敬清海

三次风管摆动支撑体系的设计与应用

敬清海

ABMC 10 000t/d水泥生产线摆动支撑三次风管

本文介绍了一种新的三次风管摆动支撑体系，从结构和原理以及相对于传统的滑动支撑体系的优点等几方面进行了阐述，并对其倾角、固定支座位置及支座载荷计算等设计问题进行了探讨。

三次风管；摆动支撑；固定支座；摆动支座；二力杆

在现代新型干法水泥生产线中，作为分解炉燃烧空气通道的三次风管已成为烧成系统中不可或缺的重要组成部分，其通常采用膨胀节分段，每段分别设置固定支座+滑动支座的支撑体系，为进一步提高可靠性和降低成本，一种新的支撑形式——摆动支撑体系被开发出来。

1　三次风管的功能、设计特点

水泥厂的烧成系统主要包括物料的预热、分解、化合和冷却等过程。对新型干法水泥生产而言，90%以上的CaCO3是在分解炉内完成分解的，如若分解所需热量完全通过窑内热风（一次风和二次风）供给，将使窑尾风速过大，导致入窑生料粉被大量二次飞扬吹回分解炉，因此需要设置三次风管，将篦冷机头部的一部分热风（三次风）直接引到分解炉。［1］

三次风管内的热风温度一般可以达到850～950℃甚至超过1 000℃，风速一般在20～30m/s之间以尽量减少积灰，为了保护风管壳体和减少散热，在风管内部砌筑有耐火砖或浇注料以及隔热层。风管本体、耐火材料、隔热层以及内部积灰重量加在一起，整根三次风管的总荷载可达数百吨，而三次风管长径比又较大（一般在22～28之间），因此，除两端支座外还设有2～3个中间支架，以避免跨距过大使风管产生过大的应力和挠度。

为了简化载荷分配的计算和吸收风管受热后的热膨胀变形量，在中间支架处设置膨胀节将风管分隔为几跨，每跨风管的一端设固定支座，另一端设滑动支座以为风管随温度变化的伸缩提供自由度，固定支座和滑动支座均支撑于中间支架上，这就是目前最为常见的三次风管滑动支撑体系（如图1、图2所示）。

2　滑动支撑体系存在的不足

经过近些年的大量应用，这种滑动支撑体系在实际的制造、安装、使用过程中表现出了一些不足之处。

2.1支架基础需承受弯矩，土建成本高

由图1可见，由于受篦冷机和分解炉的相对高差所限，三次风管一般呈窑头端低、窑尾端高的倾斜布置，相应地滑动支座的滑动面也随风管轴线倾斜，而滑动支座只能承受垂直于滑动面的载荷Fs（n），该载荷分解到竖直方向和水平方向后即是支座载荷的竖直分力Fs（n）y和水平分力Fs（n）x，这个水平分力与同一跨风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，互为作用力与反作用力的关系。通常设计中，将前一跨风管的固定支座与后一跨风管的滑动支座布置于同一个中间支架上，这样，由于两者水平力Ff（n）x和Fs（n+1）x方向相反，可以达到互相抵消的效果。然而，实际上受各种因素所限，相邻两跨风管的跨度、载荷均不一定完全相同，因而无法做到完全抵消，尤其是当某一膨胀节失效时这种抵消关系也会相应失效，所以在设计中间支架时必须能承受一定的水平力。同时，中间支架的高度一般都有10～20m，作用于其顶端的水平力会在其底部形成不小的弯矩，这就是三次风管的中间支架一般都采用塔形钢架结构或铰大直径圆管结构的原因。

2.2滑动支座制造成本高、安装要求高

滑动支座的核心是一对滑动副，为了达到较为理想的滑动效果，需要其具有足够的承载强度和尽可能低的滑动摩擦系数，因此滑动副大多采用特种高分子树脂板（如聚四氟乙烯等）和镜面不锈钢板组合而成，树脂板也需要特殊的表面处理和粘接剂才能固定到支座上，这些因素均使得滑动副的制造成本较为昂贵。另外，对于安装也有较高的要求，树脂板与不锈钢板必须确保贴合良好，两者之间不能有角度偏差，否则会因为压强分布不均而产生过大的接触应力，致使树脂板被局部破坏，进而影响其滑动功能的实现。运行过程中，树脂板长期暴露于高温环境下难免老化失效，对其进行维护更换也需一定的成本开支。

2.3膨胀节易失效导致更严重的连带损害

无论是金属膨胀节还是非金属膨胀节，其内壁的导流筒和接管之间都存在用于吸收风管膨胀量的预留空隙，为防止粉尘和高温气体直接接触金属波纹管或非金属蒙皮，在这个空隙里一般会用隔热矿渣棉填充保护。然而实际运行中，由于导流筒的伸缩运动和气流的抽吸作用，矿渣棉很容易外逸损耗，若未能及时填补维护，经过一段时间空隙就会被积灰填满，导致膨胀节波纹管或蒙皮损坏。并且，膨胀缝隙被填满的膨胀节，其吸收膨胀的功能也已失效，若工作温度再上升，风管热膨胀受阻会产生极大的作用力，导致窑头罩局部变形、耐火材料脱落、支架变形等更严重的连带损害。

图1　三次风管滑动支撑体系典型结构

图2　三次风管滑动支撑体系力学模型简化示意图

图3　三次风管摆动支撑体系典型结构

3　摆动支撑体系的结构和原理

针对滑动支撑体系的上述不足，为进一步提高可靠性和降低成本，一种新的支撑形式——摆动支撑体系被开发出来。顾名思义，这种支撑体系取消了滑动支座，中间支架由固定结构变为摆动结构，上端通过摆动支座与风管连接，下端通过摆动支座与基础连接，并随着风管的伸缩进行摆动，同时取消了风管中间的膨胀节，各跨风管直接相连，仅在整根风管的一端设置一个固定支座，所有膨胀量由另一端的滑动密封伸缩装置进行补偿（如图3、4所示）。

图4　三次风管摆动支撑体系力学模型简化示意图

图5　热膨胀时各铰点高度变化量不一致引起的风管被迫弯曲

4　摆动支撑体系的优点

4.1无需滑动支座，制造、安装简便

在摆动支撑体系中，滑动支座被摆动支座取代，不再需要特殊的材料或工艺，降低了制造成本。另外，摆动支座本身结构对安装角度偏差有一定的容忍能力，因此现场安装也更加简便。

4.2土建基础无弯矩，用料省，简洁美观

由于没有倾斜的滑动支座，风管本身自重不会对中间支架形成水平力，并且中间支架两端均为铰支，为典型的二力杆，它只承受沿自身轴线方向的拉力或压力，不会对其底部基础产生弯矩作用，因此不管是土建基础还是中间支架本身，都可以大幅“瘦身”，既节省了投资，也更加简洁美观。

4.3无膨胀节，节省制造成本和维护成本，可靠性高

由于整根风管中间不再需要膨胀节，既节省了制造成本也使允许可靠性得到提高，彻底避免了膨胀节失效及其连带损害的问题，降低了维护工作量和维护成本。

5　摆动支撑体系设计注意事项

5.1风管倾角与刚度

我们可以将三次风管在冷态安装时的形态看作一条理想的直线，然而当三次风管受热膨胀时，由于风管存在一定的倾角，每一个中间支架的长度不同，并且其所在位置风管的轴向位移量（热膨胀量）也不同，相应地，其绕底部摆动支座的摆动角度和顶部铰点下降的高度也不同，最终会使三次风管不再是一条直线，被迫在与各个中间支架连接的铰点处发生弯曲变形（如图5所示）。

丹麦史密斯公司为此专门设计了一种风管铰连接装置，设置于中间支架处连接各段风管，目的是使各段风管之间保持轴向刚性连接的同时，在横向获得一定的相对摆动自由度，避免风管在被迫弯曲变形时产生过大的附加应力。然而，由于该装置结构复杂且对制造安装要求高，实际使用效果并不理想，甚至出现自身破坏的情况（见图6）。

图6　三次风管铰连接装置破坏

事实上，通过计算发现，三次风管的弯曲变形量很微小，甚至可以小于风管本身在重力作用下产生的自然挠度，设置这种风管铰连接装置的必要性并不大。只要在布置风管时尽可能减小其倾角，并且使风管自身具有适宜的抗弯刚度，完全可以避免变形应力过大的问题，而且由于没有复杂的运动机构反而可以获得更高的可靠性。

5.2固定支座位置的选择

（1）设于窑头，向窑尾方向的各中间支架处风管膨胀量依次增大，与各中间支架高度变化趋势一致，各中间支架的摆动角度均较小。另一方面，三次风管的调节闸阀可随之设于窑头，简化窑尾预热器塔架设计，同时可避免闸阀靠近风管弯头引起的局部高速气流冲刷加剧弯头处的磨损［2］。

（2）设于窑尾，风管轴向膨胀方向与支座摆动方向一致（均为下行），风管距楼面高差较小支座较易设计，另外滑动密封装置设于窑头罩上，积灰可自然排入窑头罩，避免持续堆积造成卡阻。

5.3摆动支座结构形式

5.3.1销轴式

与常见的铰接结构类似，中间支架和风管鞍座（或土建预埋钢板）各自末端均为带销孔的耳环，穿入销轴后以卡板或开口销进行轴向限位（如图7所示）。

5.3.2耳板式

图7　销轴式摆动支座

对于靠近窑尾一侧的中间支架，由于其长度相对于风管膨胀量来说很长（相差超过3个数量级），风管膨胀时引起的摆动角度很微小（一般仅为0.1°～0.5°），此时可以采用更简单的耳板式结构来代替销轴结构，即直接采用一定厚度和高度的钢板作为耳板，焊接在中间支架和风管鞍座（或土建预埋钢板）之间，如图8所示。由于耳板截面特性决定，它在具有足够的抗压刚度的同时具有很小的抗弯刚度，在风管膨胀时，通过耳板自身微小的弯曲变形即可实现中间支架的摆动。

图8　耳板式摆动支座

5.4支座载荷的计算

5.4.1竖直载荷

由图4可知，摆动支撑体系的三次风管实际上是一个等截面多跨连续梁，各支座的竖直载荷Ff1y和Fr（1）y、Fr（2）y...Fr（n）y可采用力矩分配法进行计算，具体计算方法参见多跨连续梁的有关文献资料，在此不再赘述。需注意的是，作为计算输入参数的风管线载荷由其自重、耐火材料、保温层和积灰载荷等几部分构成，不可遗漏。

5.4.2水平载荷

从理论上讲，摆动支撑体系的每一个中间支架都是竖直的，Fr（n）和Fr（n）y大小和方向都完全相等，自然也就没有水平载荷存在。然而考虑实际情况，有两个因素会使中间支架不一定能完全竖直：一是制造误差和土建基础定位误差累积导致中间支架上下两端的水平定位偏差，会形成一定的“初始偏摆”；二是风管热胀冷缩导致中间支架会形成一定的“动态偏摆”。因此，设计计算时可以通过计算风管热膨胀导致的中间支架“动态偏摆”角度，再加上考虑合理误差范围内冷态安装的最大“初始偏摆”角度，以此作为各中间支架水平载荷计算时的摆动角αr（n）。此时沿杆轴线的载荷Fr（n）不再与竖直载荷Fr（n）y方向相同，根据其二力杆特性，Fr（n）在水平方向会形成相应的水平分力，作用在中间支架的基础上形成水平载荷Fr（n）x，其值大小为该中间支架的竖直载荷Fr（n）y乘以其摆动角αr（n）的正切值；同时各个中间支架水平载荷的反作用力全部叠加作用到风管的固定支座处，构成固定支座的水平载荷Ff1x=Fr（1）x+Fr（2）x...+Fr（n）x。

6　摆动支撑体系应用实例

本文所介绍的三次风管摆动支撑体系，已在成都建筑材料工业设计研究院有限公司EPC总承包的ABMC 10 000t/d水泥生产线和AJCC、HCC、TCC等5 000t/d水泥生产线中成功应用，使用效果令人满意。

7　结语

相对于传统的滑动支撑体系，三次风管采用摆动支撑体系在成本经济性、安装便捷性以及运行可靠性等方面都具有明显的优势，值得大力推广和应用。作为一种新技术，在风管弯曲变形控制、基础沉降对载荷的影响、滑动密封的密封效果等细节方面，还需广大工程技术人员在应用中继续加以总结归纳、优化完善。

［1］刘启元，陈华.浅论三次风管的设计［J］.水泥工程，2010，（1）：12-21.

［2］李光鑫.三次风管弯头磨损严重的解决办法［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

通讯地址：中材成都重型机械有限公司，四川成都610051；

2015-04-23；编辑：赵莲