套筒式煙囪鋼內筒結構選型

伊蒙生

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

某項目有4臺480t/h高溫高壓循環流化床鍋爐，其產生的煙氣，經過除塵、脫硫后送至1座180m的煙囪。采用不設置煙氣加熱系統(GGH)的濕法脫硫(FGD)工藝技術。正常運行時，排入煙囪的煙氣溫度在50℃左右，濕煙氣在煙囪內結露形成冷凝酸液，屬于強腐蝕性濕煙氣[1]。按照國家關于煙囪設計標準、電力行業煙囪設計標準的規定，確定煙囪采用套筒式煙囪，1個鋼筋混凝土外筒，2個鈦鋼復合板鋼內筒(兩爐一管)。

1 設計數據

煙囪設計參數見表1。

表1 煙囪設計參數

2 兩種鋼內筒型式對比分析

現階段，套筒式煙囪內筒型式主要有兩種：一是自支撐結構，國內占比很高，約90%以上，其設計、采購、施工全過程都很成熟；二是懸掛式結構，節點構造復雜，計算繁瑣，但是可以很大程度節約成本，近年也有一些工程實例。下面從結構、計算、施工、經濟性四個方面對兩種內筒型式進行分析比較。

2.1 結構特點

自支撐式鋼內筒，筒身底部通過地腳螺栓與混凝土基礎連接，所有外部載荷直接作用于筒身。鋼內筒與混凝土外筒內壁之間設置大于1m的凈間距，并沿煙囪軸線方向設置檢維修鋼平臺，間隔30m左右設有水平止晃結構(與鋼平臺配合)，限制鋼內筒在水平方向的位移。

懸掛式鋼內筒有整體懸掛式和上懸掛下自支撐的組合方式，整體懸掛式鋼內筒的整個筒身通過鋼牛腿設置在混凝土外筒上的懸掛平臺，上懸掛下自支撐是中上部筒體掛在懸掛平臺，下部筒體支撐在基礎上或者某一標高的底層鋼平臺，兩段之間用伸縮節連接，協調兩段筒體之間的變形和位移量。鋼內筒于混凝土外筒內壁之間同樣設置大于1m的凈間距，檢修平臺和止晃結構的設置與自支撐式相同。鋼內筒的載荷通過平臺傳遞到混凝土外筒。

2.2 設計計算

自支撐式鋼內筒的極限承載能力計算，除應包括自重荷載、煙氣溫度作用外，還要考慮混凝土外筒在風載和地震作用下產生的變形協調、煙道熱脹冷縮產生的推拉力及安裝和檢修作用力。

內筒應進行強度、整體穩定、局部穩定和煙道入口補強計算。

由于需承受整個筒身質量，自支撐鋼內筒是整體受壓的狀態，有失穩風險。為了保證強度和剛度，內筒壁厚要足夠大。

由于筒身不分段，自支撐內筒具備良好的整體性，對于正壓運行的煙囪，它具備優越的抗滲透能力。筒身通過地腳螺栓直接與基礎連接，所以其自重不會直接作用于混凝土外筒。

懸掛式排煙筒的載荷主要考慮自重、地震通過外筒作用到內筒的力和彎矩、煙氣溫差等。

內筒主要做整體強度、懸掛點和止晃點處筒體局部強度計算。另外，伸縮節的設計也是懸掛式煙囪設計的關鍵，除考慮由于煙氣溫度變化而引起鋼內筒豎向變位，還要考慮在外筒的橫向位移作用下，按照外筒和鋼內筒變形協調一致原則，鋼內筒在懸掛承重平臺和止晃平臺處會產生一相對位移，而對伸縮節產生影響。這樣就要求伸縮節處既要滿足結構的變形要求，又要保證煙囪的密閉性能。

由于大部分內筒(整體懸掛式的全部內筒，上懸掛下自支撐式的懸掛段內筒)的受力狀態是軸向拉伸，能充分發揮鋼板抗拉性能好的優點，避免鋼板局部壓屈失穩，筒壁薄[2]，用鋼量小。由于設有伸縮節(材料通常為氟橡膠)，對于正壓運行的煙囪，要重點考慮伸縮節處的抗滲透能力，如果考慮不周，則會存在安全運行隱患。設計和施工都要全面且仔細，煙囪運行期間要定期巡檢，及時處理滲漏、腐蝕等情況。

內筒質量通過懸掛鋼平臺直接作用于混凝土外筒。

2.3 施工

由于自支撐式鋼內筒結構應用廣泛，其施工技術也比較成熟，通常情況采用“氣壓頂升”法[3]。該方法具有原理清晰、設備簡易、操作簡單、過程平穩的優點。

對于懸掛式鋼內筒，筒節吊裝主要采用 “液壓提升”，同樣是一種成熟、可靠的施工技術。

由于懸掛式筒身長度通常比自支撐式要短，所以施工周期更短。

2.4 經濟性

懸掛式鋼內筒具有筒壁薄、用鋼量小、經濟性好的特性，但膨脹節的施工需牢固可靠，要考慮維護和更換的費用。自支撐式排煙筒整體性好，筒壁厚，用鋼量大，因鋼材成本差價遠大于膨脹節維護和更換費用，所以其經濟性差。

3 本項目煙囪型式的確定

綜上所述，自支撐式鋼內筒受力情況清晰，結構簡易，但由于整體受壓，存在失穩隱患，為此筒壁要厚，用鋼量大。懸掛式鋼內整體受拉，充分發揮鋼材拉伸性能好的優勢，不存在失穩、筒壁薄、用鋼量小。本項目煙道入口中心線高度41m，經計算比較，懸掛式比自支撐式鋼內筒節省用鋼量40% 左右，由于內筒為鈦鋼復合板，材料價高，所以費用節省明顯。

懸掛式內筒的設計、計算相比自支撐式要繁瑣，但其受力狀況好，經濟性有明顯優勢，正逐步贏得廣大用戶和工程公司的認可，而且近幾年的工程應用越來越多，相關技術也逐步走向成熟。所以項目決定采用懸掛式鋼內筒結構。

在工程設計時，外部煙氣管道與煙囪鋼內筒在連接接口處考慮為無位移連接，即各自解決膨脹問題。如煙囪鋼內筒采用整體懸掛式結構，經計算，鋼內筒最大豎向膨脹量為170mm左右，而在鋼內筒入口處的位移無法解決。經充分考慮，最終確定鋼內筒選用上懸掛、下自支撐，中間設置伸縮節的型式(見圖1，標注單位為m)。51.5～180m內筒通過鋼牛腿懸掛于160m鋼平臺，34～51.1m內筒支撐在34m鋼平臺。兩段內筒之間設置膨脹節(標高51.1m)。鋼筋混凝土外筒總高174.5m，內筒伸出外筒5.5m。頂平臺設在173m，懸掛平臺設在160m，每個內筒均布8個懸掛鋼牛腿，分別在125m、90m、70m、50m設置止晃平臺，34m處設置底部支撐平臺，每個內筒設置8個支撐鋼牛腿。

圖1 煙囪結構

4 結語

目前，煙囪運行狀況良好。通過該工程案例，可以得出的結論如下：與傳統自支撐式鋼內筒相比，采用懸掛式鋼內筒是完全可行的，且在筒身安全性、經濟性、施工周期等方面有優勢，可取得良好的社會經濟效益，具有積極的推廣前景。