что было прямым нарушением инструкции для испытания) до -30-35°С произошла авария с двумя воздухонагревателями одновременно. При их опрессовке в соответствии с “Технологическими условиями на изготовление, монтаж, испытание и сдачу стальных конструкций доменных цехов и газоочисток” при поднятии избыточного давления дутья воздуходувкой до 350 кПа (3,5 ати) произошло полное их разрушение. Царги кожухов воздухонагревателей (еще не бывших в эксплуатации) были разорваны преимущественно в вертикальном направлении с большим развертыванием листов. Кладка вместе с насадкой полностью высыпалась на ж.-д. пути, на обе стороны фундамента воздухонагревателей. Кирпичная дымовая труба высотой 60 м разрушилась до основания. Авария имела весьма тяжелые последствия из-за нарушения и других положений указанной инструкции: не были удалены люди, работавшие по уборке строительного мусора в непосредственной близости от воздухонагревателей (они не должны быть ближе 50 м в радиусе от места испытаний); опрессовку начали за пределами светового дня, что затрудняло определение ее результатов; не следовало производить опрессовку двух воздухонагревателей одновременно. Характер разрушения давал основание думать о взрыве, хотя звуковой эффект не был достоверно зафиксирован. Это внесло определенную трудность в установлении причин аварии, равно как и в утверждении об образовании гремучей смеси, обусловившей взрыв. Сушка воздухонагревателей дровами и коксовым газом производилась в течение двух недель при одновременном производстве строительных работ. Эксплуатационный персонал не сумел организовать полноценного контроля за процессом сушки и не организовал “продувки” воздухонагревателей перед их опрессовкой. Появился повод предполагать их загазованность. Однако открытые люки на газовых окнах и куполах воздухонагревателей в течение длительного времени между концом сушки и опрессовкой исключило версию нахождения в них газа. Причина разрыва кожухов была связана со слабостью металла, не отвечавшего условиям и низкой температурой атмосферного воздуха. Это подтверждается разрушением третьего аппарата на этой же печи (см. выше пример 1), не подвергавшегося испытанию ранее, в момент описываемой аварии, а также рядом подобных разрушений на других предприятиях при аналогичных обстоятельствах (рис. 51).

Разрушение кауперов на ДП 5 КМК

Пример 3.
На одном из воздухонагревателей доменной печи Донбасса произошел разрыв кожуха. Трещина, прошедшая по основному металлу по границе со сварным швом, распространилась почти по всей высоте цилиндрической части кожуха. Причина разрыва: межкристаллитная коррозия, вызвавшая образование микротрещин под влиянием коррозионного процесса, обусловленного проникновением к кожуху газов NO, NO2, SO2 и соединений CN. Кроме того, были оставлены с внутренней стороны кожуха монтажные скобы, значительно увеличившие напряжения в металле (рис. 52).

Разрыв кожуха воздухонагревателя

Пример 4.
На одном из заводов Юга произошло разрушение воздухонагревателя, работавшего под давлением 0,32 МПа при температуре купола 1210°С. Цилиндрическая часть кожуха разорвалась по вертикали в пределах трех царг и ниже под углом 45° с переходом в горизонтальное направление. Обрушение воздухонагревателя шло по границе 4-го пояса с почти полным отрывом купола, по линии разрыва ниже кольцевого ребра, установленного для закрепления опоры лифта (рис. 52).

Установлено, что началу разрушения послужил дефектный монтажный шов 8-го пояса. Исследование показало большие нарушения техники сварки. Развитие аварии произошло из-за других дефектов — оставление монтажных скоб (в районе разрыва); уменьшение компенсационного зазора до 20 мм вместо 54 мм по проекту.

Неоднократные случаи обрушения воздухонагревателей, имевшие место на ряде заводов, связаны не только с нарушениями технологии или взрывами, но и с проектными ошибками.

В течение 50 — 60 гг. был построен ряд воздухонагревателей так называемым “индустриальным” методом из листового металла толщиной 11-14 мм, свернутого в рулоны, что значительно ускоряло монтаж кожуха. Однако применение такого метода стало причиной выхода их из строя (рис. 53).

Разрушение воздухонагревателя

Пример 5.
Таким примером было обрушение воздухонагревателя, работавшего при давлении 0,3 Мпа и температуре купола 1250°С. При расследовании установили, что в месте разрыва находился металл толщиной даже ниже 11 мм — 9,2 мм. Это показало не только непригодность стали, но и самого “индустриального” метода. В кожухе образовался разрыв по вертикали длиной 9,5 м и шириной 3 м у основания, через который высыпалось до 18% общего объема кладки.

Пример 6.
На одном из восточных заводов в 1973 г. произошло разрушение двух воздухонагревателей одновременно. Кожух был изготовлен из Ст3 (кипящая ГОСТ 380-50) толщиной 14 мм за исключением нижней царги толщиной 24 мм и днища 20 мм, с учетом давления газа на колошнике в 150 кПа (1,5 ати). Воздухонагреватели введены в эксплуатацию в 1952 г. До 1973 г. кожух и кладка подвергались неоднократному ремонту. Производились заварки трещин, замена и частичный ремонт отдельных царг, установка накладок на ослабленные районы. Заменялась кладка купола, радиальных стен, частично насадка. Специальная комиссия по определению работоспособности воздухонагревателей подтвердила в 1963 г. возможность их эксплуатации до капитальных ремонтов в 1972-73 гг. Перед аварией печь работала нормально. После очередного выпуска чугуна газовщик приступил к переключению воздухонагревателей. Один из них был на дутье, другой на нагреве. Сняв его с газа, он открыл наполняющий воздухом клапан холодного шибера. Через 2-3 мин. давление дутья в воздухонагревателе достигло рабочего уровня 2,4 ати (240 кПа), после чего произошло его обрушение, а следом за ним и другого воздухонагревателя, бывшего на дутьевом режиме. Упавшими воздухонагревателями разрушено: здание воздухонагревателей с рабочей площадкой; воздухопроводы холодного и горячего дутья, газопроводы доменного и природного газа, водоводы и кабельные трассы. Разрушен пульт управления печи. Установлено: разрушение началось с образования вертикальной трещины в кожухе каупера, бывшего на нагреве со стороны воздухонагревателя, стоявшего на дутье. Трещина распространилась вверх и вниз на длину около 20 м. Через раскрывшийся кожух выбросило футеровку. Воздухонагреватель потерял устойчивость и упал в сторону бункерной эстакады. Его падение вызвало однотипное разрушение рядом стоящего аппарата, который упал в эту же сторону (рис. 54).

Падение воздухонагревателей

Причиной разрушения стала недостаточная прочность кожухов, изготовленных из кипящей стали 3 (термически не обработанная), она имеет повышенную склонность к хрупкому разрушению: при температурах ниже порога хладноломкости (для Ст3кп толщиной 12-14 мм) оно наступает около -20°С. Аварии способствовало: резкое понижение температуры наружного воздуха с -8,2°С до -32,4°С. Это понизило температуру кожуха в нижних горизонтах до +2-3°С, что было проверено на воздухонагревателях соседней печи при аналогичных температурах наружного воздуха.

Отрицательную роль сыграло применение компенсационной засыпки с низкими упругими свойствами (шамотный порошок и мертель) между кладкой и кожухом. Засыпка, смещаясь из верхних горизонтов в нижние, уплотнялась, увеличивая давление на кожух. Последний испытывал дополнительное напряжение из-за не срезанных при строительстве монтажных приспособлений, препятствующих росту кладки. В результате аварии потери производства составили 24000 т и до восстановления воздухонагревателей — еще около 70000 т (печь работала на холодном дутье, обогащенном кислородом).

Пример 7.
На одном из заводов, проплавляющих в доменных печах шихту с содержанием никопольской марганцевой руды, было замечено образование трещин на кожухах воздухонагревателей. Трещины длиной 150-200 мм появлялись в виде пучков, расходящихся от одной точки, расположенной на сварном шве. Они образовывались на внутренней стороне кожуха, и направление их не имело ни­ какой связи с растягивающими усилиями в кожухе. Исследованием причин появления трещин установлено наличие щелочного охрупчивания стали. Источником его была пыль от марганцевой руды (содержащей до 2,5% щелочи), попадающая в воздухонагреватель вместе с газом и колошниковой пылью. Охрупчиванию способствовала конденсация влаги на участках кожухов с пониженной до 40-80°С температурой и образованием раствора щелочей. В других зонах она была на уровне 120-150°С. Воздухонагреватели работали при относительно высоком давлении, что ускоряло поступление пыли с щелочами к кожуху.

Для прекращения щелочного охрупчивания на воздухонагревателях смонтировали вторые кожуха с поддувом воздуха в пространство между ними. Выравнивание давления внутри воздухонагревателей и между кожухами, сняло напряжение, исключило конденсацию влаги и образование щелочей с последующей межкристаллитной коррозией металла, которая проявляется в виде микротрещин глубиной 3-10 мм, располагающихся чаще всего у сварных швов и в местах концентрации напряжения. Для ее устранения предлагается нанесение на внутреннюю поверхность кожуха покрытий, предупреждающих контакт металла с конденсатом (алюминиевая фольга поверх торкретизации; комбинированная пластиковая пленка, накатываемая на металл при температуре до 200°С и др.). Однако достаточно эффективного способа устранения межкристаллитной коррозии пока не найдено, хотя в этом направлении и ведутся поисковые работы как в зарубежной, так и в отечественной практике.