卓金管件有限公司ASME规范下全堆焊烟道在转炉设备中的设计应用学习体会
文献概况与工程背景
本文由烟台国冶冶金水冷设备有限公司的赵英春、杨平、崔勇、孙世宝、宋倩、梁文六位作者完成，发表于2021年《工业加热》第50卷第9期。研究根据ASME规范设计制作全堆焊烟道，解决了转炉烟道承受高温及交变应力、粉尘冲刷磨损等导致的烟道漏水短寿命问题。该研究具有鲜明的工程应用导向，直接面向转炉烟道这一关键设备的技术难题。
转炉烟道的服役环境与失效分析
转炉烟道是炼钢转炉系统中连接转炉与除尘系统的关键设备，其服役环境极为恶劣。从5W2H分析框架出发，可以系统梳理烟道的失效问题：
| 分析维度 | 具体内容 |
|---|---|
| What（失效形式） | 烟道漏水、壁厚减薄、局部烧穿 |
| Why（失效原因） | 高温热疲劳、粉尘冲刷磨损、交变应力 |
| Where（失效部位） | 烟道内壁、焊缝区域、支撑连接处 |
| When（发生时机） | 转炉吹炼周期中的高温阶段 |
| Who（影响对象） | 设备寿命、生产效率、安全环保 |
| How（失效机制） | 热应力循环+磨料磨损的协同作用 |
| How much（损失程度） | 频繁更换导致停产损失巨大 |
转炉烟道内壁温度在吹炼过程中可高达1000～1500℃，且伴随剧烈的温度波动。含尘气流以高速冲刷烟道内壁，造成严重的磨料磨损。同时，烟道结构承受着热膨胀与收缩引起的交变应力，三者协同作用导致烟道内壁快速失效。传统烟道采用碳钢或耐热钢制造，使用寿命往往仅数周至数月，频繁更换不仅造成经济损失，还影响生产连续性。
ASME规范下的全堆焊设计思路
ASME规范体系与适用性
ASME（美国机械工程师学会）规范体系是国际公认的压力容器与管道设计规范，其中ASME BPV Section I适用于锅炉和压力容器，ASME B31系列适用于工业管道。该文献依据ASME规范进行烟道设计，体现了对国际先进标准的借鉴与应用。
ASME规范对焊接接头的设计要求包括：
- 焊接工艺评定（WPS/PQR）：确保焊接工艺的可重复性与焊接接头性能。
- 焊接人员资格认证：焊工须通过相应的资格认证考试。
- 无损检测要求：根据接头类型与重要性等级，进行RT（射线检测）或UT（超声检测）。
- 焊接接头系数（E值）：全焊透对接接头E=1.0，角焊缝E=0.7等。
全堆焊技术路线
全堆焊烟道的设计核心在于：在碳钢或低合金钢基体上，通过堆焊工艺在内壁形成一层具有耐高温、耐磨损性能的合金层。这一技术路线的优势在于：
- 基体材料选择灵活：可利用普通碳钢作为结构基体，降低成本。
- 堆焊层成分可调：根据工况需求选择不同合金成分的堆焊材料。
- 局部修复便利：堆焊层磨损后可进行局部重堆焊修复，延长设备寿命。
堆焊材料的选择是关键。对于转炉烟道工况，理想的堆焊层应具备以下性能：
| 性能指标 | 要求 | 实现途径 |
|---|---|---|
| 高温强度 | 1000℃以上保持足够强度 | 选择含Cr、Mo、W的耐热合金 |
| 耐磨性 | 抵抗含尘气流冲刷 | 添加高硬度碳化物形成元素（Cr、W） |
| 抗热疲劳性 | 承受温度循环 | 优化合金成分与微观组织 |
| 抗氧化性 | 抵抗高温氧化 | 高Cr含量形成致密氧化膜 |
| 冶金结合强度 | 与基体良好结合 | 合理设计过渡层与堆焊层 |
堆焊工艺与质量控制
堆焊工艺选择
转炉烟道全堆焊的工艺选择需综合考虑效率、质量与成本。可选工艺包括：
- 埋弧自动堆焊（SAW）：熔敷效率高，适合大面积堆焊，但灵活性较差。
- 药芯焊丝埋弧堆焊（FCAW-SAW）：兼顾效率与灵活性，合金成分控制较好。
- 手工电弧焊堆焊（SMAW）：灵活性最高，适合小面积或局部修复，但效率低。
- 等离子弧堆焊（PAW）：熔深可控，稀释率低，适合精密堆焊。
对于烟道内壁的全堆焊，建议采用埋弧自动堆焊或药芯焊丝埋弧堆焊作为主要工艺，手工电弧焊作为补充工艺用于起弧、收弧及局部修复。
质量控制要点
全堆焊烟道的质量控制需关注以下关键环节：
- 基体表面处理：堆焊前基体表面须进行喷砂或打磨处理，去除氧化皮、锈蚀及油污，确保堆焊层与基体的冶金结合。
- 预热与层间温度控制：根据基体材料与堆焊材料的热膨胀系数差异，合理设定预热温度与层间温度，控制残余应力。
- 堆焊层厚度控制：堆焊层厚度需满足设计耐磨寿命要求，同时避免过厚导致开裂风险增加。
- 无损检测：对堆焊层进行MT（磁粉检测）或PT（渗透检测），检查表面裂纹与气孔。
- 金相检验：检查堆焊层与基体的结合质量，评估稀释区组织与成分。
工程实践反思与展望
该文献提出的全堆焊烟道设计思路，是冶金设备表面强化技术的重要实践案例。从工程角度看，全堆焊技术将"以合金抗磨损"转变为"以结构钢为骨架+合金层抗磨损"的设计理念，既保证了结构强度，又实现了表面性能优化，是一种经济有效的技术路线。
然而，笔者在实践中也注意到，全堆焊烟道的设计与应用面临若干挑战：堆焊层的耐磨寿命与堆焊成本之间的平衡、堆焊层在高温下的长期稳定性、以及堆焊层与基体之间的热膨胀匹配问题。特别是当烟道承受剧烈温度循环时，堆焊层与基体之间的界面可能因热应力疲劳而萌生裂纹，最终导致堆焊层剥落。
建议在实际工程中，对全堆焊烟道进行以下优化：
- 采用多层堆焊结构，设置过渡层以缓解基体与堆焊层之间的热膨胀差异。
- 在关键部位（如支撑连接处、弯头区域）进行局部加厚堆焊或增加耐磨衬板。
- 建立堆焊层的定期检测与评估制度，根据磨损情况制定预防性维修计划。
总体而言，该文献为转炉烟道的全堆焊设计提供了系统的设计依据与工程实践参考，体现了ASME规范体系在国内冶金设备设计中的应用价值。随着冶金行业对设备寿命与运行效率要求的不断提高，全堆焊技术将在更多冶金设备中得到推广与应用。
以上五篇文献学习体会涵盖了烧结焊剂配方优化、不锈钢焊条耐蚀性对比、复合堆焊强化、冲击强化机理以及ASME规范下全堆焊设计等多个技术方向，共同构成了堆焊技术从材料设计、工艺优化到工程应用的完整知识体系。对于从事钢管、管件及焊接技术工作的同行而言，这些文献不仅提供了具体的技术方案与实验数据，更揭示了堆焊技术背后的冶金机理与工程逻辑，值得深入研读与持续探索。