钢筋混凝土烟囱在高温期烟囱施工的影响

对于火电厂钢筋混凝土烟囱施工而言,温度效应是筒身受损破坏的主要原因之一,当筒内烟温较低时,会因温度过低而结露导致低温腐蚀的发生;当筒内烟温过高时,筒身会因温度应力的作用而开裂。
除了烟温影响外,还有日照、寒潮等自然环境因素对钢筋混凝土烟囱产生影响。烟气温度的作用对钢筋混凝土烟囱筒壁外侧材料将产生环向拉应力,而日照等因素对烟囱冷筒阶段(施工期间和停炉检修期间)筒壁内侧材料要产生拉应力。从理论上讲,如果拉应力设计值达到或超过筒身混凝土的抗拉设计强度,则筒壁产生竖向裂缝将无法避免。通过深入现场对已建多年的120 m、100 m、80m不同腐蚀条件钢筋混凝土烟囱的观察,并
走访一些多年从事烟囱施工的专业队伍,经充分研究分析,发现不少钢筋混凝土烟囱筒身普遍存在着不同程度的纵向裂缝,影响到烟囱的整体刚度和结构强度,危及筒身安全。
2　温度应力的取值问题
作为烟囱设计方面的一个薄弱环节,温度应力的取值问题已成为设计中的一道难题。在钢筋混凝土烟囱设计中,环向应力计算一般仅考虑烟温影响,日照、寒潮等自然环境影响一直被当作可忽视的因素,《烟囱设计规范》GB50051-2002虽然提及日照影响问题,但因缺乏必要的基础资料,未对有关日照影响作明确的规定,只是对筒壁厚度大于450 mm和筒壁外测温度长期大于内测温度的部位,明确了应在内侧配选构造钢筋的一些规定,而筒壁配筋则采用单层配置于外侧的常规型式。美、日、俄等国家已经在钢筋混凝土烟囱中采用了双层配筋。俄罗斯规范则明确规定,计算内部环向钢筋时,必须考虑到烟囱在施工期间有太阳辐射而产生温差(25℃)的影响。从规范的角度看,我国烟囱设计水准起点相对较低,致使在设计中,除需执行现行规范的有关规定外,还需采纳各地的实践经验作为对规范未明确和完善之处的补充。稍有不慎,便会导致烟囱在运行中难以满足设计要求,出现诸如开裂、腐蚀等一系列问题。近年来,国内设计单位开展了大量的科研和调查研究,并借鉴国外设计经验,对钢筋混凝土烟囱温度应力的各种成因、分阶段应力状态以及温度应力配筋问题等方面业已达成共识,从而使钢筋混凝土烟囱设计水平有了很大提高。
2.1　烟囱内衬、隔热材料的导热系数取值钢筋混凝土烟囱内衬、隔热材料的导热系数按规范取值不太合适。因为规范规定的内衬、隔热层材料导热系数是按干容重状态下的取值,而实际状态恰好相反,烟囱内烟气是呈饱和状态的,对水膜式除尘器除尘的烟气则更是如此,当内衬、隔热层受烟气蒸泡后,导热系数就远大于规范中所提供的数值。此外,烟囱在施工过程中,湿态外筒壁混凝土使封闭的隔热层受潮,加上常用的隔热材料(如矿棉、岩棉等)吸湿性较强,导热系数必然远大于规范中给出的干态值。设计中均要根据内衬、隔热材料的性能和烟气运行条件适量放大干态下的导热系数,放大倍数根据经验取1.5~3倍不等。如烟囱高150 m,内衬采用粘土质耐火砖,隔热层采用水泥珍珠岩制品,规范提供的导热系数λ分别为粘土质耐火砖0.93,水泥珍珠岩制品0.16,而在设计中则分别取3.86、0.32。
2.2　日照温度和烟气温度的取值
日照温度和烟气温度取值不当也是烟囱出现纵向裂缝的因素之一。工艺提供的烟气温度设计值均以正常运行工况为准,实际生产过程中,烟气温度因各种原因会产生变化,尤其是当发电系统发生事故后,烟气温度可能有较大的提升。在引进外资的项目中,由外方提供的烟气设计温度均考虑了事故烟温,大大高出国内同类型项目中所采用的标准。因此,工程设计中,应适当提高烟气设计温度。至于提高多少为宜,需同工艺共同研究。目前,许多电力设计院将烟气设计温度在工艺提供的烟气温度上提高10%。此外,无烟气影响的冷筒阶段,混凝土筒壁温度变化受当地气温、日照、风速、风向及周围环境等因素的影响(其中日照影响随季节变化)。由于壁温的变化,筒壁内外应力状态也相应变化,时而出现拉应力,时而出现压应力,两者随着季节的推移而交替变化着,对筒壁内表面,温度应力取决于日照温差,按照规范规定,外筒壁最高温度采用夏季极端最高气温一般在40℃左右,而夏季太阳照射烟囱混凝土外筒壁的最高温度可达50~70℃或更高这时,筒壁内外温差将大于按大气温度计算的温差。如果设计中考虑不当,必将造成烟囱还没有投入运行,内筒壁便开裂的不良后果。
2.3　提高烟囱环向钢筋的配筋率
按现行规范标准,烟囱温度应力控制的环向构造配筋并不符合实际情况。首先,对烟囱这样的重要结构,如果内壁开裂,则烟囱投入运行后,烟气对筒身的腐蚀会畅通无阻直接危及烟囱的安全,因此,烟囱设计按单面配筋客观上已不允许。我国部分电算程序规定内层环向配筋率为0.1%,如果按照国外规范,考虑太阳辐射产生温差(25℃)的影响这一配筋率偏低,由于目前没有统一的定量标准,设计人员在设计中往往根据经验而定建议内壁配筋率以0.15%~0.25%为宜;关于壁外侧环向配筋,规范规定的构造配筋率为0.25%。实践证明,这一配筋率并不能保证烟囱在使用期间不产生温度裂缝,特别是烟囱中上部,裂缝宽度往往超过规范允许值。有人提出:“钢筋混凝土烟囱环向构造配筋率0.2%偏低,对于高烟囱采用0.5%为宜。将
裂缝比较严重的烟囱上部1/3左右的外壁环向钢筋配筋率提高到0.4%~0.5%。”烟囱中下部通过计算得到的配筋率也应适当加大,可考虑1.1~1.2的放大系数。许多设计者在设计钢筋混凝土烟囱时,外壁配筋率一般都取0.3%~0.5%。