烟囱设计对温度应力的要求

温度应力的取值作为混凝土烟囱设计方面的一个薄弱环节,温度应力的取值问题已成为设计中的一道难题。在钢筋混凝土烟囱设计中,环向应力计算一般仅考虑烟温影响,日照、寒潮等自然环境影响一直被当作可忽视的因素,《烟囱设计规范》GB50051-2002虽然提及日照影响问题,但因缺乏必要的基础资料,未对有关日照影响作明确的规定,只是对筒壁厚度大于450 mm和筒壁外测温度长期大于内测温度的部位,明确了应在内侧配选构造钢筋的一些规定,而筒壁配筋则采用单层配置于外侧的常规型式。美、日、俄等国家已经在钢筋混凝土烟囱中采用了双层配筋。俄罗斯规范则明确规定,计算内部环向钢筋时,必须考虑到烟囱在施工期间有太阳辐射而产生温差(25℃)的影响。从规范的角度看,我国烟囱设计水准起点相对较低,致使在设计中,除需执行现行规范的有关规定外,还需采纳各地的实践经验作为对规范未明确和完善之处的补充。稍有不慎,便会导致烟囱在运行中难以满足设计要求,出现诸如开裂、腐蚀等一系列问题。近年来,国内设计单位开展了大量的科研和调查研究,并借鉴国外设计经验,对钢筋混凝土烟囱温度应力的各种成因、分阶段应力状态以及温度应力配筋问题等方面业已达成共识,从而使钢筋混凝土烟囱设计水平有了很大提高。

2.1　混凝土烟囱内衬、隔热材料的导热系数取值钢筋混凝土烟囱内衬、隔热材料的导热系数按规范取值不太合适。因为规范规定的内衬、隔热层材料导热系数是按干容重状态下的取值,而实际状态恰好相反,烟囱内烟气是呈饱和状态的,对水膜式除尘器除尘的烟气则更是如此,当内衬、隔热层受烟气蒸泡后,导热系数就远大于规范中所提供的数值。此外,混凝土烟囱在施工过程中,湿态外筒壁混凝土使封闭的隔热层受潮,加上常用的隔热材料(如矿棉、岩棉等)吸湿性较强,导热系数必然远大于规范中给出的干态值。设计中均要根据内衬、隔热材料的性能和烟气运行条件适量放大干态下的导热系数,放大倍数根据经验取1.5~3倍不等。如烟囱高150 m,内衬采用粘土质耐火砖,隔热层采用水泥珍珠岩制品,规范提供的导热系数λ分别为粘土质耐火砖0.93,水泥珍珠岩制品0.16,而在设计中则分别取3.86、0.32。

2.2　日照温度和烟气温度的取值

日照温度和烟气温度取值不当也是混凝土烟囱出现纵向裂缝的因素之一。工艺提供的烟气温度设计值均以正常运行工况为准,实际生产过程中,烟气温度因各种原因会产生变化,尤其是当发电系统发生事故后,烟气温度可能有较大的提升。在引进外资的项目中,由外方提供的烟气设计温度均考虑了事故烟温,大大高出国内同类型项目中所采用的标准。因此,工程设计中,应适当提高烟气设计温度。至于提高多少为宜,需同工艺共同研究。目前,许多电力设计院将烟气设计温度在工艺提供的烟气温度上提高10%。此外,无烟气影响的冷筒阶段,混凝土筒壁温度变化受当地气温、日照、风速、风向及周围环境等因素的影响(其中日照影响随季节变化)。由于壁温的变化,筒壁内外应力状态也相应变化,时而出现拉应力,时而出现压应力,两者随着季节的推移而交替变化着,对筒壁内表面,温度应力取决于日照温差,按照规范规定,外筒壁最高温度采用夏季极端最高气温一般在40℃左右,而夏季太阳照射烟囱混凝土外筒壁的最高温度可达50~70℃或更高这时,筒壁内外温差将大于按大气温度计算的温差。如果设计中考虑不当,必将造成烟囱还没有投入运行,内筒壁便开裂的不良后果。

2.3　提高混凝土烟囱环向钢筋的配筋率

按现行规范标准,烟囱温度应力控制的环向构造配筋并不符合实际情况。首先,对混凝土烟囱这样的重要结构,如果内壁开裂,则烟囱投入运行后,烟气对筒身的腐蚀会畅通无阻直接危及烟囱的安全,因此,烟囱设计按单面配筋客观上已不允许。我国部分电算程序规定内层环向配筋率为0.1%,如果按照国外规范,考虑太阳辐射产生温差(25℃)的影响这一配筋率偏低,由于目前没有统一的定量标准,设计人员在设计中往往根据经验而定建议内壁配筋率以0.15%~0.25%为宜;关于壁外侧环向配筋,规范规定的构造配筋率为0.25%。实践证明,这一配筋率并不能保证烟囱在使用期间不产生温度裂缝,特别是烟囱中上部,裂缝宽度往往超过规范允许值。有人提出:“钢筋混凝土烟囱环向构造配筋率0.2%偏低,对于高烟囱采用0.5%为宜。将裂缝比较严重的烟囱上部1/3左右的外壁环向钢筋配筋率提高到0.4%~0.5%。”烟囱中下部通过计算得到的配筋率也应适当加大,可考虑1.1~1.2的放大系数。