除塵器中快拆式噴吹管簡化機構設計

李利娟

（閩西職業技術學院，福建 龍巖364000）

0 引言

噴吹管在濾袋除塵器中的作用是將氣流引入濾袋，并誘導周圍的氣體，使濾袋產生振動，結合逆氣流使濾袋上的粉塵脫落下來，從而完成清灰過程[1]。噴吹管固定連接的合理性和可靠性直接影響到除塵效率。目前，噴吹管主要是借助法蘭與氣箱進行前端的連接，并用螺栓和螺母鎖緊，借助螺栓和螺母將尾部固定在支架上。雖然連接緊固可靠，密封良好，但每臺除塵器都裝有幾十根噴吹管，相對應的螺栓、螺母的鎖緊工作量將非常大，不僅造成拆裝繁瑣，增加現場工作量，而且還降低了生產效率。經過在工況下長時間的使用，螺栓螺母松動還會導致密封性變差。

針對現有噴吹管的上述問題，本文設計出一種快拆的噴吹管連接方式，該裝置操作簡單，裝拆快速，密封性良好且持久，并且這種簡易結構使噴吹管在高溫粉塵環境中不漏氣，加工工藝也得到了提高。

1 設計方案

具體要求（以DN80為例）：1）適用溫度范圍為110～180 ℃；2）適用于濃度為5～10 mg/Nm3的干粉環境；3）連接處應在0.4 MPa下不漏氣；4）加工方便，連接工藝不復雜。

1.1 設計構想

通過創新，對原有結構進行結構簡化，采用新的連接方式使噴吹管在惡劣環境要求下正常運作，并降低安裝或更換噴吹管時旋松鎖緊螺栓螺母的工作量。

1.2 方案比較

1.2.1 雙管連接方案比較

方案一：噴吹管借助法蘭、螺栓和螺母將前端與氣箱進行連接，同時借助螺栓和螺母將尾部固定在支架上（如圖1）。但需拆裝的螺栓螺母數量多，工作量大。

圖1 噴吹管前后連接固定圖

方案二：采用活接頭鍍鋅管。使用活接頭鍍鋅管連接氣箱管與噴氣管，在裝拆每根噴吹管時，只需對一個鍍鋅管進行旋松鎖緊，相較于法蘭連接的多個螺栓，減輕了工作量，提高了效率。但由于相鄰兩根噴吹管之間的距離較小，而活接頭鍍鋅管的松緊工作需要扳手的輔助，扳手工作時需要一定的空間，而密集排列的噴吹管無法滿足扳手的工作要求。

方案三：采用柔性插件連接。柔性插件接頭連接氣箱管與噴吹管時，先將彈性橡膠圈放在管道承插口的止封口上，然后將被連接管道插入，形成一個封閉管，該密封管能適應一定范圍內的位移和振動。采用此連接方式，可以節省鎖螺栓螺母的大量工作，但是對噴吹管有較高的要求，即需要將氣箱管與噴吹管的連接段制成承口與插口，從另一方面增加了制造難度和成本。

方案四：采用卡箍連接。卡箍連接也稱為溝槽管件連接，主要由密封橡膠圈、卡箍和鎖緊螺栓等3部分組成。將橡膠密封圈嵌入管道預軋溝槽內，并放置在被連接管道的外側，然后將卡箍安裝在密封橡膠圈的外部，最后用螺栓緊固。連接管件上有機械加工的溝槽，安裝時卡箍兩端嵌入溝槽，可以防止噴吹管件軸向竄動[2]。與傳統的焊接和法蘭連接相比，卡箍連接操作空間小，操作快速，只需要短短的幾分鐘即可完成，而且現場操作簡單、難度小，不僅工程質量穩定性得到了保證，而且工作效率也得到了提高。

除此之外，卡箍連接還有以下優點：1）管道原有的特性仍然保留；2）便于實現安全施工，現場只需滾槽機和鎖緊螺栓的扳手；3）使目標管道獲得抗震性、抗膨脹收縮能力是卡箍獨特的柔性特點，此特點使得管道系統的穩定性得到保證，也更能適應環境溫度的變化。

綜上所述，經過分析比較，最終選擇方案四用于氣箱管和噴吹管的連接。

1.2.2 管板連接方案比較

方案一：傳統焊接方式。焊接連接是管道工程中最傳統而且應用最廣泛的連接方式。此方法的主要優點是：接口堅固耐用，不易滲漏，連接強度和嚴密性高，使用后不需要定期管理。焊接節省材料、結構強度高、焊接接頭密封性好。但是焊接接頭容易產生焊接應力與焊接變形，對接頭的疲勞斷裂有較大的影響。另外，焊接接頭容易產生未焊透、裂紋、氣孔等焊接缺陷，這些缺陷會使焊接接頭的強度降低，引起應力集中，損壞焊縫致密性[3]。最重要的是采用焊接方式連接的管道在拆卸時會破壞原管道，不利于管道的更換。

方案二：螺栓連接。螺栓連接用于不太厚的2個零部件的連接緊固。通常在被連接件上開有通孔，螺栓插入孔后再配上螺母，這種連接結構強度高、結構簡單、裝拆方便、應用廣泛。但是，螺栓連接組群中各個螺栓的受力無法達到完全均勻一致，部分螺栓可能提前疲勞斷裂而造成損失。由于螺栓連接必須開孔，因此會削弱截面的強度，還會造成應力集中[4]。另外，除塵器裝置中有幾十根噴吹管，螺栓螺母的裝拆工作極其繁瑣，無疑增加了人力成本。

圖2 連接氣箱管與噴吹管的活接頭鍍鋅管

圖3 連接氣箱管與噴吹管的柔性插件

圖4 連接氣箱管與噴吹管的卡箍

方案三：快拆式噴吹管尾部由兩半圓軸座固定聯接，兩半圓軸座一端用鉸鏈聯接，使上半圓軸座能繞鉸鏈轉動，另一端則用環形螺栓結構進行固定，拆裝方便快速。

對上述3種方案經過分析比較，最終選擇方案三來實現噴吹管尾部與支架的連接。

1.3 總體方案設計

噴吹管前端通過卡箍與除塵器濾袋氣箱連接，尾部通過兩半圓軸座固定在支架上。采用本實用新型裝置后，在檢修時，只需卸下噴吹管尾端和前端上的3個螺栓，就可以輕松拔出噴吹管，進行布袋更換或其它維護，具有拆裝方便、操作簡單、效率高、外形美觀等優點，如圖8所示。

圖5 傳統的管板焊接連接

圖6 噴氣管尾部的螺栓連接

圖7 噴吹管尾部快拆式固定結構

圖8 快拆噴吹管機構

2 卡箍設計

2.1 材料及尺寸確定

卡箍材料選用304不銹鋼，牌號為06Cr19Ni10。304不銹鋼是一種常見的不銹鋼材質，適用溫度范圍是-195～800 ℃，密度為7.93 g/cm3。它具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、低溫強度和力學特性；熱加工性能（如沖壓、彎曲等）好，無熱處理硬化現象，是一種廣泛使用的不銹鋼材料，常用于制作有良好綜合性能（耐腐蝕和成型性）要求的設備和機件。

根據噴吹管的口徑要求（DN80），卡箍的尺寸規格范圍如表1所示。

表1 卡箍接頭尺寸規格 mm

2.2 受力分析

卡箍件管道接頭主要承受流體產生的環向力和軸向力，分析其受力情況如下：

軸向力Q計算公式為

式中：Q為介質對管道產生的軸向力，N；D為管道直徑，m；Pg為介質對管壁的壓強，MPa。

徑向作用力F計算公式為

式中，B是卡箍管件寬度。

DN80噴吹管工作壓力為0.4 MPa，溫度為180 ℃，安裝時環境溫度為30 ℃，卡箍管件寬度B為16 mm，厚度d=2 mm，則：

卡箍件所受的軸向應力為

通過上述計算可知，噴吹管中卡箍式管道接頭承受的軸向力和徑向力都遠遠小于304不銹鋼的許用應力[σ]=137 MPa，所以304不銹鋼卡箍連接方式是安全可行的。

2.3 密封圈設計

溝槽式卡箍密封圈選用C形密封橡膠圈。未工作時，密封圈在初始力的作用下與管道末端壁貼合形成初次密封；鎖緊卡箍時，密封圈受到夾緊壓力的作用，在管道末端形成二次密封；工作時，噴吹管內氣體流入C形密封圈內腔，氣流產生的壓力反作用于墊圈周邊，使墊圈與管道無間隙配合，形成三次密封。由此可知，溝槽密封件這種特殊的密封結構，隨著內部流體壓力的增加，密封性也隨之提高。

除塵器的工作溫度比較高，所以要求橡膠材料的耐熱性好，并且可以滿足冷熱溫度變化的抗疲勞性要求，而干粉塵環境要求橡膠材料具有良好的耐腐蝕性。如果橡膠密封圈的材料選擇不當，會大大影響密封圈的使用性能。卡箍通過與管道的配合來壓緊密封圈保證密封性能的，如果密封圈沒有按要求設計成“C”形空腔，產生的后果將不僅大大減少密封圈的使用壽命，也會破壞管道系統的穩定性。

根據密封圈的性能要求及工況條件，結合表2可知，卡箍的密封圈材料應選擇硅橡膠。具體規格為80×5 mm硅橡膠C形密封圈。

表2 橡膠密封圈的材料和性能

3 創新點及應用

3.1 創新點

1）化繁為簡，提高效率。能夠運用簡單的機械結構，解決原本安裝連接繁瑣的問題，改善原來噴吹管使用法蘭盤連接及使用螺栓螺母固定的繁瑣步驟。安裝簡單快速、安裝空間小、使用工具簡易、安裝外形干凈美觀，不會造成周圍環境負擔。維護時拆卸更換方便，不會有機構相互干擾的問題。在很大程度上降低了人力成本，卡箍及外螺紋管支架購買方便，單價便宜，降低了除塵器的生產成本。

2）打破傳統，提升工藝。以卡箍連接方式代替法蘭盤和焊接的連接方式，以外螺紋管支架代替螺栓螺母的固定方式，用新的簡易結構打破傳統工藝，讓管道連接方式不再局限于使用法蘭盤，管道固定方式也可繞開繁瑣的螺栓固定或拆卸不便的焊接固定。使用卡箍和外螺紋管支架連接固定管道，不僅在安裝工藝上得到提升（安裝簡易、更換方便），而且在結構制造工藝上得到提升（結構簡單、成本低廉）。

3.2 推廣應用

1）制造行業上的推廣應用。在機械制造業，管道的連接固定非常普遍，幾乎每天都會涉及此方面的工作，廣泛地推廣應用卡箍和外螺紋管支架連接固定方式，安裝技術含量低，極大程度地減輕安裝人員的現場工作量，降低制造成本，提升制造工藝。

2）生活及教育上的推廣應用。在生活中，管道連接也是非常常見的，了解卡箍和外螺紋管支架的用途及使用方法，平時就可以自己動手安裝，簡單省事。也可將此兩個機構作為機械類相關課程的一個實例，生動直觀地引導學生對機構的學習。