除尘工程烟风道在高空长跨距方面的设计_靖汪建.pdf

83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）摘要钢铁企业的环境除尘工程尘源点多、覆盖面广，往往出现管道布置跨距大、高架空状况，跨距的设计方面既要考虑刚度和强度条件，也要考虑风振因素。通过跨距计算和风振核算，选择合适的管道加强结构，以满足高空长跨距的管道布置安全性要求。关键词环境除尘 管道 长跨距 高空 风振Design of long span and high elevated pipes in environmental dust removal engineeringJING WangjianZHOU WeiguoSUN Junjun（Sinosteel Tiancheng Environmental Protection Science&Technology Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430205，China）AbstractIn iron and steel enterprises，the environmental dust removal project usually has the characteristics of manydustsource pointsandwidecoverage，layoutofpipes often has alargespanandhigh overhead.so design ofspanshouldconsider not only the stiffness and strength conditions，but also the wind vibration factors.Through span calculationand wind vibration calculation，the appropriate pipelines strengthening structure is selected to meet the safety require-ments.Key wordsenvironmental dust removalpipelinelong spanhigh elevatedwind vibration0引言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钢铁行业的环境除尘工程管道设计概要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2023 年第 49 卷第 2 期February 202384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工程案例2.1某项目长跨距除尘管道的开裂问题原因分析某除尘项目工程其中一根管道 13508mm、高度 28 m 管道，受场地条件和工艺布置限制，管道下方约 45m 范围内不允许设置支架。运行期间，该段管道出现裂缝。该管道进行设计时，已考虑加固方式，设计荷载考虑有积灰荷载、管道本体荷载，如图1所示。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：根据强度计算公式Lmax=2.241qwt 和刚度计算公式31000qEtIi0进行计算，同时以挠度公式 f=qL41579I辅助校核。其中单位长度计算荷载q除考虑本体重量以外，还考虑：管道按无保温考虑。管道焊缝按照直缝焊接取 0.8。风荷载。基本风压按当地 50 a 一遇，取 0.4kN/m2。积雪荷载。基本雪压按当地 50a 一遇，取 0.3 kN/m2。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1管道特性管道型号/mm材质使用温度/焊接情况1 3508Q235B常温螺旋焊接2无加强挠度校核备注强度条件跨距 Lmax/m刚度条件跨距 Lmax/m两者最小值/m计算挠度 f/cmL/600/cm35.949.0335.96.465.98不满足3有加强挠度校核备注强度条件计算 Lmax/m刚度条件计算 Lmax/m两者最小值/m挠度 f/cmL/600/cm34.7047.934.7011.36.77不满足根据表 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 34.8m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 34.7m，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 56 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。该部分管道的风振核算参考石油化工管道设计4，85卡曼涡流的频率计算公式按f=SD，其中斯特罗哈尔数 S根据雷诺数取 0.22。其中雷诺数中的空气密度 参考建筑结构荷载规范5提供的公式=0.00125e（-0.001z）；所在安装位置的风速参考该规范提供的当地 50a一遇的标准高度 10m 的基本风压；由基本风压和基本风速的关系式0=1220计算出基本风速。项目所在地属于 B 类地区，其所在管道安装高度的风压高度变化系数按z=1.284（Z10）0.24计算。该工程案例管道直径 1 3508 mm，架空高度28 m，管道两端为简支架，按照固有振动频率公式fn=EIql3（管道两端为简支架，按均布荷载计，取值 49.4），在上述管道荷载条件下，进行满足当地气候条件时的风振计算，根据上述公式和条件进行校核，该段高空管道在无加固条件下，当管道的固有频率fn大于卡曼涡流的频率f，跨距计算最大值为 22.5m，此时管系不会发生风振状况，对比表 1 管道跨距计算结果，对其进行无风振校核和有风振校核时，跨距计算结果相差较大。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 3256mm和3根 1144mm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。经过以上改进，产生了以下效果：有效破坏了风振产生的条件。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 48m，现有的 44m跨距可以满足要求。图 2管道加固示意（单位：mm）图 3A 向视图（单位：mm）图 4B 向视图（单位：mm）3结论1）对该管道进行以上加固后，已经过 1a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。参考文献1 施振球.动力管道设计手册 M.第 1 版.北京：机械工业出版社，2006：473-483.2 HJ 4352008，钢铁工业除尘工程技术规范 S.3 钱成绪.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 M.北京：机械工业出版社，2004：84-89.4 蔡尔辅.石油化工管道设计 M.北京：化学工业出版社，2004：446-450.5 GB 500092012，建筑结构荷载规范 S.作者简介靖汪建（1973），男，硕士，高级工程师，从事工业大气污染物环境治理方面的工程实施和研究工作。（收稿日期：2022-01-20）