徐衛(wèi)陽 王志宇 牛春良

(上海必立結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所有限公司 201199)

引言

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《煙囪設(shè)計規(guī)范》(GB50051—2013)和《煙囪工程施工及驗收規(guī)范》(GB50078—2008)全面修訂、合并為《煙囪工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50051)(以下簡稱新國標(biāo))。新國標(biāo)修改內(nèi)容較多，涉及風(fēng)荷載、溫度作用、煙囪防腐以及玻璃鋼煙囪等方面。我國《煙囪設(shè)計規(guī)范》(GB50051—2013)依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1](GB50009—2012)，要求按雷諾數(shù)Re的情況進(jìn)行橫風(fēng)向風(fēng)振判定，而實際工程出現(xiàn)與上述規(guī)范判定情況相悖的現(xiàn)象，即根據(jù)雷諾數(shù)Re判定條件屬于超臨界范圍，不發(fā)生橫風(fēng)向風(fēng)振，實際工程卻出現(xiàn)明顯橫風(fēng)向風(fēng)振現(xiàn)象。工程實踐顯示雷諾數(shù)作為橫風(fēng)向共振是否發(fā)生的判定條件之一，存在不足。本文主要針對新國標(biāo)中橫風(fēng)向共振判定條件和煙囪防腐的修訂做一背景介紹，以增加讀者對新國標(biāo)中有關(guān)內(nèi)容的理解和應(yīng)用，減少因設(shè)計不當(dāng)而造成的工程破壞現(xiàn)象。

1 煙囪橫風(fēng)向風(fēng)振判定條件的修訂

1.1 現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于橫風(fēng)向風(fēng)振的判定條件

對于圓形截面的高聳構(gòu)筑物，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)要求按不同雷諾數(shù)Re的情況進(jìn)行橫風(fēng)向風(fēng)振的校核，即:

(1)當(dāng)Re＜3×105，且結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速vH大于臨界風(fēng)速vcr時，可能發(fā)生亞臨界的微風(fēng)共振。此時，在構(gòu)造上應(yīng)采取防振措施，或控制結(jié)構(gòu)的臨界風(fēng)速vcr不小于15m/s。

(2)當(dāng)Re≥3.5×106，且1.2vH＞vcr時，可發(fā)生跨臨界強(qiáng)風(fēng)共振，此時應(yīng)考慮橫風(fēng)向風(fēng)振的等效風(fēng)荷載。

(3)當(dāng)3×105≤Re≤3.5×106時則發(fā)生超臨界范圍的風(fēng)振，可不做處理。

該規(guī)定的核心就是:當(dāng)Re≥3.5×106，且1.2vH＞vcr時，應(yīng)進(jìn)行橫風(fēng)向驗算，實際上就是強(qiáng)風(fēng)共振判定條件。但許多實際工程在“超臨界”范圍發(fā)生共振，造成結(jié)構(gòu)破壞。近年來，自立式鋼煙囪在我國大量建造，該破壞現(xiàn)象愈加頻繁，需要對共振判定條件的適用性做出修正。

雷諾數(shù)是大家比較熟悉的一個空氣動力學(xué)參數(shù)，是流體的慣性力與粘性力之比，對風(fēng)荷載效應(yīng)有較大影響。在國外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，雷諾數(shù)對順風(fēng)向和橫風(fēng)向的影響主要體現(xiàn)在風(fēng)荷載響應(yīng)方面，而不是作為橫風(fēng)向共振的判定條件，具體表現(xiàn)為順風(fēng)向的體形系數(shù)與橫風(fēng)向的氣動阻尼等方面的影響。

1.2 雷諾數(shù)對順風(fēng)向風(fēng)荷載的影響

在順風(fēng)向風(fēng)荷載效應(yīng)計算時的一個重要參數(shù)就是體型系數(shù)，而體型系數(shù)除了與結(jié)構(gòu)表面粗糙度、高徑比、湍流度以及周圍建筑的影響等有直接關(guān)系外，雷諾數(shù)的影響相對比較“隱性”，但卻不容忽視。當(dāng)雷諾數(shù)小于亞臨界值Re1(subcritical)時，鋼煙囪體型系數(shù)近似獨立于雷諾數(shù)，即與雷諾數(shù)變化無關(guān)，為一固定值；當(dāng)雷諾數(shù)大于Re1后，體型系數(shù)會急劇降低，雷諾數(shù)達(dá)到超臨界值Re2(supercritical)時，體型系數(shù)降到最小值；此后，隨著雷諾數(shù)的增大，體型系數(shù)又開始增長，直到雷諾數(shù)達(dá)到跨臨界值Re3(postcritical)后，體型系數(shù)又重新穩(wěn)定到一個新的恒定值。雷諾數(shù)Re1、Re2、Re3的典型值分別為2×105、4×105和2×106。文獻(xiàn)[3]還給出了鋼煙囪基本體型系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系如下:

1.3 雷諾數(shù)對橫風(fēng)向風(fēng)荷載的影響

我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)[1]及其他引用性標(biāo)準(zhǔn)[2]均將雷諾數(shù)作為橫風(fēng)向共振是否發(fā)生的判定條件，而歐美標(biāo)準(zhǔn)[3]的判定條件主要是通過臨界風(fēng)速來確定是否考慮旋渦脫落引起的橫風(fēng)振動問題，雷諾數(shù)對氣動阻尼參數(shù)有較大影響，反映的是振動效應(yīng)，而不是判定條件。是否考慮橫風(fēng)向振動僅僅按下式判斷:

即當(dāng)臨界風(fēng)速vcr小于煙囪頂部風(fēng)速vH的1.25倍時，需要研究旋渦脫落的影響。

文獻(xiàn)[3]認(rèn)為，煙囪的橫風(fēng)振動取決于煙囪的質(zhì)量和阻尼，以及運動引起的氣動阻尼，振動的強(qiáng)度很大程度上由兩個無量綱參數(shù)的比值決定，即斯科頓數(shù)Sc和氣動阻尼Ka的比值，即是否滿足作為振動強(qiáng)度的主要判定條件，其中Sc和Ka分別按以下公式計算:

式中:ρa(bǔ)為空氣質(zhì)量密度，取ρa(bǔ)=1.25kg/m3；dm為煙囪頂部1/3高度范圍筒身平均外直徑(m)；f1(z)為第一階振型；ξs為煙囪阻尼比；m(z)為煙囪單位高度質(zhì)量(kg/m)；h為煙囪高度(m)；Iv為煙囪頂部的湍流強(qiáng)度。

1.4 新國標(biāo)判定條件的修訂

基于工程實踐及國外標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定，新國標(biāo)《煙囪工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50051)關(guān)于橫風(fēng)向共振判定條件修改如下:

對于混凝土煙囪和鋼結(jié)構(gòu)煙囪，當(dāng)其頂部1/3高度范圍內(nèi)的坡度不大于2%時，且頂部風(fēng)速符合下列條件時，應(yīng)驗算其渦激共振響應(yīng)。

式中:vcr，j為第j振型臨界風(fēng)速(m/s)；vH為煙囪頂部H處風(fēng)速(m/s)；d為煙囪2/3高度處外徑(m)；St為斯脫羅哈數(shù)，取St=0.2；Tj為結(jié)構(gòu)或桿件的第j振型自振周期(s)；μH為煙囪頂部H處風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

對于鋼煙囪，新國標(biāo)同時規(guī)定:當(dāng)Sc≤5時，應(yīng)安裝減振裝置；當(dāng)5＜Sc≤15時，可安裝減振裝置，或進(jìn)行抗疲勞設(shè)計；當(dāng)Sc＞15時，可不安裝減振裝置。

1.5 煙囪橫風(fēng)向共振減振措施

由于鋼煙囪阻尼比較低，容易共振且共振荷載與對應(yīng)順風(fēng)向荷載比較會較大。共振誘發(fā)的結(jié)果除了產(chǎn)生較大的振幅引起人們的不安外，最終會造成強(qiáng)度破壞或疲勞破壞，需要在設(shè)計階段采取措施，并將橫風(fēng)共振效應(yīng)降低到可接受水平。

減振的措施主要有以下幾種方式:1)改變結(jié)構(gòu)剛度或結(jié)構(gòu)形式，避免共振產(chǎn)生，以獲得結(jié)構(gòu)安全；2)增加空氣動力裝置，干擾渦激共振的發(fā)生；3)增加阻尼器裝置，降低共振效應(yīng)。

1.6 鋼煙囪橫風(fēng)共振破壞案例

表1分別列舉了山東某電廠啟動鍋爐45m、黑龍江伊利乳業(yè)新建60m以及天津無縫鋼管廠加熱爐90m三個典型高度的鋼煙囪風(fēng)振破壞案例。

表1 橫風(fēng)共振鋼煙囪破壞案例Tab.1 Failure cases of steel chimney undercross-wind resonance

表1中鋼煙囪的計算雷諾數(shù)均在超臨界范圍(3×105≤Re≤3.5×106)，屬于旋渦脫落不規(guī)則狀態(tài)，不會產(chǎn)生共振，與實際情況相悖。按新國標(biāo)《煙囪工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》計算結(jié)果均發(fā)生共振，計算振幅與實際相符。

2 煙囪防腐內(nèi)容的修訂

2.1 《煙囪設(shè)計規(guī)范》關(guān)于煙囪防腐內(nèi)容的修訂歷程

煙囪防腐是煙囪設(shè)計的核心內(nèi)容之一，防腐方案是根據(jù)煙氣介質(zhì)的成份與濃度、煙氣的濕度與溫度等綜合因素確定的。國家標(biāo)準(zhǔn)《煙囪設(shè)計規(guī)范》的歷次修訂都是依據(jù)煙氣情況變化和腐蝕破壞的實踐總結(jié)而制定的。

我國第一本煙囪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)《煙囪設(shè)計規(guī)范》(GBJ51—83)的設(shè)計條件為高溫?zé)煔猓瑢煔飧g沒有專門規(guī)定?！稛焽柙O(shè)計規(guī)范》(GB50051—2002)在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上首次給出了煙囪防腐蝕設(shè)計規(guī)定，但規(guī)定主要是針對燃煤電廠干煙氣做出的。當(dāng)煙氣溫度低于150℃時，根據(jù)燃煤含硫量確定煙氣的腐蝕等級為弱腐蝕、中等腐蝕和強(qiáng)腐蝕等級，并給出相應(yīng)的防腐蝕規(guī)定。配套實施的煙囪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)圖集《鋼筋混凝土煙囪》(05G212)和《鋼煙囪》(08SG213-1)都是依據(jù)該版規(guī)范編制的，僅適合干煙氣。

自2004年開始，國內(nèi)火力發(fā)電廠都強(qiáng)制要求設(shè)置煙氣脫硫系統(tǒng)，并普遍采用濕法脫硫。濕法脫硫后的煙氣為過飽和濕煙氣，濕煙氣滲透性強(qiáng)、易冷凝，并含有稀硫酸、稀鹽酸等腐蝕介質(zhì)，對煙囪具有強(qiáng)腐蝕作用，造成大量煙囪腐蝕破壞，損失極其嚴(yán)重。在此背景下，《煙囪設(shè)計規(guī)范》(GB50051—2013)規(guī)定了濕煙氣、潮濕煙氣和干煙氣，并依此規(guī)定了不同煙囪選型和防腐措施。

為了解規(guī)范應(yīng)用效果，《煙囪設(shè)計規(guī)范》(GB50051—2013)實施后，規(guī)范組組織全國主要電力設(shè)計單位和相關(guān)發(fā)電廠對煙囪腐蝕進(jìn)行了較大范圍的普查工作。新國標(biāo)對防腐作出了較大調(diào)整，此次規(guī)范修訂更關(guān)注材料本身的防腐性能，而不是煙囪結(jié)構(gòu)型式，并將適用范圍擴(kuò)大至既有煙囪防腐改造工程。

2.2 新國標(biāo)防腐材料的選用

新國標(biāo)在總結(jié)國內(nèi)煙囪防腐經(jīng)驗并借鑒國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，對煙囪防腐材料的選用做出一些規(guī)定(表2)。

表2 煙囪防腐材料選用Tab.2 Selection of anticorrosive materials for chimneys

2.3 部分防腐材料介紹

1.纏繞纖維增強(qiáng)塑料

本次新國標(biāo)修訂將玻璃鋼內(nèi)筒作為濕煙囪防腐方案之一。就防腐性能而言，玻璃鋼材質(zhì)可以滿足30年以上的設(shè)計壽命，但組成玻璃鋼的樹脂和玻璃纖維基礎(chǔ)材料性能、產(chǎn)品設(shè)計以及施工質(zhì)量對最終玻璃鋼制品的性能影響是非常顯著的。新國標(biāo)將原來“玻璃鋼”改為“纏繞纖維增強(qiáng)塑料”，主要是與實際工程中采用手糊方式直接粘附于排煙筒內(nèi)壁的玻璃鋼內(nèi)襯加以區(qū)別。手糊玻璃鋼內(nèi)襯不適用標(biāo)準(zhǔn)第9章“纖維增強(qiáng)塑料內(nèi)筒”的規(guī)定，其適用范圍應(yīng)當(dāng)參照涂層材料執(zhí)行。纖維增強(qiáng)塑料內(nèi)筒主要適用于溫度不大于60°工況下的濕煙囪，最高溫度不應(yīng)大于100°。纖維增強(qiáng)塑料內(nèi)筒在溫度大于60°時，其力學(xué)性能顯著下降，超過100°時，已經(jīng)接近樹脂澆鑄體的熱變形溫度。因此，當(dāng)煙氣超出100°時，需要在煙囪前端采取冷卻降溫措施，或選用耐高溫樹脂材料。

2.硼硅酸鹽泡沫玻璃磚

2013年版《煙囪設(shè)計規(guī)范》已經(jīng)明確輕質(zhì)防腐磚主要推薦進(jìn)口泡沫玻璃磚(賓高德玻璃磚)，主要是基于國內(nèi)輕質(zhì)防腐磚(包括普通玻璃磚和?；沾纱u)在濕煙囪領(lǐng)域應(yīng)用存在大量破壞現(xiàn)象，而進(jìn)口泡沫玻璃磚防腐效果優(yōu)異，差距非常明顯。新國標(biāo)與國外標(biāo)準(zhǔn)一致，將以賓高德為代表的“硼硅酸鹽泡沫玻璃磚”作為濕煙囪主要防腐方案之一，并將“硼硅酸鹽泡沫玻璃磚”與“輕質(zhì)防腐磚”列為兩種方案，并分別給出使用限定條件，避免因選用方案不當(dāng)造成腐蝕破壞。

泡沫玻璃磚防腐系統(tǒng)是由泡沫玻璃磚和粘結(jié)劑共同組成的，兩者的防腐性能和抗?jié)B性能共同決定系統(tǒng)的最終防腐效果。與進(jìn)口硼硅酸鹽泡沫玻璃磚相比，國內(nèi)輕質(zhì)防腐磚吸水嚴(yán)重，在長期濕煙囪運行環(huán)境下，輕質(zhì)磚處于含水飽和狀態(tài)，腐蝕液體滲透到防腐磚背后膠粘層表面，輕質(zhì)防腐磚喪失了抗?jié)B防腐功能和保溫能力。以賓高德為代表的硼硅酸鹽泡沫，其閉孔率接近100%，保證了玻璃磚的抗?jié)B性能，進(jìn)而實現(xiàn)了防腐和保溫功能。

用于粘貼泡沫玻璃磚的膠既是粘貼防腐磚的粘接劑，同時也是濕煙囪防腐的第二道防線，這層膠厚度約3mm，形成一道富有彈性的密閉防腐和抗?jié)B屏障。而調(diào)查情況表明，國產(chǎn)輕質(zhì)防腐磚配套的粘結(jié)劑普遍存在滲漏問題，粘結(jié)劑防腐性能不能滿足濕煙氣運行工況，達(dá)不到密閉防腐和抗?jié)B作用。

因此，上述兩方面的材料問題是導(dǎo)致輕質(zhì)防腐磚系統(tǒng)在濕煙囪環(huán)境下防腐失效的主要原因。所以新國標(biāo)規(guī)定了輕質(zhì)防腐磚僅用于潮濕煙氣使用條件下的套筒式或多管式煙囪，不能直接粘貼在單筒式濕煙囪的筒壁上，以降低煙囪主體結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險。進(jìn)口硼硅酸鹽泡沫玻璃磚因其防腐效果優(yōu)異，國內(nèi)外有大量成功應(yīng)用案例，規(guī)定其可用于單筒式、套筒式或多管式濕煙囪的防腐。采用單筒式煙囪，不用設(shè)置內(nèi)筒和平臺，煙囪截面可大幅度降低，內(nèi)部無需鋼結(jié)構(gòu)，可明顯降低煙囪建造成本和后期維護(hù)成本。

3.鎳基或鈦基復(fù)合金屬

美國電科院《濕煙囪設(shè)計導(dǎo)則》[4](1996年版)推薦可采用Tianium Grade 2(Ti2)用于濕煙囪防腐，但更傾向使用Tianium Grade 7(Ti-0.15Pd鈦鈀合金)作為濕煙囪防腐材料，并要求Ti2的鐵含量為0.02%以下。Tianium Grade 7的防腐性能要優(yōu)于Ti2，但價格也較貴?！稘駸焽柙O(shè)計導(dǎo)則》指出，Tianium Grade 7用于脫硫塔入口煙道干濕交界面時，出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象。故2012年版美國《修訂濕煙囪設(shè)計導(dǎo)則》[5]不再推薦鈦材作為濕煙囪防腐材料，防腐金屬僅推薦鎳合金C276和C22。

我國在濕煙囪防腐選材上大量采用鈦鋼復(fù)合板(Ti2)，調(diào)研發(fā)現(xiàn)鈦鋼內(nèi)筒也存在許多滲漏問題，但鑒于國內(nèi)仍有大量鈦板內(nèi)襯應(yīng)用，新國標(biāo)仍保留了鈦基復(fù)合金屬內(nèi)襯。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，建議當(dāng)采用該方案時，宜采用更高等級的鈦合金內(nèi)襯或鎳基復(fù)合金屬內(nèi)襯，并確保鈦鋼復(fù)合板的焊縫質(zhì)量。目前我國已經(jīng)開發(fā)出Ti10復(fù)合內(nèi)襯，其性能大大優(yōu)于Ti2復(fù)合內(nèi)襯，而價格增加幅度較小，可提高目前鈦鋼復(fù)合板的防腐性能。另外，我國煙囪防腐領(lǐng)域鈦鋼復(fù)合板普遍采用1.2mm厚鈦板復(fù)合，影響該類防腐的使用年限和焊接的可靠性，而國外標(biāo)準(zhǔn)采用厚度為1.6mm以上，且金屬防腐設(shè)備領(lǐng)域均采用2.0mm以上鈦板復(fù)合，建議提高防腐設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

在橫風(fēng)向共振判斷方面，國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)把雷諾數(shù)作為判定橫風(fēng)向共振條件之一，存在不足。大量鋼煙囪破壞案例表明，其雷諾數(shù)均發(fā)生在規(guī)范所規(guī)定的“超臨界”范圍，規(guī)范規(guī)定與煙囪實際振動情況嚴(yán)重不符，造成工程破壞。新國標(biāo)《煙囪工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對此進(jìn)行了修正，并給出新的計算規(guī)定，更符合實際情況，從而可大幅度降低因規(guī)范規(guī)定不足所造成的工程破壞，滿足工程設(shè)計需要。

在煙囪防腐方面，新國標(biāo)在總結(jié)國內(nèi)外經(jīng)驗基礎(chǔ)上，推薦了現(xiàn)階段最成熟的3類材料用于濕煙囪防腐，這3類防腐材料均有各自優(yōu)勢與不足，需要在辯證分析后采用，以獲得好的防腐效果和經(jīng)濟(jì)效益。