伊蒙生

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

某項目有4臺480t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐，其產(chǎn)生的煙氣，經(jīng)過除塵、脫硫后送至1座180m的煙囪。采用不設(shè)置煙氣加熱系統(tǒng)(GGH)的濕法脫硫(FGD)工藝技術(shù)。正常運行時，排入煙囪的煙氣溫度在50℃左右，濕煙氣在煙囪內(nèi)結(jié)露形成冷凝酸液，屬于強腐蝕性濕煙氣[1]。按照國家關(guān)于煙囪設(shè)計標準、電力行業(yè)煙囪設(shè)計標準的規(guī)定，確定煙囪采用套筒式煙囪，1個鋼筋混凝土外筒，2個鈦鋼復(fù)合板鋼內(nèi)筒(兩爐一管)。

1 設(shè)計數(shù)據(jù)

煙囪設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 煙囪設(shè)計參數(shù)

2 兩種鋼內(nèi)筒型式對比分析

現(xiàn)階段，套筒式煙囪內(nèi)筒型式主要有兩種：一是自支撐結(jié)構(gòu)，國內(nèi)占比很高，約90%以上，其設(shè)計、采購、施工全過程都很成熟；二是懸掛式結(jié)構(gòu)，節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，計算繁瑣，但是可以很大程度節(jié)約成本，近年也有一些工程實例。下面從結(jié)構(gòu)、計算、施工、經(jīng)濟性四個方面對兩種內(nèi)筒型式進行分析比較。

2.1 結(jié)構(gòu)特點

自支撐式鋼內(nèi)筒，筒身底部通過地腳螺栓與混凝土基礎(chǔ)連接，所有外部載荷直接作用于筒身。鋼內(nèi)筒與混凝土外筒內(nèi)壁之間設(shè)置大于1m的凈間距，并沿煙囪軸線方向設(shè)置檢維修鋼平臺，間隔30m左右設(shè)有水平止晃結(jié)構(gòu)(與鋼平臺配合)，限制鋼內(nèi)筒在水平方向的位移。

懸掛式鋼內(nèi)筒有整體懸掛式和上懸掛下自支撐的組合方式，整體懸掛式鋼內(nèi)筒的整個筒身通過鋼牛腿設(shè)置在混凝土外筒上的懸掛平臺，上懸掛下自支撐是中上部筒體掛在懸掛平臺，下部筒體支撐在基礎(chǔ)上或者某一標高的底層鋼平臺，兩段之間用伸縮節(jié)連接，協(xié)調(diào)兩段筒體之間的變形和位移量。鋼內(nèi)筒于混凝土外筒內(nèi)壁之間同樣設(shè)置大于1m的凈間距，檢修平臺和止晃結(jié)構(gòu)的設(shè)置與自支撐式相同。鋼內(nèi)筒的載荷通過平臺傳遞到混凝土外筒。

2.2 設(shè)計計算

自支撐式鋼內(nèi)筒的極限承載能力計算，除應(yīng)包括自重荷載、煙氣溫度作用外，還要考慮混凝土外筒在風(fēng)載和地震作用下產(chǎn)生的變形協(xié)調(diào)、煙道熱脹冷縮產(chǎn)生的推拉力及安裝和檢修作用力。

內(nèi)筒應(yīng)進行強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和煙道入口補強計算。

由于需承受整個筒身質(zhì)量，自支撐鋼內(nèi)筒是整體受壓的狀態(tài)，有失穩(wěn)風(fēng)險。為了保證強度和剛度，內(nèi)筒壁厚要足夠大。

由于筒身不分段，自支撐內(nèi)筒具備良好的整體性，對于正壓運行的煙囪，它具備優(yōu)越的抗?jié)B透能力。筒身通過地腳螺栓直接與基礎(chǔ)連接，所以其自重不會直接作用于混凝土外筒。

懸掛式排煙筒的載荷主要考慮自重、地震通過外筒作用到內(nèi)筒的力和彎矩、煙氣溫差等。

內(nèi)筒主要做整體強度、懸掛點和止晃點處筒體局部強度計算。另外，伸縮節(jié)的設(shè)計也是懸掛式煙囪設(shè)計的關(guān)鍵，除考慮由于煙氣溫度變化而引起鋼內(nèi)筒豎向變位，還要考慮在外筒的橫向位移作用下，按照外筒和鋼內(nèi)筒變形協(xié)調(diào)一致原則，鋼內(nèi)筒在懸掛承重平臺和止晃平臺處會產(chǎn)生一相對位移，而對伸縮節(jié)產(chǎn)生影響。這樣就要求伸縮節(jié)處既要滿足結(jié)構(gòu)的變形要求，又要保證煙囪的密閉性能。

由于大部分內(nèi)筒(整體懸掛式的全部內(nèi)筒，上懸掛下自支撐式的懸掛段內(nèi)筒)的受力狀態(tài)是軸向拉伸，能充分發(fā)揮鋼板抗拉性能好的優(yōu)點，避免鋼板局部壓屈失穩(wěn)，筒壁薄[2]，用鋼量小。由于設(shè)有伸縮節(jié)(材料通常為氟橡膠)，對于正壓運行的煙囪，要重點考慮伸縮節(jié)處的抗?jié)B透能力，如果考慮不周，則會存在安全運行隱患。設(shè)計和施工都要全面且仔細，煙囪運行期間要定期巡檢，及時處理滲漏、腐蝕等情況。

內(nèi)筒質(zhì)量通過懸掛鋼平臺直接作用于混凝土外筒。

2.3 施工

由于自支撐式鋼內(nèi)筒結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，其施工技術(shù)也比較成熟，通常情況采用“氣壓頂升”法[3]。該方法具有原理清晰、設(shè)備簡易、操作簡單、過程平穩(wěn)的優(yōu)點。

對于懸掛式鋼內(nèi)筒，筒節(jié)吊裝主要采用 “液壓提升”，同樣是一種成熟、可靠的施工技術(shù)。

由于懸掛式筒身長度通常比自支撐式要短，所以施工周期更短。

2.4 經(jīng)濟性

懸掛式鋼內(nèi)筒具有筒壁薄、用鋼量小、經(jīng)濟性好的特性，但膨脹節(jié)的施工需牢固可靠，要考慮維護和更換的費用。自支撐式排煙筒整體性好，筒壁厚，用鋼量大，因鋼材成本差價遠大于膨脹節(jié)維護和更換費用，所以其經(jīng)濟性差。

3 本項目煙囪型式的確定

綜上所述，自支撐式鋼內(nèi)筒受力情況清晰，結(jié)構(gòu)簡易，但由于整體受壓，存在失穩(wěn)隱患，為此筒壁要厚，用鋼量大。懸掛式鋼內(nèi)整體受拉，充分發(fā)揮鋼材拉伸性能好的優(yōu)勢，不存在失穩(wěn)、筒壁薄、用鋼量小。本項目煙道入口中心線高度41m，經(jīng)計算比較，懸掛式比自支撐式鋼內(nèi)筒節(jié)省用鋼量40% 左右，由于內(nèi)筒為鈦鋼復(fù)合板，材料價高，所以費用節(jié)省明顯。

懸掛式內(nèi)筒的設(shè)計、計算相比自支撐式要繁瑣，但其受力狀況好，經(jīng)濟性有明顯優(yōu)勢，正逐步贏得廣大用戶和工程公司的認可，而且近幾年的工程應(yīng)用越來越多，相關(guān)技術(shù)也逐步走向成熟。所以項目決定采用懸掛式鋼內(nèi)筒結(jié)構(gòu)。

在工程設(shè)計時，外部煙氣管道與煙囪鋼內(nèi)筒在連接接口處考慮為無位移連接，即各自解決膨脹問題。如煙囪鋼內(nèi)筒采用整體懸掛式結(jié)構(gòu)，經(jīng)計算，鋼內(nèi)筒最大豎向膨脹量為170mm左右，而在鋼內(nèi)筒入口處的位移無法解決。經(jīng)充分考慮，最終確定鋼內(nèi)筒選用上懸掛、下自支撐，中間設(shè)置伸縮節(jié)的型式(見圖1，標注單位為m)。51.5～180m內(nèi)筒通過鋼牛腿懸掛于160m鋼平臺，34～51.1m內(nèi)筒支撐在34m鋼平臺。兩段內(nèi)筒之間設(shè)置膨脹節(jié)(標高51.1m)。鋼筋混凝土外筒總高174.5m，內(nèi)筒伸出外筒5.5m。頂平臺設(shè)在173m，懸掛平臺設(shè)在160m，每個內(nèi)筒均布8個懸掛鋼牛腿，分別在125m、90m、70m、50m設(shè)置止晃平臺，34m處設(shè)置底部支撐平臺，每個內(nèi)筒設(shè)置8個支撐鋼牛腿。

圖1 煙囪結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

目前，煙囪運行狀況良好。通過該工程案例，可以得出的結(jié)論如下：與傳統(tǒng)自支撐式鋼內(nèi)筒相比，采用懸掛式鋼內(nèi)筒是完全可行的，且在筒身安全性、經(jīng)濟性、施工周期等方面有優(yōu)勢，可取得良好的社會經(jīng)濟效益，具有積極的推廣前景。