玻璃纤维塑料套筒的钢筋混凝土烟囱在失控火源中的热量分析外文翻译资料

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玻璃纤维塑料套筒的钢筋混凝土烟囱在失控火源中的热量分析

摘要

本文阐述了一种基于由实验决定的套筒材料的燃烧特性来计算套筒式玻璃钢的钢筋混凝土烟囱的耐火极限和管道烟气温度的简单方法。以单套筒和四套筒烟囱为例说明计算耐火极限和瞬态传热情况方法的运用。对烟囱的外形和几何尺寸进行一次参数研究，高度在100米到300米之间，直径在7米到40米之间，有1到4层套筒和不同的开放配置。结果用于鉴定钢筋混凝土烟囱的高温后残余应力减少最大的情况。使用基于美国混凝土协会对烟囱应力计算的307号标准的方法可得到烟囱高温后残余应力的解析估量。钢筋混凝土的一系列关键配置的计算结果以及本文中详细说明的实际设计极限内的玻璃钢套筒几何尺寸表明烟囱的高温后结构性能不会彻底失效，特别是在烟囱不会受到例如风载或地震的其它横向设计载荷的情况下。

1. 简介

玻璃钢套筒（如图1所示）用于保护钢筋混凝土烟囱的外壳不受烟道气的腐蚀影响。玻璃钢材料是易燃的，而混凝土烟囱的使用会增加不受控火灾的风险。维护期间烟囱内的冒烟或高温物品、烟囱底部储存可燃物的点燃或者上流系统的某些异常情况都可能导致玻璃钢套筒里的火灾。2006年3月，一座正在加固玻璃钢套筒的发电厂发生了火灾。事故报告中提到火灾蔓延到了300米高烟囱除上部3米的所有地方。火灾在晚上发生，于次日下午才被彻底扑灭。尽管火灾破坏了套筒，混凝土烟囱并没有坍塌。虽然以前没有发生过重大的火灾后坍塌事件，但由于玻璃钢套筒在钢筋混凝土烟囱的使用越来越多，依然需要调查清楚套筒起火的影响和烟囱坍塌的可能。为了估算火灾期间烟囱结构性能的损失和火灾后的残余应力，需要火灾特性方面的知识，因为烟囱外壳长期暴露在高温之中会降低混凝土强度并且取决于暴露的时长和强度能够损害钢筋混凝土烟囱的结构完整性【2-10】。为了研究套筒式玻璃钢的钢筋混凝土烟囱的热性能，应考虑如图1中所示的三种火灾场景：

• 第一种情景是一堆由始于套筒并造成套筒坍塌于钢筋混凝土烟囱底部的火灾产生的玻璃钢起火。假设烟囱底部是开放的，能够允许进入的气流在火灾期间不被封闭和阻隔，那么进入的空气应该会将火焰推到烟囱的一侧，造成烟囱墙壁的局部加热。
• 在第二种情况中，在单个或多个套筒外的火灾期间，玻璃钢在结构性上保持可靠。这样的一次火灾释放的部分热量会被套筒和混凝土外壳之间的空气流动带走，其中的一部分会加热烟囱的墙壁。玻璃钢在任意给定时间内和火灾有关的平均表面积会影响火灾的持续时间和通过烟囱的空气的平均温度增加。如果套筒破裂并导致气流阻塞，可以想象通过烟囱的空气会更少，混凝土墙壁则会暴露在更高的平均温度中。在这个情景的研究中，可以谨慎地假设，尽管在气流受限的情况下，依然有足够充分燃烧的氧气。
• 第三种火灾在单个或多个套筒内发生并蔓延，并且未渗透到外界，也未发生套筒坍塌。在这种情况下，火灾被控制在套筒内，套筒与混凝土墙壁之间的间隙里的空气不会明显升温。因此，这种情况下不会造成烟囱强度的严重下降所以也就不在分析了。

情景1 情景2 情景3

玻璃钢废墟起火 套筒外起火 套筒内起火

图1.套筒式玻璃钢烟囱的几种火情

2. 方法概要

主要目标是确定目标烟囱和消防配置结构性能的降低，并检查带玻璃钢套筒烟囱的几何尺寸是否在实际设计极限以内，以拥有足够的的火后残余性能来承受设计载荷。这需要一个应力分析的过程，该过程在第八节中有总结，利用了基于混凝土协会307号标准[12]中分析的方法[11]。该项应力分析要求计算平均火灾持续时间和烟囱内部气体平均温度的方法，在第四节和第五节中分别讨论了这两种基于玻璃钢套筒材料燃烧特性而建立的方法。如第三节所述，套筒材料由试验决定。如第六节所述，该方法被运用于165米高单衬烟囱和240米高四衬烟囱的混凝土墙壁的瞬态传热分析。如图2所示为两种具有典型规模的烟囱。对几何尺寸为高度在100米到300米之间、直径在7米到40米，具有多个套筒和不同放开配置的烟囱进行了大量的参数研究，以鉴定基于火灾情况严重程度的目标配置。以上在第七节中有论述。

图2.单套筒和四套筒烟囱的尺寸规格

3. 玻璃钢套筒材料的燃烧特性

一项对回收的烟囱的实验性研究表明，这种物质的燃烧（如图3）分为两个阶段：最初在富含树脂的顶层迅速燃烧(第一阶段)，随后回到状态稳定的低强度燃烧（第二阶段）。

套筒材料燃烧期间的单位面积平均释热率可以用时间加权平均数通过等式（1）计算得到

等式（1）中的和A分别表示网格释热率（kw）和燃烧面积（），t表示燃烧阶段的持续时间（s），下脚标I 和II分别表示两个燃烧阶段。表1中有基于等式（1）中用于计算平均释热率的三个平行板[13,14]的实验测试数据。用一个有效释热参数(kJ/kg)来量化玻璃钢的燃烧效率。如等式（2）所示，这个参数由玻璃钢燃烧期间的单位面积平均释热率决定，而可由公式（1）、两个阶段的持续时间和（s）、玻璃钢厚度X（m）和密度rho;(kg/)计算得到。

(2)

实验中所用玻璃钢厚度为X = 1.58 cm，是工业玻璃钢套筒的标准厚度(1.3–2.5 cm或0.5–1.0 in) [15]。玻璃钢的密度为rho;=1678 kg/。

表1中也给出了用于计算有效释热参数的数据。出于研究目的，将套筒材料燃烧期间的单位面积平均释热率的计算结果分别算到=75kW/和=8MJ/kg中。计算结果与已发布数据[16]一致。

图3.平行板配置和玻璃钢套筒的典型燃烧阶段

4.平均火灾持续时间

有效释热参数(kJ/kg)表示单位质量玻璃钢在平行板配置中燃烧释放的热量。平均释热率 (kW/m2)表示单位面积套筒每秒释放的热量。因此，如公式（3）所示，用有效释热参数乘以玻璃钢质量的积除以释热率乘以玻璃钢表面积的积可以得到平均火灾持续时间。参数rho;(kg/)、V（）、（）分别表示涉及火灾的玻璃钢套筒的密度、体积和表面积。

（3）

表一

基于平行板的实验数据计算平均释热率和释热参数

5.平均烟气温度

5.1废墟起火

在图1中第一种情景里的烟囱底部玻璃废墟燃烧期间，混凝土外壳附近的气体温度接近于火焰温度。假设存在一场足够大规模的火灾，平均释热率为150 kW/，是表1中观察到的平行板配置内标准厚度的玻璃钢套筒的热流量的两倍。假设辐射是唯一的传热途径，由斯特凡–玻尔兹曼法则得到火焰温度的估计量：

公式中玻尔兹曼常数等于5.67*W/。基于这个关系式，保守估计混凝土墙壁附近的火焰温度为1000ordm;C。

图4显示了内部对流和外部对流以及在燃烧的内衬周围的钢筋混凝土外壳的热边界条件。在图中，烟囱和周围空气的平均温度温度是由 和表示。附录A提供了可用于分别计算内部和外部的传热系数和的传热关系。

图4 烟囱墙壁的热边界条件

5.2内衬外火灾

对于在内衬外表面上发生的火灾，如图1所示中第二种情况所示，燃烧期间烟囱空气的平均温度取决于内衬和混凝土墙壁和内衬间间隙里的流量。公式(5)可以用来估算高度为H的烟囱的流量（推到过程见附录B）。

式中表示烟囱里的空气的平均密度，g表示重力加速度，A0和Ai表示出口和入口面积。用混凝土外壳内的面积减去内衬内的面积得到出口面积。入口面积是除烟气管道以外的烟囱开口的总面积。附录B中提供了常数C1和C2的数学表达式。玻璃钢材料火灾引起的热对流导致混凝土与内衬之间的空隙

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