南宫嘉峪关烟囱裂缝原因分析及烟囱加固方案

嘉峪关烟囱裂缝原因分析及烟囱加固方案

烟囱产生裂缝的原因,并提出了用碳纤维进行加固的方案,力求延长烟囱的使用寿命。

1、烟囱结构概况及工作状态

重庆某公司60 m烟囱工程于1986年修建并投入使用,烟囱主体高60 m,地面±0•00 m标高处烟囱外径5•52 m,距地面10 m处外径5•02 m,烟囱筒体外缘收缩量为2•5%;整个烟囱结构分基础部分、10 m高混凝土底座部分和50 m高砖砌筒体部分。设计图纸显示,该烟囱基础为独立混凝土基础,外径8•2 m,高3•0 m,C13混凝土基础下为高约6 m的毛石混凝土垫层,地基持力层为泥岩;底座部分筒体为现浇钢筋混凝土结构,壁厚300 mm;其上部的烟囱分内衬与外壁,外壁为MU10砖、M5混合砂浆分段砌筑,每段厚度分别为:10~30 m段490 mm,30~50 m段370 mm,50~60 m段240 mm。砌体水平灰缝内加设，6@252环向钢筋,该钢筋在每段的变截面各500 mm范围内予以加密,间距为2皮砖;烟囱的内衬为MU7•5砖,1∶1∶4混合砂浆砌筑,厚度均为120 mm。1988年前后,在距离该烟囱的地面13•8 m处增加修建了一钢筋混凝土半圆形环保观测平台,观测口设在烟囱的15•0 m标高处,平台为现浇混凝土悬挑板结构,支座端采用在砖筒体上凿孔(300 mm×200 mm)浇混凝土植入砖砌体内,平台宽0•93 m,由混凝土楼梯自烟囱边的风机房屋顶引上。

2、烟囱裂缝检查情况：

(1)烟囱筒身裂缝较严重,主要为垂直裂缝,共2条,一条在筒身的南面(正对锅炉房)的钢爬梯左侧附近,自环境观测平台根部垂直向上发展,长度约20 m,起始处裂缝宽度约12 mm,最宽处在筒身中部的爬梯休息平台右侧,宽度约16mm(由于筒身爬梯锈蚀严重,无法爬上筒身去测量裂缝宽度,此处宽度为目测),此裂缝在爬梯休息平台以上约4 m终止;另一条垂直裂缝在筒身的西北面,裂缝自环保观测平台根部开始,长度约3 m,大裂缝宽度约9 mm。这2条裂缝均深入砌体内部,砖均断裂。

(2)环保观测平台与筒身结合处沿筒身有大量裂缝,平台根部混凝土与砖的联结处均有裂缝现象,部分砖断裂,裂缝宽度约0•1~0.6 mm。

(3)现场有关技术人员反映,烟囱除尘设备在1999年和2000年均经过改造,改造后,烟尘经喷水除尘后进入烟囱的温度由原来的170℃~200℃降低为现在的80℃左右;锅炉运转一直较正常,燃料为普通煤,锅炉一般在每年的长假,如春节、国庆等停产外,均连续工作;停产期间进行烟囱内出渣,2001年1月出渣时曾经发现渣中有少量砖块,估计为烟囱的内衬砖有破坏现象,因不便进入烟囱内观测,破坏部位不详。

(4)该烟囱底部混凝土结构完整,未发现裂缝等不良现象。

3、裂缝成因分析：

(1)温度变化的影响。该烟囱内部原使用温度为200℃,改造除尘系统后,温度降为80℃左右,烟囱使用环境的变化导致了温度的改变,尤其是在烟囱由暂停使用到恢复生产的过程中,较大的温差产生了很大的温度应力,而温度应力的增大,极易形成烟囱筒壁由内至外的竖向裂缝。

(2)烟囱内衬损伤(裂缝或局部砌筑质量不良造成的破坏)影响。该烟囱内衬较薄,为120 mm,且为普通粘土砖砌筑,耐腐蚀和隔热性能较差。由于施工或使用原因,其局部的损伤使内衬与外筒间空气隔热层的性能降低,导致烟气与空气隔热层相通。空气隔热层温度升高,增大了烟囱外筒壁的温度差,从而产生较大的温度应力,导致筒壁内、外侧产生或发展纵向裂缝。

(3)烟气腐蚀的影响。内衬筒壁的损伤,使烟气直接与外筒壁接触,由于从除尘塔排入烟囱的烟气含硫量高、水蒸汽量大,这样烟气中的SO2气体遇到水后便生成亚硫酸(H2SO3),极易对砖及砖内的钢筋造成腐蚀,同时降低筒壁材料的隔热性能,使形成的裂缝加速发展。

(4)增设环保观测平台及其变形的影响。该平台是在烟

囱使用一段时间后增加的,其技术依据不足,平台出现的梯段裂缝和悬挑板与筒身间的裂缝说明平台的变形较大,其楼梯的基础变形与烟囱的变形不协调,楼梯对筒身产生了附加作用影响,经模拟计算,该作用产生影响的部位与烟囱出现裂缝的部位比较吻合。

(5)线膨胀系数不同的影响。由于混凝土线膨胀系数为1×10-5,而砖砌体的线膨胀系数仅为5×10-6,二者相差一倍,但平台根部植入砖砌体内的混凝土与砖砌体温度相同,这样,混凝土膨胀值远大于砖砌体膨胀值,因而,环保观测平台与筒身结合处沿筒身有大量裂缝,部分砖断裂。

4、烟囱加固方案：

经过大量细致的调查和论证,采用碳纤维布作为加固的主要材料。碳纤维具有强度高、重量轻、施工便捷、施工功效高、耐高温、耐腐蚀等特点,用其加固,可以提高结构及构件的承载力及延性,对于抗震加固尤其具有重要意义。本工程加固于2001年3月初开始施工,于3月底完成加固,工期20天,加固方案如下。由于本工程烟囱裂缝长达20 m,实施加固时先用环氧砂浆对烟囱的砌体结构部分进行灌缝处理,然后沿烟囱从顶到底部混凝土基座处(标高8 m处)竖

直粘贴250 mm宽的碳纤维布,按环向均匀相隔,共6条纵向碳纤维布。其后,从底部混凝土基座、标高8 m处起往上每隔2•0 m(中心间距)粘贴1条250 mm宽的环向碳纤维布,一直粘贴到烟囱36 m处。最后,从烟囱36 m处起往上每隔3•0 m(中心间距)粘贴1条250 mm宽的环向碳纤维布,一直粘贴到烟囱顶部。烟囱加固方案见图1。

5、烟囱加固施工步骤和要点：

(1)采用环氧砂浆充分注入裂缝,进行裂缝封闭处理。

(2)预先计算好需要粘贴碳纤维布的位置,在相应位置刷300 mm宽、10 mm厚的M15砂浆1层。

(3)待砂浆达到强度后,应对其进行找平处理。

(4)涂刷基底树脂,应用滚筒刷均匀涂抹。

(5)均匀涂抹浸渍胶,粘贴碳纤维布。涂抹浸渍胶后,应在规定使用时间内,将已剪裁好的碳纤维布迅速粘贴到位。粘贴碳纤维布时,应用特制的滚筒沿碳纤维布受力方向多次滚压挤出气泡,以保证碳纤维布与砂浆紧密粘结。要求的搭接长度≥10 cm。

(6)表面涂浸渍胶,再抛细砂作压面处理。

6、结语

砖烟囱裂缝加固通常采用外包钢筋混凝土法,但该法受生产及气候条件影响较大,施工难度大,工期长。也有用钢结构或预应力筋加固的,但它们的耐腐蚀性能却很差。烟囱于2001年3月底完成加固,工期20天。加固使用1年多来,裂缝未见扩展,加固效果良好。烟囱加固采用碳纤维法,工期短,可靠性高,难度小,加固费用与其它加固方法相当,不失为一种快捷的新方法 。