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摘要：在工业建筑工程设计中,我们常遇到钢筋混凝土烟囱的设计。烟囱属于高耸构筑物,它不同于一般建筑结构,由于横截面与高度比相对较小,风和地震作用是其主要荷载,且具有高柔、外露、无围护等特点,因此,设计中必须处理许多特殊问题。本文介绍了钢筋混凝土烟囱设计中的高度、结构裂缝、烟囱缩径的控制、内筒设置烟囱、烟囱的防腐等若干问题。
关键词：钢筋混凝土烟囱；结构；高度；防腐
Abstract: in the industrial building engineering design, we often meet the design of the reinforced concrete chimney. The chimney belong to tall buildings, it is different from general building structure, due to the cross section and height ratio is relatively small, the wind and earthquake action is the main load, and has high soft, exposed, no containment etc, therefore, the design must deal with many special problems. This paper introduces the design of the reinforced concrete chimney height, structure crack, chimney reducing control, inner tube set up the chimney, chimney corrosion problems.
Keywords: reinforced concrete chimney; Structure; Height; anticorrosive.
中图分类号：文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
一、钢筋混凝土烟囱一般结构
钢筋土烟囱具有对地震的造应性强、使用年限长等优点，但需耗用较多的钢材、造价较高。钢筋混凝土烟囱筒身高度一般为60~250m，底部直径7~16m，筒壁坡度常采用2%，筒壁厚度可随分段高度自下而上呈阶梯形减薄，但同一分段内的厚度应相同，分段高度一般不大于15m，当采用滑模施工时筒壁厚度不宜小于160mm。筒壁混凝土内的纵向钢筋最小直径为10mm，间距为300~500mm，环向钢筋最小直径为8mm，最大间距为250mm，且不得大于筒壁厚。筒身顶部4~5m为筒首，为防止排出气体对钢筋混凝土的侵蚀，该段断面一般均要加厚，外表增做装饰花格。
二、烟囱高度设计问题
烟囱高度所形成的抽力用于：克服烟气流动过程中的总压力降、服空气通过燃烧器的压力降、保证炉膛内具有一定的负压炉子本身高度所形成的抽力用于：辐射室高度所形成的抽力，克服空气通过燃烧器的阻力。对流室高度所形成的抽力，用来保证辐射室顶的负压和克服烟气通过对流室的压力降的一部分。
高度的确定方法：
1、列总抽力与烟气流动的总压力降恒等式求得即：
2、需考虑到安装、环保及检修等方面的问题。
子本身的抽力：
抽力由炉内烟气密度与大气密度的差而引起表达式为：
烟囱抽力
对流室的抽力
烟气流动的压力降：
1、沿烟道流动的压力降；
2、流过挡板、转弯或截面变化等局部的压力降；
3、流过对流室管排的压力降；
4、过空气预热器的压力降(有预热器时)。
烟气流速：
烟气沿烟道流动的压力降
局部阻力产生的压力降
煙囱高度：
由抽力确定烟囱高度
决定烟囱高度的其它因素：
a．不低于附近的蒸馏塔等设备的顶标高，以避免火灾；
b．圆筒炉烟囱的最低高度应能利用烟囱上的炉管吊环吊出辐射炉管；
c．受航空方面的限制；
d．受环境保护方面的限制，必须根据环境保护法规定的要求计算烟囱高度。
三、烟囱结构裂缝问题
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、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,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。
日照温度和烟气温度取值不当也是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。
四、烟囱缩径的控制措施
1、收分计算要正确。模板收分的尺寸可根据每次提升的高度和烟囱设计的坡度,求出半径收分的尺寸,即烟囱半径收分尺寸是滑模每次提升高度乘以烟囱设计坡度;采用移置模板施工时,模板收分尺寸可根据每节筒身模板的高度和烟囱设计坡度,求出半径收分尺寸,即烟囱半径收分尺寸是每节筒身模板的高度乘以烟囱设计坡度。
2、收分控制要严格。模板的收分控制通过安装在操作平台辐射梁上的调径装置来实现,调径装置由专人负责。每提升一次模板,即准确按计算收分尺寸拧动一次调径装置的丝杠,完成一次收分。采用移置模板施工时,每节筒身模板以下节模板边缘为标准,根据计算收分尺寸,准确算出混凝土新浇筑面标高的筒身实际半径,以此固定内外模板,完成一次收分。
3、收分测定要准确。每提升两次或移置模板施工每节筒身的移置模板都要严格检查一次模板的半径,检查方法是按新浇筑面标高的筒身计算半径,在尺杆上做出标记,采用激光铅直仪或吊线法找中,然后实测模板的半径和几何中心并做记录,作为继续提升或下节筒身移置模板调整半径的依据,实测半径要符合设计要求,模板几何中心对烟囱中心的偏差不超过5mm。
五、内筒设置烟囱问题
某建筑内筒设置烟囱，在中国以至于亚州也还是个新问题，首先，煙气对内筒产生的热应力影响就很大，其次，锅炉房并非在主楼楼层内，而是在裙房里，距内筒尚有几十米水平距离，烟道必须通过标准层的几个房间，将对这些房间产生影响。特别是锅炉一般冬天运行较多，烟囱内外温差更大，为避免其影响，将烟囱作如下处理：
1、参照普通烟囱的建造方法，将空气隔热层扩大为100MM，普通砖烟囱的空气隔热层为50MM，它是为保护烟囱外壁而设置的，而此工程要保护的对象是大楼的整个内筒以至整个建筑，为此，特将空气隔热层增加一倍，防止烟气热量向内筒传导而产生热应力破坏。
2、砌筑与烟囱等高的耐火砖内壁，普通烟囱内壁，烟气湿度在500℃以下时采用红砖，显然不能保证烟囱外壁湿度与室温相当，耐火砖的密实程度和隔热性能比普通红砖好多了，能有效地阻止烟气湿度影响内筒。
3、烟囱与烟道连接处设置伸缩缝，烟道（钢制）采取了严格的保温措施。
4、烟囱外壁（即内筒墙壁用耐火砼浇筑，更进一步消除烟气的影响。 采取上述措施，完全避免了烟囱内外温差对主楼内筒的影响。
六、烟囱的防腐蚀问题
烟囱的防腐蚀设计，应考虑下列因素：烟囱内烟气的腐蚀等级；结构重要性；烟囱的运行方式（经常性或间隙性运行方式）；烟囱内是否有结露现象；技术经济比较；检修条件。烟囱的腐蚀，主要包括自然环境腐蚀和排气筒内的烟气腐蚀，烟囱的防护设计，也主要是针对这两种腐蚀的防护，本文主要讨论烟囱排气筒内壁针对烟气腐蚀的防护设计。
工艺专业应选择合适的烟气流速及温度，采用适当的烟气净化工艺，以降低烟气湿度；建筑专业在排气筒外壁采取适当的保温措施，以确保烟气在排气筒流动过程中不结露或尽可能少结露。在工程设计中，采取这些措施后，可以认为正常生产状态下产生的烟气，对钢材的腐蚀作用，可以得到有效控制。
通常，对于采用半干法或干法烟气净化工艺，在正常生产状态下产生的烟气，排气筒钢管采用普通碳素钢，排气筒内壁不采取任何防护措施，排气筒壁外裹隔热保温层。隔热保温材料多为矿棉或玻璃纤维，厚度根据热工计算确定，应能使排气筒内烟气温度在设计允许的范围内，排气筒隔热保温层外的温度不高于45℃。采用半干法或干法烟气净化工艺，在非正常生产状态下（如试运行、启动、停炉等时期）烟气的成分、温度、流速等诸参数可能达不到设计指标，尽管这种状态不会持续很长时间，但由此导致的烟气对排气筒的腐蚀的可能性是存在的。因此，还需要采取一些辅助防护措施。依据烟气对排气筒的腐蚀作用的大小，在结构计算所需排气筒钢管壁厚的基础上，增加一定厚度，即“腐蚀厚度裕度”，使烟囱在结构设计使用年限内，扣除因烟气腐蚀而损失的钢管壁厚度后，所剩下的钢管壁厚度，依然能使钢管具有足够的强度、刚度、稳定性，能满足结构安全使用的需要。
结束语
烟囱是工业与民用建设中不可缺少的构筑物,近十年,由于工艺要求和单机组容量的增大,以及世界各国对环保要求的提高,使烟囱不断向高的方向,向多筒、多管方向发展。综上所述,烟囱的高度、筒壁、内衬和隔热层的材料及厚度、烟囱的防腐都是是搞好钢筋混凝土烟囱设计的重要环节。
参考文献
[1]王肇民.高层结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2008.
[2]张相庭.工程结构风荷载理论和抗风计算手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[3]覃丽坤，宋玉普，姚家伟.钢筋混凝土烟囱设计理论初探[J].辽宁工学院学报，2009(10).
[4]陆卯生.火力发电厂高烟囱设计的回顾和展望[J].西安建筑科技大学学报，2010(10).
[5]魏利金.管钢烟囱设计[J].特种钢结构，2011(09).
[6]覃丽坤，宋玉普，姚家伟.钢筋混凝土烟囱设计理论初探[J].辽宁工学院学报，2011(19).
[7]蔡洪良，陈飞，宋声.多管式钢内筒烟囱结构设计计算2011(09).特种结构，2008(09).
关键词：钢筋混凝土烟囱；结构；高度；防腐
Abstract: in the industrial building engineering design, we often meet the design of the reinforced concrete chimney. The chimney belong to tall buildings, it is different from general building structure, due to the cross section and height ratio is relatively small, the wind and earthquake action is the main load, and has high soft, exposed, no containment etc, therefore, the design must deal with many special problems. This paper introduces the design of the reinforced concrete chimney height, structure crack, chimney reducing control, inner tube set up the chimney, chimney corrosion problems.
Keywords: reinforced concrete chimney; Structure; Height; anticorrosive.
中图分类号：文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
一、钢筋混凝土烟囱一般结构
钢筋土烟囱具有对地震的造应性强、使用年限长等优点，但需耗用较多的钢材、造价较高。钢筋混凝土烟囱筒身高度一般为60~250m，底部直径7~16m，筒壁坡度常采用2%，筒壁厚度可随分段高度自下而上呈阶梯形减薄，但同一分段内的厚度应相同，分段高度一般不大于15m，当采用滑模施工时筒壁厚度不宜小于160mm。筒壁混凝土内的纵向钢筋最小直径为10mm，间距为300~500mm，环向钢筋最小直径为8mm，最大间距为250mm，且不得大于筒壁厚。筒身顶部4~5m为筒首，为防止排出气体对钢筋混凝土的侵蚀，该段断面一般均要加厚，外表增做装饰花格。
二、烟囱高度设计问题
烟囱高度所形成的抽力用于：克服烟气流动过程中的总压力降、服空气通过燃烧器的压力降、保证炉膛内具有一定的负压炉子本身高度所形成的抽力用于：辐射室高度所形成的抽力，克服空气通过燃烧器的阻力。对流室高度所形成的抽力，用来保证辐射室顶的负压和克服烟气通过对流室的压力降的一部分。
高度的确定方法：
1、列总抽力与烟气流动的总压力降恒等式求得即：
2、需考虑到安装、环保及检修等方面的问题。
子本身的抽力：
抽力由炉内烟气密度与大气密度的差而引起表达式为：
烟囱抽力
对流室的抽力
烟气流动的压力降：
1、沿烟道流动的压力降；
2、流过挡板、转弯或截面变化等局部的压力降；
3、流过对流室管排的压力降；
4、过空气预热器的压力降(有预热器时)。
烟气流速：
烟气沿烟道流动的压力降
局部阻力产生的压力降
煙囱高度：
由抽力确定烟囱高度
决定烟囱高度的其它因素：
a．不低于附近的蒸馏塔等设备的顶标高，以避免火灾；
b．圆筒炉烟囱的最低高度应能利用烟囱上的炉管吊环吊出辐射炉管；
c．受航空方面的限制；
d．受环境保护方面的限制，必须根据环境保护法规定的要求计算烟囱高度。
三、烟囱结构裂缝问题
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、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,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。
日照温度和烟气温度取值不当也是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。
四、烟囱缩径的控制措施
1、收分计算要正确。模板收分的尺寸可根据每次提升的高度和烟囱设计的坡度,求出半径收分的尺寸,即烟囱半径收分尺寸是滑模每次提升高度乘以烟囱设计坡度;采用移置模板施工时,模板收分尺寸可根据每节筒身模板的高度和烟囱设计坡度,求出半径收分尺寸,即烟囱半径收分尺寸是每节筒身模板的高度乘以烟囱设计坡度。
2、收分控制要严格。模板的收分控制通过安装在操作平台辐射梁上的调径装置来实现,调径装置由专人负责。每提升一次模板,即准确按计算收分尺寸拧动一次调径装置的丝杠,完成一次收分。采用移置模板施工时,每节筒身模板以下节模板边缘为标准,根据计算收分尺寸,准确算出混凝土新浇筑面标高的筒身实际半径,以此固定内外模板,完成一次收分。
3、收分测定要准确。每提升两次或移置模板施工每节筒身的移置模板都要严格检查一次模板的半径,检查方法是按新浇筑面标高的筒身计算半径,在尺杆上做出标记,采用激光铅直仪或吊线法找中,然后实测模板的半径和几何中心并做记录,作为继续提升或下节筒身移置模板调整半径的依据,实测半径要符合设计要求,模板几何中心对烟囱中心的偏差不超过5mm。
五、内筒设置烟囱问题
某建筑内筒设置烟囱，在中国以至于亚州也还是个新问题，首先，煙气对内筒产生的热应力影响就很大，其次，锅炉房并非在主楼楼层内，而是在裙房里，距内筒尚有几十米水平距离，烟道必须通过标准层的几个房间，将对这些房间产生影响。特别是锅炉一般冬天运行较多，烟囱内外温差更大，为避免其影响，将烟囱作如下处理：
1、参照普通烟囱的建造方法，将空气隔热层扩大为100MM，普通砖烟囱的空气隔热层为50MM，它是为保护烟囱外壁而设置的，而此工程要保护的对象是大楼的整个内筒以至整个建筑，为此，特将空气隔热层增加一倍，防止烟气热量向内筒传导而产生热应力破坏。
2、砌筑与烟囱等高的耐火砖内壁，普通烟囱内壁，烟气湿度在500℃以下时采用红砖，显然不能保证烟囱外壁湿度与室温相当，耐火砖的密实程度和隔热性能比普通红砖好多了，能有效地阻止烟气湿度影响内筒。
3、烟囱与烟道连接处设置伸缩缝，烟道（钢制）采取了严格的保温措施。
4、烟囱外壁（即内筒墙壁用耐火砼浇筑，更进一步消除烟气的影响。 采取上述措施，完全避免了烟囱内外温差对主楼内筒的影响。
六、烟囱的防腐蚀问题
烟囱的防腐蚀设计，应考虑下列因素：烟囱内烟气的腐蚀等级；结构重要性；烟囱的运行方式（经常性或间隙性运行方式）；烟囱内是否有结露现象；技术经济比较；检修条件。烟囱的腐蚀，主要包括自然环境腐蚀和排气筒内的烟气腐蚀，烟囱的防护设计，也主要是针对这两种腐蚀的防护，本文主要讨论烟囱排气筒内壁针对烟气腐蚀的防护设计。
工艺专业应选择合适的烟气流速及温度，采用适当的烟气净化工艺，以降低烟气湿度；建筑专业在排气筒外壁采取适当的保温措施，以确保烟气在排气筒流动过程中不结露或尽可能少结露。在工程设计中，采取这些措施后，可以认为正常生产状态下产生的烟气，对钢材的腐蚀作用，可以得到有效控制。
通常，对于采用半干法或干法烟气净化工艺，在正常生产状态下产生的烟气，排气筒钢管采用普通碳素钢，排气筒内壁不采取任何防护措施，排气筒壁外裹隔热保温层。隔热保温材料多为矿棉或玻璃纤维，厚度根据热工计算确定，应能使排气筒内烟气温度在设计允许的范围内，排气筒隔热保温层外的温度不高于45℃。采用半干法或干法烟气净化工艺，在非正常生产状态下（如试运行、启动、停炉等时期）烟气的成分、温度、流速等诸参数可能达不到设计指标，尽管这种状态不会持续很长时间，但由此导致的烟气对排气筒的腐蚀的可能性是存在的。因此，还需要采取一些辅助防护措施。依据烟气对排气筒的腐蚀作用的大小，在结构计算所需排气筒钢管壁厚的基础上，增加一定厚度，即“腐蚀厚度裕度”，使烟囱在结构设计使用年限内，扣除因烟气腐蚀而损失的钢管壁厚度后，所剩下的钢管壁厚度，依然能使钢管具有足够的强度、刚度、稳定性，能满足结构安全使用的需要。
结束语
烟囱是工业与民用建设中不可缺少的构筑物,近十年,由于工艺要求和单机组容量的增大,以及世界各国对环保要求的提高,使烟囱不断向高的方向,向多筒、多管方向发展。综上所述,烟囱的高度、筒壁、内衬和隔热层的材料及厚度、烟囱的防腐都是是搞好钢筋混凝土烟囱设计的重要环节。
参考文献
[1]王肇民.高层结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2008.
[2]张相庭.工程结构风荷载理论和抗风计算手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[3]覃丽坤，宋玉普，姚家伟.钢筋混凝土烟囱设计理论初探[J].辽宁工学院学报，2009(10).
[4]陆卯生.火力发电厂高烟囱设计的回顾和展望[J].西安建筑科技大学学报，2010(10).
[5]魏利金.管钢烟囱设计[J].特种钢结构，2011(09).
[6]覃丽坤，宋玉普，姚家伟.钢筋混凝土烟囱设计理论初探[J].辽宁工学院学报，2011(19).
[7]蔡洪良，陈飞，宋声.多管式钢内筒烟囱结构设计计算2011(09).特种结构，2008(09).