三次風管擺動支撐體系的設計與應用

敬清海

三次風管擺動支撐體系的設計與應用

敬清海

ABMC 10 000t/d水泥生產線擺動支撐三次風管

本文介紹了一種新的三次風管擺動支撐體系，從結構和原理以及相對于傳統的滑動支撐體系的優點等幾方面進行了闡述，并對其傾角、固定支座位置及支座載荷計算等設計問題進行了探討。

三次風管；擺動支撐；固定支座；擺動支座；二力桿

在現代新型干法水泥生產線中，作為分解爐燃燒空氣通道的三次風管已成為燒成系統中不可或缺的重要組成部分，其通常采用膨脹節分段，每段分別設置固定支座+滑動支座的支撐體系，為進一步提高可靠性和降低成本，一種新的支撐形式——擺動支撐體系被開發出來。

1　三次風管的功能、設計特點

水泥廠的燒成系統主要包括物料的預熱、分解、化合和冷卻等過程。對新型干法水泥生產而言，90%以上的CaCO3是在分解爐內完成分解的，如若分解所需熱量完全通過窯內熱風（一次風和二次風）供給，將使窯尾風速過大，導致入窯生料粉被大量二次飛揚吹回分解爐，因此需要設置三次風管，將篦冷機頭部的一部分熱風（三次風）直接引到分解爐。［1］

三次風管內的熱風溫度一般可以達到850～950℃甚至超過1 000℃，風速一般在20～30m/s之間以盡量減少積灰，為了保護風管殼體和減少散熱，在風管內部砌筑有耐火磚或澆注料以及隔熱層。風管本體、耐火材料、隔熱層以及內部積灰重量加在一起，整根三次風管的總荷載可達數百噸，而三次風管長徑比又較大（一般在22～28之間），因此，除兩端支座外還設有2～3個中間支架，以避免跨距過大使風管產生過大的應力和撓度。

為了簡化載荷分配的計算和吸收風管受熱后的熱膨脹變形量，在中間支架處設置膨脹節將風管分隔為幾跨，每跨風管的一端設固定支座，另一端設滑動支座以為風管隨溫度變化的伸縮提供自由度，固定支座和滑動支座均支撐于中間支架上，這就是目前最為常見的三次風管滑動支撐體系（如圖1、圖2所示）。

2　滑動支撐體系存在的不足

經過近些年的大量應用，這種滑動支撐體系在實際的制造、安裝、使用過程中表現出了一些不足之處。

2.1支架基礎需承受彎矩，土建成本高

由圖1可見，由于受篦冷機和分解爐的相對高差所限，三次風管一般呈窯頭端低、窯尾端高的傾斜布置，相應地滑動支座的滑動面也隨風管軸線傾斜，而滑動支座只能承受垂直于滑動面的載荷Fs（n），該載荷分解到豎直方向和水平方向后即是支座載荷的豎直分力Fs（n）y和水平分力Fs（n）x，這個水平分力與同一跨風管另一端的固定支座所承受的水平力Ff（n）x大小相等方向相反，互為作用力與反作用力的關系。通常設計中，將前一跨風管的固定支座與后一跨風管的滑動支座布置于同一個中間支架上，這樣，由于兩者水平力Ff（n）x和Fs（n+1）x方向相反，可以達到互相抵消的效果。然而，實際上受各種因素所限，相鄰兩跨風管的跨度、載荷均不一定完全相同，因而無法做到完全抵消，尤其是當某一膨脹節失效時這種抵消關系也會相應失效，所以在設計中間支架時必須能承受一定的水平力。同時，中間支架的高度一般都有10～20m，作用于其頂端的水平力會在其底部形成不小的彎矩，這就是三次風管的中間支架一般都采用塔形鋼架結構或鉸大直徑圓管結構的原因。

2.2滑動支座制造成本高、安裝要求高

滑動支座的核心是一對滑動副，為了達到較為理想的滑動效果，需要其具有足夠的承載強度和盡可能低的滑動摩擦系數，因此滑動副大多采用特種高分子樹脂板（如聚四氟乙烯等）和鏡面不銹鋼板組合而成，樹脂板也需要特殊的表面處理和粘接劑才能固定到支座上，這些因素均使得滑動副的制造成本較為昂貴。另外，對于安裝也有較高的要求，樹脂板與不銹鋼板必須確保貼合良好，兩者之間不能有角度偏差，否則會因為壓強分布不均而產生過大的接觸應力，致使樹脂板被局部破壞，進而影響其滑動功能的實現。運行過程中，樹脂板長期暴露于高溫環境下難免老化失效，對其進行維護更換也需一定的成本開支。

2.3膨脹節易失效導致更嚴重的連帶損害

無論是金屬膨脹節還是非金屬膨脹節，其內壁的導流筒和接管之間都存在用于吸收風管膨脹量的預留空隙，為防止粉塵和高溫氣體直接接觸金屬波紋管或非金屬蒙皮，在這個空隙里一般會用隔熱礦渣棉填充保護。然而實際運行中，由于導流筒的伸縮運動和氣流的抽吸作用，礦渣棉很容易外逸損耗，若未能及時填補維護，經過一段時間空隙就會被積灰填滿，導致膨脹節波紋管或蒙皮損壞。并且，膨脹縫隙被填滿的膨脹節，其吸收膨脹的功能也已失效，若工作溫度再上升，風管熱膨脹受阻會產生極大的作用力，導致窯頭罩局部變形、耐火材料脫落、支架變形等更嚴重的連帶損害。

圖1　三次風管滑動支撐體系典型結構

圖2　三次風管滑動支撐體系力學模型簡化示意圖

圖3　三次風管擺動支撐體系典型結構

3　擺動支撐體系的結構和原理

針對滑動支撐體系的上述不足，為進一步提高可靠性和降低成本，一種新的支撐形式——擺動支撐體系被開發出來。顧名思義，這種支撐體系取消了滑動支座，中間支架由固定結構變為擺動結構，上端通過擺動支座與風管連接，下端通過擺動支座與基礎連接，并隨著風管的伸縮進行擺動，同時取消了風管中間的膨脹節，各跨風管直接相連，僅在整根風管的一端設置一個固定支座，所有膨脹量由另一端的滑動密封伸縮裝置進行補償（如圖3、4所示）。

圖4　三次風管擺動支撐體系力學模型簡化示意圖

圖5　熱膨脹時各鉸點高度變化量不一致引起的風管被迫彎曲

4　擺動支撐體系的優點

4.1無需滑動支座，制造、安裝簡便

在擺動支撐體系中，滑動支座被擺動支座取代，不再需要特殊的材料或工藝，降低了制造成本。另外，擺動支座本身結構對安裝角度偏差有一定的容忍能力，因此現場安裝也更加簡便。

4.2土建基礎無彎矩，用料省，簡潔美觀

由于沒有傾斜的滑動支座，風管本身自重不會對中間支架形成水平力，并且中間支架兩端均為鉸支，為典型的二力桿，它只承受沿自身軸線方向的拉力或壓力，不會對其底部基礎產生彎矩作用，因此不管是土建基礎還是中間支架本身，都可以大幅“瘦身”，既節省了投資，也更加簡潔美觀。

4.3無膨脹節，節省制造成本和維護成本，可靠性高

由于整根風管中間不再需要膨脹節，既節省了制造成本也使允許可靠性得到提高，徹底避免了膨脹節失效及其連帶損害的問題，降低了維護工作量和維護成本。

5　擺動支撐體系設計注意事項

5.1風管傾角與剛度

我們可以將三次風管在冷態安裝時的形態看作一條理想的直線，然而當三次風管受熱膨脹時，由于風管存在一定的傾角，每一個中間支架的長度不同，并且其所在位置風管的軸向位移量（熱膨脹量）也不同，相應地，其繞底部擺動支座的擺動角度和頂部鉸點下降的高度也不同，最終會使三次風管不再是一條直線，被迫在與各個中間支架連接的鉸點處發生彎曲變形（如圖5所示）。

丹麥史密斯公司為此專門設計了一種風管鉸連接裝置，設置于中間支架處連接各段風管，目的是使各段風管之間保持軸向剛性連接的同時，在橫向獲得一定的相對擺動自由度，避免風管在被迫彎曲變形時產生過大的附加應力。然而，由于該裝置結構復雜且對制造安裝要求高，實際使用效果并不理想，甚至出現自身破壞的情況（見圖6）。

圖6　三次風管鉸連接裝置破壞

事實上，通過計算發現，三次風管的彎曲變形量很微小，甚至可以小于風管本身在重力作用下產生的自然撓度，設置這種風管鉸連接裝置的必要性并不大。只要在布置風管時盡可能減小其傾角，并且使風管自身具有適宜的抗彎剛度，完全可以避免變形應力過大的問題，而且由于沒有復雜的運動機構反而可以獲得更高的可靠性。

5.2固定支座位置的選擇

（1）設于窯頭，向窯尾方向的各中間支架處風管膨脹量依次增大，與各中間支架高度變化趨勢一致，各中間支架的擺動角度均較小。另一方面，三次風管的調節閘閥可隨之設于窯頭，簡化窯尾預熱器塔架設計，同時可避免閘閥靠近風管彎頭引起的局部高速氣流沖刷加劇彎頭處的磨損［2］。

（2）設于窯尾，風管軸向膨脹方向與支座擺動方向一致（均為下行），風管距樓面高差較小支座較易設計，另外滑動密封裝置設于窯頭罩上，積灰可自然排入窯頭罩，避免持續堆積造成卡阻。

5.3擺動支座結構形式

5.3.1銷軸式

與常見的鉸接結構類似，中間支架和風管鞍座（或土建預埋鋼板）各自末端均為帶銷孔的耳環，穿入銷軸后以卡板或開口銷進行軸向限位（如圖7所示）。

5.3.2耳板式

圖7　銷軸式擺動支座

對于靠近窯尾一側的中間支架，由于其長度相對于風管膨脹量來說很長（相差超過3個數量級），風管膨脹時引起的擺動角度很微?。ㄒ话銉H為0.1°～0.5°），此時可以采用更簡單的耳板式結構來代替銷軸結構，即直接采用一定厚度和高度的鋼板作為耳板，焊接在中間支架和風管鞍座（或土建預埋鋼板）之間，如圖8所示。由于耳板截面特性決定，它在具有足夠的抗壓剛度的同時具有很小的抗彎剛度，在風管膨脹時，通過耳板自身微小的彎曲變形即可實現中間支架的擺動。

圖8　耳板式擺動支座

5.4支座載荷的計算

5.4.1豎直載荷

由圖4可知，擺動支撐體系的三次風管實際上是一個等截面多跨連續梁，各支座的豎直載荷Ff1y和Fr（1）y、Fr（2）y...Fr（n）y可采用力矩分配法進行計算，具體計算方法參見多跨連續梁的有關文獻資料，在此不再贅述。需注意的是，作為計算輸入參數的風管線載荷由其自重、耐火材料、保溫層和積灰載荷等幾部分構成，不可遺漏。

5.4.2水平載荷

從理論上講，擺動支撐體系的每一個中間支架都是豎直的，Fr（n）和Fr（n）y大小和方向都完全相等，自然也就沒有水平載荷存在。然而考慮實際情況，有兩個因素會使中間支架不一定能完全豎直：一是制造誤差和土建基礎定位誤差累積導致中間支架上下兩端的水平定位偏差，會形成一定的“初始偏擺”；二是風管熱脹冷縮導致中間支架會形成一定的“動態偏擺”。因此，設計計算時可以通過計算風管熱膨脹導致的中間支架“動態偏擺”角度，再加上考慮合理誤差范圍內冷態安裝的最大“初始偏擺”角度，以此作為各中間支架水平載荷計算時的擺動角αr（n）。此時沿桿軸線的載荷Fr（n）不再與豎直載荷Fr（n）y方向相同，根據其二力桿特性，Fr（n）在水平方向會形成相應的水平分力，作用在中間支架的基礎上形成水平載荷Fr（n）x，其值大小為該中間支架的豎直載荷Fr（n）y乘以其擺動角αr（n）的正切值；同時各個中間支架水平載荷的反作用力全部疊加作用到風管的固定支座處，構成固定支座的水平載荷Ff1x=Fr（1）x+Fr（2）x...+Fr（n）x。

6　擺動支撐體系應用實例

本文所介紹的三次風管擺動支撐體系，已在成都建筑材料工業設計研究院有限公司EPC總承包的ABMC 10 000t/d水泥生產線和AJCC、HCC、TCC等5 000t/d水泥生產線中成功應用，使用效果令人滿意。

7　結語

相對于傳統的滑動支撐體系，三次風管采用擺動支撐體系在成本經濟性、安裝便捷性以及運行可靠性等方面都具有明顯的優勢，值得大力推廣和應用。作為一種新技術，在風管彎曲變形控制、基礎沉降對載荷的影響、滑動密封的密封效果等細節方面，還需廣大工程技術人員在應用中繼續加以總結歸納、優化完善。

［1］劉啟元，陳華.淺論三次風管的設計［J］.水泥工程，2010，（1）：12-21.

［2］李光鑫.三次風管彎頭磨損嚴重的解決辦法［J］.水泥，2014，（7）.■

Design and Application of Swing Support System for Tertiary Air Duct

Jing Qinghai
（Sinoma Chengdu Heavy Machinery Co.，Ltd.）

A new swing support system for tertiary air duct is introduced in this paper.This swing support system is described in terms of structure，principle and advantages compared with traditional sliding support system.In addition，dip angle，fixed support position and calculation of bearing load of this swing support system are also discussed in this paper.

tertiary air duct；swing support；fixed support；two-force rod

TQ172.622.29

A

1001-6171（2015）04-0028-04

通訊地址：中材成都重型機械有限公司，四川成都610051；

2015-04-23；編輯：趙蓮