1、某硫磺制酸装置套管式钢筋混凝土排气筒的设计摘要：依据烟囱设计规范GB50051-2002，简述某硫磺制酸装置套筒式钢筋混凝土外筒，钢内筒排气筒的结构计算及构造要求。 关键词：套筒式排气筒；混凝土外筒；结构计算 中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号： 近年来随着我国经济的迅猛发展，全国各地兴建了许多大中型石油化工、冶金、电力项目，在这些项目中排气筒是最常用的排放尾气的构筑物。它属于高耸构筑物，不仅高度高、承受的风荷大，而且还承受高温作用及排放的烟气的腐蚀。由于排气筒自身的特殊性，结构设计时就须根据排气筒高度、抗震设防烈度、材料供应情况和当地施工条件等方面综合考虑。以下本文就结合某硫磺
2、制酸装置套筒式排气筒的设计简述其结构计算及构造要求。 一工程概况： 1）某硫磺制酸装置建设地点位于贵州某地，年平均降水量1158.1mm，最大日降水量 108.8mm，常年阴雨天气。 2）基本风压：0.45KN/m2，极端最高温度 34.8，极端最低温度-8.8。 3）地面粗糙度：B 类， 场地土类型为软弱场地土，建筑场地类别III 类,特征周期为 0.45s。本地区抗震设防烈度 6 度，设计基本地震加速度 0.05g,设计地震分组为第一组。 4)排气筒高度 80 米，常压，烟气设计温度 70oc，介质含少量的SO2,SO3 气体, 工艺进气口标高：18.000,钢内筒直径 2100mm，内筒
3、净重 53.4 吨。 二排气筒结构选型： 由于排气筒的结构与烟囱类似，我们可以通过比较烟囱的类型来选型，依据烟囱设计规范来进行设计。我们知道烟囱通常有如下几类： 1）砖烟囱：高度通常在 60 米以下，筒身用砖砌筑，耐热性能比普通钢筋混凝土好，但整体性和抗震性能差，在温度应力作用下易开裂，施工复杂，手工操作多，周期长。 2）钢筋混凝土烟囱：高度通常在 60200 米，自重较大，整体性和抗震性能好，耐久性好，后期防腐维修费用少。一般用液压滑模施工，便于机械化施工。 3）钢烟囱：根据高度可采用自立式、拉索式、塔架式。自重轻，施工周期短，安装要求高，但由于钢烟囱处于外露环境中，塔架及烟囱外表面易受大气
4、腐蚀，同时内表面又收到烟气腐蚀和温度作用。钢梯均设置在筒壁外费用高，高空作业困难。 以上几种烟囱各有优缺点，通过对所建成的烟囱使用情况走访了解，混凝土及砖烟囱存在有程度不同的裂缝及腐蚀，钢烟囱后期防腐维护工作量大且操作不便，并且由于上烟囱顶部的钢梯均设置在筒壁外，给上去维修及验收检测人员上下烟囱带来极为不便。由于本建设场地常年阴雨天气，业主从安全角度考虑，要求钢梯设置在筒壁内，并减少后期防腐维修。经与业主协商，最终采用钢筋混凝土外筒承重，钢内筒排烟气的套筒式排气筒。 三确定排气筒尺寸及自重： 首先要与业主及施工单位确定套筒式排气筒的施工及吊装方案，外筒先施工一般采用液压滑模施工，钢内筒的吊装方
5、案有两种：一种是从上往下进行顶升吊装的方法，另一种是从下往上顺序安装法进行吊装的方法，两种方法施工顺序及安装荷载不同。本装置采用液压顶升的施工方法。为了将钢内筒安全有序，保质保量的安装到位，设计时外筒的直径、各层平台的标高及中间内筒孔的大小、底部予留安装洞口的位置及大小、避雷及信号灯的做法均须与工艺、设备、电气、仪表等专业密切配合，同时还须考虑以下几点： 1）钢筋混凝土承重外筒的最小厚度不宜小于 250mm； 2）外筒与内筒之间各层平台的通道宽度不易小于 750mm； 3）考虑到顶部排烟口处冷凝易形成冷凝酸，腐蚀性较大，故将外筒低于钢内筒 2 米，即外筒 78 米。 4）钢内筒应设置制晃装置。
6、制晃装置采用刚性的，利用平台作为约束构件。制晃装置对钢内筒仅起水平弹性约束作用，不应约束钢内筒由于烟气温度作用而产生的竖向和水平方向的温度变形。 5) 当采用钢内筒时，外筒底部应预留吊装钢内筒的安装孔。如选择在外筒外部焊接成筒的施工方案时，安装孔宽度应大于钢内筒外径0.51.0m,孔的高度应根据分段钢内筒长度确定，应确保每节钢内筒被拖入混凝土外筒内直立后安装就位。吊装完成后，应用砖砌体将安装孔封闭。安装孔的对应侧面应开设一个检修大门。 6）除顶层为混凝土平台外，其余各层平台采用钢平台。钢内筒采用自立式。钢内筒外部可根据筒内温度设置隔热层。 钢筋混凝土排气筒外筒与钢内筒刚度相比，钢内筒刚度较小，
7、故在钢筋混凝土外筒计算时可以不考虑钢内筒刚度。因钢内筒由设备专业设计，故以下仅叙述混凝土外筒的荷载及计算。 混凝土外筒根据进气孔位置及大小，沿筒身高度分 10 节，具体尺寸及自重见下表及下图。 四排气筒平台安装检修荷载 根据烟囱设计规范规定： 1）顶层平台积灰和检修荷载标准值 7KN/M2;2)悬挂钢内筒的承重平台及用于施工吊装平台计算时，平台荷载标准值 711KN/M2，其它平台活荷载标准值 3KN/M2。 各层平台荷重见下表。 五排气筒地震作用 根据烟囱设计规范规定，6 度地震区排气筒设计可不考虑竖向地震作用，只计算水平地震作用。因本工程排气筒高度不超过 100 米，可采用简化法进行计算。
8、 排气筒底部地震弯矩 M 地= 7272.25KNm；底部地震剪力 V0= 205.14 KN。 六排气筒温度作用 由于烟气由钢内筒及保温层隔离，在通风条件良好情况下，计算时可不考虑温度及温度应力对材料强度的影响，按钢筋混凝土外筒内壁温度进行计算。 七排气筒风荷载 根据烟囱设计规范，当排气筒坡度 2%,故可不考虑横风向风振影响。 排气筒底部风荷载引起的剪力 V 风=278.4 KN，引起的弯矩 M 风=11775.46KMm 八排气筒附加弯矩 附加弯矩计算是排气筒这种高耸构筑物区别于其它低矮构筑物所受荷载的不同之处，也是排气筒设计计算中较复杂和重要的步骤。整个排气筒筒身可视作一个环形截面的偏心
9、受压构件。在风荷载、日照、基础倾斜、地震力作用下，筒身会侧向挠曲变形和倾斜，筒身自重在筒身各水平截面都会产生附加弯矩。最终筒身的附加弯矩为风荷载产生的附加弯矩 Mw, 日照产生的附加弯矩 Mr 及基础倾斜产生的附加弯矩 MJ 之和。若考虑地震时，最终筒身的附加弯矩则为地震力、25%风荷载、日照和基础倾斜引起的附加弯矩之和。 由于排气筒筒身的直径及筒壁厚度沿着筒身高度变化，刚度不同，风荷及地震力引起的弯矩也在变化，筒身水平截面上材料在不同变化阶段和不同应力下塑形发展不同，各截面水平变位也不同，其最终附加弯矩应是各截面附加弯矩的叠加。为简化计算可按规范先确定排气筒筒身代表截面的位置，并以此截面的终
10、曲率按等曲率计算筒身上各处的变位和转角。筒身代表截面的位置可按烟囱规范 7.2.7 确定。本装置符合7.2.7-2 条，取烟道孔口上一节的筒壁底截面。另须注意当筒身下部大于3%的坡度段超过 h/4 范围时，不能按此确定筒身代表截面的位置及变形曲率，按排气筒规范 7.2.8 公式计算，否则按此计算会使筒身附加弯矩计算值加大。 钢筋混凝土排气筒筒壁设计是按水平截面承载能力极限状态和正常使用极限状态两种状态进行计算，故任意截面的附加弯矩计算时其折算线分布重力荷载及筒身变形曲率也分别按两种极限状态计算。折算线分布重力荷载是指排气筒筒身自重沿筒身高度按直线分布取折算值，而筒身代表截面处变形曲率与截面上所
11、受的荷载性质、受荷阶段及截面上材料的塑性发展程度有关。不同的极限状态计算时均需先判别截面上材料的塑性发展程度，即用截面上的轴心力对截面中心的相对偏心距 e 的大小来判别截面上应力状态，按 e/r(筒身代表截面处半径)大于 0.5,或小于等于 0.5 选用不同的计算公式计算变形曲率。 九排气筒筒壁承载能力极限状态计算 钢筋混凝土排气筒筒壁只计算水平截面的强度，这是因为垂直截面仅承受温度作用，在温度差的单独作用下，某些截面会出现塑形铰，发生截面的转动变形。 根据工艺专业要求排气筒筒壁需要留烟道孔洞时，这会削弱洞口截面的强度，故规范给出按截面无孔洞，有一个孔洞，有两个孔洞时不同的公式分别计算，相应地
12、筒壁上孔洞的设置应符合烟囱规范 6.6.4 的构造要求。 十排气筒筒壁正常使用极限状态计算 多年的工程实践证明，排气筒普遍存在竖向裂缝和环向裂缝问题，竖向裂缝一般最多，其次是环向裂缝。产生裂缝的主要原因是温度和收缩作用，另外将处于拉应力状态的筒壁按单轴强度进行计算也是导致裂缝的一个原因。在拉压状态下，混凝土抗压强度低于单轴抗压强度，抗拉强度低于单轴抗拉强度；在温差作用下，使筒壁外侧产生一个环向温度拉应力；而在自重及风荷载作用下，于筒壁背风侧产生较大的压应力。因此根据规范要求，排气筒筒壁正常使用极限状态计算应包括以下内容：1）计算在荷载标准值和温度共同作用下混凝土与钢筋应力，以及裂缝处水平截面和
13、垂直截面在温度单独作用下钢筋拉应力，满足规范公式要求；2）验算筒壁最大水平及竖向裂缝宽度，并满足最大裂缝宽度限值：筒壁顶部 20 米范围内 0.15mm,其余部位：环境类别一二类时 0.30mm,三类时0.20mm 以上简要介绍了套筒式烟囱混凝土外筒的设计计算过程，基础按常规设计，这里不再叙述。另在构造上还需注意：1）筒身应设置测温孔、沉降观测点和倾斜观测点。2）外筒应在下部第一层平台上部 1.5 米处，开设 4 个进风口,进风孔的总面积约为外筒包围的水平截面面积的 5%。在顶层平台下设置 4 个出风口，其面积略小于进风孔面积。3）各层平台应设置照明和通讯设施，上层照明开关应设在下层平台上。4
14、）烟囱应在顶部78.0 和44.0 处各设置一层障碍灯，每层设 3 个障碍灯，沿筒身均匀布置。5）在烟囱外壁的顶部应刷航空标志色漆,标志色漆采用丙烯酸聚氨酯航空色标志漆,附着力达到一级，其耐酸腐蚀、耐老化、保色性均要求达到 10 年以上。色标漆应在混凝土外表面 20mm 深度内含水率不大于 6%的情况下施工。二底二面 120um 厚,自筒首以下 30m 范围内约每 5m为一段,红白相间进行涂刷,筒首为红色。 此排气筒建成已有八年，至今使用良好。钢筋混凝土排气筒结构设计是一项较为复杂且涉及面广的工作，为了确保整个建筑的安全性、稳定性、抗震性，必须在设计及施工中严格按照有关规范标准的要求进行，并对容易出现问题的环节和细节加以注意，以确保工程的整体质量。 参考文献 1烟囱工程手册 中国冶金建设集团包头钢铁设计研究总院主编. 2赵艳嫔 烟囱设计的回顾和展望 山西建筑2004（10） 3解才志 火力发电厂套筒烟囱钢内筒施工方案比选 4烟囱设计规范GB50051-2002
