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
5 加固的施工方法
5.1 材料:水泥采用矿渣水泥,标号不低于325#,石子采用破碎石,砼C25。钢材采用Q235(A3钢),焊条采用E4312。钢筋采用Ⅰ级钢筋“φ”,Ⅱ级钢筋“Φ”。隔热材料采用水泥珍珠岩制品。
5.2 基础部分的施工:基础开挖至原基础表面,清除干净原砼基础并凿毛,凿出原基础钢筋与加固钢筋焊接牢固,刷界面处理剂进行界面处理,保证新旧基础结合牢固。
5.3 砼筒壁的施工
5.3.1 钢筋的施工:钢筋配置在筒壁外侧,纵筋在内,环筋在外,环筋保护层30mm,钢筋的搭接长度40d。
5.3.2 无隔热部分的施工:清除烟囱筒壁的涂料,然后将砼表面凿毛,刷砼界面剂,按图示预埋Φ16胀锚螺栓,界面剂配比BJ893∶水泥=1∶1(重量比)。上部的砼键,按图4所示要求,在原砼筒壁上凿槽,凿槽应使用钢钎,严禁用重锤直接敲打筒壁或损坏钢筋。砼浇灌4~5小时后开始浇水养护。覆盖砼表面,保持模板和覆盖物经常潮湿14昼夜,使砼强度正常上升。

图4 加固筒壁上部砼键工程作法示意图
5.3.3 有隔热层部分的施工
先用粘土耐火泥砌筑水泥珍珠岩块,砌筑完后增加30×30mm的钢丝网罩,防止隔热材料的损坏。在砼浇灌之前,先浇水润湿隔热材料,使隔热层中储有一定的水分,在浇灌砼时不致于筒壁的高温使砼水份流失,在砼浇灌后初凝2~3小时后,继续浇水养护。保持砼模板表面覆盖物和隔热层部分相对湿度在80~90%,连续养护7昼夜,保证砼强度正常上升。
5.3.4 当隔热部分砼浇注完毕封口之前,在隔热层中预埋Φ30@1000钢管,在养护中继续注水,养护完毕后排气。连续养护7昼夜后,在砼筒壁上钻Φ20@2000的气孔(或可在施工中预埋Φ20的钢管)至隔热层,排出隔热层中的湿气,使隔热层中的湿气在原筒壁热量的作用下自然干燥,干燥后隔热材料发挥作用,使原筒壁与新加套筒分离,新加砼筒壁不在受损。
5.3.5 除以上特殊条件外,施工中应严格执行国家现行施工规范的要求。
6 内衬设计
内衬设计的合理是确保加固安全性能的重要保证,对全部烟囱的内衬根据规范重新进行了核算,经计算后认定不符合规范要求的全部进行重新更换,设计方式从内到外如下:
6.1  345mm厚高铝质轻质楔形耐火砖,导热系数0.5,耐火泥砌筑。
6.2  100mm厚膨胀珍珠岩粉填充料,导热系数0.047+0.0007t;直接填充于膨胀珍珠岩制品与
345mm厚楔形耐火砖之间,密实。
6.3  100mm厚膨胀珍珠岩制品,导热系数0.06+0.0001t,耐火泥砌筑在每1.5m增加的∠90X60角钢防沉带上,防沉带用膨胀螺栓与原混凝土筒壁固定牢固。
7 结束语
7.1 采用套筒夹层式加固方案,工期短,施工简便,加固费用较低,不影响生产,总计花费26万元,加固使用一年来,效果良好,值得推广借鉴。
7.2 烟囱内衬是保护烟囱筒壁免受烟气腐蚀并可缓和温度袭击作用的重要结构,设计和处理应尽量避免采用空气隔热层,根据烟气温度的计算,选用无机盐填充材料如珍珠岩粉,蛭炻粉料或制品等做隔热层,确保烟囱的耐久性和长寿命。
7.3 在烟囱上安装测温器材,直接接入操作监控系统,在生产过程中,随时可以测量和监控烟气温度的变化并做好记录。如发现异常,便于及时寻找产生的因素,及时处理。
7.4 原有烟囱的加固,是一项比新建工程更复杂的工作,首先要了解清原烟囱的设计,施工和使用情况,其次调查和检测破损原因和破损情况;第三及时、客观、准确、全面的数据分析和计算,切合实际,因地制宜,制定出合理、经济、科学的加固方案,是确保加固安全的保证。
7.5 在石化行业中,烟囱不可缺少,但真正定期检查的可谓少矣!建议将烟囱作为一种设备,定期进行内外检查,发现问题及时检修处理,避免不必要破损的发生和加剧,确保生产的顺利进行。