高炉冷风管网常见布置问题分析

李小川

（中冶京诚工程技术有限公司，北京，100176）

0 引言

高炉冶炼时需要鼓入大量的空气以供焦炭燃烧时所需的氧气量。高炉冷风是由高炉鼓风机压缩后，经管道输送至热风炉，经热风炉加热后送至高炉本体，其要克服送风系统和料柱的阻损，并使高炉保持一定的炉顶压力。为了满足高炉冶炼对压缩空气的要求，高炉鼓风机出口压缩空气的温度、压力和流速较高，一般风温为250 ℃，风压为4～5 kg/cm2，流速可达到15～20 m/s。鼓风机出口至热风炉之间的管道常叫做冷风管道，包括送风管道、放风管道、拨风管道等。

在高炉区域，冷风管道一般和燃气管道等共架敷设，管道输送距离长就要考虑管道运行中的热膨胀问题，如果在设计或施工中忽略该问题，就会因为管道热胀冷缩导致管道涨裂、位移甚至从支架上掉落。因此，合理的考虑冷风管网、管系布置问题显得尤为重要。

1 冷风管网、管系的设计和设施

1.1 管道的补偿量计算

管道因受介质和环境温度的影响而发生热胀冷缩，管道热胀冷缩的数值即为补偿量，补偿量△λ按下式计算：

式中a：管道线膨胀系数（cm/m·℃），当t=250 ℃时，a=1.32×10-3cm/m·℃；

L：管道计算长度,m；

t1：管壁计算最高温度,设计温度t=250 ℃；

t2：当地采暖室外计算温度,℃。

1.2 管道补偿器的分类

鼓风机站出口至热风炉之间的冷风管道一般较长，为解决管道热胀冷缩产生的位移量的问题，一般采取分段固定加补偿的方式。两个固定点之间的补偿方式一般有自然补偿和补偿器补偿两种方式。自然补偿有L 型补偿、Z 字型补偿、空间Z 字型补偿等方式。补偿器有波纹管补偿器、鼓型补偿器、填料型补偿器等类型，冷风管道以使用波纹管补偿器为主，常用的波纹管补偿器有轴向型、铰链型、复式拉杆型、压力平衡型等。

1.2.1 轴向型补偿器

该类型补偿器用于补偿直管道的热位移。补偿器是由一个波纹管与两个可与相邻管道、设备相接的端管（或法兰）组成的挠性部件，该补偿器对固定点产生压力推力。

1.2.2 铰链型补偿器

铰链型补偿器又可以分为单式铰链型和万向铰链型。

（1）单式铰链型用于补偿单平面弯曲管道的位移，它以角偏转的方式起补偿作用，通常两个或三个一组配套使用，该补偿器对固定支架不产生压力推力。

（2）万式铰链型相当于两个串联的单式铰链型补偿器，其中一个角平面与另一个角平面相垂直，类似一个万向节，万向铰链型补偿器可以补偿多平面弯曲管道热位移。通常由两个万向型补偿器一组配套使用，该补偿器对固定支架也不产生压力推力。

1.2.3 复式拉杆型补偿器

补偿器由两段波纹管、端管、中间管、拉杆组成。主要用于补偿单平面或多平面弯曲管道的横向位移。在变形过程中，两个端管处于平行状态，两段波纹管的变形相等。补偿器对固定支架不产生压力推力。

1.2.4 压力平衡型补偿器

分为直管压力平衡型和曲管压力平衡型。

（1）直管压力平衡型补偿器由三段波纹管组成，用于补偿管道轴向位移，对固定支架不产生压力推力。

（2）曲管压力平衡型补偿器由通道波纹管、平衡波纹管、拉杆及弯管组成，用于补偿轴向位移或轴向与横向的组合位移。但仅补偿轴向位移时，采用一个通道波纹管。补偿轴向与横向组合位移时，需要两个通道波纹管，该补偿器同样不对固定支架产生压力推力。

1.3 管道支架的分类

管道支架一般分为固定支架、导向支架和滑动支架等。

1.3.1 固定支架

管道在横向与轴向均固定，固定支架承受压力推力、弹性力和摩擦力。固定支架宜采用挡板式固定支座，该支座受力均匀，承受推力大。

1.3.2 导向支架

导向支架也称单向活动支架，管道在轴向可任意变位，横向不能变位。导向支架的作用是保证管路的纵向稳定性。轴向波纹补偿器管路设第一导向支架、第二导向支架和中间导向支架。第一导向支架距补偿器净距离为1.5～4D（D 为管道直径），第一导向支架距第二导向支架间距为12～16D。

1.3.3 滑动支架

管道在轴向和横向均可任意变位，根据结构又可分为刚性支架和摇摆支架。刚性支架的管道与支架间保持滑动，支架承受管道的摩擦力；摇摆支架是管道与支架铰连，支架不承受管道的摩擦力。

2 管系布置中经常出现的问题及分析

2.1 固定支架处不固定

在正规工程设计图中，冷风管道固定支架、滑动支架及补偿器的设置一般都是严格按照规范和设计计算确定，但是实际施工过程中，由于施工单位等原因，没有严格按照施工图设计文件进行施工，固定支架处的固定点没有焊接固定，导向支架处也未做导向。

此类现象在工程施工时经常出现，且不易察觉到。待管网投产运行后，冷风管道由于热膨胀产生位移，没有固定点约束，补偿器吸收热位移的作用大大降低，局部管道可能会与相邻并行的管道发生碰撞，并且管道在转弯处由于热位移大有从支架上脱落的风险，造成比较严重的生产事故。

2.2 直管段上补偿器设置问题

两个固定点之间只应安装一个补偿器，当装有多个补偿器时，由于制造、安装及运行上的各种因素会使各个补偿器产生变形不均匀现象，导致变形大的补偿器过早破坏。并且装有多个补偿器会使固定点之间存在不稳定管段，见图1。

图1 直管段设置多个补偿器的示意图

此外，两个固定点支架之间是直管段，在不规范的设计情况下，中间设置了一个复式拉杆型补偿器，见图2。复式拉杆型补偿器只能吸收横向位移，无法吸收直管段的轴向位移，如果这样设置，将会造成固定点脱焊或管道挤压变形裂口的情况。笔者曾在某钢厂见到此种设置方式，均由内部人员自行设计施工的，见图3。固定点1 和固定点2 为固定支架，两个固定点之间为直管道，在固定点1 支架处设置了一个复式拉杆补偿器。实际观察发现，直管

段没有变形，固定点2 已经脱焊，其后面的管道支架均已偏移，个别甚至悬空在支架之外，有一定的跌落风险。

图2 直管段设置复式拉杆补偿器的示意图

图3 直管段设置复式拉杆补偿器的现场照片

2.3 L 型管道补偿器设置问题

L 型管段中，两条臂均不长，但在靠近弯头处设置了一个单式铰链型补偿器，见图4。单式铰链型补偿器能够补偿单平面弯曲管道的位移，以角偏转的方式起补偿作用，且不对固

图4 L 型管段设置单个单式铰链补偿器的示意图

定支架产生压力推力，但是需要两个或三个一组配套使用。单个设置，不能同时吸收两个方向的位移量，将会使弯头挤压变形或固定点脱焊。不合理的设置导致了弯头处有变形，管道有泄漏的可能，见图5。

2.4 补偿器的摆放位置问题

图5 L 型管段设置单个单式铰链补偿器的现场照片

补偿器的摆放位置不规范、不合理，会造成波纹管补偿器自身的一些不必要的破坏。

补偿器可以放在两个固定点间直管段的任何位置上，但通常有两种布置方法：一是靠近固定点，二是设在管道的中间位置。第一种布置方法的优点是补偿器靠近固定点，仅在一侧设导向支架。第二种布置方法的优点是滑动支架位移小，固定点承受的摩擦推力较小。

补偿器的摆放位置应结合实际工程，力求合理、经济、实用，对固定支架的推力尽可能减小。同时，应考虑和煤气管道等其他管道共架时的支架的综合受力情况。此外，补偿器一般较重，为避免因自重引起的波纹管自身变形，波纹管两端应合理的设置支撑。

3 管路和补偿器布置建议及措施

（1）严格按照施工图中设计施工说明书指导施工，施工前进行设计和技术交底，加强落实自检、互检和专检制度，确保固定点的设置牢固可靠、补偿器形式和安装正确。

（2）优先考虑自然补偿方式，在平面转弯处和立体转弯处，利用弯头进行补偿，但需进行应力校核计算，不能超过弯头所能承受的弯曲应力。

（3）采用波纹补偿器时，首先考虑利用管道转弯选择铰链型补偿器和复式拉杆型补偿器。铰链补偿器多用于平面管道，复式拉杆型补偿器多用于立体管道。这两种补偿器补偿量大，推力小，且长距离管道采用铰链补偿器投资费用低。

（4）曲管压力平衡型补偿器一般装在鼓风机的出口处。直管段中，空间和阻力损失允许的条件下，

可以设置一段π 型管道和复式拉杆型补偿器；如果空间受限，可以选择直管压力平衡补偿器，补偿器虽然不对固定支架产生压力推力，但是其弹性推力较大，安装时一般采用冷紧措施。

（5）阀门、大小头的布置应靠近固定点，与固定点之间不应设置补偿器。

4 结语

冷风是高炉冶炼工艺必不可少的条件之一，冷风管网、管系的合理布置关系到高炉的正常稳定生产。首先在施工图设计中要充分考虑管道热胀冷缩的影响，合理考虑冷风管网、管系的布置；其次选择补偿器时一定合理分析管系中固定点的位置，优先选用自然补偿方式，自然补偿方式不能满足时则采用补偿器补偿方式；补偿器放置的位置要合理优化，两侧应设支撑；补偿器选型完毕后一定要计算对固定支架的推力、摩擦力等，这样可以尽量避免因补偿器选型错误而无法计算固定点受力情况的出现；最后，施工单位要严格按照施工图进行施工。