徐卫阳 王志宇 牛春良

(上海必立结构设计事务所有限公司 201199)

引言

现行国家标准《烟囱设计规范》(GB50051—2013)和《烟囱工程施工及验收规范》(GB50078—2008)全面修订、合并为《烟囱工程技术标准》(GB50051)(以下简称新国标)。新国标修改内容较多，涉及风荷载、温度作用、烟囱防腐以及玻璃钢烟囱等方面。我国《烟囱设计规范》(GB50051—2013)依据《建筑结构荷载规范》[1](GB50009—2012)，要求按雷诺数Re的情况进行横风向风振判定，而实际工程出现与上述规范判定情况相悖的现象，即根据雷诺数Re判定条件属于超临界范围，不发生横风向风振，实际工程却出现明显横风向风振现象。工程实践显示雷诺数作为横风向共振是否发生的判定条件之一，存在不足。本文主要针对新国标中横风向共振判定条件和烟囱防腐的修订做一背景介绍，以增加读者对新国标中有关内容的理解和应用，减少因设计不当而造成的工程破坏现象。

1 烟囱横风向风振判定条件的修订

1.1 现行国家标准关于横风向风振的判定条件

对于圆形截面的高耸构筑物，《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)要求按不同雷诺数Re的情况进行横风向风振的校核，即:

(1)当Re＜3×105，且结构顶部风速vH大于临界风速vcr时，可能发生亚临界的微风共振。此时，在构造上应采取防振措施，或控制结构的临界风速vcr不小于15m/s。

(2)当Re≥3.5×106，且1.2vH＞vcr时，可发生跨临界强风共振，此时应考虑横风向风振的等效风荷载。

(3)当3×105≤Re≤3.5×106时则发生超临界范围的风振，可不做处理。

该规定的核心就是:当Re≥3.5×106，且1.2vH＞vcr时，应进行横风向验算，实际上就是强风共振判定条件。但许多实际工程在“超临界”范围发生共振，造成结构破坏。近年来，自立式钢烟囱在我国大量建造，该破坏现象愈加频繁，需要对共振判定条件的适用性做出修正。

雷诺数是大家比较熟悉的一个空气动力学参数，是流体的惯性力与粘性力之比，对风荷载效应有较大影响。在国外有关标准中，雷诺数对顺风向和横风向的影响主要体现在风荷载响应方面，而不是作为横风向共振的判定条件，具体表现为顺风向的体形系数与横风向的气动阻尼等方面的影响。

1.2 雷诺数对顺风向风荷载的影响

在顺风向风荷载效应计算时的一个重要参数就是体型系数，而体型系数除了与结构表面粗糙度、高径比、湍流度以及周围建筑的影响等有直接关系外，雷诺数的影响相对比较“隐性”，但却不容忽视。当雷诺数小于亚临界值Re1(subcritical)时，钢烟囱体型系数近似独立于雷诺数，即与雷诺数变化无关，为一固定值；当雷诺数大于Re1后，体型系数会急剧降低，雷诺数达到超临界值Re2(supercritical)时，体型系数降到最小值；此后，随着雷诺数的增大，体型系数又开始增长，直到雷诺数达到跨临界值Re3(postcritical)后，体型系数又重新稳定到一个新的恒定值。雷诺数Re1、Re2、Re3的典型值分别为2×105、4×105和2×106。文献[3]还给出了钢烟囱基本体型系数与雷诺数关系如下:

1.3 雷诺数对横风向风荷载的影响

我国《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)[1]及其他引用性标准[2]均将雷诺数作为横风向共振是否发生的判定条件，而欧美标准[3]的判定条件主要是通过临界风速来确定是否考虑旋涡脱落引起的横风振动问题，雷诺数对气动阻尼参数有较大影响，反映的是振动效应，而不是判定条件。是否考虑横风向振动仅仅按下式判断:

即当临界风速vcr小于烟囱顶部风速vH的1.25倍时，需要研究旋涡脱落的影响。

文献[3]认为，烟囱的横风振动取决于烟囱的质量和阻尼，以及运动引起的气动阻尼，振动的强度很大程度上由两个无量纲参数的比值决定，即斯科顿数Sc和气动阻尼Ka的比值，即是否满足作为振动强度的主要判定条件，其中Sc和Ka分别按以下公式计算:

式中:ρa为空气质量密度，取ρa=1.25kg/m3；dm为烟囱顶部1/3高度范围筒身平均外直径(m)；f1(z)为第一阶振型；ξs为烟囱阻尼比；m(z)为烟囱单位高度质量(kg/m)；h为烟囱高度(m)；Iv为烟囱顶部的湍流强度。

1.4 新国标判定条件的修订

基于工程实践及国外标准有关规定，新国标《烟囱工程技术标准》(GB50051)关于横风向共振判定条件修改如下:

对于混凝土烟囱和钢结构烟囱，当其顶部1/3高度范围内的坡度不大于2%时，且顶部风速符合下列条件时，应验算其涡激共振响应。

式中:vcr，j为第j振型临界风速(m/s)；vH为烟囱顶部H处风速(m/s)；d为烟囱2/3高度处外径(m)；St为斯脱罗哈数，取St=0.2；Tj为结构或杆件的第j振型自振周期(s)；μH为烟囱顶部H处风压高度变化系数。

对于钢烟囱，新国标同时规定:当Sc≤5时，应安装减振装置；当5＜Sc≤15时，可安装减振装置，或进行抗疲劳设计；当Sc＞15时，可不安装减振装置。

1.5 烟囱横风向共振减振措施

由于钢烟囱阻尼比较低，容易共振且共振荷载与对应顺风向荷载比较会较大。共振诱发的结果除了产生较大的振幅引起人们的不安外，最终会造成强度破坏或疲劳破坏，需要在设计阶段采取措施，并将横风共振效应降低到可接受水平。

减振的措施主要有以下几种方式:1)改变结构刚度或结构形式，避免共振产生，以获得结构安全；2)增加空气动力装置，干扰涡激共振的发生；3)增加阻尼器装置，降低共振效应。

1.6 钢烟囱横风共振破坏案例

表1分别列举了山东某电厂启动锅炉45m、黑龙江伊利乳业新建60m以及天津无缝钢管厂加热炉90m三个典型高度的钢烟囱风振破坏案例。

表1 横风共振钢烟囱破坏案例Tab.1 Failure cases of steel chimney undercross-wind resonance

表1中钢烟囱的计算雷诺数均在超临界范围(3×105≤Re≤3.5×106)，属于旋涡脱落不规则状态，不会产生共振，与实际情况相悖。按新国标《烟囱工程技术标准》计算结果均发生共振，计算振幅与实际相符。

2 烟囱防腐内容的修订

2.1 《烟囱设计规范》关于烟囱防腐内容的修订历程

烟囱防腐是烟囱设计的核心内容之一，防腐方案是根据烟气介质的成份与浓度、烟气的湿度与温度等综合因素确定的。国家标准《烟囱设计规范》的历次修订都是依据烟气情况变化和腐蚀破坏的实践总结而制定的。

我国第一本烟囱设计标准《烟囱设计规范》(GBJ51—83)的设计条件为高温烟气，对烟气腐蚀没有专门规定。《烟囱设计规范》(GB50051—2002)在大量调研的基础上首次给出了烟囱防腐蚀设计规定，但规定主要是针对燃煤电厂干烟气做出的。当烟气温度低于150℃时，根据燃煤含硫量确定烟气的腐蚀等级为弱腐蚀、中等腐蚀和强腐蚀等级，并给出相应的防腐蚀规定。配套实施的烟囱设计标准图集《钢筋混凝土烟囱》(05G212)和《钢烟囱》(08SG213-1)都是依据该版规范编制的，仅适合干烟气。

自2004年开始，国内火力发电厂都强制要求设置烟气脱硫系统，并普遍采用湿法脱硫。湿法脱硫后的烟气为过饱和湿烟气，湿烟气渗透性强、易冷凝，并含有稀硫酸、稀盐酸等腐蚀介质，对烟囱具有强腐蚀作用，造成大量烟囱腐蚀破坏，损失极其严重。在此背景下，《烟囱设计规范》(GB50051—2013)规定了湿烟气、潮湿烟气和干烟气，并依此规定了不同烟囱选型和防腐措施。

为了解规范应用效果，《烟囱设计规范》(GB50051—2013)实施后，规范组组织全国主要电力设计单位和相关发电厂对烟囱腐蚀进行了较大范围的普查工作。新国标对防腐作出了较大调整，此次规范修订更关注材料本身的防腐性能，而不是烟囱结构型式，并将适用范围扩大至既有烟囱防腐改造工程。

2.2 新国标防腐材料的选用

新国标在总结国内烟囱防腐经验并借鉴国外先进标准的有关规定，对烟囱防腐材料的选用做出一些规定(表2)。

表2 烟囱防腐材料选用Tab.2 Selection of anticorrosive materials for chimneys

2.3 部分防腐材料介绍

1.缠绕纤维增强塑料

本次新国标修订将玻璃钢内筒作为湿烟囱防腐方案之一。就防腐性能而言，玻璃钢材质可以满足30年以上的设计寿命，但组成玻璃钢的树脂和玻璃纤维基础材料性能、产品设计以及施工质量对最终玻璃钢制品的性能影响是非常显著的。新国标将原来“玻璃钢”改为“缠绕纤维增强塑料”，主要是与实际工程中采用手糊方式直接粘附于排烟筒内壁的玻璃钢内衬加以区别。手糊玻璃钢内衬不适用标准第9章“纤维增强塑料内筒”的规定，其适用范围应当参照涂层材料执行。纤维增强塑料内筒主要适用于温度不大于60°工况下的湿烟囱，最高温度不应大于100°。纤维增强塑料内筒在温度大于60°时，其力学性能显著下降，超过100°时，已经接近树脂浇铸体的热变形温度。因此，当烟气超出100°时，需要在烟囱前端采取冷却降温措施，或选用耐高温树脂材料。

2.硼硅酸盐泡沫玻璃砖

2013年版《烟囱设计规范》已经明确轻质防腐砖主要推荐进口泡沫玻璃砖(宾高德玻璃砖)，主要是基于国内轻质防腐砖(包括普通玻璃砖和玻化陶瓷砖)在湿烟囱领域应用存在大量破坏现象，而进口泡沫玻璃砖防腐效果优异，差距非常明显。新国标与国外标准一致，将以宾高德为代表的“硼硅酸盐泡沫玻璃砖”作为湿烟囱主要防腐方案之一，并将“硼硅酸盐泡沫玻璃砖”与“轻质防腐砖”列为两种方案，并分别给出使用限定条件，避免因选用方案不当造成腐蚀破坏。

泡沫玻璃砖防腐系统是由泡沫玻璃砖和粘结剂共同组成的，两者的防腐性能和抗渗性能共同决定系统的最终防腐效果。与进口硼硅酸盐泡沫玻璃砖相比，国内轻质防腐砖吸水严重，在长期湿烟囱运行环境下，轻质砖处于含水饱和状态，腐蚀液体渗透到防腐砖背后胶粘层表面，轻质防腐砖丧失了抗渗防腐功能和保温能力。以宾高德为代表的硼硅酸盐泡沫，其闭孔率接近100%，保证了玻璃砖的抗渗性能，进而实现了防腐和保温功能。

用于粘贴泡沫玻璃砖的胶既是粘贴防腐砖的粘接剂，同时也是湿烟囱防腐的第二道防线，这层胶厚度约3mm，形成一道富有弹性的密闭防腐和抗渗屏障。而调查情况表明，国产轻质防腐砖配套的粘结剂普遍存在渗漏问题，粘结剂防腐性能不能满足湿烟气运行工况，达不到密闭防腐和抗渗作用。

因此，上述两方面的材料问题是导致轻质防腐砖系统在湿烟囱环境下防腐失效的主要原因。所以新国标规定了轻质防腐砖仅用于潮湿烟气使用条件下的套筒式或多管式烟囱，不能直接粘贴在单筒式湿烟囱的筒壁上，以降低烟囱主体结构破坏的风险。进口硼硅酸盐泡沫玻璃砖因其防腐效果优异，国内外有大量成功应用案例，规定其可用于单筒式、套筒式或多管式湿烟囱的防腐。采用单筒式烟囱，不用设置内筒和平台，烟囱截面可大幅度降低，内部无需钢结构，可明显降低烟囱建造成本和后期维护成本。

3.镍基或钛基复合金属

美国电科院《湿烟囱设计导则》[4](1996年版)推荐可采用Tianium Grade 2(Ti2)用于湿烟囱防腐，但更倾向使用Tianium Grade 7(Ti-0.15Pd钛钯合金)作为湿烟囱防腐材料，并要求Ti2的铁含量为0.02%以下。Tianium Grade 7的防腐性能要优于Ti2，但价格也较贵。《湿烟囱设计导则》指出，Tianium Grade 7用于脱硫塔入口烟道干湿交界面时，出现明显的腐蚀现象。故2012年版美国《修订湿烟囱设计导则》[5]不再推荐钛材作为湿烟囱防腐材料，防腐金属仅推荐镍合金C276和C22。

我国在湿烟囱防腐选材上大量采用钛钢复合板(Ti2)，调研发现钛钢内筒也存在许多渗漏问题，但鉴于国内仍有大量钛板内衬应用，新国标仍保留了钛基复合金属内衬。根据国内外经验，建议当采用该方案时，宜采用更高等级的钛合金内衬或镍基复合金属内衬，并确保钛钢复合板的焊缝质量。目前我国已经开发出Ti10复合内衬，其性能大大优于Ti2复合内衬，而价格增加幅度较小，可提高目前钛钢复合板的防腐性能。另外，我国烟囱防腐领域钛钢复合板普遍采用1.2mm厚钛板复合，影响该类防腐的使用年限和焊接的可靠性，而国外标准采用厚度为1.6mm以上，且金属防腐设备领域均采用2.0mm以上钛板复合，建议提高防腐设计标准。

3 结语

在横风向共振判断方面，国家标准《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)把雷诺数作为判定横风向共振条件之一，存在不足。大量钢烟囱破坏案例表明，其雷诺数均发生在规范所规定的“超临界”范围，规范规定与烟囱实际振动情况严重不符，造成工程破坏。新国标《烟囱工程技术标准》对此进行了修正，并给出新的计算规定，更符合实际情况，从而可大幅度降低因规范规定不足所造成的工程破坏，满足工程设计需要。

在烟囱防腐方面，新国标在总结国内外经验基础上，推荐了现阶段最成熟的3类材料用于湿烟囱防腐，这3类防腐材料均有各自优势与不足，需要在辩证分析后采用，以获得好的防腐效果和经济效益。