大型承插拼接式玻璃鋼煙囪設計淺析

南京國電環保科技有限公司 莫偉軍 陳 強 付金存

玻璃鋼煙囪因其優異防腐性能和良好力學性能受到火電廠關注，具有質量輕、強度剛度高、制作周期短、耐腐蝕、使用壽命長、安裝簡單、造價低等優點，可替代傳統煙囪內襯材料解決目前火電廠煙囪面臨的新問題[1]。但由于現場制作環境受限，全部玻璃鋼煙囪采用現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材料的種類和質量，以保證煙囪的最佳經濟適用性能。考慮到煙囪是用于酸性腐蝕環境下，而玻璃纖維的使用價值在于保證煙囪的機械性能并增強結構的耐腐蝕性能，因此選取某廠E-CR纖維增強材料EWR-400-1000無堿方格布。FRP的結構性能會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選取反應型阻燃環氧乙烯基酯樹脂，如固化后的DERAKAN510C-350HOI環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,且其在機械設計方面性能非常良好，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輸和拼接的便捷性，項目設計中采用RIM工藝成型技術進行組合式玻璃鋼煙囪設計。這種工藝的模具及主設備價位低且實用性較強，可有效減少企業投資。整個模具制作周期較短且成品抗壓效果較好，可滿足后續安裝過程相關技術需求。在后續的煙囪安裝中可在現場進行直接組裝，極大提升了運輸便捷性。

2 大型承插拼接式玻璃鋼煙囪結構設計

2.1 分塊組合結構設計

玻璃鋼煙囪設計的標準高度為40m，內徑為5.3m。為實現生產的便捷性將煙囪分為8個標準圓周段，其中每一個標準段的高度為5m。每個標準段的圓周方向由8個單元塊組成，每一個單元塊尺寸為5m×2m（圖1），單元塊分別加工完畢后再將8塊單元塊進行拼接組裝。其中每一個單元塊在設計方面采用40mm聚氨酯泡沫夾心結構，上下蒙皮厚度分別為5mm。為方便單元塊拼接及加強穩定向設置了兩道加強筋，其中加強筋由55mm的泡沫和5mm的蒙皮夾層結構組成。加強筋設置在單元塊底部上方1m處，同一單元塊的兩個加強筋間距為3m。

保證煙囪使用穩定性，還在固定部位設計了選調固定支撐和止晃裝置。在整體結構設計上，煙囪上部和下部分別由6個和2個標準圓周段組成，上部和下部間采用橡膠膨脹節進行密封連接。為保證整個煙囪拼接質量，標準圓周段間及單元塊間采用邊緣錯位搭接方式進行拼裝，具體通過卡鉚釘連接、短切氈加玻璃布手糊密封方式進行密封，手糊密封寬度設置為350mm（圖2）。玻璃鋼煙囪整體內襯總質量為24320kg，每個單元塊重約380kg，每個圓周段重約3040kg。煙囪上部的6個圓周段重約18240kg，下部的2個圓周段重約6080kg。

2.2 支撐及止晃設計

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

2.3 吊裝連接設計

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個同樣的單元塊組裝而成，圓周段吊裝時采用圓形或是八棱得到吊裝框進行吊裝，單元段在吊裝時采用吊裝組裝方式進行操作，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。通過這樣的方式進行6個圓周段的組裝，最終將組裝好的單元段吊裝到鋼煙囪內筒的懸吊支撐點安裝。

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。結合玻璃鋼煙囪實際結構來看，載荷分析主要應分布八部分：單元塊吊裝工況載荷；圓周筒拼裝工況載荷，這時需進行懸吊運輸活動，傾斜角為10°；停機工況載荷，這時構件處于懸吊狀態；工作工況載荷，這時內壓為2000Pa，同時溫差已達到100℃；溫度載荷，這部分載荷主要是因為溫差為100℃而產生的；內壓載荷，這部分載荷主要是因為內壓達到了2000Pa；風載荷，具體需要承受水平風載0.4kN/m2；工作狀態下的地震載荷，本次設定防烈度為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。具體使用頂部兩個角點進行吊裝，并按照單元塊角度分為0°、22.5°、45°、67.5°、90°五個工況；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；停機工況。此時處于懸吊靜止狀態，只需分析圓周筒自身載荷與受力狀態即可；工作工況。此時構件處于內壓2000Pa和溫差100°的荷載狀態下，結合這種情況進行有限元分析；剩余工況信息分析。至此針對于構件的工況分析已全部完成，但仍需相關技術人員結合溫度載荷、內壓載荷、風載荷、地震載荷等各項內容針對構件的工況進行綜合分析，能夠明確構件處于不同工況下的具體載荷情況與受力現狀，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施與安裝方案

玻璃鋼煙囪實施工藝主要包含模型準備、制作成型及后處理等三個步驟，在開展施工時需按照工藝要求進行嚴格操作。

4.1 模具準備具體處理

大面真空檢驗。模具制作前應進行真空檢驗，模具首次使用可參考模具拼裝完的真空檢驗；水銀真空表抽至≤15mabr以內，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行修補。將凸起位置進行打磨，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，固化后進行水砂打磨，室溫固化（≥10℃）/12h；基準制作。在模具外翻邊位置制作零點標識和尺寸位置標識。

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，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；工藝技術參數。作業區域溫度≥15℃，不足15℃采用熱風機、搭保溫棚或開暖氣等方法對模型進行提前加熱，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見表1。

表1 表面涂覆的次數

4.2.2 標識制作

清理。清理標識區域（標識區域干凈、無毛刺）；刻線。如需刻線，用刻線工具在指定位置刻標示線；標示模板粘貼。模板粘貼時以緊鄰數字的一段為起點，對準模型上標示線的起點粘貼整齊（模板粘貼正確，使標示線位于模板豎條中心，分模面粘貼位置公差±1.5mm）；涂覆樹脂膩子。手糊樹脂加白炭黑和色漿涂刷標識空白處，樹脂凝膠前將標識紙取下（撕掉標識紙后，標識清晰，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襯層、結構層和外表面層組成。以各自在煙囪單元結構制作時的鋪放順序排列，其中防腐蝕內襯層、結構層、加強筋、外表面層的鋪放要求依次如下：

防腐內襯層鋪放工藝要求：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%，采用對接方式鋪放，層與層對接位置錯開寬度≥100mm。以上均需隨型鋪放，不能有懸空。

結構層鋪放工藝要求：EWR-400-1000無堿方格布15，名義厚度6mm，樹脂含量35%±5%，采用對接方式鋪放，層與層對接位置錯開寬度≥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。

加強筋鋪放工藝要求：PVC泡沫加強筋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%，采用對接方式鋪放，層與層對接位置錯開寬度≥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設計方案進行展開。其中玻璃內筒的安裝一般采用液壓提升倒裝法，在煙囪外筒頂部設置鋼平臺作為支撐結構，從而設置提升系統開展內筒的提升安裝。此時將八個單元塊依次運入玻璃鋼煙囪中心操作平臺組裝成圓周段，運用八組鋼絞線固定成型圓周段形成成套的提升系統，并利用液壓提升裝置進行圓周段的提升。依次重復上一操作，其中第一二筒體需施工人員從內外兩邊進行對接粘結，并在此過程中保證端口對接齊整度。粘接完成后還需進行一定時間的固化以保證煙囪穩定性。固化后在此帶動兩節圓周筒提升，以便于操作人員在下方繼續進行下一步操作。六節圓周筒安裝完畢后將整個筒體提升至承載支撐平臺上固定完成即可。煙囪下部分安裝同樣是利用這樣的方式進行重復操作[3-4]。

5 結語

玻璃鋼煙囪組合式設計方案可以解決傳統煙囪在使用過程中抗腐蝕性不強、維修費用高等缺點，并且承插拼接式玻璃鋼煙囪在制作、運輸以及后期安裝中都具有非常顯著的優勢，對于現場施工條件受限、改造工期短的使用環境尤為適應。