化工建筑中鋼結構防腐及防火策略淺析

丁泓予，周超

（天津市化工設計院，天津300193）

化工建筑中鋼結構防腐及防火策略淺析

丁泓予，周超

（天津市化工設計院，天津300193）

化工建筑具有高火災危險性和高腐蝕性。輕鋼體系在化工建筑中應用廣泛，如何有效的防火及防腐成為建筑構造設計的一道難關。本文梳理分析了國內外一些具體的防腐防火工程做法，提出了未來一段時間尚待解決的技術難題。希望通過本文的拋磚引玉促進化工建筑防火防腐工程技術的突破。

化工建筑；鋼結構；防腐蝕；耐火保護；策略

鋼結構作為繼木結構、鋼筋混凝土結構之后的又一重要的結構形式被廣泛用于大跨度空間設計和工業廠房設計中。其具有自重輕、可塑性及韌性強、便于工業化大量生產等優良的特性。目前，鋼結構體系依靠施工速度快、造價適中的特點正逐漸成為最受工業建筑設計青睞的體系之一。

1　化工作業中火災及腐蝕對鋼結構的危害

與民用建筑不同的是，化工行業在生產中產生的化學物質存在火災危險性、爆炸危險及強烈的腐蝕性特征。鋼材的防腐蝕性及耐火性較差，應用于化工建筑中就需要對鋼材進行適宜的防腐蝕及耐火保護。

1.1腐蝕性危害

1.1.1鋼結構的腐蝕性危害

石油化工產品在生產使用中，出現泄漏或揮發會對鋼結構產生嚴重的酸堿性腐蝕。另外，在工藝反應過程中也會釋放熱量，從而危害結構的耐久性。

1.1.2防腐設計難點

防腐設計主要通過涂料涂刷于結構表面以形成防護系統。因此，粘結性成為防腐優劣的關鍵。影響涂膜粘結性因素包括：

涂刷漏洞引起的涂膜脫落，當鋼材表面涂刷防腐涂料時會存在細小的縫隙和涂刷漏洞。在施工過程中，防腐材料涂刷漏洞很難杜絕。這些孔洞與潮濕空氣、酸霧等接觸產生化學反應并依附在鋼材表面，伴隨溫度及潮濕的影響起泡、破碎，最終瓦解防腐體系。

潮濕空氣滲透引起有機漆膜吸水起脹。處于潮濕地區的建筑物，鋼結構防腐處理如不做好除銹防潮，很容易在干濕交替溫度變化下引起涂膜變形。

因此，對鋼材的防腐保護策略需從以上幾個方面加強。

1.2火災對鋼結構的危害

鋼材雖屬于不燃材料，但耐火性較差。“普通低碳鋼250℃～300℃時，抗拉強度達到最大值，500℃左右強度下降到常溫的1/2。一般火災作用于鋼結構，15min便能達到500℃的高溫。”火災作用時間很短就能使鋼結構體系坍塌破壞喪失基本承載力［1］。

另外，鋼結構在高溫下塑性增大，導熱系數大。因此，鋼結構的火災危險性大，容易由“點”性火災擴散成“面”性火災，造成巨大的經濟損失。

1.2.1鋼結構火災不易疏散撲救

鋼結構體系在火災危險中易發生坍塌，不利于撲救和人員疏散。

“四邊簡支的鋼筋混凝土樓板高度13cm，耐火極限1.9h；現澆的整體式樓板厚度8～12cm，耐火極限1.4～2.65h；而無保護層的鋼屋架，耐火極限只有0.25h。”可見，鋼屋架在無保護狀態下極易被引燃，而且速度之快根本來不及被撲滅火災就以發生蔓延［2］。

1.2.2鋼結構火災具有整體破壞性

在工業建筑中比較常用的鋼結構形式有門式剛架和鋼桁架，屋面一般為金屬屋面。一個工業廠房一般由幾榀鋼桁架串聯拼接而成，這就形成了一個“類多米諾骨牌”。當其中一榀鋼桁架發生火災被破壞，連鎖效應便會發生，引發整個廠房的破壞。而被廣泛應用的金屬屋面，整體度好的同時，整體燃燒的危害更大，一旦失火整個頂棚的坍塌對于廠房和廠房內的人員打擊都是致命的。

2　鋼結構防腐策略

2.1現行鋼結構防腐策略

2.1.1安全環保型防腐涂料的推廣應用

以無機防腐涂料為代表的水溶性涂料，揮發物中不含鉛、鎘等有毒物質。涂料無閃點，運輸安全，是綠色環保涂料，滿足環境保護和職業安全要求。同時，此類涂料能有效抵抗酸雨、潮濕空氣的腐蝕，對石油石化產品和有機溶劑具有較高的穩定性。無機防腐涂料是現今防腐設計中大力推廣的可持續性功能涂料。

2.1.2專業型防腐涂料的推廣應用

化工腐蝕根據不同的物態性質腐蝕性質也截然不同。以往單純的以酸堿性選取防腐涂料，在實踐中并不能達到很好的效果。針對腐蝕物的形態、鋼結構所處的環境進行針對性防腐設計，促進設計優化。

煙氣防腐涂料能有效的抵抗化工管道中化學煙氣對鋼材的腐蝕，以及化工生產過程中溢泄的化學煙氣對主體鋼材的腐蝕。適用于氣態防腐設計。

耐高溫的防腐涂料基料和填料均由耐熱、不燃的無機物組成。基料中所含的活性基團與填料中的活性組分以及鋼鐵表面發生反應，形成三維結構的聚合物，涂層與鋼鐵基體穩固連接成一體，形成具有電化學保護和物理屏蔽作用的耐熱防腐涂層。適合應用于高溫工作、腐蝕環境下的鋼結構長效保護。

2.2設計現狀及市場需求

2.2.1設計現狀

在實際設計過程中，防腐蝕設計一般選用《08J333建筑防腐蝕構造》圖集來選取涂料。根據工藝專業提供的腐蝕性物質形態及濃度等粗略的選取涂料。

產生的問題有:國標圖集引用的涂料有些已經陳舊與現行市場推廣的新型涂料相去甚遠。建筑師選取涂料大部分還是按照酸堿性質進行選取，選取的方法相對單一，往往需要廠家進行二次設計。設計中提供的防腐構造大都是理論值，在實際施工中受各種不可抗力影響，實際值會削弱難以達到設計要求。現今防腐設計由設計院、施工、二次設計部門共同完成，工作不由一個主體完成，各個部門間協調一旦出現問題便無法達到設計預期。

2.2.2市場需求

適用于化工類廠房建筑的重防腐涂料需向節能、低污染、高性能方向發展。

當今市場需要低溶劑、無溶劑重防腐蝕涂料，降低涂料中有機揮發物的含量。以此保證施工環境的工作質量，減少有毒氣體的排放。

對有害物質在涂料中使用占比的限制是對貫徹職業安全保護的有力支持。伴隨以人為本和可持續發展的深入，我國會繼續出臺相關文件，明確完善有毒物質的摻入比例。

重型水性防腐蝕涂料在市場中份額較低，尤以底漆為主。隨著市場需求的增大，需要大力發展水性重型防腐蝕涂料的研究。

3　鋼結構防火策略

3.1廠房防火處理方式

鋼結構廠房防火措施包括幾個部分：①防止起火系統。通過一系列安全監管將發生火災危險降低，防患于未然。②防止火災擴散蔓延。在設計時劃分好防火分區，有效防止火災竄溢，將失火損失降低。③防煙及疏散設計。當火災不可避免時，減少人員損失尤為重要。結合排煙系統妥善設計安全出口與安全通道是對人員的有力保護。④主體鋼構件防火保護。這是火災發生時對生命最關鍵的保護，決定了救援時間與疏散時間。

3.2主體鋼結構構造防火措施

構造防火是通過材料本身的增添轉型實現耐火要求［3］。

防火板包覆是設計中經常使用的構造措施。一般結構構件穿越防火分區，常以防火板包覆結構構件，有效防止火災竄燃。現今設計中較常使用的為硅酸鈣防火板。耐火極限達到4.0h，最高使用溫度1100℃。硅酸鈣板具有壽命長、強度高、重量輕、抗高溫開裂、施工簡便、經濟等優點。

耐火鋼是指“除其常溫力學和焊接性能與普通鋼一致外，還要求在600℃高溫下保持1～3h后，其屈服強度值不低于常溫規格值得2/3，即將原采用普通鋼耐350℃的抗火設計提高到耐600℃的抗火設計，從而提高鋼結構耐火性。”耐火鋼由于造價等原因使用率不高，我們希望隨著技術的普及，此種材料在設計中得到更多的應用［4］。

3.3主體鋼結構涂料防火措施

防火涂料按其可溶性分為：水溶性防火、油性防火涂料；按其成膜性可分為，有機、無機與復合防火涂料。涂料防火依靠涂料遇火產生膨脹物、揮發惰性氣體等，通過阻隔鋼材與火源并抑制火勢保護鋼材。

在設計中，所有的鋼構件都應涂刷防火涂料，使用量大。因此能效和環保性尤為重要。

4　防火+防腐蝕結合策略

化工建筑設計中往往需要同時考慮防腐蝕與防火設計。由于大多數鋼結構構件均通過涂料涂刷達到保護結構的目的，因此涂膜的涂刷次序和不同功效的涂膜的粘結性成為設計優劣的關鍵。這兩個問題在目前化工廠房設計中也是爭議較大的問題，尚未得到解決。

4.1涂刷次序之爭

目前對于防火涂層與防腐涂層涂刷次序的問題，從業者并未達成統一。主要包括以下幾種涂刷次序：

①基層除銹+防火涂層。

②基層除銹+防銹底漆+厚型（薄型）防火涂層。

以上涂刷適用于民用型鋼結構體系，結構遭受的腐蝕性較弱。須注意的是，基層除銹與防銹底漆是鋼材出廠時預作的低級防腐工作，僅能抵御一般性腐蝕。

③底漆+中間漆+防火涂層+面層（防腐）。

這種涂刷是在鋼材基本防腐基礎上進行防火和防腐。最外層涂刷的防腐材料是針對化工工藝過程中涉及的酸堿物料進行的專業防腐蝕。

是將防腐還是防火涂刷在外表面設計界爭論不休。其實只要明確建筑中危害鋼結構體系的關鍵源是什么，就可以確定采用哪種次序涂刷。化工建筑中的主材每天都受到酸霧等的腐蝕，將防火涂層置于最外層很容易損壞。涂刷次序往往并無一定之規，需要我們從業者審時度勢的分析。

4.2防火與防腐粘結性問題

現今，防火與防腐結合的技術難題影響著以化工建筑代表的工業建筑設計。重腐蝕型廠房需要“防火涂層+防腐”的模式。然而，防腐與防火的相容性問題造成兩種涂層發生化學反應或根本無法粘結極易脫落。

在國內某一廠家提供的技術信息中［5］，“富鋅底漆+環氧云鐵+防火涂料+面漆，需要與防火涂層做相容測試：云鐵中間漆與防火涂料；防火涂料與面漆，這兩項必須做；還要做綜合涂層配套測試，主要指標是考察綜合涂層的附著力測試。”

建筑設計師對化工涂料的相容性往往知之甚少，選擇涂膜也都根據標準圖集確定。單純的選料能保證防護的可行性，但多個涂膜疊加是否可行還需要更專業的材料工程師的配合。我們希望在國標設計中能考慮這方面的缺憾，同時為建筑師提供一個學習的平臺更深入的了解涂刷材料的性質，優化我們的設計。

5　結語

化工建筑作為工業建筑的一個分支易受爆炸、火災危和腐蝕的危害。這就需要在建筑設計過程中博采眾長，兼容并蓄的吸收新型材料和新的產品理念、構造方法，增進建筑的安全性和經濟合理性。化工建筑在設計行業的關注度相對低抑制了新材料的研發，但我們也看到全球融合與技術共享讓我們的材料工藝和設計理念不斷推陳出新。假以時日，我們會通過行業間的扶持協作設計出更為安全高效的建筑產品。

［1］李引擎.鋼結構的防腐與防火.建筑結構［J］，2006增刊第36卷：1-4.

［2］梁利生.鋼結構表面腐蝕的危害與防護［J］.山西建筑，2007，33 （30）：165-166.

［3］時虎，胡源.鋼結構建筑的火災危險性和防火保護［J］.火災科學，2005，6（1）：63-70.

［4］徐偉良，張洪亮.我國建筑耐火鋼的開發與應用［J］.材料導報網刊，2007，8（3）：22-24.

［5］網絡評論.防腐涂料和防火涂料配合使用需要注意的問題. 2014-11-16.

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.04.021

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