【摘 要】通过对梅山钢铁股份有限公司4#高炉减压阀组剧烈振动的原因分析，结合高炉减压阀组改造项目的实践经验，得出在设计中充分考虑气流分布以及管道布置对管道振动的影响并采取适当的措施可以有效控制减压阀组及其组件的振动，使设备长期稳定运行的结论。
【关键词】高炉减压阀组；振动；气流分布；管道布置
1 引言
煤气减压阀组是高炉炼铁系统的关键设备，该设备安装在除尘设备后的煤气管道上，与煤气余压透平发电装置（TRT）并联。高炉产生的高压的高炉煤气正常生产时经过TRT发电后，温度和压力降低进入低压煤气总管，在TRT出现故障或检修时，高压的高炉煤气经过减压阀组减压后并入高炉煤气低压管网。煤气减压阀组对控制高炉炉顶压力和保障高炉的安全生产起到重要的作用。随着炼铁工艺的发展，高炉的规模越来越大，高炉的规模增大带来煤气量的增加，同时工艺的发展也带来了炉顶压力越来越高，煤气量的增加和压力的提高都对减压阀组的性能提出了更高要求。
2 梅山高炉减压阀组现状
上海梅山钢铁股份有限公司4#高炉炉容3200 m3，煤气量48～55万m3/h，炉顶压力约250 kPa。高炉TRT发电机组故障或检修时，高炉产生的高炉煤气经重力除尘和干法除尘净化后通过减压阀组，将高炉煤气压力由250 kPa减至12 kPa。高炉减压阀组由前后封头和封头之间的4根支管以及支管上的4个三偏心蝶阀组成，4个三偏心蝶阀由CCI供货，整个阀组由国内某知名设计院设计集成。高炉投产后，减压阀组都出现了震动过大的现象，开启减压阀组后，减压阀后的管道震动比较严重，很短时间内（约1~2 h）就会出现管道震裂的情况。管道出现震裂后，需要组织人员进行抢修，抢修频率高，难度大，并且会影响高炉生产，同时液压缸经常产生渗漏，拉杆等附件也容易损坏。
3 原因分析
由于现场的管道震动很大，减压阀组工作时，减压阀组平台也跟随减压阀组一起震动；从裂纹的位置分析，管道上的裂纹主要分布在减压阀后支管上，也和管道震动最大的位置相符；管道上的裂纹主要是沿管道纵向的裂纹。
由于阀组前后的压力相差很大，其比值大于临界压力比，在每个阀门的阀板周边气流速度很高以及阀门前后由于气流分布不均，会产生强烈的激波噪声并引起阀门和管道的震动，这是产生振动的内部因素；由于管道具有一定的柔性是振动产生的外部因素。因此，从这两个方面来分析振动过大的原因。
3.1内部因素
3.1.1高炉煤气本身的因素
由于高炉不断向大型化发展，高炉煤气的发生量不断增加，减压阀组的尺寸也随之增加。高炉工艺的发展，炉项压力也有提高。由于高炉煤气除尘工艺的发展，越来越多的高炉煤气净化工艺由湿法除尘改为干法除尘，除尘工艺的改变导致了高炉煤气温度的提高，由原来40℃左右提高到100～250℃，煤气的工况风量也随之增加。以上因素造成了高炉煤气减压阀组尺寸在不断增加，前后的压力差也在增加，工作温度也有显著的提高。
3.1.2气流分布的因素
高炉煤气在高速流经减压阀后所形成的涡流是引起管道震动的直接原因。由于减压阀的节流作用，压力由高至低，减压处的气体流速非常大，接近声速；同时，由于气体的压力急剧降低，体积瞬间增大到原来2.5倍左右；接近声速的流体速度以及体积急剧增大，使气流中产生涡流，涡流与管道接触使管道产生震动。廖定荣[2]指出，减压阀进出口的喇叭状导流管对气流的分布有较大影响,减压阀组出口管设置的水封对气流分布也产生较大的影响。
3.2外部因素
煤气管道具有一定的柔性是产生震动的外部因素。减压阀组及减压阀组前后的管道都是钢铁材质，具有一定的柔性。通常来讲，管道的直径越大、管道的壁厚越厚、管道的支架间距越小，管道的柔性越小。减压阀组的支管的柔性大小对减压阀组的震动有相当大的影响，减压阀组前后管道的柔性大小也对减压阀组的震动大小有一定影响。
支架的柔性也对减压阀组的震动有一定的影响，刚度强的支架可以避免和管道形成共振，从而避免由于共振使管道的振幅成倍增加而导致的管道损坏。
由以上分析可知，造成管道振动的因素很多，分析出主要因素成为解决减压阀组振动问题的关键因素。由于减压阀组的工艺功能为气体减压，所以气体压力降低和体积增大是不可避免的。管道和支架在原设计中已经考虑到振动因素，管道壁厚进行加强处理，管道支架也采用多片支架以减少震动。改善气流分布状况从而减少涡流成为减小管道震动的主要措施。
4 改造方案
常用的减压阀组有两种形式，一种是长型结构，另一种短型结构，两种结构都有成功应用的案例。长型结构的优点在于，气流截面积改变缓慢，减压阀后的流道长，有利于气流稳定；缺点在于，由于减压阀组的支管长度增加，管道的柔性也增加，管道的刚度相应减少，不利于减少阀组的振动。梅钢的减压阀组采用长型结构，并且现场的情况决定了改为短型结构的减压阀组并不现实，所以根据长型减压阀组的实际情况制定了减振方案。根据上述振动产生的原因及现场的实际情况，制定了减少振动的方案。
4.1取消减压阀组后封头与消声器之间的缩径管
由于减压阀组后封头与消声器之间存在缩径管的原因，煤气的能量不能得到充分的释放，使支管与封头连接部位的涡流状态加剧，而涡流状态加剧是管道及支架产生振动的主要原因，因此方案中取消减压阀组后封头与消声器之间的缩径管，改为与后封头管径相同的短管相接。同时，由于与消声器的接口发生变化，联系原消声器厂家确认，可以对消声器部锥管部分切割改造，从而实现取消减压阀组后封头与消声器之间的缩径管。改造前后减压阀组外形如图1。
4.2支管之间用结构钢连接
由于梅钢的减压阀组采用长型结构，其支管的柔性更强，刚度更小，易产生振动。将4根减压阀支管两两相连可以增强减压阀组的整体性，整体钢性显著增强。
4.3增加支管的壁厚
增加管道的壁厚来增加刚度是简单且行之有效的方法，由于振动的原因，现有减压阀组支管都存在振裂后紧急修复的补丁，这些补丁不仅影响美观，最重要的是影响支管的强度，存在安全隐患。本项目中将原来各管道支管更换并将支管的壁厚由10 mm增加到16 mm，支管自身的强度从而得到有效增加，同时由于支管壁厚的增加也可有效增加支管的强度，可以抵抗强度更高的振动，使减压阀组整体更稳定。
5 改造结果及应用效果
2014年8月利用高炉休风机会，对减压阀组进行了改造，改造的内容主要包括对减压阀组后的管道进行改造，取消减压阀组后封头与消声器之间的缩径管，更换4根减压阀组支管，更换已振坏的DN600的调节阀，更新部分液压管路，对管道支架和平台以及消声器进行改造。改造后，减压阀组投入使用，并对TRT进行大修，减压阀组连续运行28天，减压阀组及相关管道的振动明显减少，整个阀组运行状态良好。
6 结论
高炉的规模越来越大，高炉煤气减压阀组处理的气量越来越大，减压阀前后的压差也越来越高，给减压阀组的设计施工带来一定的问题，尤其是由于气量大、压差高带来的减压阀组振动给生产的运行带来相当的麻烦。这些问题经过理论分析并且采取相应的对应措施可以有效减少减压阀组的振动，为高炉稳定生产提供保障。
