ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТРУБЫ
Инженер Л. АРСЕНЬЕВ (Министерство монтажных, и специальных строительных работ СССР].
Каждый год вступают в строй все новые, и новые металлургические, и цементные заводы, химические комбинаты, мощные тепловые электростанции. Сотни миллионов тонн минеральных, и органических веществ, руд черных, и цветных металлов перерабатывает промышленность. Миллиарды кубометров газа, миллионы тонн нефти, мазута, угля, торфа, сланцев сжигаются в топках электростанций, печах, котельных. Грандиозная индустрия, созидающая несметное количество всевозможных материальных ценностей, необходимых человеку, производит при этом, и огромное количество отходов. И зачастую не просто отходов. Многие из них представляют серьезную угрозу здоровью человека, живой природе. Это в первую очередь сточные воды, дымы, и газы промышленных предприятий.
Создать замкнутые технологические циклы, исключить возможность загрязнения нашей биосферы - такова идеальная технология, к созданию которой стремятся ученые, инженеры. И уже есть немало успехов в этом направлении. Так, на одном из крупнейших предприятий Азербайджана - на Сумгаитском заводе синтетического каучука - построены специальные установки улавливания газов, повторной очистки полупродуктов от вредных примесей, герметизированы аппараты. То, что раньше было отходами, стало теперь сырьем для получения новых ценных продуктов.
Немало усилий затрачивается на совершенствование, и тех процессов, для которых еще не найдено приемлемых технико-экономических решений перевода на замкнутый цикл, а также, и тех процессов, для которых принципиально невозможно создать такую замкнутую технологию. Ясно, что в этих случаях главные усилия направлены на обезвреживание отходов производства, на создание такой техники их удаления, которая гарантировала бы соблюдение санитарно-гигиенических норм.
Особенно много в этом направлении делается в Советском Союзе. Об этом свидетельствует, в частности, принятое в сентябре 1972 года четвертой сессией Верховного Совета СССР постановление «О мерах по дальнейшему улучшению охраны природы, и рациональному использованию природных ресурсов»
Большие, и серьезные работы ведутся, в частности, по охране воздушного бассейна. Во многих странах законодательными актами установлены правила, призванные обеспечить нужную чистоту воздуха.
При проектировании каждого промышленного предприятия сравниваются различные варианты удаления, очистки, утилизации дыма. Учитывается наличие в отходящих газах ценных отходов, которые экономически целесообразно улавливать, и пускать в дело, а не на ветер.
Для многих производств, и прежде всего для тепловых электростанций, и металлургических заводов, достаточно эффективным решением остается сооружение фильтров-уловителей, и дымовых труб.
У дымовой трубы два назначения:
во-первых, создавать тягу, и тем самым заставлять воздух, обязательный участник процесса горения, в нужном количестве, и с должной скоростью входить в топку;
во-вторых, труба отводит продукты горения - вредные газы, и имеющиеся в дыме твердые частицы - в верхние слои атмосферы. Благодаря ее непрерывному турбулентному движению они уносятся далеко от источника их возникновения, и рассеиваются.
Отходящие газы - серьезная угроза для здоровья людей, для живой природы. Дымы тепловых электростанций содержат мельчайшие частицы золы, сернистый, и углекислый газы. Тепловая электростанция выбрасывает в атмосферу ежесуточно тонны золы, и сотни кубометров сернистого, и углекислого газов. Дымы доменного, коксохимического, и цементного производств, заводов цветной металлургии содержат, кроме того, сероводород, сероуглерод, окислы азота, фтористых, фосфористых, и мышьяковистых соединений, хлора, свинца, ртути, и др.
Если не приняты специальные меры для очистки дыма от вредных примесей, и высота труб недостаточна, загрязнение воздуха может привести к тяжелым последствиям. Дождь, идущий в районе химических заводов, доходит до земли уже в виде серной или соляной кислоты, или смеси их; вблизи цементных заводов дождь превращается в цементный раствор. В 1930 году в Бельгии, в промышленном районе в долине реки Маас, в один из дней, когда был сильный туман, и безветрие, из-за выпуска в атмосферу дымов с высокой концентрацией вредных веществ погибло от отравления 70 человек, несколько тысяч человек заболело. В Швейцарии зарегистрирован случай поголовной гибели скота в радиусе четырех километров от алюминиевого завода, на котором в тот день вышли из строя очистительные устройства. Растительность вблизи промышленных предприятий, не соблюдающих правил очистки дымов, погибает в течение 3 - 5 лет. Таких печальных примеров известно немало.
Безусловно, прав один западный ученый, который сказал «Или люди сделают так, что на земле станет меньше дыма, или дым сделает так, что на земле станет меньше людей!»
Чтобы чище был воздух, которым мы дышим, чтобы сберечь природу, приходится повышать эффективность способов очистки отходящих газов и увеличивать высоту труб, так, как чем они выше, тем ниже приземная концентрация вредных веществ. Например, при двухсотметровой трубе на тепловой электростанции максимум приземной концентрации токсичных выбросов в сто раз меньше, чем при трубе высотой 20 метров.
Высокие дымовые трубы превращаются в сложные инженерные сооружения, возводить которые становится все труднее.
Техника строительства промышленных труб непрерывно совершенствуется, применяются более прогрессивные материалы, новые конструктивные решения. Обо всем этом, и рассказывает статья «Промышленные трубы»
ИЗ ДРЕВНЕГО МАТЕРИАЛА
Промышленная дымовая труба - сложное инженерное сооружение. Она должна быть прочной и устойчивой при всех действующих на нее нагрузках, и прежде всего выдерживать собственный вес, а он немал (например, кирпичная труба высотой 120 метров весит около 6 тысяч тонн), должна выдерживать ветер, который может быть и ураганным, значительную разность температур, ведь снаружи трубы бывает, и сорокаградусный мороз, а внутри ее сотни градусов жары.
Собственный вес трубы надежно и сравнительно просто воспринимается фундаментом. Чем выше, и тяжелей труба и чем слабей грунт, тем больше должна быть нижняя площадь фундамента. Можно даже отметить положительную роль собственного веса - чем он больше, тем устойчивей труба, - тяжелый предмет трудней опрокинуть, чем легкий. (Из этого, однако, не следует, что надо нарочито утяжелять трубы.)
Наиболее опасная для трубы нагрузка - ветровая. Ветер стремится опрокинуть трубу. Сделать ее устойчивой труднее, чем любое другое сооружение у трубы большое, и невыгодное соотношение между высотой и диаметром (по низу) около 10 - 15. Например, у жилого дома это отношение не превышает 2 - 3, а во многих случаях оно даже меньше единицы.
Под действием ветра труба работает, как упругий стержень, защемленный в основании. Ветер изгибает трубу, вершина ее отклоняется, при этом амплитуда колебаний доходит до одной сотой высоты трубы. Это значит, что, например, вершина двухсотметровой трубы отклонится при сильном ветре на два метра.
Труба должна быть достаточно прочной, чтобы не разрушиться при таком изгибе, и достаточно упругой, чтобы с прекращением ветра снова занять вертикальное положение.
Единственным материалом для первых труб был кирпич, один из самых древних и надежных, дешевых, и повсеместных строительных материалов.
Чтобы правильно сложить трубу высотой в несколько десятков метров, надо быть большим мастером. По всей высоте труба должна иметь в сечении правильный круг, постепенно, на заданную величину должен уменьшаться ее диаметр, стоять труба должна строго вертикально. Нелегко выдержать все эти условия на головокружительной высоте. Каменщики-трубоклады передавали свое мастерство по наследству, отец - сыну.
Мастера-трубоклады тяжелым веском проверяли положение трубы по вертикали. Скошенная рейка с уровнем помогала класть стенки трубы с нужным сбегом. По заделанным в кладку скобам поднимались трубоклады утром на свое рабочее место и спускались лишь вечером. На рабочей площадке в скобы вставляли стойку деревянного крапа-журавля, веревкой, вручную, через блок поднимали кирпичи, и раствор. Росла труба, поднимался все выше и журавль-кран.
Медленно двигалась работа. Чтобы сложить трубу высотой 70 - 80 метров, надо было затратить 6 - 7 месяцев, и только летних - зимой класть трубы не разрешалось, ведь если в замороженную трубу пойдут горячие газы, кладка начнет быстро оттаивать и труба, не успев набрать прочность, разрушится.
Уже в годы первых пятилеток такие способы, и такие темпы возведения труб не отвечали размаху индустриального строительства страны. Надо было совершенствовать технику сооружения кирпичных дымовых труб. Прогресс в этом направлении привел к коренным изменениям метода возведения труб.
Теперь внутри трубы устанавливают легкие шахтоподъемники, собираемые из стандартных стальных элементов. Подъемник доставляет наверх трубокладов и материалы. Геодезические инструменты, и лазеры помогают проверять правильность кладки. Калориферы подают внутрь трубы горячий воздух; он проходит по стволу и собирается наверху под брезентовым тепляком, который опирается на шахтоподъемник, и поднимается вместе с ним по мере роста трубы. Тепляк защищает трубокладов от всех атмосферных невзгод, и они могут работать круглый год в хороших условиях.
При всех своих достоинствах кирпич не лишен серьезных недостатков. Из-за большой разницы между температурой воздуха снаружи, и внутри трубы в кладке ствола появляются вертикальные трещины. Поэтому для кирпичных труб обязательны стальные кольца-обручи, которыми через каждые 1,5 - 2 метра стягивают ствол по всей высоте. Это дополнительный расход металла, дополнительная работа. А трещины все равно могут появиться, и тогда попавшая в них весной вода при замерзании разрушит кладку. Она может разрушиться еще, и потому, что кирпич, и раствор, на котором ведется кладка, имеют разные коэффициенты теплового расширения. Наконец, и это очень существенно, кирпич - неиндустриальный, «ручной» материал. Много изобреталось машин для кладки кирпича, но ни одна из них не смогла конкурировать с человеческими руками. На трубу высотой 100 метров уходит примерно 1 миллион 200 тысяч кирпичей. Значит, надо миллион двести тысяч раз взять кирпич в руки, обмазать раствором, положить в стенку, постукать молоточком. Если на все эти операции только с одним кирпичом тратить, скажем, по минуте, то на сооружение всей трубы понадобится 20 тысяч часов, почти 2 500 рабочих дней.
СЛОЖЕНА НА ЗЕМЛЕ
Уже много лет в промышленном строительстве успешно применяют сборные железобетонные конструкции, ставшие серьезным конкурентом кирпича. Сборные железобетонные элементы готовят в заводских условиях, а на строительной площадке из них с помощью кранов собирают целое сооружение. Применение сборного железобетона позволяет резко сократить трудоемкость, и сроки производства работ.
И в трубах кирпич стал уступать место сборному железобетону.
Первые железобетонные трубы были собраны с применением предварительного напряжения арматуры железобетонной конструкции. При этом методе арматуру до укладки бетона предварительно растягивают и, следовательно, удлиняют. После того, как уложенная в форму бетонная смесь набирает достаточную прочность, усилие, растягивавшее арматуру, снимают, и она укорачивается, сжимается. Но так, как арматура уже успела хорошо сцепиться с бетоном, то она заставляет, и его сжаться. В таком бетоне не появляются обычные для железобетона трещины. Предварительно напряженные конструкции выдерживают значительно большие нагрузки, чем армированные обычным способом. Можно получить прочную, надежную конструкцию, и из отдельных элементов, соединяемых воедино напрягаемой арматурой. Такой метод, примененный строителями при возведении, первых сборных железобетонных труб, позволил отказаться от работ на высоте. Всю трубу стали собирать на земле.
В 1958 - 1960 годах впервые в строительной практике таким способом собрали несколько дымовых труб высотой 30 метров. Ствол трубы изготовляли в виде отдельных бетонных колец-царг; стальной арматурой, пропущенной сквозь каналы в царгах, их стягивали в одно целое. Возведение труб занимало несколько часов вместо нескольких месяцев.
Однако широкого развития такой метод не получил; труб высотой 30 метров - единицы, а для более высоких труб метод оказался неприемлемым. И вот почему. При подъеме из горизонтального положения в вертикальное высокая труба под тяжестью собственного веса будет испытывать значительные напряжения от изгиба. Чтобы она их выдержала, придется увеличить ее сечение до размеров, не требующихся по условиям работы трубы в вертикальном положении. Железобетонная высокая труба увеличенного сечения будет настолько тяжелой, что для ее подъема понадобятся сверхмощные, и очень дорогие краны. Ясно, что такой способ для строительства труб высотой более 30 метров не пригоден.
Несколько лет назад на Новолипецком металлургическом заводе надо было в короткие сроки соорудить 6 труб высотой по 45 метров. Решено было сделать их железобетонными, но собирать в вертикальном положении, непосредственно на фундаменте. Для возведения труб тоже изготовили кольца-царги, но в них по периметру сверху, и снизу были сделаны не сквозные каналы, а ниши, в которые закладывались устройства для болтовых соединений. Для монтажа труб строители сконструировали кран, который полз вверх по уже смонтированной части ствола трубы. Этот кран устанавливал поочередно одну на другую все царги; между собой их накрепко соединяли болтами. На монтаж одной царги уходило примерно полтора часа; на монтаж всей трубы затрачивали 60 - 80 рабочих часов.
Метод этот оказался более перспективным, чем подъем трубы целиком. Но наряду с этим липецкий опыт показал, что возведение высоких сборных железобетонных труб сопряжено с решением многих сложных задач. Нужны краны специальной конструкции, надо изыскивать способы надежного соединения элементов трубы между собой и многое другое. Поэтому максимальная высота сборных железобетонных труб пока не превышает 75 метров. Но ведь все чаще, и чаще приходится сооружать трубы высотой 100, 150 и более метров. Как же это делается?
РЕКОРД ВЫСОТЫ
ЗА МОНОЛИТНЫМ ЖЕЛЕЗОБЕТОНОМ
Многие высотные сооружения - градирни, силосные башни, водонапорные, и телевизионные башни - возводят из монолитного железобетона, который готовят непосредственно на стройке. Это, конечно, недостаток монолитного железобетона. Но у него есть ряд существенных достоинств. Главное из них - высота сооружения из него теоретически неограниченна, а практически, например, в телевизионных башнях, давно шагнула за 200 - 250 метров.
Монолитный ствол можно надежно и просто закрепить в железобетонном фундаменте, благодаря чему повышается устойчивость трубы. Работы по возведению монолитных железобетонных сооружений хорошо поддаются механизации, не требуют особо высокой квалификации исполнителей.
Технология возведения высоких монолитных железобетонных труб хорошо освоена. Такие трубы строятся сейчас во многих районах Советского Союза.
Бетонную смесь, которая после затвердения должна принять заданную конфигурацию, укладывают в форму-опалубку. При возведении железобетонных труб опалубка представляет собой два кольца из деревянных или стальных щитов. Бетон, уложенный в промежуток между кольцами, и образует стенку трубы. Щиты опалубки либо постепенно переставляют все выше и выше - переставная опалубка, либо с помощью специальных устройств заставляют их ползти кверху - скользящая опалубка. При переставной опалубке вся строительная оснастка, и рабочая площадка держатся на шахтоподъемнике, установленном внутри трубы; при скользящей опалубке опорой служит уже забетонированная часть ствола.
Монолитный железобетон позволил намного увеличить высоту дымовых труб. В дореволюционной России высота кирпичных заводских труб не превышала 75 метров. В 1932 году на Челябинском цинковом заводе была возведена кирпичная труба высотой 85 метров; кирпичная труба Нижне-Тагильской ТЭЦ, сооруженная в 1937 году, поднялась на 130 метров. В 1966 году в СССР появились железобетонные монолитные трубы высотой уже 250 метров. Сегодня такие трубы достигли 320 метров - это высота стоэтажного дома!
ТРУБЫ В ТРУБАХ
Рекорд высоты - 380 метров - принадлежит трубе никелевого завода в г. Коппер-Клифф в Канаде. Фактически это две трубы - внутренняя стальная газоотводящая, диаметром 13,7 метра, и наружная железобетонная, воспринимающая все нагрузки, действующие на сооружение. Нижний диаметр железобетонной оболочки весьма солидный - 35 метров, верхний - 15,8 метра. Внизу «крепостная» толщина железобетонной оболочки - 1 метр, кверху она уменьшается до 26 сантиметров.
Железобетонную оболочку возводили в скользящей опалубке. Работы велись круглосуточно; оболочку забетонировали за 53 дня. В готовой оболочке из отдельных звеньев длиной по 30 метров смонтировали внутреннюю трубу из нержавеющей стали; эта труба весит 2 тысячи тонн. Между внутренней трубой, и железобетонной оболочкой размещены лестницы, рабочие площадки, лифты.
Уже во время возведения канадская труба неожиданно для строителей подверглась испытанию на прочность. Когда бетон последних метров только был уложен и не набрал еще достаточной прочности, разразился ураганный ветер, достигавший скорости 160 километров в час. Этот ураган, оставивший без крова более семи тысяч человек, не причинил никакого вреда трубе. Строители были настолько уверены в прочности сооружения, что переждали ураган внутри трубы.
Высокие трубы - сооружения дорогие (например, канадская труба стоит 5 миллионов долларов). Чтобы снизить их стоимость, трубостроители придумали многоканальные трубы. Новая идея достаточно проста.
На электростанциях, на металлургических заводах обычно бывает несколько топок, печей, для каждой из которых нужна своя труба. И сот строители решили собрать все трубы в одно сооружение. Они делают для них (как правило, для трех-четырех) общую оболочку, способную выдержать ветровую нагрузку. Внутри такой оболочки, и размещают трубы, в «обязанности» которых входит только пропуск дыма. Многоканальная труба легче, и дешевле, чем три или четыре отдельно стоящих трубы. Итак, высота сохранена, а стоимость снижена.
Многоканальная труба высотой 260 метров была построена на одной из электростанций Англии. Три внутренних дымовых канала имеют эллиптическое сечение, благодаря чему хорошо используется пространство внутри несущей трубы-оболочки. В промежутках между оболочкой, и дымовыми каналами размещены площадки, и лифты. В Костроме для мощной ГРЭС строится труба аналогичной конструкции высотой 250 метров. Здесь в железобетонной оболочке размещены четыре стальных дымоотводящих канала диаметром по 4,5 метра каждый.
Для одной из электростанций в Австрия построена многоканальная труба высотой 165 метров. Но здесь несущей конструкцией является стальная решетчатая мачта треугольного сечения, заделанная в фундамент, и закрепленная растяжками. А стальные дымоотводящие трубы закреплены снаружи мачты вдоль каждой ее грани.
Гигантская многоканальная труба проектируется для Норильского горно-металлургического комбината. Высота ее будет 420 метров!
Внутри цилиндрической наружной оболочки диаметром 18,5 метра размещены три дымовых канала. Они выполнены из нержавеющего металла, и имеют диаметр по 6 метров. В районе Норильска часто дуют сильные ветры. Чтобы труба выдержала их напор, она усилена шестью цилиндрическими ногами из труб диаметром 3,2 метра, подпирающих ее на высоте 150 метров. Рядом с трубой таких размеров десятиэтажный дом покажется кубиком из детской игры.
По одному из вариантов оболочка трубы стальная. Толщина стенок в наиболее нагруженном сечении достигает 32 миллиметров. Разрабатывается, и вариант оболочки из монолитного железобетона.
В отношении материала для оболочек, и для дымовых каналов единства взглядов нет. И сталь, и монолитный железобетон имеют своих сторонников. Стальная труба намного легче железобетонной, ее можно достаточно быстро, и просто смонтировать. Железобетонные трубы служат 50 - 60 лет, а стальные - около 10. Железобетонные трубы нужно ремонтировать сравнительно редко, примерно раз в 5 лет, стальные же - чуть не ежегодно. Стальные трубы дешевле железобетонных. Но если учесть эксплуатационные расходы, стоимость ремонтов, срок службы, то на чьей стороне окажется больше прав на жизнь - однозначно сказать нельзя. Решение зависит от множества местных условий.
Для трубы Норильского комбината будет выбрано решение, которое окажется наиболее целесообразным по надежности, стоимости, срокам строительства, условиям эксплуатации.
Возведение в условиях Норильска, за Полярным кругом, трубы высотой 420 метров потребует большого мастерства строителей, использования современной техники, разработки новых методов производства работ.
Стремительны темпы научно-технического прогресса. На ватманах проектировщиков уже рождаются проекты труб высотой 600 метров.
Все выше, и выше поднимаются дымовые трубы, чтобы чище был воздух, которым мы дышим, чтобы сберечь природу, природные богатства.
ЛИТЕРАТУРА
Косенков Е. Д. - Строительство высотных сооружений в скользящей опалубке. «Будивельник». Киев, 1971.
Петрино в-С околов И. - Чистая вода, чистый воздух. «Наука, и жизнь». Ко 7. 1972.
Стука нов А. А. - Возведение монолитных железобетонных промышленных труб. Стройиздат. №.. 1973.
Читайте в любое время
