某脱硫塔火灾后检测鉴定及加固处理

王艳平，李书奇，封 云

（中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引 言

随着社会和经济建设的不断发展，能源的需求量越来越大，环境保护的投入力度不断加强，庞大的脱硫产业应运而生，脱硫吸收塔则是脱硫产业中的核心设备，是电力系统中必不可少的部分。近些年来，生产过程中脱硫塔火灾事故多有发生，脱硫塔作为大型薄壁钢制圆筒形结构，结构形式特殊而复杂，火灾后通过对结构进行检测鉴定来确定脱硫塔受损情况，从而制定出适合的加固方案［1］。

1 某脱硫塔工程概况

煅烧脱硫塔总高 70.3 m，共分为 3 段，基础至标高 32.0 m 为直径 5 m 的脱硫塔筒，标高 32.0 m 至标高 49.0 m 为直径 8.5 m 湿式电除尘除雾器，标高 49.0 m 至标高 70.0 m 为直径 2.4 m 的小烟囱。塔筒底部为 32 根 M42 的均布螺栓，碳钢横向焊缝约 30 道，塔筒外侧有支撑框架结构，梁柱截面为 H 型钢，四面交叉支撑为圆管，有支撑处框架结构平面尺寸为 8.5 m×8.5 m，共 5 层，每层高度为 6.4 m，顶部标高约 32.0 m，外包式刚接柱脚。钢柱和部分框架梁材质为 Q345B，部分钢梁和柱间支撑材质为 Q235。湿电+脱硫塔总图如图1 所示。

图1 湿式电除尘脱硫塔外立面图

由于塔内失火，塔体部分出现变形，受该建筑主管单位委托，笔者单位对火灾后的结构进行了检测鉴定并给出了处理意见，并依据检测鉴定报告对该工程提出结构加固方案。

2 现场检测情况

2.1 外观损伤检测

对具备检测条件的部位进行外观损伤检测，检测结果如下。

1）高度方向上，脱硫塔钢筒壁在第一道焊缝和第二道焊缝之间破坏严重，特别是第一道环形钢箍与第一道焊缝之间；

2）环向方向上，西侧和北侧破坏最严重，东侧次之，南侧最轻；从正东方向地脚螺栓逆时针方向到正南方向偏西第 2 个地脚螺栓，接近 3/4 个圆周都有肉眼可见严重破坏；

3）脱硫塔破坏主要特征是钢筒壁受压屈曲，大部分向外凸出，最大凸出约 8 cm，局部向内凹陷，最大凹陷约 12 cm；

4）从下到上，第 2 道钢箍局部已与筒壁脱开，焊缝破坏；

5）其他区域局部也有钢板轻微凹陷或凸出的情况。

2.2 钢材厚度检测

依据 GB/T 50621－2010《钢结构现场检测技术标准》［2］，采用超声测厚仪对钢材厚度进行检测。根据 GB 709－2006《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差》［3］的规定，该工程钢板的尺寸偏差要求为 ±0.9 mm。所抽检 21 处钢材的厚度均满足设计及规范要求，检测结果如表1 所示。

2.3 钢材力学性能检测

现场取样对钢材力学性能进行检测，其中 5# 样品与 6# 样品在塔底明显变形处截取。根据委托方提供的资料，该工程采用的钢材牌号为 Q235。根据 GB/T 700－2006《碳素结构钢》［4］的规定，牌号 Q235 的钢材，厚度≤16 mm 时，屈服强度≥235 N/mm2，抗拉强度范围为370～500 N/mm2，断后伸长率不小于 26 %；试样方向为横向时，冷弯试验 180°弯心直径应为 1.5 倍钢材厚度（21 mm）。所抽检 6 件样品的钢材力学性能均满足设计及规范要求。检测结果如表2 所示。

表1 钢材厚度检测结果 mm

表2 钢材力学性能检测结果

2.4 焊缝外观检测

依据 GB/T 50621－2010《钢结构现场检测技术标准》，对焊缝外观质量进行检测。检测结果为焊缝均有不同程度的错边、焊瘤、表面不平整等状况；局部环形箍与筒壁间焊缝有未满焊、脱开、开裂状况，检测结果如表3 所示。

2.5 焊缝缺陷检测

依据 GB/T 50621－2010《钢结构现场检测技术标准》、GB/T 11345－2013《焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定》［5］相关要求，对钢结构焊缝缺陷进行超声波探伤检测。根据委托方提供的设计图纸，该工程焊缝超声波探伤 Ⅱ 级为合格。所抽检 13 条焊缝的质量等级均为 Ⅳ 级，均不满足设计要求，检测结果如表4 所示。

表3 焊缝外观检测

表4 焊缝缺陷检测结果

2.6 构件变形检测

依据 JGJ 8－2016《建筑变形测量规范》［6］，采用经纬仪对结构垂直度进行检测。所测脱硫塔最大倾斜值为 H/289，所测刚架最大倾斜值为 H/483，所测细烟囱最大倾斜值为 H/214，所测粗烟囱最大倾斜值为 H/2140。该构筑物钢板变形严重，结构倾斜变形有可能继续发展，不符合 GB 50144－2008《工业建筑可靠性鉴定标准》［7］安全性要求。检测结果如表5 所示。

表5 结构垂直度检测结果 mm

3 结构安全性鉴定

该脱硫塔受火以后，现状如下所述。

1）底部大部分钢筒壁已被压屈，出现明显变形破坏、结构失效的情况；

2）塔身出现较大倾斜变形，且可能继续发展；

3）局部环形箍与塔体已脱开，局部焊缝破坏；

4）焊缝内部质量现状均未达到设计要求，焊缝缺陷较大；

5）焊缝外观存在错边、焊瘤、表面不平整等状况。

目前塔体结构已失效，安全性不满足规范 GB 50144－2008《工业建筑可靠性鉴定标准》要求，存在较大安全隐患。

4 结构加固处理

4.1 脱硫塔结构受力体系分析

脱硫塔的施工顺序和结构组成，影响圆形塔筒的受力特征，因此，掌握塔筒施工过程顺序是必要的。经与业主单位及施工单位沟通，塔筒的施工顺序如下所述。

1）外侧有支撑钢框架结构施工，施工至脱硫塔标高；

2）在有支撑钢框架结构内部的直径 5 000 mm 钢塔筒施工；

3）湿式电除尘除雾器安装，脱硫装置荷载由外侧格构塔架承担；

4）钢塔筒底部的湿式电除尘除雾器装置以上直径 2 400 mm 细塔筒施工；

5）焊接直径 5 000 mm 钢塔筒的顶部与湿式电除尘除雾器的底部，连接成整体。

根据上述对塔筒施工过程和结构组成的体系分析，可知，脱硫塔下方的钢塔筒为自承重塔筒，故其钢板的竖向应力水平较低，竖向应力为自重应力。

4.2 脱硫塔加固方案

结构加固设计强调概念设计，以构造为主，计算为辅，火灾后结构受损情况复杂，其计算模型、计算公式均应视不同情况而定，且这方面的研究试验资料较少。因此，计算理论的不成熟只有采取构造措施来弥补。计算与构造，两者相辅相成。依照各部位受损伤的情况制定该脱硫塔加固方案。

4.2.1 底部压屈钢筒壁加固措施

对于底部钢筒壁压屈问题，采取在塔筒外侧，沿塔筒周边布置竖向加劲肋（100×10@490），沿直径 5.0 m 脱硫塔周边均匀布置 32 个，在柱脚锚栓之间，竖向肋高至第二道焊缝；在塔筒外侧，沿塔筒高度方向水平加劲肋（100×5@600），至第二道焊缝。对变形较小的塔筒钢板一般不割除；对变形较大的塔筒钢板割除，采用对接焊缝（焊缝质量等级一级）补同厚钢板。新增加固用的钢板材质均为 Q345D。焊条型号 E50XX型。加劲肋示意图如图2 所示。

图2 加劲肋示意图（单位：mm）

4.2.2 塔身出现较大倾斜变形的不作特殊加固处理

考虑到塔体顶部的关键脱硫装置的荷载由外侧附加的有支撑钢框架承担，塔筒以自承重受力为主。待对结构底部局部变形处理或加固后，既有脱硫塔身的倾斜对自承重结构的内力影响较小，故不对塔筒本身作倾斜加固处理。

4.2.3 环向钢板箍局部焊缝加固措施

对于环向钢板箍局部焊缝开裂问题，采取局部拆除此处环向钢板箍，重新打磨原有焊缝，重新采用 Q345D 的同厚同宽钢板焊接。

4.2.4 焊缝内部质量现状均未达到设计要求加固措施

对于脱硫塔及湿电除尘除雾器壳体的水平环向焊缝质量不合格问题，采取在塔筒钢板焊缝处的双侧贴补 t=8 mm 厚钢板，或单侧贴 t=10 mm 厚环向钢板，钢板宽度均为 150 mm。新增钢板与原塔筒钢板采用连续角焊缝焊接。钢板材质同原结构，塔筒壁单侧或双侧新增环向箍版加固节点如图3 所示。

图3 塔筒壁新增环向箍版加固节点（单位：mm）

4.2.5 局部柱脚锚栓破坏的加固措施

对于已破坏的柱脚锚栓问题，采取直接拆除已破坏的锚栓及底板，在其相近位置采用无机植筋胶，增补锚栓 2M25（材质 Q345D）及底板 t=30 mm（Q345D）灌补偿收缩灌浆料 C40，锚深 600 mm，并在锚栓之间增加设置竖向加劲肋板。新增加固用的钢板材质均为 Q345D，新增锚栓的加固节点如图4 所示。加固用的锚栓的局部布置尺寸视现场尺寸条件情况，可适当调整。

图4 塔筒底新增锚栓节点详图（单位：mm）

4.2.6 局部防腐涂层破坏的修复措施

对于局部涂层损伤或破坏问题，采取重新手工打磨钢板表面进行手工除锈，除锈等级 St2.5。打磨表面至金属色，再重新涂防腐漆，漆膜厚度≥ 150μm。

4.3 脱硫塔加固施工顺序

加固施工应制定严格的施工顺序和施工方案设计，具体加固施工顺序及要求如下。

1）拆除湿式电除尘除雾器顶部的直径2 400 mm 烟囱；

2）进行脱硫塔筒根部新增锚栓的加固施工；

3）进行脱硫塔筒底部竖向加劲肋的焊接施工；

4）进行脱硫塔筒底部水平加劲肋的焊接施工；

5）进行脱硫塔筒环向箍版的修复或补强施工；

6）重新安装湿式电除尘除雾器顶部的直径2 400 mm 烟囱；

7）防腐涂层的修复或喷涂施工。

5 结 语

根据对检测结果的分析，对火灾后的某脱硫塔结构的底部钢筒壁外侧采用新增竖向加劲肋及水平环向加劲肋，以解决压屈变形问题；采取局部拆除开裂处环向钢板箍，重新打磨原有焊缝，用同厚同宽钢板焊接；对于壳体上焊缝内部质量现状未达到设计要求的部位，采取在塔筒钢板焊缝处双侧贴补或单侧贴补钢板；对于已破坏的柱脚锚栓问题，采取直接拆除已破坏的锚栓及底板，新增锚栓和底板；对于局部涂层损伤或破坏问题，采取重新手工打磨钢板表面进行钢板表面手工除锈，再重新涂防腐漆。本加固设计方案是基于业主单位及施工单位所述的结构施工顺序及结构体系，满足塔筒自承重的结构受力特征，若实际施工状态或节点构造连接不符合上述要求，则本方案不适用，需另行对结构加固设计。

火灾后建筑结构情况复杂，其检测鉴定、加固设计及加固施工是一项系统工程，加固的施工质量乃是加固成败的关键。在施工期间，各方人员必须深入现场，对每个构件的每道加固工序共同验收及确认，验收合格后方可进行下道工序。另外，设计人员应根据构件实际烧伤状况随时调整和改进原加固设计构造细节，确保结构在使用期限内的安全性、适用性及耐久性。