各种工业烟囱结构性检测鉴定案例

工业烟囱综合检测技术探讨
工业烟囱综合检测技术探讨
赵智勇  余加坤
摘  要：对于工业厂区内的各种形式的烟囱进行普查检测鉴定，针对初步检测损伤严重进行进一步的详查，必要时可抽样破损检测对非破损进行复核，通过对各结构构件材料的实验及分析，明确烟囱各部位的受损程度，为专项整治提供科学依据，以便于适时采取相应的处理措施。
关键词：工业烟囱  检测技术
 
1  前言
在重工业冶炼工厂里，多数烟囱使用三、四十年后，会出现开裂、老化破坏等现象。但因烟囱服役年限过长，原始地质资料和设计图纸多半都已残缺不全或完全遗失。如想恢复它的使用就得考虑如何进行烟囱的检查和技术鉴定。因此，对这些老烟囱进行检查鉴定是十分必要的，它关系到烟囱治理方案的选择和加固设计依据是否充分合理。
为此，对于此类烟囱，要根据其建造年代、筒身尺寸、基础尺寸、外壁损失情况、碳化深度、混凝土强度（部位），倾斜、地质情况（地下水）、内衬腐蚀程度、排放介质和作业现场差异，以及在全厂中的比重和所需工期的长短、资金筹备等情况，进行综合评价，拟定加固设计方案。在本文也是针对以上几个方面浅谈烟囱的检测技术，要对烟囱的原始地质资料和设计图纸进行调查以及现场使用情况的调研；其次，要对烟囱的表观质量、倾斜变形、混凝土强度等进行检测鉴定。
 
2  检测内容
目前，多数工业烟囱主要为混凝土和钢结构的形式，混凝土烟囱损坏的表现形式为筒壁表面剥落、裂缝、露筋等，钢结构烟囱损坏表现形式为烧损、变形、锈蚀等，本方案按以上两种类别进行分类编制。具体检测流程图如下：


3  烟囱综合检测
 


 
文章曾在宝冶《工程技术与管理》2008年1月刊发表。
无论对于混凝土烟囱还是钢烟囱而言，现场的调查研究与非破损检测都是采集设计所需数据的
主要途径，现将二者的技术参数列于下表做以对比：
表1  混凝土烟囱和钢烟囱的检测技术参数对比如下
序号
混凝土烟囱
钢烟囱
1
结构损伤检测
外观缺陷
蜂窝、露筋、孔洞、
夹渣、疏松、连接部位缺陷等
构件损伤检测
钢材的涂装与锈蚀
 
内部缺陷
二次浇筑形成的施工缝与加固修补结合面的质量等
构（杆）件
变形
弯曲变形及凹凸变形、鼓包等
构件裂缝
裂缝表面特征及深度
裂缝
必要时用渗透法复测
筒壁内外侧的碳化深度
钻芯后酚酞滴定法
连接变形
及损伤
 
保护层厚度
钢筋探测法
 
 
钢筋锈蚀
钢筋锈蚀仪测得
 
 
2
力学性能检测
混凝土强度
钻芯取样法
力学性能检测
抗拉强度
 
钢筋强度
里氏硬度法
伸长率
 
 
 
冷弯
 
 
 
冲击功
 
3
烟囱排放物介质成份
4
使用的风荷载
5
基础的倾斜
6
烟囱的垂直度
7
烟囱的振幅
8
地震参数
9
场地及使用环境类别
10
日照产生烟囱阳面和阴面的温度差
11
冬季温度
12
期望继续使用年限
3.1  混凝土烟囱检测
3.1.1  表观质量检测
针对宝钢厂区30多个烟囱普查的现状，拟采用高清晰的天文望远镜进行观测烟囱的表观质量，如：筒壁表面剥落、腐蚀、裂缝、孔洞、露筋、钢筋锈蚀等外观缺陷，并用数码相机进行图像记录，针对外观损坏部位严重的再进行复测。
此系列望远镜为级折射式望远镜，主要用于高精度的观测。其主镜筒由数字控制的步进马达驱动，在设定的位置，轴望远镜可做±1°微调。立柱上装有电控箱及控制手柄，预留的不同接口可与其它设备如计算机跟踪系统、CCD摄像机、图像处理系统、光栅光谱仪等联接。 主要配置为：主镜目镜（31.7mm） PL40，长出瞳、大视场能保证使用者长观察的舒适性，双轴电动跟踪，带手控器，方便操作。精度技术参数为：N=3，Δm=0.3 达到瑞利，度锐利，能够满足200m以内观测到1mm以内裂缝的要求。
3.1.2  温度场测量
对于工业烟囱而言，耐材的缺损对烟囱的影响很大，长期的局部缺损会对内壁混凝土产生较大的强度影响，原则上可以通过温度的差异来定位内衬的密封性。另外，针对现场测温记录绘制烟囱在不同的气象、时段条件下，烟囱的温度变化曲线，可根据温度变化综合分析烟囱损坏原因。
在宝钢厂区里，各烟囱内部烟气温度不等，同一烟囱在不同的生产条件下，烟囱内部温度也不同，因此，烟囱内衬受温度影响较大，在各种使用情况下，对其进行温度场观测是十分必要的。
本方案测温欲采用NEC系列红外热像仪，此红外热像仪经过几十年的发展，已经发展成为非常轻便的现场测试设备。由于烟囱现场测试往往产生的温度场差异不大和现场环境复杂等因素，这就要求热像仪必须具备320×240像素、分辨率小于0.1℃、空间分辨率小、具备红外图像和可见光图像合成功能等。因此，本次选用TH7700SP型号热像仪，此红外热成像技术能够进行非接触式的、高分辨率的温度成像，能够生成高质量的图像，可提供测量目标的众多信息，测温范围为－20℃～800℃（可延伸到1500℃），温度分辨率可达到0.03℃，可用于检查烟囱外壁的剥落、空鼓、孔洞、裂缝等，测量精度可达到200m外观测，温度误差在1℃以内。
在进行温度观测时，应考虑周边环境对温度场的影响，可用风速气象测量仪进行周边环境记录，测量范围为：即时风速、较大风速、平均风速、相对湿度、露点温度、风能密度、温度（℃、℉）、风寒指标、风热指数、大气压、干湿球温度、空气密度等指标。
通过对烟囱工作状态下温度场分布图的绘制，当发现采用普通混凝土结构部位温度**100℃的情况要对混凝土加强检查，当局部温度大于300℃时可判断影响普通混凝土的使用。必要时钻取芯样，判断是否为保温层损坏等情况，评估混凝土结构的整体性能。
3.1.3  变形检测
（1）基础沉降监测
在烟囱四周均匀布设6个基准点，通过对地基基础的沉降观测可及时掌握沉降大小及其变化规律，每点反复测量3次，取其平均值作为监测初始值。以后每月测量一次，精度要求不应±0.1㎜，检测6个月为一个周期，再将每次的监测值与原始的设计值比较，及时分析监测数据，绘制变化曲线，分析变化速率和变化累计值，对基础沉降原因做出分析判断。此项检测可做为一项长期监测项目，以便监控烟囱变形，在过设计规范要求时，可采取适当的措施进行处理。
（2）烟囱垂直度检测
因烟囱属园台形构筑物，所以对烟囱进行垂直度测量时至少要在正交的两个方向进行测量。测量步骤和方法：
①先将经纬仪调平后，用十字丝瞄准烟囱上想测量其有没有偏的筒壁上较左侧的某点，锁定垂直角度，将水平角度归零，转动水平角，使十字比对准烟囱同一标高上筒壁上较右侧的点，读出并记下水平角度。
②取其角度的一半（即分中），转动镜头使水平角度为一半时，锁定水平角度，松开垂直角度，将镜头下移对准烟囱根部，用红铅笔划上记号，找出中轴线2。
③再在烟囱下部取点，重复1、2步，分中划线，找出中轴线1，两线如重合，证明烟囱没偏。两线间的距离即为烟囱的偏移误差（△L）。
④同理，再取大致垂直刚才的角度，重复1～3步，即可知道烟囱某段有没有偏。




图1  烟囱垂直度检测示意图


（3）烟囱振幅监测
烟囱在风荷载的作用下，烟囱部受风荷载作用而摆动，可在烟囱部纵横方向上安装两台棱镜，棱镜在安装过程中，考虑到受风、雨等自然影响，可预先在烟囱部钻两个Φ30㎜的孔洞，将棱镜的支架放入孔洞内，再用灌浆料将支架固定住。在地面上选择好的视角安装徕卡TCA2003全自动全站仪（测量机器人）利用动态平衡点监测程序，采样频率3Hz，采样精度1mm，可实现24小时高精度自动监测工作目标，科学直观地实时反映监测点的变形情况。
利用此种联机监测软件及*特的ATR技术，测量精度高，可实现毫米级空间点的三维监测，其望远镜不需要人工聚焦或精确照准目标，测量的速度将会得到非常明显的增加，其精度不会依赖于观测员的水平，基本上保持常数。而且，通过对控制点的控制和定期复测，保证了监测系统的。其次，通过软件的控制和数据分析，利用实时差分改正技术，较大化地消除了外界气象条件等引起的误差，达到高精度实时显现各监测点的变形趋势。
3.1.4  筒壁混凝土力学性能检测
对于表观质量损坏严重的烟囱，其混凝土材料强度宜采用回弹法非破损的方式进行检测，若检测条件与相应测强曲线的适用条件有较大差异时，应钻取混凝土芯样进行修正。在钻芯时，钻芯位置应同时避开钢筋及牛腿，用钢筋探测仪确定烟囱筒壁布筋情况，另外，需钻具有代表性的芯样，如取有贯穿裂缝的芯样等。在进行芯样抗压强度实验之前，筒壁的内外碳化深度可以利用钻穿的芯样进行测试。
3.1.5  其它性能检测
（1）钢筋保护层厚度检测：在对表观质量损坏严重的烟囱进行复测时，可利用PS200Ferroscan钢筋扫描仪对钢筋的分布、直径、保护层厚度进行探测。
（2）钢筋锈蚀检测：可利用钢筋锈蚀仪对钢筋的锈蚀程度进行检测。
（3）钢筋强度检测：为检测混凝土中钢筋的强度，此时可以采用表面硬度法近似推断钢筋的强度，其方法主要是根据金属材料的强度地与其硬度存在一定的相关性的原理建立起来的一种非破损检测方法。在试件处理时，用便携式切割机小心切割混凝土并撬开钢筋保护层，长约100mm，再用便携式角向磨光机将钢筋表面打磨平整并抛光，尽量避免使被测钢筋受到强烈振动，同时使钢筋的裸露截面小于三分之一，以使混凝土对钢筋仍保持足够的约束力。进行里氏硬度测量时，沿钢筋中轴线，用里氏硬度计测量钢筋的里氏硬度值，取五次测试数据的平均值为试件的试验结果，注意使两测点的间距≥3mm。
（4）烟气排放物成份调查：对各烟囱排放物的介质成份进行调查，可通过现场点检的排放物记录手册中查找。调查其生产工艺，对烟气中SO2浓度的进行测量，判断现有构造的防腐蚀能力；通过整体检查后，对有怀疑的部位钻取芯，检查各构造层材料的性能，腐蚀情况，砌筑体的密实程度，尤其砌块缝隙胶泥的饱和程度，并进行性能评估。当烟气温度150℃时，内衬材料腐蚀与烟气中含有的SO2浓度有关，并且和生产工艺也密切相关。
当烟气中SO2含量大于1000ppm（燃煤含硫量大于1.5%）时，烟气属于中等以上腐蚀，内衬应使用耐酸砌块和耐酸混凝土胶泥；
当烟气中SO2含量大于500ppm（燃煤含硫量大于0.75%）小于1000ppm时，烟气属于中等以下腐蚀，内衬应使用耐酸陶土砖、漂珠陶土砖、粘土耐火砖及漂珠轻质耐火砖和耐酸胶泥砌筑；
（5）环境类别调查：在对烟囱评定必须对其结构使用环境进行详细调查和检测，调查内容主要为该区域的气象条件和建筑物周边的工作环境两个层次。包括日照产生的烟囱阳面与阴面的温度差及冬季温度，这两个温度指标均可通过生产单位的记录手册中查得，或者按照所在地区的气象部门的历史资料进行取值，由其历年来的发展规律进行预测。
3.2  钢烟囱检测
3.2.1  表观质量检测
用观测混凝土烟囱的方法对钢烟囱进行检测，钢烟囱表观损伤包括：钢材涂装与锈蚀、构（杆）件变形、裂缝、鼓包、连接的变形及损伤等。钢烟囱的温度场检测、温度场检测方法同混凝土烟囱检测。
3.2.2  结构损伤检测
在表观质量检查时，应检查牛腿、焊缝、节点处的裂缝情况，当有怀疑时，用渗透法复查。对于焊接连接，应检查连接板变形损伤、锈蚀损伤、焊缝开裂损伤等；对于螺栓（铆钉）连接，应检查连接板滑移变形、螺栓松动断裂和脱落；对于高强螺栓连接，还应检查螺栓终拧标志。螺栓松动断裂可采用锤击的方法检查；对于高强螺栓连接，可以采用放松—重新紧固法评估螺栓拉力水平，必要时，可以进行再生螺栓检验。
3.2.3  其它性能检测
钢烟囱的烟气排放物介质成份及环境类别调查方法同混凝土烟囱检测方法，如有需要，在不危及结构和正常使用的条件下，可以采用微破损法进行检测，即在已有结构构件上切取试样，应保证所取试样具有代表性，所切取试样的原始自然状态避免受到扰动，防止塑性变形、硬化等作用改变其性能。
 
4  烟囱综合评定分析
4.1  评定要点
（1）在使用历史上出现下列问题时，应复测：
a、烟气性质发生变化、温度和排放速度不符合设计要求；
b、烟囱爆炸、积灰中出现杂物；
c、积灰潮湿；
d、烟囱附近进行爆破、打桩等产生振动冲击的作业；
e、烟气的二次燃烧。
（2）地基基础应着重检查侵水沉陷、腐蚀和烧损情况，当有地下烟道时尚应检查基础及筒身根部的温度、开裂及蚀损。
（3）筒身和内衬（包括隔热层）应根据使用历史调查和检查结果，对其完好程度和工作性能做出判断，再决定是否对其复测。
（4）囱帽应着重检查疏松破损情况。
（5）附属设施（包括爬梯、避雷接地设施、航空标志及各种平台）应着重检查锚固、连接变形和锈蚀情况。
4.2  评定结论
对于现场烟囱设计要求的数据采集资料，采用文字、照片等方法记录烟囱和主要构件的损坏部位、范围和程度。其结构材料力学性能的检测项目，应根据结构承载力验算的需要确定，必要时应根据烟囱的结构特点，建立验算模型，按其结构材料力学性能和使用荷载的实际状况，根据现行规范验算结构的储备。依据验算的结果，分析烟囱损坏的原因，综合判断烟囱结构损坏状况，确定危险程度。
一般来讲，烟囱筒身（包括钢烟囱的塔架）项目的鉴定包括承载能力、裂缝和倾斜3个子项，在日常检测工程中，通常以各子项的级确定该项目的评定等级。烟囱的内衬的损坏程度也是影响烟囱的正常使用的重要部分，因此，烟囱的单元的评定等级宜以地基基础、筒身、内衬3个项目评定等级中级为该单元的评定等级。综合以上评定结果，在评估中应依次给出各烟囱相关检查鉴定结论、处理建议或解决方案。
 
参考文献：
[1]  GB50009－2001 .建筑结构荷载规范（S）.
[2]  GB50051-2002. 烟囱设计规范（S）.
[3]  GB50010-2002. 混凝土结构设计规范（S）.
[4]  GB50011-2001. 建筑抗震设计规范（S）.
[5]  GBJ144-90. 工业厂房鉴定标准（S）.
[6]  GB50205-2001. 钢结构工程施工质量验收规范（S）.
[7]  GB50026-93. 工程测量规范（S）.
[8]  DG/T J08-804-2005. 既有建筑物结构检测与评定标准（S）.

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