钢筋混凝土烟囱加固设计及施工
摘 要:介绍某浮法玻璃厂80m钢筋混凝土烟囱加固设计和施工。并对烟囱筒壁混凝土起鼓碎裂的原因进行分析计算。
关键词:烟囱 起鼓碎裂 热阻 隔热层 加固设计
1 烟囱危情的发现
某浮法玻璃厂在全厂安全生产检查时,发现第二浮法生产线玻璃熔化窑的钢筋混凝土烟囱筒壁在烟气入口处上方出现约高1 m、宽4 m范围内混凝
土起鼓并严重碎裂,见图1。碎裂的混凝土呈酥脆状,局部筒壁混凝土已经丧失了承载能力。手感烟囱根部筒壁外表面温度达100℃左右。烟囱根部筒壁表面也有多条明显裂缝。
Industrial Construction Vol•38, Supplement,2008 该钢筋混凝土烟囱高80 m,上口净内径3 m,设计烟气温度450℃。该浮法玻璃生产线于1995年建成投产,至今已有十多年之久。钢筋混凝土烟囱筒壁被烟气烤坏,在国内100多条浮法玻璃生产线还是第一次发生。
发现钢筋混凝土烟囱筒壁起鼓碎裂时,正临近南方沿海台风季节,情况十分危急。如果因烟囱事故导致熔化窑放玻璃水冷修,经济损失将达几千万
之巨。如果烟囱倒塌,则后果更是不堪设想,经济损失更加惨重。因此,必须在台风来临之前对烟囱筒壁进行抢救性紧急加固,确保安全生产。
2 钢筋混凝土烟囱筒壁起鼓碎裂原因分析
经现场观察、检查和了解并经分析认为,导致混凝土烟囱筒壁起鼓碎裂的可能原因有:
1)烟气温度太高,这是最直接的原因。设计烟气温度为450℃,但厂方生产的实际烟气温度高达600℃左右,而且长期高温度运行,因此要求厂方必
须采取提高余热利用的效率、降低烟气温度的措施:完全关闭烟气主烟道上的截断闸板,让熔窑烟气100%的先通过余热锅炉,余热锅炉吸收烟气余热后的烟气经由余热锅炉烟道进入烟囱。一方面进入烟囱烟气的温度大为降低,另一方面余热锅炉的热烟道入口底标高比主烟道入口底标高约高3 m,且两入口之间设有隔烟墙。这样可有效地大幅度地降低烟囱根部内部的温度。
2)烟囱内厚230 mm耐火砖内衬局部塌落损坏,隔热失效。对此,需要派人从烟囱根部的掏灰孔进入烟囱内部检查才能证实。
3)烟囱内厚120 mm矿渣棉隔热层损坏或没有完全充满填实,矿渣棉隔热层失效。这要在凿除筒壁上起鼓开裂的混凝土时才能进行探查和证实。但
在筒壁加固之前,为确保烟囱安全,不能凿除起鼓碎裂的混凝土。
4)钢筋混凝土筒身局部施工质量或材料质量存在问题。但此烟囱竣工验收后已经使用10多年,可基本排除此原因。
为了准确地证实导致烟囱烤坏的原因,厂方在完全打开主烟道调节闸板和完全关闭主烟道截断闸板的条件下,在严密的安全措施保护下,派人从烟囱掏灰口进入烟囱内部,检查烟道截断闸板至烟囱内部耐火砖内衬的状况。检查结果,所有耐火砖内衬完整,无裂缝和塌落,耐火砖隔热完全有效。故排除了烟囱耐火砖内衬隔热失效的原因。至此烟囱筒壁混凝土起鼓碎裂的原因只有烟气温度过高和厚120 mm矿渣棉隔热失效两个原因。
3 烟囱筒壁各受热点温度计算
1)计算模型及计算公式———按平壁法计算
R2=t2/λ2
R3=t3/λ3
Rex=1/aex
式中Tg、Ta———分别为烟气温度和空气温度,℃;
Tcj———计算各受热点的温度,即分别为T0、T1、T2、T3,℃;
t1、t2、t3———分别为烟囱内衬、隔热层、混凝土筒壁的厚度,m;
λ1、λ2、λ3———分别为烟囱内衬、隔热层、混凝土筒壁的导热系数,w/(m•K);
R1、R2、R3———分别为烟囱内衬、隔热层、混凝土筒壁的热阻,m2•K/w;
ain、aex———分别为烟囱内衬内表面和筒壁外表面传热系数,w/(m2•K);
Rin、Rex———分别为烟囱内衬内表面和筒壁外表面的热阻,m2•K/w;
Rtot———烟囱内衬、隔热层、混凝土筒壁总热阻,m2•K/w。
2)设烟气温度Tg分别为450℃(设计烟气温度)、500℃、600℃(超温运行的实际烟气温度)。烟囱外夏天空气温度40℃。反复利用公式(1)和公式
(2)交替渐进迭代计算,烟囱各受热点温度汇总如表1。
由表1计算结果可见:当120 mm厚矿渣棉隔热层有效时,无论烟气温度为450℃、500℃或600℃,烟囱筒壁内表面计算温度为103~121℃,均低于混凝土筒壁允许最高温度150℃,混凝土筒壁不可能烤酥起鼓碎裂。当120 mm厚矿渣棉隔热层失效时,矿渣棉隔热层变成空气隔热层,则隔热层的热阻大为降低,烟囱筒壁内表面的计算温度急剧上升,高达226~303℃,大大超过筒壁混凝土允许最高温度150℃。因此,隔热层失效是烟囱筒壁烤酥、起鼓、碎裂的真正原因。
4 烟囱筒壁加固设计和施工
4•1 加固设计思路
1)加强烟囱水平刚度,提高抗风能力,避免台风季节不可预见风载引起的意外事故。
2)修补起鼓碎裂筒身。因受损范围较大,应保证施工过程中,筒身竖向荷载的传递路径合理转移。
3)隔热层有效性探查和失效隔热层的修复填充。
4•2 加固设计、实施步骤及目的和要求
4•2•1 第一步:采用劲性钢筋混凝土抢救性紧急加固烟囱底部筒壁
第一步加固的目的在于加强从烟囱基础顶面-1•350m至地面以上10 m高度内的混凝土筒壁的刚度和强度,防止发生因筒壁混凝土局部丧失承载能力而倒塌。第一步加固必须限时完成,而且加固之后能起到立竿见影的作用。实施要点:
1)清除烟囱10 m以下筒壁外表面杂物,用8根宽翼缘工字钢立柱H350×350×12×19和4道钢环梁H350×350×12×16紧贴筒壁外侧,贴不紧处用钢片塞紧。并在筒壁起鼓碎裂部位上下环梁之间焊接4根H350×350×12×19短立柱,见图3。
2)钢立柱和钢环梁通过Ф22@400的植筋与钢筋混凝土筒壁连结,植筋与钢立柱和钢环梁相焊。
3)用C30混凝土(内掺适量膨胀剂)将钢立柱和钢环梁浇筑成与烟囱筒壁紧密相结合的劲性钢筋混凝土(筒壁混凝土起鼓碎裂处3根小钢立柱除外)。
4)因烟囱筒壁外表面温度较高,必须24h淋水养护。第一步加固完成后,能较大程度上提高烟囱筒壁的水平刚度和强度,即使台风到来,也不会发生烟囱倒塌事故。
4•2•2 第二步:烟囱竖向荷载传递路径转移
第二步加固的目的在于较大范围内凿除筒壁起鼓碎裂混凝土之后,该水平截面上承载能力受到很大的削弱。此时10 m以上筒壁的竖向荷载能全部
或部分地转移到8根劲性钢筋混凝土立柱上,由立柱再传到基础上。
实施要点:
1)在烟囱筒壁外侧表面10~12 m范围内用角向磨光机进行打磨,将混凝土表面碳化层和水泥砂浆铲除磨平,用清水清刷干净。
2)用8块等分的16 mm厚的钢板,每块钢板用14Ф22植筋螺栓和4根Ф52的实心钢销,并用喜立得胶将钢板固定在已打磨的烟囱筒壁外表面。植筋螺
栓和植筋钢销均用塞焊与钢板相连接。各钢板之间用45°的剖口焊。最终在10~11•85 m的烟囱筒壁外表面形成一个与筒壁紧密相连的锥形钢环箍。
3)在1•85 m高的锥形钢环箍的水平方向预留一排(8个)注浆孔,在竖向方向预留3排注浆孔。由下而上对锥形钢板箍与筒壁之间的间隙进行压力
注浆。注浆压力为0•4 MPa。封闭注浆孔并淋水养护3d,见图4。
4)在上述8根钢立柱及最上一道环梁的顶部焊放置400 mm高的钢箱形梁。在钢箱形梁上焊接间距1 m的变截面钢柱,每根变截面钢立柱与锥形钢环箍相焊,见图5。
第二步加固完成后,即使全部凿除烟囱起鼓碎裂部位的混凝土,10 m以上的烟囱竖向荷载可以全部或部分地通过钢销、植筋、锥形钢板箍、小钢立柱和箱形钢梁转移传递给8根钢立柱,确保竖向荷载转移传递路径通畅。
4•2•3 第三步:烟囱筒壁起鼓碎裂混凝土凿除和修补,探查隔热层有效性和修补隔热层第三步加固的目的在于凿除碎裂混凝土之后,探查120 mm厚矿渣棉隔热层是否充满填实,并对失效的隔热层进行修补,最后修复烟囱筒壁。
实施要点:
1)局部凿开起鼓碎裂的混凝土,探查发现,烟气入口处较大范围内无矿渣棉隔热层。在其他部位的不同高度处钻孔探查,有的有隔热层,有的没有。由此可见,烟囱根部120 mm厚矿渣棉没有完全充满填实,有很多缺失,变成空气隔热层,导致筒壁内表面温度超过普通混凝土允许耐热温度而被烤酥起鼓碎裂,这与上面计算结果吻合。
2)由于烟囱矿渣棉隔热层完整性不能全部探明,故不能再用矿渣棉重新填塞,必须用压力注入流态的隔热材料:质量密度1•2 t/m3,导热系数0•35w/(m•K),耐热度800℃,初凝时间1h。
3)在烟囱筒壁下部距离基础500 mm处开始钻Ф50注料孔。孔的水平方向每隔2•5 m,竖向每隔2~3 m,且水平方向上下层错位1•25 m。每个注料
孔上均安装进料管。
4)将隔热材料加水拌和,水灰比为1∶0•32,倒入压力容器内,由下而上与筒壁上进料管连接,用0•3 MPa的压力,将流态的隔热拌和料压入120mm厚的隔热层空腔内。每注完一层拌和料,停止1~2h,待注入料达到50%的固化程度,再进行第二层注料,直到完成。
5)全部凿除筒壁起鼓碎裂的混凝土,露出比较新鲜的混凝土表面,并清刷干净,刷结合剂,绑扎钢筋,用C30混凝土修复筒壁,并加强淋水养护。至此,烟囱加固任务完成。
5 烟囱加固设计及施工后效果和体会
烟囱加固后验收合格,达到加固设计的质量要求,见图6。
烟囱筒壁10 m高度以上的矿渣棉隔热层填实状况目前尚不可知,只能在停产冷修期间再行探查。两点体会:
1)熔化量在400~1 000 t/d规模的浮法玻璃生产线,熔窑产生的烟气温度因燃料品种、玻璃品种、熔化温度(热点)、蓄热室高度和烟道布置及长度的不同而异,烟气进入烟囱的温度一般在450 ~600℃。当烟气温度在600℃以下时,烟囱内120mm厚填满充实矿渣棉隔热层可以保证混凝土筒壁
内表面温度低于150℃。如果烟气温度超过600℃,则隔热层厚度要增加或改用导热系数更低的隔热材料,而且混凝土在温度作用下的弹性模量折减系数和钢筋在温度作用下的强度设计值应适当降低。
2)对于浮法玻璃熔窑烟囱的矿渣棉隔热层一定要填满充实,而且要设可靠的防隔热层沉降措施。如果矿渣棉没有填满充实,变为空气隔热层,因空气隔热层的导热系数比矿渣棉的导热系数约高10倍,则混凝土筒壁内侧表面温度将超过普通混凝土允许最高温度150℃,导致混凝土筒壁烤酥开裂。(图略)
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