某脫硫塔火災(zāi)后檢測鑒定及加固處理

王艷平，李書奇，封 云

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引 言

隨著社會和經(jīng)濟建設(shè)的不斷發(fā)展，能源的需求量越來越大，環(huán)境保護的投入力度不斷加強，龐大的脫硫產(chǎn)業(yè)應(yīng)運而生，脫硫吸收塔則是脫硫產(chǎn)業(yè)中的核心設(shè)備，是電力系統(tǒng)中必不可少的部分。近些年來，生產(chǎn)過程中脫硫塔火災(zāi)事故多有發(fā)生，脫硫塔作為大型薄壁鋼制圓筒形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式特殊而復(fù)雜，火災(zāi)后通過對結(jié)構(gòu)進行檢測鑒定來確定脫硫塔受損情況，從而制定出適合的加固方案［1］。

1 某脫硫塔工程概況

煅燒脫硫塔總高 70.3 m，共分為 3 段，基礎(chǔ)至標(biāo)高 32.0 m 為直徑 5 m 的脫硫塔筒，標(biāo)高 32.0 m 至標(biāo)高 49.0 m 為直徑 8.5 m 濕式電除塵除霧器，標(biāo)高 49.0 m 至標(biāo)高 70.0 m 為直徑 2.4 m 的小煙囪。塔筒底部為 32 根 M42 的均布螺栓，碳鋼橫向焊縫約 30 道，塔筒外側(cè)有支撐框架結(jié)構(gòu)，梁柱截面為 H 型鋼，四面交叉支撐為圓管，有支撐處框架結(jié)構(gòu)平面尺寸為 8.5 m×8.5 m，共 5 層，每層高度為 6.4 m，頂部標(biāo)高約 32.0 m，外包式剛接柱腳。鋼柱和部分框架梁材質(zhì)為 Q345B，部分鋼梁和柱間支撐材質(zhì)為 Q235。濕電+脫硫塔總圖如圖1 所示。

圖1 濕式電除塵脫硫塔外立面圖

由于塔內(nèi)失火，塔體部分出現(xiàn)變形，受該建筑主管單位委托，筆者單位對火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)進行了檢測鑒定并給出了處理意見，并依據(jù)檢測鑒定報告對該工程提出結(jié)構(gòu)加固方案。

2 現(xiàn)場檢測情況

2.1 外觀損傷檢測

對具備檢測條件的部位進行外觀損傷檢測，檢測結(jié)果如下。

1）高度方向上，脫硫塔鋼筒壁在第一道焊縫和第二道焊縫之間破壞嚴(yán)重，特別是第一道環(huán)形鋼箍與第一道焊縫之間；

2）環(huán)向方向上，西側(cè)和北側(cè)破壞最嚴(yán)重，東側(cè)次之，南側(cè)最輕；從正東方向地腳螺栓逆時針方向到正南方向偏西第 2 個地腳螺栓，接近 3/4 個圓周都有肉眼可見嚴(yán)重破壞；

3）脫硫塔破壞主要特征是鋼筒壁受壓屈曲，大部分向外凸出，最大凸出約 8 cm，局部向內(nèi)凹陷，最大凹陷約 12 cm；

4）從下到上，第 2 道鋼箍局部已與筒壁脫開，焊縫破壞；

5）其他區(qū)域局部也有鋼板輕微凹陷或凸出的情況。

2.2 鋼材厚度檢測

依據(jù) GB/T 50621－2010《鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［2］，采用超聲測厚儀對鋼材厚度進行檢測。根據(jù) GB 709－2006《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》［3］的規(guī)定，該工程鋼板的尺寸偏差要求為 ±0.9 mm。所抽檢 21 處鋼材的厚度均滿足設(shè)計及規(guī)范要求，檢測結(jié)果如表1 所示。

2.3 鋼材力學(xué)性能檢測

現(xiàn)場取樣對鋼材力學(xué)性能進行檢測，其中 5# 樣品與 6# 樣品在塔底明顯變形處截取。根據(jù)委托方提供的資料，該工程采用的鋼材牌號為 Q235。根據(jù) GB/T 700－2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》［4］的規(guī)定，牌號 Q235 的鋼材，厚度≤16 mm 時，屈服強度≥235 N/mm2，抗拉強度范圍為370～500 N/mm2，斷后伸長率不小于 26 %；試樣方向為橫向時，冷彎試驗 180°彎心直徑應(yīng)為 1.5 倍鋼材厚度（21 mm）。所抽檢 6 件樣品的鋼材力學(xué)性能均滿足設(shè)計及規(guī)范要求。檢測結(jié)果如表2 所示。

表1 鋼材厚度檢測結(jié)果 mm

表2 鋼材力學(xué)性能檢測結(jié)果

2.4 焊縫外觀檢測

依據(jù) GB/T 50621－2010《鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，對焊縫外觀質(zhì)量進行檢測。檢測結(jié)果為焊縫均有不同程度的錯邊、焊瘤、表面不平整等狀況；局部環(huán)形箍與筒壁間焊縫有未滿焊、脫開、開裂狀況，檢測結(jié)果如表3 所示。

2.5 焊縫缺陷檢測

依據(jù) GB/T 50621－2010《鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 11345－2013《焊縫無損檢測超聲檢測技術(shù)、檢測等級和評定》［5］相關(guān)要求，對鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷進行超聲波探傷檢測。根據(jù)委托方提供的設(shè)計圖紙，該工程焊縫超聲波探傷 Ⅱ 級為合格。所抽檢 13 條焊縫的質(zhì)量等級均為 Ⅳ 級，均不滿足設(shè)計要求，檢測結(jié)果如表4 所示。

表3 焊縫外觀檢測

表4 焊縫缺陷檢測結(jié)果

2.6 構(gòu)件變形檢測

依據(jù) JGJ 8－2016《建筑變形測量規(guī)范》［6］，采用經(jīng)緯儀對結(jié)構(gòu)垂直度進行檢測。所測脫硫塔最大傾斜值為 H/289，所測剛架最大傾斜值為 H/483，所測細(xì)煙囪最大傾斜值為 H/214，所測粗煙囪最大傾斜值為 H/2140。該構(gòu)筑物鋼板變形嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)傾斜變形有可能繼續(xù)發(fā)展，不符合 GB 50144－2008《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》［7］安全性要求。檢測結(jié)果如表5 所示。

表5 結(jié)構(gòu)垂直度檢測結(jié)果 mm

3 結(jié)構(gòu)安全性鑒定

該脫硫塔受火以后，現(xiàn)狀如下所述。

1）底部大部分鋼筒壁已被壓屈，出現(xiàn)明顯變形破壞、結(jié)構(gòu)失效的情況；

2）塔身出現(xiàn)較大傾斜變形，且可能繼續(xù)發(fā)展；

3）局部環(huán)形箍與塔體已脫開，局部焊縫破壞；

4）焊縫內(nèi)部質(zhì)量現(xiàn)狀均未達到設(shè)計要求，焊縫缺陷較大；

5）焊縫外觀存在錯邊、焊瘤、表面不平整等狀況。

目前塔體結(jié)構(gòu)已失效，安全性不滿足規(guī)范 GB 50144－2008《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》要求，存在較大安全隱患。

4 結(jié)構(gòu)加固處理

4.1 脫硫塔結(jié)構(gòu)受力體系分析

脫硫塔的施工順序和結(jié)構(gòu)組成，影響圓形塔筒的受力特征，因此，掌握塔筒施工過程順序是必要的。經(jīng)與業(yè)主單位及施工單位溝通，塔筒的施工順序如下所述。

1）外側(cè)有支撐鋼框架結(jié)構(gòu)施工，施工至脫硫塔標(biāo)高；

2）在有支撐鋼框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部的直徑 5 000 mm 鋼塔筒施工；

3）濕式電除塵除霧器安裝，脫硫裝置荷載由外側(cè)格構(gòu)塔架承擔(dān)；

4）鋼塔筒底部的濕式電除塵除霧器裝置以上直徑 2 400 mm 細(xì)塔筒施工；

5）焊接直徑 5 000 mm 鋼塔筒的頂部與濕式電除塵除霧器的底部，連接成整體。

根據(jù)上述對塔筒施工過程和結(jié)構(gòu)組成的體系分析，可知，脫硫塔下方的鋼塔筒為自承重塔筒，故其鋼板的豎向應(yīng)力水平較低，豎向應(yīng)力為自重應(yīng)力。

4.2 脫硫塔加固方案

結(jié)構(gòu)加固設(shè)計強調(diào)概念設(shè)計，以構(gòu)造為主，計算為輔，火災(zāi)后結(jié)構(gòu)受損情況復(fù)雜，其計算模型、計算公式均應(yīng)視不同情況而定，且這方面的研究試驗資料較少。因此，計算理論的不成熟只有采取構(gòu)造措施來彌補。計算與構(gòu)造，兩者相輔相成。依照各部位受損傷的情況制定該脫硫塔加固方案。

4.2.1 底部壓屈鋼筒壁加固措施

對于底部鋼筒壁壓屈問題，采取在塔筒外側(cè)，沿塔筒周邊布置豎向加勁肋（100×10@490），沿直徑 5.0 m 脫硫塔周邊均勻布置 32 個，在柱腳錨栓之間，豎向肋高至第二道焊縫；在塔筒外側(cè)，沿塔筒高度方向水平加勁肋（100×5@600），至第二道焊縫。對變形較小的塔筒鋼板一般不割除；對變形較大的塔筒鋼板割除，采用對接焊縫（焊縫質(zhì)量等級一級）補同厚鋼板。新增加固用的鋼板材質(zhì)均為 Q345D。焊條型號 E50XX型。加勁肋示意圖如圖2 所示。

圖2 加勁肋示意圖（單位：mm）

4.2.2 塔身出現(xiàn)較大傾斜變形的不作特殊加固處理

考慮到塔體頂部的關(guān)鍵脫硫裝置的荷載由外側(cè)附加的有支撐鋼框架承擔(dān)，塔筒以自承重受力為主。待對結(jié)構(gòu)底部局部變形處理或加固后，既有脫硫塔身的傾斜對自承重結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響較小，故不對塔筒本身作傾斜加固處理。

4.2.3 環(huán)向鋼板箍局部焊縫加固措施

對于環(huán)向鋼板箍局部焊縫開裂問題，采取局部拆除此處環(huán)向鋼板箍，重新打磨原有焊縫，重新采用 Q345D 的同厚同寬鋼板焊接。

4.2.4 焊縫內(nèi)部質(zhì)量現(xiàn)狀均未達到設(shè)計要求加固措施

對于脫硫塔及濕電除塵除霧器殼體的水平環(huán)向焊縫質(zhì)量不合格問題，采取在塔筒鋼板焊縫處的雙側(cè)貼補 t=8 mm 厚鋼板，或單側(cè)貼 t=10 mm 厚環(huán)向鋼板，鋼板寬度均為 150 mm。新增鋼板與原塔筒鋼板采用連續(xù)角焊縫焊接。鋼板材質(zhì)同原結(jié)構(gòu)，塔筒壁單側(cè)或雙側(cè)新增環(huán)向箍版加固節(jié)點如圖3 所示。

圖3 塔筒壁新增環(huán)向箍版加固節(jié)點（單位：mm）

4.2.5 局部柱腳錨栓破壞的加固措施

對于已破壞的柱腳錨栓問題，采取直接拆除已破壞的錨栓及底板，在其相近位置采用無機植筋膠，增補錨栓 2M25（材質(zhì) Q345D）及底板 t=30 mm（Q345D）灌補償收縮灌漿料 C40，錨深 600 mm，并在錨栓之間增加設(shè)置豎向加勁肋板。新增加固用的鋼板材質(zhì)均為 Q345D，新增錨栓的加固節(jié)點如圖4 所示。加固用的錨栓的局部布置尺寸視現(xiàn)場尺寸條件情況，可適當(dāng)調(diào)整。

圖4 塔筒底新增錨栓節(jié)點詳圖（單位：mm）

4.2.6 局部防腐涂層破壞的修復(fù)措施

對于局部涂層損傷或破壞問題，采取重新手工打磨鋼板表面進行手工除銹，除銹等級 St2.5。打磨表面至金屬色，再重新涂防腐漆，漆膜厚度≥ 150μm。

4.3 脫硫塔加固施工順序

加固施工應(yīng)制定嚴(yán)格的施工順序和施工方案設(shè)計，具體加固施工順序及要求如下。

1）拆除濕式電除塵除霧器頂部的直徑2 400 mm 煙囪；

2）進行脫硫塔筒根部新增錨栓的加固施工；

3）進行脫硫塔筒底部豎向加勁肋的焊接施工；

4）進行脫硫塔筒底部水平加勁肋的焊接施工；

5）進行脫硫塔筒環(huán)向箍版的修復(fù)或補強施工；

6）重新安裝濕式電除塵除霧器頂部的直徑2 400 mm 煙囪；

7）防腐涂層的修復(fù)或噴涂施工。

5 結(jié) 語

根據(jù)對檢測結(jié)果的分析，對火災(zāi)后的某脫硫塔結(jié)構(gòu)的底部鋼筒壁外側(cè)采用新增豎向加勁肋及水平環(huán)向加勁肋，以解決壓屈變形問題；采取局部拆除開裂處環(huán)向鋼板箍，重新打磨原有焊縫，用同厚同寬鋼板焊接；對于殼體上焊縫內(nèi)部質(zhì)量現(xiàn)狀未達到設(shè)計要求的部位，采取在塔筒鋼板焊縫處雙側(cè)貼補或單側(cè)貼補鋼板；對于已破壞的柱腳錨栓問題，采取直接拆除已破壞的錨栓及底板，新增錨栓和底板；對于局部涂層損傷或破壞問題，采取重新手工打磨鋼板表面進行鋼板表面手工除銹，再重新涂防腐漆。本加固設(shè)計方案是基于業(yè)主單位及施工單位所述的結(jié)構(gòu)施工順序及結(jié)構(gòu)體系，滿足塔筒自承重的結(jié)構(gòu)受力特征，若實際施工狀態(tài)或節(jié)點構(gòu)造連接不符合上述要求，則本方案不適用，需另行對結(jié)構(gòu)加固設(shè)計。

火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)情況復(fù)雜，其檢測鑒定、加固設(shè)計及加固施工是一項系統(tǒng)工程，加固的施工質(zhì)量乃是加固成敗的關(guān)鍵。在施工期間，各方人員必須深入現(xiàn)場，對每個構(gòu)件的每道加固工序共同驗收及確認(rèn)，驗收合格后方可進行下道工序。另外，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)構(gòu)件實際燒傷狀況隨時調(diào)整和改進原加固設(shè)計構(gòu)造細(xì)節(jié)，確保結(jié)構(gòu)在使用期限內(nèi)的安全性、適用性及耐久性。