倒装法更换钢制烟囱施工工艺

赵兴武，于建华，王 军，钟 博，胡昊鹏

中国石油天然气第七建设有限公司，山东青岛 266300

在石油化工改扩建工程中，涉及烟囱、排放筒更换施工相对较少。以往施工中，此类工程多采用大型吊车吊装、卷扬机吊装等施工方法，存在高处作业多、施工周期长、施工成本高、准备工作繁琐等一些不利因素。本文结合某石化公司硫磺回收装置中一座80 m钢制烟囱更换施工，介绍了一种烟囱拆除、安装的倒装施工工艺，可以减少高处作业，无需大型吊车，对作业面要求较低，节约施工成本。

1 工程概况

2020年7月，某石化公司实施炼油厂检修技改工程，工期为一个月。其中，包括对一套硫磺回收装置进行技术改造，涉及一座钢制烟囱更换施工，将原有Q235B材质烟囱（见图1）拆除，更换为一座S30408材质烟囱，烟囱塔架保持不变。烟囱规格为D1000/600 mm×80 m，钢板厚度δ为10 mm/8 mm，金属质量13 t，保温、衬里等非金属质量 3.8 t。

图1 待更换烟囱

2 施工准备

2.1 作业面准备

2.1.1 清理施工作业现场

清除临时堆放的施工用料、多余的施工机具等，留出畅通的作业面，并在作业点周围拉设警戒线，与施工无关人员不得入内，并派专人监护。

2.1.2 烟囱隔离

断开与烟囱连接的所有管道、电气、仪表等线路，将影响烟囱拆除的接管、仪表设备全部拆除。

2.1.3 烟囱清污

打开烟囱筒体底部人孔，清除筒体内残留积液、污垢等，以防止后续动火作业发生燃烧、爆炸等危险。

2.2 人员准备

对施工人员进行安全培训、施工技术交底。特种作业人员要求持证上岗，并进行岗前考核，合格后方可上岗作业。本烟囱更换施工设总指挥一名，全面负责施工过程中的指挥协调工作。

2.3 材料准备

2.3.1 工程用料

因现场焊接作业条件受限，烟囱筒体焊接成型与工厂化预制产品差距较大，所以项目部没有采用现场预制钢板，而是采购了钢管厂家成品钢管。每段钢管定尺长度5～6 m，共15段，一端开60°坡口，现场只进行环焊缝焊接，可以较好地保证烟囱成型质量。

2.3.2 手段用料

制做吊装工装一套。准备手段用料型钢：HW200mm×200mm，长50m，HW150mm×150mm，长10 m。准备钢板：δ=20 mm，材质Q235B，面积1 m2（柱脚板）；δ=12 mm，材质Q245R，面积3 m2（吊耳）。

2.4 施工机具准备

25t吊车1台，10t电动倒链4台（行程5.6m），2 t手动倒链4台[1]，10 t卡扣4只，2 t卡扣4只，2 t钢丝绳2对，电焊机2套，割炬1套。

2.5 提升工装制做

根据型钢性能[2]，选用HW200 mm×200 mm型钢作为立柱、横梁，制作一套烟囱提升工装。工装规格为2 m×2 m×8 m长方体构架，4个柱脚焊接于400 mm×400 mm×20 mm柱脚板上，在工装顶部4根横梁中间位置各焊一只10 t吊耳。将烟囱筒体定位在提升工装中间，如图2所示。

图2 烟囱吊装工装

2.6 吊耳设计

2.6.1 板式吊耳强度校核[3]

以该规格吊耳吊装最大重量的主吊吊耳为例进行核算，吊耳形状如图3所示。

图3 吊耳形状

吊耳为4个板式吊耳，δ=12 mm，材质为Q245R，许用应力[σ]=127 MPa；烟囱总质量m=16.8 t，根据规范要求，吊耳设计系数取K1=1.5，吊耳向心设置，倒链与竖直方向最大夹角为24°；单个吊耳受力方向承受载荷为P1=Gj/4=K1·m·9.8/4=61.74（kN）；倒链方向承受载荷为P2=P1/cos24°=67.846（kN）。

吊耳受力面积A=（2R-φ）δ，式中：R为吊耳外圆半径，取50 mm；φ为吊耳孔直径，取50 mm；δ为吊耳板厚度，取12 mm；A=6 cm2。

吊耳孔截面拉应力 σ=P1/A=103 MPa＜[σ]（127 MPa），吊耳强度满足要求。

2.6.2 板式吊耳焊缝强度校核[4]

焊缝厚度a=K+P=12 mm+6 mm=18 mm；焊缝正应力 τ=P1/al=18 MPa≤[σ]（412 MPa），吊耳板焊缝强度满足要求。

结论：板式吊耳（δ=12 mm） 满足设计要求，采用该规格吊耳可行。

2.7 电动倒链控制柜设置

本工程由4台10 t电动倒链作为主提升工具，现场设手动控制柜1台。控制柜安装在便于观察倒链运行状态、视线良好的位置。每台倒链由单独一个开关控制，4台倒链设置一个总开关，用独立开关调整倒链初始拉力，总开关控制倒链运行。这样可以保证倒链运行同步，如果过程中出现异常情况，也可以立即切断电源，同时停止4台倒链动作。

3 主要施工方法

因烟囱筒体与各层塔架平台板间隙为1～2 cm，可将各层塔架平台板看作导向支架，利用安装在地面上的一套提升工装，采用倒装施工法将烟囱逐段拆除/安装，完成更换施工。

3.1 旧烟囱拆除

3.1.1 流程

旧烟囱拆除流程见图4。

图4 旧烟囱拆除流程

3.1.2 施工步骤

（1）吊耳焊接。在距烟囱底部5 m处，沿圆周均布、焊接4只10 t吊耳，每只吊耳位置与工装横梁吊耳相对应，此4只吊耳为烟囱提升主吊耳。在距烟囱底部4 m处对称焊接2只2 t吊耳，此2只吊耳为下段筒体拆除用吊耳。

（2）施加预拉力。在工装横梁上各安装1台10 t电动倒链，下端分别挂在烟囱筒体的4只主吊耳上。倒链上行行程保留约500 mm，通电张紧倒链，每台倒链施加预拉力约20 kN。

（3）烟囱底部切割。在距烟囱地脚螺栓顶部约50 mm处沿圆周划线，用气焊割把将烟囱割断。注意采用分段切割，防止烟囱筒体应力突然释放造成人员受伤。

（4）烟囱提升。4台倒链缓慢均匀施加拉力，将烟囱筒体提升20 mm，静置10 min[5]，同时检查倒链、工装、烟囱塔架等有无异常。确认工况正常后继续提升200 mm，在空隙处插入H150 mm×150 mm型钢2根，作为烟囱后续施工底座。

（5） 第1段筒体切割拆除（见图5）。把提前安装好的2台2 t倒链挂在下段筒体吊耳上，并把倒链张紧。在主吊耳下方200 mm处划线，用气割将烟囱底部第1段割断，用2 t倒链与吊车配合，将此段筒体拆除运至指定地点，完成第1段烟囱筒体切割。

图5 烟囱底部筒体切割拆除

（6） 烟囱下放（见图6）。同步缓慢下放4台10 t倒链，派专人操作控制柜。同时，烟囱塔架各层平台派专人监护，观察有无卡塞现象，如无异常，直接将烟囱下放到底部放置的型钢上，摘除倒链挂钩。

图6 拆除底部筒体后烟囱下放

（7）后续拆除施工。按上述方法继续焊接吊耳、烟囱提升、下段筒体拆除、烟囱下放……，循环施工，直至将整座烟囱拆除完成。

3.2 新建烟囱安装

3.2.1 安装流程

新建烟囱安装流程见图7。

图7 新建烟囱安装流程

3.2.2 施工步骤

（1）烟囱基础处理。凿除烟囱基础上的二次灌浆层，并清扫干净。在基础上放置2根H200 mm×200 mm型钢，型钢上表面高出地脚螺栓5 cm。

（2） 新建烟囱分15段到货，每一段为长度5～6 m的成品筒体，下端开60°坡口。

（3）新建烟囱安装同样采用倒装法，从顶部第1段筒体开始安装。在距筒体顶部、底部200 mm处各对称焊接2只吊耳，先用吊车将其吊装至烟囱基础旁，利用安装在烟囱塔架、提升工装上的倒链相互配合，将第一段筒体移至基础中心位置（见图8），再利用工装提升至6 m高度。

图8 烟囱顶部第1段筒体就位

（4）用上述方法将顶部第2段筒体移至基础中心位置上，再将顶部第1段筒体缓慢下落，完成两段筒体间环焊缝组对、焊接，见图9。

图9 烟囱顶部第二段筒体就位、组焊

（5） 将提升倒链移至第2段筒体底部吊耳处，再将两段筒体整体提升6 m。

（6）用上述相同方法，完成后续所有筒体安装、焊接、提升。

（7）完成烟囱底座组对、焊接后，将烟囱提升100 mm；撤出基础上的H200 mm×200 mm型钢，按规范要求安装垫铁，并将烟囱下落至垫铁上；调整烟囱垂直度；基础灌浆；完成新建烟囱安装。

4 注意事项

（1）要保证烟囱在工装的中心位置，且倒链与烟囱筒体夹角保持一致，这样烟囱提升/下放过程平稳，不会发生左右偏移现象。

（2）旧烟囱拆除作业时，开始先使用4台10 t倒链配合下放拆除。当烟囱拆除至40 m以下时，因重量减轻，可用对称2台10 t倒链配合，即可完成烟囱拆除作业。

（3）新烟囱安装作业时，开始先使用2台10 t倒链配合提升。当烟囱安装超过50 m后，采用4台10 t倒链提升。

（4）旧烟囱拆除作业时，当烟囱拆除至30 m时，因导向平台板支撑减少，如不增加限位措施，烟囱筒体会出现较大幅度摆动。所以，要提前在烟囱上端焊接1只吊耳，并在上层平台梁上安装1台2 t倒链，在烟囱顶部施加适当拉力，使烟囱下放过程始保持平稳状态。

（5）新烟囱安装作业时，在前30 m烟囱提升过程中，因上部缺少导向支撑，需要在筒体顶部吊耳上安装2台倒链，施加适当拉力，防止筒体倾倒。

5 施工效果

（1） 本项工程给定工期为20 d。采用上述施工方法后，实际工装制做安装3d，旧烟囱拆除4d，新建烟囱安装焊接5 d，实际总工期12 d，远小于20 d给定工期。

（2）采用倒装法更换施工不需要对烟囱塔架进行改动，不需要使用大型吊车，节约此项施工费用约30万元。

（3）倒装法施工作业条件好，施工质量受控。

（4）采用倒装法对烟囱进行更换，可减少大量脚手架搭设、焊接等高处作业，降低安全风险。

（5）倒装法施工对作业面要求低，适合在装置区内等场地受限环境下施工。

6 结束语

通过本工程施工，可以发现类似钢制烟囱、排放筒等设备更换采用倒装法可以大大降低安全风险、缩短施工周期、减少施工费用，同时因作业条件较好，施工质量也容易保证。倒装法是一种较为理想的钢制烟囱更换施工方法。