发电厂烟囱钢内筒液压同步顶升装置设计计算
2015-08-28黄志源王炳琴王炳莉
黄志源 王炳琴 王炳莉
（1.华电郑州机械设计研究院，河南 郑州450015；2.乐山职业技术学院，四川 乐山614000；3.华能日照电厂，山东 日照276826）
1 工程概况
贵州大方发电有限公司改造4×300MW机组烟囱工程,钢内筒高度为243m，内直径为φ6.8m。钢内筒采用自立式结构，钢内筒筒体材料采用钛钢复合钢板，厚度取6种，分别为20mm＋1.2mm厚、18mm＋1.2mm厚、16mm＋1.2mm厚、14mm＋1.2mm厚、12mm＋1.2mm厚 和10mm＋1.2mm厚。
钢内筒采用SQD型松卡式千斤顶液压提升设备，逐层倒装完成，钢板接长采用焊接接长（每段按2m安装，每段由3块板组成），焊缝连接采用CO2气体保护焊打底和手工电弧焊盖面内部采用氩弧焊焊接方案。
2 顶升装置的安装及工作原理
2.1 顶升装置的安装
贵州大方发电有限公司1#烟囱新建钢内筒6800mm，内筒使用12个顶升装置，额定起升重量960t，新建钢内筒起升总重量约767t。采用倒装法施工，顶上一节安装一节，与上部焊接后再顶升，以此完成243m的高度。钢内筒加工在烟囱0m地面上完成，包含卷板，喷砂刷漆，焊接，加强筋焊接，胀圈加工焊接等，避免了高空作业，在施工和操作过程中有很高的安全性。
设备提升架未就位前，将千斤顶安装在提升架顶部并将固定螺栓装齐。提升架安装沿着钢内筒直径8750mm，按12等分圆周分布，如图1所示。提升架由11根直径510mm*16mm的无缝钢管长度为9m，单独一根立柱5560mm座在相邻两根提升架中间的门梁上拼装组成，提升架底部与烟囱底部的预埋铁焊接牢固。提升架中有一根直径70mm（45#）的提升杆，用于提升托架，从而带动钢内筒的提升，每根提升架之间121*7的无缝钢管作为支撑。门梁为5530*20mm的钢板焊接成的箱型梁，门梁下作为进板的门洞，尺寸为4020*2920mm。门洞下装进板轨道，轨道由I20卷制成弧形，另一端与外筒壁的门口相连。
图1 顶升装置布置图
2.2 液压顶升装置的工作原理
SQD-1200-200SF型松卡式千斤顶的中心有一根直径70mm的提升杆，长度为9.85m。安装时先把上下夹头的松卡螺母逆时针向上调至顶端，这样上下夹头的工作状态处于送卡位置，上下夹头中的夹块在弹簧的作用下，向下把提升杆锁住。液压缸上升时，上下夹头都处于锁紧状态，夹块是放在锥套里的，向下液压越紧，向上松开。上夹头的夹块锁住提升杆，液压缸上升时提升杆带动夹块向下运动，越拉越紧，下夹头也是锁住提升杆的。但提升杆在液压缸上升时同步上升，下夹头的夹块受到一个向上的力自动松开，从而松开了提升杆，提升杆带动提升架上的托架，托架带动胀圈，胀圈与钢内筒是焊接在一起的，从而带动整个钢内筒向上提升。
SQD-1200-200SF型松卡式千斤顶，液压行程为200mm。但液压缸行至200mm时，液压缸受限而停止，下夹头在弹簧的作用下锁紧提升杆。这时可以让液压缸回程上下运动，下夹头受提升杆的重力和弹簧的作用，将提升杆锁住。提升杆不能向下运动，液压缸下降时，上夹头受到一个向上的力，夹块自动打开，松开提升杆，这样液压缸回到原位后，就可以接着下一个行程的工作。
3 顶升装置的设计与计算方法
已知钢内筒及附属结构总重为750t，即7500kN，考虑在顶升过程中出现各顶升支柱不均匀的情况，共12个支柱，仅考虑9个支柱承受7500kN的荷载，即N=7500kN/9=833kN。主要针对抱杆柱、柱间支撑、门洞横梁、涨圈梁、钢内筒提升耳板、提拉杆和提拉杆底部挡板焊缝进行计算整理。
3.1 抱杆柱
采用无缝钢管510*16，材质为Q345B。N=833kN，e=665mm，M=N*e=554kN·m，L0x=2*9100=18200mm，长细比λ=L0x/ix=18200/174.7=104≤150，满足要求。查附录[1]表C-2得，φx=0.529，βmx=1，N′Ex=π2EA/1.1λx2=5542kN。
依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第5.2.1条，弯矩作用平面内的强度计算如下：
N/An+Mx/γx W nx=833000/24831+554000000/1.15*2973550=195.5Mpa≤310Mpa。
依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第5.2.2条，弯矩作用平面内的稳定性计算如下：
N/φx A n+βm x M x/γx W 1x（1-0.8N/N′Ex）=833000/0.529*24831+1.0*554000000/1.15*2973550*0.812=262.9Mpa≤310Mpa。
稳定应力比为0.85。
3.2 柱间支撑
采用121*7的无缝钢管，材质为Q235B。
柱间支撑所在平面不是主受力面，柱间支撑按压杆设计，依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）表5.3.8可知，长细比不大于150即可。那么对于ZC-1有λ=lo/ix=3022/40.3=75≤150，对 于ZC-2有λ=lo/iy=2655/40.3=65.9≤150，满足要求。
图3 柱间支撑
3.3 门洞横梁
采用5530*20mm的钢板焊接成的箱型梁，截面为600×600×20，材质为Q235B。
已知=833kN，10=4.375m，得M=1/4（N*10）=911.1kN·m。
依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第4.1.1条，在主平面内受弯的实腹构件，其抗弯强度M x/（γx W x）≤f，M x=911.1kN·m，γx=1.05，W nx=8681.95cm3。
查表[1]3.4.1-1，抗弯强度f=205Mpa，6=M x/（γx W nx）=911.1*106/（1.05*8681.95*103）=100Mpa≤205Mpa。满足要求。
图4 门洞横梁
3.4 涨圈梁
截面为400×250×20，材质为Q235B。
已 知N=833kN，10=2.265m，得M=1/4（N*10）=471.7kN·m。
依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第4.1.1条，Mx/（γxWnx）≤f，Mx=471.7kN·m，γx=1.05，Wnx=2584.26 cm3，6=Mx/（γxWnx）=471.7*106/（1.05*2587.26*103）=173.6Mpa≤205Mpa。满足要求。
3.5 钢内筒提升耳板
20×520×520，材质为Q235B。
已知，两个提升拉杆支架有3块耳板均匀焊接于钢内筒，要求hf=14mm，那么he=14*0.7≈10mm，lw=520-2*14=492mm，N=833kN/3=277666N。
依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第7.1.3条，Τf=N/（he*lw）=277666/（10*492*2）=28.2Mpa≤160Mpa。满足要求。
3.6 提拉杆
截面为φ70，材质为45#钢。
45#钢的屈服强度fy=355Mpa，抗拉强度设计值可根据经验取f=fy/ΓR=355/1.111=319.5Mpa。那么单根提拉杆的抗力为319.5*π*（70*0.5）*2=1229kN。而钢内筒顶升时每根提拉杆的负荷为833kN≤1229kN。满足要求。
3.7 钢支柱顶部马镫计算
钢支柱截面为φ76*16，一个钢支柱顶有四根。
A=30.15cm2，i=2.19cm，λ=lo/i=430/21.9=19.6。依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第5.1.2条，φ=0.982，N=1000kN/4=250kN，Б=N/φA=250000/0.982*3015=82.92 Mpa≤215Mpa。
图5 钢支柱顶部马镫
3.8 钢支柱间支撑计算
已知钢支柱间横撑截面为T 300*150*12*12，依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）表5.3.8可知，横撑的长细比满足200即可。
λ=lo/i=2140/25.3=84.58≤200，满足要求。
同样对于钢支柱间斜撑截面为Ⅰ14，λx=lo/ix=4300/57.5=74.8≤200，λy=lo/iy=2150/17.3=124.3≤200，满足要求。
4 结论
根据设计计算的结果，对烟囱顶升装置进行制作和安装，并正确配置液压千斤顶，烟囱顶升工作进展顺利，这说明该设计计算和校核方法能充分地满足施工条件和要求，该计算方法广泛适用于发电厂烟囱脱硫改造中钢内筒吊装装置的设计。
［1］江明，缪谦.液压多点同步提升技术在烟囱钢内筒施工中的应用［J］.施工技术，2008（2）.
［2］江明，郭玉莹.烟囱钢内筒施工的液压提升法［J］.电力建设，2006（6）.
