《煙囪工程技術標準》關鍵技術修訂介紹

徐衛(wèi)陽 王志宇 牛春良

(上海必立結構設計事務所有限公司 201199)

引言

現(xiàn)行國家標準《煙囪設計規(guī)范》(GB50051—2013)和《煙囪工程施工及驗收規(guī)范》(GB50078—2008)全面修訂、合并為《煙囪工程技術標準》(GB50051)(以下簡稱新國標)。新國標修改內(nèi)容較多，涉及風荷載、溫度作用、煙囪防腐以及玻璃鋼煙囪等方面。我國《煙囪設計規(guī)范》(GB50051—2013)依據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》[1](GB50009—2012)，要求按雷諾數(shù)Re的情況進行橫風向風振判定，而實際工程出現(xiàn)與上述規(guī)范判定情況相悖的現(xiàn)象，即根據(jù)雷諾數(shù)Re判定條件屬于超臨界范圍，不發(fā)生橫風向風振，實際工程卻出現(xiàn)明顯橫風向風振現(xiàn)象。工程實踐顯示雷諾數(shù)作為橫風向共振是否發(fā)生的判定條件之一，存在不足。本文主要針對新國標中橫風向共振判定條件和煙囪防腐的修訂做一背景介紹，以增加讀者對新國標中有關內(nèi)容的理解和應用，減少因設計不當而造成的工程破壞現(xiàn)象。

1 煙囪橫風向風振判定條件的修訂

1.1 現(xiàn)行國家標準關于橫風向風振的判定條件

對于圓形截面的高聳構筑物，《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009—2012)要求按不同雷諾數(shù)Re的情況進行橫風向風振的校核，即:

(1)當Re＜3×105，且結構頂部風速vH大于臨界風速vcr時，可能發(fā)生亞臨界的微風共振。此時，在構造上應采取防振措施，或控制結構的臨界風速vcr不小于15m/s。

(2)當Re≥3.5×106，且1.2vH＞vcr時，可發(fā)生跨臨界強風共振，此時應考慮橫風向風振的等效風荷載。

(3)當3×105≤Re≤3.5×106時則發(fā)生超臨界范圍的風振，可不做處理。

該規(guī)定的核心就是:當Re≥3.5×106，且1.2vH＞vcr時，應進行橫風向驗算，實際上就是強風共振判定條件。但許多實際工程在“超臨界”范圍發(fā)生共振，造成結構破壞。近年來，自立式鋼煙囪在我國大量建造，該破壞現(xiàn)象愈加頻繁，需要對共振判定條件的適用性做出修正。

雷諾數(shù)是大家比較熟悉的一個空氣動力學參數(shù)，是流體的慣性力與粘性力之比，對風荷載效應有較大影響。在國外有關標準中，雷諾數(shù)對順風向和橫風向的影響主要體現(xiàn)在風荷載響應方面，而不是作為橫風向共振的判定條件，具體表現(xiàn)為順風向的體形系數(shù)與橫風向的氣動阻尼等方面的影響。

1.2 雷諾數(shù)對順風向風荷載的影響

在順風向風荷載效應計算時的一個重要參數(shù)就是體型系數(shù)，而體型系數(shù)除了與結構表面粗糙度、高徑比、湍流度以及周圍建筑的影響等有直接關系外，雷諾數(shù)的影響相對比較“隱性”，但卻不容忽視。當雷諾數(shù)小于亞臨界值Re1(subcritical)時，鋼煙囪體型系數(shù)近似獨立于雷諾數(shù)，即與雷諾數(shù)變化無關，為一固定值；當雷諾數(shù)大于Re1后，體型系數(shù)會急劇降低，雷諾數(shù)達到超臨界值Re2(supercritical)時，體型系數(shù)降到最小值；此后，隨著雷諾數(shù)的增大，體型系數(shù)又開始增長，直到雷諾數(shù)達到跨臨界值Re3(postcritical)后，體型系數(shù)又重新穩(wěn)定到一個新的恒定值。雷諾數(shù)Re1、Re2、Re3的典型值分別為2×105、4×105和2×106。文獻[3]還給出了鋼煙囪基本體型系數(shù)與雷諾數(shù)關系如下:

1.3 雷諾數(shù)對橫風向風荷載的影響

我國《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009—2012)[1]及其他引用性標準[2]均將雷諾數(shù)作為橫風向共振是否發(fā)生的判定條件，而歐美標準[3]的判定條件主要是通過臨界風速來確定是否考慮旋渦脫落引起的橫風振動問題，雷諾數(shù)對氣動阻尼參數(shù)有較大影響，反映的是振動效應，而不是判定條件。是否考慮橫風向振動僅僅按下式判斷:

即當臨界風速vcr小于煙囪頂部風速vH的1.25倍時，需要研究旋渦脫落的影響。

文獻[3]認為，煙囪的橫風振動取決于煙囪的質(zhì)量和阻尼，以及運動引起的氣動阻尼，振動的強度很大程度上由兩個無量綱參數(shù)的比值決定，即斯科頓數(shù)Sc和氣動阻尼Ka的比值，即是否滿足作為振動強度的主要判定條件，其中Sc和Ka分別按以下公式計算:

式中:ρa為空氣質(zhì)量密度，取ρa=1.25kg/m3；dm為煙囪頂部1/3高度范圍筒身平均外直徑(m)；f1(z)為第一階振型；ξs為煙囪阻尼比；m(z)為煙囪單位高度質(zhì)量(kg/m)；h為煙囪高度(m)；Iv為煙囪頂部的湍流強度。

1.4 新國標判定條件的修訂

基于工程實踐及國外標準有關規(guī)定，新國標《煙囪工程技術標準》(GB50051)關于橫風向共振判定條件修改如下:

對于混凝土煙囪和鋼結構煙囪，當其頂部1/3高度范圍內(nèi)的坡度不大于2%時，且頂部風速符合下列條件時，應驗算其渦激共振響應。

式中:vcr，j為第j振型臨界風速(m/s)；vH為煙囪頂部H處風速(m/s)；d為煙囪2/3高度處外徑(m)；St為斯脫羅哈數(shù)，取St=0.2；Tj為結構或桿件的第j振型自振周期(s)；μH為煙囪頂部H處風壓高度變化系數(shù)。

對于鋼煙囪，新國標同時規(guī)定:當Sc≤5時，應安裝減振裝置；當5＜Sc≤15時，可安裝減振裝置，或進行抗疲勞設計；當Sc＞15時，可不安裝減振裝置。

1.5 煙囪橫風向共振減振措施

由于鋼煙囪阻尼比較低，容易共振且共振荷載與對應順風向荷載比較會較大。共振誘發(fā)的結果除了產(chǎn)生較大的振幅引起人們的不安外，最終會造成強度破壞或疲勞破壞，需要在設計階段采取措施，并將橫風共振效應降低到可接受水平。

減振的措施主要有以下幾種方式:1)改變結構剛度或結構形式，避免共振產(chǎn)生，以獲得結構安全；2)增加空氣動力裝置，干擾渦激共振的發(fā)生；3)增加阻尼器裝置，降低共振效應。

1.6 鋼煙囪橫風共振破壞案例

表1分別列舉了山東某電廠啟動鍋爐45m、黑龍江伊利乳業(yè)新建60m以及天津無縫鋼管廠加熱爐90m三個典型高度的鋼煙囪風振破壞案例。

表1 橫風共振鋼煙囪破壞案例Tab.1 Failure cases of steel chimney undercross-wind resonance

表1中鋼煙囪的計算雷諾數(shù)均在超臨界范圍(3×105≤Re≤3.5×106)，屬于旋渦脫落不規(guī)則狀態(tài)，不會產(chǎn)生共振，與實際情況相悖。按新國標《煙囪工程技術標準》計算結果均發(fā)生共振，計算振幅與實際相符。

2 煙囪防腐內(nèi)容的修訂

2.1 《煙囪設計規(guī)范》關于煙囪防腐內(nèi)容的修訂歷程

煙囪防腐是煙囪設計的核心內(nèi)容之一，防腐方案是根據(jù)煙氣介質(zhì)的成份與濃度、煙氣的濕度與溫度等綜合因素確定的。國家標準《煙囪設計規(guī)范》的歷次修訂都是依據(jù)煙氣情況變化和腐蝕破壞的實踐總結而制定的。

我國第一本煙囪設計標準《煙囪設計規(guī)范》(GBJ51—83)的設計條件為高溫煙氣，對煙氣腐蝕沒有專門規(guī)定?！稛焽柙O計規(guī)范》(GB50051—2002)在大量調(diào)研的基礎上首次給出了煙囪防腐蝕設計規(guī)定，但規(guī)定主要是針對燃煤電廠干煙氣做出的。當煙氣溫度低于150℃時，根據(jù)燃煤含硫量確定煙氣的腐蝕等級為弱腐蝕、中等腐蝕和強腐蝕等級，并給出相應的防腐蝕規(guī)定。配套實施的煙囪設計標準圖集《鋼筋混凝土煙囪》(05G212)和《鋼煙囪》(08SG213-1)都是依據(jù)該版規(guī)范編制的，僅適合干煙氣。

自2004年開始，國內(nèi)火力發(fā)電廠都強制要求設置煙氣脫硫系統(tǒng)，并普遍采用濕法脫硫。濕法脫硫后的煙氣為過飽和濕煙氣，濕煙氣滲透性強、易冷凝，并含有稀硫酸、稀鹽酸等腐蝕介質(zhì)，對煙囪具有強腐蝕作用，造成大量煙囪腐蝕破壞，損失極其嚴重。在此背景下，《煙囪設計規(guī)范》(GB50051—2013)規(guī)定了濕煙氣、潮濕煙氣和干煙氣，并依此規(guī)定了不同煙囪選型和防腐措施。

為了解規(guī)范應用效果，《煙囪設計規(guī)范》(GB50051—2013)實施后，規(guī)范組組織全國主要電力設計單位和相關發(fā)電廠對煙囪腐蝕進行了較大范圍的普查工作。新國標對防腐作出了較大調(diào)整，此次規(guī)范修訂更關注材料本身的防腐性能，而不是煙囪結構型式，并將適用范圍擴大至既有煙囪防腐改造工程。

2.2 新國標防腐材料的選用

新國標在總結國內(nèi)煙囪防腐經(jīng)驗并借鑒國外先進標準的有關規(guī)定，對煙囪防腐材料的選用做出一些規(guī)定(表2)。

表2 煙囪防腐材料選用Tab.2 Selection of anticorrosive materials for chimneys

2.3 部分防腐材料介紹

1.纏繞纖維增強塑料

本次新國標修訂將玻璃鋼內(nèi)筒作為濕煙囪防腐方案之一。就防腐性能而言，玻璃鋼材質(zhì)可以滿足30年以上的設計壽命，但組成玻璃鋼的樹脂和玻璃纖維基礎材料性能、產(chǎn)品設計以及施工質(zhì)量對最終玻璃鋼制品的性能影響是非常顯著的。新國標將原來“玻璃鋼”改為“纏繞纖維增強塑料”，主要是與實際工程中采用手糊方式直接粘附于排煙筒內(nèi)壁的玻璃鋼內(nèi)襯加以區(qū)別。手糊玻璃鋼內(nèi)襯不適用標準第9章“纖維增強塑料內(nèi)筒”的規(guī)定，其適用范圍應當參照涂層材料執(zhí)行。纖維增強塑料內(nèi)筒主要適用于溫度不大于60°工況下的濕煙囪，最高溫度不應大于100°。纖維增強塑料內(nèi)筒在溫度大于60°時，其力學性能顯著下降，超過100°時，已經(jīng)接近樹脂澆鑄體的熱變形溫度。因此，當煙氣超出100°時，需要在煙囪前端采取冷卻降溫措施，或選用耐高溫樹脂材料。

2.硼硅酸鹽泡沫玻璃磚

2013年版《煙囪設計規(guī)范》已經(jīng)明確輕質(zhì)防腐磚主要推薦進口泡沫玻璃磚(賓高德玻璃磚)，主要是基于國內(nèi)輕質(zhì)防腐磚(包括普通玻璃磚和?；沾纱u)在濕煙囪領域應用存在大量破壞現(xiàn)象，而進口泡沫玻璃磚防腐效果優(yōu)異，差距非常明顯。新國標與國外標準一致，將以賓高德為代表的“硼硅酸鹽泡沫玻璃磚”作為濕煙囪主要防腐方案之一，并將“硼硅酸鹽泡沫玻璃磚”與“輕質(zhì)防腐磚”列為兩種方案，并分別給出使用限定條件，避免因選用方案不當造成腐蝕破壞。

泡沫玻璃磚防腐系統(tǒng)是由泡沫玻璃磚和粘結劑共同組成的，兩者的防腐性能和抗?jié)B性能共同決定系統(tǒng)的最終防腐效果。與進口硼硅酸鹽泡沫玻璃磚相比，國內(nèi)輕質(zhì)防腐磚吸水嚴重，在長期濕煙囪運行環(huán)境下，輕質(zhì)磚處于含水飽和狀態(tài)，腐蝕液體滲透到防腐磚背后膠粘層表面，輕質(zhì)防腐磚喪失了抗?jié)B防腐功能和保溫能力。以賓高德為代表的硼硅酸鹽泡沫，其閉孔率接近100%，保證了玻璃磚的抗?jié)B性能，進而實現(xiàn)了防腐和保溫功能。

用于粘貼泡沫玻璃磚的膠既是粘貼防腐磚的粘接劑，同時也是濕煙囪防腐的第二道防線，這層膠厚度約3mm，形成一道富有彈性的密閉防腐和抗?jié)B屏障。而調(diào)查情況表明，國產(chǎn)輕質(zhì)防腐磚配套的粘結劑普遍存在滲漏問題，粘結劑防腐性能不能滿足濕煙氣運行工況，達不到密閉防腐和抗?jié)B作用。

因此，上述兩方面的材料問題是導致輕質(zhì)防腐磚系統(tǒng)在濕煙囪環(huán)境下防腐失效的主要原因。所以新國標規(guī)定了輕質(zhì)防腐磚僅用于潮濕煙氣使用條件下的套筒式或多管式煙囪，不能直接粘貼在單筒式濕煙囪的筒壁上，以降低煙囪主體結構破壞的風險。進口硼硅酸鹽泡沫玻璃磚因其防腐效果優(yōu)異，國內(nèi)外有大量成功應用案例，規(guī)定其可用于單筒式、套筒式或多管式濕煙囪的防腐。采用單筒式煙囪，不用設置內(nèi)筒和平臺，煙囪截面可大幅度降低，內(nèi)部無需鋼結構，可明顯降低煙囪建造成本和后期維護成本。

3.鎳基或鈦基復合金屬

美國電科院《濕煙囪設計導則》[4](1996年版)推薦可采用Tianium Grade 2(Ti2)用于濕煙囪防腐，但更傾向使用Tianium Grade 7(Ti-0.15Pd鈦鈀合金)作為濕煙囪防腐材料，并要求Ti2的鐵含量為0.02%以下。Tianium Grade 7的防腐性能要優(yōu)于Ti2，但價格也較貴?！稘駸焽柙O計導則》指出，Tianium Grade 7用于脫硫塔入口煙道干濕交界面時，出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象。故2012年版美國《修訂濕煙囪設計導則》[5]不再推薦鈦材作為濕煙囪防腐材料，防腐金屬僅推薦鎳合金C276和C22。

我國在濕煙囪防腐選材上大量采用鈦鋼復合板(Ti2)，調(diào)研發(fā)現(xiàn)鈦鋼內(nèi)筒也存在許多滲漏問題，但鑒于國內(nèi)仍有大量鈦板內(nèi)襯應用，新國標仍保留了鈦基復合金屬內(nèi)襯。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，建議當采用該方案時，宜采用更高等級的鈦合金內(nèi)襯或鎳基復合金屬內(nèi)襯，并確保鈦鋼復合板的焊縫質(zhì)量。目前我國已經(jīng)開發(fā)出Ti10復合內(nèi)襯，其性能大大優(yōu)于Ti2復合內(nèi)襯，而價格增加幅度較小，可提高目前鈦鋼復合板的防腐性能。另外，我國煙囪防腐領域鈦鋼復合板普遍采用1.2mm厚鈦板復合，影響該類防腐的使用年限和焊接的可靠性，而國外標準采用厚度為1.6mm以上，且金屬防腐設備領域均采用2.0mm以上鈦板復合，建議提高防腐設計標準。

3 結語

在橫風向共振判斷方面，國家標準《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009—2012)把雷諾數(shù)作為判定橫風向共振條件之一，存在不足。大量鋼煙囪破壞案例表明，其雷諾數(shù)均發(fā)生在規(guī)范所規(guī)定的“超臨界”范圍，規(guī)范規(guī)定與煙囪實際振動情況嚴重不符，造成工程破壞。新國標《煙囪工程技術標準》對此進行了修正，并給出新的計算規(guī)定，更符合實際情況，從而可大幅度降低因規(guī)范規(guī)定不足所造成的工程破壞，滿足工程設計需要。

在煙囪防腐方面，新國標在總結國內(nèi)外經(jīng)驗基礎上，推薦了現(xiàn)階段最成熟的3類材料用于濕煙囪防腐，這3類防腐材料均有各自優(yōu)勢與不足，需要在辯證分析后采用，以獲得好的防腐效果和經(jīng)濟效益。