长筒薄壁钢烟囱倒装施工工法.docx

1．前言 1
2．工法特点 1
3．合用范围 2
4．工艺原理 2
5．工艺流程及操作要点 3
6．材料与设备 12
7．质量控制 13
8．安全措施 14
9．环保措施 15
10．效益分析： 15
11．应用实例 17
1．前言
工程建设中，有许多烟囱是钢制长筒、薄壁烟囱，安装这类烟囱若按常规方法(顺装法)进行施工，存在以下的问题：需搭设大量的脚手架，安装费用高、工期长；高空作业多，危险性大；烟囱筒体直径大，吊装高度极高，安装过程中需要大型吊车配合吊装，机械费用高。为了解决以上问题，二十三冶组织技术人员通过度析论证，采用倒装法安装钢烟囱，即先在基础上组装最上面节烟囱，接着运用预制的框架式组合支架作为吊装机构，将上节烟囱提高，再将已预制好的下节烟囱送至上节烟囱的下面，最后将上下节烟囱组对连接，然后用相同的方法依次提高、组装下面的各节烟囱，直至烟囱所有组装完毕。施工时，只需制作一套吊具和框架式组合支架，即可完毕多个结构一致的薄壁筒节的安装施工，解决因安装高度较高而一般吊车无法完毕吊装的问题，同时，吊装用组件可回收运用；此外，该方法变高空作业为地面作业，避免了高空施工带来的施工投入与安全隐患。
我们将该方法先后应用在江苏**铝厂电解一、二、三期烟气净化工程中钢烟囱的安装，效果较好，总结后形成此工法，该工法曾获湖南省级工法。
2．工法特点
与传统的正序安装施工方法相比较，本工法具有以下特点：
2.0.1 倒装法施工，改高空作业为地面作业，有助于对进度、质量控制。
2.0.2 改善施工环境，减轻劳动强度，提高工效。
2.0.3 节约周转材料，减少吊装机械使用，从而节省施工费用。
2.0.4 变高空作业为地面施工，减少了施工过程的危险系数，保证了安全文明施工。
2.0.5 采用倒装法施工，制作的吊装组件提高工具，使烟囱筒体在提高过程中受力均匀，较好的保护了烟囱，保证安装质量。
2.0.6 施工不受场地限制，特别是在一些大型机械无法进场或无法布置的场地施工，本方法更为实用。
3．合用范围
本工法合用于长筒、薄壁钢烟囱的安装，可推广应用于高耸钢制设备的安装。也可作为其它进行倒装法安装的设备、构件施工的参考技术资料。
4．工艺原理
先在基础上组装最上面节烟囱，接着运用预制的吊装组件作为吊装机构，将上节烟囱提高，再将已预制好的下节烟囱送至上节烟囱的下面，最后将上下节烟囱组对连接，然后用相同的方法依次提高、组装下面的各节烟囱，直至烟囱所有组装完毕。吊装组件涉及四柱框架式组合支架、环形梁、导向轮和限位装置。环形梁共两个，一个上环梁与框架式组合支架顶部直接焊接固定，为吊装起吊的吊点，同时该环形梁上装有导向轮，起烟囱提高时的导向作用，使烟囱处在垂直状态吊装；另一个下环形梁安装在上环梁的正下方，与框架式组合支架相对独立运动，作为起吊时烟囱的支托件，它直接承受烟囱重量，为了保证下环形梁在吊装过程中不产生旋转，在下环形梁靠近组合支架四个立柱的相位外沿设立限位装置，保证下环形梁在吊装过程中按设计的轨迹运动。上环形梁下底面及下环形梁的上表面均布吊耳，两个环形梁之间采用滑轮组及钢丝绳连接。
提高组装烟囱的操作顺序为：将下环形梁用卡销卡住钢烟囱外围最底层加强筋→启动卷扬机提高钢烟囱至预设高度位置→送入下节筒节→组装对接上、下节筒节→退出下环形梁卡销→下降下环形梁至组合烟囱的最底层加强筋→用卡销卡住加强筋→……循环作业，直至将钢烟囱组装完毕。

5．工艺流程及操作要点
5.1 工艺流程
见图5.1.1工程流程图
运送轨道及小车安装
吊装组件设计与制安
烟囱筒体组装
组装平台铺设
烟囱裙座安装

烟囱附属构件安装与防腐
吊装组件拆除

O
支架基础设计与制作

图5.1.1 工程流程图
5.2 操作要点
5.2.1 组合支架基础设计与制作
组合支架基础承受钢烟囱及吊具和吊装组件的所有重量，应预先根据支架水平尺寸及承重量对基础进行设计，并提前制作，同时对基础做好预埋解决。
5.2.2 吊装组件设计与制作安装
1、框架式组合支架设计与制作
倒装法安装烟囱需要设计制作吊装用的框架式组合支架，组合支架的立柱由四根钢结构用无缝钢管组成，管径根据支架承受的重量来拟定，管柱高度应根据烟囱吊装过程的稳定性及经济条件角度来拟定，一般选取烟囱高度的1/7～1/5（组合支架高度至少应大于两节烟囱的组合高度）。上部做成一个箱形环梁，环梁的内径比钢烟囱外径略大，环梁与柱的连接采用焊接，为了加强连接的可靠度，每根立柱与梁之间设立加劲板，柱脚与基础埋件采用加劲板焊接。框架式组合支架内部制作安装一个与上部环形梁相同的下环形梁，在靠近框架式组合支架四个立柱的相位上制作安装下环形梁旋转及摆动限位装置。设计效果图如下图5.2.2所示。

图5.2.2 框架式组合支架设计效果图
1）立柱的结构验算：
根据立柱采用的无缝钢管规格，查《建筑施工手册》，可得无缝钢管的各种参数值：许用应力f 、回转半径i、横截面积An
根据立柱无缝钢管的高度H、需提高的最大重量G1、吊具及吊装组件自身重量G2，可得：
无缝钢管长细比λ=H/i
根据λ的值可查表得其稳定性系数a
因此，每根钢柱的受压强度δ=N/An ={( G1 ＋G2)/4 }/An
计算结果钢柱受压强度与钢柱许用受压强度之间的关系应满足：
δ＜[δ]=f/K1
取无缝钢管设计许用应力的安全系数K1=1.8～3
2）验算立柱稳定性：
δ=N/（a×An）={(G1 ＋G2)/4)}/（a×An）
应得到δ＜[δ]=f/K1 ，钢柱方能满足钢管受力稳定性的规定。
2、组合支架的安装
1）先将制作好的下环梁放在四个支架基础之间，再将支架立柱立于基础预埋件上，并且找正点牢，校对四根钢柱水平、垂直度。
2）联接柱间各横梁、支撑，并焊接牢固。
3）吊起上环梁置于钢柱顶端、点牢，校正环梁水平、中心后，将环梁焊接固定。
4）由于在吊装的过程中影响因素非常复杂，考虑不利因素的影响，在每根立柱的旁边还设立了一根斜撑，以增长其稳定性。
5） 设立最大提高高度限位开关位置。限位开关一般采用机械式限位开关，当筒体上升高度到达该位置时，限位开关发生作用，卷扬机应立即停下，并保持在该位置。
3、吊装机具选择及计算
烟囱吊装机具采用卷扬机和滑轮组，吊装时用滑轮组及钢丝绳联接上、下环形梁，需要对滑轮组、钢丝绳、卷扬机等吊装机具进行选择及计算。
查《建筑施工手册》得：
S=f0KQ
式中：S——跑头拉力
K——动力系数，查施工手册可得K=1.2
Q——吊装荷载，为最大提高重量与吊具重量之和：
Q=(G1 ＋G2)/χ (χ为卷扬机组数)
f0——跑头拉力计算系数，当绳索从定滑轮绕出时f0=(f－1)×fn /fn－1,当绳索从动滑轮绕出时f0=(f－1)×fn－1 /fn－1，其中n工作绳数，f滑轮组系数，滚动轴承取1.02，青铜衬套取1.04，无青铜衬套取1.06。
根据 S= f0KQ可得跑头拉力S。
根据N组，n道轮数滑轮组，根跑绳得出滑车的倍率i ,查《钢结构施工手册》得，滑车组的效率η，其所承受的重量Q，跑头拉力的简易计算公式：
S=Q/（i×η）
两个计算公式计算得出的结果应相符或基本一致，可证明以上计算结果是可靠的。每组滑车组根据情况配套使用2～3个导向滑轮，所以卷扬机的拖动力应为:S卷扬机=S×1.043
根据卷扬机的拖动力，选择卷扬机型号。为了便于统一指挥卷扬机，将所有参与吊装的卷扬机安放在一个地点进行施工作业；烟囱吊装平稳性规定高，为了便于控制烟囱吊装的平稳性，每台卷扬机所配备的滑车组应一致，各组卷扬机启动应同步、运营应同速，因此，在各卷扬机组间运用同步器，使各卷扬机组启动实现同步、运营实现同速。卷扬机组布置如图5.2.4-1图所示。
根据计算所得S卷扬机，验算钢丝绳的破断拉力，查《钢结构施工手册》得：
P破=500d2
S=S卷扬机×103×10
规范规定一般起重设备钢丝绳的安全系数K取5～6
计算结果应符合P破＞5×S。
查《钢结构施工手册》，根据上述不等式计算出的d选择钢丝绳直径。滑车组安装、钢丝绳的穿引应符合规范规定，具体如图5.2.5-2现场安装照片图中所示。
5.2.3 组装平台铺设
烟囱安装在按设计预先制作好的混凝土基础上。而在混凝土基础上均匀的布置有烟囱裙座预埋螺栓，运用倒装方法在基础上组装烟囱筒体时需要保护地脚螺栓不被损坏，需要在螺栓上面制作安装一个施工平台；为了便于组对烟囱，便于调节烟囱组对焊缝，倒装施工必须有一个平整度较高的施工平台。因此，需要在基础上高出预埋地脚螺栓，在吊装组合支架的范围内铺设组装钢平台。为了更好控制烟囱的安装质量、保证对接焊缝，钢平台表面应作调平解决。
5.2.4 运送轨道及小车安装
根据组装需要，为了能将制作好的筒节方便快捷的送入吊装组合支架内部的组装平台上，从支架外引入两根轨道到组装平台上 (如图5.2.4所示) ，轨道上表面标高应与钢平台标高一致，两轨道的中心线应通过烟囱的中心，轨距根据运送平板小的车轮距拟定，最后再把制作好的平板小车放置轨道上。

图5.2.4 吊装平面布置示意图
5.2.5 烟囱筒体组装
烟囱的提高是由吊装组件、滑车组及卷扬机组等共同配合完毕，卷扬机操作规定较高，应配备经考试合格的操作员进行操作卷扬机，运用同步器控制卷扬机组，使卷扬机启动同步、运营同速。
同时，在下环梁上设立不平度限位开关，以便控制提高时由于意外因素导致下环梁运营不平衡时，及时停止提高，对下环梁进行水平度调整。
在提高前，先将下环梁上的卡销旋向外侧，使下环梁内侧直径稍大于筒体直径，下环梁落于第一节烟囱加强筋的下面，再将卡销旋紧（如图5.2.5-1所示）。然后启动卷扬机，烟囱随下环梁上升，当升到超过第二节烟囱筒节的高度时，停止上升，将运至吊装现场的第二节烟囱筒节由小车运送至组装平台上，将提高的筒体下降与下节筒节组对，上、下节筒体组对后，再将下环梁退出，将下环梁降至第二节筒体的加强筋下面，用卡销卡紧加强筋，再提高烟囱。

图5.2.5-1 钢烟囱倒装提高示意图
烟囱在倒装法安装提高过程中，上、下环形梁均设立导向装置（如图5.2.5-1所示）。下环梁以钢管柱为基准，设立导向轮及导向杆，导向轮与导向杆随下环梁同时升降；上环梁设立四组导向轮，每组包含上下两个可以退出的导向轮，当筒体加强筋上升到导向轮位置时，退出下导向轮，当加强筋通过下导向轮后，送入下导向轮，退出上导向轮，这样筒体加强筋就通过了导向轮位置。具体操作如图5.2.5-2现场施工吊装照片图所示。
如此循环往复，逐节组装第三节、第四节，直至最后一节。

图5.2.5-2 倒装法安装烟囱现场图
在实际操作过程中由于各种因素影响，如受风力的影响，会导致吊装不平衡，为保证施工的安全，在烟囱的三分之二高度的位置的烟囱四个相位点设立4根缆风绳，缆风绳安装如图5.2.5-4所示。为了便于在安装完毕并稳固后安全拆除缆风绳，在四个相位点上各安装一个定滑轮，缆风绳绕过定滑轮牵引烟囱；在地面缆风绳的两个末端，一端采用锚固拉杆固定于地面，另一端根据受力情况，设立四台卷扬机牵引缆风绳，四台卷扬机运用同步器控制，应启动同步、运营同速。
在烟囱筒体安装过程中随同烟囱同时提高，提高过程中，同时启动四台卷扬机逐渐释放缆风绳，调节缆风绳长度。缆风在整个提高过程中应使烟囱保持平衡的受力状态。当烟囱所有安装完毕并稳固后，松脱缆风绳固定端，运用卷扬机收绳将缆风绳从烟囱上的滑轮取下。

图5.2.5-4 缆风绳设立示意图
缆风绳的受力计算与选择:
假设在吊装过程中，钢烟囱刚好起吊离地但尚未离开状态下，以A点做平衡分析，可得：
F风×0.5h=2T×cosθ×2h/3＋2T×cos(900-θ)×D＋G×D/2
F风——最大风力
风压ω=（γ/2g）×v2
在标准状况下，γ=0.012023KN/m3
所以ω=（γ/2g）×v2
F风=ω×A
T——缆风绳的拉力
G——钢烟囱的重量
v——风速
θ——缆风绳释放至最长时的角度,即缆风绳在提高过程中与地面的最大角度，一般选择设计为θ=600。
根据上述条件可以计算出缆风绳拉力T值，按规范规定作为缆风绳的安全系数取3.5，根据T乘以安全系统所得值选用符合规定的钢丝绳作缆风绳及卷扬机设备。
5.2.6 烟囱裙座安装
将所有烟囱筒体组装完后，最后组装烟囱的裙座段。将裙座段烟囱运用平板小车运送进组合支架内部后，运用手拉葫芦等工具吊起裙座段筒体，退出小车，拆除轨道、钢平台，将裙座段筒体安装在烟囱基础上，找平找正，其水平度的误差应控制在±5mm，标高误差应控制在-3.0―0mm。最后紧固所有的地脚螺栓，将烟囱筒体下降与裙体对接，烟囱安装完毕。在安装整个过程中注意控制烟囱的垂直度。
5.2.7 烟囱附属构件安装与防腐
烟囱附属构件重要涉及烟囱进口和检修爬梯。进口安装时，先在筒体上找出进口位置，然后开口，再在开口处安装烟囱进口；爬梯安装与筒体组装同时进行，当烟囱组装至高度超过支架上环梁后，每组装一节烟囱就安装一节爬梯。
钢烟囱的防腐应在筒节预制好后，组对之前进行，组对后再对组对口及防腐破坏处进行局部防腐。
5.2.8 吊装组件拆除
待整个钢烟囱安装完毕并稳固后，将吊装用组件拆除。拆除顺序为：先拆环梁再拆立柱。在拆除过程中注意施工安全。
6．材料与设备
表6.0.1-1 重要施工用料表
序号
名称
型号、规格
单位
数量
备注
1
槽钢
[18
m
60
组合支架用
2
钢板
δ=12～20
t
5
组合支架用
3
工字钢
I32
m
10
组合支架用
4
钢管
Φ219×8
m
40
吊装用
5
角钢
∟80×5
m
48
放样用
6
钢轨
43kg∕m
m
40
输送筒节用
7
钢架管
Φ48
吨
0.5
脚手架用
8
架管扣

副
400
脚手架用
9
竹跳板

块
200
脚手架用
表6.0.1-2 重要机具设备表
序号
名称
型号、规格
单位
数量
备注
1
CO2保护焊机
500A
台
6

2
平板汽车
10t
台
1

3
汽车吊
8t
台
1

4
手提砂轮机
φ150
台
10

5
角向磨光机
φ100
台
10

6
卷扬机
10t
台
3

7
卷扬机
5t
台
4

8
双输滑车组
16t
个
9

9
单输滑车
8 t
个
21

10
钢丝绳
φ22×6×37＋1
米
1000

11
绳卡
20
个
50

12
倒链
10t
个
5

7．质量控制
7.1 执行的规范、标准
7.1.1 《化工工程建设起重施工规范》（HGJ201-83）
7.1.2 《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2023）
7.2 质量规定
7.2.1 筒体组对时环焊缝的对口错边量应符合下列规定：
1、当两板厚度相等时，不应大于1mm；
2、当两板厚度不等时，不应大于3mm。
7.2.2 对接焊缝形成棱角不得大于2mm，检查时，纵焊缝用弧长等于700mm外样板，环焊缝用长度不小于300mm的检查样板。
7.2.3 筒体的外圆周长允许偏差为±16mm，且应满足对口错边量的规定。
7.2.4 筒体在同一断面上的最大直径与最小直径之差应不大于25mm。
7.2.5 筒体的垂直度为H/1000，且最大不得大于30mm。
7.2.6 烟囱组装检查：施工过程中对烟囱的组装尺寸、坡口尺寸全程进行跟踪检测，对烟囱中心偏差规定中心偏差值小于或等于H／2023，且小于或等于30 mm。
7.2.7 烟囱焊接质量检查：为保证焊缝质量，采用坡口焊接，每条焊缝分3层完毕，6个焊工对称布置同步焊接，每焊完一层后，经检查确认无缺陷后，再焊下一层。
8．安全措施
8.1 倒装施工中的高空作业安全措施
8.1.1 脚手架搭设要牢固、平稳、防滑、且有安所有门的认可。
8.1.2 在框架式组合支架上施工时，支架上应搭设稳固的施工平台，四周应挂安全网。
8.1.3 高空作业人员必须系好安全带，所使用的小型工具、螺栓、螺母等小型物件必须放人背袋内，不得空中抛掷物件、材料。全体现场人员必须戴好安全帽。
8.2 雨、雾、雪及现场出现五级及以上风力的天气应停止倒装施工作业。
8.3 倒装施工用电安全措施
8.3.1 施工照明用电的电压应为12V或符合有关规定。
8.3.2 进入钢烟囱内的一切电缆、电线不得破损，且应加套管。
8.4 防火措施：进行钢烟囱内部防腐刷油时，不得同时进行动火作业。
9．环保措施
施工过程中需要采用相应的环保措施，尽量减小建筑安装施工过程对周边环境的影响，做到环保施工。
9.0.1 施工尽量选择节能环保的材料，减少固体废弃物污染。
9.0.2 施工过程应选择科技含量高的环保施工机具，提高效率，保证工程质量，减小能耗、减少废气、烟尘排放。
9.0.3 钢烟囱安装施工现场，重要的污染源涉及噪声、扬尘和其他生产垃圾。根据相应的污染源，采用相应的措施：
1、 控制施工噪音方面，应从机具和施工方法上考虑，尽量减少噪音的产生；
2、 施工扬尘的控制，可以在现场设立围挡，覆盖易生尘埃物料；洒水降尘，垃圾封闭；
3、 生产过程中尽也许防止和减少垃圾的产生，对产生的垃圾应尽也许通过回收和资源化运用，减少垃圾解决处置；对垃圾的流向进行有效控制，严禁垃圾无序倾倒，防止二次污染。，
9.0.4 合理安排进度，尽量不安排深夜连续施工，多采用环保节能的新工艺、新技术，以提高劳动生产率，减少资源消耗，同时可减小施工过程对周边环境的影响。
10．效益分析：
与传统顺装相比较，采用框架式组合支架倒装法安装长筒薄壁钢烟囱，施工简便，易于操作，无需大型高耸起重设备；有良好的作业环境，有助于安全施工，保证安装的施工质量；工艺设施经济合理，因不需高耸大型起重设备且不用搭设大量的脚手架等，减少了设备、材料及人工的投入，可节约机械费、脚手架费、材料费及人工费60%以上，有明显经济效益；同时，工程的施工工期也节约50%以上，更能保证安全、保证质量，也可发明良好的社会效益。以江苏大屯铝厂电解二期烟气净化回收系统钢烟囱工程为例，对顺装法与该工法的倒装法进行费用分析如下：
表10.0.1-1 采用顺装法计划费用清单
序号
名称
单位
数量
单价
合计（元）
1
25吨汽车吊
台班
2
1800元/台班
3600
2
50吨汽车吊
台班
6
4000元/台班
24000
3
75吨汽车吊
台班
6
7500元/台班
45000
4
120吨汽车吊
台班
6
9600元/台班
57600
5
250吨汽车吊
台班
3
30000元/台班
90000
6
250吨汽车吊进出场费用

80000元
80000
7
脚手架搭设

12023元
12023
8
人工
工日
598
60元/工日
35880
合计

348080

表10.0.1-2 采用倒装法实际费用清单
序号
名称
单位
数量
单价
合计（元）
1
滑车组（分五次摊销）

2023元/次
2023
2
吊装组件制安（分五次摊销）

20230元/次
20230
3
钢丝绳（分两次摊销）

3900元/次
3900
4
卷扬机租赁费用
台班
10
300元/台班
3000
5
组合支架立柱基础

12023元
12023
6
人工
工日
220
60元/工日
13200
合计

54100
从顺装与倒装安装费用表的对比，江苏大屯铝厂电解二期烟气净化回收系统钢烟囱倒装法施工要比顺装方法施工节约费用合计293900元。
11．应用实例
11.1 江苏**铝厂电解一期烟气净化回收系统钢烟囱工程，烟囱重量为94.00t，其直径为φ5.0m，高60m。工程施工协议工期为（2023年7月12日至8月13日）共 32天，采用本工法施工实际工期为 15天，节约工期 53 %。施工过程中，质量控制共检测数据162组，分项工程一次性合格率达99.16%。分项工程合格达100％；分部工程优良率100％。
11.2 江苏**铝厂电解二期烟气净化回收系统钢烟囱工程，烟囱重量为98.00t，其直径为φ5.1m，高60m。工程施工协议工期为（2023年11月2日至11月28日）共 26天，采用本工法施工实际工期为 10 天，节约工期 61.5%。施工过程中，质量控制共检测数据 135组，分项工程合格达100%。
11.3 江苏**铝厂电解三期烟气净化回收系统钢烟囱工程，烟囱重量为98.00t，其直径为φ5.1m，高60m。工程施工协议工期为（2023年3月4日至3月30日）共 26天，采用本工法施工实际工期为 10 天，节约工期 61.5%。施工过程中，质量控制共检测数据 135组，分项工程合格达100%。