除尘工程烟风道在高空长跨距方面的设计

靖汪建 周卫国 孙军军

（中钢集团天澄环保科技股份有限公司，湖北 武汉 430205）

随着国家环保政策贯彻实施，钢铁企业需要对其物料储存、输送及生产车间等方面的尘源点进行除尘处理，为有效提高废气收集率，通常采用尘源点集尘收集后，通过管网汇集后进入除尘器集中处理的方式。

1.1 钢铁行业的环境除尘工程特点

1）尘源点较多，覆盖面较广。钢铁企业在各单元生产过程中基本均有烟粉尘产生，污染源点分布极广。从原料准备到钢材出厂几乎每个环节都有粉尘散发。而且在炼焦、烧结、炼铁和炼钢生产过程几乎不间断产生。

2）管道直径较大。通常所需要处理的含尘气体体积量大，特别对于车间或生产工段的烟尘处理。

3）工程难度较大。由于钢铁企业大多为已建工程，环境除尘常为新增工程。因此，设计中往往需要避开现有构筑物对布置的影响，或利用原构筑物时，需对原有构筑物进行加固改造。但有些原构筑物由于结构复杂、内部设备和管道较多、存在年代较长、原始和过程设计资料缺失等原因而导致无法满足加固设计要求。

1.2 钢铁行业环境除尘的管道设计特点

1）支管多。由于尘源点较多，为降低能耗、节约场地和降低工程费用，烟尘往往从各尘源点设置集尘罩收集后进行集中处理。

2）管道布置较为复杂。尘源点的收尘支管往往要穿过或横跨已有的各个车间、建筑或装置，设计方面既要考虑烟气在管道中的流场合理性，降低积灰风险和减少烟气阻力，也要考虑管道材料重量、施工方面的经济性，因此，管道在布置方面较为复杂且设计难度大。

3）管道的架空高度较高。大多进行车间除尘的尘源点集尘罩通常布置在车间楼顶，经常需要用到管道长跨距高空架设。特殊情况下，除尘烟风道由于荷载较重，原有构筑物因加固或改造难度大，需要另找位置新设支架。

4）多数管道的布置跨距较长。对于已建的钢铁厂，新增的环境除尘管道因为地面场地有限的原因，难以找到合适的地面支撑点。对于管道的支撑点设计往往出现“无处下脚”，因此，设计支撑点只能“见缝插针”，利用一切可以利用的空场地。因此，支架间的间距有时会超过设计跨距。

对于高空长跨距的烟风道一般直径较大，且重量较重，设计中如不加重视，将会增加安全隐患。因此，对于此类烟风道，支架的跨距设计首先考虑其安全性，不但应满足跨距设计要求，还需考虑其他因素如风振等影响。

2.1 某项目长跨距除尘管道的开裂问题原因分析

2.2 跨距的复核

参考动力管道设计手册［1］中相关管道支吊架的跨距计算公式，对管道的跨距进行强度和刚度条件复核：

其中单位长度计算荷载q除考虑本体重量以外，还考虑：①管道按无保温考虑。②管道焊缝按照直缝焊接取0.8。③风荷载。基本风压按当地50 a一遇，取0.4 kN/m2。④积雪荷载。基本雪压按当地50 a一遇，取0.3 kN/m2。⑤积灰荷载按按积灰面积不小于5%灰量估算［2］。

其中风荷载、积雪荷载计算参照《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程配套设计计算方法》［3］。

根据上述公式，按照无加强筋和如图1所示的加强方式进行核算，核算结果如下表1。

图1 管道加强方式（单位：mm）

表1 管道跨距计算结果对比

根据表1计算结果，得出以下结论：

1）管道无加强时，其跨距计算结果为35.9 m，但挠度不满足，仅当跨距改为34.8 m时，挠度可达到要求。

2）管道参照图1进行加强时，跨距计算为34.7 m，相对于无加强跨距反而减少，同时挠度也不满足要求，原因是该加强对管道断面惯性矩和管道截面系数增加不多，而加强筋却增加了管道荷载，因此按照图1的加固方式不合适。

2.3 风振对管道的影响

当气流垂直于圆管流动时，在圆管的背面会产生有规则的涡流，从而出现交替的横向力，即卡曼涡流，当横向力的变动频率接近管道固有频率时，会引起共振，从而破坏管道。这尤其对于架空较高的管道的影响较大。

通过查阅该项目中管道出现裂缝时的当地气象条件，当天的风级为5~6级，风振对管道的破坏可能也是其中原因，因此高空长跨距管道还需进行风振核算。

2.4 处理方式

为满足安全性和风振要求，针对该情况进行以下改进：采用辅助2根管道325×6 mm和3根114×4 mm组为辅助构件，从而提高管系断面惯性矩和管系断面系数。同时，主管道本身的涡激共振现象也受到了辅助构件的影响，导致风振现象对主管道的影响降低，如图2—图4所示。

图2 管道加固示意（单位：mm）

图4 B向视图（单位：mm）

经过以上改进，产生了以下效果：①有效破坏了风振产生的条件。②管道的断面惯性矩增加了8.3倍，管道的断面系数增加了2.8倍，风振条件下，该段管系的最大跨距为48 m，现有的44 m跨距可以满足要求。

图3 A向视图（单位：mm）

1）对该管道进行以上加固后，已经过1 a以上的安全稳定运行考验。

2）通过对跨距和风振校核的结果对比，说明对于高空长跨距的管道加固设计不仅满足其刚度和强度要求，同时对其进行风振校核是有必要的。

3）当受限于场地条件，管道计算跨距满足不了布置和风振要求时，可以通过破坏风振产生的条件和增加管道断面惯性矩和管道断面系数的方式来达到目的。

4）对于一些基本风载较大的地区，对高空长跨距的管道在工程设计中尤其需要重视。