通风除尘负压除尘管道变形及防止措施研究黄勇波（中冶赛迪公司动力设计部，重庆400013）运用压力管道设计知识中关于外压容器失稳理论，判定负压除尘管道的变形行为，在此基础上研究了如何通过设置加强圈来增大管道临界压力，从而使管道更加稳定，而不易变形。最后，根据以上计算依据，编制了负压除尘管道稳定性校核计算软件，使设计者能方便快捷校核管道的稳定性。
外压除尘管道稳定性加强圈1概述外压容器是指容器的外部压力大于内部压力的容器，当容器承受外压时，筒壁上会产生环向压缩应力，如果压缩应力超过材料的屈服极限或强度极限时，容器发生强度破坏。但这种情况极少发生，往往是容器的强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁被压瘪或发生褶皱，筒壁的圆环截面瞬间变成了曲波形。这种在外压作用下，筒体突然失去原有形状的现象称为弹性失稳。容器发生弹性失稳使容器不能维持正常工作，造成容器失效，如所示，而其中最常见的是第一种。
外压圆筒在失稳以前，筒壁内只有单纯的压缩应力，在失稳时，由于突然的变形，在筒壁内产生了以弯曲应力为主的附加应力。而且这种变形和附加应力一直迅速发展到筒体被压瘪或发生褶绉为止。所以外压容器的失稳，实际上是容器筒壁内的应力状态由单纯的压应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。
工厂设计中，除尘管道内压强大多为负压，对于直管段而言，管道的沿程阻力很小，因而可认为管道各处压力近似相同，又常压容器的外压计算公式与GB150―致，所以除尘管道中直管段的受压变形可以借助GB150中关于外压筒壁分析理论进行分析。对大型除尘系统，由于所选除尘风机压头较大，除尘系统中，管道的负压从零沿气流方向逐渐增大，到达风机入口时，负压最大。又由于接近风机的管道为集合管，管径最大，所以当该处直管段距离较长时，有可能发生弹性失稳，即管道变形，如所示。
2外压管道临界压力的分析导致管道失稳的最小外压称为该管道的临界压力，与之对应的管道长度称为临界长度，分别L为管道以尸和1表示。临界长度决定了临界压力的计算方法，详述如下：管道临界长度：当管道长度1>1时，称这类管道为长管道，并且有：当管道长度1<1时，称该管道为短管道，并且有：的计算长度（mm），对除尘管道而言，L按下述情况确定：（1）没有加强圈时取相邻支架中心线的最大距离；（2）有加强圈取时取相邻加强圈中心线的最大距离。Pcr为管道的临界压力（MPa）；E为操作温度下管道材料的弹性模量（MPa）；为管道的有效厚度（mm）。
为管道的名义厚度，即标注在图样上的厚度（mm）；C为厚度附加量（mm），指在满足强度要求而计算出的厚度之外，考虑其它因素而额外增加的厚度量，包括由钢板负偏差q、腐蚀裕量C2，即=+，按下表选取。
表1钢板负偏差q（mm）钢板厚腐蚀裕量C2应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定。对除尘系统而言，这里取C2 D为管道外直径，D=D+2mm.其中D.为管道的内径（mm）；Pc为管道的计算外压力（MPa）。对除尘管道而言，就是管道的负压；为管道的许用外压力（MPa）。
设计外压管道时，应该使该管道的许用外压>Pc；否则，圆筒将发生失稳，出现变形。
终上所述，判定外压圆筒是否稳定，首先应根据圆筒几何尺寸（么、D、L），判断是长圆筒还是短圆筒，并计算出临界压力Pcr，考虑安全系数后得到许用外压并与管道外压力相比较，判定外压圆筒是否失稳。
3实例分析已知某高炉出铁场除尘系统，除尘器入口前有一直管段，外直径D0=3900mm，计算长度L =25.5m，名义壁厚=8潘，管道计算外压尸。
=3500Pa，运行温度80°C，管道材质为普通碳素钢。试判定该除尘管道的稳定性。
圆筒；考虑安全系数计算许用外压，结果为由稳定条件可知： 4加强圈的设置对于长圆筒（见式2），临界压力与筒体计算长度Z无关；对于短圆筒（见式3），减小筒体的计算长度Z可以提高临界压力。因而，在外压圆筒设计中，总是力图把筒体处理成短圆筒，并为提高临界压力而把筒体计算长度尽量减小。根据这一理论，如筒体上设置加强圈等刚性构件时，设置加强圈后的筒体计算长度至少应该处于区分长圆筒和短圆筒的临界长度，以保证该筒体处于短圆筒。如设置了加强圈而该筒体仍为长圆筒，由于长圆筒的临界压力与计算长度无关，所以设置加强圈没有起到任何作用，等于不设。 据此，可以用临界长度来计算在既定D.、式、尺条件下设置加强圈的最大间距。根据长、短圆筒临界外压计算公式，以及圆筒的计算外压，得到：铨-喻isr实际的加强圈间距，当然可以小于Zmax，加强圈间距越小，在既定结构下越能提高筒体的临界压力。对上例，计算出=18.5m，所以设置加强圈的间距应不大于18.5m.据此，该25.5m的负压除尘管道只需设置1个加强圈，如果采用11曹钢（厚度8.5mm），则增加的材料重量为250kg左右；如采用增加壁厚的措施，通过验算只需将S增大到9mm即可满足稳定性条件，而随之增加的重量约为2.4吨（请读者自己验算）。可见，设置加强圈是增加管道稳定性很经济而又可靠的方法。 以上就是外压圆筒稳定性设计的解析计算。 在工程中常用的还有图解法，请GB150.另外，设置的加强圈其惯性矩需满足一些强度条件，具体请GB150，这里不再赘述。 根据本文所讨论的解析计算公式，编制了外压除尘管道稳定性校核计算软件，如所示。对设计人员而言，只要输入负压除尘管道的各种结构参数，就能判断管道是否发生失稳，同时计算出失稳时设置加强圈的最大间距。 外压除尘管道稳定性计算软件5结论本文运用压力管道设计知识中关于外压容器失稳理论，研究了负压除尘管道的变形行为，得出以下结论：GB150中关于外压容器失稳理论可以用于负压除尘管道稳定性的判定，计算结果合理可信。 通过加强圈是增加管道稳定性很经济而又可靠的方法。 编制了负压除尘管道稳定性校核计算软件，管道设计者用这种软件能方便快捷地判定管道是否变形。
