摘 要:某烟囱使用年代久远,老化损坏严重,其目前的使用状况不仅难以满足正常使用和耐久性方面的要求,并且可能对结构安全造成威胁。根据对烟囱使用状况和计算分析的结果,分析烟囱损伤和缺陷的原因,根据烟囱可靠性的影响因素,进行烟囱可靠度的评定。针对该烟囱存在的问题,研究制定出可行的维修加固方案,最后利用有限元软件ANSYS对加固后的烟囱进行瞬态热力学分析,并对砌体烟囱的可靠性作出合理的评价。
关键词:烟囱 可靠性 数值模拟 加固
烟囱是最常见的构筑物之一,是工业与民用建筑中不可缺少的项目。砖砌体烟囱是最早出现的结构类型,与混凝土、钢烟囱相比,砖砌体烟囱适于建造小型烟囱,造价低,施工简单,维修工作量小。在我国砖砌体烟囱中占有很大的比例。随着时间的推移,科学技术的发展,生产力水平的不断提高,许多已有的烟囱已不能继续满足生产的要求,其中的原因是多方面的,有的是因烟气腐蚀、自然老化损坏;也有的是因为生产工艺发生变革,烟气参数发生改变,致使原来的烟气排放系统不能适应现时的使用条件;还有的是因受当时技术发展水平的限制,对有些潜在的问题没能充分认识,导致原设计本身就存在隐患或缺陷,无法满足今后的正常使用。因此,对已有烟囱进行修复、改造的课题就摆在了人们的面前,其中产生裂缝是最常见的老化损坏现象。
1 烟囱开裂的因果
《烟囱设计规范》(GB 50051-2002)对裂缝规定和计算仅有两种情况,考虑竖向钢筋在大风、地震组合时荷载标准值与温度荷载效应产生的最大拉应力导致的水平裂缝;考虑水平环向钢筋在烟气高温和大气极端温度梯度下的最大拉应力产生的竖向裂缝。简而言之,常规情况下烟气温度梯度影响钢筋混凝土壁仅产生竖向裂缝,而大风、地震和烟气温差等影响则产生筒壁的水平环向裂缝。特殊情况下,如内衬及隔热层脱落,或工艺改造(如湿除尘改为电除尘),造成烟气温度大大升高,混凝土筒壁内外温差过大,也有裂穿的,但此种情况极少。
2 工程概况
北京轮胎厂某砖砌体烟囱于20世纪80年代修建并投入使用,烟囱主体高35m,至今已使用20余年。设计图纸显示在地面±0·000m标高处,烟囱外径3·98m,内径(含内衬)为3·00m,出口外径为1·92m,内径为1·2m,筒体外壁为MU1砖、M5混合砂浆分段砌筑,底部壁厚370mm,顶部壁厚240mm,该烟囱基础为扩展砖基础,外径4·12m,高3·10m,基础下为高约0·5m的毛石混凝土垫层,地基持力层为粉土,上部的烟囱分内衬与外壁,砌体水平灰缝内加设6 @250环向钢筋,该钢筋在每段的变截面各500mm范围内予以加密,间距为2皮砖;烟囱的内衬为MU 7·5砖,1∶1∶4混合砂浆砌筑,厚度均为120mm。
3 裂缝开展情况及成因分析
该烟囱筒身严重开裂,裂缝主要为竖向裂缝,共两条。一条在筒身北面,自标高15m处竖直向上发展,长度约8m,起始处裂缝宽度约8mm,最宽处在筒身北侧20m处,宽度约12mm;另一条在筒身西南面,裂缝自标高16m处开始,长度约4m,最大裂缝宽度约9mm。两条裂缝均伸入砌体内部,砖均断裂。另外,发现中部以上存在一些环向裂缝。经调查,了解到几年前除尘工艺改造为湿法除尘,即将热蒸汽通入烟囱除尘,后来发现有细小裂缝出现,但未引起重视仍继续使用,发展至现在才进行加固,因此裂缝不是短期内形成的,裂缝仍有可能以一定的速度发展。经过分析认为,引起烟囱裂缝的主要原因为:
1)烟囱内衬老化造成的破坏影响。烟囱使用年代久远,且该烟囱内衬较薄,仅厚120 mm,且为普通黏土砖砌筑,耐腐蚀和隔热性能较差,由于施工或使用原因,造成局部损伤(从出灰口发现,灰中有砖块等杂物出现,表明内衬已破损),使内衬与外筒间空气隔热层的性能降低,导致烟气与空
气隔热层相通,空气隔热层温度升高,增大了烟囱外筒壁的温度差,从而产生较大的温度应力,筒壁内、外侧产生纵向裂缝并不断发展。
2)温度变化的影响。烟囱内部原使用温度为200℃,改造除尘系统后,温度降为140℃左右,烟囱使用温度的改变,尤其是在烟囱由暂停使用到恢复生产的过程中,内外壁温差较大,产生很大的温度应力,而温度应力的增大,极易使筒体开裂,形成烟囱筒壁由内至外的竖向裂缝。
3)烟气腐蚀的影响。内衬筒壁的损伤,使烟气直接与外筒壁接触,由于从除尘塔排入烟囱的烟气温度高、水蒸气量大,极易对砖及砖内钢筋造成腐蚀,同时降低筒壁材料的隔热性能,使形成的裂缝加速发展。
《钢铁工业建(构)筑物可靠性鉴定规程》(YBJ 219-89)规定,筒身的可靠性鉴定包括承载能力、裂缝和倾斜三个子项的评级:
A级符合国家现行规范要求,安全适用,不必采取措施。
B级略低于国家现行规范要求,基本安全适用,可不必采取措施。
C级不符合国家现行规范要求,影响安全或影响正常使用,应采取措施。
D级严重不符合国家现行规范要求,危及安全或不能正常使用,必须立即采取措施。
由检测和计算结果可得出:烟囱筒身承载能力为B级,裂缝为D级,筒身倾斜评为B级。总评中取子项最低级即筒身可靠性等级为D级。
烟囱存在的主要问题是筒身裂缝大,个别部位裂缝严重。裂缝宽度不满足规范规定,极易造成开裂部位钢筋锈蚀,给烟囱正常使用造成危害。产生裂缝的主要原因是由于排气量增加,湿法除尘水蒸气作用,废气温度改变,烟囱隔热层和内衬脱落,同时较高温度产生较大温度应力。水平裂缝
产生在于荷载长期积累影响,或内衬局部脱落受热产生弯曲。制定加固方案主要按以下原则考虑:
1)恢复烟囱的安全可靠性继续使用20年左右。2)由于内衬已损坏,筒外壁温度将较高,预计超过60℃,对于常用结构胶的性能会产生不利影响,故不能采用粘贴碳纤微布或粘贴钢板箍加固,且如果粘贴碳纤微布,由于裂缝太多太长,需要大面积粘贴,碳纤维布较贵,成本太高,无法达到经济合理的要求。3)由于采暖季节已过,故工期可不作要求。经过反复讨论,最后认为采用如下方案:
1)对存在裂缝的烟囱筒壁进行全面配筋现浇混凝土加固,加固厚度为100mm,混凝土强度等级为C30。2)对烟囱筒身相对薄弱的截面采用增大截面的加固法。3)由于浇筑混凝土增加了荷载,经计算需对基础进行加固将原基础挖出,沿基础圆周浇筑2·5m深、300mm厚的C30混凝土,至0·000m处,4)考虑到地基原为水道回填而成,基底加固后的混凝土处于干湿反复交替的物理作用下水中的氯离子极易向混凝土内渗透,使该部位混凝土中钢筋发生锈蚀,造成混凝土破损。这也是该部分混凝土破损的主要原因之一。因而可采用S10防渗混凝土,且使用普通水泥以提高pH值和抗渗抗腐蚀能力。也可考虑在干湿交替部位设置通风室,保持该部位混凝土处于干燥状态及良好通风条件下,以便加固后烟囱的长期使用。
4加固后筒壁的温度应力分布的瞬态热力学有限元分析
为了验证加固后的效果,对内层为砌体、外层为混凝土的双层厚壁圆筒运用有限元软件ANSYS进行温度应力分布的热应力分析,研究温度沿筒壁的径向分布及环向温度应力的大小。
选取上部开裂较宽处(加固后的外径为2·72m,内径为1·8m)的截面,厚度取为5cm,进行三维实体建模。外壁温度选取北京地区冬季平均温度值-10℃,筒内温度根据实测取为14℃。温度加载历时450s。
烟囱于2006年6月底完成加固,工期30d。加固效果良好。烟囱加固采用现浇钢筋混凝土法,工期短,可靠性高,难度小,加固费用比其他加固方法经济,不失为一种好方法。本方法可为今后同类破损开裂烟囱的可靠性鉴定及加固提供参考。
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