外高桥电厂集束式钢内筒烟囱结构设计

　1 工程概况

　　外高桥电厂位于上海浦东东海之滨。二期工程为2台900MW机组，根据方案比较，烟囱选用一座240m高双钢内筒多管式烟囱。钢筋混凝土外筒高229m，筒首外直径17.24m，壁厚0.28m，底部外直径27.84m，壁厚0.72m。在钢筋混凝土外筒内布置二个φ7.0m等直径排烟筒，高240m，筒壁厚度分别为18mm(0.0～60.0)、16mm(60.0～120.0)、14mm(120.0～180.0)、12mm(180.0～240.0)。在9.20m、40.0m、75.0m、110.0m、150.0m、190.0m、226.0m布置了七层钢平台。

　　2  结构计算

　　2.1  钢筋混凝土外筒

　　钢筋混凝土外筒计算采用西北电力设计院编制的烟囱计算软件。钢内筒采用自立式，外筒计算时不考虑内筒刚度，抗震计算时将内筒质量作为附加水平参震质量。

　　2.2  钢内筒

　　2.2.1  钢内筒内力计算

　　根据外高桥电厂烟囱情况，钢内筒进行了承载能力极限状态、局部稳定、洞口补强及底座计算。

　　钢内筒通过横向止晃装置约束与外筒变位一致，由外筒在横向止晃点处的变位既可计算出钢内筒在各段的受力情况。由于钢内筒直接固接在基础底板上，计算钢内筒受力时不考虑基础倾斜产生的水平变位。

　　2.2.2  钢内筒强度计算

　　弯矩轴力作用下，钢烟囱强度按下列进行计算

　　　　 N_i/A_ni+M_i/W_ni≤f_t及σ_crt

　　式中：M_i — 钢烟囱水平计算截面i的最大弯矩设计值(包括风弯矩和水平地震作用弯矩)(N.mm)；

　　N_i — 与Mi相应轴向压力或轴向拉力设计值(包括结构自重和竖向地震作用)(N)；

　　A_ni — 计算截面处的净截面面积(mm²)；

　　W_ni — 计算截面处的净截面抵抗矩(mm³)；

　　f_t — 温度作用钢材抗拉、抗压和拉弯强度设计值(N/mm²)；

　　σ_crt — 内筒局部稳定的临界应力值(N/mm²)。

　　内筒局部稳定的临界应力值σ_crt

　　　　σ_crt=0.4·E_t·t/K·d

　　式中：E_t — 温度作用下钢材的弹性模量(N/mm²)

　　K — 局部抗压强度调整系数，对应于风荷载，K=1.50，对应于地震作用，K=1.20

　　t — 钢内筒壁厚(mm)

　　d — 钢内筒直径(m)

　　2.2.3  钢内筒烟道入口补强计算

　　烟道入口宜设计成圆形。矩形孔洞的转角宜设计成圆弧形。孔洞应力应满足

　　　　σ=(N/A。+M/W。)·α_K≤ft

　　式中：A。 — 洞口补强后水平截面面积，应不小于无孔洞的相应圆筒壁水平截面积(mm²)；

　　W。 — 洞口补强后水平截面最小抵抗矩(mm2)；

　　f_i — 温度作用下的钢材抗压强度设计值(N/mm2)；

　　N、M — 洞口截面处轴向力及弯矩设计值(N，N.mm)；

　　α_K — 洞口应力集中系数，孔洞圆角半径r与孔洞宽度b之比，r/b=0.1时，可取α_K=4，r/b≥0.2时，取α_K=3，中间线性插值。

　　2.2.4  底座计算

　　地脚螺栓最大拉力计算按下列进行计算

　　　　Pmax=4M/nd-N/n

　　式中：Pmax — 地脚螺栓的最大拉力(kN)；

　　M — 烟囱底部最大弯矩设计值(kN.m)；

　　N — 与弯矩相应的轴向压力设计值(kN)；

　　d — 螺栓所在圆直径(m)；

　　n — 螺栓数量。

　　钢烟囱底座基础局部压应力，按下式计算：

　　　　Q_cbt=G/A_t+M/W≤ω·β·f_ct

　　次式中：Q_cbt — 钢烟囱(包括钢内筒)荷载设计值作用下，在混凝土底座处产生的局部受压应力(N/mm2)；

　　A_t — 钢烟囱与混凝土基础的接触面积(mm²)；

　　ω — 荷载分布影响系数，可取W=0.75；

　　β — 混凝土局部受压时强度提高系数，按现行《混凝土结构设计规范》计算；

　　f_ct — 混凝土在温度作用下的轴心抗压强度设计值。

　　3  钢内筒烟囱的构造措施

　　3.1  钢内筒的选材

　　我院设计的石洞口第二发电厂烟囱选用日本产SM41、外高桥电厂烟囱选用上钢三厂生产耐硫酸露点用钢10CrMnCu、扬州第二电厂烟囱选用上钢一厂生产耐硫酸露点用钢NS1-2。其化学成份及机械性能如下。

　　烟囱钢内筒用钢的化学成份：

　　 烟囱钢内筒用钢的机械性能：

　　耐硫酸露点用钢是一种既耐硫酸露点腐蚀又耐大气腐蚀钢种。钢中主要含Mn、Cu、Cr、Sb等抗硫酸露点腐蚀的合金元素，而Cu、Cr又是两个最主要的抗大气腐蚀元素。Cu在钢的大气腐蚀过程中起着活性阴极的作用。在一定条件下，可以促进钢产生阳极钝化，从而降低钢的腐蚀速度。同时Cu在锈层中的富集能够改善锈层的保护性能。Cr元素和钢中的Cu、Si等元素匹配，能显著提高钢的耐大气腐蚀性能。

　　露使用是将耐硫酸露点腐蚀用钢在大气中暴露，其初期和普炭钢进行同样的腐蚀，但是随着岁月的流逝，腐蚀速率变慢。这是因为耐硫酸露点腐蚀用钢的一部分铁锈慢慢地变成在基体金属上密着的铁锈，该锈层成为保护膜，阻止以后腐蚀的进行。裸露使用必须符合以下两个条件：1)必须受适度的干湿交替，用于形成稳定的铁锈膜；2)不会产生机械地剥离生成的铁锈膜情况的发生。

　　根据耐硫酸露点腐蚀用钢可裸露使用的特性，我院在石洞口第二发电厂、外高桥电厂、扬州第二电厂烟囱设计中钢内筒内外壁均未采取任何防腐措施。最近，通过对石洞口第二发电厂、外高桥电厂、扬州第二电厂烟囱钢内筒检查检测，发现钢内筒钢板有一定的锈蚀，主要发生在钢内筒底部及外侧，底部的锈蚀要比其它部位严重。而钢内筒的钢板内侧基本保持原状。由此可知，钢内筒的锈蚀主要由大气环境引起，而烟气对钢内筒的腐蚀反而比较轻。据此，我院在外高桥电厂二期钢内筒设计中选用了上钢一厂生产耐硫酸露点用钢NS1-2，钢板留了2mm腐蚀裕度，钢内筒的外侧及烟道口以下内侧钢板采取了防腐措施。

　　3.2  钢内筒的保温

　　对保温材料的要求主要是：重量轻、导热系数低、弹性好、耐久、耐燃性等。目前保温材料用得多的是玻璃棉、岩棉和矿棉，容重100kg/m3左右。钢内筒烟囱保温材料必须采用柔性，以利于与烟囱钢内筒温度膨胀时同步变形。在我院钢内筒烟囱中，保温材料选用有多种形式，有岩棉、玻璃棉、矿棉外加铝泊及玻璃布等。从现场调查来看，我院最早设计的北仑电厂一期钢内筒烟囱采用玻璃布岩棉板，从运行到现在已有十四年，由于玻璃布对保温材料的保护作用，保温层目前的状态还是相当好。另外，由于有了玻璃布对岩棉板的保护，施工条件及施工质量均比较好。在外高桥电厂二期钢内筒设计中选用了玻璃布岩棉板作保温层。

　　钢内筒烟囱保温层分作二层，每层40mm，总厚度80mm。这样接缝就可错开，形成不了通缝，避免出现“冷桥”现象。为防止保温层的下坠，在钢内筒外侧沿纵、环向间距600mm左右焊一根φ4的钢筋，保温层就挂在其上。保温层采用不锈钢丝网保护，网孔约25×25mm。烟囱顶部平台以上部位的钢内筒保温层外用不锈钢板包裹。

　　3.3  横向止晃

　　根据调查，各层止晃点均有顶紧、卡擦等现象，各层电气照明脱落严重。根据分析研究钢内筒振动、止晃装置摩擦这两部分是引起钢平台振动的主要原因。为此，在我院设计的外高桥电厂二期烟囱中，止晃点节点处增设了7mm厚复合聚四氟乙烯板，这样一来既减小了摩擦又减缓了钢内筒振动对钢平台的影响。

　　另外，在止晃装置设计中必须考虑温度膨胀的影响，尤其应考虑事故温度情况下的不利因素。