三管自立式鋼煙囪加固分析與研究

陳煊 杜富強(qiáng) 鄭云 趙松濤

(中冶建筑研究總院有限公司 北京100088)

引言

三管自立式鋼煙囪常見于煉鋼企業(yè)中，20世紀(jì)初我國(guó)對(duì)該結(jié)構(gòu)形式的煙囪應(yīng)用較多，其結(jié)構(gòu)形式一般為在三管間設(shè)置聯(lián)系桁架，形成整體或共同受力。近些年已有學(xué)者提出了管-連系梁的體系[1]，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)體系。早期的研究設(shè)計(jì)[2]將三管以簡(jiǎn)化平面桁架作為計(jì)算方法，將三管及桁架作為一個(gè)整體進(jìn)行受力驗(yàn)算。而實(shí)際在受力過程中，管道和空間桁架的剛度相差較大，簡(jiǎn)化平面桁架方法已不適用于三管自立式煙囪的計(jì)算。隨著有限元方法的日益成熟，對(duì)于三管自立式煙囪的承載力驗(yàn)算可以較為準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況。

三管煙囪內(nèi)部在使用多年以后由于防腐失效，導(dǎo)致管道內(nèi)壁腐蝕變薄，存在嚴(yán)重安全隱患，許多相同構(gòu)造的煙囪均存在類似的問題。本文依據(jù)某鋼鐵企業(yè)三管自立式煙囪實(shí)例，測(cè)試了煙囪的實(shí)際壁厚，分析了銹蝕后煙囪的承載力，通過各加固方法比選，確定了煙囪的具體加固技術(shù)方案。

1 銹蝕檢測(cè)

1.1 項(xiàng)目概述

山東某鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐一次除塵的三管自立式鋼煙囪建于2007年，三根煙囪管徑1420mm，壁厚10mm，每隔12m設(shè)置一道連系桁架，共設(shè)置5道連系桁架。煙囪總高60m，三鋼管的布置呈等邊三角形，且三角形的邊長(zhǎng)沿高度方向均勻變化。0m標(biāo)高處三角形的邊長(zhǎng)為8660mm，60m標(biāo)高處其邊長(zhǎng)為3464mm。煙囪所用鋼材牌號(hào)為Q235B。

1.2 銹蝕檢測(cè)結(jié)果

沿高度方向分別對(duì)三根煙囪管壁壁厚進(jìn)行測(cè)量，并結(jié)合已使用年限對(duì)該煙囪的腐蝕速率進(jìn)行推算。檢測(cè)結(jié)果及腐蝕速率推算見表1及表2。

表1 管壁剩余厚度檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test result of remaining thickness of pipe wall

表2 管壁腐蝕速率計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation result of corrosion rate of pipe wall

根據(jù)表1管壁厚度檢測(cè)結(jié)果，三管自立式煙囪三根管的銹蝕程度均十分嚴(yán)重，其中2#柱的銹蝕程度最嚴(yán)重，30.0m標(biāo)高以下的銹蝕率普遍高于25%，局部銹蝕率最高達(dá)36%。

根據(jù)表2管壁腐蝕速率計(jì)算結(jié)果，2#柱30m以下部分鋼材腐蝕速率較高，其平均腐蝕速率為0.29mm/年；2#柱30m以上部分、1#柱和3#柱的腐蝕速率較均勻，平均腐蝕速率為0.20mm/年?？紤]到投產(chǎn)使用前幾年防腐涂料保護(hù)作用，目前實(shí)際銹蝕速率應(yīng)大于0.20mm/年，按照此腐蝕速度，后續(xù)使用不到5年，測(cè)點(diǎn)最薄處管壁厚度將不足5mm，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。

2 承載力分析

2.1 有限元模型

使用Midas有限元軟件對(duì)三管自立式煙囪進(jìn)行建模分析，有限元模型見圖1。根據(jù)初步分析，該煙囪三個(gè)主管道為壓彎構(gòu)件，三管間的聯(lián)系桁架為空間桁架體系，桿件均為二力桿。因此建模采用梁?jiǎn)卧Ｐ?，邊界條件為三管底部固接，桁架節(jié)點(diǎn)設(shè)為鉸接。為符合工程實(shí)際現(xiàn)狀，鋼管壁厚度按照最不利情況設(shè)置為6mm。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

2.2 模態(tài)分析

根據(jù)建立的有限元模型對(duì)三管自立式煙囪模態(tài)進(jìn)行分析，計(jì)算得到前4階固有頻率及周期結(jié)果，如表3所示。

表3 煙囪自振頻率及周期Tab.3 Chimney natural vibration frequency and period

2.3 體型系數(shù)μs計(jì)算

根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50051—2013)條文說(shuō)明5.2，當(dāng)迎風(fēng)面擋風(fēng)系數(shù)φ＞0.5時(shí)，μs值隨著φ的增大而增大，特別是在d·v≥6m2/s時(shí)。遵守這一規(guī)律，對(duì)于三個(gè)排煙筒一般均屬于φ＞0.5，d·v≥6m2/s的情況(d為管徑，v為風(fēng)速)。推薦三個(gè)排煙筒的整體風(fēng)荷載體型系數(shù)為:

式中:擋風(fēng)系數(shù)φ=迎風(fēng)面構(gòu)件的凈投影面積/迎風(fēng)面輪廓面積。

為盡量保證體型系數(shù)計(jì)算符合實(shí)際，本文選取公式(1)計(jì)算體型系數(shù)，計(jì)算最大擋風(fēng)系數(shù)φ=0.582，相應(yīng)體型系數(shù)μs=1.233。

2.4 風(fēng)荷載計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)條件，該煙囪基本風(fēng)壓w0為0.40kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

1.橫風(fēng)向風(fēng)振

按《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50051—2013)[4]第5.2.4條規(guī)定，對(duì)于自立式結(jié)構(gòu)鋼煙囪，應(yīng)根據(jù)雷諾數(shù)的不同情況進(jìn)行橫風(fēng)向風(fēng)振驗(yàn)算。雷諾數(shù)的計(jì)算公式如下:

式中:v為計(jì)算高度處風(fēng)速，計(jì)算煙囪筒身風(fēng)振時(shí)，可取v=vcr，j；d為結(jié)構(gòu)截面的直徑，當(dāng)結(jié)構(gòu)的截面沿高度縮小時(shí)(傾斜度不大于0.02)，可近似取2/3結(jié)構(gòu)高度處的直徑；Tj為結(jié)構(gòu)第j振型的自振周期，驗(yàn)算亞臨界微風(fēng)共振時(shí)取基本自振周期T1；St為斯脫羅哈數(shù)，對(duì)圓截面結(jié)構(gòu)取0.2。

根據(jù)式(2)及式(3)計(jì)算得到第1～4階振型的Re值范圍介于3×105～3.5×106之間，故可不計(jì)算橫風(fēng)向共振荷載。

2.順風(fēng)向風(fēng)荷載

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[5]第8.1.1條規(guī)定，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk按:

式中:βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓。

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[5]第8.4.3條規(guī)定，順風(fēng)向風(fēng)荷載風(fēng)振系數(shù)βz按:

式中:g為峰值因子，可取2.5；I10為10m高度名義湍流強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)B類地面粗糙度，可取0.14；R為脈動(dòng)風(fēng)荷載的共振分量因子；Bz為脈動(dòng)風(fēng)荷載的背景分量因子。R與Bz的值按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[5]第8.4.4～8.4.7條規(guī)定計(jì)算。

對(duì)10m、20m、30m、40m、50m、60m高度的風(fēng)荷載參數(shù)按公式(4)分別進(jìn)行計(jì)算，對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation result of wind load standard value

2.5 承載能力計(jì)算

1.荷載條件

三管自立式煙囪的驗(yàn)算分為承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)，包括恒荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載、活荷載、地震荷載等。根據(jù)分析，三管自立式鋼煙囪起控制作用的荷載主要有恒荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載、活荷載，其中恒荷載按照實(shí)際自重取值，風(fēng)荷載按照計(jì)算結(jié)果取值，溫度荷載按照2個(gè)主管道升溫50℃的溫度條件取值，活荷載按照原設(shè)計(jì)規(guī)定取值。

承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)分別按照以下組合計(jì)算:

(1)根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50051—2013)[4]3.1.4～3.1.7條規(guī)定，承載力極限狀態(tài)計(jì)算的基本組合分項(xiàng)系數(shù)及組合值系數(shù)按照規(guī)范中表3.1.6、表3.1.7規(guī)定取值。由于三管自立式鋼煙囪溫度荷載為長(zhǎng)期作用，故采用1.35G+1.4W+1.0T組合進(jìn)行計(jì)算。

(2)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)按照1.0G+1.0W+1.0T組合。

2.計(jì)算結(jié)果

(1)承載能力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果:1#、2#、3#柱的最大驗(yàn)算比(作用效應(yīng)與構(gòu)件抗力的比值)為1.335，承載力均不滿足《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50051—2013)[4]的要求；柱之間各標(biāo)高的連系桁架承載力均不滿足《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50051—2013)[4]的要求。局部桁架驗(yàn)算結(jié)果見圖2。

圖2 局部桁架驗(yàn)算結(jié)果Fig.2 Truss partial results

(2)正常使用極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果:結(jié)構(gòu)整體的最大位移為57.2mm，位移比為1/105，位移比滿足現(xiàn)行《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50051—2013)[4]的要求。

3 加固方案分析

根據(jù)此結(jié)構(gòu)實(shí)際腐蝕速率及承載力驗(yàn)算結(jié)果，按照不同加固量提出三種加固方案。各加固方案示意見圖3，圖中紅色構(gòu)件為加固構(gòu)件。

圖3 加固方案Fig.3 Reinforcement scheme

3.1 方案一

該加固方案為沿高度方向新增一道連系梁，并將原連系桁架更換為連系梁。此方案預(yù)期后續(xù)使用2年。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，2#管2年后預(yù)計(jì)剩余最薄厚度5.8mm。根據(jù)有限元分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與整體穩(wěn)定均滿足要求。而根據(jù)局部穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果，主管道局部荷載抗力效應(yīng)比為1.33。故此方案不能滿足后續(xù)使用2年要求。

3.2 方案二

該加固方案為僅對(duì)2#管進(jìn)行包鋼加固，包鋼厚度10mm，其余加固方案同方案一。此方案預(yù)期后續(xù)使用年限2年。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，1#管、2#管2年后預(yù)計(jì)剩余最薄厚度7.0mm。根據(jù)有限元分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與整體穩(wěn)定均滿足要求。而根據(jù)局部穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果，主管道局部荷載抗力效應(yīng)比為1.11。故此方案仍不能滿足后續(xù)使用2年要求。

3.3 方案三

該加固方案為對(duì)3個(gè)主管24m標(biāo)高以下進(jìn)行包鋼加固，包鋼厚度10mm，其余加固方案同方案一。此方案預(yù)期后續(xù)使用年限5年。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，3個(gè)主管5年后預(yù)計(jì)剩余最薄厚度6.0mm。根據(jù)有限元分析結(jié)果，三管24m以下部分按照10mm厚度計(jì)算強(qiáng)度及整體穩(wěn)定效應(yīng)抗力比為0.711，局部穩(wěn)定驗(yàn)算效應(yīng)抗力比為0.95；24m以上部分按照6mm計(jì)算強(qiáng)度及整體穩(wěn)定效應(yīng)抗力比為0.598，局部穩(wěn)定驗(yàn)算效應(yīng)抗力比為0.84?？紤]計(jì)算較為保守，故此方案可滿足后續(xù)使用年限5年的要求。

4 方案三技術(shù)比選

方案三涉及兩個(gè)部分:一是采用外部貼焊鋼板的方式對(duì)3個(gè)管道進(jìn)行加固；二是增設(shè)連系梁。

外部貼焊鋼板加固方式按照不同構(gòu)造分為兩種方法:(1)沿高度方向每隔一段距離施焊一環(huán)形隔板，并在環(huán)形隔板上焊接10mm厚的外包鋼板。方案示意見圖4a；(2)直接將10mm厚的外包鋼板與原管壁焊接，在外包鋼板接縫處采用坡口焊，并將外包鋼板與原管壁進(jìn)行塞焊連接。方案示意見圖4b。

圖4 包鋼加固構(gòu)造Fig.4 Encircle steel reinforcement structure

對(duì)比這兩種技術(shù)，方法(1)外包鋼板與原結(jié)構(gòu)通過環(huán)形隔板連接的構(gòu)造使得原鋼管壁需要通過隔板連接來(lái)傳遞受力，冗余度較低，隨著腐蝕加劇，環(huán)板可能出現(xiàn)脫落問題；方法(2)將新增鋼板與結(jié)構(gòu)通過塞焊方式直接連接，并且在鋼板邊界位置均有焊縫連接，簡(jiǎn)化了傳力途徑，增加了連接的冗余度和可靠性。因此方法(2)更加合理可靠，故選擇方法(2)作為加固方案。

連梁與管壁的連接構(gòu)造為在24m以上連梁與管壁連接位置外包10mm鋼板，并且在與連梁連接處增設(shè)肋板，梁與肋板采用栓焊連接方式。連接方式見圖5。經(jīng)驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)處構(gòu)件及連接的承載力滿足要求。

圖5 連梁節(jié)點(diǎn)加固構(gòu)造Fig.5 Tie beam joint reinforcement structure

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)現(xiàn)狀承載力分析，三管自立式煙囪桁架及主管承載力均不滿足《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50051—2013)要求。通過加固方案技術(shù)比選，最終采用塞焊連接方式進(jìn)行主管加固，并在上部連梁的節(jié)點(diǎn)處將管壁進(jìn)行包鋼加固，連梁與管壁采用栓焊連接方式可滿足節(jié)點(diǎn)處構(gòu)件與連接的承載力要求，延長(zhǎng)煙囪的使用壽命。