摘 要 分析了催化裂化装置80m钢筋砼烟囱筒壁局部严重破损的原因。介绍一种在不停产情况下,进行烟囱筒壁加固的有效方法。建议对烟囱内衬的设计及烟囱的日常检查引起足够的重视。
   关键词 钢筋砼烟囱 筒壁破损 加固方法 内衬设计
   在石油化工行业中,高耸入云的烟囱比比皆是,它在生产中起着举足轻重的作用。但是在长年的生产过程中,很少给它以特殊的关照和亲睐,不管生产正常,还是不正常,虽然也有人曾想把它当作一种生产设备,定期内外进行检查维修,避免不必要的烟囱损伤。但这种想法一直未得到认可,致使一些烟囱由于生产不正常造成破坏,破坏后而又未及时进行检修仍进行生产,致使破坏不断加剧,最终严重危胁到生产的正常进行。如果烟囱一旦出现问题,加固补强措施就比较复杂,实施中也相当困难,尤其在不停产的情况下,难度就更大。下面就根据我厂的实例,介绍一种在不停产情况下,进行催化80m钢筋砼烟囱筒壁局部破损严重加固的新方法,加固结构新颖,别具一格,工期短,施工十分方便,加固使用一年后,效果良好。
1 烟囱工程概况和使用情况
钢筋砼烟囱全高80m,内径上口为2.2m,下口为5.2m,筒壁自下而上由300mm渐变为160mm,坡
度2.2%,筒壁配筋配置在筒壁外侧,纵筋在内,环筋在外,环筋保护层30mm,砼采用C25,硅酸盐水泥。在标高73.46m处设有环形照明钢平台,在标高5m处设有二再入口,在标高7.5m处设有余锅烟气入口,在北侧设有爬梯,在西侧设有检查口1800×1200(见图1)。

图1 烟囱构造示意图
1.筒壁  2.牛腿  3.空气隔热层  4.通风口  5.耐火砖内衬
烟囱内烟气最高温度740℃,正常使用温度180℃。烟囱内部全部设有内衬,内衬为轻质粘土耐火砖砌筑,在标高39.66m以下内衬厚度350mm,以上内衬厚度230mm,每10m一段,每段由环形牛腿支撑。在烟气入口处设耐火砖隔墙。在内衬和筒壁间有100mm的空间作空气隔热层。在筒壁中每层埋设20个直径108×4mm钢筋的圆孔,可供冷空气进入隔热层以达到通风隔热作用。烟囱基础埋深2.5m,直径12.2m,Ⅱ类场地上,地基土质良好。地基允许承载力180kN/m2,冻土深度1.43m,地下水位相对标高-2.53m。夏季室外最高气温37.3℃,冬季室外极短最低温度-32.8℃,基本风压450Pa,基本容压330Pa,地震设防裂度8度,烟囱自92年投产至发现裂缝时,一直从未检修过。
2 烟囱的破坏情况
97年7月一次偶然生产事故,致使催化剂倒流,在催化80m烟囱内引起闪爆。闪爆后发现烟囱外表面有密密麻麻的不均匀条状褐色锈迹。起初,以为是烟囱外表面涂料的皱折,经设计和质检门联合检查,烟囱表面全部为不均匀的砼龟裂,龟裂范围集中在标高3.5~8.5m之间,经钻孔取蕊,裂缝深度在100mm左右,裂缝宽度在1mm左右,特别是在5~8节摸板接缝处(从±0.00向上施工时模板接茬处;模板高度1m)出现横向环缝、环缝深度已基本内外贯通,裂缝宽度2mm左右,内侧筒壁上有两条各约4m长,2mm宽的竖向裂缝(见图2)。

图2 烟囱裂缝示意图
(a)外表裂缝      (b)内部裂缝      (c)环向裂缝剖面
3 烟囱裂缝原因分析
经检测,分析数据后认为产生裂缝的主要原因是:
3.1 原设计有争议,根据规范要求,正常生产条件下烟气温度超过150℃时应采用无机物填充材料作隔热层,而本设计采用空气隔热层。
3.2 施工中选用的内衬耐火砖全部为标准砖120×230mm,厚度350mm(标高39.66m以下),砌筑方法为230mm加120mm,之间无拉结,在高温烟气的作用下,容易膨胀较大缝隙,而且又由于空气隔热层宽窄不一,最小处不足50mm,致使空气隔热层失去作用,烟气通过不太起作用的隔热层直接作用于砼筒壁,使钢筋砼筒壁受损较为严重。
3.3 余热锅炉运行不正常,经常停产,致使从二再出来的600~700℃未经降温处理的高温烟气直接进入烟囱内部。由于长时间的高温侵袭,以及空气隔热层作用的减弱,筒壁内外表面温度变化较大等原因,尤其是冬季,产生温差效应,日积月累,砼筒壁内外产生裂缝。又因为未及时发现,致使裂缝加剧。经过烟囱的全面检查,发现只有在烟气入口处裂缝较多,较大,较密,其它部位未发现有明显裂缝。裂缝处砼强度变化不大,这就更加证明了裂缝产生的原因是由于高温烟气侵蚀的作用。
4 加固方案的选择
按照正常的施工程序,应是在停产的情况下,把起主要作用的隔热内衬补充完善,同时把破坏较为严重的砼烟囱筒壁进行加固处理。但当时厂里生产任务非常紧,不能停产,一旦停产将造成巨大的经济损失。在这种情形下,余锅又不开,烟囱外表面温度最高点达到110℃左右的情况下加固,闻所未闻,经多方请教和查找,国内无此先例。起初,想用钢结构临时进行加固补强。待检修时,再按正常施工程序对烟囱进行加固处理。需二次投入,不经济。仔细分析认为,裂缝破坏部位在标高10m以下,裂缝严重部位在标高5m处,即二再高温烟气入口周围。此处裂缝对整个烟囱的危害较大,尤其是贯通的环缝(接近烟囱的根部)。这样,考虑加固方案的出发点,不仅要对裂缝进行补强设计,而且要着重考虑整个烟囱的加固补强,使加固后的烟囱仍能承受自重和水平力的作用,不致于在外力作用下,受到侵害。经计算后,确定了在标高11m以下全部进行加固,从基础开始向上,既能保证高温区筒壁裂缝的加固,同时又能保证当原筒壁一旦部分或全部丧失承载力,新加固筒壁具有独立承担上部烟囱荷载作用的加固方法,这就是在原砼筒壁外包上一层钢筋砼外套,在高温区采用无机岩隔热材料的“套筒局部夹层式”钢筋砼烟囱的加固方案作为最终加固方案。根据所处位置地耐力的情况,经计算,新增钢筋砼的重量,加在原基础上仍能满足地基承载力,不需要重新扩大基础面,由于加固从基础向上到标高11.00m处,这样即增加了原烟囱的稳定性,又满足了破坏部位的水平力的作用(烟囱加固见图3)。

图3 烟囱筒壁及内衬加固示意图
1.原有筒壁  2.新加筒壁  3.新加珍珠岩块隔热层  4.原有空气层  5.原有内衬6.新设350mm楔形耐火砖  7.新设100mm厚珍珠岩块耐火泥砌筑后填充100mm珍球岩