高爐減壓閥組振動過大原因分析及應(yīng)用

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高爐減壓閥組振動過大原因分析及應(yīng)用

裴占寧

（上海梅山工業(yè)民用設(shè)計研究院有限公司，江蘇南京210039）

【摘要】通過對梅山鋼鐵股份有限公司4#高爐減壓閥組劇烈振動的原因分析，結(jié)合高爐減壓閥組改造項目的實踐經(jīng)驗，得出在設(shè)計中充分考慮氣流分布以及管道布置對管道振動的影響并采取適當(dāng)?shù)拇胧┛梢杂行Э刂茰p壓閥組及其組件的振動，使設(shè)備長期穩(wěn)定運行的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】高爐減壓閥組；振動；氣流分布；管道布置

1　引言

煤氣減壓閥組是高爐煉鐵系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備安裝在除塵設(shè)備后的煤氣管道上，與煤氣余壓透平發(fā)電裝置（TRT）并聯(lián)。高爐產(chǎn)生的高壓的高爐煤氣正常生產(chǎn)時經(jīng)過TRT發(fā)電后，溫度和壓力降低進(jìn)入低壓煤氣總管，在TRT出現(xiàn)故障或檢修時，高壓的高爐煤氣經(jīng)過減壓閥組減壓后并入高爐煤氣低壓管網(wǎng)。煤氣減壓閥組對控制高爐爐頂壓力和保障高爐的安全生產(chǎn)起到重要的作用。隨著煉鐵工藝的發(fā)展，高爐的規(guī)模越來越大，高爐的規(guī)模增大帶來煤氣量的增加，同時工藝的發(fā)展也帶來了爐頂壓力越來越高，煤氣量的增加和壓力的提高都對減壓閥組的性能提出了更高要求。

2　梅山高爐減壓閥組現(xiàn)狀

上海梅山鋼鐵股份有限公司4#高爐爐容3200 m3，煤氣量48～55萬m3/h，爐頂壓力約250 kPa。高爐TRT發(fā)電機組故障或檢修時，高爐產(chǎn)生的高爐煤氣經(jīng)重力除塵和干法除塵凈化后通過減壓閥組，將高爐煤氣壓力由250 kPa減至12 kPa。高爐減壓閥組由前后封頭和封頭之間的4根支管以及支管上的4個三偏心蝶閥組成，4個三偏心蝶閥由CCI供貨，整個閥組由國內(nèi)某知名設(shè)計院設(shè)計集成。高爐投產(chǎn)后，減壓閥組都出現(xiàn)了震動過大的現(xiàn)象，開啟減壓閥組后，減壓閥后的管道震動比較嚴(yán)重，很短時間內(nèi)（約1~2 h）就會出現(xiàn)管道震裂的情況。管道出現(xiàn)震裂后，需要組織人員進(jìn)行搶修，搶修頻率高，難度大，并且會影響高爐生產(chǎn)，同時液壓缸經(jīng)常產(chǎn)生滲漏，拉桿等附件也容易損壞。

3　原因分析

由于現(xiàn)場的管道震動很大，減壓閥組工作時，減壓閥組平臺也跟隨減壓閥組一起震動；從裂紋的位置分析，管道上的裂紋主要分布在減壓閥后支管上，也和管道震動最大的位置相符；管道上的裂紋主要是沿管道縱向的裂紋。

由于閥組前后的壓力相差很大，其比值大于臨界壓力比，在每個閥門的閥板周邊氣流速度很高以及閥門前后由于氣流分布不均，會產(chǎn)生強烈的激波噪聲并引起閥門和管道的震動，這是產(chǎn)生振動的內(nèi)部因素；由于管道具有一定的柔性是振動產(chǎn)生的外部因素。因此，從這兩個方面來分析振動過大的原因。

3.1內(nèi)部因素

3.1.1高爐煤氣本身的因素

由于高爐不斷向大型化發(fā)展，高爐煤氣的發(fā)生量不斷增加，減壓閥組的尺寸也隨之增加。高爐工藝的發(fā)展，爐項壓力也有提高。由于高爐煤氣除塵工藝的發(fā)展，越來越多的高爐煤氣凈化工藝由濕法除塵改為干法除塵，除塵工藝的改變導(dǎo)致了高爐煤氣溫度的提高，由原來40℃左右提高到100～250℃，煤氣的工況風(fēng)量也隨之增加。以上因素造成了高爐煤氣減壓閥組尺寸在不斷增加，前后的壓力差也在增加，工作溫度也有顯著的提高。

3.1.2氣流分布的因素

高爐煤氣在高速流經(jīng)減壓閥后所形成的渦流是引起管道震動的直接原因。由于減壓閥的節(jié)流作用，壓力由高至低，減壓處的氣體流速非常大，接近聲速；同時，由于氣體的壓力急劇降低，體積瞬間增大到原來2.5倍左右；接近聲速的流體速度以及體積急劇增大，使氣流中產(chǎn)生渦流，渦流與管道接觸使管道產(chǎn)生震動。廖定榮[2]指出，減壓閥進(jìn)出口的喇叭狀導(dǎo)流管對氣流的分布有較大影響,減壓閥組出口管設(shè)置的水封對氣流分布也產(chǎn)生較大的影響。

3.2外部因素

煤氣管道具有一定的柔性是產(chǎn)生震動的外部因素。減壓閥組及減壓閥組前后的管道都是鋼鐵材質(zhì)，具有一定的柔性。通常來講，管道的直徑越大、管道的壁厚越厚、管道的支架間距越小，管道的柔性越小。減壓閥組的支管的柔性大小對減壓閥組的震動有相當(dāng)大的影響，減壓閥組前后管道的柔性大小也對減壓閥組的震動大小有一定影響。

支架的柔性也對減壓閥組的震動有一定的影響，剛度強的支架可以避免和管道形成共振，從而避免由于共振使管道的振幅成倍增加而導(dǎo)致的管道損壞。

由以上分析可知，造成管道振動的因素很多，分析出主要因素成為解決減壓閥組振動問題的關(guān)鍵因素。由于減壓閥組的工藝功能為氣體減壓，所以氣體壓力降低和體積增大是不可避免的。管道和支架在原設(shè)計中已經(jīng)考慮到振動因素，管道壁厚進(jìn)行加強處理，管道支架也采用多片支架以減少震動。改善氣流分布狀況從而減少渦流成為減小管道震動的主要措施。

4　改造方案

常用的減壓閥組有兩種形式，一種是長型結(jié)構(gòu)，另一種短型結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)都有成功應(yīng)用的案例。長型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，氣流截面積改變緩慢，減壓閥后的流道長，有利于氣流穩(wěn)定；缺點在于，由于減壓閥組的支管長度增加，管道的柔性也增加，管道的剛度相應(yīng)減少，不利于減少閥組的振動。梅鋼的減壓閥組采用長型結(jié)構(gòu)，并且現(xiàn)場的情況決定了改為短型結(jié)構(gòu)的減壓閥組并不現(xiàn)實，所以根據(jù)長型減壓閥組的實際情況制定了減振方案。根據(jù)上述振動產(chǎn)生的原因及現(xiàn)場的實際情況，制定了減少振動的方案。

4.1取消減壓閥組后封頭與消聲器之間的縮徑管

由于減壓閥組后封頭與消聲器之間存在縮徑管的原因，煤氣的能量不能得到充分的釋放，使支管與封頭連接部位的渦流狀態(tài)加劇，而渦流狀態(tài)加劇是管道及支架產(chǎn)生振動的主要原因，因此方案中取消減壓閥組后封頭與消聲器之間的縮徑管，改為與后封頭管徑相同的短管相接。同時，由于與消聲器的接口發(fā)生變化，聯(lián)系原消聲器廠家確認(rèn)，可以對消聲器部錐管部分切割改造，從而實現(xiàn)取消減壓閥組后封頭與消聲器之間的縮徑管。改造前后減壓閥組外形如圖1。

4.2支管之間用結(jié)構(gòu)鋼連接

由于梅鋼的減壓閥組采用長型結(jié)構(gòu)，其支管的柔性更強，剛度更小，易產(chǎn)生振動。將4根減壓閥支管兩兩相連可以增強減壓閥組的整體性，整體鋼性顯著增強。

4.3增加支管的壁厚

增加管道的壁厚來增加剛度是簡單且行之有效的方法，由于振動的原因，現(xiàn)有減壓閥組支管都存在振裂后緊急修復(fù)的補丁，這些補丁不僅影響美觀，最重要的是影響支管的強度，存在安全隱患。本項目中將原來各管道支管更換并將支管的壁厚由10 mm增加到16 mm，支管自身的強度從而得到有效增加，同時由于支管壁厚的增加也可有效增加支管的強度，可以抵抗強度更高的振動，使減壓閥組整體更穩(wěn)定。

5　改造結(jié)果及應(yīng)用效果

2014年8月利用高爐休風(fēng)機會，對減壓閥組進(jìn)行了改造，改造的內(nèi)容主要包括對減壓閥組后的管道進(jìn)行改造，取消減壓閥組后封頭與消聲器之間的縮徑管，更換4根減壓閥組支管，更換已振壞的DN600的調(diào)節(jié)閥，更新部分液壓管路，對管道支架和平臺以及消聲器進(jìn)行改造。改造后，減壓閥組投入使用，并對TRT進(jìn)行大修，減壓閥組連續(xù)運行28天，減壓閥組及相關(guān)管道的振動明顯減少，整個閥組運行狀態(tài)良好。

6　結(jié)論

高爐的規(guī)模越來越大，高爐煤氣減壓閥組處理的氣量越來越大，減壓閥前后的壓差也越來越高，給減壓閥組的設(shè)計施工帶來一定的問題，尤其是由于氣量大、壓差高帶來的減壓閥組振動給生產(chǎn)的運行帶來相當(dāng)?shù)穆闊?。這些問題經(jīng)過理論分析并且采取相應(yīng)的對應(yīng)措施可以有效減少減壓閥組的振動，為高爐穩(wěn)定生產(chǎn)提供保障。

[參考文獻(xiàn)]

[1]徐祖钅奇.高爐減壓閥組的特性和改進(jìn)[J].煉鐵，1991（2）：46－49.

[2]廖定榮.布袋除塵系統(tǒng)減壓閥組及管道震動與裂縫的原因分析及解決方法[J].冶金動力，2012（5）：20－21.

[3]邢迎春.首鋼京唐5500 m3高爐減壓閥組振動問題的分析與改造[J].礦冶，2013（11）：191-193.

收到修改稿日期：2015－09－22

制氧

Analysis of Excessive Vibration of Pressure Reducing Valve Set for Blast Furnace

PEI Zhanning

(Design and Research Institute of Shanghai Meishan Industrial and Civil Engineering Co., Ltd., Nanjing, Jiangsu 210039, China)

【Abstract】Through analysis of severe vibration in the pressure reducing valve set of the No.4 blast furnace in Meishan Steel and based on the experiences in the transformation project of the pressure reducing valve set, it was concluded that giving full consideration to the effect of piping arrangement and airflow distribution on pipe vibration and taking appropriate vibration control measures in design could effectively control the vibration of reducing valve set and its components, to achieve long-term stable operation of the equipment.

【Keywords】pressure reducing valve set of blast furnace; vibration; airflow distribution; piping arrangement

作者簡介：裴占寧（1977－），男，2007年畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)，工程師，注冊化工工程師，現(xiàn)從事冶金燃?xì)庠O(shè)計及廢氣治理工作。

收稿日期：2015－09－08

【文章編號】1006-6764(2015)12-0020-02

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【中圖分類號】TF325.6