敬清海

三次風(fēng)管擺動支撐體系的設(shè)計與應(yīng)用

敬清海

ABMC 10 000t/d水泥生產(chǎn)線擺動支撐三次風(fēng)管

本文介紹了一種新的三次風(fēng)管擺動支撐體系，從結(jié)構(gòu)和原理以及相對于傳統(tǒng)的滑動支撐體系的優(yōu)點等幾方面進(jìn)行了闡述，并對其傾角、固定支座位置及支座載荷計算等設(shè)計問題進(jìn)行了探討。

三次風(fēng)管；擺動支撐；固定支座；擺動支座；二力桿

在現(xiàn)代新型干法水泥生產(chǎn)線中，作為分解爐燃燒空氣通道的三次風(fēng)管已成為燒成系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，其通常采用膨脹節(jié)分段，每段分別設(shè)置固定支座+滑動支座的支撐體系，為進(jìn)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(fā)出來。

1　三次風(fēng)管的功能、設(shè)計特點

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

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

為了簡化載荷分配的計算和吸收風(fēng)管受熱后的熱膨脹變形量，在中間支架處設(shè)置膨脹節(jié)將風(fēng)管分隔為幾跨，每跨風(fēng)管的一端設(shè)固定支座，另一端設(shè)滑動支座以為風(fēng)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(fēng)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(jīng)過近些年的大量應(yīng)用，這種滑動支撐體系在實際的制造、安裝、使用過程中表現(xiàn)出了一些不足之處。

2.1支架基礎(chǔ)需承受彎矩，土建成本高

由圖1可見，由于受篦冷機(jī)和分解爐的相對高差所限，三次風(fēng)管一般呈窯頭端低、窯尾端高的傾斜布置，相應(yīng)地滑動支座的滑動面也隨風(fēng)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(fēng)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(guān)系。通常設(shè)計中，將前一跨風(fēng)管的固定支座與后一跨風(fēng)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(dá)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(fēng)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(dāng)某一膨脹節(jié)失效時這種抵消關(guān)系也會相應(yīng)失效，所以在設(shè)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(fēng)管的中間支架一般都采用塔形鋼架結(jié)構(gòu)或鉸大直徑圓管結(jié)構(gòu)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(dá)到較為理想的滑動效果，需要其具有足夠的承載強(qiáng)度和盡可能低的滑動摩擦系數(shù)，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(qiáng)分布不均而產(chǎn)生過大的接觸應(yīng)力，致使樹脂板被局部破壞，進(jìn)而影響其滑動功能的實現(xiàn)。運(yùn)行過程中，樹脂板長期暴露于高溫環(huán)境下難免老化失效，對其進(jìn)行維護(hù)更換也需一定的成本開支。

2.3膨脹節(jié)易失效導(dǎo)致更嚴(yán)重的連帶損害

無論是金屬膨脹節(jié)還是非金屬膨脹節(jié)，其內(nèi)壁的導(dǎo)流筒和接管之間都存在用于吸收風(fēng)管膨脹量的預(yù)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(hù)。然而實際運(yùn)行中，由于導(dǎo)流筒的伸縮運(yùn)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(bǔ)維護(hù)，經(jīng)過一段時間空隙就會被積灰填滿，導(dǎo)致膨脹節(jié)波紋管或蒙皮損壞。并且，膨脹縫隙被填滿的膨脹節(jié)，其吸收膨脹的功能也已失效，若工作溫度再上升，風(fēng)管熱膨脹受阻會產(chǎn)生極大的作用力，導(dǎo)致窯頭罩局部變形、耐火材料脫落、支架變形等更嚴(yán)重的連帶損害。

圖1　三次風(fēng)管滑動支撐體系典型結(jié)構(gòu)

圖2　三次風(fēng)管滑動支撐體系力學(xué)模型簡化示意圖

圖3　三次風(fēng)管擺動支撐體系典型結(jié)構(gòu)

3　擺動支撐體系的結(jié)構(gòu)和原理

針對滑動支撐體系的上述不足，為進(jìn)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(fā)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(jié)構(gòu)變?yōu)閿[動結(jié)構(gòu)，上端通過擺動支座與風(fēng)管連接，下端通過擺動支座與基礎(chǔ)連接，并隨著風(fēng)管的伸縮進(jìn)行擺動，同時取消了風(fēng)管中間的膨脹節(jié)，各跨風(fēng)管直接相連，僅在整根風(fēng)管的一端設(shè)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(jìn)行補(bǔ)償（如圖3、4所示）。

圖4　三次風(fēng)管擺動支撐體系力學(xué)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(fēng)管被迫彎曲

4　擺動支撐體系的優(yōu)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(jié)構(gòu)對安裝角度偏差有一定的容忍能力，因此現(xiàn)場安裝也更加簡便。

4.2土建基礎(chǔ)無彎矩，用料省，簡潔美觀

由于沒有傾斜的滑動支座，風(fēng)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(chǔ)產(chǎn)生彎矩作用，因此不管是土建基礎(chǔ)還是中間支架本身，都可以大幅“瘦身”，既節(jié)省了投資，也更加簡潔美觀。

4.3無膨脹節(jié)，節(jié)省制造成本和維護(hù)成本，可靠性高

由于整根風(fēng)管中間不再需要膨脹節(jié)，既節(jié)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(jié)失效及其連帶損害的問題，降低了維護(hù)工作量和維護(hù)成本。

5　擺動支撐體系設(shè)計注意事項

5.1風(fēng)管傾角與剛度

我們可以將三次風(fēng)管在冷態(tài)安裝時的形態(tài)看作一條理想的直線，然而當(dāng)三次風(fēng)管受熱膨脹時，由于風(fēng)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(fēng)管的軸向位移量（熱膨脹量）也不同，相應(yīng)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(fēng)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(fā)生彎曲變形（如圖5所示）。

丹麥?zhǔn)访芩构緸榇藢ｉT設(shè)計了一種風(fēng)管鉸連接裝置，設(shè)置于中間支架處連接各段風(fēng)管，目的是使各段風(fēng)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(fēng)管在被迫彎曲變形時產(chǎn)生過大的附加應(yīng)力。然而，由于該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對制造安裝要求高，實際使用效果并不理想，甚至出現(xiàn)自身破壞的情況（見圖6）。

圖6　三次風(fēng)管鉸連接裝置破壞

事實上，通過計算發(fā)現(xiàn)，三次風(fēng)管的彎曲變形量很微小，甚至可以小于風(fēng)管本身在重力作用下產(chǎn)生的自然撓度，設(shè)置這種風(fēng)管鉸連接裝置的必要性并不大。只要在布置風(fēng)管時盡可能減小其傾角，并且使風(fēng)管自身具有適宜的抗彎剛度，完全可以避免變形應(yīng)力過大的問題，而且由于沒有復(fù)雜的運(yùn)動機(jī)構(gòu)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(shè)于窯頭，向窯尾方向的各中間支架處風(fēng)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(fēng)管的調(diào)節(jié)閘閥可隨之設(shè)于窯頭，簡化窯尾預(yù)熱器塔架設(shè)計，同時可避免閘閥靠近風(fēng)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(shè)于窯尾，風(fēng)管軸向膨脹方向與支座擺動方向一致（均為下行），風(fēng)管距樓面高差較小支座較易設(shè)計，另外滑動密封裝置設(shè)于窯頭罩上，積灰可自然排入窯頭罩，避免持續(xù)堆積造成卡阻。

5.3擺動支座結(jié)構(gòu)形式

5.3.1銷軸式

與常見的鉸接結(jié)構(gòu)類似，中間支架和風(fēng)管鞍座（或土建預(yù)埋鋼板）各自末端均為帶銷孔的耳環(huán)，穿入銷軸后以卡板或開口銷進(jìn)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(cè)的中間支架，由于其長度相對于風(fēng)管膨脹量來說很長（相差超過3個數(shù)量級），風(fēng)管膨脹時引起的擺動角度很微小（一般僅為0.1°～0.5°），此時可以采用更簡單的耳板式結(jié)構(gòu)來代替銷軸結(jié)構(gòu)，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(fēng)管鞍座（或土建預(yù)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(fēng)管膨脹時，通過耳板自身微小的彎曲變形即可實現(xiàn)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(fēng)管實際上是一個等截面多跨連續(xù)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(jìn)行計算，具體計算方法參見多跨連續(xù)梁的有關(guān)文獻(xiàn)資料，在此不再贅述。需注意的是，作為計算輸入?yún)?shù)的風(fēng)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(gòu)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，F(xiàn)r（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(chǔ)定位誤差累積導(dǎo)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(fēng)管熱脹冷縮導(dǎo)致中間支架會形成一定的“動態(tài)偏擺”。因此，設(shè)計計算時可以通過計算風(fēng)管熱膨脹導(dǎo)致的中間支架“動態(tài)偏擺”角度，再加上考慮合理誤差范圍內(nèi)冷態(tài)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(jù)其二力桿特性，F(xiàn)r（n）在水平方向會形成相應(yīng)的水平分力，作用在中間支架的基礎(chǔ)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(fēng)管的固定支座處，構(gòu)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(yīng)用實例

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

7　結(jié)語

相對于傳統(tǒng)的滑動支撐體系，三次風(fēng)管采用擺動支撐體系在成本經(jīng)濟(jì)性、安裝便捷性以及運(yùn)行可靠性等方面都具有明顯的優(yōu)勢，值得大力推廣和應(yīng)用。作為一種新技術(shù)，在風(fēng)管彎曲變形控制、基礎(chǔ)沉降對載荷的影響、滑動密封的密封效果等細(xì)節(jié)方面，還需廣大工程技術(shù)人員在應(yīng)用中繼續(xù)加以總結(jié)歸納、優(yōu)化完善。

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

［2］李光鑫.三次風(fēng)管彎頭磨損嚴(yán)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(jī)械有限公司，四川成都610051；

2015-04-23；編輯：趙蓮