冬季低温火炬工艺架空铁塔管杆劈裂原因失效分析

冬季低温火炬工艺架空铁塔管杆劈裂原因失效分析

【摘要】：本文以南通某化学工业有限公司206#火炬铁塔管杆劈裂原因分析为例，结合现场的实际情况从材料的硬度、金相、焊缝施工质量、构件变形等多方面因数综合考虑，通过结构受力特性计算分析，对管杆开裂原因给出鉴定结论。

【关键词】：火炬铁塔；管杆劈裂；冬季低温；失效分析

火炬塔的钢材大多都是手工制造，而非批量生产，且主火炬塔的主体结构全部由异型管杆组成，它们不仅规格材质不同，长短尺寸不一，有的管杆的口径也完全不同。一般多用于石油冶炼，化工制作，煤焦化，垃圾处理等行业内。

随着时间的推移及外界环境的变化，铁塔构件镀锌层脱落及锈蚀，甚至在极端天气下，铁塔出现的异常变形或者开裂不仅影响铁塔的耐久性，甚至会影响了铁塔承载能力和安全性。因此，对铁塔结构出现的异常情况应进行必要的检测鉴定，分析出实效原因，进而采取有效的针对性措施以保障其安全服役。

1  工程概述

受检工艺架空铁塔位于江苏省南通市，高度约为46米，建成使用约20年，在2016年1月22日极端寒潮（-11℃）后发现塔架主支柱EL108至EL117处出现管杆劈裂，管杆冻胀劈裂产生宽约2cm上窄下宽 、长约8m的裂缝，并有大量水从塔架开裂处流出，钻孔塔架底部也排出部分积水和锈渣。为了解该铁塔出现裂缝的原因，铁塔使用方特委托进行失效分析，并给出相关处理建议。

   铁塔平面大致呈正三角形，立面为塔式，底层塔基平面正三角形边长尺寸为10.0m，顶层平面正三角形边长尺寸为4.0m，铁塔主体结构高度为46.0m。（照片1及照片2）。

根据设计图纸及现场调查，塔架各杆件截面形式为圆形，其中塔柱钢管用20号无缝管杆，其它管杆、柱脚节点板、地脚螺栓用Q235-B.F，型钢及钢板为Q235-A.F。主要杆件截面为φ219×14、φ168×10、φ140×8、φ203×12、φ180×10、φ121×8、φ114×8等。

           

照片1 火炬铁塔立面外貌                         照片2 现场已对管杆裂缝进行了补焊

2  主要检测内容及结果

2.1铁塔建筑结构复核

现场检测人员采用Leica TCR1202+型电子全站仪、手持式激光测距仪、钢直尺、卷尺和游标卡尺对结构构件截面尺寸、连接构造等结构概况进行了现场复核。主要构件几何尺寸复核结果见表2-1。

表2-1  主要构件几何尺寸复核成果表序号位置实测值（mm）设计值（mm）1腿部主材φ223×13φ219×142腿部斜材φ175×10φ168×103塔脚板厚度40404标高EL109.00处塔身横材φ150×9φ140×85标高EL109.00处塔身斜材φ148×8φ140×86标高EL119.00处塔身主材φ210×12φ203×127标高EL119.00处塔身斜材φ130×7φ121×88标高EL127.00处塔身主材φ185×9φ180×109标高EL127.00处塔身斜材φ112×6φ108×610标高EL127.00处塔身横材φ120×8φ114×811标高EL135.00处塔身主材φ146×11φ140×1012标高EL135.00处塔身斜材φ105×6φ102×613标高EL135.00处塔身横材φ111×7φ108×6

表2-2  连接节点复核成果表序号设计情况实测情况备注1  原设计加劲肋板从侧面焊在管杆上的，实际施工改成了将管杆剖开里面插入两块钢板并焊接。

经过现场检测复核表明各构件截面尺寸、结构布置基本与原设计图纸基本相符。但部分柱与斜杆的连接节点与设计不符，原设计节点板与管杆柱是侧面角焊缝，但现场实测发现节点板穿透了管杆柱（在照片上可明显看出节点板处主支柱外侧面凸出1cm） ，节点肋板穿透主柱变为刚接详见实景照片3、4。

 

照片3 节点肋板穿透主柱变为刚接实景                     照片4 节点肋板穿透主柱变为刚接实景

2.2铁塔完损检测

为明确受检铁塔完损状况，现场对受检铁塔能进入的各部位均进行了仔细调查，检测结果显示：结构主要受力构件基本完好，构件连接完好，螺栓齐全，焊缝外观饱满；个别附属构件锈蚀严重；标高EL107.00~EL119.00范围内，柱主材存在裂缝，长度约8m，已用焊缝修复。

2.3钢材金相、硬度检测

采用金相覆膜法对塔架钢柱进行显微组织覆膜、镀膜、并在显微镜下观察，对1#~3#柱进行金相检测，结果如下：

1#钢柱母材显微组织为铁素体+珠光体，热影响区组织为铁素体+珠光体，焊缝区组织为铁素体+珠光体，未见异常；

2#钢柱母材显微组织为铁素体+珠光体，未见异常；

3#钢柱母材显微组织为铁素体+珠光体，未见异常。

根据铁塔的现场实际情况，采用里氏硬度计，参照《金属材料 里氏硬度试验 第1部分：试验方法》（GB/T 17394.1-2014）进行钢结构硬度现场抽样检测，钢构件的强度基本满足设计要求。

硬度检测结果未见明显异常。硬度测试值如下（HLD）：

   1号柱：384、386、396、384、383、388、377、388、397、393；

强度推定值为：430Mpa>410Mpa(20号无缝管杆强度设计值)。

   2号柱：414、414、417、414、418、418、427、423、411、424；

强度推定值为：489Mpa>410Mpa(20号无缝管杆强度设计值)。

   3号柱：414、410、403、415、416、408、423、417、417、426；

强度推定值为：482Mpa>410Mpa(20号无缝管杆强度设计值)。

2.4铁塔变形检测

现场采用WILD NA2型水准仪，对铁塔选取设计处于同一水平面的柱底塔基顶面进行沉降差检测，高于基准点为正值，低于基准点为负值。检测结果见表2-3。

表2-3  沉降差测量结果测点号1231测量数值（mm）±0+11+19±0测量距离（mm）100001000010000/沉降差（mm）11819/相对倾斜率（‰）1.10.81.9/ 由表2-3检测结果得出，相邻柱基的沉降差小于《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中限值3‰（注：沉降观测包含施工误差）。

2.5结构连接节点检测

现场对受力的重点区域的构件连接焊缝、梁柱连接焊缝、钢支撑与梁柱连接焊缝、梁柱构件对接焊缝等进行外观检测，焊缝饱满。标高EL107.00~EL119.00范围内主材裂缝处的修补焊缝外观完好。

2.6高强螺栓现场检验

通过外观普查，梁、柱高强螺栓节点基本完好，现场采用扭矩扳手对受力重点区域构件的高强螺栓现场检验：先用小锤敲击每一个螺栓螺母的一侧，同时用手指按住相对的另一侧，以检查高强度螺栓有无漏拧。对于扭矩系数的检查，每个节点先在螺杆端面和螺母上画一直线，然后将螺母拧松，再用扭矩扳手重新拧紧，使二线重合，此时测得的扭矩值应在0.9Ms～1.1Ms范围内，按下式计算：

Ms=K*P*D

式中,

Ms———检查扭矩；

K———扭矩系数；

D———螺栓公称直径；

P———高强度螺栓设计预拉力。

现场未发现高强螺栓漏拧及扭矩不合格现象。

3  主体结构承载力计算分析

根据国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）、《钢结构设计规范》（GB 50017-2003），我方结合现场测绘数据，采用同济大学钢结构软件3D3S v12.1对结构的安全性进行建模计算分析。

3.1荷载取值

结合现场检测结果及荷载实际分布情况，按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）规定取值，恒荷载取结构自重（配件自重，固定设备重等）装饰及次结构构件，取2.5KN/㎡。

风荷载：基本风压0.50kN/m2，地面粗糙度为B类；

活荷载：按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中的有关规定，平台等效均布活荷载荷载取2.0 kN/m2。

抗震设计信息：按《石油化工排气筒和火炬塔架设计规范》（SH/T3029-2014）中的有关规定抗震设防为标准设防类(丙类)，抗震设防烈度为6度(第二组)，设计基本地震加速度值为0.05g。多遇地震下水平地震影响系数0.04，结构阻尼比0.03，特征周期为0.3s。

3.2结构材料强度

钢材牌号Q235。

3.3计算结果

分析结果显示铁塔主要构件应力与效应比值（）均大于1，无超限现象，结构满足规范要求。塔顶风荷载作用下最大水平位移33mm（1/1400），满足《高耸结构设计规范》（GB50135-2006）的限制1/75，详见图1。

 

图3-1  铁塔立面图及计算简图

4  失效原因分析及建议

4.1分析及讨论

（1）经现场检测及计算分析，结构尺寸及结构水平位移、相邻柱基的沉降差符合设计要求。

（2）对部分梁、柱高强螺栓节点进行抽检以及部分构件的金相及硬度检测，检测结果均为合格。

（3）使用3D3S软件对塔结构分析，计算结果显示，塔身主要构件应力与效应比值均大于1，无超限现象，满足规范要求。

由上述综合，杆件材料属性、主要受力杆件承载力及塔身变形均满足规范要求。

通过主要构件几何尺寸复核，排除了主要杆构件尺寸如不符设计导致强度不够引起失效的原因；

通过铁塔完损性检测，排除了使用年限久后出现的铁塔锈蚀引起截面强度不够引起的失效原因；

通过金相和硬度检测，排除了管杆主要材料本身缺陷引起失效原因；

通过铁塔变形的检测，排除了因沉降或风及其他荷载引起塔架变形产生内力引起失效的原因；

通过高强螺栓的检测，排除了底部松动变形产生内力引起失效的原因。

通过现场实测发现火炬塔架的部分节点现场施工时改变了做法 ，原设计加劲肋板从侧面焊在管杆上的，实际施工改成了将管杆剖开里面插入两块钢板并焊接。从结构力学的角度看，由于塔架主支柱节点增加了刚性，尤其是底部荷载较大簿弱杆件产生了较大的扭力，由于节点刚度的改变，因施工、安装、校正或使用过程中产生内力，在极端寒潮天气环境的情况下，由于管杆内积水冻胀引起塔架簿弱杆件劈裂。

4.2处理建议

（1）对基底法兰，底座底板，锈蚀构件重做防锈处理。

（2）对平台处的锈蚀构件及受损构件进行更换。

（3）加固施工前，应由有资质的设计单位出具完整的改造加固施工图。

（4）EL107.00~EL119.00范围内主材开裂后虽进行了处理，但存在一定安全隐患，建议对与设计不符的节点板及相关管杆柱进行更换或加固，排除安全隐患。

参考文献

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2、中华人民共和国国家标准，工程测量规范，GB50026-2007；

3、中华人民共和国国家标准，建筑结构荷载规范，GB50009-2012；

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5、中华人民共和国国家标准，建筑地基基础设计规范，GB50007-2011；

6、中华人民共和国国家标准，钢结构工程施工质量验收规范，GB50205-2001；

7、中华人民共和国地方标准，钢结构检测与鉴定技术规程，DGTJ08-2011-2007；

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10、中华人民共和国行业协会标准，塔桅钢结构施工及验收规程，CECS80-2006；

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12、中华人民共和国国家标准，钢的显微组织评定方法，GB/T13299-1991；

13、中华人民共和国国家标准，钢中非金属夹杂物显微评定方法，GB/T 10561－1989；

14、中华人民共和国国家标准，金属里氏硬度实验方法，GB/T17394.4-2014；

15、中华人民共和国国家标准，黑色金属硬度及强度换算值，GB/T 1172-1999；

16、中华人民共和国石油化工行业推荐标准，石油化工排气筒和火炬塔架设计规范，SH/T3029-2014。