钢筋混凝土烟囱温度应力浅析.pdf

工业技 术 齐 鲁 石 油 化 工 ， 2 0 1 0 ，3 8 ( 3 ) ：2 I I 2 1 4 Q IL U P E T R O C H E M IC A L T E C H N O L O G Y 钢筋混凝土烟 囱温度应力浅析 程鹏李娟 ( 山东三维石化工程股份有限公司， 山东淄博， 2 5 5 4 3 4 ) 摘要钢筋混凝土烟 囱在使用过程 中表面常出现裂 缝 ， 有 的裂缝宽度 大大超 过了规范允 许的限值 ， 影 响正 常使 用 。本文采用有限元仿真软件 A n s y s 对钢筋混凝土烟囱进行温度应力分 析 ， 研究简壁 在高温 烟气 作用下 的应力分布 规律及其裂缝产生原因 ， 采取预防措施 ， 进 一步优化设计 。 关键词烟 囱温度应力有限元裂缝 中图分类号 ： T K 6 2 1 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 9 9 8 5 9 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 2 1 1一 o 4 烟囱作为烟气 的主要排放方式在工业企业 中 有广泛应用 ， 其中尤以钢筋混凝土烟 囱应用最多。 工业企业排放烟气通常都是高温气体 ， 且烟 囱在 使用过程中常年处于高温状态下 ， 由高温产生 的 筒壁温度应力是一种常态 。筒壁裂缝会影响到整 体刚度和结构强度 ， 危及生产安全 ， 其作用应引起 重视。本文采用 A n s y s软 件来分析 筒壁温 度应 力 ， 研究温度应力的分布规律及其对裂缝产生 的 影响， 帮助我们在进行 烟囱设计时有 目的的采取 措施来尽量减少温度应力 的不利影响， 达到优化 设计的 目的。 1 烟囱筒壁热结构耦合分析 现结合西北某石 化项 目烟 囱进行实际分析 。 烟 囱总高 1 0 0 I n， 上 口内径 1 5 m， 下 口内径 7 m， 内衬为高铝质隔热耐酸砖 ， 隔热层 初始选择采用 6 0 m m厚岩棉 ， 钢筋混凝土筒身 ， 壁厚从上至下递 增 ， 上 口壁厚 1 8 0 mm， 下 口壁厚 3 8 0 m m。 1 1 模型及边界条件 高铝质隔热耐酸砖 砼1 7 4 W m 14 一 1 80 0 3 5 W m K 一 穗 一 0 0 4 W m K 一 一 = 1 2 0 图1 烟囱筒壁剖面及导热系数 正常工作状态下 ， 烟 囱内部高温气体和外 部 大气之间的温差会导致筒壁内产生温度应力 ， 现 在取其一段筒壁作为分析对象 ， 分 析温度应力随 不 同变量的变化规律。内部烟气温度取 1 4 0 o E， 外部大气温度取 一l O； 烟囱筒壁剖面见图 1 。 本例属于轴对称问题 ， 可 以采用轴对称方法 来进行分析 ； 同时本问题 为典型的热 一应力耦合 问题 ， 可 以采用 间接法顺序耦合 的一般方法来进 行分析。 首先建立热分析模型 ， 轴 向尺寸取任意大于 零的值 ， 内壁温度 1 4 0， 外壁温度 一l O作为 边界条件 ， A n s y s 热分析模型见图 2 。 面1 面2 面3 加载温 I lI I l I l II I I I I I l I 度 荷载 l I Il I I I I ， I I I I l l I 1 l l 1 l I l l I l 1 I I I I I I l I l l I I I l 1 4 0 l I I l I I l l I l l I I I l I l I I l I I I I I l I I I l I I l I I I I l l 图2 A n s y s 热分析模型 然后建立热 一结构耦合分析模型 ， 轴 向尺寸 取任意大于零的值， 将其一边轴向约束， 另一边所 有节点轴向自由度耦合 ， 并将第一步热分析得出 的面 3两侧的温度作为边界条 件加载至相应节 点 ， A n s y s 热 一结构分析模型详见图 3 。 收稿 13 期 ： 2 0 1 0 0 52 5 ； 修 回13期 ： 2 0 1 0一o 6一l 2 。 作者简介 ： 程鹏( 1 9 7 8一) 。 男 ， 本科 ， 一级注册结构师 ， 工程 师 。电话 ： 0 5 3 3 7 5 7 4 1 9 1 。 齐鲁石油化工 第 3 8卷 x 向自由 度耦合 加载 温度 荷 载0 Y 向自由 面3 鏖塑鱼 ， f 。-) 加载温度 荷载一 l 0 YI X l 丝整丝塞 图 3 A n s y s 热 一 结构分析模型 1 2 稳 态热分析 采用热分析单元 p l a n e 7 7 ， p l a n e 7 7是二维 8 节点热单元， 每个节点只有一个 自由度 ( 温度 ) 。 8节点单元具有一致 的温度形 函数 ， 可 以较好的 适应具有 曲线边界 的模型进行稳 态和瞬态热分 析。进行稳态热分析求解后， 用通用后处理器观 察温度沿烟囱壁厚的变化。温度沿筒壁的变化曲 线见图4 。 图 4 温度沿筒壁 的变化曲线 从图4可以看出， 高铝质隔热耐酸砖 和岩棉 的隔热效果非常 明显， 尤其在经过热导率最小的 岩棉后 ， 温度大约由 1 4 0降至 0， 大大降低了 钢筋混凝土筒壁内外表面的温度差。 1 3 热 一 结构耦合分析 本文只对烟囱筒壁进行稳态热 一结构耦合分 析 ， 即分析烟囱在正常工作状态下的温度应力分 布 ， 而不讨论升温和冷却反复交替作用下的情况。 由于中间隔热层 岩棉为散体材料 ， 为了避免 其弹性模量和泊松比的取值不合适会对热 一 结构 耦合分析结果产生影响， 现仅对烟囱筒壁的混凝 土部分重新建模 ， 边界条件取用前 面稳态热分析 的结果 ， 先进行稳态热分析， 再将热分析结果作为 体荷载加载到模型进行热 一 结构耦合分析。取混 凝土弹性模量 3 01 0 N m m ， 热膨胀系数 1 2 1 0 ， 泊松 比0 2 ； 内壁温度取 0 ， 外壁温 度取 一1 0。 运 行 稳 态 热 分 析 后 ， 将 模 型 中 的热 单 元 p l a n e 7 7转换为和其对应 的结构单元 p l a n e 8 2 ， 并 设定其轴对称属性； 定义材料的力学性能， 结构分 析边界条件和温度荷载 ， 进行求解。通过通用后 处理器来观察分析结果 ， 见图5 。 H E 暑 图 5 环 向应力与径向应力 O 烟囱筒壁径 向应力较小 ， 环向应力较大。筒 壁内侧受压 ， 最大压应力 1 9 1 3 M P a ； 筒壁外侧受 拉 ， 最大拉应力 1 8 3 7 MP a 。根据 混凝土结构设 计规范 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ， C 3 0混凝土强度标准值 ： 2 0 1 MP a ， 筒壁外侧 的拉应力 已经很接近强 度标准值 ， 如果再考虑其它工况 ， 如风 、 地震等的 共 同作用 ， 按多轴强度理论分析 J ， 其外侧 主拉 应力极易超过混凝土拉力限值， 形成裂缝。 1 4 壁厚对筒壁外表面应力的影响 实际应用中， 因其结构受力特点 ， 烟囱的筒壁 厚度往往设计成沿高度变化； 上部壁厚较薄而下 部壁厚较厚。在不 同壁厚的情况下 ， 分别应用上 述分析方法得出其外表面环向应力， 以了解应力 随壁厚变化 的规律 。保持其它条件不变 ， 仅修改 烟囱的壁厚 ， 将壁厚改为 2 2 0 、 2 6 0 、 3 0 0、 3 4 0 m m几 个常用尺寸 ， 计算结果见图 6 。 由图 6可以看 出， 应力 随壁厚改变 的变化幅 度不大 ， 壁厚每增加 4 0 m m， 外表面环向应力降低 0 5 4个百分点 ； 且随壁厚 的增加 ， 环 向应力呈现 出下降的趋势。 第 3期 程鹏等，钢筋混凝土烟囱温度应力浅析 2 l 3 1 8 6 呈1 8 5 E 1 8 4 辩 叵 1 8 1 婚 1 8 0 l 图 6 环 向应力与 壁厚相关 曲线 1 5烟囱内径对筒壁外表面应力的影响 应用中， 烟 囱通 常被设计成上细下粗 的型式 以满足其抵抗水平力 的要求。在不同的高度处其 内径不同， 保持其它条件不变的情况下 ， 仅修改烟 囱的内径 ， 取 常用烟 囱 内径 1 5 0 0 、 2 5 0 0 、 3 6 4 0 、 4 7 8 0 、 5 9 0 0 m m分别得出其外表面环 向应力。结 果 见图 7 。 1 86 l L 8 5 1 8 4 嚣 厘 】 81 1 80 1 图 7 环 向应力 与内径 的相关 曲线 由图 7看 出， 应力随内径变大呈递增的趋势 ， 但其变 化 幅 度依 然 不 大 ， 每 1 0 m 高度 约 变 动 0 5 4个 百分 点 。 1 6 内表面温度变化对筒壁外表面应力的影响 实际应用中， 简壁 内表面温度很难控制在恒 温， 而是随外界环境不断的变动。参考烟气温度 每 1 0 m降低 1 c c左右 ， 保持其它条件不变 ， 仅修 改内外表面温 度差 ， 外 表面取 一l 0 ， 内表面取 温度 0、 2 、 4 、 6 、 8分别得出其外表面环向应力 。 结果 见 图 8 。 3 6 O 量 3 3 0 芒 3 O 0 要2 7 0 2 4 o 匿2 1 0 1 8 0 图 8 环向应力与内壁温度的相关曲线 由图 8看出， 外表面环 向应力随壁 面温差的 增大而增大 ， 温差每增加 2 o C， 应 力变动幅度约 l 7个百分点。 通过以上 3组数据的对 比， 几何尺寸对应力 变动的影响基本 可以忽略不计， 壁面温差对烟囱 外表面环向应力起控制作用 ； 要控制外表面环向 应力 ， 就要控制壁面温差 。 2烟气正压负压对筒壁 内表面温度的影响 在烟 囱正常工作状态下 ， 一般希望烟 囱全程 负压运行 ， 这样烟气很难渗入到烟 囱间隙并到达 外筒身的表面。若烟 囱内出现正压 区， 则烟气会 通过 内衬缝隙渗入到隔热夹层 。由于内衬的隔热 作用 ， 该处温度比烟气温度低很多 ， 因此当烟气冷 却到低于露点温度时就会在该处筒壁内表面结露 析出硫酸， 增大隔热层的湿度 ， 导致隔热层的导热 系数成倍增加 ， 进一步扩大筒壁 内外表面温差和 外表面环 向应力。 烟风煤粉管道技术规定 中并 未就烟 囱内 部热力空气动力 特性 给 出标准化 的理论计算公 式 ， 这里参考前苏联 锅炉设备空气动力计算 ( 标 准方法) 一书及苏联 热能动力 杂志等参考资 料l- 5 J ， 其中出口为大气 的锥形烟囱内部静压力计 算公式如下 ： 卸 - ( 1 + ) X ( 卜 簧 ) x + t O o T y - Y l ( y 一 y ) g ( 1 ) 式 中： 卸烟囱内剩余静压力 ， P a ； A 烟囱摩擦阻力系数 ， 对内部有环状凸 出的混凝土烟囱取 0 0 5 ； 锥形烟囱第 n段坡度 ； 如烟 囱出口内径， m； ( 。 烟囱出口流速 ， m s ； d 锥形烟 囱第 凡段入 口直径 ， m； 各段烟囱出口至计算断面的高度， m； 室外空气重度 ， N m。 ； 烟气重度 ， N m ； g 重力加速度 ， 9 8 m s 。 ； 烟囱出口损失 系数 ， 当不设扩压器时 取 0 。 1 。 对于前述 1 0 0 m高烟囱 ， 取烟 囱出口流速 1 5 m s ， 空气 重度 1 2 9 7 N m ， 烟气重 度 1 0 1 9 N 2 1 4 齐鲁石油化工 第 3 8卷 m 。 ，以 1 0 m为区段计算烟囱内静压力分布。结果 如图 9所示。 g 韫 ； 暑 口 羽 圆 景 剩余 静压， P 0 图9 烟囱内静压力分布 按照工艺计算采用的 1 5 m s出口流速， 仅能 保证烟囱的下部为负压 ， 而如果采用烟风煤粉管 道技术规定中的烟 囱出 口流速上 限推荐值来计 算 ， 此烟囱将全程处于正压状态 。这就是说对于 现在应用的大多数单锥体烟囱来说 ， 不可能满足 全程负压运行的要求 ， 越靠近出口处 ， 烟气正压越 大， 其通过 内衬空隙渗入到隔热夹层的可能性越 大。这与 烟 囱裂缝综述 l 2 j 中汇总 的裂缝分布 规律是吻合的， 即裂缝绝大部分为纵向， 且分布在 距 出口1 31 4烟囱全高范围内。 3 日照对烟囱外壁应力的影响 在昼夜温差大的情况下， 白天太 阳光直射会 迅速升高混凝土表面温度至 4 O一 5 O， 这种情况 下如果筒壁 内侧温度低于外侧温度， 则会发生相 反的应力分布， 即筒壁外侧受压而内侧受拉 ， 在多 重荷载共同作用下， 筒壁内侧易产生微裂缝。在 烟囱正压 区， 深入到隔热夹层 的烟气会在 内壁表 面结露析 出硫酸， 硫 酸渗入到裂缝 中会迅速破坏 混凝土结构的碱性环境， 从 而导致承重结构腐蚀 加速， 缩短烟囱使用寿命。 4结论 通过以上分析 ， 在设计过程中同时考虑以下 因素可以有效的预防烟囱在使用过程中出现裂缝 现象。 ( 1 ) 对烟囱筒壁进行热分析时考虑湿度对隔 热材料的影响 ， 适当提高隔热材料导热系数来进 行温度计算 。 ( 2 ) 采用憎水性实体材料作为隔热层 ， 减少 烟气渗入夹层结露的可能性。 ( 3 ) 对筒壁 采用双层配筋， 降低 由强烈 日照 产生筒壁内侧裂缝的可能性。 参考文献 1 姜子 良，1 2 0米钢筋混凝土烟 囱竖 向垂 直裂缝分析 建筑技术， 1 9 8 4 ( 2 ) ： 2 1 2 3 2 吕友全 ，烟囱裂缝综述 电力建设 ， 1 9 8 7 ( 3 ) ： 2 7 2 9 3 中华人 民共和国建设部 G B 5 0 0 5 1 -2 0 0 2 烟囱设计 规范 北京： 中国计划出版社， 2 0 0 3 4 覃丽坤 多轴强度理论在烟囱筒壁分析 中的应用 特 种结构 ， 2 0 0 0， 1 7 ( 2 ) ： 1 4 5 李昌伟 全负压烟囱选型浅析 电力学报， 1 9 9 7 ， 1 2 ( 4 ) ： 5 9 6 4 BRI EF DI SCUS S I ON ON S TRES S oF C M NEY FRoM REI NF oRCE M ENT CoNCRETE UNDER HI GH TEM P ERATURE Ch e n g P e n g，Li J u a n ( S h a n d o n g S a n w e i P e t r o c h e m i c a l E n g i e r i n g C o ， L t d ， Z i b o ， S h a n d o n g， 2 5 5 4 3 4 ) Abs t r a c t T h e c r a c k o f t e n a p p e a r s d u r i n g u s a g e o f t h e r e i n f o r c e me n t c o n c r e t e c h i mn e y， a n d wi d t h o f s o me c r a c k s e x c e e d s g r e a t l y p e r mi t t e d l i mi t v alu e o f t h e c r i t e r i o n，wh i c h i n flu e n c e s n o rm a l s e r v i c e o f t h e c h i mn e y Th i s p a p e r a n a l y z e d s t r e s s a c t i n g o n t h e r e i n f o r c e me n t c o n c r e t e c h i mn e y b y FF E s i mu l a t i o n s o f t wa r e An s y s s t u d i e d s t r e s s d i s t rib u t i o n r u l e o f t h e c h i mn e y wa l l a n d c a u s e s o f t h e c r a c k a p p e a r a n c e，a n d t o o k p r e v e n t i v e me a s u r e s a n d a c h i e v e d o p t i mi z e d d e - s i g n Ke y wo r d s c h i mn e y，s t r e s s u n d e r t e mp e r a t u r e，F FE，c r a c k