刘小强
陕西能源小壕兔煤电有限公司 陕西榆林719000
摘要：钢结构间冷塔为火电工程节约了投资成本和建设工期，并且减少了施工风险。本文详细论述了麟北发电有限公司在选择钢结构间冷塔过程中的思路，分析了应用中存在的问题及解决方案，从而为火电厂间冷塔选型提供参考意见。
关键词：钢结构间冷塔、应用
前言：传统的钢筋混凝土间冷塔设计、施工都是成熟技术，且后期不需要维护，所以得到广泛的应用。但是混凝土间冷塔也存在明显的缺点，就是混凝土应用量大，钢筋应用量大，造价高，尤其是在服役结束后要产生大量的固废，对环境造成巨大的污染，而且施工时受混凝土凝固周期的影响，施工较慢。若在高寒地区施工，则工期更为漫长。而钢结构间冷塔刚好具有这些优势，为火电工程间冷塔选型提供了一种新的技术思路，所以近年来逐渐得以应用。
第一章钢结构间冷塔的优点
在陕西宝鸡地区建造一个底部直径150m，喉部直径96m,顶部直径104m,高度204间冷塔，钢筋混凝土塔造价为10464万元，钢结构间冷塔为8191万元。经比较钢结构间冷塔具有造价低2000万、施工工期短6-9个月的优势。钢结构间冷塔吊装工艺相对混凝土施工来说具有安全性高、工艺简单、风险低的特点。且钢结构间冷塔在服役结束后，全部钢材和蒙皮铝板都可以回收利用，符合绿色环保的工程理念。
第二章钢结构间冷塔应用存在的问题及解决方案
随着钢结构加工制造、设计、安装技术的日益成熟，钢结构建筑得到了广泛的应用。上海中心、金茂大厦、鸟巢体育场、广州电视塔均是大型钢结构建筑，目前运行正常。麟北发电有限公司2016年在间冷塔选型论证时，钢结构间冷塔在国内的发电企业尚未有应用先例，所以结构的安全性和可靠性是选择时考虑的焦点。当时业主主要顾虑的问题有以下几点：
一、结构的安全性
1.塔型选择
钢结构冷却塔可以采用两种基本形式，即传统的双曲线型形式，或者直筒锥段形式。初步分析认为，双曲线型塔型用钢量要高于直筒锥段塔型，所以本着节约造价的原则，本文所论述的塔型主要针对直筒锥段塔型。
2.钢结构冷却塔线性分析
西北电力设计院使用SAP2000有限元软件对麟北发电有限公司拟建的冷却塔结构方案进行了分析计算，初步的分析计算结果表明，上述的钢结构冷却塔结构方案其结构体系及构件截面基本控制在比较合理的水平。
2.1有限元模型
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采用了有限元分析软件SAP2000进行建模分析。
冷却塔结构按线弹性结构分析为主，非线性分析作为补充。钢塔立柱、支撑及环梁均采用SAP2000的梁单元，围护结构采用薄壳模拟，风的加载采用程序化方式加载。
2.2特征值屈曲分析
对塔型进行选型分析和局部屈曲稳定验算，控制局部屈曲安全系数≥5，在安全范围内。
利用国内冷却塔静力分析程序 LBS 输出的内力以及 ANSYS程序按规范公式进行了复核，局部稳定性，屈曲稳定安全系数均满足规范要求。
2.3控制工况组合下的位移及构件应力验算结构
针对本项目拟采用的钢结构冷却塔结构方案，考虑外部风荷载、内吸力、温度荷载、施工荷载等，采用通用有限元进行了整体建模分析。分析结果表明：采用钢结构冷却塔方案，结构上是完全可行的。
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图 2-4 钢结构塔整体变形分析
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2.4结构动力特性
冷却塔的地震作用，采用振型分解反应谱方法，地震作用下的变形是整体变形。根据计算，风荷载作用下的剪力与地震力接近，但是冷却塔结构仍然由风荷载控制，因为地震作用下塔体利用整体的悬臂梁机制抵抗地震作用，而风荷载作用下，塔体是利用塔体的理论计算的结果控制塔体的设计。计算表明塔体在风荷载和地震作用下是受力变形量是安全范围内。
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3.钢结构冷却塔非线性分析研究
将塔体施加一个缺陷，对这个有缺陷的体系进行非线性分析和屈曲分析，线性分析的迎风面顶部位移 643.86mm,比理想结构增加4mm，非线性分析的位移是 662.27mm,也是比理想结构多4mm, 可见非线性不严重。屈曲因子也仅有少量的变化，第一屈曲因子是 9.426（规范要求大于5）。但是因为初始缺陷的存在，导致SAP2000 中风荷载方向也要发生变化，次弯矩也有少量的增加，但是总体影响不大。
4．结论
经过多种分析计算和建筑研究院的风洞试验，证明钢结构间冷塔的结构是安全可靠有保证。
二、防腐问题
1间冷塔内空气腐蚀环境分析
（1）麟北电厂计划采用烟塔合一方案，即锅炉排烟经过处理后要通过间冷塔排出，塔内腐蚀环境比单纯的非烟塔合一间冷塔恶略，烟气参数分析如下：
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（2）一般情况分析
塔外空气平均相对湿度约60%，在间冷塔正常工作时，经过空冷散热器加热，空气温升大于20℃，进入塔内的空气相对湿度将不会超过20%。北方少雨，即使雨天，相对湿度为85%，由空冷散热器加热后，塔内的空气相对湿度亦不超过30%。
半干法脱硫后的烟气相对湿度很低，而烟气中残留的腐蚀成份只有与水分结合才会生成有强腐蚀破坏作用的腐蚀介质，所以，间冷塔内的干热环境条件对于钢材防腐非常有利。
半干法脱硫装置后烟道出口温度约为75℃，大于烟气酸露点温度约10℃左右，烟气湿度有所降低，对于塔内壁的防腐有利。
（3）烟塔合一排烟对塔内腐蚀环境影响分析
1）排烟占塔内热空气比例小:
经过脱硫的烟气排放占塔总通风比例很小，不超过2%。烟气对塔内相对湿度的影响甚微。
2）烟气中腐蚀因子SO2、SO3 含量小：
经过脱硫的烟气SO2、SO3 含量＜30mg/m3 ，即不超过万分之一。
3）不同风速条件下烟气流动轨迹
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从风洞试验可以看出在风速小于20m/s时，烟气的流动基本在塔的中心，在风速为25m/s时，烟气也没有冲刷到壁面，但是在30m/s时，烟气会横向偏转，烟气偏转会产生对壁面的冲刷，最大冲刷在塔的出口。
（4）极端工况及特殊天气下的腐蚀环境影响分析
冬季低温天气下，由于百叶窗开度的调节，空冷塔的通风量减少，如遇大风天气，塔顶部冷风回灌，在塔顶部区域可能会出现短暂烟气接触塔壁并凝结，形成腐蚀机会。
但在大风或冬季百叶窗全关条件下，塔内干热的空气环境及低含量腐蚀因子，即使净烟气接触到塔壁，腐蚀性也大为减弱。
2钢结构间冷塔防腐设计腐蚀级别
（1）基于国际标准防腐设计级别
基于以上钢结构间冷塔的腐蚀环境分析，根据ISO12944-2“大气腐蚀环境分类”准则，常规钢结构间冷塔防腐环境可划为C3 （中级）腐蚀级别“城市和工业大气，中等的二氧化硫污染以及低盐度沿海区域”。
为确保钢结构间冷塔15年的防腐寿命，慎重起见，钢结构间冷塔局部按提高两个级别考虑防腐，即可按C5-I腐蚀级别“高湿度和恶劣大气的工业区域，冷凝和高污染持续发生和存在的区域”进行防腐设计。
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3烟塔合一钢结构间冷塔防腐方案
完整、可靠、持续的防腐体系是保证钢结构间接空冷塔耐久性的前提，也是钢结构间接空冷塔成功与否的关键。
对于采用钢结构间接空冷塔进行烟气排放(烟塔合一技术)，国内外尚无工程先例，但如果烟气引入塔内后的钢结构耐久性问题能够得到妥善解决，烟塔合一结构的间冷塔方案也可以实现。
对于业界重点关心的烟塔合一结构钢结构间接空冷塔的防腐问题，经过与国内外著名防腐涂料生产厂商技术交流，并征求电力行业防腐专家的意见，解决方案有两种：
一是加强级涂料防腐的方案，可选用冷喷锌+面漆防腐方案，或者选用“玻璃鳞片酚醛环氧底漆+酚醛环氧耐高温漆”油漆防腐方案；
另一种是改变钢结构间接空冷塔的设计方案，把塔筒金属蒙皮（铝板）改为布置在塔筒内侧，用防腐性能很好的防锈铝把主体钢结构与塔内烟气隔离开，对于塔顶外侧因烟气受到扰动回流影响可能与塔筒外侧主体钢结构接触的区域，冷却塔主体塔顶以下1/3高度钢结构按照C5-I环境进行防腐，其他主体钢结构的腐蚀环境按照电厂环境C3环境进行防腐。
3.1冷喷锌防腐方案设计
针对电厂当地的腐蚀环境及电厂烟塔合一特定腐蚀条件，主体结构塔顶以下1/3高度按照C5-I类防腐级别15年使用寿命加后期维护，方案设计如下：冷喷锌120μm，氟碳封闭面漆50μm，涂层合计厚度170μm。
其余部位主体结构按照C3类防腐级别15年使用寿命加后期维护，方案设计如下：冷喷锌100μm，氟碳封闭面漆50μm，涂层合计厚度150μm。
3.1.1冷喷锌防腐涂层技术介绍
1）冷喷锌镀层内含锌量达96％，具备优异的长效防腐性能。
冷喷锌干镀层内含锌达96％以上，即冷喷锌中的特殊有机树脂在锌颗粒的周围形成了致密的保护屏障层，可抵御外界的侵蚀。同时在锌层表面，电解锌颗粒与空气中的CO2、SO2和氯离子结合生成各类锌盐，填满了涂层的孔隙，形成了一层锌盐屏障，减缓了镀锌层和钢结构的腐蚀速率，从而延长了保护期。经过国家涂料质量监督检测中心检验，单层冷喷锌耐盐雾考核达到4000小时以上，划线破损处无任何锈蚀起泡脱落现象，是普通涂料耐盐雾时间的5倍以上（HG/T 3668富锌底漆，耐盐雾600小时），防腐能力上是数量级的差异，大大延长防腐寿命。
2）冷喷锌具有很好的耐湿热性能和阴极保护以及屏障式保护性能
在该腐蚀环境条件下，酸性凝结会造成普通涂料方案迅速失效及脱落， 冷喷锌镀层内含锌量达96％，确保了阴极电流的有效流通，因此它比无机（有机）富锌涂料有更强的阴极保护作用；同时冷喷锌镀层自身紧密融合，形成自钝化层具有良好屏障保护作用，结合表面封闭层的屏障保护作用，该方案可有效解决大气腐蚀、湿热腐蚀、弱酸液冷凝腐蚀、焊缝锐角局部腐蚀问题，有效避免危害性的局部腐蚀破环问题。在对冷喷锌和热镀锌同样条件进行电化学试验测试结果表明冷喷锌阴极保护原理类似于热镀锌，防腐蚀保护性却能优于热浸锌。在长达 9500 小时的中性盐雾实验证明，即使是在极其苛刻的高等级腐蚀环境下，仍能长效牺牲其本身而对钢铁表面形成保护，确保15年以上的防腐寿命。
4）冷喷锌防腐蚀年限计算
电力行业标准《换流站建筑结构设计技术规程》DL/T5459-2012,对冷喷锌的应用指导和防腐蚀年限给出了计算公式：
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根据ISO12944-2“大气腐蚀环境分类”准则，塔顶以下1/3高度按C5-I腐蚀级别“高湿度和恶劣大气的工业区域，冷凝和高污染持续发生和存在的区域”进行防腐年限计算，按照年腐蚀速率4.2~8.4um/a，n==32.5~19.27年。
根据ISO12944-2“大气腐蚀环境分类”准则，其余部位按C3腐蚀级别“高湿度和有些空气污染的区域”进行防腐年限计算，按照年腐蚀速率0.7~2.1um/a，n==140.7~50年。
根据江津地区纯锌腐蚀速率2.95um/a计算，塔顶以下1/3，n=45,其余部位n=38年。
3.3改变钢塔设计方案
从结构设计上而言，蒙皮内置和外置均可行，采用何种方案主要是考虑风荷载、工艺、热力性能、视觉、密闭性及施工难度等多种因素。
塔筒金属蒙皮（铝板）改为内置后，用防腐性能更好的防锈铝板把主体钢结构与塔内烟气隔离开，有利于防腐。对于塔顶外侧因烟气受到扰动回流影响可能与塔筒外侧钢结构接触的区域，按照C5-I腐蚀环境考虑，塔顶以下20m高度冷却塔主体钢结构采用加强级涂料防腐，其他区域主体钢结构的腐蚀环境同电厂其它建筑钢结构；采用电力行业建筑要求进行防腐。
综合考虑，蒙皮内置后，把烟气与主体结构隔离开，杜绝接触，可以避免烟气对钢结构主体的腐蚀，工程风险最小，是一种行之有效的烟塔合一钢结构间冷塔防腐方案。
4.4塔筒蒙皮结构的防腐
1）蒙皮的防腐蚀性能：
蒙皮一般采用铝合金板，铝合金板分为7类：1系（纯铝）、2系（以铜为主要合金元素）、3系（以锰为主要合金元素）、4系（以硅为主要合金元素）、5系（以镁为主要合金元素）、6系（以镁、硅为主要合金元素）、7系（以锌为主要合金元素）等。其中3系和5系被称为防锈铝，在建筑工程经常采用。由于纯铝板强度不高，为了减轻铝板重量、提高铝板强度，提高铝板防腐性能，现在较多采用铝合金板，铝合金板的强度比纯铝板高出1倍左右。
针对烟塔合一形式钢塔烟气腐蚀环境主要以脱硫后S02 、S03为主，在我国，典型的工业污染大气环境为江津地区的酸雨环境。国家材料大气腐蚀网站对铝及铝合金材料在江津大气曝晒试验站的腐蚀数据一直都在积累，通过表1可以看出，在江津地区普通碳钢的腐蚀速率远大于纯铝，表2中LF21Y2为5系铝，LY12为2系铝，LC为7系铝，L3为1系铝，从表2中可以看出江津地区铝合金腐蚀速率是北京地区的13~20倍。从表3可以看出在江津地区铝合金耐腐蚀性能:1系>5系>7系>2系，证明防锈铝在铝合金中的防腐能力还是仅次于纯铝的。是一种很好的防腐蚀材料。
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上述数据基于中国腐蚀与防护网提供的数据，其中江津地区数据为江津大气实验站1985年试验数据
2）蒙皮的表面处理方式：
铝板的表面处理方法一般采用粉末静电喷涂、氟碳树脂漆喷涂及阳极氧化处理。
1.静电喷涂粉末防腐效果较好，唯一的缺点就是不耐抗紫外线，经过太阳光紫外线的长期照射，极易产生阴阳面色差，故这种表面处理方法近几年在室外钢结构上不再使用。
2.氟碳树脂漆是用制造漆油的氟碳聚合物树脂作为金属的罩面漆，这种罩面漆能抵抗各种腐蚀（比如能抗酸雨以及各种空气污染物等）、不怕强烈的紫外线照射、耐冷耐热性能也极好并且不会在表面积聚污垢。正是由于氟碳树脂漆具有上述良好性能，故而氟碳铝板可以长期保持颜色均匀、表面光滑而不褪色、也不会因长期经受太阳照射而产生阴阳面效果，使用寿命可以长达几十年，现在幕墙使用的单层铝板几乎都采用氟碳树脂漆进行喷涂施工。
3.阳极氧化是现代最基本和最通用的铝合金表面处理的方法，铝及其合金经普通阳极氧化可在其表面形成一层Al2O3膜，氧化膜具有良好的耐磨、耐晒、耐热和耐腐蚀性。
3）本工程蒙皮的防腐：
蒙皮结构采用防腐性能较好的防锈铝板，腐蚀环境按照C5-I考虑，蒙皮自塔高以下1/3高度先进行阳极氧化处理，再附加氟碳喷涂（两面喷涂），喷涂两遍，单侧总厚度不小于50um；其余部位附加氟碳喷涂（两面喷涂），喷涂两遍，单侧总厚度不小于50um。
蒙皮结构采用2mm防锈铝结构，以江津地区5系防锈铝年腐蚀速率0.56um/a考虑，蒙皮自身耐腐蚀性能很好，加上阳极氧化以及表面 氟碳喷涂，可以满足15年的防腐寿命，加上后期定期巡检、维护，可以满足30年的使用要求。
5烟塔合一钢结构间冷塔防腐蚀推荐方案
针对上面提出的防腐蚀方案，并加入了热镀锌防腐进行了比较，冷喷锌防腐相对于其他两种防腐体系具有一定的优势。
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基于上述的分析，在烟气腐蚀环境下，采用蒙皮内置后，可以把烟气与主体结构隔离开，减少主体结构与烟气的接触，可以降低烟气对钢结构主体的腐蚀，工程风险也相对较小；蒙皮采用防腐蚀性能较好的防锈铝，加表面处理，可以满足防腐要求；主体结构采用冷喷锌加面漆封闭方案。冷喷锌加面漆封闭较传统油漆方案防腐性能更好，施工更方便，后期补缺陷更容易。
烟塔合一间冷塔防腐推荐方案：主体结构：塔顶以下20m高度，按照C5-I环境考虑，冷喷锌涂层120μm，氟碳封闭面漆50μm，按照年腐蚀速率4.2~8.4um/a，n=32.54~19.27年。
主体结构：其余部位按照C3环境考虑，冷喷锌涂层100μm，氟碳封闭面漆30μm，按照年腐蚀速率0.7~2.1um/a， n=140.7~50年。
蒙皮防腐蚀方案：蒙皮腐蚀环境按照C5-1考虑，本工程蒙皮结构采用防腐性能较好的防锈铝板，蒙皮自塔高以下1/3高度先进行阳极氧化处理，再附加氟碳喷涂（两面喷涂），喷涂两遍，单侧总厚度不小于50um；其余部位附加氟碳喷涂（两面喷涂），喷涂两遍，单侧总厚度不小于30um。
根据江津地区纯锌腐蚀速率2.95um/a计算，主体结构塔顶以下20m，n=45,其余部位n=38年。
蒙皮结构采用2mm防锈铝结构，以江津地区5系防锈铝年腐蚀速率0.56um/a考虑，加上阳极氧化以及表面氟碳喷涂，经过计算可以满足30年的防腐寿命。
此防腐方案，蒙皮将主体结构与烟气隔离开，减少了主体结构与蒙皮的接触，蒙皮采用耐腐蚀性能较好的防锈铝，按照现行规程计算，主体结构和蒙皮使用寿命可以达到30年。
三、施工难度
目前国内有大型钢结构建筑比较多，深圳高 325米的地王大厦、上海浦东高421米的金茂大厦、北京的京广中心、鸟巢、央视新大楼、水立方等大型建筑都采用了钢结构，这些钢结构的结构比间冷塔都大而且复杂，所以施工技术、经验比较成熟，不存在难度。
第三章工程实施过程遇到的问题及解决方法
1、蒙皮之间的连接螺栓，最初设计采用普通碳钢螺栓，不久就发生锈蚀。后改变设计，改为不锈钢螺栓，彻底解决了该问题。
2、施工过程一定要严格执行设计的工序工艺，保证蒙皮之间的密封橡胶片安装平整，螺栓紧固力满足要求，确保不发生漏风透光现象，这样就不会影响塔的整体密封性能，保证塔的通风性能。
3、施工过程构件发生碰撞，很容易损坏防腐层，如果不修补，留下腐蚀隐患。运行后再修补时，施工难度大，所以在吊装过程要及时进行修补，不留隐患。
4、构件防腐层厚度不满足设计要求。进场前要进行检测，发现防腐厚度不符合部位，及时进行修补，避免遗留腐蚀隐患。
第四章结论
经过严密的方案论证、精密的系统设计、严格的施工管理，麟北发电有限公司的钢结构烟塔合一间冷塔于2018年10月成功建成，投入商业运行。三年来通过应力应变监测系统观测，在极端气象工况下，结构变形、构件位移量均小于设计值，功能满足空冷系统需求。
塔高：170.5m
塔筒外直径：98.5m
0m直径：147.5m
锥段高度：55m
加强环数量：4道，外置
蒙皮结构：矩形檩条+压型铝板
安装方式：双塔吊安装
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根据国内近几年的应用案例，钢结构间冷塔充分体现了造价低、施工工期短、抗震性能好、服役结后全部束材料可以回收利用的优点。只要在设计、制造、施工过程把控好安装质量和防腐质量问题，减少后期的防腐维护工作量，钢结构间冷塔在火力发电厂可以放心大胆推广，相信也会逐渐变为一种技术趋势。
参考文献： 1、《钢结构设计规范GB 50017-2017》
2、《钢结构防腐规范》
3、《钢结构验收标准》
4、《涂装作业安全规程涂漆工艺安全 GB6514》
5、《钢结构桥梁漆 HGT3656》
6、《大气环境腐蚀性分类GBT159571995》
7、《建筑钢结构防腐蚀技术规程》
特别感谢：1、西北电力设计院有限公司 张宏飞；
2、双良节能股份有限公司 余喆
3、西安建筑科技大学 薛强
4、建研科技股份有限公司 马明