Солодарь М. Б., Кузнецова М. В., Плишкин Ю. С. - Металлические конструкции вытяжных башен

ПРЕДИСЛОВИЕ

Быстрый рост промышленности и энергетической базы, вызвавший увеличение объемов специфических отходов производства, выдвинул в качестве одной из важнейших мировых проблем современности охрану чистоты атмосферного воздуха.

В Советском Союзе вопросы охраны природы постоянно находятся в центре внимания Коммунистической партии и Советского государства. В мае 1949 г. специальным постановлением Совета Министров СССР «О мерах борьбы с загрязнением атмосферного воздуха и об улучшении санитарно-гигиенических условий населенных мест»* был установлен государственный контроль за охраной воздуха [16]. За истекшие годы советское законодательство в области охраны окружающей человека среды существенно расширилось.

XXIV съезд КПСС в числе основных задач развития народного хозяйства наметил также и задачи по усилению охраны природы. В постановлении. 4-й сессии Верховного Совета СССР «О мерах по дальнейшему улучшению охраны природы и рациональному использованию природных ресурсов» сказано: «Считать одной из важнейших государственных задач неустанную заботу об охране природы.. .»

Советский Союз — первая страна в мире, где установлены предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий постоянно совершенствуются. Нормы 1971 г. [83], например, содержат 114 наименований вредных веществ, ограничиваемых предельно допустимыми концентрациями, в то время как в аналогичных нормах 1963 г. ограничения касаются только 37 веществ и пределы допустимых концентраций некоторых из них выше. Разработка новых технологических схем, предусматривающих очистку производственных выбросов в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями, способствует неуклонному снижению загрязнения пылью и газами воздуха в городах Советского Союза. За последние 10—15 лет в Москве, Ленинграде, Киеве, Баку, Алма-Ате и других городах загрязненность воздуха снизилась в несколько раз [48].

Масштабы загрязнения атмосферы и его вредные последствия в народном хозяйстве, экономике и природе таковы, что борьба с загрязнением на современном этапе приняла международный характер [16, 67, 70, 80, 93 и др.]. Во всех странах мира создается заново или улучшается законодательство по вопросам защиты атмосферы от загрязнения. В США в 1967 г. был принят «Закон о борьбе с загрязнением воздуха», в 1969 г.— «Федеральный закон об охране окружающей среды» [75,40].

Усовершенствовано или существенно исправлено соответствующее законодательство в Великобритании («Закон о санитарной охране атмосферного воздуха и постепенном введении бездымных зон», 1956 г. [93]), во Франции и ФРГ. В течение последнего десятилетия приняты соответствующие законы в Австралии, Новой Зеландии, Японии и в ряде других стран.

Охрана окружающей человека среды может быть полностью обеспечена только в результате международного сотрудничества. В настоящее время эти вопросы находятся уже на рассмотрении международных организаций (Всемирная организация здравоохранения [74], Конференция ООН в 1972 г. в Стокгольме и др.). Национальные планы оздоровления внешней среды дополняются двусторонними и многосторонними соглашениями. Активизация борьбы с загрязнением воздуха дает положительные результаты.

Мероприятия по борьбе с загрязнением атмосферного воздуха включают в себя [74]: предупреждение утечки загрязняющих и токсических веществ в атмосферу путем их полного улавливания и утилизации;

замену некоторых технологических процессов или видов топлива новыми, которые вызывают меньшее загрязнение атмосферного воздуха;

очистку отходов производства и последующее их рассеивание в атмосферном воздухе на большой высоте.

Все эти мероприятия технически сложны. Первое из них решает задачу борьбы с загрязнением атмосферы наиболее радикально, однако требует разработки новых технологических схем, связанных с большими расходами, и для целого ряда производств в настоящее время не может быть реализовано. Внедрение адекватных заменителей с пониженной токсичностью возможно только в энергетике и на транспорте; в промышленных процессах это не всегда осуществимо не только практически, но и теоретически. Вследствие этого в настоящее время весьма широкое распространение в различных отраслях промышленности получили производственные процессы с максимально возможной очисткой вредных выделений и с последующим выбросом отходов пониженной концентрации и агрессивности в верхние слои атмосферы. Это является в ряде случаев экономически наиболее целесообразным мероприятием в комплексе задач по защите природы [17].

Одним из типов инженерных сооружений, с помощью которых отходы производства с остаточным содержанием вредных веществ выбрасываются на значительной высоте, являются вытяжные башни. Вытяжные башни представляют собой сложные инженерные сооружения. Потребности в подобных сооружениях непрерывно возрастают в связи с интенсификацией производства и созданием новых отраслей промышленности. Вытяжные башни возводятся на объектах таких основных отраслей промышленности, как химическая, черная и цветная металлургия, энергетическая и др. Между тем, эти специальные сооружения, относительно новые по специфике и конструктивным формам, не получили еще достаточного освещения в отечественной и зарубежной литературе. Авторы стремились восполнить этот пробел, обобщив накопленный опыт проектирования строительных конструкций вытяжных башен.

Авторы не претендуют на исчерпывающее освещение темы: особенности технологических требований, изготовления, монтажа и эксплуатации сооружения затронуты только в объеме, необходимом для изложения вопросов проектирования металлических конструкций вытяжных башен высотой до 200 м.

 

ГЛАВЛ I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫТЯЖНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Промышленные трубы являются неотъемлемой частью комплекса сооружений предприятий металлургической, химической и ряда других отраслей промышленности с момента их возникновения. Назначение и условия работы этих сооружений вследствие непрерывного роста промышленности и совершенствования технологии претерпевали существенные изменения, что накладывало определенные, меняющиеся со временем требования к их конструкции в отношении как применявшихся материалов, так и конструктивных форм.

Вначале промышленные трубы служили только для создания тяги, обеспечивающей определенные режимы процессов горения и другие химические реакции, используемые в промышленности. Малая мощность установок, их примитивное устройство, отсутствие возможностей для использования тепла отходящих газов позволяли ограничиваться вытяжными трубами малых высоты и диаметра. Эти трубы возводили из обыкновенного красного кирпича (рис. 1).

Высоту промышленных труб увеличивали в основном в целях усиления тяги, но также частично и для снижения задымленности воздуха. В случаях, когда сопротивление обычного красного кирпича воздействию высоких температур оказывалось недостаточным, внутреннюю поверхность трубы футеровали огнеупорными материалами. Вместе с тем, высокая температура отходящих газов исключала возможность образования конденсата в толще кирпичного ствола, что обеспечивало длительную надежную работу кирпичных труб.

В середине XIX в. появляются металлические трубы. Однако отсутствие эффективной защиты от коррозии и высокотемпературный нагрев отходящими газами значительно сокращали сроки службы этих труб по сравнению с кирпичными. Вот почему практическое использование получили металлические трубы малого диаметра и высотой до 30 м (свободно стоящие или на оттяжках).

Тенденция к увеличению высоты труб выявила основной недостаток кирпича как строительного материала этих сооружений — низкое сопротивление сжатию. Вследствие этого возникла потребность в значительном количестве высококачественного кирпича, сильно возросли объем и вес кладки, а отсюда и необходимость в дорогостоящем фундаменте. Невозможность механизации работ по возведению труб требовала высококвалифицированных мастеров-трубокладов. Все эти факторы резко повышали стоимость кирпичных труб; хотя в современных условиях известна практика строительства и эксплуатации кирпичных труб большой высоты (например, труба высотой 130 м на Нижне-Тагильской ТЭЦ), оптимальная их высота оказалась в пределах 70 м [9].

Высота кирпичных труб не удовлетворяла практическим требованиям. В начале XX в. появился новый, более прочный материал — железобетон, который и стал использоваться для возведения труб.

Первые неудачи в строительстве железобетонных труб объяснялись отсутствием теории расчета железобетонных конструкций. Однако соответствующий круг исследований уже в первой четверти XX в. позволил приступить к возведению железобетонных труб высотой более 100 м. Этому в определенной степени также способствовало и снижение температуры отводимых газов, тепло которых стало использоваться в технических целях.

Применение железобетона значительно снизило стоимость строительства вытяжных труб и увеличило их высоту по сравнению с кирпичными. Вследствие этого в 20—30-х гг. XX в. в Европе и США и в 30—40-х гг. в СССР начало осуществляться строительство большого числа железобетонных труб значительной высоты (рис. 2).

Поскольку снижение температуры отходящих газов соответственно уменьшило тягу, создаваемую вытяжными трубами, роль последних в выполнении этой задачи постепенно сократилась. В новых условиях бурного развития промышленности и тепловой энергетики основным назначением труб становится вынос вредных промышленных отходов из производственной зоны в относительно удаленные от человека и природы слои атмосферного воздуха.

Однако с дальнейшей интенсификацией производства, возникновением новых отраслей промышленности становилось все более очевидным, что воздушный бассейн не может быть защищен от загрязнения промышленными отходами только путем увеличения высоты вытяжных труб. Потребовался длительный период для разработки практически выполнимых методов и средств очистки отходящих газов и внедрения их в широком масштабе производства с агрессивными и токсическими отходами. Условия работы вытяжных труб вновь претерпели изменения.

Очистка газов позволяет резко снизить их агрессивность [28], но, как правило, приводит к существенному повышению влажности отходящих газов, к появлению в них в виде тумана и мельчайших капель слабых растворов кислот и щелочей, количество которых в трубе увеличивается за счет их конденсации при невысоких температурах (ниже точки росы). Химические реакции, происходящие в стенках трубы под воздействием конденсата, разрушают бетон и вызывают коррозию арматуры, что в конечном счете приводит к разрушению железобетонной трубы. Таким образом, использование железобетонных труб, не имеющих дополнительных защитных покрытий, для удаления газов, прошедших очистку и сохраняющих определенную степень агрессивности, оказалось невозможным. Вместе с тем, для выброса неагрессивных отходов производства железобетонные трубы достаточно надежны.

Для создания тяги и эвакуации промышленных отходов в верхние слои атмосферы были разработаны новые типы конструкций вытяжных сооружений. За рубежом ими явились железобетонные трубы с разного рода защитными покрытиями внутренней поверхности ствола и трубы с внутренним стволом из коррозиеустойчивых материалов, так называемая конструкция «труба в трубе». В этом сооружении наружный самонесущий ствол предназначен для восприятия ветровых нагрузок, внутренний служит непосредственно технологическим целям.

Внутренний ствол может быть самонесущим, либо подкрепленным наружным стволом.

Помимо химической стойкости к удаляемой среде материал внутреннего ствола должен обладать сравнительно высокими механическими показателями. Например, в западногерманских нормах DIN1058 «Дымовые трубы, подверженные кислотной агрессии» [103] разработаны оба эти варианта защиты несущего ствола от воздействия химически агрессивных веществ, а именно: в виде «свободно стоящей внутренней трубы» и «футеровки звеньями». Навесная футеровка применена на сборной крупно-блочной конической железобетонной трубе высотой 200 м, сооруженной в Мюнхене в 1964 г. [84].

В качестве примера схемы «труба в трубе» могут служить труба высотой 200 м на тепловой электростанции в Леверкузене (ФРГ), несущий ствол которой до отметки +65 м выполнен из железобетона, а внутренний газоотводящий ствол и несущий ствол от отметки +65 м до верха — из кирпича [71], а также трубы высотой 240 м, построенные в 1965 и 1968 гг. на тепловых электростанциях «Булл-Ран» и «Парадайс» в долине р. Теннесси (США), состоящие из двух независимых концентрических железобетонных стволов, и др. [79].

Известен случай решения 182-метровой вытяжной трубы по принципу «труба в трубе» с четырьмя газоотводящими стволами диаметром 7,45 м каждый в одном несущем стволе, наружный и внутренние стволы железобетонные, причем внутренние стволы защищены футеровкой из кислотоупорного кирпича [72].

Высокая стоимость этих типов вытяжных сооружений, чрезвычайно затрудненный надзор во время эксплуатации и трудоемкий ремонт определили поиск в Советском Союзе новых технических решений. Одним из таких решений явилась экспонировавшаяся на Строительной выставке в Москве в 1955 г. стальная башня с подвешенным внутри нее газоотводящим стволом из деревянной клепки, обработанной антипиренами и химически стойким лаком. Назначение сооружения — эвакуация газов, выделяющихся при производстве искусственного волокна.

В дальнейшем сооружения подобного типа со стальной несущей башней и газоотводящими стволами из материалов, стойких по отношению к отводимым газам, получили название «вытяжные башни». Строительство их в Советском Союзе получило широкое распространение (рис. 3).

Подобные решения вытяжных сооружений имеются и за границей. В Японии на плавильном заводе горнорудных предприятий Мицуи в конце 1971 г. введена в эксплуатацию вытяжная башня высотой 160 м с газоотводящим стволом диаметром 3 м из полиэфирного стекловолокнистого пластика [82]. Конструкции такого типа используются за рубежом и в тех случаях, когда в одном сооружении совмещено несколько газоотводящих стволов. Вытяжная башня с двумя газоотводящими стволами диаметром 1,03 м построена на химическом заводе в. Бристоле (Англия) [21]. Несущая башня этого сооружения из оцинкованных трубчатых профилей имеет высоту 120 м. Материал газоотводящих стволов — нержавеющая сталь.

Весьма своеобразна по конструктивной схеме вытяжная башня высотой 220 м для ТЭЦ «Шиллинг» в г. Штаде (ФРГ) [106]. Ее несущая конструкция в виде трехгранной башни выполнена из открытых профилей, в частности, пояса башни изготовлены из специального типа широкополочного двутавра. Газоотводящие стволы расположены снаружи вдоль каждой грани башни и опираются на ее выносные площадки через 30—50 м (рис. 4).

Все конструкции сооружения для защиты от коррозии оцинкованы. Известны случаи, когда при аналогичном (внешнем по отношению к несущей конструкции) расположении газоотводящих стволов опорой для них является мачта постоянного сечения [104].

На основе приведенных данных можно заключить, что строительство вытяжных сооружений большой высоты ведется повсеместно. Высота этих сооружений назначается в пределах 100—300 м [4, 60, 73, 85, 105 и др.]. В Советском Союзе, несмотря на получившее в последнее время определенное распространение строительство железобетонных вытяжных сооружений высотой до 320 м [14, 20], преимущественным типом конструкций все же являются стальные вытяжные башни большой высоты. В отличие от Советского Союза, за рубежом преимущественно строят стальные и железобетонные трубы, выполненные по конструктивной схеме «труба в трубе».

Все многообразие современных промышленных труб может быть систематизировано по технологическому назначению и по конструктивному решению.

Промышленные трубы по технологическому назначению - по составу и температурно-влажностной характеристике отводимых сред — разделяются на два принципиально отличающихся друг от друга типа: вытяжные (выхлопные, вентиляционные) башни (трубы) и дымовые (газодымовые) трубы.

Вытяжные (выхлопные, вентиляционные) башни (трубы) отводят прошедшие очистку, но сохраняющие определенную степень агрессивности газовые и газовоздушные смеси влажностью более 80—904%, содержащие конденсат и, как правило, не имеющие высокой температуры.

Дымовые (газодымовые) трубы отводят дым и газовоздушные смеси, содержащие, помимо взвесей сажи, золы и пыли, газы средней и низкой агрессивности в небольшом количестве, а также газовоздушные смеси, получаемые при сжигании топлива для обжига и плавления различных материалов и загрязненные продуктами окисления веществ, находящихся в перерабатываемом сырье; влажность отводимых дымовых и газовоздушных смесей не более 60,%., температура 100—500° С.

По конструктивному решению, в зависимости от степени совмещения технологических и инженерных функций в сооружении [36], промышленные трубы могут быть разделены на три основных типа: свободно стоящие трубы, подкрепленные трубы, вытяжные башни.

Свободно стоящие трубы характеризуются полным совмещением технологических и инженерных функций, они преимущественно используются в качестве дымовых труб. Подкрепленные трубы (комбинированные конструктивные решения промышленных труб) характеризуются тем, что газоотводящие стволы их, выполняя технологические функции, одновременно участвуют в работе сооружения, обеспечивая совместно с другими несущими элементами сооружения его прочность, жесткость и устойчивость. Примером таких конструкций являются трубы, раскрепленные в нижней части жесткими подкосами или решетчатыми конструкциями башенного типа, а также трубы на оттяжках.

Подкрепленные трубы целесообразно использовать в качестве дымовых труб для отвода газов, не содержащих агрессивных компонентов, при потребной высоте выброса более 120 м.

Вытяжные башни представляют собой сооружения башенного типа, характеризующиеся четким разделением инженерных и технологических функций и состоящие из стальной несущей конструкции и одного или нескольких газоотводящпх стволов. Несущей конструкцией, как правило, является решетчатая башня, а газоотводящие стволы — элемент технологических коммуникаций [8, 54, 55]. По характеру конструктивного решения к вытяжным башням относятся и вытяжные сооружения типа «труба в трубе». Принципиальное отличие конструктивного решения вытяжной башни от ранее применявшихся вытяжных труб, заключающееся в четком разделении несущих и технологических функций составных элементов сооружения, является и главным преимуществом такого решения. Оно заключается в том, что для газоотводящих стволов могут быть использованы материалы, применение которых определяется в основном не прочностными характеристиками, а коррозионной стойкостью в условиях удаляемых конкретных сред. Эта же особенность сооружения позволяет в случае необходимости ограничить ремонтные работы заменой поврежденных коррозией участков газоотводящего ствола при сохранении всей несущей конструкции и неповрежденных участков ствола в проектном положении.

Вытяжные башни могут быть использованы и в качестве дымовых труб. Это экономически целесообразно в тех случаях, когда высота дымовых труб превышает 120—150 м; требования эксплуатационной надежности в связи с этим возрастают.

Проектирование вытяжных башен ведется в специализированных и в некоторых отраслевых институтах. В частности, в Ленинградском отделении ЦНИИ «Проектстальконструкция» выполнено около 200 проектов вытяжных башен для различных отраслей промышленности. Сооружения эти имеют высоту от 40 до 280 м, в них размещены газоотводящие стволы, диаметры которых назначались от 0,6 до 10м.

Различные материалы газоотводящих стволов, многообразие сочетаний геометрических параметров вытяжных башен и климатологических особенностей районов строительства требовали индивидуального подхода при проектировании. Сохраняя принципиальную схему сооружения, конструктивные решения большинства вытяжных башен имеют специфические отличия, обусловленные особенностями условий их работы, а также постоянным совершенствованием их конструкций.

...