大型承插拼接式玻璃鋼煙囪設(shè)計(jì)淺析

南京國電環(huán)?？萍加邢薰?莫偉軍 陳 強(qiáng) 付金存

玻璃鋼煙囪因其優(yōu)異防腐性能和良好力學(xué)性能受到火電廠關(guān)注，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度剛度高、制作周期短、耐腐蝕、使用壽命長、安裝簡單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，可替代傳統(tǒng)煙囪內(nèi)襯材料解決目前火電廠煙囪面臨的新問題[1]。但由于現(xiàn)場制作環(huán)境受限，全部玻璃鋼煙囪采用現(xiàn)場制作受到很大局限。

1 玻璃鋼煙囪材料與工藝選擇

玻璃鋼煙囪制作的主要核心材料為玻璃纖維和樹脂,在材料選擇方面需充分考慮這兩項(xiàng)材料的種類和質(zhì)量，以保證煙囪的最佳經(jīng)濟(jì)適用性能。考慮到煙囪是用于酸性腐蝕環(huán)境下，而玻璃纖維的使用價(jià)值在于保證煙囪的機(jī)械性能并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能，因此選取某廠E-CR纖維增強(qiáng)材料EWR-400-1000無堿方格布。FRP的結(jié)構(gòu)性能會(huì)隨著溫度的升高而衰減，不論是熱固性樹脂還是玻璃鋼一般都無法在高溫下長期使用，因此玻璃鋼煙囪的基體材料應(yīng)選取反應(yīng)型阻燃環(huán)氧乙烯基酯樹脂，如固化后的DERAKAN510C-350HOI環(huán)氧乙烯基酯樹脂澆鑄體熱變形溫度為105℃。玻璃鋼煙囪的耐腐蝕性主要是依靠樹脂，而選取的阻燃樹脂就可有效提升玻璃鋼煙囪耐腐蝕性能,且其在機(jī)械設(shè)計(jì)方面性能非常良好，適用于手糊、噴射、纏繞、拉擠、RTM等成型工藝[2]。

考慮到玻璃鋼煙囪運(yùn)輸和拼接的便捷性，項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用RIM工藝成型技術(shù)進(jìn)行組合式玻璃鋼煙囪設(shè)計(jì)。這種工藝的模具及主設(shè)備價(jià)位低且實(shí)用性較強(qiáng)，可有效減少企業(yè)投資。整個(gè)模具制作周期較短且成品抗壓效果較好，可滿足后續(xù)安裝過程相關(guān)技術(shù)需求。在后續(xù)的煙囪安裝中可在現(xiàn)場進(jìn)行直接組裝，極大提升了運(yùn)輸便捷性。

2 大型承插拼接式玻璃鋼煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 分塊組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

玻璃鋼煙囪設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)高度為40m，內(nèi)徑為5.3m。為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的便捷性將煙囪分為8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓周段，其中每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段的高度為5m。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段的圓周方向由8個(gè)單元塊組成，每一個(gè)單元塊尺寸為5m×2m（圖1），單元塊分別加工完畢后再將8塊單元塊進(jìn)行拼接組裝。其中每一個(gè)單元塊在設(shè)計(jì)方面采用40mm聚氨酯泡沫夾心結(jié)構(gòu)，上下蒙皮厚度分別為5mm。為方便單元塊拼接及加強(qiáng)穩(wěn)定向設(shè)置了兩道加強(qiáng)筋，其中加強(qiáng)筋由55mm的泡沫和5mm的蒙皮夾層結(jié)構(gòu)組成。加強(qiáng)筋設(shè)置在單元塊底部上方1m處，同一單元塊的兩個(gè)加強(qiáng)筋間距為3m。

保證煙囪使用穩(wěn)定性，還在固定部位設(shè)計(jì)了選調(diào)固定支撐和止晃裝置。在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，煙囪上部和下部分別由6個(gè)和2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓周段組成，上部和下部間采用橡膠膨脹節(jié)進(jìn)行密封連接。為保證整個(gè)煙囪拼接質(zhì)量，標(biāo)準(zhǔn)圓周段間及單元塊間采用邊緣錯(cuò)位搭接方式進(jìn)行拼裝，具體通過卡鉚釘連接、短切氈加玻璃布手糊密封方式進(jìn)行密封，手糊密封寬度設(shè)置為350mm（圖2）。玻璃鋼煙囪整體內(nèi)襯總質(zhì)量為24320kg，每個(gè)單元塊重約380kg，每個(gè)圓周段重約3040kg。煙囪上部的6個(gè)圓周段重約18240kg，下部的2個(gè)圓周段重約6080kg。

2.2 支撐及止晃設(shè)計(jì)

整個(gè)玻璃鋼煙囪上部設(shè)置一個(gè)懸吊固定支撐和2個(gè)止晃支撐。其中懸吊固定支撐的位置在煙囪+39.525m處，一圈設(shè)置8個(gè)支撐點(diǎn)。止晃支撐同樣是一圈設(shè)置8個(gè)支撐點(diǎn)，位于煙囪的+11.525、+26.525處。煙囪下部設(shè)置1個(gè)止晃支撐，位于+9.075m處。煙囪底部與地面直接固定相連（圖3）。

2.3 吊裝連接設(shè)計(jì)

吊裝連接主要分為單元塊、圓周段及單元段吊裝三類，其中單元塊采用頂部連接孔吊裝。圓周段由8個(gè)同樣的單元塊組裝而成，圓周段吊裝時(shí)采用圓形或是八棱得到吊裝框進(jìn)行吊裝，單元段在吊裝時(shí)采用吊裝組裝方式進(jìn)行操作，在煙囪頂部安裝滑輪連接組裝好的圓周段，將圓周段吊起超過5m再行組裝下一個(gè)單元段，單元段間采用手糊方式密封，固化后再次吊起。通過這樣的方式進(jìn)行6個(gè)圓周段的組裝，最終將組裝好的單元段吊裝到鋼煙囪內(nèi)筒的懸吊支撐點(diǎn)安裝。

3 大型承插拼接式玻璃鋼煙囪的載荷與工況分析

載荷分析。結(jié)合玻璃鋼煙囪實(shí)際結(jié)構(gòu)來看，載荷分析主要應(yīng)分布八部分：單元塊吊裝工況載荷；圓周筒拼裝工況載荷，這時(shí)需進(jìn)行懸吊運(yùn)輸活動(dòng)，傾斜角為10°；停機(jī)工況載荷，這時(shí)構(gòu)件處于懸吊狀態(tài)；工作工況載荷，這時(shí)內(nèi)壓為2000Pa，同時(shí)溫差已達(dá)到100℃；溫度載荷，這部分載荷主要是因?yàn)闇夭顬?00℃而產(chǎn)生的；內(nèi)壓載荷，這部分載荷主要是因?yàn)閮?nèi)壓達(dá)到了2000Pa；風(fēng)載荷，具體需要承受水平風(fēng)載0.4kN/m2；工作狀態(tài)下的地震載荷，本次設(shè)定防烈度為7度，0.1g。

工況分析。也主要依照上述八方面開展：單元塊吊裝工況分析。具體使用頂部兩個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行吊裝，并按照單元塊角度分為0°、22.5°、45°、67.5°、90°五個(gè)工況；圓周筒拼裝工況。這部分工況比較單一，圓周筒一直維持傾斜10°的狀態(tài)；停機(jī)工況。此時(shí)處于懸吊靜止?fàn)顟B(tài)，只需分析圓周筒自身載荷與受力狀態(tài)即可；工作工況。此時(shí)構(gòu)件處于內(nèi)壓2000Pa和溫差100°的荷載狀態(tài)下，結(jié)合這種情況進(jìn)行有限元分析；剩余工況信息分析。至此針對(duì)于構(gòu)件的工況分析已全部完成，但仍需相關(guān)技術(shù)人員結(jié)合溫度載荷、內(nèi)壓載荷、風(fēng)載荷、地震載荷等各項(xiàng)內(nèi)容針對(duì)構(gòu)件的工況進(jìn)行綜合分析，能夠明確構(gòu)件處于不同工況下的具體載荷情況與受力現(xiàn)狀，使得整體工況分析變得更加完整與豐富，提供更為全面的工況信息。

4 大型承插拼接式玻璃鋼煙囪工藝實(shí)施與安裝方案

玻璃鋼煙囪實(shí)施工藝主要包含模型準(zhǔn)備、制作成型及后處理等三個(gè)步驟，在開展施工時(shí)需按照工藝要求進(jìn)行嚴(yán)格操作。

4.1 模具準(zhǔn)備具體處理

大面真空檢驗(yàn)。模具制作前應(yīng)進(jìn)行真空檢驗(yàn)，模具首次使用可參考模具拼裝完的真空檢驗(yàn)；水銀真空表抽至≤15mabr以內(nèi)，抽二保一，1h真空降≤10mbar；表面處理。將表面清理干凈，查找表面存在凹凸不平、劃痕、裂紋、砂眼等缺陷，表面若無缺陷可不用進(jìn)行修補(bǔ)。將凸起位置進(jìn)行打磨，其余缺陷打磨出新茬。在新茬位置刮原子灰，固化后用干砂紙進(jìn)行表面打磨，一次不超過3mm，然后室溫固化（≥10℃）/4h。噴高亮光膠衣，固化后進(jìn)行水砂打磨，室溫固化（≥10℃）/12h；基準(zhǔn)制作。在模具外翻邊位置制作零點(diǎn)標(biāo)識(shí)和尺寸位置標(biāo)識(shí)。

4.2 模具表面處理

4.2.1 表面涂覆

涂潔模水。取50cm見方的紗布揉成團(tuán)，將潔模水傾倒在紗布上浸潤紗布，然后采用螺旋式打法將整個(gè)大面打完；涂封孔劑。紗布不能交叉使用，操作方法參照潔模水；涂脫模劑。紗布不能交叉使用，操作方法參照潔模水；工藝技術(shù)參數(shù)。作業(yè)區(qū)域溫度≥15℃，不足15℃采用熱風(fēng)機(jī)、搭保溫棚或開暖氣等方法對(duì)模型進(jìn)行提前加熱，打完每遍干后再打下一遍，每遍之間間隔25～35min，涂覆潔模水、封孔劑和脫模劑的次數(shù)見表1。

表1 表面涂覆的次數(shù)

4.2.2 標(biāo)識(shí)制作

清理。清理標(biāo)識(shí)區(qū)域（標(biāo)識(shí)區(qū)域干凈、無毛刺）；刻線。如需刻線，用刻線工具在指定位置刻標(biāo)示線；標(biāo)示模板粘貼。模板粘貼時(shí)以緊鄰數(shù)字的一段為起點(diǎn)，對(duì)準(zhǔn)模型上標(biāo)示線的起點(diǎn)粘貼整齊（模板粘貼正確，使標(biāo)示線位于模板豎條中心，分模面粘貼位置公差±1.5mm）；涂覆樹脂膩?zhàn)?。手糊樹脂加白炭黑和色漿涂刷標(biāo)識(shí)空白處，樹脂凝膠前將標(biāo)識(shí)紙取下（撕掉標(biāo)識(shí)紙后，標(biāo)識(shí)清晰，無殘留）。

玻璃鋼煙囪的整體施工工藝采用RIM工藝成型，其中筒壁由防腐蝕內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層和外表面層組成。以各自在煙囪單元結(jié)構(gòu)制作時(shí)的鋪放順序排列，其中防腐蝕內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層、加強(qiáng)筋、外表面層的鋪放要求依次如下：

防腐內(nèi)襯層鋪放工藝要求：25g/m2玻璃纖維表面氈2，名義厚度0.25mm，樹脂含量〉85%，采用搭接形式鋪放，搭接寬度40±5mm，層與層搭接位置錯(cuò)開寬度≥100mm；300g/m2玻璃纖維短切氈3，名義厚度2mm，樹脂含量〉70%，采用對(duì)接方式鋪放，層與層對(duì)接位置錯(cuò)開寬度≥100mm。以上均需隨型鋪放，不能有懸空。

結(jié)構(gòu)層鋪放工藝要求：EWR-400-1000無堿方格布15，名義厚度6mm，樹脂含量35%±5%，采用對(duì)接方式鋪放，層與層對(duì)接位置錯(cuò)開寬度≥100mm；將裁剪好的聚氨酯泡沫依次鋪覆在涂好膠的地方。隨型鋪放，不能有懸空。

加強(qiáng)筋鋪放工藝要求：PVC泡沫加強(qiáng)筋1，高度54mm，坡角為30°，含坡角總寬度為300mm，將裁剪好的聚氨酯泡沫依次鋪覆在涂好膠的地方，要求PVC拼接縫隙均勻，最大接縫需小于1mm；EWR-400-1000無堿方格布15，名義厚度6mm，樹脂含量35%±5%，單邊超出泡沫寬度≥100mm，隨型鋪放，不能有懸空。

外表面層鋪放工藝要求：EWR-400-1000無堿方格布1，名義厚度0.5mm，樹脂含量45%±5%，采用對(duì)接方式鋪放，層與層對(duì)接位置錯(cuò)開寬度≥100mm，隨型鋪放，不能有懸空。

煙囪在安裝的過程中，單元塊和圓周段的吊裝根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行展開。其中玻璃內(nèi)筒的安裝一般采用液壓提升倒裝法，在煙囪外筒頂部設(shè)置鋼平臺(tái)作為支撐結(jié)構(gòu)，從而設(shè)置提升系統(tǒng)開展內(nèi)筒的提升安裝。此時(shí)將八個(gè)單元塊依次運(yùn)入玻璃鋼煙囪中心操作平臺(tái)組裝成圓周段，運(yùn)用八組鋼絞線固定成型圓周段形成成套的提升系統(tǒng)，并利用液壓提升裝置進(jìn)行圓周段的提升。依次重復(fù)上一操作，其中第一二筒體需施工人員從內(nèi)外兩邊進(jìn)行對(duì)接粘結(jié)，并在此過程中保證端口對(duì)接齊整度。粘接完成后還需進(jìn)行一定時(shí)間的固化以保證煙囪穩(wěn)定性。固化后在此帶動(dòng)兩節(jié)圓周筒提升，以便于操作人員在下方繼續(xù)進(jìn)行下一步操作。六節(jié)圓周筒安裝完畢后將整個(gè)筒體提升至承載支撐平臺(tái)上固定完成即可。煙囪下部分安裝同樣是利用這樣的方式進(jìn)行重復(fù)操作[3-4]。

5 結(jié)語

玻璃鋼煙囪組合式設(shè)計(jì)方案可以解決傳統(tǒng)煙囪在使用過程中抗腐蝕性不強(qiáng)、維修費(fèi)用高等缺點(diǎn)，并且承插拼接式玻璃鋼煙囪在制作、運(yùn)輸以及后期安裝中都具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于現(xiàn)場施工條件受限、改造工期短的使用環(huán)境尤為適應(yīng)。