способ оценки промышленной безопасности дымовых и вентиляционных промышленных труб (варианты)

Формула изобретения

1. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы, при котором в процессе обследования металлической дымовой трубы для i-го участка ее ствола, i принимает значение от 1 до K_с - общее количество участков, отсчет которых начинается от поверхности земли, измеряют - D_i (м) - наружный диаметр оболочки участка ствола, L_i (м) - длину участка ствола, Z_i (м) - высоту от поверхности земли до нижнего сечения участка ствола, t_i,Р (м) - толщину оболочки участка ствола, р принимает значение от 1 до N_зам. - общее количество замеров, отклонения от круговой формы оболочки участка ствола, например в виде местной погиби, на величину, превышающую проектную толщину t_i,пр (м) оболочки, а также определяют число лет эксплуатации m, отсчитываемое от года ввода трубы в эксплуатацию до года проведения указанных замеров, далее рассчитывают следующие параметры металлической дымовой трубы:

- эффективную толщину оболочки участка ствола t_i,эф, определяют по формуле

где - минимальная статистическая толщина оболочки;

- среднее арифметическое значение N_зам. замеров толщины t_i,p стенки оболочки участка ствола;

- среднее квадратическое отклонение замеров от среднего значения; - коэффициент, учитывающий объем выборки при

- скорость коррозии _i,кор, определяют по формуле

- ветровую нагрузку W (кПа или кгс/м²) на ствол металлической дымовой трубы на высоте Z (м) от поверхности земли определяют по аппроксимирующей формуле (при коэффициенте надежности, равном 1,4)

W=Z ⁿW_o,

где величины коэффициентов и n для гладких оболочек и для оболочек участков ствола с наружными ребрами приведены в табл.1 для местностей типов А, В, С, здесь местность типа А - открытое побережье морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра; местность типа В - городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м; местность типа C - городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м; W₀ (кПа или кгс/м²) - нормативные значения ветрового давления, табл.2, в зависимости от ветрового района по карте ветрового районирования (обязательное приложение 5) по СНиП 2.1.07-85;

Таблица 1

Гладкая оболочка		Оболочка с наружными ребрами		Тип местности
	n		n	-
1,0	0,25	1,5	0,25	А
0,86	0,25	1,3	0,25	В
0,75	0,28	1,2	0,28	С

Таблица 2

Номер ветрового района	Ia	I	II	III	IV	V	VI	VII
W0, кПа (кгс/м2)	0,17 (17)	0,23 (23)	0,30 (30)	0,38 (38)	0,48 (48)	0,60 (60)	0,73 (73)	0,85 (85)

- изгибающий момент М(Z) (кН·м или кгс·м) и поперечную силу Q(Z), (кН или кгс) в стволе металлической дымовой трубы от ветровой нагрузки W для местности типа А на высоте Z (м) от поверхности земли с постоянным наружным диаметром без наружных продольных ребер определяют по аппроксимирующим формулам

где D - наружный диаметр (м) ствола металлической дымовой трубы;

Z_k - высота (м) расположения верхнего торца ствола, отсчитываемая от поверхности земли;

- изгибающий момент М(Z_N) и поперечную силу Q(Z_N) от ветровой нагрузки W для местности типа А в нижнем сечении участка N ствола металлической дымовой трубы на высоте Z_N от поверхности земли с постоянным наружным диаметром и имеющий участки ствола с наружными продольными ребрами определяют по аппроксимирующим формулам

где

если участок ствола с номером i без наружных продольных ребер или если участок ствола с номером i с наружными продольными ребрами;

- изгибающий момент М(Z_N) и поперечную силу Q(Z_N) от ветровой нагрузки W для местности типа А в нижнем сечении участка N ствола металлической дымовой трубы на высоте Z_N от поверхности земли с постоянным наружным диаметром и имеющим участки ствола с наружными продольными ребрами, и участки ствола в виде усеченного конуса определяют по аппроксимирующим формулам

где

D_i - наружный диаметр в основании усеченного конуса оболочки участка ствола;

D_i+1 - наружный диаметр верхней части усеченного конуса оболочки участка ствола;

при этом для участка ствола с цилиндрической оболочкой

- напряжение сжатия (кПа или кгс/м²) в гладкой оболочке ствола на высоте Z_i от поверхности земли определяют по формуле

где M(Z_i), G(Z_i) - соответственно изгибающий момент от ветровой нагрузки и осевая сжимающая сила от веса конструкций ствола в нижнем стыке участка ствола на высоте Z_i от поверхности земли;

W_i,изг =F_i(D/4) и - момент сопротивления изгибу и площадь поперечного сечения оболочки участка ствола;

ветровую нагрузку W на ствол металлической дымовой трубы в металлическом каркасе на высоте Z от поверхности земли определяют по аппроксимирующей формуле

W=Z ⁿW_о,

где величины коэффициентов и n для гладких оболочек и для оболочек участков ствола с наружными ребрами приведены в табл.1 для местностей типов А, В, С;

- ветровую нагрузку W₁ на металлический каркас на высоте Z от поверхности земли определяется по аппроксимирующей формуле

W₁=2C_а Z^0,25W _o,

где С_а - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления площади контура грани ферменной конструкции металлического каркаса с наветренной стороны, определяемый по СниП 2.01.07-85, Нагрузки и воздействия, 1987.

- изгибающий момент М(Z) и поперечную силу Q(Z) на ствол металлической дымовой трубы в металлическом каркасе на высоте Z от поверхности земли определяют с использованием метода конечных элементов;

- ресурс R_i,рес (годы) оболочки участка ствола, величину которого определяют по правилам округления до целого по формуле

если

если

где t_i,доп - допустимая толщина оболочки участка ствола, которую вычисляют из условия ее прочности (устойчивости) в зависимости от конструктивных особенностей трубы.

2. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.1, при котором для свободностоящей трубы с круговыми цилиндрическими оболочками участков ствола постоянного диаметра по всей высоте ствола трубы, для которой выполняется условие допустимую толщину оболочки участка ствола t_i,доп определяют по формуле

t_i,доп=2 мм, если t_i,доп 2 мм,

где

n = 1,125; - для местности типа А;

n = 1,125; - для местности типа В;

n = 1,14; - для местности типа С;

Z _k - высота (м) расположения верхнего торца ствола, отсчитываемая от поверхности земли; здесь Z_i - высота расположения нижнего сечения участка ствола, отсчитываемая от поверхности земли;

K_У - коэффициент устойчивости, табл.3;

K_f - коэффициент, учитывающий повреждение в виде местной погиби участка ствола (K_f = 1 - повреждение в виде местной погиби не превышает толщину оболочки участка ствола, =0,5 - превышает).

Таблица 3

D/(2tэф)	100	200	300	400	600	800	1000	1500	2500
K у	0,22	0,18	0,16	0,14	0,11	0,09	0,08	0,07	0,06

3. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.1, при котором допустимую толщину оболочки участка ствола t_i,доп для свободностоящей трубы с круговыми цилиндрическими оболочками участков ствола, для которых не выполняется условие определяют из условия

где

здесь , Е - соответственно предел текучести и модуль упругости материала оболочки участка ствола, - коэффициент устойчивости;

K_f - коэффициент, учитывающий повреждение в виде местной погиби участка ствола (K_f = 1 - повреждение в виде местной погиби не превышают толщину оболочки участка ствола, =0,5 - превышает).

4. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.1, при котором для каждого участка ствола металлической дымовой трубы критерием безопасной эксплуатации принимают неравенство

5. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.4, при котором в случае, если ресурс оболочки участка ствола металлической дымовой трубы равен нулю ( ), то продлевают срок ее эксплуатации за счет усиления оболочек участка ствола ребрами (стрингерами).

6. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.4, при котором для ствола трубы, имеющего участок ствола с ресурсом, равным нулю, на основе зависимостей для подкрепленных оболочек проводят расчеты по определению количества и типа подкрепляющих ребер, при минимальном количестве которых достигается заданное увеличение ресурса до величины , при этом параметры набора оболочки участка ствола продольного (стрингеры) и поперечного (шпангоуты) являются дискретными величинами.

7. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.6, при котором для оптимизации по массе усиленного участка ствола при последовательном их проектировании параметры их силовых элементов - количество и тип профиля принимают ряд дискретных значений, при этом количество должно быть не менее 6, с последующим выбором из этого множества участков ствола минимальной массы, при этом все множество проектируемых участков ствола должны удовлетворять требованиям устойчивости

; ; ,

где - максимальное расчетное осевое сжимающее напряжение в стрингерах; - минимальное критическое осевое напряжение для стрингеров; - критическое напряжение для оболочки при действии осевой силы; - максимальное расчетное касательное напряжение в оболочке с учетом подкрепляющих элементов; - критическое касательное напряжение для оболочки участка ствола.

8. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.7, при котором критическое осевое сжимающее напряжение потери устойчивости стрингера определяют как минимальную величину из выражения

где - коэффициент, учитывающий местную потерю устойчивости оболочки; = 0,85 - оболочка между стрингерами теряет устойчивость; = 1,0 - оболочка между стрингерами не теряет устойчивость; - критические напряжения потери устойчивости стрингера между смежными шпангоутами; - критическое напряжение местной потери устойчивости стрингера; - критическое напряжение потери устойчивости стрингера с учетом жесткости промежуточных усиливающих шпангоутов; - модуль упругости стали стрингера; - радиус инерции поперечного сечения стрингера; - площадь и момент инерции поперечного сечения стрингера; - длина оболочки участка ствола (расстояние между смежными шпангоутами; ; b и - ширина и толщина полки стрингера.

9. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.8, при котором критическое напряжение потери устойчивости стрингера с учетом жесткости промежуточных шпангоутов определяют по схеме сжатого стержня, связанного посредине с упругой опорой с жесткостью K_S (при = 1, - количество промежуточных шпангоутов ) или как для стержня, лежащего на упругом основании с коэффициентом жесткости (при ) определяют по формуле

где при = 1 имеем N = 1 и при ;

(N = 1 при 1 < r < 4, N = 2 при 4 < r < 36, N = 3 при 36 < r < 144),

при этом при отсутствии взаимного влияния усилий от стрингеров на деформацию шпангоутов, (при наличии оболочки), выражение для K_S принимает вид

где - модуль упругости, момент инерции, радиус инерции поперечного сечения шпангоута.

10. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.7, при котором сжимающие критическое напряжение потери устойчивости для оболочки определяют из выражения

=

где - критическое напряжение потери устойчивости для панели оболочки между стрингерами, - модуль упругости стали участка ствола; - прогнозируемая толщина оболочки участка ствола; - средняя скорость поверхностной коррозии (или нормативная величина скорости коррозии); m - время (годы) эксплуатации трубы; t _i,пр - проектная толщина оболочки участка ствола; t _i,эф - эффективная толщина оболочки участка ствола; - ширина панели; , рад - угловое расстояние между смежными стрингерами; - расстояние в окружном направлении между сварными швами, крепящими стрингер к оболочке; - критическое напряжение потери устойчивости для оболочки между сварными швами вдоль стрингера.

11. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.10, при котором критическое напряжение потери устойчивости оболочки между сварными швами вдоль стрингера определяют по формуле

,

где - шаг между сварными швами в продольном направлении для прерывистого сварного шва; - длина участка шва.

12. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.7, при котором критическое касательное напряжение для оболочки определяют из выражения

13. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по пп.1,7, при котором расчетное осевое сжимающее напряжение (кПа или кгс/м²) определяют по формуле

где M(Z_N), G(Z_N) - соответственно изгибающий момент от ветровой нагрузки и осевая сжимающая сила от веса конструкций ствола в нижнем стыке участка ствола на высоте Z_N от поверхности земли;

- изгибающий момент М(Z_N) и поперечную силу Q(Z_N) от ветровой нагрузки W для местности типа А в нижнем сечении участка N ствола металлической дымовой трубы на высоте Z_N от поверхности земли с постоянным наружным диаметром и имеющий участок ствола с наружными продольными ребрами определяют по аппроксимирующим формулам

;

,

где K_c - число участков ствола металлической дымовой трубы;

N - номер участка ствола, в нижнем сечении которого определяют изгибающий момент;

; ; ;

, если участок ствола с номером i без наружных продольных ребер или , если участок ствола с номером i с наружными продольными ребрами;

- приведенная площадь поперечного сечения оболочки участка ствола; - приведенная ширина оболочки; - количество стрингеров;

- приведенный момент сопротивления изгибу поперечного сечения подкрепленной оболочки; - угловое расстояние до стрингера от принятого начала отсчета.

14. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.7, при котором максимальные расчетные касательные напряжения в оболочке с учетом подкрепляющих элементов определяют из выражения

где Q(Z_N) - поперечная сила от ветрового давления; - приведенный статический момент половины поперечного сечения подкрепленной оболочки;

- приведенный момент инерции поперечного сечения подкрепленной оболочки.

15. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы, при котором в процессе обследования железобетонной дымовой трубы для i-го участка ее ствола, i принимает значение от 1 до K_с - общее количество участков, отбирают пробу бетона из железобетонного ствола путем сквозного выбуривания цилиндрического керна в количестве от 1 до N_проб. и измеряют - L_i (м) - длину участка ствола, Z_i (м) - высоту от уровня земли до нижнего сечения участка ствола, h_i,j (м) - толщину j-ого слоя стенки ствола, постоянную в пределах участка, j принимает значение от 1 до n - общее количество слоев с различным коэффициентами теплопроводности материала (Вт/(м·град), при j=n h_in - толщина стенки железобетонного ствола; d_1i, d_2i - диаметры вертикальной арматуры у внутренней и наружной поверхностей стенки железобетонного ствола соответственно, S_i, - расстояния между двумя соседними стержнями вертикальной арматуры у наружной и внутренней поверхностей, у железобетонного ствола, наружный диаметр D_i,n+1 у нижнего сечения участка, - наружный диаметр D_i+1,n+1 у верхнего сечения участка, изготавливают для испытаний на прочность из пробы бетона серии цилиндрических контрольных образцов высотой , p принимает значение от 1 до r - общее количество контрольных образцов в серии, изготовленных из пробы бетона, в каждом контрольном образце измеряют плотность, химический состав, степень выщелачивания, замеряют максимальный поперечный размер повреждения в стволе в виде сквозного отверстия, далее рассчитывают следующие параметры железобетонной трубы:

- призменную прочность контрольного образца из пробы бетона определяют по формуле , для отношения длины цилиндрического контрольного образца к его диаметру , - напряжение в контрольном образце при его разрушении осевой сжимающей силой F_p;

призменную прочность бетона в серии контрольных образцов определяют как среднее арифметическое значение по формуле

где - количество контрольных образцов, учитываемых при определении прочности бетона в серии из r контрольных образцов; в серии из двух контрольных образцов - =2; в серии из трех о контрольных образцов - по двум наибольшим по прочности образцам, =2; в серии из четырех контрольных образцов - по трем наибольшим по прочности образцам, =3; в серии из пяти контрольных образцов - по четырем наибольшим по прочности образцам =4; в серии из шести контрольных образцов - по пяти наибольшим по прочности образцам =5;

- относительный эксцентриситет приложения нормальных сил определяют по формуле

где (Z_i), здесь K₁=1,5 - коэффициент, учитывающий дополнительный изгибающий момент, вызванный весом ствола вследствие его прогиба с учетом дополнительного изгибающего момента от крена фундамента; - изгибающий момент от ветровой нагрузки, К₂=1,0 если высота дымовой трубы менее 150 м; К₂=1,08, если высота дымовой трубы более 150 м и менее 300 м; К₂ =1,15, если высота дымовой трубы более 300 м; , D_k - наружный диаметр ствола на отметке с координатой Z_k, отсчитываемой от поверхности земли; D_i,n+1 - наружный диаметр ствола на отметке с координатой Z _i, отсчитываемой от поверхности земли до нижнего сечения i-го участка ствола; Z_k (м) - расстояние от поверхности земли до верхнего торца трубы; ; G(Z_i) - вес конструкций ствола железобетонной трубы, находящейся выше отметки с координатой Z_i, отсчитываемой от поверхности земли; - средний радиус железобетонного ствола, D_i+1,n+1 - наружный диаметр ствола на отметке с координатой Z_i+1 , отсчитываемой от поверхности земли до верхнего сечения i-ого участка ствола; h_i,n - толщина стенки железобетонного ствола, W₀ (кПа или кгс/м²) - нормативные значения ветрового давления, табл.2, в зависимости от ветрового района по карте ветрового районирования (обязательное приложение 5) по СНиП 2.1.07-85;

- температуры t_i,1 и t _i,n+1 соответственно на внутренней поверхности футеровки и на наружной поверхностях железобетонного ствола, соприкасающихся с теплоносителями, определяют по формулам

где q_i,L (Вт/м) - плотность теплового потока; t_Г - температура отводимого газа; t_возд - температура наружного воздуха; (Вт/(м²·град) - коэффициент теплоотдачи отводимого газа в трубе; (м) - диаметр внутренней поверхности футеровки; (Вт/(м²·град) - коэффициент теплоотдачи воздуха, обтекающего дымовую трубу снаружи; D_i,n+1 (м) - наружный диаметр дымовой трубы;

- плотность теплового потока (Вт/м) определяют по формуле

где (Вт/(м·град) - коэффициент теплопроводности материала j-го слоя стенки; - средний диаметр j-го слоя стенки ствола дымовой трубы; (м) - диаметр внутренней поверхности j-го слоя стенки ствола дымовой трубы; D_i,j+1 (м) - диаметр наружной поверхности j-го слоя стенки ствола дымовой трубы;

- коэффициент теплоотдачи (Вт/м²·град) отводимого газа в канале ствола дымовой трубы определяют по аппроксимирующей формуле

где V (м³/c) - объем отводимого газа; t _Г - температура отводимого газа;

- коэффициент теплоотдачи (Вт/м²·град) от окружающего воздуха к наружной стенке трубы определяют по аппроксимирующей формуле

где W₀ (кПа или кгс/м²) - нормативные значения ветрового давления, табл.2, в зависимости от ветрового района по карте ветрового районирования (обязательное приложение 5) по СНиП 2.1.07-85;

- температуру на наружной поверхности j-го слоя стенки ствола трубы определяют по формуле

где t_i,j - температура на внутренней поверхности j-ого слоя стенки ствола трубы;

- температуру точки росы определяют по аппроксимирующей формуле

где - для диапазона температур от минус 10 до 26⁰С;

- для диапазона температур от 26 до 100⁰С;

- для диапазона температур от 100 до 190⁰С;

- относительная влажность отводимого газа в %;

- характеристику сечения железобетонной стенки определяют по формуле

где E_s, E_бет - модуль упругости материала вертикальной арматуры и начальный модуль упругости бетона соответственно, h_i,n - толщина железобетонного ствола;

- половину центрального угла (рад), ограничивающего сжатую зону поперечного сечения, определяют по аппроксимирующей формуле

где С_oi - относительный эксцентриситет приложения нормальных сил;

- параметр n_i,бет железобетонного ствола определяют по формуле

n_i,бет= ,

- величину напряжения сжатия в бетоне от ветровой нагрузки, веса конструкций ствола и конструктивных особенностей ствола железобетонной дымовой трубы;

- величину напряжения сжатия в бетоне в зависимости от параметра и конструктивных особенностей ствола железобетонной дымовой трубы;

- величину напряжения растяжения в вертикальной арматуре от ветровой нагрузки, веса конструкций ствола и конструктивных особенностей ствола железобетонной дымовой трубы;

- коэффициент повреждения бетона , показывающий величину увеличения напряжения сжатия в бетоне ствола и величину увеличения напряжения растяжения в арматуре в зависимости от половины центрального угла (град.), ограничивающего повреждение в виде сквозного отверстия в стволе трубы, определяют по аппроксимирующей формуле

- коэффициент коррозионного повреждения вертикальной арматуры , показывающий величину увеличения напряжения сжатия в бетоне ствола зависимости от уменьшения диаметра вертикальной арматуры в результате ее коррозионного износа, определяют по аппроксимирующей формуле

при C_0i > 0,4, где - характеристика сечения с учетом коррозионного повреждения вертикальной арматуры, при C_0i < 0,4;

- коэффициент коррозионного повреждения вертикальной арматуры , показывающий величину увеличения напряжения в вертикальной арматуре в зависимости от уменьшения диаметра вертикальной арматуры в результате ее коррозионного износа, определяют по аппроксимирующей формуле

, при C_0i > и 0,04 _1i 0,2,

где

, при C_0i > и 0,2< _1i 1,0,

где

.

16. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.15, при котором напряжение сжатия в бетоне участка ствола трубы без проемов от ветровой нагрузки и веса конструкций ствола определяют по формуле

при C_0i > 0,4,

где при C_0i 0,4,

где

- напряжение растяжения в вертикальной арматуре участка ствола трубы без проемов от ветровой нагрузки и веса конструкций ствола определяют по формуле

при C_0i >

где

, при C_0i <

где

17. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.15, при котором напряжение сжатия в бетоне участка ствола трубы при наличии проемов от ветровой нагрузки и веса конструкций ствола определяют по формуле

где

- напряжение растяжения в вертикальной арматуре участка ствола трубы при наличии проемов от ветровой нагрузки и веса конструкций ствола определяют по формуле

,

где - половина центрального угла, между сторонами которого заключен проем в стволе трубы.

18. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по п.15, при котором напряжение сжатия в бетоне участка ствола трубы без проемов от ветровой нагрузки и веса конструкций ствола определяют по аппроксимирующей формуле

при C_0i > 0,4, где

- напряжение растяжения в вертикальной арматуре определяют по аппроксимирующей формуле

при C_0i >

где при

при 0,2 < _1i 1,0;

- напряжения сжатия в бетоне участка ствола трубы от нагрева ствола определяют по формуле

где - коэффициент линейного расширения бетона при его нагреве; K _темп.=0,25 - для нагрева бетон до температуры менее 200⁰С, K_темп.=0,17 - для нагрева бетона до температуры более чем 200⁰С.

19. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы по любому из пп.15-18, при котором безопасность эксплуатации ствола железобетонной дымовой трубы определяют из условия

где - коэффициенты повреждения; - напряжение сжатия в бетоне без повреждений в бетоне и в вертикальной арматуре; - напряжение растяжения в вертикальной арматуре без повреждений в бетоне и в вертикальной арматуре; - расчетное сопротивление бетона,

- расчетное сопротивление стали по пределу текучести вертикальной арматуры.

20. Способ оценки промышленной безопасности дымовой или вентиляционной промышленной трубы, при котором в процессе обследования кирпичной дымовой трубы для i-го участка ее ствола, i принимает значение от 1 до K_с - общее количество участков, для кирпичной кладки ствола измеряют сопротивление растяжению R_ti и сопротивление сжатию R_bi в количестве от 1 до N_проб., L_i (м) - длину участка ствола, Z_i (м) - высоту от уровня земли до нижнего сечения участка ствола, определяют толщину h_i,j (м) j-го слоя стенки ствола, постоянную в пределах участка, j принимает значение от 1 до n - общее количество слоев с различным коэффициентами теплопроводности материала (Вт/(м·град), для j=n - толщина стенки кирпичного ствола; у кирпичного ствола измеряют наружный диаметр D_i,n+1 у нижнего сечения участка, - наружный диаметр D_i+1,n+1 у верхнего сечения участка, количество стяжных колец К _колец; шаг установки стяжных колец Н_i,, число стыков в стяжном кольце n₀, площадь поперечного сечения стяжного кольца определяют по формуле , где и b - соответственно толщина и ширина поперечного сечения стяжного кольца, усилие затяжки определяют по формуле где F_кол (мм²), - площадь поперечного сечения стяжного кольца, кгс/мм² - допускаемое напряжение для материала стяжного кольца, а температуры t_i,1 и t_i,n+1 соответственно на внутренней поверхности футеровки и на наружной поверхности кирпичного ствола, соприкасающихся с теплоносителями, определяют по формулам

где q_i,L (Вт/м) - плотность теплового потока; t_Г - температура отводимого газа; t_возд - температура наружного воздуха; (Вт/(м²·град) - коэффициент теплоотдачи отводимого газа в трубе; - диаметр внутренней поверхности футеровки; (Вт/(м²·град) - коэффициент

- плотность теплового потока (Вт/м) определяют по формуле

где (Вт/(м·град) - коэффициент теплопроводности материала j-го слоя стенки; - средний диаметр j-го слоя стенки ствола дымовой трубы; (м) - диаметр внутренней поверхности j-го слоя стенки ствола дымовой трубы; D_i,j+1 (м) - диаметр наружной поверхности j-го слоя стенки ствола дымовой трубы;

- коэффициент теплоотдачи (Вт/м²·град) отводимого газа в канале ствола дымовой трубы определяют по аппроксимирующей формуле

где V (м³/c) - объем отводимого газа; t _Г - температура отводимого газа;

- коэффициент теплоотдачи (Вт/м²·град) от окружающего воздуха к наружной стенке трубы определяют по аппроксимирующей формуле

где W₀ (кПа или кгс/м²) - нормативные значения ветрового давления, табл.2, в зависимости от ветрового района по карте ветрового районирования (обязательное приложение 5) по СНиП 2.1.07-85;

- температуру на наружной поверхности j-го слоя стенки ствола трубы определяют по формуле

где t_i,j - температура на внутренней поверхности j-го слоя стенки ствола трубы;

- характеристику сечения кирпичной стенки ствола определяют по формуле где =1,0168,

где D_i,n, D_i,n+1 - соответственно диаметры внутренней и наружной поверхностей стенки кирпичного ствола;

характеристику сечения кирпичной стенки ствола определяется по формуле

- характеристику сечения кирпичной стенки ствола определяют по формуле

где n₀ - число стыков в стяжном кольце; D_i,n+1 (мм) - наружный диаметр кирпичного ствола, E_s кгс/мм ² - модуль упругости стали стяжного кольца; E _клад=600R_bi - модуль упругости кирпичной кладки, где R_bi (кгс/мм²) - расчетное сопротивление кирпичной кладки сжатию в i-м участке кирпичного ствола;

- параметры стяжного кольца, обеспечивающие прочность кирпичной кладки ствола, определяют из выражения

где - приведенное допустимое напряжение растяжения кирпичной кладки, R_ti - расчетное сопротивление кирпичной кладки растяжению, а критерий прочности кирпичного ствола определяют из выражения

где - коэффициент линейного температурного расширения кирпичной кладки.

Описание изобретения к патенту

Для дымовой или вентиляционной промышленной трубы (далее по тексту - труба), возведенной с соблюдением проектных требований, технологии строительства и эксплуатируемых по проектным режимам, гарантийный срок исчисляется десятками лет и поддерживается своевременными плановыми ремонтами и соответствующим обслуживанием.

В последние 10-15 лет переменный режим работы дымовых труб, снижение нагрузки, сжигание высокосернистого топлива, переход с мазута на газ привели к резкому снижению их надежности, в результате чего многие из них становятся неремонтопригодными и даже обрушаются.

С учетом этих факторов плановые ремонты и текущее обслуживание становится недостаточным для поддержания железобетонных дымовых труб в пригодном к эксплуатации состоянии.

Сложившиеся обстоятельства, приведшие к непроектной эксплуатации дымовых труб, показывают, что надежность их безопасной эксплуатации может быть подтверждена при установлении фактического их состояния, т.е. установлении дефектов и повреждений, полученных при эксплуатации и возведении, с обязательным установлением причин их появления. Как показала практика, выполнить это можно при экспертизе промышленной безопасности, в результате которой составляется заключение о степени пригодности к безопасной эксплуатации дымовой трубы.

Известно техническое решение, принятое за прототип, патент РФ №2181482, 2001 г. «Способ оценки промышленной безопасности дымовых труб», содержит описание технологии оценки (экспертизы) технического состояния дымовых труб, основанной на проведении обследовательских и расчетных работ, установлении при обследовании фактических параметров, определении расчетным путем нагрузок и допустимых величин параметров, сравнении допустимых и замеренных величин параметров, установлении на основе сравнения степени пригодности дымовых труб к дальнейшей безопасной эксплуатации, в котором оценку промышленной безопасности проводят на стадии эксплуатации.

Однако описанная технология не в полной мере конкретизирует методы контроля параметров дымовой трубы.

Настоящее изобретение является дальнейшим развитием и совершенствованием апробированного на практике способа оценки промышленной безопасности дымовых труб и, в частности, металлической, железобетонной и кирпичных эксплуатируемых дымовых труб.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей при оценке промышленной безопасности дымовых труб, обеспечение их безопасной эксплуатации за счет более эффективного контроля состояния их конструктивных элементов, определяет правила, методики и критерии, на основе которых устанавливается их соответствие требованиям промышленной безопасности.

Работы при экспертизе промышленной безопасности делятся на обследовательские и расчетные, в результате которых устанавливают фактические значения ряда параметров, которые характеризуют объект экспертизы как с точки зрения конструкции, обеспечивающей ее функционирование в качестве газоотводящего устройства, а так же параметры, характеризующие степень безопасной эксплуатации дымовой трубы.

Параметром называется единица информации о сооружении и характеризуется наименованием. Параметр может быть количественным и качественным. Количественный параметр имеет единицу измерения и величину. Параметры в зависимости от источника получения данных классифицируются на установленные из проектной, эксплуатационной или иной документации на сооружение; замеренные в результате обследования; вычисленные.

Параметры, которые характеризуют трубу как газоотводящее устройство и относятся ко всем типам промышленных труб, а именно: Наименование промышленной трубы (кирпичная, железобетонная, металлическая) и ее номер; Организация, эксплуатирующая промышленную трубу (Область, край, город, где эксплуатируется промышленная труба); Дата начала и окончания сооружения трубы; Дата ввод трубы в эксплуатацию; Высота от уровня земли; Диаметр устья; Количество проемов под газоходы, их сечение и отметка, на которой находится низ каждого проема; Половина центрального угла (рад), ограничивающего зону проема; Нагревательные устройства и теплоагрегаты, подключенные к трубе; Температура отводимых газов, поступающих в трубу выше газохода (минимальная, максимальная).

Параметры трубы, которые влияют на безопасность ее эксплуатации:

Нормативное значение ветрового давления или номер ветрового района по карте ветрового районирования (обязательное приложение 5) по СНиП 2.1.07-85; Толщина стенки ствола; Физико-механические характеристики материала ствола; Химические и механические повреждения конструкций ствола; Отклонение оси ствола от вертикали, направление наклона; Верхний и нижний уровень расположения грунтовых вод от поверхности земли, их химический состав, агрессивность.

Под дефектами сооружений можно понимать отклонения качества, формы и фактических размеров конструкций, их элементов и материалов от требований нормативных документов или проекта, возникающие при проектировании, изготовлении и возведении или монтаже, т.е. на этапах жизненного цикла, предшествующих этапу эксплуатации. Установление дефектов до этапа эксплуатации предполагает, что дефекты, возникающие при изготовлении и транспортировании конструкций и материалов, могут быть выявлены и устранены до их применения, а дефекты возведения и монтажа - до приемки сооружения в эксплуатацию.

Повреждения строительных сооружений можно трактовать как отклонения качества, формы и фактических размеров конструкций от требований нормативных документов или проекта, возникающие при эксплуатации.

К металлическим дымовым и вентиляционным относятся трубы, газоотводящий ствол которых выполнен в виде металлической оболочки. Металлические дымовые трубы по способу их крепления разделяются на свободностоящие и металлические дымовые трубы в металлическом каркасе форменной конструкции. Свободностоящие дымовые трубы иногда устанавливают с вантовыми оттяжками. Высота металлических дымовых труб не превышает 135 м. Ствол металлической дымовой трубы состоит из секций. Секция металлической дымовой трубы представляет собой тонкостенную круговую цилиндрическую оболочку, подкрепленную по торцам кольцевыми фланцами. Оболочка секции в основании трубы может быть выполнена в виде кругового усеченного конуса. Оболочка секции в случае необходимости подкрепляется продольными ребрами (стрингерами), которые соединяются с оболочкой секции сваркой прерывистым сварным швом. Оболочка секции выполняется из листовой стали, при этом в основании ствола толщина стенки оболочки больше толщины стенки оболочки в верхней части. Секции при монтаже соединяются фланцами, которые стягиваются болтами, а фланцы обваривают по периметру. Фланцы и оболочка секции в местах их соединения имеют радиальные ребра, скрепленные с оболочкой секции и с фланцем. Характерным повреждением металлической дымовой трубы является поверхностная коррозия внутренней поверхности оболочки ствола, которая приводит к уменьшению толщины стенки оболочки.

С учетом принятых определений, поставленная задача достигается тем, что в процессе обследования металлической дымовой трубы для i-го участка ее ствола i принимает значение от 1 до К_с - общее количество участков, отсчет которых начинается от поверхности земли, производят измерение следующих параметров: D_i (м) - наружный диаметр оболочки участка ствола, L_i(м) - длину участка ствола, Z_i (м) - высоту от поверхности земли до нижнего сечения участка ствола, t_i,P (м) - толщину оболочки участка ствола, р принимает значение от 1 до N_зам - общее количество замеров, определяют наличие повреждений в виде отклонения от круговой формы оболочки участка ствола, например, в виде местной погиби, на величину, превышающую проектную толщину t_i,пp (м) оболочки. Наружный диаметр D_i оболочки участка ствола измеряют, например, следующим способом: длину окружности измеряют рулеткой и, разделив ее на число , получают величину наружного диаметра. Длину участка ствола также замеряют при помощи рулетки. Высоту от поверхности земли до нижнего сечения участка измеряют рулеткой, или, например, при помощи нивелира Н-5. Толщину оболочки участка ствола замеряют ультразвуковым толщиномером, например УТ-93П, А-1207, А-1208, ТУЗ-1, А-1209. Величину погиби замеряют, например, следующим способом: устанавливают мерную линейку вдоль образующей и замеряют максимальный зазор между поверхностью линейки и поверхностью ствола трубы щупом.

По эксплуатационной документации определяют число лет эксплуатации m, отсчитываемых от года ввода трубы в эксплуатацию до года проведения указанных замеров.

Далее рассчитывают следующие параметры металлической дымовой трубы:

- эффективную толщину оболочки участка ствола t_i,эф определяют по формуле

t_i,эф=(t_i,min·t _i,ср)^0,5,

где t_i,min=t _i,ср-ZD_i,s - минимальная статистическая толщина оболочки;

t_i,ср=(1/N_зам.) - среднее арифметическое значение N_зам замеров толщины t_i,сp стенки оболочки участка ствола;

D _i,s=[1/(N_зам.-1) ]^0,5 - среднее квадратическое отклонение замеров от среднего значения;

Z=1,65·(1+1,28/N^0,5 _зам.+1,5/N_зам.) - коэффициент, учитывающий объем выборки при N_зам.20;

- скорость коррозии _i,кор определяют по формуле

Ветровую нагрузка W (кПа или кгс/м²) на ствол металлической дымовой трубы на высоте Z (м) от поверхности земли определяют по аппроксимирующей формуле (при коэффициенте надежности, равном 1,4)

W=Z ⁿW_o,

где величины коэффициентов и n для гладких оболочек и для оболочек участков ствола с наружными ребрами приведены в табл. 1 для местностей типов А, В, С, здесь местность типа А - открытое побережье морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра; местность типа В - городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м; местность типа С - городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м; W₀ (кПа или кгс/м²) - нормативные значения ветрового давления, табл. 2, в зависимости от ветрового района по карте ветрового районирования (обязательное приложение 5) по СНиП 2.1.07-85;

Таблица 1
Гладкая оболочка		Оболочка с наружными ребрами		Тип местности
	n	В	n	-
1,0	0,25	1,5	0,25	А
0,86	0,25	1,3	0,25	В
0,75	0,28	1,2	0,28	С

Таблица 2
Номер ветрового района	Iа	I	II	III	IV	V	VI	VII
W0, кПа (кгс/м 2)	0,17 (17)	0,23 (23)	0,30 (30)	0,38 (38)	0,48 (48)	0,60 (60)	0,73 (73)	0,85 (85)

Изгибающий момент M(Z) (кН·м или кгс·м) и поперечную силу Q(Z), (кН или кгс) в стволе металлической дымовой трубы от ветровой нагрузки W для местности типа А на высоте Z (м) от поверхности земли с постоянным наружным диаметром без наружных продольных ребер определяют по аппроксимирующим формулам

M(Z)=4/9D W₀Z_k ^2,25 (1+0,8 ^2,25-1,8 );

Q(Z)=0,8DW₀Z_k ^1,25(1- ^1,25),

где D - наружный диаметр (м) ствола металлической дымовой трубы;

Z_k - высота (м) расположения верхнего торца ствола, отсчитываемая от поверхности земли;

=Z/Z_k.

Изгибающий момент M(Z_N) и поперечную силу Q(Z_N) от ветровой нагрузки W для местности типа А в нижнем сечении участка N ствола металлической дымовой трубы на высоте Z_N от поверхности земли с постоянным наружным диаметром и имеющий участки ствола с наружными продольными ребрами определяют по аппроксимирующим формулам

где

_I=1, если участок ствола с номером i без наружных продольных ребер, или _I=1,5, если участок ствола с номером i с наружными продольными ребрами.

Изгибающий момент M(Z_N) и поперечную силу Q(Z_N) от ветровой нагрузки W для местности типа А в нижнем сечении участка N ствола металлической дымовой трубы на высоте Z_N от поверхности земли с постоянным наружным диаметром и имеющим участки ствола с наружными продольными ребрами и участки ствола в виде усеченного конуса определяют по аппроксимирующим формулам

где D^* _i=D_i+1+0,3(D _i-D_i+1);

D_i - наружный диаметр в основании усеченного конуса оболочки участка ствола;

D_i+1 - наружный диаметр верхней части усеченного конуса оболочки участка ствола;

при этом для участка ствола с цилиндрической оболочкой D^* _i=D_i .

Напряжение сжатия _i,c, (кПа или кгс/м²) в гладкой оболочке ствола на высоте Z_i от поверхности земли определяют по формуле

где M(Z_i), G(Z_i) - соответственно изгибающий момент от ветровой нагрузки и осевая сжимающая сила от веса конструкций ствола в нижнем стыке участка ствола на высоте Z_i от поверхности земли;

W_i,изг=F _i(D/4) и F_i=Dt _i,эф - момент сопротивления изгибу и площадь поперечного сечения оболочки участка ствола.

Ветровую нагрузку W на ствол металлической дымовой трубы в металлическом каркасе на высоте Z от поверхности земли определяют по аппроксимирующей формуле:

W=Z ⁿW_о,

где величины коэффициентов и n для гладких оболочек и для оболочек участков ствола с наружными ребрами приведены в табл. 1 для местностей типов А, В, С.

Ветровая нагрузка W₁ на металлический каркас на высоте Z от поверхности земли определяется по аппроксимирующей формуле

W₁=2C_aZ^0,25W _o,

где С_а - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления площади контура грани форменной конструкции металлического каркаса с наветренной стороны, определяемый по СниП 2.01.07-85, Нагрузки и воздействия, 1987.

Изгибающий момент M(Z) и поперечную силу Q(Z) на ствол металлической дымовой трубы в металлическом каркасе на высоте Z от поверхности земли определяют, например, с использованием метода конечных элементов.

Ресурс R_i,pec (годы) оболочки участка ствола, величину которого определяют по правилам округления до целого по формуле

если R_i,рес0;

R_i,рес=0, если R_i,рес<0,

где t_i,доп - допустимая толщина оболочки участка ствола, которую вычисляют из условия ее прочности (устойчивости) в зависимости от конструктивных особенностей трубы.

Для свободностоящей трубы с круговыми цилиндрическими оболочками участков ствола постоянного диаметра по всей высоте ствола трубы, для которой выполняется условие , допустимую толщину оболочки участка ствола t_i,доп определяют по формуле

t_i,дoп=K_дZ ⁿ _k (1- _i)(K_уK_f)^-0,5,

t_i,доп=2 мм, если t_i,доп2 мм,

Z_k - высота (м) расположения верхнего торца ствола, отсчитываемая от поверхности земли; _i=Z_i/Z_k, здесь Z_i - высота расположения нижнего сечения участка ствола, отсчитываемая от поверхности земли;

К_у - коэффициент устойчивости, табл. 3;

K_f - коэффициент, учитывающий повреждение в виде местной погиби участка ствола (K_f=1 - повреждение в виде местной погиби не превышает толщину оболочки участка ствола, К_f=0,5 превышает).

Таблица 3

D/(2tэф)	100	200	300	400	600	800	1000	1500	2500
Ку	0,22	0,18	0,16	0,14	0,11	0,09	0,08	0,07	0,06

Допустимую толщину оболочки участка ствола t_i,доп для свободностоящей трубы с круговыми цилиндрическими оболочками участков ствола, для которых не выполняется условие

,

определяют из условия

_i,c= _i,кр;

где

здесь _0,2, Е - соответственно предел текучести и модуль упругости материала оболочки участка ствола, - коэффициент устойчивости;

K_f - коэффициент, учитывающий повреждение в виде местной погиби участка ствола (K_f=1 - повреждение в виде местной погиби не превышают толщину оболочки участка ствола, К_f=0,5 - превышает).

Для каждого участка ствола металлической дымовой трубы критерием безопасной эксплуатации принимают неравенство R _i,рес>0.

В случае, если ресурс оболочки участка ствола металлической дымовой трубы равен нулю (R_i,рес =0), то продлевают срок ее эксплуатации за счет усиления оболочек участка ствола ребрами (стрингерами).

Для ствола трубы, имеющего участок ствола с ресурсом, равным нулю, на основе зависимостей для подкрепленных оболочек проводят расчеты по определению количества и типа подкрепляющих ребер, при минимальном количестве которых достигается заданное увеличение ресурса до величины Res, при этом параметры набора оболочки участка ствола продольного (стрингеры) и поперечного (шпангоуты) являются дискретными величинами.

Для оптимизации по массе усиленного участка ствола при последовательном их проектировании параметры их силовых элементов - количество и тип профиля - принимают ряд дискретных значений, при этом количество должно быть не менее 6, с последующим выбором из этого множества участков ствола минимальной массы, при этом все множество проектируемых участков ствола должны удовлетворять требованиям устойчивости

_{p kp}; _{p kpZ}; _{p kpo};

где _p - максимальное расчетное осевое сжимающее напряжение в стрингерах; _kp - минимальное критическое осевое напряжение для стрингеров; _kpZ - критическое напряжение для оболочки при действии осевой силы; _р - максимальное расчетное касательное напряжение в оболочке с учетом подкрепляющих элементов; _kpo - критическое касательное напряжение для оболочки участка ствола.

Критическое осевое сжимающее напряжение _kp потери устойчивости стрингера определяют как минимальную величину из выражения

_kp=K_mpmin{ _kp1, _kp2, _kp3},

где К_mр - коэффициент, учитывающий местную потерю устойчивости оболочки; К_mp=0,85 - оболочка между стрингерами теряет устойчивость; К_mp=1,0 - оболочка между стрингерами не теряет устойчивость; _kp1=E_s(·I/L _s)² - критические напряжения потери устойчивости стрингера между смежными шпангоутами; _kp2=K_mE_S - критическое напряжение местной потери устойчивости стрингера; _kp3 - критическое напряжение потери устойчивости стрингера с учетом жесткости промежуточных усиливающих шпангоутов; Е_s - модуль упругости стали стрингера; i=(J/F _s)^0,5 - радиус инерции поперечного сечения стрингера; F_s, J - площадь и момент инерции поперечного сечения стрингера; L_s - длина оболочки участка ствола (расстояние между смежными шпангоутами; К_m=0,435·(t_s /b)²; b и t_s - ширина и толщина полки стрингера.

Критическое напряжение _kp3 потери устойчивости стрингера с учетом жесткости промежуточных шпангоутов определяют по схеме сжатого стержня, связанного посредине с упругой опорой с жесткостью K_S (при N_Ш=1, N_Ш - количество промежуточных шпангоутов) или как для стержня, лежащего на упругом основании с коэффициентом жесткости K_S/L_s (при N _Ш2) определяют по формуле

_kp3= _ke[N²+r/( _keN²)],

где _ke=E_s(i/L _s)²; при N_Ш=1 имеем N=1 и r=3·L _sX_S/(16F_s); при N_Ш 2; r=K_SL_s ²/(F_s ²) (N=1 при 1<r<4, N=2 при 4<r<36, N=3 при 36<r<144),

при этом при отсутствии взаимного влияния усилий от стрингеров на деформацию шпангоутов (при наличии оболочки), выражение для Ks принимает вид:

K_S =23,8E_ШJ_Ш/R_Ш ³,

где E_Ш, J_Ш, R_Ш - модуль упругости, момент инерции, радиус инерции поперечного сечения шпангоута.

Критическое напряжение потери устойчивости для оболочки _kpZ определяют из выражения

_kpZ=min{ _kpZ1, _kpZ2},

где _kpZ1=E_o[3,6(t_i,прогн/b_p )²+0,3t_{i,прогнw}/D] - критическое напряжение потери устойчивости для панели оболочки между стрингерами; Е_o - модуль упругости стали участка ствола; t _i,прогн =t_i,эф-Res· _i,кор - прогнозируемая толщина оболочки участка ствола; - средняя скорость поверхностной коррозии (или нормативная величина скорости коррозии); m - время (годы) эксплуатации трубы; t _i,пp - проектная толщина оболочки участка ствола; t _i,эф - эффективная толщина оболочки участка ствола; b _p=D/2-c _z - ширина панели; , рад - угловое расстояние между смежными стрингерами; с_z - расстояние в окружном направлении между сварными швами, крепящими стрингер к оболочке; _kpZ2 - критическое напряжение потери устойчивости для оболочки между сварными швами вдоль стрингера.

Критическое напряжение потери устойчивости оболочки между сварными швами вдоль стрингера определяют по формуле

_kpZ2=0,82E_ot_i,прогн ² /(t_z-d_z)²,

где t_z - шаг между сварными швами в продольном направлении для прерывистого сварного шва; d_z - длина участка шва.

Критическое касательное напряжение для оболочки определяют из выражения

_kpo=E_o[5(t /b_p)²+0,2t /D].

Расчетное осевое сжимающее напряжение _P (кПа или кгс/м²) определяют по формуле

где M(Z_N), G(Z_N) - соответственно изгибающий момент от ветровой нагрузки и осевая сжимающая сила от веса конструкций ствола в нижнем стыке участка ствола на высоте Z_N от поверхности земли.

Изгибающий момент M(Z _N) и поперечную силу Q(Z_N) от ветровой нагрузки W для местности типа А в нижнем сечении участка N ствола металлической дымовой трубы на высоте Z_N от поверхности земли с постоянным наружным диаметром и имеющий участок ствола с наружными продольными ребрами определяют по аппроксимирующим формулам

где К_c - число участков ствола металлической дымовой трубы;

N - номер участка ствола, в нижнем сечении которого определяют изгибающий момент;

_I=1, если участок ствола с номером i без наружных продольных ребер, или _I=1,5, если участок ствола с номером i с наружными продольными ребрами; F_p=N_s(F_s +b_prt_i,прогн) - приведенная площадь поперечного сечения оболочки участка ствола; b_pr=1,9t_i,прогн (Е_о/ _kp)^0,5+с_z - приведенная ширина оболочки; N_s - количество стрингеров;

W _p=0,5D(F_s+b_prt_{i,прогн.} ) - приведенный момент сопротивления изгибу поперечного сечения подкрепленной оболочки; _i - угловое расстояние до стрингера от принятого начала отсчета.

Максимальные расчетные касательные напряжения в оболочке с учетом подкрепляющих элементов определяют из выражения

_p=0,5Q(Z_N)S_p/(J_pt _i,прогн),

где Q(Z_N) - поперечная сила от ветрового давления; S_p=0,5D(F_s+b _prt_i,прогн) - приведенный статический момент половины поперечного сечения подкрепленной оболочки;

J=0,25D²(F_s +b_prt_{i,прогн.}) - приведенный момент инерции поперечного сечения подкрепленной оболочки.

На фиг.1-7 приведена t_i,доп допустимая толщина оболочки ствола металлической дымовой трубы соответственно для I-VII ветровых районов.

Железобетонными называются дымовые и вентиляционные трубы, в которых ствол выполнен в виде железобетонной оболочки. Известны конструкции железобетонного ствола, когда железобетонная оболочка одновременно выполняет две функции - газоотводящего ствола и силовой несущей конструкции. Другой вид конструкции железобетонного ствола, когда железобетонная оболочка выполняет функцию ограждающей конструкции, внутри которой размещен один или несколько газоотводящих стволов, например металлических. Все другие конструктивные особенности железобетонных труб определяют способы защиты железобетонной оболочки ствола от воздействий агрессивной среды отводимых газов и техногенного воздействия внешней среды. От агрессивного воздействия отводимых газов железобетонная оболочка ствола предохраняется различными видами футеровки, от чрезмерного нагрева бетона ствола применяется теплозащита, а от техногенного воздействия внешней среды применяются различные защитные покрытия. Высота ствола железобетонной дымовой трубы может быть от 60 м до 250 м и более.

С учетом принятых определений, поставленная задача достигается тем, что в процессе обследования железобетонной дымовой трубы для i-го участка ее ствола i принимает значение от 1 до К_с - общее количество участков, отбирают пробу бетона из железобетонного ствола путем сквозного выбуривания цилиндрического керна в количестве от 1 до N_пpoб и измеряют L_i (м) - длину участка ствола, Z_i (м) - высоту от уровня земли до нижней границы (сечения) участка ствола, h_ij (м) - толщину j-го слоя стенки ствола, постоянную в пределах участка, j принимает значение от 1 до n - общее количество слоев с различными коэффициентами теплопроводности материала _ij (Вт/(м·град), при j=n h_in - толщина стенки железобетонного ствола. Пробу бетона из стенки ствола железобетонной дымовой трубы можно получить, например, при помощи электрической машины для сверления бетона (керноотборник), оснащенной коронками с алмазным напылением. Длину участка ствола измеряют, например, рулеткой. Высоту от уровня земли до нижней границы участка измеряют, например, при помощи нивелира Н-5. Толщину слоя стенки измеряют через отверстие в стволе трубы, оставленной после отбора пробы бетона, например, при помощи глубиномера или щупа.

Измеряют d_1i, d_2i - диаметры вертикальной арматуры у внутренней и наружной поверхностей стенки железобетонного ствола соответственно, S_i, S^* _i - расстояния между двумя соседними стержнями вертикальной арматуры у наружной и внутренней поверхностей. Диаметр вертикальной арматуры и расстояние между двумя соседними стержнями (шаг вертикальной арматуры) можно измерить, например, при помощи ультразвукового дефектоскопа УД2-12, УД2-70, УДЦ-201П, А1212 и др.

У железобетонного ствола измеряют наружный диаметр D_i,n+1 у нижнего сечения участка, наружный диаметр D_i+1,n+1 у верхнего сечения участка. Наружный диаметр ствола измеряют, например, следующим способом: измеряют длину окружности при помощи рулетки и, разделив полученную величину на число , устанавливают наружный диаметр ствола.

Изготавливают для испытаний на прочность из пробы бетона серию цилиндрических контрольных образцов высотой h^обр. _р, p принимает значение от 1 до r - общее количество контрольных образцов в серии, изготовленных из пробы бетона. В каждом контрольном образце измеряют плотность бетона, химический состав, степень его выщелачивания. Плотность бетона, химический состав и степень выщелачивания определяют в лабораторных условия по известным методикам.

Замеряют максимальный поперечный размер повреждения в стволе в виде сквозного отверстия. Поперечный размер отверстия измеряют, например, при помощи рулетки.

Рассчитывают следующие параметры железобетонной трубы:

Призменную прочность контрольного образца из пробы бетона определяют по формуле , для отношения длины цилиндрического контрольного образца h_р ^обр. к его диаметру d_р ^обр., - нaпряжeниe в контрольном образце при его разрушении осевой сжимающей силой F_p.

Призменную прочность бетона в серии контрольных образцов определяют как среднее арифметическое значение по формуле

,

где - количество контрольных образцов, учитываемых при определении прочности бетона в серии из r контрольных образцов; в серии из двух контрольных образцов - =2; в серии из трех контрольных образцов - по двум наибольшим по прочности образцам, =2; в серии из четырех контрольных образцов - по трем наибольшим по прочности образцам, =3; в серии из пяти контрольных образцов - по четырем наибольшим по прочности образцам =4; в серии из шести контрольных образцов - по пяти наибольшим по прочности образцам =5.

Относительный эксцентриситет приложения нормальных сил определяют по формуле

где M(Z_i)=K₁M_изг(Z _i), здесь K₁=1,5 - коэффициент, учитывающий дополнительный изгибающий момент, вызванный весом ствола вследствие его прогиба с учетом дополнительного изгибающего момента от крена фундамента; М_изг(Z_i)=4/9K₂D ^* _i,n+1W₀Z_k ^2,25 (1+0,8 _i ^2,25-1,8 _i) - изгибающий момент от ветровой нагрузки, K ₂=1,0, если высота дымовой трубы менее 150 м; К₂ =1,08, если высота дымовой трубы более 150 м и менее 300 м; K ₂=1,15, если высота дымовой трубы более 300 м; D ^* _i,n+1=D_k+0,3(D_i,n+1-D _k), D_k - наружный диаметр ствола на отметке с координатой Z_k, отсчитываемой от поверхности земли; D_i,n+1 - наружный диаметр ствола на отметке с координатой Z_i, отсчитываемой от поверхности земли до нижнего сечения i-го участка ствола; Z_k (м) - расстояние от поверхности земли до верхнего торца трубы; ; G(Z_i) - вес конструкций ствола железобетонной трубы, находящейся выше отметки с координатой Z_i, отсчитываемой от поверхности земли; - средний радиус железобетонного ствола, D_i+1,n+1 - наружный диаметр ствола на отметке с координатой Z_i+1 , отсчитываемой от поверхности земли до верхнего сечения i-го участка ствола; h_i,n - толщина стенки железобетонного ствола, W₀ (кПа или кгс/м²) - нормативные значения ветрового давления, табл. 2, в зависимости от ветрового района по карте ветрового районирования (обязательное приложение 5) по СНиП 2.1.07-85.

Температуры t_i,1 и t _i,n+1 соответственно на внутренней поверхности футеровки и на наружной поверхностях железобетонного ствола, соприкасающихся с теплоносителями, определяют по формулам

где q_i,L (Вт/м) - плотность теплового потока; t_Г - температура отводимого газа; t_возд - температура наружного воздуха; _г (Bт/(м²·гpaд) - коэффициент теплоотдачи отводимого газа в трубе; D_i,1=D_i,n+1- (м) - диаметр внутренней поверхности футеровки; _возд (Вт/(м²·град) коэффициент теплоотдачи воздуха, обтекающего дымовую трубу снаружи; D_i,n+1 (м) - наружный диаметр дымовой трубы.

Плотность теплового потока (Вт/м) определяют по формуле

где _i,j (Вт/(м·град) - коэффициент теплопроводности материала j-го слоя стенки; - средний диаметр j-го слоя стенки ствола дымовой трубы; (м) - диаметр внутренней поверхности j-го слоя стенки ствола дымовой трубы; (м) - диаметр наружной поверхности j-го слоя стенки ствола дымовой трубы;

Коэффициент теплоотдачи _Г (Вт/м²·град) отводимого газа в канале ствола дымовой трубы определяют по аппроксимирующей формуле

где V(м³/с) объем отводимого газа; t_Г - температура отводимого газа;

Коэффициент теплоотдачи _возд (Вт/м²·град) от окружающего воздуха к наружной стенке трубы определяют по аппроксимирующей формуле

где W₀ (кПа или кгс/м²) - нормативные значения ветрового давления, табл. 2, в зависимости от ветрового района по карте ветрового районирования (обязательное приложение 5) по СНиП 2.1.07-85;

Температуру на наружной поверхности j-го слоя стенки ствола трубы определяют по формуле

где t_i,j - температура на внутренней поверхности j-го слоя стенки ствола трубы;

Температуру точки росы _p определяют по аппроксимирующей формуле

_p=(t+273)(/100) -273,

где =0,054 - для диапазона температур от минус 10°С до 26°С;

=0,06 для диапазона температур от 26°С до 100°С;

=0,086 для диапазона температур от 100°С до 190°С;

- относительная влажность отводимого газа в %.

Характеристику сечения _1i железобетонной стенки определяют по формуле

где E_s, Е_бет - модуль упругости материала вертикальной арматуры и начальный модуль упругости бетона соответственно; h_i,n - толщина железобетонного ствола;

Половину центрального угла _i (рад), ограничивающего сжатую зону поперечного сечения, определяют по аппроксимирующей формуле

,

где ;

С_оi - относительный эксцентриситет приложения нормальных сил.

Параметр n_i,бет железобетонного ствола определяют по формуле

Коэффициент повреждения бетона _1i, показывающий величину увеличения напряжения сжатия в бетоне ствола и величину увеличения напряжения растяжения в арматуре в зависимости от половины центрального угла (град.), ограничивающего повреждение в виде сквозного отверстия в стволе трубы, определяют по аппроксимирующей формуле

_1i=1,02 .

Коэффициент коррозионного повреждения вертикальной арматуры _2i, показывающий величину увеличения напряжения сжатия в бетоне ствола зависимости от уменьшения диаметра вертикальной арматуры в результате ее коррозионного износа, определяют по аппроксимирующей формуле

при C_0i>0,4,

где ^* _1i - характеристика сечения с учетом коррозионного повреждения вертикальной арматуры,

при C_0i<0,4.

Коэффициент коррозионного повреждения вертикальной арматуры _3i, показывающий величину увеличения напряжения в вертикальной арматуре в зависимости от уменьшения диаметра вертикальной арматуры в результате ее коррозионного износа, определяют по аппроксимирующей формуле

при и 0,04 _1i0,2,

где

, при и 0,2< _1i1,0,

где

.

Напряжение сжатия _i,бет в бетоне участка ствола трубы без проемов от ветровой нагрузки и веса конструкций ствола определяют по формуле

_i,бет=n_i,бет , при С_0i>0,4;

где

_i,бет=n_i,бет , при С_0i0,4;

где

Напряжение растяжения в вертикальной арматуре участка ствола трубы без проемов от ветровой нагрузки и веса конструкций ствола определяют по формуле

при

где ;

_i,s=0, при ;

где .

Напряжение сжатия в бетоне участка ствола трубы при наличии проемов от ветровой нагрузки и веса конструкций ствола определяют по формуле

_i,бет=n_{i,бет i,бет},

где ;

Напряжение растяжения в вертикальной арматуре участка ствола трубы при наличии проемов от ветровой нагрузки и веса конструкций ствола определяют по формуле

где - половина центрального угла, между сторонами которого заключен проем в стволе трубы.

Напряжение сжатия в бетоне участка ствола трубы без проемов от ветровой нагрузки и веса конструкций ствола определяют по аппроксимирующей формуле

при C_0i>0,4, где , ; ; ;

Напряжение растяжения в вертикальной арматуре определяют по аппроксимирующей формуле

при

где при 0,04 _1i0,2;

, при 0,2< _1i1,0;

;

Напряжение сжатия в бетоне участка ствола трубы от нагрева ствола определяют по формуле

_i,темп=K_{темп. бет}Е_бетТ,

где _бет=10×10^-6 - коэффициент линейного расширения бетона при его нагреве; К_темп=0,25 - для нагрева бетона до температуры менее 200°С, К_темп= 0,17 - для нагрева бетона до температуры более чем 200°С; Т=t _i,1-t_i,n+1 - разница между температурой нагрева t_i,1 внутренней и температурой нагрева t _i,n+1 наружной поверхностей бетона ствола.

Безопасность эксплуатации ствола железобетонной дымовой трубы определяют из условия

_{1i 2i i,бет}+ _i,темп0,85R _bi;

_{1i 3i i,s}0,85R _у,

где _1i, _2i и _3i - коэффициенты повреждения; _i,бет. - напряжение сжатия в бетоне без повреждений в бетоне и в вертикальной арматуре; _i,s - напряжение растяжения в вертикальной арматуре без повреждений в бетоне и в вертикальной арматуре; R_bi - расчетное сопротивление бетона на сжатие; R_у - расчетное сопротивление стали по пределу текучести вертикальной арматуры.

На фиг.8 представлены графики изменения половины центрального угла охватывающего сжатую зону бетона железобетонной дымовой трубы.

На фиг.9-11 представлены графики коэффициента повреждения _2i, показывающего во сколько раз увеличивается напряжение в бетоне в зависимости от уменьшения площади поперечного сечения вертикальной арматуры на % соответственно для параметров C_0i=0,5, C_0i =0,8 и C_0i=1,1.

На фиг.12-14 представлены графики коэффициента повреждения _3i, показывающего, во сколько раз увеличивается напряжение в вертикальной арматуре в зависимости от уменьшения площади поперечного сечения в ней на % соответственно для параметров C_0i=0,5, C_0i =0,8 и C_0i=1,1.

На фиг.15 представлены графики погрешности вычисления напряжений в бетоне железобетонной дымовой трубы по аппроксимирующей формуле.

На фиг.16 представлены графики погрешности вычисления напряжений в вертикальной арматуре железобетонной дымовой трубы по аппроксимирующей формуле.

На фиг.17 представлены графики коэффициента повреждения _1i, показывающего величину увеличения напряжения сжатия в бетоне ствола и величину увеличения напряжения растяжения в арматуре в зависимости от половины центрального угла (град.), ограничивающего повреждение в виде сквозного отверстия в стволе трубы, и график коэффициента повреждения _1i, по аппроксимирующей формуле _1i=1,02 .

Кирпичными называются дымовые и вентиляционные трубы, в которых ствол выполнен в виде полой усеченной круговой конической кирпичной оболочки. Уклон наружной образующей в пределах 1,5-3%. Отношение высоты к нижнему наружному диаметру не превышает 20. Ствол трубы состоит из поясов, имеющих различную толщину стенок. Высота каждого пояса находится в пределах 12-15 м. Переход от одного пояса к другому выполняют путем уменьшения толщины кирпичной кладки на полкирпича с образованием уступа с внутренней стороны. Кирпичные трубы не превышают высоты 120 м. Для защиты кирпичной оболочки ствола от воздействий агрессивной среды отводимых газов с внутренней поверхности устраивается футеровка из глиняного, огнеупорного или кислотоупорного кирпича. Для безопасной эксплуатации кирпичной дымовой трубы на ствол устанавливают стяжные кольца с шагом 0,7 м...1,5 м. К характерному повреждению кирпичной трубы относится образование вертикальных трещин. Изменение технологического процесса, которое приводит к увеличению температурного перепада на стволе кирпичной трубы, является причиной образования вертикальных трещин.

В процессе обследования кирпичной дымовой трубы для i-го участка ее ствола i принимает значение от 1 до К _с - общее количество участков, для кирпичной кладки ствола и измеряют сопротивление растяжению R_ti и сопротивление сжатию R_bi в количестве от 1 до N_проб. Сопротивление сжатию R_bi и сопротивление растяжению R_ti измеряют, например, используя метод упругого отскока склерометром ОМШ-1.

Измеряют L_i (м) - длину участка ствола, Z_i(м) - высоту от уровня земли до нижнего сечения участка ствола. Измерение проводят, например, рулеткой или нивелиром Н-5.

Определяют толщину h_i,j (м) j-го слоя стенки ствола, постоянную в пределах участка, j принимает значение от 1 до n - общее количество слоев с различным коэффициентами теплопроводности материала _i,j (Вт/(м·град), при j=n - толщина стенки кирпичного ствола. Толщины слоев стенки ствола определяют по результатам анализа проектной документации.

У кирпичного ствола измеряют наружный диаметр D_i,n+1 у нижнего сечения участка и наружный диаметр D_i+1,n+1 у верхнего сечения участка. Наружный диаметр ствола измеряют, например, следующим способом: измеряют длину окружности при помощи рулетки и, разделив полученную величину на число , устанавливают наружный диаметр ствола.

Измеряют количество стяжных колец К_колец; шаг установки стяжных колец Н_i,, число стыков в стяжном кольце n₀.

Площадь поперечного сечения стяжного кольца определяют по формуле F_кoл = b, где и b - соответственно толщина и ширина поперечного сечения стяжного кольца, которые можно замерить штангельциркулем.

Усилие затяжки определяют по формуле где F_кол (мм²) - площадь поперечного сечения стяжного кольца, - допускаемое напряжение для материала стяжного кольца.

Температуры t_i,1 и t_i,n+1 соответственно на внутренней и на наружной поверхностях соответственно футеровки и кирпичного ствола, соприкасающихся с теплоносителями, определяют по формулам

где q_i,L (Вт/м) - плотность теплового потока; t_Г - температура отводимого газа; t_вoзд - температура наружного воздуха; _г (Вт/(м²·град) - коэффициент теплоотдачи отводимого газа в трубе; D_i,1=D_i,n+1- (м) - диаметр внутренней поверхности футеровки; _возд (Вт/(м²·град) - коэффициент - плотность теплового потока (Вт/м) определяют по формуле

где _i,j (Вт/(м·град) - коэффициент теплопроводности материала j-го слоя стенки; - средний диаметр j-го слоя стенки ствола дымовой трубы; (м) - диаметр внутренней поверхности j-го слоя стенки ствола дымовой трубы; (м) - диаметр наружной поверхности j-го слоя стенки ствола дымовой трубы;

Коэффициент теплоотдачи _Г (Вт/м²·град) отводимого газа в канале ствола дымовой трубы определяют по аппроксимирующей формуле

где V (м³/с) - объем отводимого газа; t _Г - температура отводимого газа;

Коэффициент теплоотдачи _возд (Bт/м²·гpaд) от окружающего воздуха к наружной стенке трубы определяют по аппроксимирующей формуле

_возд=12,23W₀ ^0,32Z_i ^0,1,

где W₀ (кПа или кгс/м² ) - нормативные значения ветрового давления, табл. 2, в зависимости от ветрового района по карте ветрового районирования (обязательное приложение 5) по СНиП 2.1.07-85;

Температуру на наружной поверхности j-гo слоя стенки ствола трубы определяют по формуле

где t_i,j - температура на внутренней поверхности j-го слоя стенки ствола трубы;

Характеристику сечения _1i кирпичной стенки ствола определяют по формуле _1i=0,392 , где =1,0168,

где D_i,n, D_i,n+1 - соответственно диаметры внутренней и наружной поверхностей стенки кирпичного ствола.

Характеристику сечения _2i кирпичной стенки ствола определяют по формуле _2i=3,737 .

Характеристику сечения _3i кирпичной стенки ствола определяют по формуле

, где ; ;

n₀ - число стыков в стяжном кольце; D _i,n+1 (мм) - наружный диаметр кирпичного ствола, E _s кгс/мм² - модуль упругости стали стяжного кольца; Е_клад=600R_bi - модуль упругости кирпичной кладки, где R_bi (кгс/мм²) - расчетное сопротивление кирпичной кладки сжатию в i-м участке кирпичного ствола;

Параметры стяжного кольца, обеспечивающие прочность кирпичной кладки ствола, определяют из выражения

где - приведенное допустимое напряжение растяжения кирпичной кладки, R_ti - расчетное сопротивление кирпичной кладки растяжению, T _i=t_i,n-t_i,n+1.

Критерий прочности кирпичного ствола определяют из выражения

где _КЛТР - коэффициент линейного температурного расширения кирпичной кладки.

Приведенные способы оценки промышленной безопасности дымовых и вентиляционных промышленных труб основаны на фактических устанавливаемых при обследовании параметрах, позволяющих на основе вычисляемых параметров и критериев безопасной эксплуатации установить возможность их безопасной эксплуатации.