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故障现象 某公司工业硅炉63"炉配置3个电极共有6块底部环，于2020年10月建成投入运行，运行不满3个月就有2块底部环被烧坏：11月底，A相电极内侧底部环烧坏;12月初，B相电极内侧底部环烧坏，进水胶皮管憋压被崩开。 现场查看拆下来的实物，烧坏情况比较严重，底部环中部外圈爆裂。通过解体查看63*炉12月初烧坏的B相内侧底部环情况，底部环外侧水道被聚集沉积的废渣杂质堵死，中间水道被废渣杂质塞满，内侧水道积存大量废渣杂质。 经过调查落实，63'、62*炉都是改造炉型。62*炉底部环是购买件，63*炉底部环是公司自行制作件，根据某公司原设计图纸修改绘制加工制作。
原因分析 2.1结垢成因分析 全厂的循环水取样化验钙、镁离子含量：钙离子含量139.11mg/L,pH值7.86,导电率876μslem,总碱度(以CaCO₃计)240.19mg/L,硬度218.17mmol/L。 由于行业没有标准，遵循GB/T50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》,GB/T50335—2002《污水再生利用工程设计规范》。参考设计规范和同行业管理经验，从两次水质分析结果来看，循环水水质基本没有问题，水中钙离子的含量不足于使底部环水道内短时间形成大块结垢。 但是，硅厂循环水是开式直冷系统，水池和回水集水槽都是敞开式的，硅厂自动上料皮带传输系统就在炉子的回水集水槽外上方，且和回水集水槽平行，集水槽上口没有防护网，水泵的各管路上没有安装过滤网，颗粒状的杂质很可能会撒落入集水槽，进入凉水塔水池，再通过水泵压送到水冷件内部，随着水流进入死区沉积下来。从解体的63*炉报废的底部环水路分析，水道内的“结垢堆积物”很可能是循环水中的颗粒状“废渣污泥杂质”因压力不够、水流变慢而沉积聚集而成。 将块状废渣杂质和散状废渣杂质进行成分分析，检测报告见图1。  水质分析和固体杂质化验结果：废渣杂质的主要成分是钙26.5%、镁4.45%、铁0.81%和碳7.8%,其他59.2%。从块状杂质和散状杂质外观分析：底部环等冷却件水道的结垢和杂质除了有水中溶解的钙镁离子外，还有一大部分是固体颗粒聚集结块而成，说明水中混进了外来杂质。 2.2 底部环制作方案分析 经落实，底部环制作方案是根据原设计图纸改进而成，但原图纸水路焊接工艺要求不合理，存在的问题：中间两道隔水板是断续焊接，水路封闭不严密，有缝隙，水流很可能走捷径，造成底部环外水道水流不动，积水长期承受高温产生汽化，致使底部环外侧几乎处于干烧状态(图2)。 分析图2可以看出：
(1)底部环底板角部由原来的圆形改成直角(为方便加工焊接),其余基本没做大的改动。 (2)盖板焊接的制作技术要求：①两片连在一起做，两套背靠背一起做;②两道隔水板上设有长80mm凸台，嵌入盖板上80mm孔配焊。但图纸未说明焊接顺序。 (3)从底部环制作图的断面图可以清楚地看到：每片底部环两道隔水板在底板上是双面满焊，中间水路的盖板是切弧形坡口嵌入式焊接，盖板内外侧和边板之间是搭接焊。隔水板做出了间断凸台型，从“底部环一盖板”和“底部环一隔水板”图可以看出盖板与隔水板之间是间断焊接(焊接不连续，每隔100mm焊接80mm长，形成了间断式的100mm缝隙),这是造成底部环短时间被烧坏的设计缺陷。 2.3 焊接工艺分析 (1)从63*炉报废底部环解体情况分析，焊接操作是按照原设计方案和图纸要求进行制作的：在盖板上挖出两条弧形间断方孔覆盖在隔水板上，与隔水板的凸台相配合，两道隔水板与盖板之间采取间断焊接，没有满焊(图3)。水道之间有缝隙，水流走了捷径(底部环水流方向是里进外出),造成底部环外水道的水长期不循环流动，长期承受高温，是造成底部环烧坏的次要原因。
图3 底部环间隔焊接缝隙 (2)从63*炉报废底部环解体情况分析，两道隔板上有焊瘤焊渣没有清理掉(图4),焊瘤焊渣不处理，水道壁不光滑，焊瘤后面容易形成真空空间，也造成水流速度变慢，造成水道积渣。就此认为焊接顺序存在问题。经询问焊接操作者证实，焊接顺序是先焊接两边边板与盖板之间的接缝，后焊接中间隔板凸台接缝。合理的焊接顺序应该是先焊接两道隔板凸台接缝，满焊清渣后再焊接边板与盖板之间的接缝。因此，这焊接顺序错误是造成底部环水道积渣的一个原因。  (3)底部环制作过程中没有质检人员进行检查，制作完成后没有相关人员进行验收，也没有检验试验记录，质量管控上存在缺陷。 2.4 废渣杂质来源和形成 从其他炉子拆下的保护屏清渣孔可以看出，保护屏水道内同样积有很多类似的废渣杂质，说明其他水冷件都存在同样问题，只是63*炉的情况比较严重，杂质将水道堵死，造成橡胶管崩裂、底部环炸裂严重。 2.5 试验分析 (1)从63*炉新换上的B相内侧底部环出水口接满一水桶查看，桶底部有3、4颗1~2mm粒径的黑色颗粒，说明循环水中确实存在颗粒杂质，检查其他几个出水管的水几乎没有杂质。 将63*炉分水器备用分水管接出一根管子，水直接流回集水槽，在出水口放置滤网，19h后滤网中积存了200多颗大小不等的固体杂质，其中大块(5~12mm)是管线脱落的铁锈渣，小块(1~4mm)是砂砾。 将63*炉分水器另一路备用分水管接出一根管子，水直接流回到集水槽，在出水口放置滤网，24h后纱网中积存了更多的大小不等固体杂质，其中大块(8~15mm)是管线脱落的铁锈渣，小块(1~6mm)是砂砾。 3次试验证实了循环水管网中颗粒杂质的存在。所不同的是，出水杂质颗粒小，进水杂质颗粒大。这也说明大颗粒杂质一旦进入水冷件(特别是底部环)很难流出去。 (2)经现场查看水池发现：水池底部没有设置沉渣池(沟)或排污沟;池与池连通的过水通口没有设置滤网;循环水泵的主管路上和各个分支路也没有安装过滤器(网)。这样使得从进入水池的“废渣杂质”又被水泵再一次压进水冷件里，一部分“废渣杂质”因为流水压力不足沉积下来。 (3)底部环里的水位是整台炉子水冷件的最低点，距离回水最高点(三楼回水水平段)9m高差。循环水中的“废渣杂质”进入底部环水道死角聚集下来，越积越多。当进水压力0.18MPa时，管道里的水可以压18m高。但当进水压力小于0.18MPa时，聚集下来的大颗粒杂质不可能被水流全部带出底部环水道，这样越积越多，最后将水路堵死，外侧水路不循环，长期承受高温，最后爆裂。这是底部环短时间内被烧坏的原因。
结论及反映出的问题 (1)循环水池上、中部水质成分含量基本达标，可以满足运行要求，但是水池底部有大量颗粒状废渣杂质进入循环水路。 (2)制作设计方案不合理，原设计有缺陷。 (3)改进图纸沿用原焊接工艺(隔水板间断焊接),没有察觉原设计水路隔板焊接工艺有缺陷。 (4)制作过程中没有质检人员进行检查质量。 (5)集水槽上部未设防护网和过滤网。 (6)水池底部未设置沉渣池(沟)或排污沟。 (7)循环水分管路和支管路上未安装不同规格的过滤器(网)。
改进措施 (1)改进不合理的水冷件的设计工艺，将底板和边立板改成一次压制成型，将顶板设计成三道通孔。 (2)重新设计水路，改变水路水流方向，水流从外侧进水，通过内测水道进入中间水道，从另一端出口流出。水路封闭严实无缝隙，水流不走捷径，不会造成底部环外水道水流不动，3个水道受热均匀，整个底部环受热均匀、不变形。底部环外侧不会被干烧，延长了底部环使用寿命(图5)。
图5 改进后的底部环水路 (3)改进不合理的水冷件的水路隔板焊接工艺，3道隔水板的底部和顶部接缝都进行满焊(图6)。 (4)图纸绘制下发车间前要经技术人员审核、把关。 (5)定期召开技术讨论会，管理层上下之间、专业之间定期进行技术沟通。 (6)制作过程中要有质检人员监督检查，成品要有验收程序，要保存过程、检验和验收资料，检修管理规范化。 (7)定期检查循环水池底部杂质含量，定期清渣。水中定期加入阻垢缓蚀剂。 (8)所有回水集水槽、储水罐上部设置防护网，下部加装过滤网;循环水泵的主管路上和各个分支路安装不同密目规格过滤器(网)和清网旁路，特别是高温区的分支小管加装过滤器，定期清理过滤器。 (9)水池底部设置沉渣池(沟),池外可设置排污池和排污泵，定期排污排渣。 (10)由于水池处在炉群之间，环境比较差，池壁较矮，四周池壁加装防护网。 (11)由于水泵变频器的自动投用，压力和温度值设定要科学合理(压力不小于0.16MPa,回水温度不超过50℃)。
改进效果 经过以上改进措施，大大降低水冷件的故障率和返修率，某台炉子改进后，正常运行时间可以延长到6个月左右。  |
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