Дымовые трубы отличаются от обычных ветровых сооружений тем, что они испытывают воздействие перепадов температур, агрессивной среды и подвержены абразивному износу. Специфика эксплуатации дымовых труб требует неординарного подхода к проектированию новых конструкций, который должен учитывать способы строительства, безопасного демонтажа их с повторным использованием конструктивных элементов, текущий и капитальный ремонты.

Старые конструкции кирпичных и железобетонных дымовых труб не были рассчитаны на эксплуатацию в условиях снижения температуры эвакуируемых газов ниже температуры «точки росы». Используемая ранее технология возведения монолитных железобетонных труб методом переставной опалубки не позволяла добиться получения монолитной конструкции. При вибрировании бетона, залитого в опалубку, крупные фракции щебня опускались вниз, а цементно-песчаная суспензия всплывала наверх. Разборка бетонных труб подтверждает тот факт, что в швах бетонирования бетон был пористым и низкопрочным.

Заливка внутреннего бетонного ствола - новое решение восстановления дымовой трубы. Получается новый бетонный конус, на который «одет» конус старой трубы, но и эта труба не может быть выполнена без швов бетонирования. Технология бетонирования в переставную (скользящую) опалубку не может не давать дефекты в швах бетонирования. Приходится следить за тем, чтобы швы бетонирования нового ствола не совпали со швами старого. Если применить поточную заливку бетона по спирали, с высотой слоя до 300 мм, то бетонную смесь сложно провибрировать и пропарить так, как это делается на заводах железобетонных изделий и сложно проконтролировать качество залитой бетонной смеси на высоте. Необходимо выбрать технологию строительства и под нее разрабатывать конструкцию дымовой трубы.

Развитие отечественного трубостроения может пойти по двум направлениям: сборная железобетонная труба из элементов заводского изготовления; технология непрерывной заливки бетона без швов бетонирования.

Сборная железобетонная труба, собранная из колодезных колец, изготовленных в заводских условиях, получается более прочной. Наиболее слабое место

сборной трубы - резьбовое соединение. Оно расположено в месте стыка колец и подвержено агрессивному воздействию газов. Сложно контролировать состояние резьбового соединения, а тем более его ремонтировать или менять, особенно без остановки дымовой трубы. Для защиты бетона несущего ствола от агрессивного воздействия дымовых газов в дымовых трубах предусматривается внутренняя футеровка. Снаружи сборные дымовые трубы облицованы стеклянной плиткой. Наружная облицовка стеклянной плиткой способствует увеличению концентрации растворов агрессивных солей в бетоне. Маркировочную окраску на кирпичные и бетонные дымовые трубы рекомендуется наносить только паропроницаемой краской. При монтаже сборной трубы применяется кран, мачта которого крепится к бетонному стволу дымовой трубы. Крепление мачты крана к стволу повышает опасность работ и может ускорить разрушение трубы.

Развитие трубостроения всегда шло от малых высот и диаметров к большим. Когда появилась потребность сконструировать из сборного железобетона трубу большого диаметра, то царги стали тоже делать сборными. Если элементы царг выполнить разными по высоте, хотя бы в нижнем ярусе, то их можно будет собирать вразбежку, в шпунт (элемент царги далее будем называть клепкой, по аналогии с отдельной дощечкой деревянной бочки, которая и называется клепкой). Стягивающие бандажные кольца легче менять, ремонтировать, да и коррозионному износу они подвержены меньше, чем резьбовые соединения сборных железобетонных труб. Если клепки сделать пустотелыми, то они будут контактировать с агрессивными газами только своей внутренней стенкой. Вентилируемый зазор предохранит наружную стенку от разрушения.

При разрушении внутренней стенки клепки она не потеряет несущей способности, разрушение можно легко обнаружить и клепку заменить без разборки всей трубы. Сохранившиеся же клепки трубы, выведенной из эксплуатации, применяют для монтажа других дымовых труб, газоходов и высотных сооружений. Клепки делают не только из железобетона, но и из других композиционных материалов или просто из металла.

Упрощенный вариант металлической клепки - это П-образный профиль с более широкой, чем у швеллера, основной полкой. Клепки собирают на болтах или заклепках по отверстиям в боковых полках профиля, при этом не требуется бандажей. Предлагаемая конструкция трубы не лишена недостатков, но есть и преимущества: заводская технология изготовления элементов, технологичность сборки, транспортабельность и, главное, возможность замены отдельного разрушенного элемента новым, без разборки всей трубы, а также повторное использование элементов, после их ревизии, для меньших труб, газоходов, колонн, балок и др. Разборка такой дымовой трубы уже не представляет той опасности, как разборка старых железобетонных и кирпичных дымовых труб.

Технология непрерывной заливки бетона без швов бетонирования на начальном этапе, наиболее применима для ремонта и замены старых кирпичных и железобетонных труб. Старый ствол трубы используют для того, чтобы закрепить натяжные устройства, посредством которых будет создаваться предварительное напряжение в продольной арматуре. Укладывать бетон нужно не горизонтальными слоями, а вертикальными с помощью торкрет-пушки. Каждый слой наносится на внутреннюю или наружную поверхность дымовой трубы сразу по всей высоте, поверх которого поочередно наносят новые монолитные слои. При случайном нарушении технологии нанесения торкрет-бетона могут обнаружиться дефекты. Разработанные технологии торкретирования позволяют получить бетон прочностью на сжатие выше 35 МПа, что вполне достаточно для дымовой трубы. При этом нужно учитывать, что торкретбетон имеет более плотную макроструктуру, он менее гигроскопичный, а следовательно, обладает более высокой морозостойкостью. Если в традиционной конструкции дымовых труб применить материалы, которые удовлетворяли бы всем требованиям прочности, то по стоимости такая дымовая труба стала бы «золотой».

Чтобы повысить прочность и надежность дымовой трубы без увеличения ее стоимости, целесообразно функционально разделить элементы, подверженные различным типам воздействия. Внутренний слой трубы, контактирующий с дымовыми газами, не должен воспринимать ветровые нагрузки. Он должен быть химически и температуростойким, чтобы защитить несущий слой от воздействия агрессивных газов, т.е. быть герметичным.

Замена кирпичной футеровки на внутренние подвесные газоотводящие стволы с вентилируемым зазором отчасти решают эту проблему. Наибольшее применение получили металлические, стеклопластиковые и полимербетонные газоотводящие стволы. Для труб, работающих в условиях абразивного износа, газоотводящий ствол не может быть выполнен из металла или стеклопластика (стеклопластик боится высоких температур). И если утонение металлического газоотводящего ствола, вследствие его коррозии, не представляет большой опасности для несущего ствола, то обрушение полимербетонного ствола может привести к падению самой трубы и разрушению близлежащих зданий.

Альтернативой полимербетонному стволу, собранному из плит, может служить сборный ствол, опирающийся на фундаментную плиту, собранный из клепок вразбежку, в шпунт, и стянутых бандажами (см. рисунок). Металлические газоотводящие стволы и дымовые трубы тоже имеют преимущества, которые ранее не были использованы. Толщина стенки ствола металлической дымовой трубы составляет 8-10 мм. Поскольку ствол трубы находится в контакте с агрессивными дымовыми газами, толщина несущей стенки уменьшается и дымовая труба приближается к критическому состоянию. Зарубежные фирмы начали использовать многослойные конструкции дымовых труб. Внутренний слой такой трубы - газоотводящий и выполняется из тонкого листа высоколегированной стали, наружный, несущий ствол трубы изготовляется из более толстого листа менее дорогой стали. Межтрубный зазор заполняется минеральным утеплителем. Трубы получаются более дешевыми, но и менее долговечными. Срок эксплуатации таких труб, при работе котельной на природном газе, 15 лет.

Цилиндрическая тонкостенная металлическая оболочка с недостаточной жесткостью, поскольку из-за агрессивности дымовых газов труба не может иметь внутренних диафрагм жесткости. Но если вертикальные ребра жесткости вынести наружу и закрыть их аэродинамическим кожухом, то получится не только более жесткая конструкция трубы с высокой удельной прочностью и меньшей материалоемкостью, но и появится дополнительная возможность увеличить химическую стойкость металлической дымовой трубы. Антикоррозионные химически стойкие покрытия имеют низкую температурную стойкость, но если температура места контакта покрытия с металлом не будет превышать критическую, то покрытие не разрушится. Следовательно, на внутреннюю поверхность тонкостенного металлического стволанадо нанести химически стойкое покрытие типа ПОЛАК, поверх которого нанести теплоизолирующее покрытие, имеющее хорошую адгезию с ПОЛАКом. Внутренняя тонкостенная оболочка крепится к наружным ребрам жесткости, которые являются жесткой несущей конструкцией, не контактируют с агрессивными газами, отводят излишнее тепло в межтрубный зазор.

Интенсивность охлаждения будет автоматически регулироваться тягой воздуха в межтрубном зазоре. Чем выше температура уходящих газов (во время пиковых нагрузок), тем лучше тяга в межтрубном зазоре, тем больше степень охлаждения зоны контакта химически стойкого покрытия с металлом внутреннего ствола. При этом, если в мороз остывшие теплоизолированные металлические трубы практически лишены тяги и их приходится разогревать иногда обычными дровами, уложенными внутри трубы, то трубы с внутренним покрытием будут иметь тягу в момент запуска котла, потому что газовый поток не контактирует с внутренним металлическим стволом.

Таким образом, металлическая труба, выполненная из тонкого листа, не только способна противостоять ветровой нагрузке, но, в случае падения от террористического акта, не сможет нанести ущерба рядом стоящим зданиям и сооружениям ввиду того что при падении она просто сомнется как фольга. Такую трубу можно использовать как временную, чтобы вывести в ремонт трубы непрерывного производства. Ствол собирают и внутри старой кирпичной или железобетонной трубы. Роль наружного кожуха будет выполнять ствол старой трубы, и при полном износе и падении газоотводящего ствола, он не сможет причинить ущерба конструкции несущего ствола.

По результатам испытаний различных видов покрытий для металлической поверхности дымовых труб, работающих в агрессивной среде с абразивным износом, были отобраны некоторые виды стеклокерамических покрытий, которые обладают низкой хрупкостью и высо-кой химической и абразивной стойкостью. Использование стеклокерамических материалов в качестве матрицы открывает новую эпоху в создании конструкционных композитов не только для дымовых труб. Суть идеи заключается в том, что на цилиндрическую оправку, выполненную из арматурной сетки, наматывается мелкая сетка, на которую наносится шликер с последующим нагревом. Затем наматывается следующий слой сетки и вновь наносится покрытие, и так до тех пор, пока не будет набрана необходимая толщина композиционной стенки. Намотка сетки значительно упрощает изготовление и монтаж газоотводящего ствола по сравнению с изготовлением и монтажом толстостенных стальных царг.

Известно, что в основном дымовые трубы начинают разрушаться с оголовков. Причина - окутывание их дымовыми газами при сильном ветре. Чем сильнее ветер, тем ниже у трубы так называемые инверсные «флаги» или «бороды». Например, для предотвращения разрушения оголовков дымовых труб, на некоторых из них верхнюю часть обшивают титановым листом, верхние площадки и лестницы выполняют из титанового профиля. К сожалению, титан разрушался под действием электролитического уноса.

Эту проблему можно решать путем разработки новых конструкций дымовых труб. Если легкий газоотводящий ствол сделать выше несущего ствола на несколько десятков метров, поскольку центр подвески газоотводящего ствола расположен значительно выше его центра тяжести, то будет предотвращено инверсное окутывание дымовыми газами верхней части несущего ствола дымовой трубы. Верхнюю часть газоотводящего ствола целесообразно выполнять в виде аэродинамической решетки, которая позволит использовать энергию набегающего потока ветра для увеличения тяги трубы и высоты выброса газов, что также улучшит экологическую ситуацию вокруг промышленных предприятий.