高爐冷風管網常見布置問題分析

李小川

（中冶京誠工程技術有限公司，北京，100176）

0 引言

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

在高爐區域，冷風管道一般和燃氣管道等共架敷設，管道輸送距離長就要考慮管道運行中的熱膨脹問題，如果在設計或施工中忽略該問題，就會因為管道熱脹冷縮導致管道漲裂、位移甚至從支架上掉落。因此，合理的考慮冷風管網、管系布置問題顯得尤為重要。

1 冷風管網、管系的設計和設施

1.1 管道的補償量計算

管道因受介質和環境溫度的影響而發生熱脹冷縮，管道熱脹冷縮的數值即為補償量，補償量△λ按下式計算：

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

L：管道計算長度,m；

t1：管壁計算最高溫度,設計溫度t=250 ℃；

t2：當地采暖室外計算溫度,℃。

1.2 管道補償器的分類

鼓風機站出口至熱風爐之間的冷風管道一般較長，為解決管道熱脹冷縮產生的位移量的問題，一般采取分段固定加補償的方式。兩個固定點之間的補償方式一般有自然補償和補償器補償兩種方式。自然補償有L 型補償、Z 字型補償、空間Z 字型補償等方式。補償器有波紋管補償器、鼓型補償器、填料型補償器等類型，冷風管道以使用波紋管補償器為主，常用的波紋管補償器有軸向型、鉸鏈型、復式拉桿型、壓力平衡型等。

1.2.1 軸向型補償器

該類型補償器用于補償直管道的熱位移。補償器是由一個波紋管與兩個可與相鄰管道、設備相接的端管（或法蘭）組成的撓性部件，該補償器對固定點產生壓力推力。

1.2.2 鉸鏈型補償器

鉸鏈型補償器又可以分為單式鉸鏈型和萬向鉸鏈型。

（1）單式鉸鏈型用于補償單平面彎曲管道的位移，它以角偏轉的方式起補償作用，通常兩個或三個一組配套使用，該補償器對固定支架不產生壓力推力。

（2）萬式鉸鏈型相當于兩個串聯的單式鉸鏈型補償器，其中一個角平面與另一個角平面相垂直，類似一個萬向節，萬向鉸鏈型補償器可以補償多平面彎曲管道熱位移。通常由兩個萬向型補償器一組配套使用，該補償器對固定支架也不產生壓力推力。

1.2.3 復式拉桿型補償器

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

1.2.4 壓力平衡型補償器

分為直管壓力平衡型和曲管壓力平衡型。

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

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

1.3 管道支架的分類

管道支架一般分為固定支架、導向支架和滑動支架等。

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 導向支架

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

1.3.3 滑動支架

管道在軸向和橫向均可任意變位，根據結構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，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 管系布置中經常出現的問題及分析

2.1 固定支架處不固定

在正規工程設計圖中，冷風管道固定支架、滑動支架及補償器的設置一般都是嚴格按照規范和設計計算確定，但是實際施工過程中，由于施工單位等原因，沒有嚴格按照施工圖設計文件進行施工，固定支架處的固定點沒有焊接固定，導向支架處也未做導向。

此類現象在工程施工時經常出現，且不易察覺到。待管網投產運行后，冷風管道由于熱膨脹產生位移，沒有固定點約束，補償器吸收熱位移的作用大大降低，局部管道可能會與相鄰并行的管道發生碰撞，并且管道在轉彎處由于熱位移大有從支架上脫落的風險，造成比較嚴重的生產事故。

2.2 直管段上補償器設置問題

兩個固定點之間只應安裝一個補償器，當裝有多個補償器時，由于制造、安裝及運行上的各種因素會使各個補償器產生變形不均勻現象，導致變形大的補償器過早破壞。并且裝有多個補償器會使固定點之間存在不穩定管段，見圖1。

圖1 直管段設置多個補償器的示意圖

此外，兩個固定點支架之間是直管段，在不規范的設計情況下，中間設置了一個復式拉桿型補償器，見圖2。復式拉桿型補償器只能吸收橫向位移，無法吸收直管段的軸向位移，如果這樣設置，將會造成固定點脫焊或管道擠壓變形裂口的情況。筆者曾在某鋼廠見到此種設置方式，均由內部人員自行設計施工的，見圖3。固定點1 和固定點2 為固定支架，兩個固定點之間為直管道，在固定點1 支架處設置了一個復式拉桿補償器。實際觀察發現，直管

段沒有變形，固定點2 已經脫焊，其后面的管道支架均已偏移，個別甚至懸空在支架之外，有一定的跌落風險。

圖2 直管段設置復式拉桿補償器的示意圖

圖3 直管段設置復式拉桿補償器的現場照片

2.3 L 型管道補償器設置問題

L 型管段中，兩條臂均不長，但在靠近彎頭處設置了一個單式鉸鏈型補償器，見圖4。單式鉸鏈型補償器能夠補償單平面彎曲管道的位移，以角偏轉的方式起補償作用，且不對固

圖4 L 型管段設置單個單式鉸鏈補償器的示意圖

定支架產生壓力推力，但是需要兩個或三個一組配套使用。單個設置，不能同時吸收兩個方向的位移量，將會使彎頭擠壓變形或固定點脫焊。不合理的設置導致了彎頭處有變形，管道有泄漏的可能，見圖5。

2.4 補償器的擺放位置問題

圖5 L 型管段設置單個單式鉸鏈補償器的現場照片

補償器的擺放位置不規范、不合理，會造成波紋管補償器自身的一些不必要的破壞。

補償器可以放在兩個固定點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，二是設在管道的中間位置。第一種布置方法的優點是補償器靠近固定點，僅在一側設導向支架。第二種布置方法的優點是滑動支架位移小，固定點承受的摩擦推力較小。

補償器的擺放位置應結合實際工程，力求合理、經濟、實用，對固定支架的推力盡可能減小。同時，應考慮和煤氣管道等其他管道共架時的支架的綜合受力情況。此外，補償器一般較重，為避免因自重引起的波紋管自身變形，波紋管兩端應合理的設置支撐。

3 管路和補償器布置建議及措施

（1）嚴格按照施工圖中設計施工說明書指導施工，施工前進行設計和技術交底，加強落實自檢、互檢和專檢制度，確保固定點的設置牢固可靠、補償器形式和安裝正確。

（2）優先考慮自然補償方式，在平面轉彎處和立體轉彎處，利用彎頭進行補償，但需進行應力校核計算，不能超過彎頭所能承受的彎曲應力。

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

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

可以設置一段π 型管道和復式拉桿型補償器；如果空間受限，可以選擇直管壓力平衡補償器，補償器雖然不對固定支架產生壓力推力，但是其彈性推力較大，安裝時一般采用冷緊措施。

（5）閥門、大小頭的布置應靠近固定點，與固定點之間不應設置補償器。

4 結語

冷風是高爐冶煉工藝必不可少的條件之一，冷風管網、管系的合理布置關系到高爐的正常穩定生產。首先在施工圖設計中要充分考慮管道熱脹冷縮的影響，合理考慮冷風管網、管系的布置；其次選擇補償器時一定合理分析管系中固定點的位置，優先選用自然補償方式，自然補償方式不能滿足時則采用補償器補償方式；補償器放置的位置要合理優化，兩側應設支撐；補償器選型完畢后一定要計算對固定支架的推力、摩擦力等，這樣可以盡量避免因補償器選型錯誤而無法計算固定點受力情況的出現；最后，施工單位要嚴格按照施工圖進行施工。