大型火电厂悬挂式钢内筒膨胀节和焊缝设计探讨

黄友强 王林宝

提要：本文给出悬挂式钢内筒烟囱膨胀节的设计方法，并对两种膨胀节作法进行对比分析，提出推荐意见；同时，对钛钢复合板的拼接作法提出推荐意见。供有关工程技术人员参考。

关键词：钢内筒，膨胀节，竖向变形，水平相对错位变形，焊缝

1. 工程概况

华电国际山东某电厂一期2x1000MW机组工程，采用一座双管式烟囱，烟气采用石灰石湿法脱硫，不设GGH烟气加热系统。烟囱高度240m，每台炉分别设置一个排烟筒，出口内径7.5m，外筒壁采用钢筋混凝土结构，内筒采用钛钢复合板结构，为分段悬挂式，于标高77.0m、137.0m、197.0m处共设置3个膨胀节。

烟囱烟气采用石灰石湿法脱硫处理，当不设GGH烟气加热系统时，脱硫后排入烟囱的烟气温度一般在40℃~50℃，湿度很大处于饱和状态，容易出现结露现象，结露后形成腐蚀性的液滴，沿内筒内壁流下，对内排烟筒造成腐蚀。

2. 钢内筒膨胀节设计

烟囱的膨胀节的设计，主要考虑两个方面因素：在自重、温度等荷载作用下，膨胀节处钢内筒应能自由变形，避免上段和下段钢内筒挤压碰撞；在地震、风等水平荷载作用，膨胀节上下端将横向相对错位，要保证内筒气密性，不能导致膨胀节出现开裂渗漏。

(1)温度荷载作用下，钢内筒竖向变形分析

本工程夏季极端最高气温Tmax=38.9℃，冬季极端最低气温Tmin=-17.0℃，事故状态下烟气最高温度T1=111.0℃，正常运行时的烟气温度T2=49.22℃，烟囱施工期间筒壁的平均温度T3=20℃。

夏季内外筒夹层温度：Ts= Tmax+15℃=38.9++15=53.9℃

冬季内外筒夹层温度：Tw= Tmax+30℃=-17+30=13.0℃

根据《烟囱设计规范》（GB50051—2002），按平壁法求得:

夏季事故状态下内筒钢板温度T=110.2℃

冬季正常运行状态下内筒钢板温度T=48.73℃

则烟囱钢内筒膨胀量：

夏季△u1=αS•(T-T3) •L=1.2x10-5x(110.2-20)x60=0.076m

冬季△u2=αS•(T-T3) •L=1.2x10-5x(48.73-20)x60=0.024m

(2)自重作用下，钢内筒竖向变形分析

钢内筒自重标准值pk=26.0 Kn/m长度L=60m净截面积A=0.1887m2

單位自重变形△x=△pk / (ES•A) •x

自重变形X=∫0L△x• dx=∫06000026/ (206000•188700)•600002=1.2mm

(3)地震、风荷载作用下，钢内筒水平相对错位变形分析

采用烟囱计算程序《Multi—flue Chimney V4.0》，结果如下：

烟囱水平变形和膨胀节水平相对错位变形

膨胀节标高位置（m） 77.0 137.0 197.0

烟囱最大变形（m） 0.276 0.783 1.487

膨胀节水平错位变形(m) 0.042 0.021 0.023

(4)烟囱膨胀节作法

作法一，在《大型火电厂悬挂式钢内筒设计研究》（特种结构，2008（2））中，给出以下作法：烟囱上下段内筒采用8mm厚改性硅橡胶带内侧包1.2mm厚钛板封闭，该封闭材料位于钢内筒内部，然后外面再以弹性密封膏填充。

此方案伸缩节钛板需压制成定形尺寸，外部粘贴耐酸耐热改性硅橡胶带，膨胀节一般先进行1~1.5m分片，再进行现场拼接焊接组装。根据对部分工程的调研，现场反映钛板现场焊接拼接易发 生质量问题，安装过程中径向晃动易出现撕裂情况，伸缩节安装、更换需在内筒内部设置升降平台，进入内筒内部施工，施工条件恶劣，施工难度大，难于操作。膨胀节由钛钢复合板厂配套供货，费用约为7万元/个。

作法二，本工程采用以下作法：烟囱上下段内筒采用耐酸耐高温氟橡胶封闭，该封闭材料位于钢内筒外部。

耐酸耐高温氟橡胶的性能参数如下：

①使用温度能够满足-30℃~250℃；

②在烟囱烟气的腐蚀环境下使用年限达到15年；

③具有良好的密封性能，在烟气作用下不发生渗漏；

④具有良好的化学稳定性，氟橡胶含氟量不小于70%；

⑤扯断伸长率不小于150%；抗撕裂强度不小于5kN/m.

此作法可于内筒外部各层烟囱平台上施工，便于安装、检修。膨胀节由厂家供货，通常有两种方式：

① 在工厂整体加工，一次成型，费用相对较高，约为30万元/个。

② 在工厂分段加工，现场组装，费用约为12万元/个。

3. 钛钢板拼接焊缝选型

钛和钢熔焊的焊缝会产生脆裂，钛在熔焊时时应避免与钢融合，且应严格检查焊点，避免漏焊等情况的发生，焊接质量直接关系到钢内筒的耐腐蚀效果。

《钛及钛合金复合钢板焊接技术要求》（GB/T13149-2009）给出了以下两种焊接接头型式：

焊缝一：为《钛及钛合金复合钢板焊接技术要求》（GB/T13149-2009）表1之类别I。

焊缝二：为《钛及钛合金复合钢板焊接技术要求》（GB/T13149-2009）表1之类别III。

焊缝一，钢基对接板焊接时，施工工艺控制不当，形成的高温易造成钛复层的氧化剖坏，且易造成钛与钢相熔焊，对施工工艺控制要求高，焊接质量控制要求高。

焊缝二，焊缝处钛复层相对于基板每边内缩15mm，在焊缝处增设钛填条，表面再设钛盖板与两侧焊接。按此作法，进行基板焊接时，可避免对钛复层造成高温氧化破坏，但相对于焊缝一，增加了一道钛填条的施工工作量。根据调研，部分工程在现场施工过程中，为方便施工，取消了钛填条。钛填条取消后，将在焊缝相应位置处形成空腔，若钛复层漏焊或焊缝损伤，易出现酸液沿空腔渗流造成基板沿焊缝腐蚀，在内筒外表面设有保温，此种类型腐蚀均不易被发现，易产生安全隐患。

4. 结论

通过以上分析，得出以下几点结论：

(1)膨胀节设计过程中，温度变化引起的竖向变形起控制作用，自重引起的竖向变形很小，可以忽

略。对膨胀节的作法，推荐采用作法二之现场组装方式，此作法费用适中，施工简单易行，方

便后期检查维护。

(2)钛钢板的拼接作法，建议采用作法二。不宜取消钛填条，或对取消填条后的空腔采用玻璃胶填

充等特殊处理，避免万一钛面板焊缝出现问题，酸液沿空腔渗流造成内筒钢板腐蚀。

鉴于笔者水平有限，文中难免有考虑不道之处，本文旨在共享工程设计中的经验，为今后类似工程提供借鉴参考。

参考文献

1. 《大型火电厂悬挂式钢内筒设计研究》（特种结构，2008（2））

2. 《烟囱设计规范》（GB 50051-2002）

3. 《钛制焊接容器》（JB/T4745-2002）

4. 《钛及钛合金复合钢板焊接技术要求》（GB/T13149-2009）