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烟囱温度作用的研究进展

烟囱温度作用的研究进展


摘要:本文针对烟囱普遍存在温度裂缝的现象,对近些年烟囱温度作用的研究进展进行了综述。
关键词:烟囱;裂缝;烟气;温度;温度应力
1前言
烟囱是工业和民用建筑中广泛应用且不可缺少的工程建设项目。从荷载作用的角度来说,它要考虑高温作用,设计中不仅要计算高温,考虑高温作用的影响,还要采取隔热措施。温度效应对一般的建筑结构影响不大,工程设计中往往忽略其效应或仅从结构上加以考虑。但对火电厂烟囱而言,温度效应却是筒身受损破坏的主要原因之一。本文拟对近些年烟囱温度作用的研究进程进行综述。
2研究进展
我国电厂烟囱裂缝现象十分严重,而热应力是造成烟囱裂缝的主要原因之一。温度对烟囱的作用,除了启动工况下的高温烟气以外,还包括日照、寒潮等自然环境因素。
梁亚红[2]等采用数值计算与实验验证的方法对粘土砖、钢筋混凝土和多层混合结构三种形式的单筒烟囱在启动工况下壁体的温度响应进行了初步探讨,得出了不同结构的烟囱在冬季和夏季启动时壁体的温度响应曲线。作者认为烟囱壁体热透时间和趋于稳态所需的时间仅与结构有关,与边界条件无关,并给出了以上三种结构形式的烟囱壁体的热透时间和趋于稳态所需的时间,为进一步计算温度应力提供了基础。同时作者还认为烟温和烟气流速的变化规律对烟囱壁体的温升速率和各点的温度梯度都有很大的影响,内表面温度最大值出现时间与烟气温度最大值出现时间基本相同;烟囱结构对壁体温度响应的温升速率和各点的温度梯度影响也很大。
日照温度在烟囱筒体上的分布,是关于高度、环向、径向及时间的四维函数。应用热传导理论,很难建立起日照温度场的四维解析式。姚仰平[3]等根据大量的实测资料,将该四维问题近似为四个一维问题处理。在分析日照温度沿筒体高度、环向及随时间变化时,采用统计回归方法,得出了日照温度沿筒体高度、环向的分布规律及随时间的变化规律;在分析日照温度沿径向变化时,应用热传导理论,得出了日照温度沿筒体径向的分布规律。从而建立起烟囱筒体日照温度场的数学表达式。烟囱温度场的建立,无论对烟囱中心偏移计算研究,还是对烟囱热应力场的建立都具有重要意义。
火电厂的烟囱一般为钢筋混凝土圆形结构,烟气温度引起的内外壁温度差异一般较大,由于烟囱内的不稳定热流,使混凝土结构中各部分处于明显不同的温度状态,烟囱的每部分随着温度的急剧升高和急剧下降处于膨胀或收缩变形状态,当产生的应力超过一定值后,烟囱将产生严重裂损,给结构带来严重的危害。赖一飞[4]等运用有限元仿真模型对大型火力发电厂烟囱的温度场、温度应力进行了比较系统的分析。得出了烟囱筒体的温度差随高度变化的关系曲线,并根据相应的温差对烟囱的温度应力进行了计算,得出了火电厂烟囱混凝土结构的温度应力沿其高度的变化曲线,给烟囱的设计和施工提供了一定的参考。
张俊生[5]分析了温度应力对钢筋混凝土烟囱的影响和工程设计中应考虑的问题。他指出除了烟气以外,温度对烟囱的作用还应包括日照、寒潮等自然环境因素。烟气温度的作用对钢筋混凝土烟囱筒壁外侧将产生环向拉应力,而日照等因素对烟囱冷筒阶段(施工期间和停炉检修期间)筒壁内边要产生拉应力。从理论上讲,如果拉应力设计值达到或超过筒身混凝土的抗拉设计强度,则筒壁产生竖向裂缝将无法避免。因此,在实际烟囱工程中,设计人员除需执行现有规范的有关计算规定以外,还需采纳各地的实践经验,作为对规范中未加明确和完善之处的补充。
烟囱温度计算通常使用的计算公式是稳态导热,即温度是不随时间发生变化的。但工程中很多导热过程是不稳态的,温度场随时间而变化。按照其过程进行的特点,不稳态导热过程可分成周期性的和瞬态的两大类,在周期性不稳态导热过程中,物体的温度按照一定的周期变化;而在瞬态导热过程中,物体的温度随时间不断地升高或降低,在经历某个时间τ后,最终达到热平衡。许音[6]等针对某低温烟囱(400℃)在短时超高温(1270℃)作用下造成烟囱破损的现象,通过不稳态导热计算,给出了在短时超高温条件下,低温烟囱的最长使用时间的计算方法。
张玉梅[7]等针对实际烟囱的筒壁为多层结构组成,并针对低温烟囱存在短时超高温的现象,运用拉普拉斯变换法,给出了烟囱筒壁的一维非稳态物理模型及数学模型,得到了考虑烟囱筒壁多层结构相互作用下的瞬态温度计算公式。并结合算例给出了在短时超高温条件下烟囱筒身沿径向的瞬态温度分布。
3小结
近年来,在借鉴国外研究成果和大量开展科研、普查的基础上,国内烟囱设计中对温度应力的成因、分阶段应力状态以及温度应力配筋问题等方面业已达成共识[5],具体表现如下:
⑴烟囱内衬、隔热材料的导热系数λ按规范规定取值是不正确的。因为规范规定的内衬、隔热材料导热系数λ值,是干容重状态下的取值,而实际状态恰好相反,内衬、隔热材料受饱和烟气蒸泡后,导热系数λ值就远远大于规范中所提供的数据。此外,烟囱在施工过程中,湿态的外筒壁混凝土使封闭的隔热层受潮,加上过去采用的许多隔热材料(如矿棉、岩棉等)吸湿性较强,导热系数必然远远大于规范中给定的干态值。因此,设计中均要根据内衬、隔热材料的性能和烟气运行条件适当放大干态下的导热系数λ值,放大倍数根据经验取1.5~3倍不等。
⑵日照温度和烟气温度的取值不当,也是烟囱出现纵向裂缝的影响因素。工艺专业提供的烟气温度设计值均以正常运行工况为准则,实际运行期间,当发电系统发生事故后,烟气温度可能有较大的提升。因此,为了确保筒壁环向应力的安全、合理,工程设计中应适当提高烟气的设计温度。此外,对烟囱筒壁内表面,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。
⑶烟囱温度按现行规范标准应力配筋明显不合理。文献[5]指出,在许多实际工程中已将裂缝比较严重的烟囱上部1/3左右的外壁环向钢筋配筋率提高到0.4%~0.5%,烟囱中下部通过计算得出的配筋率也应适当加大,可考虑1.1~1.2的放大系数。
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