李小川

（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京，100176）

0 引言

高爐冶煉時(shí)需要鼓入大量的空氣以供焦炭燃燒時(shí)所需的氧氣量。高爐冷風(fēng)是由高爐鼓風(fēng)機(jī)壓縮后，經(jīng)管道輸送至熱風(fēng)爐，經(jīng)熱風(fēng)爐加熱后送至高爐本體，其要克服送風(fēng)系統(tǒng)和料柱的阻損，并使高爐保持一定的爐頂壓力。為了滿足高爐冶煉對(duì)壓縮空氣的要求，高爐鼓風(fēng)機(jī)出口壓縮空氣的溫度、壓力和流速較高，一般風(fēng)溫為250 ℃，風(fēng)壓為4～5 kg/cm2，流速可達(dá)到15～20 m/s。鼓風(fēng)機(jī)出口至熱風(fēng)爐之間的管道常叫做冷風(fēng)管道，包括送風(fēng)管道、放風(fēng)管道、撥風(fēng)管道等。

在高爐區(qū)域，冷風(fēng)管道一般和燃?xì)夤艿赖裙布芊笤O(shè)，管道輸送距離長(zhǎng)就要考慮管道運(yùn)行中的熱膨脹問(wèn)題，如果在設(shè)計(jì)或施工中忽略該問(wèn)題，就會(huì)因?yàn)楣艿罒崦浝淇s導(dǎo)致管道漲裂、位移甚至從支架上掉落。因此，合理的考慮冷風(fēng)管網(wǎng)、管系布置問(wèn)題顯得尤為重要。

1 冷風(fēng)管網(wǎng)、管系的設(shè)計(jì)和設(shè)施

1.1 管道的補(bǔ)償量計(jì)算

管道因受介質(zhì)和環(huán)境溫度的影響而發(fā)生熱脹冷縮，管道熱脹冷縮的數(shù)值即為補(bǔ)償量，補(bǔ)償量△λ按下式計(jì)算：

式中a：管道線膨脹系數(shù)（cm/m·℃），當(dāng)t=250 ℃時(shí)，a=1.32×10-3cm/m·℃；

L：管道計(jì)算長(zhǎng)度,m；

t1：管壁計(jì)算最高溫度,設(shè)計(jì)溫度t=250 ℃；

t2：當(dāng)?shù)夭膳彝庥?jì)算溫度,℃。

1.2 管道補(bǔ)償器的分類

鼓風(fēng)機(jī)站出口至熱風(fēng)爐之間的冷風(fēng)管道一般較長(zhǎng)，為解決管道熱脹冷縮產(chǎn)生的位移量的問(wèn)題，一般采取分段固定加補(bǔ)償?shù)姆绞?。兩個(gè)固定點(diǎn)之間的補(bǔ)償方式一般有自然補(bǔ)償和補(bǔ)償器補(bǔ)償兩種方式。自然補(bǔ)償有L 型補(bǔ)償、Z 字型補(bǔ)償、空間Z 字型補(bǔ)償?shù)确绞?。補(bǔ)償器有波紋管補(bǔ)償器、鼓型補(bǔ)償器、填料型補(bǔ)償器等類型，冷風(fēng)管道以使用波紋管補(bǔ)償器為主，常用的波紋管補(bǔ)償器有軸向型、鉸鏈型、復(fù)式拉桿型、壓力平衡型等。

1.2.1 軸向型補(bǔ)償器

該類型補(bǔ)償器用于補(bǔ)償直管道的熱位移。補(bǔ)償器是由一個(gè)波紋管與兩個(gè)可與相鄰管道、設(shè)備相接的端管（或法蘭）組成的撓性部件，該補(bǔ)償器對(duì)固定點(diǎn)產(chǎn)生壓力推力。

1.2.2 鉸鏈型補(bǔ)償器

鉸鏈型補(bǔ)償器又可以分為單式鉸鏈型和萬(wàn)向鉸鏈型。

（1）單式鉸鏈型用于補(bǔ)償單平面彎曲管道的位移，它以角偏轉(zhuǎn)的方式起補(bǔ)償作用，通常兩個(gè)或三個(gè)一組配套使用，該補(bǔ)償器對(duì)固定支架不產(chǎn)生壓力推力。

（2）萬(wàn)式鉸鏈型相當(dāng)于兩個(gè)串聯(lián)的單式鉸鏈型補(bǔ)償器，其中一個(gè)角平面與另一個(gè)角平面相垂直，類似一個(gè)萬(wàn)向節(jié)，萬(wàn)向鉸鏈型補(bǔ)償器可以補(bǔ)償多平面彎曲管道熱位移。通常由兩個(gè)萬(wàn)向型補(bǔ)償器一組配套使用，該補(bǔ)償器對(duì)固定支架也不產(chǎn)生壓力推力。

1.2.3 復(fù)式拉桿型補(bǔ)償器

補(bǔ)償器由兩段波紋管、端管、中間管、拉桿組成。主要用于補(bǔ)償單平面或多平面彎曲管道的橫向位移。在變形過(guò)程中，兩個(gè)端管處于平行狀態(tài)，兩段波紋管的變形相等。補(bǔ)償器對(duì)固定支架不產(chǎn)生壓力推力。

1.2.4 壓力平衡型補(bǔ)償器

分為直管壓力平衡型和曲管壓力平衡型。

（1）直管壓力平衡型補(bǔ)償器由三段波紋管組成，用于補(bǔ)償管道軸向位移，對(duì)固定支架不產(chǎn)生壓力推力。

（2）曲管壓力平衡型補(bǔ)償器由通道波紋管、平衡波紋管、拉桿及彎管組成，用于補(bǔ)償軸向位移或軸向與橫向的組合位移。但僅補(bǔ)償軸向位移時(shí)，采用一個(gè)通道波紋管。補(bǔ)償軸向與橫向組合位移時(shí)，需要兩個(gè)通道波紋管，該補(bǔ)償器同樣不對(duì)固定支架產(chǎn)生壓力推力。

1.3 管道支架的分類

管道支架一般分為固定支架、導(dǎo)向支架和滑動(dòng)支架等。

1.3.1 固定支架

管道在橫向與軸向均固定，固定支架承受壓力推力、彈性力和摩擦力。固定支架宜采用擋板式固定支座，該支座受力均勻，承受推力大。

1.3.2 導(dǎo)向支架

導(dǎo)向支架也稱單向活動(dòng)支架，管道在軸向可任意變位，橫向不能變位。導(dǎo)向支架的作用是保證管路的縱向穩(wěn)定性。軸向波紋補(bǔ)償器管路設(shè)第一導(dǎo)向支架、第二導(dǎo)向支架和中間導(dǎo)向支架。第一導(dǎo)向支架距補(bǔ)償器凈距離為1.5～4D（D 為管道直徑），第一導(dǎo)向支架距第二導(dǎo)向支架間距為12～16D。

1.3.3 滑動(dòng)支架

管道在軸向和橫向均可任意變位，根據(jù)結(jié)構(gòu)又可分為剛性支架和搖擺支架。剛性支架的管道與支架間保持滑動(dòng)，支架承受管道的摩擦力；搖擺支架是管道與支架鉸連，支架不承受管道的摩擦力。

2 管系布置中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題及分析

2.1 固定支架處不固定

在正規(guī)工程設(shè)計(jì)圖中，冷風(fēng)管道固定支架、滑動(dòng)支架及補(bǔ)償器的設(shè)置一般都是嚴(yán)格按照規(guī)范和設(shè)計(jì)計(jì)算確定，但是實(shí)際施工過(guò)程中，由于施工單位等原因，沒(méi)有嚴(yán)格按照施工圖設(shè)計(jì)文件進(jìn)行施工，固定支架處的固定點(diǎn)沒(méi)有焊接固定，導(dǎo)向支架處也未做導(dǎo)向。

此類現(xiàn)象在工程施工時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)，且不易察覺(jué)到。待管網(wǎng)投產(chǎn)運(yùn)行后，冷風(fēng)管道由于熱膨脹產(chǎn)生位移，沒(méi)有固定點(diǎn)約束，補(bǔ)償器吸收熱位移的作用大大降低，局部管道可能會(huì)與相鄰并行的管道發(fā)生碰撞，并且管道在轉(zhuǎn)彎處由于熱位移大有從支架上脫落的風(fēng)險(xiǎn)，造成比較嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。

2.2 直管段上補(bǔ)償器設(shè)置問(wèn)題

兩個(gè)固定點(diǎn)之間只應(yīng)安裝一個(gè)補(bǔ)償器，當(dāng)裝有多個(gè)補(bǔ)償器時(shí)，由于制造、安裝及運(yùn)行上的各種因素會(huì)使各個(gè)補(bǔ)償器產(chǎn)生變形不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致變形大的補(bǔ)償器過(guò)早破壞。并且裝有多個(gè)補(bǔ)償器會(huì)使固定點(diǎn)之間存在不穩(wěn)定管段，見(jiàn)圖1。

圖1 直管段設(shè)置多個(gè)補(bǔ)償器的示意圖

此外，兩個(gè)固定點(diǎn)支架之間是直管段，在不規(guī)范的設(shè)計(jì)情況下，中間設(shè)置了一個(gè)復(fù)式拉桿型補(bǔ)償器，見(jiàn)圖2。復(fù)式拉桿型補(bǔ)償器只能吸收橫向位移，無(wú)法吸收直管段的軸向位移，如果這樣設(shè)置，將會(huì)造成固定點(diǎn)脫焊或管道擠壓變形裂口的情況。筆者曾在某鋼廠見(jiàn)到此種設(shè)置方式，均由內(nèi)部人員自行設(shè)計(jì)施工的，見(jiàn)圖3。固定點(diǎn)1 和固定點(diǎn)2 為固定支架，兩個(gè)固定點(diǎn)之間為直管道，在固定點(diǎn)1 支架處設(shè)置了一個(gè)復(fù)式拉桿補(bǔ)償器。實(shí)際觀察發(fā)現(xiàn)，直管

段沒(méi)有變形，固定點(diǎn)2 已經(jīng)脫焊，其后面的管道支架均已偏移，個(gè)別甚至懸空在支架之外，有一定的跌落風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 直管段設(shè)置復(fù)式拉桿補(bǔ)償器的示意圖

圖3 直管段設(shè)置復(fù)式拉桿補(bǔ)償器的現(xiàn)場(chǎng)照片

2.3 L 型管道補(bǔ)償器設(shè)置問(wèn)題

L 型管段中，兩條臂均不長(zhǎng)，但在靠近彎頭處設(shè)置了一個(gè)單式鉸鏈型補(bǔ)償器，見(jiàn)圖4。單式鉸鏈型補(bǔ)償器能夠補(bǔ)償單平面彎曲管道的位移，以角偏轉(zhuǎn)的方式起補(bǔ)償作用，且不對(duì)固

圖4 L 型管段設(shè)置單個(gè)單式鉸鏈補(bǔ)償器的示意圖

定支架產(chǎn)生壓力推力，但是需要兩個(gè)或三個(gè)一組配套使用。單個(gè)設(shè)置，不能同時(shí)吸收兩個(gè)方向的位移量，將會(huì)使彎頭擠壓變形或固定點(diǎn)脫焊。不合理的設(shè)置導(dǎo)致了彎頭處有變形，管道有泄漏的可能，見(jiàn)圖5。

2.4 補(bǔ)償器的擺放位置問(wèn)題

圖5 L 型管段設(shè)置單個(gè)單式鉸鏈補(bǔ)償器的現(xiàn)場(chǎng)照片

補(bǔ)償器的擺放位置不規(guī)范、不合理，會(huì)造成波紋管補(bǔ)償器自身的一些不必要的破壞。

補(bǔ)償器可以放在兩個(gè)固定點(diǎn)間直管段的任何位置上，但通常有兩種布置方法：一是靠近固定點(diǎn)，二是設(shè)在管道的中間位置。第一種布置方法的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償器靠近固定點(diǎn)，僅在一側(cè)設(shè)導(dǎo)向支架。第二種布置方法的優(yōu)點(diǎn)是滑動(dòng)支架位移小，固定點(diǎn)承受的摩擦推力較小。

補(bǔ)償器的擺放位置應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程，力求合理、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，對(duì)固定支架的推力盡可能減小。同時(shí)，應(yīng)考慮和煤氣管道等其他管道共架時(shí)的支架的綜合受力情況。此外，補(bǔ)償器一般較重，為避免因自重引起的波紋管自身變形，波紋管兩端應(yīng)合理的設(shè)置支撐。

3 管路和補(bǔ)償器布置建議及措施

（1）嚴(yán)格按照施工圖中設(shè)計(jì)施工說(shuō)明書指導(dǎo)施工，施工前進(jìn)行設(shè)計(jì)和技術(shù)交底，加強(qiáng)落實(shí)自檢、互檢和專檢制度，確保固定點(diǎn)的設(shè)置牢固可靠、補(bǔ)償器形式和安裝正確。

（2）優(yōu)先考慮自然補(bǔ)償方式，在平面轉(zhuǎn)彎處和立體轉(zhuǎn)彎處，利用彎頭進(jìn)行補(bǔ)償，但需進(jìn)行應(yīng)力校核計(jì)算，不能超過(guò)彎頭所能承受的彎曲應(yīng)力。

（3）采用波紋補(bǔ)償器時(shí)，首先考慮利用管道轉(zhuǎn)彎選擇鉸鏈型補(bǔ)償器和復(fù)式拉桿型補(bǔ)償器。鉸鏈補(bǔ)償器多用于平面管道，復(fù)式拉桿型補(bǔ)償器多用于立體管道。這兩種補(bǔ)償器補(bǔ)償量大，推力小，且長(zhǎng)距離管道采用鉸鏈補(bǔ)償器投資費(fèi)用低。

（4）曲管壓力平衡型補(bǔ)償器一般裝在鼓風(fēng)機(jī)的出口處。直管段中，空間和阻力損失允許的條件下，

可以設(shè)置一段π 型管道和復(fù)式拉桿型補(bǔ)償器；如果空間受限，可以選擇直管壓力平衡補(bǔ)償器，補(bǔ)償器雖然不對(duì)固定支架產(chǎn)生壓力推力，但是其彈性推力較大，安裝時(shí)一般采用冷緊措施。

（5）閥門、大小頭的布置應(yīng)靠近固定點(diǎn)，與固定點(diǎn)之間不應(yīng)設(shè)置補(bǔ)償器。

4 結(jié)語(yǔ)

冷風(fēng)是高爐冶煉工藝必不可少的條件之一，冷風(fēng)管網(wǎng)、管系的合理布置關(guān)系到高爐的正常穩(wěn)定生產(chǎn)。首先在施工圖設(shè)計(jì)中要充分考慮管道熱脹冷縮的影響，合理考慮冷風(fēng)管網(wǎng)、管系的布置；其次選擇補(bǔ)償器時(shí)一定合理分析管系中固定點(diǎn)的位置，優(yōu)先選用自然補(bǔ)償方式，自然補(bǔ)償方式不能滿足時(shí)則采用補(bǔ)償器補(bǔ)償方式；補(bǔ)償器放置的位置要合理優(yōu)化，兩側(cè)應(yīng)設(shè)支撐；補(bǔ)償器選型完畢后一定要計(jì)算對(duì)固定支架的推力、摩擦力等，這樣可以盡量避免因補(bǔ)償器選型錯(cuò)誤而無(wú)法計(jì)算固定點(diǎn)受力情況的出現(xiàn)；最后，施工單位要嚴(yán)格按照施工圖進(jìn)行施工。