大型火電廠懸掛式鋼內(nèi)筒膨脹節(jié)和焊縫設計探討

黃友強 王林寶

提要：本文給出懸掛式鋼內(nèi)筒煙囪膨脹節(jié)的設計方法，并對兩種膨脹節(jié)作法進行對比分析，提出推薦意見；同時，對鈦鋼復合板的拼接作法提出推薦意見。供有關工程技術(shù)人員參考。

關鍵詞：鋼內(nèi)筒，膨脹節(jié)，豎向變形，水平相對錯位變形，焊縫

1. 工程概況

華電國際山東某電廠一期2x1000MW機組工程，采用一座雙管式煙囪，煙氣采用石灰石濕法脫硫，不設GGH煙氣加熱系統(tǒng)。煙囪高度240m，每臺爐分別設置一個排煙筒，出口內(nèi)徑7.5m，外筒壁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒采用鈦鋼復合板結(jié)構(gòu)，為分段懸掛式，于標高77.0m、137.0m、197.0m處共設置3個膨脹節(jié)。

煙囪煙氣采用石灰石濕法脫硫處理，當不設GGH煙氣加熱系統(tǒng)時，脫硫后排入煙囪的煙氣溫度一般在40℃~50℃，濕度很大處于飽和狀態(tài)，容易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，結(jié)露后形成腐蝕性的液滴，沿內(nèi)筒內(nèi)壁流下，對內(nèi)排煙筒造成腐蝕。

2. 鋼內(nèi)筒膨脹節(jié)設計

煙囪的膨脹節(jié)的設計，主要考慮兩個方面因素：在自重、溫度等荷載作用下，膨脹節(jié)處鋼內(nèi)筒應能自由變形，避免上段和下段鋼內(nèi)筒擠壓碰撞；在地震、風等水平荷載作用，膨脹節(jié)上下端將橫向相對錯位，要保證內(nèi)筒氣密性，不能導致膨脹節(jié)出現(xiàn)開裂滲漏。

(1)溫度荷載作用下，鋼內(nèi)筒豎向變形分析

本工程夏季極端最高氣溫Tmax=38.9℃，冬季極端最低氣溫Tmin=-17.0℃，事故狀態(tài)下煙氣最高溫度T1=111.0℃，正常運行時的煙氣溫度T2=49.22℃，煙囪施工期間筒壁的平均溫度T3=20℃。

夏季內(nèi)外筒夾層溫度：Ts= Tmax+15℃=38.9++15=53.9℃

冬季內(nèi)外筒夾層溫度：Tw= Tmax+30℃=-17+30=13.0℃

根據(jù)《煙囪設計規(guī)范》（GB50051—2002），按平壁法求得:

夏季事故狀態(tài)下內(nèi)筒鋼板溫度T=110.2℃

冬季正常運行狀態(tài)下內(nèi)筒鋼板溫度T=48.73℃

則煙囪鋼內(nèi)筒膨脹量：

夏季△u1=αS?(T-T3) ?L=1.2x10-5x(110.2-20)x60=0.076m

冬季△u2=αS?(T-T3) ?L=1.2x10-5x(48.73-20)x60=0.024m

(2)自重作用下，鋼內(nèi)筒豎向變形分析

鋼內(nèi)筒自重標準值pk=26.0 Kn/m長度L=60m凈截面積A=0.1887m2

單位自重變形△x=△pk / (ES?A) ?x

自重變形X=∫0L△x? dx=∫06000026/ (206000?188700)?600002=1.2mm

(3)地震、風荷載作用下，鋼內(nèi)筒水平相對錯位變形分析

采用煙囪計算程序《Multi—flue Chimney V4.0》，結(jié)果如下：

煙囪水平變形和膨脹節(jié)水平相對錯位變形

膨脹節(jié)標高位置（m） 77.0 137.0 197.0

煙囪最大變形（m） 0.276 0.783 1.487

膨脹節(jié)水平錯位變形(m) 0.042 0.021 0.023

(4)煙囪膨脹節(jié)作法

作法一，在《大型火電廠懸掛式鋼內(nèi)筒設計研究》（特種結(jié)構(gòu)，2008（2））中，給出以下作法：煙囪上下段內(nèi)筒采用8mm厚改性硅橡膠帶內(nèi)側(cè)包1.2mm厚鈦板封閉，該封閉材料位于鋼內(nèi)筒內(nèi)部，然后外面再以彈性密封膏填充。

此方案伸縮節(jié)鈦板需壓制成定形尺寸，外部粘貼耐酸耐熱改性硅橡膠帶，膨脹節(jié)一般先進行1~1.5m分片，再進行現(xiàn)場拼接焊接組裝。根據(jù)對部分工程的調(diào)研，現(xiàn)場反映鈦板現(xiàn)場焊接拼接易發(fā) 生質(zhì)量問題，安裝過程中徑向晃動易出現(xiàn)撕裂情況，伸縮節(jié)安裝、更換需在內(nèi)筒內(nèi)部設置升降平臺，進入內(nèi)筒內(nèi)部施工，施工條件惡劣，施工難度大，難于操作。膨脹節(jié)由鈦鋼復合板廠配套供貨，費用約為7萬元/個。

作法二，本工程采用以下作法：煙囪上下段內(nèi)筒采用耐酸耐高溫氟橡膠封閉，該封閉材料位于鋼內(nèi)筒外部。

耐酸耐高溫氟橡膠的性能參數(shù)如下：

①使用溫度能夠滿足-30℃~250℃；

②在煙囪煙氣的腐蝕環(huán)境下使用年限達到15年；

③具有良好的密封性能，在煙氣作用下不發(fā)生滲漏；

④具有良好的化學穩(wěn)定性，氟橡膠含氟量不小于70%；

⑤扯斷伸長率不小于150%；抗撕裂強度不小于5kN/m.

此作法可于內(nèi)筒外部各層煙囪平臺上施工，便于安裝、檢修。膨脹節(jié)由廠家供貨，通常有兩種方式：

① 在工廠整體加工，一次成型，費用相對較高，約為30萬元/個。

② 在工廠分段加工，現(xiàn)場組裝，費用約為12萬元/個。

3. 鈦鋼板拼接焊縫選型

鈦和鋼熔焊的焊縫會產(chǎn)生脆裂，鈦在熔焊時時應避免與鋼融合，且應嚴格檢查焊點，避免漏焊等情況的發(fā)生，焊接質(zhì)量直接關系到鋼內(nèi)筒的耐腐蝕效果。

《鈦及鈦合金復合鋼板焊接技術(shù)要求》（GB/T13149-2009）給出了以下兩種焊接接頭型式：

焊縫一：為《鈦及鈦合金復合鋼板焊接技術(shù)要求》（GB/T13149-2009）表1之類別I。

焊縫二：為《鈦及鈦合金復合鋼板焊接技術(shù)要求》（GB/T13149-2009）表1之類別III。

焊縫一，鋼基對接板焊接時，施工工藝控制不當，形成的高溫易造成鈦復層的氧化剖壞，且易造成鈦與鋼相熔焊，對施工工藝控制要求高，焊接質(zhì)量控制要求高。

焊縫二，焊縫處鈦復層相對于基板每邊內(nèi)縮15mm，在焊縫處增設鈦填條，表面再設鈦蓋板與兩側(cè)焊接。按此作法，進行基板焊接時，可避免對鈦復層造成高溫氧化破壞，但相對于焊縫一，增加了一道鈦填條的施工工作量。根據(jù)調(diào)研，部分工程在現(xiàn)場施工過程中，為方便施工，取消了鈦填條。鈦填條取消后，將在焊縫相應位置處形成空腔，若鈦復層漏焊或焊縫損傷，易出現(xiàn)酸液沿空腔滲流造成基板沿焊縫腐蝕，在內(nèi)筒外表面設有保溫，此種類型腐蝕均不易被發(fā)現(xiàn)，易產(chǎn)生安全隱患。

4. 結(jié)論

通過以上分析，得出以下幾點結(jié)論：

(1)膨脹節(jié)設計過程中，溫度變化引起的豎向變形起控制作用，自重引起的豎向變形很小，可以忽

略。對膨脹節(jié)的作法，推薦采用作法二之現(xiàn)場組裝方式，此作法費用適中，施工簡單易行，方

便后期檢查維護。

(2)鈦鋼板的拼接作法，建議采用作法二。不宜取消鈦填條，或?qū)θ∠顥l后的空腔采用玻璃膠填

充等特殊處理，避免萬一鈦面板焊縫出現(xiàn)問題，酸液沿空腔滲流造成內(nèi)筒鋼板腐蝕。

鑒于筆者水平有限，文中難免有考慮不道之處，本文旨在共享工程設計中的經(jīng)驗，為今后類似工程提供借鑒參考。

參考文獻

1. 《大型火電廠懸掛式鋼內(nèi)筒設計研究》（特種結(jié)構(gòu)，2008（2））

2. 《煙囪設計規(guī)范》（GB 50051-2002）

3. 《鈦制焊接容器》（JB/T4745-2002）

4. 《鈦及鈦合金復合鋼板焊接技術(shù)要求》（GB/T13149-2009）