除塵工程煙風道在高空長跨距方面的設計

靖汪建 周衛(wèi)國 孫軍軍

（中鋼集團天澄環(huán)保科技股份有限公司，湖北 武漢 430205）

0 引言

隨著國家環(huán)保政策貫徹實施，鋼鐵企業(yè)需要對其物料儲存、輸送及生產(chǎn)車間等方面的塵源點進行除塵處理，為有效提高廢氣收集率，通常采用塵源點集塵收集后，通過管網(wǎng)匯集后進入除塵器集中處理的方式。

1 鋼鐵行業(yè)的環(huán)境除塵工程管道設計概要

1.1 鋼鐵行業(yè)的環(huán)境除塵工程特點

1）塵源點較多，覆蓋面較廣。鋼鐵企業(yè)在各單元生產(chǎn)過程中基本均有煙粉塵產(chǎn)生，污染源點分布極廣。從原料準備到鋼材出廠幾乎每個環(huán)節(jié)都有粉塵散發(fā)。而且在煉焦、燒結(jié)、煉鐵和煉鋼生產(chǎn)過程幾乎不間斷產(chǎn)生。

2）管道直徑較大。通常所需要處理的含塵氣體體積量大，特別對于車間或生產(chǎn)工段的煙塵處理。

3）工程難度較大。由于鋼鐵企業(yè)大多為已建工程，環(huán)境除塵常為新增工程。因此，設計中往往需要避開現(xiàn)有構(gòu)筑物對布置的影響，或利用原構(gòu)筑物時，需對原有構(gòu)筑物進行加固改造。但有些原構(gòu)筑物由于結(jié)構(gòu)復雜、內(nèi)部設備和管道較多、存在年代較長、原始和過程設計資料缺失等原因而導致無法滿足加固設計要求。

1.2 鋼鐵行業(yè)環(huán)境除塵的管道設計特點

1）支管多。由于塵源點較多，為降低能耗、節(jié)約場地和降低工程費用，煙塵往往從各塵源點設置集塵罩收集后進行集中處理。

2）管道布置較為復雜。塵源點的收塵支管往往要穿過或橫跨已有的各個車間、建筑或裝置，設計方面既要考慮煙氣在管道中的流場合理性，降低積灰風險和減少煙氣阻力，也要考慮管道材料重量、施工方面的經(jīng)濟性，因此，管道在布置方面較為復雜且設計難度大。

3）管道的架空高度較高。大多進行車間除塵的塵源點集塵罩通常布置在車間樓頂，經(jīng)常需要用到管道長跨距高空架設。特殊情況下，除塵煙風道由于荷載較重，原有構(gòu)筑物因加固或改造難度大，需要另找位置新設支架。

4）多數(shù)管道的布置跨距較長。對于已建的鋼鐵廠，新增的環(huán)境除塵管道因為地面場地有限的原因，難以找到合適的地面支撐點。對于管道的支撐點設計往往出現(xiàn)“無處下腳”，因此，設計支撐點只能“見縫插針”，利用一切可以利用的空場地。因此，支架間的間距有時會超過設計跨距。

對于高空長跨距的煙風道一般直徑較大，且重量較重，設計中如不加重視，將會增加安全隱患。因此，對于此類煙風道，支架的跨距設計首先考慮其安全性，不但應滿足跨距設計要求，還需考慮其他因素如風振等影響。

2 工程案例

2.1 某項目長跨距除塵管道的開裂問題原因分析

2.2 跨距的復核

參考動力管道設計手冊［1］中相關(guān)管道支吊架的跨距計算公式，對管道的跨距進行強度和剛度條件復核：

其中單位長度計算荷載q除考慮本體重量以外，還考慮：①管道按無保溫考慮。②管道焊縫按照直縫焊接取0.8。③風荷載。基本風壓按當?shù)?0 a一遇，取0.4 kN/m2。④積雪荷載?；狙喊串?shù)?0 a一遇，取0.3 kN/m2。⑤積灰荷載按按積灰面積不小于5%灰量估算［2］。

其中風荷載、積雪荷載計算參照《火力發(fā)電廠煙風煤粉管道設計技術(shù)規(guī)程配套設計計算方法》［3］。

根據(jù)上述公式，按照無加強筋和如圖1所示的加強方式進行核算，核算結(jié)果如下表1。

圖1 管道加強方式（單位：mm）

表1 管道跨距計算結(jié)果對比

根據(jù)表1計算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1）管道無加強時，其跨距計算結(jié)果為35.9 m，但撓度不滿足，僅當跨距改為34.8 m時，撓度可達到要求。

2）管道參照圖1進行加強時，跨距計算為34.7 m，相對于無加強跨距反而減少，同時撓度也不滿足要求，原因是該加強對管道斷面慣性矩和管道截面系數(shù)增加不多，而加強筋卻增加了管道荷載，因此按照圖1的加固方式不合適。

2.3 風振對管道的影響

當氣流垂直于圓管流動時，在圓管的背面會產(chǎn)生有規(guī)則的渦流，從而出現(xiàn)交替的橫向力，即卡曼渦流，當橫向力的變動頻率接近管道固有頻率時，會引起共振，從而破壞管道。這尤其對于架空較高的管道的影響較大。

通過查閱該項目中管道出現(xiàn)裂縫時的當?shù)貧庀髼l件，當天的風級為5~6級，風振對管道的破壞可能也是其中原因，因此高空長跨距管道還需進行風振核算。

2.4 處理方式

為滿足安全性和風振要求，針對該情況進行以下改進：采用輔助2根管道325×6 mm和3根114×4 mm組為輔助構(gòu)件，從而提高管系斷面慣性矩和管系斷面系數(shù)。同時，主管道本身的渦激共振現(xiàn)象也受到了輔助構(gòu)件的影響，導致風振現(xiàn)象對主管道的影響降低，如圖2—圖4所示。

圖2 管道加固示意（單位：mm）

圖4 B向視圖（單位：mm）

經(jīng)過以上改進，產(chǎn)生了以下效果：①有效破壞了風振產(chǎn)生的條件。②管道的斷面慣性矩增加了8.3倍，管道的斷面系數(shù)增加了2.8倍，風振條件下，該段管系的最大跨距為48 m，現(xiàn)有的44 m跨距可以滿足要求。

圖3 A向視圖（單位：mm）

3 結(jié)論

1）對該管道進行以上加固后，已經(jīng)過1 a以上的安全穩(wěn)定運行考驗。

2）通過對跨距和風振校核的結(jié)果對比，說明對于高空長跨距的管道加固設計不僅滿足其剛度和強度要求，同時對其進行風振校核是有必要的。

3）當受限于場地條件，管道計算跨距滿足不了布置和風振要求時，可以通過破壞風振產(chǎn)生的條件和增加管道斷面慣性矩和管道斷面系數(shù)的方式來達到目的。

4）對于一些基本風載較大的地區(qū)，對高空長跨距的管道在工程設計中尤其需要重視。