等直径钢制高烟囱气顶倒装法

摘要

等直径钢制高烟囱气顶倒装法是一种施工工艺，主要用于钢制超过100米高的烟囱或排气筒在现场进行组装，该方法的特征是采用空气作为顶升力，在等直径钢烟囱(排气筒)的适当断面上加一封头(或加强盲板)，利用从内底座的底部通入适当压力的压缩空气，依靠内底座上部的密封环保住气压，使已构成的钢筒段贴着密封环上升而提供空间位置、再围上后续瓣节，周而复始，连续组装，达到设计需要高度的钢烟囱(或排气筒)。

说明书

（一）名称    等直径钢制高烟囱气顶倒装法为一种现场安装施工方法，主要用于高100米以上的等直径（顶端可不等直径）钢（不锈钢、合金钢）烟囱或排气筒的施工安装。

（二）现有技术状况

根据水电部水电出版社1987年7月版“烟囱施工手册”等资料记载，钢烟囱就其结构类型可分为自立式、塔架式和筒中筒三大类：

1、自立式钢烟囱是用钢管排烟，不用其他结构扶持，自立于基础（或基座）上，由于其抗风荷载能力有限，这类烟囱高度只有几米、几十米，少有超过百米的。

2、塔架式钢烟囱是由钢塔架和钢排烟筒（一至几根）两部分组成，利用钢塔架承受各种载荷以扶持排烟管工作，最近我国已建成数座100～200米高度不等的塔架式钢烟囱，据悉国外最高有达300米以上的。

3、在混凝土保护筒内的钢排烟管（一至几管），即简称“筒中筒”型式，它是近年从国外引进的技术，已知的有三座：

金山石化总厂乙烯分厂排气筒，混凝土保护筒（外筒）和排烟钢管（内筒）以同心园布置，内筒内径4.2米，高1.50米，重量176吨。

北仑发电厂1^＃60万千瓦机组的烟囱，结构与前者相同，钢内筒内径7米，高240米，重量为635吨。

上海石油洞口电厂正在兴建的60万千瓦机组烟囱，在一座混凝土保护筒内，直立两座内径为6.5米的钢烟囱，高度240米，每台重量近600吨。

以上三座烟囱在外筒内壁均设有盘梯，每一定高度有井字架平台（约共有6层），混凝土筒身上部1/3呈直柱形，以下略呈锥形，因此在地面、外筒内至钢筒壁有足够的空间便于施工操作。

第一类自立式钢烟囱由于高度和重量均不大，用常用的钢索、滑轮组、卷扬机构成的桅杆吊，适当参数的汽车吊、履带吊，已能胜任，因此不作为本题研究的对象。

第二类塔架式钢烟囱高度与重量较大（往往超过百米、百吨），若采用整体吊装，一般吊机的高度与荷重难以胜任，因此常采用倒杆翻转法，这个方法高空作业少，但所用的钢索、滑轮组、卷扬机和桅杆均是重型号的，吊装场面庞大、技术复杂。

在宝山钢铁厂烧结分厂四柱铁塔式双筒集合型200米高烟囱，由于施工单位实力雄厚，采用了液压顶升技术，每座烟囱组装时，包括220吨1010毫米行程活塞油缸三台，2.2米×1.3米×15.3米（长×宽×高）的钢顶升柱三座，110吨500毫米行程的千斤顶6台（两座同时顶升，装备加倍），并动用2台300吨汽车吊。

第三类混凝土保护筒内置自立式钢排烟管的“筒中筒”型式，外筒先行施工，不能采用整体倒杆翻转法，已经建成的金山石化厂150米烟囱是采用外筒中间段设立滑轮组进行倒装提升法。

根据以上情况，归纳起来，对钢制高烟囱来说，一种是以索具、滑轮组、卷扬机为主体的，包括倒杆翻转和逐段累加抬吊二型。另一种是以专门制造的液压活塞油缸为主的一套装备，采用逐段累加倒装顶升，油缸、控制设备和辅助装备价格昂贵，据说宝钢那套设备引进部分高达百万美元以上，以上两种施工工艺，在设备投资上是巨大的，作为一个施工单位，对于高烟囱并非经常性的业务，专门为它而大量投资是难以收回的，即便收回，也是增加工程造价或国家的负担。

（三）本发明构想产生的基础

北仑发电厂1^＃60万千瓦机组内径7米，高240米的钢烟囱（内筒、筒身重635吨）是促成我们创造本发明的动力。

我公司是浙江省属安装企业，按照国家和省政府的有关规定企业要从创造的利润中以50%以上以各种税收上缴国家，而在自己的留利中来添置装备，这与部属企业由政府提供装备费用是完全不同的，我们无力增添大型机具（何况是专用的）“穷则思变”我们决心“用常规武器打大仗”，在北仑发电厂1^＃烟囱工程议标的竞争中，我们与浙江省第二建筑公司以相当于国外同型工程价格的三分之一的报价，和以完全不同于以往烟囱施工方法的新构想战胜竞争对手而得标。

1987年8月15-16日，在有北仑电厂建设公司，浙江省电力局、华东电力设计院、省建总公司、浙建二公司等单位领导与专家参加的会议上，由本发明的主要成员骆锡耀高级工程师介绍了“气顶倒装法”的构想，这是首次当众的说明，获得与会者的赞同。

本发明的出发点是要用我公司已有的常规装备与工具，把重达635吨的钢筒组装起来，它是我公司有史以来最重的一次起重量，也是我国安装史上少有的起重量，因为北仑电厂1＃机组烟囱是目前我国最高的烟囱。

本发明的途径是在施工过程中，把逐节组对的加工件钢筒自身转化为起重工具，从而避免了使用大型起重工具。用工件自身件工具这是一种创新。

本发明的效益除了节省本单位的装备投资之外，而且要在施工过程中对已建成的土建构筑物（基础和外筒）几乎没有作业载荷，从而可以节约建筑造价。此法即使与液压顶升比较，液压顶升所用顶升柱位置必须布置在钢筒基础的外圈，要承受全部负载因此必须增加打桩数和基础量，而本发明的施工受力和将来的运行受力是完全一致的，所以这项节约也是可观的，而且如果从设计上考虑，今后会产生不需要外筒的可能性。

（四）本发明的原理

本发明是利用气体因压力差，而产生高压侧有向低压侧膨胀的物理性质，如果把钢烟囱上面一段而把顶端封住，成为一个倒立的杯子（图1之1），而另一段管子直径小于前者，底面封住，成为一个正立的杯子（2），把前一杯子（1）倒盖在后一杯子（2）的外圈，在小杯子的口外边，有一圈密封环，与小杯子（2）是固定的，而与杯子（1）的内壁却可以主产生摩擦移动，在杯（2）的底部引入一根进气管，压缩空气送入后，两个相套杯子的内部便形成一个压力腔，它的压力高于杯子外面的大气压力，如果杯子本身的耐压强度是允许的，而小杯（2）是固定在地面的，大杯（1）便有向上升的趋势以达到扩大正压腔的容积，如果开始进气压力为P₀，大杯（2）的内径为，底面积为

A＝ (π)/4 d²

向上的升力F₀＝P₀×A

如果F₀≥G₀+f₀杯子（1）便向上移动（即膨胀）

G₀-初始杯子（1）的重量

f₀-密封环对杯子（1）的摩擦力

当杯子（1）上升一段距离后，我们控制进气，而维持其高度不变，在杯子（1）的开口端之下，再用二瓣或三瓣围成一节，这一节的上口与杯子（1）的开口端牢牢对接而且严密，实际上把杯子（1）接长一节，重量增加了，此时重量为    G1，

G₁＝G₀+G_△1

G_△1-为接上第一节的重量

那样，把进气压力提高到P₁，P₁＝P₀+P_△1

于是，向上的升力为F₁

F₁＝P₁×A

＝（P₀+P_△1）×A

F₁≥G₁+f₁

≥（G₀+G_△1）+f₁

G_△1-第一接长节的重量

f₁-密封环对杯子（1）此时的摩擦力，由于摩擦力变化较小，数值也不大，以后不作变动考虑。

以后续节增加，续节顶升，到最后

∑F≥∑G+F

≥（G₀+G_△1+G_△2+……+G_△n）+F

≥（P₀+P_△1+P_△2+……P_△n）×A+f

≥∑P×A+f

因为每节的重量与最后的总重都是可以预先算出的，所以每次顶升的压力和最后需要的最高压力也是可以预计的，只要所加最高压力使钢筒身的受力在许用应力范围以下，这个顶升是可以继续的。只是对于其顶端的最薄段的计算要参考压力容器监察规程执行，根据烟囱直立稳定性的设计，高度较大钢烟囱的壁厚由顶而下总是逐步增加的。

（五）本发明“气顶倒装法”的实际作法

1、用一般吊具把钢烟囱由顶而下组对初始段（段高不少于10米，吊具能力可以采取60吨以下，吊装高度40米以下），在顶端内壁加上个加强圈，在加强圈的直径位置，架设两根平行横梁（图之一），横梁顶上设置成直线布置的四个滑轮座（1），两两对称，两个靠近园筒中心，另两个靠近园周，预穿上钢丝绳，当随后装上带有封头（2）的筒节后，使正中的动滑轮与封头顶端的吊耳相挂住，以上是根据烟囱为完全自立而考虑的，倘若是筒中筒形式的钢内筒，以上滑轮座与横梁应设在混凝土外筒的顶端之上（构成龙门架的定滑轮组）以适应装盘梯与平台的需要（一机多用），这些吊具在此工序中有下列用处：

ⅰ、当整个钢筒组立完毕后，拆下封头，用此吊具把封头吊到地面内底座上面，改变吊点，使封头直立，然后从烟道口，由外设的吊具把封头移走。同样，用以拆除内底座各部件，由烟道口送出。

ⅱ、用以升降内工作吊兰，以便进行筒内壁的防腐，喷浆（捣浆）等内部后续工序。

2、把初始筒段（3）吊到足够高度，使地面有足够的空间位置，以便把内底座（6）装到烟囱基础的正中位置，而且使底面与基础牢牢固定，此内底座的法兰形顶面上，装有三个导向滑轮座（4），以保证顶升过程筒身与内底座的同心度，顶面法兰之下，有两层耐磨橡胶密封环（5），它们可以通过进入的压缩空气气压改变其对筒内壁的压紧程度，使其既保证足够的密封性能，又不致过速磨损。

密封环之下，通过一个锥形段，接着为园筒形座身，其直径小于钢烟囱内径，即留有1米左右宽的环形空间，用以让焊工焊内壁焊缝的，最底下是园形大底面，也即是烟囱自身的底面，在焊工操作环形范围内，底面上要开一进出入口，以便人员必要的进出，再开一个排风口，以便与引风机联结，把环形操作室内的烟气排出。

园筒形座身上有一人孔，平时应是密封的，不应漏气，此孔是在必要时进到里面便于对密封环等进行检修。

内底座应设计成数段联结成的，以便完成时拆除，可以分段从烟道口吊出，但联结段接口在顶升时应达到严密性要求，避免漏气。

在底板中心位置范围内引入顶升压缩空气总管，直径为75-100毫米，以满足大量进气的要求，还要引进二根密封环控制管和其他安全和压力表管，这些管直径小，应用粗钢管保护，以免施工过程受到碰击破坏。

3、把带有封头的初始段徐徐放下，套在内底座的外圈位置，因为导向轮的作用和密封环此时处于收缩状况，只要操作小心，放下初始段可以保持与内底座同心。

4、在适当的距离之外，布置着一个气源装置，可以放2-3台电动空压机（0.785MP、6NM³/min），一台罗茨鼓风机（0.078MP_a、80NM³/min），一台20m³的贮气罐，以上设备的参数是参考的，并非绝对的，因为气顶的压力一般在0.196MP_a以下，气顶过程的控制主要是通过容积来实现的，密封环绝对不漏气也不可能，密封性能由钢筒内壁的内焊缝的粗糙度而定。所有阀件的操作把手也应集中在一个操作台面上，鼓风机和空压机等的按钮也应在此台面上，标明其功用，避免误操作。

5、以上工作完成后，即可开始进气顶倒装，从初始段以后，由2-3瓣围成一节，再与上段焊成整体，再气顶上升……直至达到设计高度。以后便拆去封头和内底座。

这样，最艰难筒身组装便完成了，后续工序非本发明的范围故此从略。

（五）本发明的专利要求

从以上说明中已经可以看出了本发明的特征：

在等直径（气顶以上的初始段可以变径）钢烟囱（排气筒）的适当断面上加上封头（或加强盲板）利用从内底座的底部（或下部）通入适当压力的压缩空气，而依靠内底座上部的密封环保住气压，使已构成的钢筒段贴着密封环上升，提供空间位置围上后续瓣节，再顶升……达到筒身组装完成，即认为引用本专利。

（六）本发明的应用实例：

在中国本发明者们首次应用于北仑发电厂第1号60万千瓦机组240米烟囱（筒中筒），估计在国外也无先例。

北仑发电厂该钢内筒内径7米，高240米，高出混凝土外筒5米，筒身重635吨，是在外筒内壁组装完盘梯和井字架平台后施工的，因此利用设在顶端原有龙门架的吊具，可以在高度范围内吊重60吨，在气顶时，用这套吊具挂住封头的吊耳，是起导向的作用，气顶完毕后，也用这套吊具拆除封头及内底座，并应用于后续工序。

初始段约30米，气顶段由1989·9·26日开始，至今（1989·10·29）已升高达150米，由于焊接工作的决定，每天约顶2-3节，约为4米，预计11月底顶升完成。

由于此法对土建没有增加施工额外受力，组装顺利，华东电力设计院对第二台保护外筒设计已经考虑到这些因素，因此将减少外筒的钢筋用量和标高120米平台的钢结构承载强度，初略估计可节约钢材150吨。

本公司三处北仑电厂工地只承担一项烟囱工程，没有有采用20吨以上的汽车吊或履带吊，全部用一般机具完成任务，所用空气压缩机也是钢材喷砂除锈所需要的，所有机具都是通用性的，与其他方法比较节约装备费百万元。

由该实例中已证明等直径钢制高烟囱气顶倒装法是安全稳妥而可靠的，而且促进了质量的提高，因为采用此法要保证气密性，对筒身园度要求较高，7米内径，椭园度长短径之差不得超过20毫米。

本发明也有不足之处，因为在装置地点气顶时必须进行瓣状组对，而不能成节组对，因此预制量较小，现场作业时间较长，但在编制作业计划时注意这个特点，对整体工期是没有影响的。

应当肯定气顶倒装法是烟囱施工中的一项有价值的创举。

对附图的说明

图1：气顶倒装法原理图

图中    1、大杯（大管段）

2、小杯（小管段）

3、密封环

P    为一定压力的压缩空气

F    为压缩空气的压力P对大杯底作用的向上合力

图2：气顶倒装法结构的示意图

图中    1、顶端滑轮座

2、封头

3、钢筒筒身

4、导向装置

5、密封环

6、内底座

7、空气压缩机与鼓风机

8、贮气罐

h    为足以组装后续节的高度，即略大于钢板宽度