氯碱工业厂房结构的防腐蚀设计

唐小君

氯碱工业是基础化学工业中腐蚀最为严重的化工原料生产部门之一。其生产过程中所处理的物料以及生产的中间产品或成品,比如食盐水、湿氯气、盐酸、熔融碱等都是腐蚀性极强的介质,这些强腐蚀性介质一般在特制设备、管道内运行,但生产过程中的“跑、冒、滴、漏”以及工厂排放的废水、废气、废渣中夹带排出的腐蚀性介质,对厂房结构构件有较强的腐蚀作用。

笔者曾多次参与某氯碱化工企业对其生产装置及厂房的例行安全检查,发现部分厂房结构构件腐蚀严重而影响到企业的正常生产。因此,如何防止和控制化学腐蚀性介质对化工厂房结构的腐蚀,确保厂房的合理使用寿命,是我们设计人员在今后的工作中需认真探索的课题,本文对此作一论述。

1 结构防腐蚀设计中的注意事项

1.1 厂房结构选型

根据《防腐规范》3.1.4条腐蚀性介质对建筑材料的腐蚀等级的不同,恰当的选择厂房结构形式,对确保厂房结构的合理使用寿命十分关键。钢筋混凝土结构承载力高、易于施工、易于表面防护等优点是工业建筑优先选用的结构形式之一,因而氯碱企业中常见的厂房结构多为现浇钢筋混凝土框架(或排架)结构;钢结构自重轻、施工周期短、造价低,但耐火及耐腐蚀性能极差,工程中较少采用,当一些次要构件业主要求采用轻钢结构时,设计中要有便于更换的处理措施。而砌体结构对化工生产装置厂房而言,因其抗水平推力差,抗爆炸冲击力以及抗震性能差等因素,一般极少选择用于厂房的承重结构。

1.2 钢筋混凝土结构

氯碱厂房钢筋混凝土结构构件不但要承受各种荷载的作用,还要承受化学腐蚀介质的腐蚀作用。结构构件的裂缝和混凝土施工的缺陷以及混凝土本身的空隙都是腐蚀介质侵蚀的路径,混凝土及钢筋的腐蚀将使构件承载力下降。因此,在钢筋混凝土结构厂房的防腐蚀设计中,对钢筋混凝土构件的裂缝控制、构造措施、表面防护均应采取相应控制处理措施,并相应提高结构承载力的耐腐蚀储备,提升厂房结构自身的抗腐蚀能力。

表1 结构混凝土的基本要求

腐蚀性介质对构件的腐蚀一般是由外表向内部逐步进行的。混凝土的抗渗性能对腐蚀的速度起重要影响。混凝土的抗渗性能主要决定于混凝土的密实度,而对混凝土密实度起控制作用的是水灰比和水泥用量。因此,在腐蚀环境下,结构混凝土的基本要求不得低于表1的要求。

控制建筑物构件横向裂缝及裂缝宽度也是防腐蚀设计的要点之一。构件裂缝宽度过大,在腐蚀性介质的直接作用下,将导致钢筋的锈蚀。故裂缝控制等级和最大裂缝宽度允许值不得大于表2的要求。

表2 裂缝控制等级和最大裂缝宽度允许值

钢筋混凝土结构是混凝土与钢筋的复合体,它的腐蚀形态除混凝土自身的腐蚀外还有钢筋的锈蚀。增加钢筋的混凝土保护层厚度,能有效阻隔腐蚀性介质到达钢筋表面的时间,是提高混凝土结构耐久性的重要措施。但过分加大保护层厚度也会加大受弯构件横向裂缝。《防腐规范》对混凝土保护层最小厚度的强制规定见表3。

表3 混凝土保护层最小厚度

1.3 钢结构

对于钢结构构件或杆件来说,受腐蚀后强度和刚度削弱明显,太薄的杆件一旦腐蚀便很快丧失承载力。因此,氯碱化工企业在强腐蚀性介质作用下的建(构)筑物受力构件的选型应慎用钢结构做主要的承重结构,并对钢构件的除锈和表面防护处理引起高度重视。腐蚀性等级为强、中时,桁架、柱、主梁等重要受力构件不应采用格构式和冷弯薄壁型钢。钢结构杆件截面的厚度应符合下列规定:1)钢板组合的杆件不小于6 mm。2)闭口截面杆件不小于4 mm。3)角钢截面的厚度不小于5 mm。桁架、柱、主梁等重要钢构件和矩形闭口截面杆件的焊缝应采用连续焊缝。角焊缝的厚度不应小于杆件厚度与8 mm之间的较小者。

1.4 浅基础

基础的耐久性是结构安全使用的关键。氯碱工业产品中的烧碱以及氯气处理用的硫酸等酸碱强腐蚀性介质渗入土壤后,能使地基土膨胀,造成上部结构的破坏。故基础材料的选择和基础埋深应满足:1)基础应采用素混凝土、钢筋混凝土或毛石混凝土;2)素混凝土和毛石混凝土的强度等级不应低于C25;3)钢筋混凝土的混凝土强度等级宜符合表1的要求;4)生产过程中,当有硫酸、氢氧化钠、硫酸钠等介质泄漏作用能使地基土产生膨胀时,埋深不应小于2 m;5)生产过程中,当有腐蚀性介质泄漏作用时,埋深不应小于1.5 m;6)基础附近有腐蚀性溶液的储槽或储罐的地坑时,基础的底面应低于储槽或地坑的底面不小于500 mm。基础回填土要采用未受腐蚀介质腐蚀的黏土回填,并分层夯实。

2 建筑防护

2.1 楼地面

厂房楼、地面面层材料的选择既要满足防腐要求,还要满足设备和管道安装、维修的冲击要求以及耐磨、耐候性、耐温性的要求。麻石及耐酸砖等材料是理想的防酸(氢氟酸除外)、碱介质的面层材料,工程上较为常用,其砌筑的胶结料及勾缝材料等防腐材料的选择应根据腐蚀介质的不同慎重选取,承受腐蚀介质作用且经常冲洗的楼面、地面,受强腐蚀性易溶盐作用且易溶盐会吸湿潮解的地面均需设隔离层,隔离层的材料应根据具体情况决定。采用块状材料面层时,面层与结合层的材料应有适当的搭配。敞开式厂房地面及室外散水、明沟、腐液收集池的防腐要协调一致。地面防护还应处理好垫层、排水、挡水、伸缩缝等有关问题。

2.2 结构及构件的表面防护

在气态介质和固态粉尘介质作用下,混凝土结构、钢结构和砌体结构的表面涂层选取常需根据介质的腐蚀性等级和防护层使用年限以及涂层耐酸、耐碱、耐候、耐磨的特性等因素综合确定。以电解厂房屋盖系统的预应力混凝土折线形屋架及屋架钢支撑体系的表面防护为例,电解产生的湿氯气温度高,并伴有大量的水蒸气和盐雾的杂质,这些强腐蚀介质对厂房屋盖钢筋混凝土结构和钢结构均为强腐蚀作用。依据《防腐规范》对防腐涂层设计要求以及《防腐规范》附录C“防腐蚀涂层配套”的规定,对预应力钢筋混凝土折线形屋架、大型屋面板底面及屋架钢支撑进行基层处理后选择表面涂层涂刷。混凝土构件的基层处理可采用稀释的环氧涂料刷1遍再用腻子找平。钢材基层要加强除锈处理,钢材的锈蚀等级及除锈等级按现行国家标准GB/T 8923-1988涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级的规定,钢材除锈等级还与涂层的品种以及构件的重要性有关。由于防腐涂层价格较普通装饰材料昂贵,涂层厚度及使用年限应综合项目投资的总体要求而定。防腐涂层必须定期涂刷,以确保结构的耐久性。对于参考使用年限一般以5年～10年为宜。

2.3 浅基础与垫层的防护

厂房浅基础埋于地面以下,很难定期进行检查和维修,为了确保厂房结构的安全,在强、中腐蚀介质作用下的基础及地基梁要进行表面防护处理。基础与地基梁可按腐蚀性介质的性质和作用程度、基础的重要性分别进行防护。

3 结语

氯碱工业项目各工序的主要腐蚀性介质各不相同,对建筑材料的腐蚀各不相同,设计过程中要区别对待,认真总结。而控制“腐蚀源”,加强厂房结构自身的抗腐蚀能力和加强结构构件表面防护是项目防腐设计的重点和难点,需要设计方各工种间通力协作,认真分析腐蚀介质种类、浓度、温度、作用方式等对厂房的腐蚀特性,合理选择耐腐材料,精心指导施工,做好厂房定期维修管理工作,使工程项目既经济,又美观、安全,使用寿命合理。

[1]GB 50046-2008,工业建筑防腐蚀设计规范[S].

[2]GB/T 50476-2008,混凝土结构耐久性设计规范[S].

[3]国家标准管理组,中国工程建设标准化协会防腐蚀委员会,化学工业部建筑设计技术中心站.建筑防腐蚀材料设计与施工手册[M].北京:化学工业出版社,2003.

[4]08J333,建筑防腐蚀构造[S].

[5]胡奕弟,温留汉.钢筋锈蚀对混凝土构件的影响分析[J].山西建筑,2009,35(8):90-91.