王艷平，李書奇，封 云

（中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 引 言

隨著社會和經(jīng)濟建設的不斷發(fā)展，能源的需求量越來越大，環(huán)境保護的投入力度不斷加強，龐大的脫硫產(chǎn)業(yè)應運而生，脫硫吸收塔則是脫硫產(chǎn)業(yè)中的核心設備，是電力系統(tǒng)中必不可少的部分。近些年來，生產(chǎn)過程中脫硫塔火災事故多有發(fā)生，脫硫塔作為大型薄壁鋼制圓筒形結構，結構形式特殊而復雜，火災后通過對結構進行檢測鑒定來確定脫硫塔受損情況，從而制定出適合的加固方案［1］。

1 某脫硫塔工程概況

煅燒脫硫塔總高 70.3 m，共分為 3 段，基礎至標高 32.0 m 為直徑 5 m 的脫硫塔筒，標高 32.0 m 至標高 49.0 m 為直徑 8.5 m 濕式電除塵除霧器，標高 49.0 m 至標高 70.0 m 為直徑 2.4 m 的小煙囪。塔筒底部為 32 根 M42 的均布螺栓，碳鋼橫向焊縫約 30 道，塔筒外側有支撐框架結構，梁柱截面為 H 型鋼，四面交叉支撐為圓管，有支撐處框架結構平面尺寸為 8.5 m×8.5 m，共 5 層，每層高度為 6.4 m，頂部標高約 32.0 m，外包式剛接柱腳。鋼柱和部分框架梁材質(zhì)為 Q345B，部分鋼梁和柱間支撐材質(zhì)為 Q235。濕電+脫硫塔總圖如圖1 所示。

圖1 濕式電除塵脫硫塔外立面圖

由于塔內(nèi)失火，塔體部分出現(xiàn)變形，受該建筑主管單位委托，筆者單位對火災后的結構進行了檢測鑒定并給出了處理意見，并依據(jù)檢測鑒定報告對該工程提出結構加固方案。

2 現(xiàn)場檢測情況

2.1 外觀損傷檢測

對具備檢測條件的部位進行外觀損傷檢測，檢測結果如下。

1）高度方向上，脫硫塔鋼筒壁在第一道焊縫和第二道焊縫之間破壞嚴重，特別是第一道環(huán)形鋼箍與第一道焊縫之間；

2）環(huán)向方向上，西側和北側破壞最嚴重，東側次之，南側最輕；從正東方向地腳螺栓逆時針方向到正南方向偏西第 2 個地腳螺栓，接近 3/4 個圓周都有肉眼可見嚴重破壞；

3）脫硫塔破壞主要特征是鋼筒壁受壓屈曲，大部分向外凸出，最大凸出約 8 cm，局部向內(nèi)凹陷，最大凹陷約 12 cm；

4）從下到上，第 2 道鋼箍局部已與筒壁脫開，焊縫破壞；

5）其他區(qū)域局部也有鋼板輕微凹陷或凸出的情況。

2.2 鋼材厚度檢測

依據(jù) GB/T 50621－2010《鋼結構現(xiàn)場檢測技術標準》［2］，采用超聲測厚儀對鋼材厚度進行檢測。根據(jù) GB 709－2006《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》［3］的規(guī)定，該工程鋼板的尺寸偏差要求為 ±0.9 mm。所抽檢 21 處鋼材的厚度均滿足設計及規(guī)范要求，檢測結果如表1 所示。

2.3 鋼材力學性能檢測

現(xiàn)場取樣對鋼材力學性能進行檢測，其中 5# 樣品與 6# 樣品在塔底明顯變形處截取。根據(jù)委托方提供的資料，該工程采用的鋼材牌號為 Q235。根據(jù) GB/T 700－2006《碳素結構鋼》［4］的規(guī)定，牌號 Q235 的鋼材，厚度≤16 mm 時，屈服強度≥235 N/mm2，抗拉強度范圍為370～500 N/mm2，斷后伸長率不小于 26 %；試樣方向為橫向時，冷彎試驗 180°彎心直徑應為 1.5 倍鋼材厚度（21 mm）。所抽檢 6 件樣品的鋼材力學性能均滿足設計及規(guī)范要求。檢測結果如表2 所示。

表1 鋼材厚度檢測結果 mm

表2 鋼材力學性能檢測結果

2.4 焊縫外觀檢測

依據(jù) GB/T 50621－2010《鋼結構現(xiàn)場檢測技術標準》，對焊縫外觀質(zhì)量進行檢測。檢測結果為焊縫均有不同程度的錯邊、焊瘤、表面不平整等狀況；局部環(huán)形箍與筒壁間焊縫有未滿焊、脫開、開裂狀況，檢測結果如表3 所示。

2.5 焊縫缺陷檢測

依據(jù) GB/T 50621－2010《鋼結構現(xiàn)場檢測技術標準》、GB/T 11345－2013《焊縫無損檢測超聲檢測技術、檢測等級和評定》［5］相關要求，對鋼結構焊縫缺陷進行超聲波探傷檢測。根據(jù)委托方提供的設計圖紙，該工程焊縫超聲波探傷 Ⅱ 級為合格。所抽檢 13 條焊縫的質(zhì)量等級均為 Ⅳ 級，均不滿足設計要求，檢測結果如表4 所示。

表3 焊縫外觀檢測

表4 焊縫缺陷檢測結果

2.6 構件變形檢測

依據(jù) JGJ 8－2016《建筑變形測量規(guī)范》［6］，采用經(jīng)緯儀對結構垂直度進行檢測。所測脫硫塔最大傾斜值為 H/289，所測剛架最大傾斜值為 H/483，所測細煙囪最大傾斜值為 H/214，所測粗煙囪最大傾斜值為 H/2140。該構筑物鋼板變形嚴重，結構傾斜變形有可能繼續(xù)發(fā)展，不符合 GB 50144－2008《工業(yè)建筑可靠性鑒定標準》［7］安全性要求。檢測結果如表5 所示。

表5 結構垂直度檢測結果 mm

3 結構安全性鑒定

該脫硫塔受火以后，現(xiàn)狀如下所述。

1）底部大部分鋼筒壁已被壓屈，出現(xiàn)明顯變形破壞、結構失效的情況；

2）塔身出現(xiàn)較大傾斜變形，且可能繼續(xù)發(fā)展；

3）局部環(huán)形箍與塔體已脫開，局部焊縫破壞；

4）焊縫內(nèi)部質(zhì)量現(xiàn)狀均未達到設計要求，焊縫缺陷較大；

5）焊縫外觀存在錯邊、焊瘤、表面不平整等狀況。

目前塔體結構已失效，安全性不滿足規(guī)范 GB 50144－2008《工業(yè)建筑可靠性鑒定標準》要求，存在較大安全隱患。

4 結構加固處理

4.1 脫硫塔結構受力體系分析

脫硫塔的施工順序和結構組成，影響圓形塔筒的受力特征，因此，掌握塔筒施工過程順序是必要的。經(jīng)與業(yè)主單位及施工單位溝通，塔筒的施工順序如下所述。

1）外側有支撐鋼框架結構施工，施工至脫硫塔標高；

2）在有支撐鋼框架結構內(nèi)部的直徑 5 000 mm 鋼塔筒施工；

3）濕式電除塵除霧器安裝，脫硫裝置荷載由外側格構塔架承擔；

4）鋼塔筒底部的濕式電除塵除霧器裝置以上直徑 2 400 mm 細塔筒施工；

5）焊接直徑 5 000 mm 鋼塔筒的頂部與濕式電除塵除霧器的底部，連接成整體。

根據(jù)上述對塔筒施工過程和結構組成的體系分析，可知，脫硫塔下方的鋼塔筒為自承重塔筒，故其鋼板的豎向應力水平較低，豎向應力為自重應力。

4.2 脫硫塔加固方案

結構加固設計強調(diào)概念設計，以構造為主，計算為輔，火災后結構受損情況復雜，其計算模型、計算公式均應視不同情況而定，且這方面的研究試驗資料較少。因此，計算理論的不成熟只有采取構造措施來彌補。計算與構造，兩者相輔相成。依照各部位受損傷的情況制定該脫硫塔加固方案。

4.2.1 底部壓屈鋼筒壁加固措施

對于底部鋼筒壁壓屈問題，采取在塔筒外側，沿塔筒周邊布置豎向加勁肋（100×10@490），沿直徑 5.0 m 脫硫塔周邊均勻布置 32 個，在柱腳錨栓之間，豎向肋高至第二道焊縫；在塔筒外側，沿塔筒高度方向水平加勁肋（100×5@600），至第二道焊縫。對變形較小的塔筒鋼板一般不割除；對變形較大的塔筒鋼板割除，采用對接焊縫（焊縫質(zhì)量等級一級）補同厚鋼板。新增加固用的鋼板材質(zhì)均為 Q345D。焊條型號 E50XX型。加勁肋示意圖如圖2 所示。

圖2 加勁肋示意圖（單位：mm）

4.2.2 塔身出現(xiàn)較大傾斜變形的不作特殊加固處理

考慮到塔體頂部的關鍵脫硫裝置的荷載由外側附加的有支撐鋼框架承擔，塔筒以自承重受力為主。待對結構底部局部變形處理或加固后，既有脫硫塔身的傾斜對自承重結構的內(nèi)力影響較小，故不對塔筒本身作傾斜加固處理。

4.2.3 環(huán)向鋼板箍局部焊縫加固措施

對于環(huán)向鋼板箍局部焊縫開裂問題，采取局部拆除此處環(huán)向鋼板箍，重新打磨原有焊縫，重新采用 Q345D 的同厚同寬鋼板焊接。

4.2.4 焊縫內(nèi)部質(zhì)量現(xiàn)狀均未達到設計要求加固措施

對于脫硫塔及濕電除塵除霧器殼體的水平環(huán)向焊縫質(zhì)量不合格問題，采取在塔筒鋼板焊縫處的雙側貼補 t=8 mm 厚鋼板，或單側貼 t=10 mm 厚環(huán)向鋼板，鋼板寬度均為 150 mm。新增鋼板與原塔筒鋼板采用連續(xù)角焊縫焊接。鋼板材質(zhì)同原結構，塔筒壁單側或雙側新增環(huán)向箍版加固節(jié)點如圖3 所示。

圖3 塔筒壁新增環(huán)向箍版加固節(jié)點（單位：mm）

4.2.5 局部柱腳錨栓破壞的加固措施

對于已破壞的柱腳錨栓問題，采取直接拆除已破壞的錨栓及底板，在其相近位置采用無機植筋膠，增補錨栓 2M25（材質(zhì) Q345D）及底板 t=30 mm（Q345D）灌補償收縮灌漿料 C40，錨深 600 mm，并在錨栓之間增加設置豎向加勁肋板。新增加固用的鋼板材質(zhì)均為 Q345D，新增錨栓的加固節(jié)點如圖4 所示。加固用的錨栓的局部布置尺寸視現(xiàn)場尺寸條件情況，可適當調(diào)整。

圖4 塔筒底新增錨栓節(jié)點詳圖（單位：mm）

4.2.6 局部防腐涂層破壞的修復措施

對于局部涂層損傷或破壞問題，采取重新手工打磨鋼板表面進行手工除銹，除銹等級 St2.5。打磨表面至金屬色，再重新涂防腐漆，漆膜厚度≥ 150μm。

4.3 脫硫塔加固施工順序

加固施工應制定嚴格的施工順序和施工方案設計，具體加固施工順序及要求如下。

1）拆除濕式電除塵除霧器頂部的直徑2 400 mm 煙囪；

2）進行脫硫塔筒根部新增錨栓的加固施工；

3）進行脫硫塔筒底部豎向加勁肋的焊接施工；

4）進行脫硫塔筒底部水平加勁肋的焊接施工；

5）進行脫硫塔筒環(huán)向箍版的修復或補強施工；

6）重新安裝濕式電除塵除霧器頂部的直徑2 400 mm 煙囪；

7）防腐涂層的修復或噴涂施工。

5 結 語

根據(jù)對檢測結果的分析，對火災后的某脫硫塔結構的底部鋼筒壁外側采用新增豎向加勁肋及水平環(huán)向加勁肋，以解決壓屈變形問題；采取局部拆除開裂處環(huán)向鋼板箍，重新打磨原有焊縫，用同厚同寬鋼板焊接；對于殼體上焊縫內(nèi)部質(zhì)量現(xiàn)狀未達到設計要求的部位，采取在塔筒鋼板焊縫處雙側貼補或單側貼補鋼板；對于已破壞的柱腳錨栓問題，采取直接拆除已破壞的錨栓及底板，新增錨栓和底板；對于局部涂層損傷或破壞問題，采取重新手工打磨鋼板表面進行鋼板表面手工除銹，再重新涂防腐漆。本加固設計方案是基于業(yè)主單位及施工單位所述的結構施工順序及結構體系，滿足塔筒自承重的結構受力特征，若實際施工狀態(tài)或節(jié)點構造連接不符合上述要求，則本方案不適用，需另行對結構加固設計。

火災后建筑結構情況復雜，其檢測鑒定、加固設計及加固施工是一項系統(tǒng)工程，加固的施工質(zhì)量乃是加固成敗的關鍵。在施工期間，各方人員必須深入現(xiàn)場，對每個構件的每道加固工序共同驗收及確認，驗收合格后方可進行下道工序。另外，設計人員應根據(jù)構件實際燒傷狀況隨時調(diào)整和改進原加固設計構造細節(jié)，確保結構在使用期限內(nèi)的安全性、適用性及耐久性。