靖汪建 周衛(wèi)國(guó) 孫軍軍

（中鋼集團(tuán)天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，湖北 武漢 430205）

0 引言

隨著國(guó)家環(huán)保政策貫徹實(shí)施，鋼鐵企業(yè)需要對(duì)其物料儲(chǔ)存、輸送及生產(chǎn)車間等方面的塵源點(diǎn)進(jìn)行除塵處理，為有效提高廢氣收集率，通常采用塵源點(diǎn)集塵收集后，通過管網(wǎng)匯集后進(jìn)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(shè)計(jì)概要

1.1 鋼鐵行業(yè)的環(huán)境除塵工程特點(diǎn)

1）塵源點(diǎn)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(diǎn)分布極廣。從原料準(zhǔn)備到鋼材出廠幾乎每個(gè)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(duì)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(shè)計(jì)中往往需要避開現(xiàn)有構(gòu)筑物對(duì)布置的影響，或利用原構(gòu)筑物時(shí)，需對(duì)原有構(gòu)筑物進(jìn)行加固改造。但有些原構(gòu)筑物由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)部設(shè)備和管道較多、存在年代較長(zhǎng)、原始和過程設(shè)計(jì)資料缺失等原因而導(dǎo)致無法滿足加固設(shè)計(jì)要求。

1.2 鋼鐵行業(yè)環(huán)境除塵的管道設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1）支管多。由于塵源點(diǎn)較多，為降低能耗、節(jié)約場(chǎng)地和降低工程費(fèi)用，煙塵往往從各塵源點(diǎn)設(shè)置集塵罩收集后進(jìn)行集中處理。

2）管道布置較為復(fù)雜。塵源點(diǎn)的收塵支管往往要穿過或橫跨已有的各個(gè)車間、建筑或裝置，設(shè)計(jì)方面既要考慮煙氣在管道中的流場(chǎng)合理性，降低積灰風(fēng)險(xiǎn)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(jì)性，因此，管道在布置方面較為復(fù)雜且設(shè)計(jì)難度大。

3）管道的架空高度較高。大多進(jìn)行車間除塵的塵源點(diǎn)集塵罩通常布置在車間樓頂，經(jīng)常需要用到管道長(zhǎng)跨距高空架設(shè)。特殊情況下，除塵煙風(fēng)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(shè)支架。

4）多數(shù)管道的布置跨距較長(zhǎng)。對(duì)于已建的鋼鐵廠，新增的環(huán)境除塵管道因?yàn)榈孛鎴?chǎng)地有限的原因，難以找到合適的地面支撐點(diǎn)。對(duì)于管道的支撐點(diǎn)設(shè)計(jì)往往出現(xiàn)“無處下腳”，因此，設(shè)計(jì)支撐點(diǎn)只能“見縫插針”，利用一切可以利用的空?qǐng)龅亍Ｒ虼?，支架間的間距有時(shí)會(huì)超過設(shè)計(jì)跨距。

對(duì)于高空長(zhǎng)跨距的煙風(fēng)道一般直徑較大，且重量較重，設(shè)計(jì)中如不加重視，將會(huì)增加安全隱患。因此，對(duì)于此類煙風(fēng)道，支架的跨距設(shè)計(jì)首先考慮其安全性，不但應(yīng)滿足跨距設(shè)計(jì)要求，還需考慮其他因素如風(fēng)振等影響。

2 工程案例

2.1 某項(xiàng)目長(zhǎng)跨距除塵管道的開裂問題原因分析

2.2 跨距的復(fù)核

參考動(dòng)力管道設(shè)計(jì)手冊(cè)［1］中相關(guān)管道支吊架的跨距計(jì)算公式，對(duì)管道的跨距進(jìn)行強(qiáng)度和剛度條件復(fù)核：

其中單位長(zhǎng)度計(jì)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(fēng)荷載?；撅L(fēng)壓按當(dāng)?shù)?0 a一遇，取0.4 kN/m2。④積雪荷載?；狙喊串?dāng)?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(fēng)荷載、積雪荷載計(jì)算參照《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程配套設(shè)計(jì)計(jì)算方法》［3］。

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

圖1 管道加強(qiáng)方式（單位：mm）

表1 管道跨距計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1）管道無加強(qiáng)時(shí)，其跨距計(jì)算結(jié)果為35.9 m，但撓度不滿足，僅當(dāng)跨距改為34.8 m時(shí)，撓度可達(dá)到要求。

2）管道參照?qǐng)D1進(jìn)行加強(qiáng)時(shí)，跨距計(jì)算為34.7 m，相對(duì)于無加強(qiáng)跨距反而減少，同時(shí)撓度也不滿足要求，原因是該加強(qiáng)對(duì)管道斷面慣性矩和管道截面系數(shù)增加不多，而加強(qiáng)筋卻增加了管道荷載，因此按照?qǐng)D1的加固方式不合適。

2.3 風(fēng)振對(duì)管道的影響

當(dāng)氣流垂直于圓管流動(dòng)時(shí)，在圓管的背面會(huì)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(dāng)橫向力的變動(dòng)頻率接近管道固有頻率時(shí)，會(huì)引起共振，從而破壞管道。這尤其對(duì)于架空較高的管道的影響較大。

通過查閱該項(xiàng)目中管道出現(xiàn)裂縫時(shí)的當(dāng)?shù)貧庀髼l件，當(dāng)天的風(fēng)級(jí)為5~6級(jí)，風(fēng)振對(duì)管道的破壞可能也是其中原因，因此高空長(zhǎng)跨距管道還需進(jìn)行風(fēng)振核算。

2.4 處理方式

為滿足安全性和風(fēng)振要求，針對(duì)該情況進(jìn)行以下改進(jìn)：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(shí)，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(dǎo)致風(fēng)振現(xiàn)象對(duì)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(jìn)，產(chǎn)生了以下效果：①有效破壞了風(fēng)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(fēng)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(duì)該管道進(jìn)行以上加固后，已經(jīng)過1 a以上的安全穩(wěn)定運(yùn)行考驗(yàn)。

2）通過對(duì)跨距和風(fēng)振校核的結(jié)果對(duì)比，說明對(duì)于高空長(zhǎng)跨距的管道加固設(shè)計(jì)不僅滿足其剛度和強(qiáng)度要求，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行風(fēng)振校核是有必要的。

3）當(dāng)受限于場(chǎng)地條件，管道計(jì)算跨距滿足不了布置和風(fēng)振要求時(shí)，可以通過破壞風(fēng)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(dá)到目的。

4）對(duì)于一些基本風(fēng)載較大的地區(qū)，對(duì)高空長(zhǎng)跨距的管道在工程設(shè)計(jì)中尤其需要重視。