倒裝法更換鋼制煙囪施工工藝

趙興武，于建華，王 軍，鐘 博，胡昊鵬

中國石油天然氣第七建設有限公司，山東青島 266300

在石油化工改擴建工程中，涉及煙囪、排放筒更換施工相對較少。以往施工中，此類工程多采用大型吊車吊裝、卷揚機吊裝等施工方法，存在高處作業(yè)多、施工周期長、施工成本高、準備工作繁瑣等一些不利因素。本文結合某石化公司硫磺回收裝置中一座80 m鋼制煙囪更換施工，介紹了一種煙囪拆除、安裝的倒裝施工工藝，可以減少高處作業(yè)，無需大型吊車，對作業(yè)面要求較低，節(jié)約施工成本。

1 工程概況

2020年7月，某石化公司實施煉油廠檢修技改工程，工期為一個月。其中，包括對一套硫磺回收裝置進行技術改造，涉及一座鋼制煙囪更換施工，將原有Q235B材質煙囪（見圖1）拆除，更換為一座S30408材質煙囪，煙囪塔架保持不變。煙囪規(guī)格為D1000/600 mm×80 m，鋼板厚度δ為10 mm/8 mm，金屬質量13 t，保溫、襯里等非金屬質量 3.8 t。

圖1 待更換煙囪

2 施工準備

2.1 作業(yè)面準備

2.1.1 清理施工作業(yè)現場

清除臨時堆放的施工用料、多余的施工機具等，留出暢通的作業(yè)面，并在作業(yè)點周圍拉設警戒線，與施工無關人員不得入內，并派專人監(jiān)護。

2.1.2 煙囪隔離

斷開與煙囪連接的所有管道、電氣、儀表等線路，將影響煙囪拆除的接管、儀表設備全部拆除。

2.1.3 煙囪清污

打開煙囪筒體底部人孔，清除筒體內殘留積液、污垢等，以防止后續(xù)動火作業(yè)發(fā)生燃燒、爆炸等危險。

2.2 人員準備

對施工人員進行安全培訓、施工技術交底。特種作業(yè)人員要求持證上崗，并進行崗前考核，合格后方可上崗作業(yè)。本煙囪更換施工設總指揮一名，全面負責施工過程中的指揮協(xié)調工作。

2.3 材料準備

2.3.1 工程用料

因現場焊接作業(yè)條件受限，煙囪筒體焊接成型與工廠化預制產品差距較大，所以項目部沒有采用現場預制鋼板，而是采購了鋼管廠家成品鋼管。每段鋼管定尺長度5～6 m，共15段，一端開60°坡口，現場只進行環(huán)焊縫焊接，可以較好地保證煙囪成型質量。

2.3.2 手段用料

制做吊裝工裝一套。準備手段用料型鋼：HW200mm×200mm，長50m，HW150mm×150mm，長10 m。準備鋼板：δ=20 mm，材質Q235B，面積1 m2（柱腳板）；δ=12 mm，材質Q245R，面積3 m2（吊耳）。

2.4 施工機具準備

25t吊車1臺，10t電動倒鏈4臺（行程5.6m），2 t手動倒鏈4臺[1]，10 t卡扣4只，2 t卡扣4只，2 t鋼絲繩2對，電焊機2套，割炬1套。

2.5 提升工裝制做

根據型鋼性能[2]，選用HW200 mm×200 mm型鋼作為立柱、橫梁，制作一套煙囪提升工裝。工裝規(guī)格為2 m×2 m×8 m長方體構架，4個柱腳焊接于400 mm×400 mm×20 mm柱腳板上，在工裝頂部4根橫梁中間位置各焊一只10 t吊耳。將煙囪筒體定位在提升工裝中間，如圖2所示。

圖2 煙囪吊裝工裝

2.6 吊耳設計

2.6.1 板式吊耳強度校核[3]

以該規(guī)格吊耳吊裝最大重量的主吊吊耳為例進行核算，吊耳形狀如圖3所示。

圖3 吊耳形狀

吊耳為4個板式吊耳，δ=12 mm，材質為Q245R，許用應力[σ]=127 MPa；煙囪總質量m=16.8 t，根據規(guī)范要求，吊耳設計系數取K1=1.5，吊耳向心設置，倒鏈與豎直方向最大夾角為24°；單個吊耳受力方向承受載荷為P1=Gj/4=K1·m·9.8/4=61.74（kN）；倒鏈方向承受載荷為P2=P1/cos24°=67.846（kN）。

吊耳受力面積A=（2R-φ）δ，式中：R為吊耳外圓半徑，取50 mm；φ為吊耳孔直徑，取50 mm；δ為吊耳板厚度，取12 mm；A=6 cm2。

吊耳孔截面拉應力 σ=P1/A=103 MPa＜[σ]（127 MPa），吊耳強度滿足要求。

2.6.2 板式吊耳焊縫強度校核[4]

焊縫厚度a=K+P=12 mm+6 mm=18 mm；焊縫正應力 τ=P1/al=18 MPa≤[σ]（412 MPa），吊耳板焊縫強度滿足要求。

結論：板式吊耳（δ=12 mm） 滿足設計要求，采用該規(guī)格吊耳可行。

2.7 電動倒鏈控制柜設置

本工程由4臺10 t電動倒鏈作為主提升工具，現場設手動控制柜1臺。控制柜安裝在便于觀察倒鏈運行狀態(tài)、視線良好的位置。每臺倒鏈由單獨一個開關控制，4臺倒鏈設置一個總開關，用獨立開關調整倒鏈初始拉力，總開關控制倒鏈運行。這樣可以保證倒鏈運行同步，如果過程中出現異常情況，也可以立即切斷電源，同時停止4臺倒鏈動作。

3 主要施工方法

因煙囪筒體與各層塔架平臺板間隙為1～2 cm，可將各層塔架平臺板看作導向支架，利用安裝在地面上的一套提升工裝，采用倒裝施工法將煙囪逐段拆除/安裝，完成更換施工。

3.1 舊煙囪拆除

3.1.1 流程

舊煙囪拆除流程見圖4。

圖4 舊煙囪拆除流程

3.1.2 施工步驟

（1）吊耳焊接。在距煙囪底部5 m處，沿圓周均布、焊接4只10 t吊耳，每只吊耳位置與工裝橫梁吊耳相對應，此4只吊耳為煙囪提升主吊耳。在距煙囪底部4 m處對稱焊接2只2 t吊耳，此2只吊耳為下段筒體拆除用吊耳。

（2）施加預拉力。在工裝橫梁上各安裝1臺10 t電動倒鏈，下端分別掛在煙囪筒體的4只主吊耳上。倒鏈上行行程保留約500 mm，通電張緊倒鏈，每臺倒鏈施加預拉力約20 kN。

（3）煙囪底部切割。在距煙囪地腳螺栓頂部約50 mm處沿圓周劃線，用氣焊割把將煙囪割斷。注意采用分段切割，防止煙囪筒體應力突然釋放造成人員受傷。

（4）煙囪提升。4臺倒鏈緩慢均勻施加拉力，將煙囪筒體提升20 mm，靜置10 min[5]，同時檢查倒鏈、工裝、煙囪塔架等有無異常。確認工況正常后繼續(xù)提升200 mm，在空隙處插入H150 mm×150 mm型鋼2根，作為煙囪后續(xù)施工底座。

（5） 第1段筒體切割拆除（見圖5）。把提前安裝好的2臺2 t倒鏈掛在下段筒體吊耳上，并把倒鏈張緊。在主吊耳下方200 mm處劃線，用氣割將煙囪底部第1段割斷，用2 t倒鏈與吊車配合，將此段筒體拆除運至指定地點，完成第1段煙囪筒體切割。

圖5 煙囪底部筒體切割拆除

（6） 煙囪下放（見圖6）。同步緩慢下放4臺10 t倒鏈，派專人操作控制柜。同時，煙囪塔架各層平臺派專人監(jiān)護，觀察有無卡塞現象，如無異常，直接將煙囪下放到底部放置的型鋼上，摘除倒鏈掛鉤。

圖6 拆除底部筒體后煙囪下放

（7）后續(xù)拆除施工。按上述方法繼續(xù)焊接吊耳、煙囪提升、下段筒體拆除、煙囪下放……，循環(huán)施工，直至將整座煙囪拆除完成。

3.2 新建煙囪安裝

3.2.1 安裝流程

新建煙囪安裝流程見圖7。

圖7 新建煙囪安裝流程

3.2.2 施工步驟

（1）煙囪基礎處理。鑿除煙囪基礎上的二次灌漿層，并清掃干凈。在基礎上放置2根H200 mm×200 mm型鋼，型鋼上表面高出地腳螺栓5 cm。

（2） 新建煙囪分15段到貨，每一段為長度5～6 m的成品筒體，下端開60°坡口。

（3）新建煙囪安裝同樣采用倒裝法，從頂部第1段筒體開始安裝。在距筒體頂部、底部200 mm處各對稱焊接2只吊耳，先用吊車將其吊裝至煙囪基礎旁，利用安裝在煙囪塔架、提升工裝上的倒鏈相互配合，將第一段筒體移至基礎中心位置（見圖8），再利用工裝提升至6 m高度。

圖8 煙囪頂部第1段筒體就位

（4）用上述方法將頂部第2段筒體移至基礎中心位置上，再將頂部第1段筒體緩慢下落，完成兩段筒體間環(huán)焊縫組對、焊接，見圖9。

圖9 煙囪頂部第二段筒體就位、組焊

（5） 將提升倒鏈移至第2段筒體底部吊耳處，再將兩段筒體整體提升6 m。

（6）用上述相同方法，完成后續(xù)所有筒體安裝、焊接、提升。

（7）完成煙囪底座組對、焊接后，將煙囪提升100 mm；撤出基礎上的H200 mm×200 mm型鋼，按規(guī)范要求安裝墊鐵，并將煙囪下落至墊鐵上；調整煙囪垂直度；基礎灌漿；完成新建煙囪安裝。

4 注意事項

（1）要保證煙囪在工裝的中心位置，且倒鏈與煙囪筒體夾角保持一致，這樣煙囪提升/下放過程平穩(wěn)，不會發(fā)生左右偏移現象。

（2）舊煙囪拆除作業(yè)時，開始先使用4臺10 t倒鏈配合下放拆除。當煙囪拆除至40 m以下時，因重量減輕，可用對稱2臺10 t倒鏈配合，即可完成煙囪拆除作業(yè)。

（3）新煙囪安裝作業(yè)時，開始先使用2臺10 t倒鏈配合提升。當煙囪安裝超過50 m后，采用4臺10 t倒鏈提升。

（4）舊煙囪拆除作業(yè)時，當煙囪拆除至30 m時，因導向平臺板支撐減少，如不增加限位措施，煙囪筒體會出現較大幅度擺動。所以，要提前在煙囪上端焊接1只吊耳，并在上層平臺梁上安裝1臺2 t倒鏈，在煙囪頂部施加適當拉力，使煙囪下放過程始保持平穩(wěn)狀態(tài)。

（5）新煙囪安裝作業(yè)時，在前30 m煙囪提升過程中，因上部缺少導向支撐，需要在筒體頂部吊耳上安裝2臺倒鏈，施加適當拉力，防止筒體傾倒。

5 施工效果

（1） 本項工程給定工期為20 d。采用上述施工方法后，實際工裝制做安裝3d，舊煙囪拆除4d，新建煙囪安裝焊接5 d，實際總工期12 d，遠小于20 d給定工期。

（2）采用倒裝法更換施工不需要對煙囪塔架進行改動，不需要使用大型吊車，節(jié)約此項施工費用約30萬元。

（3）倒裝法施工作業(yè)條件好，施工質量受控。

（4）采用倒裝法對煙囪進行更換，可減少大量腳手架搭設、焊接等高處作業(yè)，降低安全風險。

（5）倒裝法施工對作業(yè)面要求低，適合在裝置區(qū)內等場地受限環(huán)境下施工。

6 結束語

通過本工程施工，可以發(fā)現類似鋼制煙囪、排放筒等設備更換采用倒裝法可以大大降低安全風險、縮短施工周期、減少施工費用，同時因作業(yè)條件較好，施工質量也容易保證。倒裝法是一種較為理想的鋼制煙囪更換施工方法。