隨著世界能源日趨緊張，國家節能減排政策的不斷加強，對于水泥企業來講，利用干法預分解窯余熱進行發電，降低企業生產成本，實現能源綜合利用，已成為水泥生產發展的必然出路。

水泥廠余熱發電是將水泥生產線窯尾懸浮預熱器和窯頭篦冷機排出的高溫廢氣，利用熱風管道輸送至余熱鍋爐中制取一定壓力的蒸汽，供汽輪機做功發電，換熱后的低溫廢氣再利用風管送入水泥生產系統的除塵器中。因此，熱風管道設計是否合理，是否具有足夠的強度承擔各種作用，在余熱電站中就顯得十分重要。

本文就熱風管道強度計算及管壁厚度選取等一些經驗，進行分析探討，本文中所指熱風管道是指長期使用溫度在300～370℃之間輸送含塵的熱空氣園管道。

1.熱風管道的在構造上的要求
1.1熱風管道厚選取
管道應有合理的厚度，管壁過薄剛度差，難以保證管道應有的圓形斷面，在負壓狀態下極易變形造成破壞。管道過厚即增加了管道自重，又增加了投資。對于窯頭余熱鍋爐取風管道應適當加厚，及在管道內表面加設耐磨層等措施，對于彎頭部份的耐磨防護更要注意。

壁厚取值?? δ=235D/500f

式中? δ—熱風管道壁厚
D—熱風管道外徑
f—熱風管道所用鋼材牌號

考慮到熱風管道的耐久性等因素，熱風管道壁厚不應小于5mm，對于大直徑管道，鋼材宜取Q345、Q390等牌號。

1.2熱風管道加強圈的選取
熱風管道加強圈可保證管道在工作狀態下的剛度，并保證強度實現起著極其重要的作用。

熱風管道加強圈的選取要綜合考慮管壁厚度、材質、管道直徑、工作溫度等幾方面情況，一般加強圈寬60～90mm，板厚6～10mm，加強圈間距1500～3000mm。加強圈應與管道交錯斷續焊接，在荷載較大的支座兩側應設置加強圈以保證管道的剛度，活動支座附近的加強圈不應妨礙管道的軸向膨脹。

1.3熱風管道支座的選取
支座是為支承風管用的，因為支承支座的結構可能存在不均勻沉降，為保證在支座沉降時支座荷載變化不大，熱風管應利用膨脹節進行分段，原則上每段成為簡支梁或單段懸臂梁。

以膨脹節隔斷的每一個管段上只允許設一個固定支座，其余支座均為活動支座。在設計圖上固定支座處應標注與管道現場焊接的符號，活動支座的活動面應注明“此處不得焊接”，以免現場施工錯誤造成事故。

因為在高溫作用下，普通碳素鋼的磨擦系數將大幅度增大，為減小活動支座的水平荷載，可將活動支座的磨擦面設置在保溫層外側，或在支座和管道接觸面設置耐熱鋼板。

1.4風管傾斜角度（與水平）選擇
因窯尾及窯頭廢氣中含粉塵量較大，為防止粉塵在管道中沉降堆集，風管要傾斜布置，使粉塵在重力作用下滑，以減小風管荷載，節省管道支架費用。

根據水泥生產線的設計經驗，窯頭熱風管道，當氣流向上時風管與水平面的夾角宜大于45°，當氣流向下時風管與水平面的夾角宜大于30°；窯尾熱風管道，當氣流向上時風管與水平面的夾角宜大于55°，當氣流向下時風管與水平面的夾角宜大于35°。

2.熱風管道的強度計算
2.1管道設計荷載
⑴風管自重G₁

G₁=1.2×0.785×π×D×δ

G₁ --- 風管自重? KN
1.2 --- 考慮風管加強圈等附件重量。
0.785—1m²厚度為1mm的鋼板重? KN/ m²
D --- 風管直徑? m
δ --- 風管鋼板厚度? mm

⑵保溫層重G_２
包括保溫層及固定保溫所用的小角鋼、鐵絲等附材重，及保護層的鍍鋅鋼板等重量，為簡化計算，其重統一按折算為5mm厚風管重量計算。

G_２=5×0.785×π×D

⑶管內積灰重G₃
管內積灰與管道與水平的夾角θ相關，與管內風速相關，由于水泥生產線工況變化，所以風管的截面風速是變化的，在風速降低是時風管內易產生積灰，此荷載按風管內截面積30%積灰計。

_?G₃=（π×R²）×30%×γ×COSθ

式中γ --- 積灰容重γ=90KN/m³

⑷風管上連接的設備重G₄
G₄=1.2×(閥門等設備自重)

⑸風管所受風荷載
G₅=ω×D₁

式中ω --- 風荷載設計值

⑹、膨脹節反力
當管道上設置金屬膨脹節時，在熱、冷變化時膨脹節將對管道產生反力，此反力通常與管道軸向一致，僅對管道支架產生作用，對管不產生作用，故膨脹節反力不參加管道設計的荷載組合。

2.2設計許用應力
通常，碳素鋼超過350℃，就會產生蠕變行為，煙風管道內廢氣溫度一般均在此溫度上下，所以煙風管道強度設計應采用蠕變設計方法，對鋼材的設計強度需要進行折減。

f_t=γsf

f_t ---鋼材及焊縫在溫度作用下強度設計值
γs---鋼材及焊縫在溫度作用下強度折減系數
f---鋼材及焊縫在小于100℃溫度作用下強度設計值

本文中采用《煙囪設計規范》（GB50051-2002）鋼材及焊縫在溫度作用下強度折減系數如下表示：

溫度	100℃	150℃	200℃	250℃	300℃	350℃	400℃
γs	1	0.92	0.88	0.83	0.78	0.72	0.65

2.3荷載的組合
煙道承載能力極限狀態設計應為活荷載控制的組合，按下列荷載效應基本組合中最不利值確定：

????? γ_GS_GK+γ_Q1S_Q1K+ψ_ci(γ_Q2S_Q1K+γ_Q2S_Q2K+…)≤R(*)????? 3-1
γ_GS_GK +ψ_ci(γ_Q2S_Q1K+γ_Q2S_Q2K+…)≤R(*)???????? ???3-2

式中：
γ_G --- 永久荷載分項系數 ?3-1式中取為1.2，3-2式中取為1.35
γ_G1 --- 第一個可變荷載分項系數 取為1.4
ψ_ci --- 可變荷載組合系數 取為0.7
S_GK --- 永久荷載標準值
S_Q1K --- 第一個可變荷載標準值
R(*)--- 由設計計算公式確定構件的抗力函數

2.4風管允許應力計算
f_t≤βM/W_n

式中：f_t --- 高溫下風管的設計許用應力
W_n --- 風管的抗彎截面模量
β --- 風管的剛度折減系數? 取0.7

3.熱風管道強度計算舉例
例一:設計條件：如下圖示，已知一熱風簡支管道外徑D=3m，管壁材質Q235，保溫采用巖棉200厚，保護層為0.6厚鍍鋅鋼板，風管與地面成45°，使用溫度為350°，計算允許最大跨度。

解：
1、壁厚計算?? δ=235D/500f=235×3000/500×235=6mm

2、求風管均布載荷
G₁=1.2×0.785×π×D×δ=1.2×0.785×π×3×6=53.2KN/m
G_２=5×0.785×π×D=5×0.785×π×3=37.0 KN/m
G₃=（π×R²）×30%×γ×COSθ=（π×1.5²）×30%×9×COS45⁰=13.5 KN/m
G₅=ω×D₁=75×3.4=25.5 KN/m

3、荷載組合:
q=[1.2(G₁+ G_２)+1.4 G₃+1.4×0.7×G₅]/ COS45⁰=[1.35(53.2+ 37)+1.4×0.7 (13.5+25.5)]/0.707=226.3 KN/m

4、風管截面模量
W_n=π[R⁴－（R－δ）⁴]/4×R×COS²θ=π[150⁴－（150－0.6）⁴]/4×150×COS²45=84298cm³

5、簡支風管最大支撐間距
l_max= (8W_n×0.7×[σ]^t/ q) ^0.5= (8×84298000×0.7×154/226.3)^0.5=17.9m

相應管道斜長L= l_max/COS45⁰=25.3m

6、如上述條件改為懸臂形式，其它條件不變相應管道最大懸挑長度為：
l_max= (2W_n×0.7×f_t / q) ^0.5=(2×84298000×0.7×154/226.3)^0.5=8.96m

相應管道斜長L= l_max/COS45⁰=12.6m

例二: 設計條件：同上例僅管徑變為4m，計算允許最大懸臂長度。

解：
1、壁厚計算?? δ=235D/500f=235×4000/500×235=8mm
2、求風管均布載荷
G₁=1.2×0.785×π×D×δ=1.2×0.785×π×4×8=94.65KN/m
G_２=5×0.785×π×D=5×0.785×π×4=49.2 KN/m
G₃=（π×R²）×30%×γ×COSθ=（π×2.0²）×30%×9×COS45⁰=23.98 KN/m
G₅=ω×D₁=75×4.4=33.0 KN/m

3、荷載組合:
q=[1.35(G₁+ G_２)+1.4×0.7( G₃+G₅)]/ COS45⁰=[1.35(94.65+ 49.2)+1.4×0.7 (23.98+33)]/0.707=353.7 KN/m

?4、風管截面模量
W_n=π[R⁴－（R－δ）⁴]/4×R×COS²θ=π[200⁴－（200－0.8）⁴]/4×200×COS²45=199757cm³

? 5、風管最大懸臂長度
l_max= (2W_n×0.7×f_t / q) ^0.5= (2×199757000×0.7×154/353.7)^0.5=11.0m???????

?相應管道斜長L= l_max/COS45⁰=15.6m

?

?

參考文獻：[一]劉啟元水泥工廠熱風管道設計，水泥工程? 2004年第2—6期

[二]煙囪設計規范 （GB50051-2002）