某硫磺制酸裝置套管式鋼筋混凝土排氣筒的設計

1、<p>　　某硫磺制酸裝置套管式鋼筋混凝土排氣筒的設計</p><p>　　摘要：依據(jù)《煙囪設計規(guī)范》GB50051-2002，簡述某硫磺制酸裝置套筒式鋼筋混凝土外筒，鋼內筒排氣筒的結構計算及構造要求。 </p><p>　　關鍵詞：套筒式排氣筒；混凝土外筒；結構計算 </p><p>　　中圖分類號：TU375 文獻標識碼：A 文章編號： </p&

2、gt;<p>　　近年來隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，全國各地興建了許多大中型石油化工、冶金、電力項目，在這些項目中排氣筒是最常用的排放尾氣的構筑物。它屬于高聳構筑物，不僅高度高、承受的風荷大，而且還承受高溫作用及排放的煙氣的腐蝕。由于排氣筒自身的特殊性，結構設計時就須根據(jù)排氣筒高度、抗震設防烈度、材料供應情況和當?shù)厥┕l件等方面綜合考慮。以下本文就結合某硫磺制酸裝置套筒式排氣筒的設計簡述其結構計算及構造要求。 </p&g

3、t;<p><b>　　一．工程概況： </b></p><p>　　1）某硫磺制酸裝置建設地點位于貴州某地，年平均降水量1158.1mm，最大日降水量108.8mm，常年陰雨天氣。 </p><p>　　2）基本風壓：0.45KN/m2，極端最高溫度34.8℃，極端最低溫度-8.8℃。 </p><p>　　3）地面粗糙度：B類

4、， 場地土類型為軟弱場地土，建筑場地類別III類,特征周期為0.45s。本地區(qū)抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度0.05g,設計地震分組為第一組。 </p><p>　　4)排氣筒高度80米，常壓，煙氣設計溫度70oc，介質含少量的SO2,SO3氣體, 工藝進氣口標高：▽18.000,鋼內筒直徑2100mm，內筒凈重53.4噸。 </p><p>　　二．排氣筒結構選型： </p&

5、gt;<p>　　由于排氣筒的結構與煙囪類似，我們可以通過比較煙囪的類型來選型，依據(jù)煙囪設計規(guī)范來進行設計。我們知道煙囪通常有如下幾類： </p><p>　　1）磚煙囪：高度通常在60米以下，筒身用磚砌筑，耐熱性能比普通鋼筋混凝土好，但整體性和抗震性能差，在溫度應力作用下易開裂，施工復雜，手工操作多，周期長。 </p><p>　　2）鋼筋混凝土煙囪：高度通常在60~200

6、米，自重較大，整體性和抗震性能好，耐久性好，后期防腐維修費用少。一般用液壓滑模施工，便于機械化施工。 </p><p>　　3）鋼煙囪：根據(jù)高度可采用自立式、拉索式、塔架式。自重輕，施工周期短，安裝要求高，但由于鋼煙囪處于外露環(huán)境中，塔架及煙囪外表面易受大氣腐蝕，同時內表面又收到煙氣腐蝕和溫度作用。鋼梯均設置在筒壁外費用高，高空作業(yè)困難。 </p><p>　　以上幾種煙囪各有優(yōu)缺點，通過

7、對所建成的煙囪使用情況走訪了解，混凝土及磚煙囪存在有程度不同的裂縫及腐蝕，鋼煙囪后期防腐維護工作量大且操作不便，并且由于上煙囪頂部的鋼梯均設置在筒壁外，給上去維修及驗收檢測人員上下煙囪帶來極為不便。由于本建設場地常年陰雨天氣，業(yè)主從安全角度考慮，要求鋼梯設置在筒壁內，并減少后期防腐維修。經(jīng)與業(yè)主協(xié)商，最終采用鋼筋混凝土外筒承重，鋼內筒排煙氣的套筒式排氣筒。 </p><p>　　三．確定排氣筒尺寸及自重： <

8、;/p><p>　　首先要與業(yè)主及施工單位確定套筒式排氣筒的施工及吊裝方案，外筒先施工一般采用液壓滑模施工，鋼內筒的吊裝方案有兩種：一種是從上往下進行頂升吊裝的方法，另一種是從下往上順序安裝法進行吊裝的方法，兩種方法施工順序及安裝荷載不同。本裝置采用液壓頂升的施工方法。為了將鋼內筒安全有序，保質保量的安裝到位，設計時外筒的直徑、各層平臺的標高及中間內筒孔的大小、底部予留安裝洞口的位置及大小、避雷及信號燈的做法均須與工

9、藝、設備、電氣、儀表等專業(yè)密切配合，同時還須考慮以下幾點： </p><p>　　1）鋼筋混凝土承重外筒的最小厚度不宜小于250mm； </p><p>　　2）外筒與內筒之間各層平臺的通道寬度不易小于750mm； </p><p>　　3）考慮到頂部排煙口處冷凝易形成冷凝酸，腐蝕性較大，故將外筒低于鋼內筒2米，即外筒78米。 </p><p&g

10、t;　　4）鋼內筒應設置制晃裝置。制晃裝置采用剛性的，利用平臺作為約束構件。制晃裝置對鋼內筒僅起水平彈性約束作用，不應約束鋼內筒由于煙氣溫度作用而產(chǎn)生的豎向和水平方向的溫度變形。 </p><p>　　5) 當采用鋼內筒時，外筒底部應預留吊裝鋼內筒的安裝孔。如選擇在外筒外部焊接成筒的施工方案時，安裝孔寬度應大于鋼內筒外徑0.5~1.0m,孔的高度應根據(jù)分段鋼內筒長度確定，應確保每節(jié)鋼內筒被拖入混凝土外筒內直立后安

11、裝就位。吊裝完成后，應用磚砌體將安裝孔封閉。安裝孔的對應側面應開設一個檢修大門。 </p><p>　　6）除頂層為混凝土平臺外，其余各層平臺采用鋼平臺。鋼內筒采用自立式。鋼內筒外部可根據(jù)筒內溫度設置隔熱層。 </p><p>　　鋼筋混凝土排氣筒外筒與鋼內筒剛度相比，鋼內筒剛度較小，故在鋼筋混凝土外筒計算時可以不考慮鋼內筒剛度。因鋼內筒由設備專業(yè)設計，故以下僅敘述混凝土外筒的荷載及計算。

12、 </p><p>　　混凝土外筒根據(jù)進氣孔位置及大小，沿筒身高度分10節(jié)，具體尺寸及自重見下表及下圖。 </p><p>　　四．排氣筒平臺安裝檢修荷載 </p><p>　　根據(jù)煙囪設計規(guī)范規(guī)定： </p><p>　　1）頂層平臺積灰和檢修荷載標準值7KN/M2;2)懸掛鋼內筒的承重平臺及用于施工吊裝平臺計算時，平臺荷載標準值7~11K

13、N/M2，其它平臺活荷載標準值3KN/M2。 </p><p>　　各層平臺荷重見下表。 </p><p>　　五．排氣筒地震作用 </p><p>　　根據(jù)煙囪設計規(guī)范規(guī)定，6度地震區(qū)排氣筒設計可不考慮豎向地震作用，只計算水平地震作用。因本工程排氣筒高度不超過100米，可采用簡化法進行計算。 </p><p>　　排氣筒底部地震彎矩M地=

14、7272.25KNm；底部地震剪力V0= 205.14 KN。 </p><p>　　六．排氣筒溫度作用 </p><p>　　由于煙氣由鋼內筒及保溫層隔離，在通風條件良好情況下，計算時可不考慮溫度及溫度應力對材料強度的影響，按鋼筋混凝土外筒內壁溫度進行計算。 </p><p><b>　　七．排氣筒風荷載 </b></p>&l

15、t;p>　　根據(jù)煙囪設計規(guī)范，當排氣筒坡度2%,故可不考慮橫風向風振影響。 </p><p>　　排氣筒底部風荷載引起的剪力V風=278.4 KN，引起的彎矩M風=11775.46KMm </p><p>　　八．排氣筒附加彎矩 </p><p>　　附加彎矩計算是排氣筒這種高聳構筑物區(qū)別于其它低矮構筑物所受荷載的不同之處，也是排氣筒設計計算中較復雜和重要的步

16、驟。整個排氣筒筒身可視作一個環(huán)形截面的偏心受壓構件。在風荷載、日照、基礎傾斜、地震力作用下，筒身會側向撓曲變形和傾斜，筒身自重在筒身各水平截面都會產(chǎn)生附加彎矩。最終筒身的附加彎矩為風荷載產(chǎn)生的附加彎矩Mw, 日照產(chǎn)生的附加彎矩Mr及基礎傾斜產(chǎn)生的附加彎矩MJ之和。若考慮地震時，最終筒身的附加彎矩則為地震力、25%風荷載、日照和基礎傾斜引起的附加彎矩之和。 </p><p>　　由于排氣筒筒身的直徑及筒壁厚度沿著筒

17、身高度變化，剛度不同，風荷及地震力引起的彎矩也在變化，筒身水平截面上材料在不同變化階段和不同應力下塑形發(fā)展不同，各截面水平變位也不同，其最終附加彎矩應是各截面附加彎矩的疊加。為簡化計算可按規(guī)范先確定排氣筒筒身代表截面的位置，并以此截面的終曲率按等曲率計算筒身上各處的變位和轉角。筒身代表截面的位置可按煙囪規(guī)范7.2.7確定。本裝置符合7.2.7-2條，取煙道孔口上一節(jié)的筒壁底截面。另須注意當筒身下部大于3%的坡度段超過h/4范圍時，不能按

18、此確定筒身代表截面的位置及變形曲率，按排氣筒規(guī)范7.2.8公式計算，否則按此計算會使筒身附加彎矩計算值加大。 </p><p>　　鋼筋混凝土排氣筒筒壁設計是按水平截面承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩種狀態(tài)進行計算，故任意截面的附加彎矩計算時其折算線分布重力荷載及筒身變形曲率也分別按兩種極限狀態(tài)計算。折算線分布重力荷載是指排氣筒筒身自重沿筒身高度按直線分布取折算值，而筒身代表截面處變形曲率與截面上所受的荷載性

19、質、受荷階段及截面上材料的塑性發(fā)展程度有關。不同的極限狀態(tài)計算時均需先判別截面上材料的塑性發(fā)展程度，即用截面上的軸心力對截面中心的相對偏心距e的大小來判別截面上應力狀態(tài)，按e/r(筒身代表截面處半徑)大于0.5,或小于等于0.5選用不同的計算公式計算變形曲率。 </p><p>　　九．排氣筒筒壁承載能力極限狀態(tài)計算 </p><p>　　鋼筋混凝土排氣筒筒壁只計算水平截面的強度，這是因為

20、垂直截面僅承受溫度作用，在溫度差的單獨作用下，某些截面會出現(xiàn)塑形鉸，發(fā)生截面的轉動變形。 </p><p>　　根據(jù)工藝專業(yè)要求排氣筒筒壁需要留煙道孔洞時，這會削弱洞口截面的強度，故規(guī)范給出按截面無孔洞，有一個孔洞，有兩個孔洞時不同的公式分別計算，相應地筒壁上孔洞的設置應符合煙囪規(guī)范6.6.4的構造要求。 </p><p>　　十．排氣筒筒壁正常使用極限狀態(tài)計算 </p>&

21、lt;p>　　多年的工程實踐證明，排氣筒普遍存在豎向裂縫和環(huán)向裂縫問題，豎向裂縫一般最多，其次是環(huán)向裂縫。產(chǎn)生裂縫的主要原因是溫度和收縮作用，另外將處于拉應力狀態(tài)的筒壁按單軸強度進行計算也是導致裂縫的一個原因。在拉壓狀態(tài)下，混凝土抗壓強度低于單軸抗壓強度，抗拉強度低于單軸抗拉強度；在溫差作用下，使筒壁外側產(chǎn)生一個環(huán)向溫度拉應力；而在自重及風荷載作用下，于筒壁背風側產(chǎn)生較大的壓應力。因此根據(jù)規(guī)范要求，排氣筒筒壁正常使用極限狀態(tài)計算應

22、包括以下內容：1）計算在荷載標準值和溫度共同作用下混凝土與鋼筋應力，以及裂縫處水平截面和垂直截面在溫度單獨作用下鋼筋拉應力，滿足規(guī)范公式要求；2）驗算筒壁最大水平及豎向裂縫寬度，并滿足最大裂縫寬度限值：筒壁頂部20米范圍內0.15mm,其余部位：環(huán)境類別一二類時0.30mm,三類時0.20mm </p><p>　　以上簡要介紹了套筒式煙囪混凝土外筒的設計計算過程，基礎按常規(guī)設計，這里不再敘述。另在構造上還需注意

23、：1）筒身應設置測溫孔、沉降觀測點和傾斜觀測點。2）外筒應在下部第一層平臺上部1.5米處，開設4個進風口,進風孔的總面積約為外筒包圍的水平截面面積的5%。在頂層平臺下設置4個出風口，其面積略小于進風孔面積。3）各層平臺應設置照明和通訊設施，上層照明開關應設在下層平臺上。4）煙囪應在頂部▽78.0和▽44.0處各設置一層障礙燈，每層設3個障礙燈，沿筒身均勻布置。5）在煙囪外壁的頂部應刷航空標志色漆,標志色漆采用丙烯酸聚氨酯航空色標志漆,附

24、著力達到一級，其耐酸腐蝕、耐老化、保色性均要求達到10年以上。色標漆應在混凝土外表面20mm深度內含水率不大于6%的情況下施工。二底二面120um厚,自筒首以下30m范圍內約每5m為一段,紅白相間進行涂刷,筒首為紅色。 </p><p>　　此排氣筒建成已有八年，至今使用良好。鋼筋混凝土排氣筒結構設計是一項較為復雜且涉及面廣的工作，為了確保整個建筑的安全性、穩(wěn)定性、抗震性，必須在設計及施工中嚴格按照有關規(guī)范標準的

25、要求進行，并對容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)和細節(jié)加以注意，以確保工程的整體質量。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1]《煙囪工程手冊》 中國冶金建設集團包頭鋼鐵設計研究總院主編. </p><p>　　[2]趙艷嬪 煙囪設計的回顧和展望 《山西建筑》2004（10） </p><p>　　[