保證鋼結(jié)構(gòu)耐久性的幾點(diǎn)建議

， ，

(唐山三友化工股份有限公司純堿分公司，河北 唐山 063305)

保證鋼結(jié)構(gòu)耐久性的幾點(diǎn)建議

張明友，楊蕾，張富桐

(唐山三友化工股份有限公司純堿分公司，河北 唐山 063305)

為提高鋼結(jié)構(gòu)耐久性，本文就純堿公司鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕現(xiàn)狀，提出了樹立鋼結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)理念的必要性,指出了純堿公司裝置區(qū)主要工序鋼結(jié)構(gòu)銹蝕作用機(jī)理，從管理、設(shè)計(jì)方面給出了保證鋼結(jié)構(gòu)耐久性的幾點(diǎn)建議。供同行借鑒參考。

鋼結(jié)構(gòu)；銹蝕；安全隱患；耐久性；建議

1 背 景

鋼結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高；線性彈性范圍大，塑性、韌性好，變形能力強(qiáng)，抗震性能好；材質(zhì)均勻，符合力學(xué)假定；工廠化預(yù)制，可焊接、可鉚接、可栓接，施工周期短。我國近年來鋼鐵產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，鋼材市場(chǎng)供應(yīng)充足，使得鋼結(jié)構(gòu)在純堿公司裝置區(qū)建構(gòu)筑物中被廣泛使用。但是普通鋼結(jié)構(gòu)也存在不足，耐腐性差就是其中之一。

純堿生產(chǎn)工藝特點(diǎn)使裝置區(qū)不同工序的鋼結(jié)構(gòu)處于不同的腐蝕環(huán)境中。投產(chǎn)28年來，長期的腐蝕作用使部分承重鋼構(gòu)件嚴(yán)重銹蝕，厚度減小，局部甚至銹蝕穿孔，嚴(yán)重減少了鋼構(gòu)件有效截面，降低了剛度、承載力。因此在未達(dá)設(shè)計(jì)使用年限前，就已存在著嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)安全隱患，制約著企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。在此情況下被迫補(bǔ)強(qiáng)加固或更新。

生產(chǎn)的連續(xù)性使得鋼結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)一般情況下，在邊生產(chǎn)、邊施工條件下進(jìn)行。施工時(shí)間受限、施工操作空間受限，導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)加固的設(shè)計(jì)、施工難度非常大。有些部位甚至只有停止生產(chǎn)才能進(jìn)行加固或更新，生產(chǎn)穩(wěn)定受到極大的威脅。

結(jié)構(gòu)性的安全隱患如不能得到及時(shí)治理，極易造成大的坍塌事故，進(jìn)而引發(fā)更大的生產(chǎn)安全事故、環(huán)保事故、生命財(cái)產(chǎn)損失。由于鋼結(jié)構(gòu)銹蝕層覆蓋在構(gòu)件的表面，現(xiàn)場(chǎng)不進(jìn)行徹底的噴砂除銹，很難判斷銹蝕程度，而現(xiàn)場(chǎng)噴砂費(fèi)用高，粉塵污染大而一般不被采用，因此鋼結(jié)構(gòu)腐蝕具有隱蔽性，結(jié)構(gòu)事故往往具有突發(fā)性。目前，防止鋼結(jié)構(gòu)銹蝕，治理鋼結(jié)構(gòu)隱患，保證鋼結(jié)構(gòu)的耐久性的問題，已擺在管理及工程技術(shù)人員面前。

2 簡(jiǎn)述鋼結(jié)構(gòu)銹蝕作用機(jī)理

鋼結(jié)構(gòu)銹蝕作用機(jī)理主要有化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕。

2.1 化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕指鋼材直接與腐蝕介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的銹蝕。

與空氣接觸的鋼結(jié)構(gòu)銹蝕多數(shù)是氧化作用。剛剛熱軋出來的鋼材在高溫下更容易與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，內(nèi)表面形成FeO；外表面形成一層青藍(lán)色氧化保護(hù)膜，主要化學(xué)成分是四氧化三鐵(Fe3O4)，它結(jié)構(gòu)比較致密，可以起一定的防止鋼材銹蝕的作用，故在干燥環(huán)境下，鋼材銹蝕進(jìn)展緩慢。但在潮濕的空氣中，F(xiàn)e3O4很容易被氧化成橙色的Fe2O3、Fe2O3·XH2O,鐵的外表面形成以Fe2O3為主的Fe2O3、Fe2O3·XH2O、Fe3O4組成的紅褐色混合物，俗稱鐵銹， 使鋼材表面失去了Fe3O4保護(hù)膜，使與鐵內(nèi)表面的FeO繼續(xù)氧化成Fe2O3，加速了鋼材的銹蝕。

純堿公司廠前區(qū)辦公用房、食堂、庫房等所處環(huán)境，鋼結(jié)構(gòu)銹蝕主要是上述的空氣氧化作用。

但鋼結(jié)構(gòu)接觸酸性介質(zhì)會(huì)發(fā)生置換反應(yīng)，接觸強(qiáng)氧化劑會(huì)被氧化，化學(xué)反應(yīng)迅速，導(dǎo)致很快發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕。

2.2 電化學(xué)腐蝕

純堿公司生產(chǎn)裝置區(qū)潮濕或電解質(zhì)溶液的環(huán)境，構(gòu)成了微電池三要素，陽極、陰極及電解質(zhì)，從而產(chǎn)生銹蝕。電解質(zhì)水膜吸附在鋼結(jié)構(gòu)表面，而鋼材內(nèi)部的鐵、碳等成分的電極電位不同，會(huì)形成眾多微電池。在陽極區(qū)，鐵被氧化成為Fe2+進(jìn)入水膜；在陰極區(qū)，溶于水膜中的氧被還原為OH-，隨后兩者結(jié)合生成Fe(OH)2，并進(jìn)一步氧化成疏松層狀的紅橙色Fe(OH)3，部分Fe(OH)3分解脫水形成紅褐色的Fe2O3。

純堿公司鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕過程事實(shí)上很復(fù)雜，隨著環(huán)境條件不同生成的鐵銹中各種成分所占的比例不同，有時(shí)氧化、電化學(xué)腐蝕往往是同時(shí)發(fā)生的。

2.3 結(jié)構(gòu)超載

多年的技改項(xiàng)目或腐蝕造成鋼材的應(yīng)力超過設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，加速了鋼結(jié)構(gòu)腐蝕進(jìn)程。

3 保證鋼結(jié)構(gòu)耐久性的建議

鋼結(jié)構(gòu)耐久性問題很復(fù)雜，本人僅從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的純堿公司裝置區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕現(xiàn)狀，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)耐久性不足，從管理、設(shè)計(jì)方面提出自己的幾點(diǎn)建議。

3.1 管理方面建議(簡(jiǎn)述)

1)從思想上重視鋼結(jié)構(gòu)的使用、日常維修，真正認(rèn)識(shí)隨意拆改、隨意加載后果的危害性，不按設(shè)計(jì)施工的危害性，隨意開洞打孔、廢液無組織排放、防腐層隨意破壞而加劇鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的危害性。

2)提高生產(chǎn)操作、工藝管理水平，提高生產(chǎn)、設(shè)備管理水平，從本質(zhì)上減少生產(chǎn)腐蝕介質(zhì)跑冒滴漏，及時(shí)清理鋼結(jié)構(gòu)表面上的腐蝕介質(zhì)，減少其積聚、滯留時(shí)間，減緩鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的進(jìn)程。

3)加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的日常管理。

建立完善建構(gòu)筑物的主體責(zé)任制度，誰使用，誰負(fù)責(zé)，保證鋼結(jié)構(gòu)的正常使用。

建立拆改、加載管理制度，現(xiàn)場(chǎng)不得圖一時(shí)方便，隨意拆改承重構(gòu)件及支撐構(gòu)件。確需拆改，需經(jīng)專業(yè)設(shè)計(jì)人員結(jié)構(gòu)驗(yàn)算認(rèn)可。

建立隱患排查及整改制度。純堿公司已運(yùn)行28年，持續(xù)性隱患排查整治不可或缺。根據(jù)排查結(jié)果，及時(shí)組織技術(shù)鑒定，加固補(bǔ)強(qiáng)、同時(shí)切記不要只圖省錢而簡(jiǎn)化或不做防腐涂層。建立建構(gòu)筑物臺(tái)賬制度，鋼結(jié)構(gòu)建構(gòu)筑物作為企業(yè)的固定資產(chǎn)，要像設(shè)備管理一樣，同步建立管理臺(tái)帳。

4)加強(qiáng)在建工程、加固補(bǔ)強(qiáng)工程的結(jié)構(gòu)及防腐層的施工質(zhì)量管理。鋼結(jié)構(gòu)工程的施工質(zhì)量是保證其耐久性的一個(gè)必要條件。

3.2 設(shè)計(jì)方面建議

1)樹立鋼結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)理念。

鋼結(jié)構(gòu)的耐久性不足造成的隱患后果目前還沒有被人們完全認(rèn)識(shí)，尤其在腐蝕環(huán)境下需要進(jìn)行積極防護(hù)的理念還沒有被人們所接受。而鋼結(jié)構(gòu)耐久性專業(yè)設(shè)計(jì)是保證鋼結(jié)構(gòu)耐久性的首要關(guān)口。

設(shè)計(jì)責(zé)任終身制，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者們首先注重鋼構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算、承載力、穩(wěn)定性驗(yàn)算、變形驗(yàn)算，這無可非議，但是一些設(shè)計(jì)者即使對(duì)有腐蝕的生產(chǎn)裝置區(qū)，也沒有鋼結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)理念，未進(jìn)行耐久性專業(yè)設(shè)計(jì)或耐久性設(shè)計(jì)不合理，不論腐蝕環(huán)境、腐蝕介質(zhì)、腐蝕作用等級(jí)，凡是鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的一概而論，表面僅僅做統(tǒng)一的、簡(jiǎn)單的人工除銹，刷幾遍普通的裝飾涂料了事，結(jié)果是連年腐蝕連年刷，鋼結(jié)構(gòu)仍達(dá)不到設(shè)計(jì)使用年限就已銹蝕嚴(yán)重，造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)隱患。純堿公司鹽水、蒸吸、碳化、壓濾、低鹽重灰、煅燒、制鈣、減排,這些工序鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕現(xiàn)狀及Cl-銹蝕作用機(jī)理，已告誡設(shè)計(jì)者腐蝕環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行耐久性專業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)盡早采取防護(hù)措施。

2)各專業(yè)應(yīng)加強(qiáng)溝通，首先確定鋼結(jié)構(gòu)環(huán)境類別及作用等級(jí)，這是做好鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)耐久性設(shè)計(jì)的前提。

設(shè)備、工藝等專業(yè)除了向土建專業(yè)提供必要的工藝、設(shè)備布置、荷載條件，還要提供鋼結(jié)構(gòu)支撐的設(shè)備、管道的溫度及設(shè)備管道內(nèi)的介質(zhì)，尤其是腐蝕性的介質(zhì)，提供生產(chǎn)設(shè)備、管道的使用特點(diǎn)給鋼結(jié)構(gòu)帶來的腐蝕作用。土建專業(yè)以此為依據(jù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)。

如儲(chǔ)化鹽、鹽水精制、濃海水、蒸吸、碳化、固定銨、堿渣廢液、堿渣治理、鹽泥壓濾等生產(chǎn)工序中，鋼結(jié)構(gòu)及鋼制設(shè)備、管線存在著嚴(yán)重的Cl-電化學(xué)腐蝕，需要做專業(yè)的耐久性設(shè)計(jì)。

3)在腐蝕環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力不應(yīng)采用塑性內(nèi)力重分布的分析方法，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)彈性階段的內(nèi)力分析方法，減緩應(yīng)力腐蝕。宜采用多余約束的超靜定結(jié)構(gòu)。

4)在腐蝕環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)選擇有利于減輕環(huán)境腐蝕的平面布置和構(gòu)造。

總平面布置。鋼結(jié)構(gòu)宜布置在廠區(qū)全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)，以減少生產(chǎn)裝置飄逸的腐蝕氣體、液滴或粉塵的的腐蝕影響。

結(jié)構(gòu)布置。力求平面、剖面簡(jiǎn)單，減少構(gòu)件的暴露面積，盡量避免凹凸變化；不宜選用懸挑結(jié)構(gòu)，如選用懸臂，懸挑長度應(yīng)盡量小，懸挑梁與柱連接處必須為剛性節(jié)點(diǎn)，坡口熔透焊，焊縫等級(jí)不低于二級(jí)；變形縫要避開環(huán)境不利的部位。

防排結(jié)合。采取有組織排放、放坡疏放、防腐層隔離防護(hù)等構(gòu)造措施。減少液體在鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的滯留時(shí)間。

材質(zhì)選擇。根據(jù)腐蝕介質(zhì)，合理采取鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)層，明確給出防護(hù)層工程做法及最小厚度。普通鋼構(gòu)件防護(hù)層優(yōu)先采用熱鍍鋅，鍍鋅層對(duì)普通碳鋼起到了陰極保護(hù)的作用，同時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)省去了噴砂除銹帶來的環(huán)境污染，現(xiàn)場(chǎng)施工人員省去了職業(yè)危害作業(yè)，加快了防腐專業(yè)的工程進(jìn)度。剩余鋼材可較長時(shí)間存放而不銹蝕。尤其是薄壁鋼構(gòu)件更應(yīng)采用鍍鋅鋼板，如純堿公司的儲(chǔ)鹽倉采用了拱形的寶鋼鍍鋅彩鋼屋面，正常使用了20年。而氯化鈣廠區(qū)的屋面、墻體的普通C型檁條，防腐措施不到位很快銹蝕穿孔。

鋼材表面防護(hù)層采用環(huán)氧樹脂類或環(huán)氧樹脂類玻璃鋼隔離層也是一種不錯(cuò)的選擇。其特點(diǎn)是耐酸耐堿耐鹽。但是環(huán)氧樹脂類防腐涂料，耐候性差，遇到陽光照射容易粉化，因此室外防護(hù)層上需做耐紫外線防腐涂料兩或三道，既防止防護(hù)層老化，同時(shí)也可起到裝飾效果。此做法傳統(tǒng)施工工藝，市場(chǎng)材料供應(yīng)充足，工人操作熟練，經(jīng)濟(jì)適用。特別注意除銹等級(jí)不應(yīng)小于噴砂或拋丸除銹S2.5級(jí)，否則不能保證防腐層與鋼材本體的粘合，不能起到有效的防腐隔離作用。注意環(huán)氧類防護(hù)層環(huán)境溫度不宜超過60 ℃。

當(dāng)然，經(jīng)濟(jì)條件允許，還可選擇乙烯基酯、環(huán)氧玻璃鱗片等防腐涂料及其對(duì)應(yīng)的玻璃鋼防護(hù)層；還有噴塑、襯塑防護(hù)層；利用金屬本體抗腐蝕特性來保證鋼結(jié)構(gòu)的耐久性，如對(duì)Cl-腐蝕嚴(yán)重的環(huán)境，可采用不銹鋼，如純堿公司濃海水涼水塔內(nèi)的鋼平臺(tái)、鋼梯，采用了316L。

順便提及鋼結(jié)構(gòu)耐熱但不耐火，鋼結(jié)構(gòu)在150 ℃以上強(qiáng)度急劇下降。鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)，也可視為鋼結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的一部分，應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB50160《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的規(guī)定。

還有對(duì)結(jié)構(gòu)使用階段的檢查、檢測(cè)、維護(hù)、修理提出要求，不可或缺。

5)構(gòu)造措施

露天鋼框架周邊或洞口周邊鋼梁或懸挑結(jié)構(gòu)的封邊梁由于樓面的積液排放最容易銹蝕，因此，鋼-混結(jié)構(gòu)的混凝土樓板應(yīng)向外水平伸出200～500 mm后，向下做反沿，或做鷹嘴滴水線、滴水槽；鋼平臺(tái)的鋼板應(yīng)向外水平伸出100～150 mm后，向斜下方彎折。以上措施可防止排放的腐蝕液體爬到邊梁上使鋼梁銹蝕。現(xiàn)場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)重堿工序蒸餾塔、吸收塔、碳化塔、預(yù)混器等設(shè)備洞口鋼構(gòu)件邊梁，鋼框架邊梁，懸挑結(jié)構(gòu)封邊梁，由于生產(chǎn)跑冒滴漏或周期性清塔出來的廢液腐蝕，銹蝕最為嚴(yán)重。

腐蝕性等級(jí)較高時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)不宜采用吊索式，如采用必須做好防護(hù)措施，且直徑不小于20 mm；鋼構(gòu)件截面的鋼板最小厚度應(yīng)不小于6 mm，閉口截面壁厚不小于4 mm,角鋼截面不小于5 mm，節(jié)點(diǎn)板不小于8 mm。 現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)壓濾框架內(nèi)1#、3#皮帶鋼平臺(tái)采用吊桿，吊桿的錨板、錨栓已嚴(yán)重腐蝕，且錨點(diǎn)基層混凝土嚴(yán)重開裂，形成了嚴(yán)重結(jié)構(gòu)安全隱患。假如1#皮帶平臺(tái)一個(gè)吊桿銹斷就會(huì)坍落，將引發(fā)此處其他5條皮帶平臺(tái)的不同損壞，相應(yīng)的6條皮帶被迫停用，生產(chǎn)系統(tǒng)會(huì)全線停產(chǎn)。

鋼柱的混凝土基礎(chǔ)頂面應(yīng)高出地面凈距不小于300 mm，地腳錨栓做好防護(hù)后應(yīng)澆筑混凝土進(jìn)行保護(hù)，混凝土內(nèi)應(yīng)配置構(gòu)造鋼筋，頂面做斜坡以利于排水，最好再加設(shè)鋼板傘帽。鋼柱、鋼梁、現(xiàn)澆混凝土板組合的鋼混結(jié)構(gòu)，每層樓面的柱腳也要用澆筑混凝土進(jìn)行保護(hù)，同上。考慮腐蝕裕度，基礎(chǔ)地腳錨栓應(yīng)比計(jì)算直徑增大一級(jí)選用。柱腳底板厚度不小于20 mm。例如蒸餾工序鋼結(jié)構(gòu)柱腳沒有做特殊隔離防護(hù)，蒸餾塔周期性清塔造成蒸氨廢液嚴(yán)重腐蝕鋼柱腳，造成了柱腳腹板、翼緣大面積銹蝕穿孔。壓濾工序1#、1#新、5#、5#新、3#、4#皮帶部分平臺(tái)鋼管柱，長期受到散落濕度較大的純堿電解質(zhì)腐蝕，也出現(xiàn)銹蝕穿孔。

鋼柱、梁、支撐、桁架應(yīng)采用實(shí)腹式或閉口截面，如H截面或管型、方形截面。閉口截面端部應(yīng)進(jìn)行封閉。

鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)避免出現(xiàn)難于檢查、清刷和涂裝及能積存濕氣、廢液、大量灰塵的死角或凹槽。故鋼構(gòu)件不宜采用雙角鋼背靠背通過連接板形成的組合T型截面，也不宜采用雙槽鋼背靠背通過連接板形成的組合工字型截面。單槽鋼、C型鋼檁條或構(gòu)件開口不應(yīng)向上或斜向上。循環(huán)水配電室北側(cè)的廠區(qū)主管廊上的桁架鋼制上下弦、腹桿，支座豎桿、斜壓桿均采用了上述的組合T型截面、組合工字型截面，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)型鋼背靠背間隙內(nèi)腐蝕嚴(yán)重，多處節(jié)點(diǎn)板銹蝕脹裂焊縫，已形成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)安全隱患，二次防腐、加固十分困難。廠區(qū)多處鋼制桁架有類似現(xiàn)象。

鋼結(jié)構(gòu)管廊平行弦鋼桁架，鋼支撐，各桿件基本為軸心拉壓受力，因?yàn)殇摴苊總€(gè)方向回轉(zhuǎn)半徑一致，兩個(gè)方向的長細(xì)比一樣，且維修防腐方便，故宜優(yōu)先選用。

受力較小的三角形平行弦鋼桁架，上弦宜采用型鋼，腹桿、下弦宜采用鋼筋，不宜采用普通鋼管，因?yàn)榭趶捷^小普通鋼管壁厚僅2.0～3.5 mm左右，焊接時(shí)容易燒穿，抗腐蝕能力差；端口不封閉或封堵有缺陷，內(nèi)外壁會(huì)同時(shí)腐蝕。現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，純堿公司許多電纜或管道桁架(橋架)，雖然腹桿(鋼筋)仍能繼續(xù)使用，但上下弦采用了普通鋼管，多數(shù)節(jié)點(diǎn)處鋼管優(yōu)先銹蝕穿孔，形成隱患。

采用連續(xù)焊縫。主要構(gòu)件角焊縫高度不宜小于8 mm。母材厚度不宜小于8 mm。平臺(tái)鋼板對(duì)接應(yīng)采取連續(xù)焊縫，以防止腐蝕液體的滲漏，擴(kuò)大腐蝕范圍。

4 結(jié) 語

腐蝕環(huán)境下，要想鋼結(jié)構(gòu)的耐久性達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，首先必須進(jìn)行耐久性專業(yè)設(shè)計(jì)，二是施工質(zhì)量，三是使用期間腐蝕源的管理，四是鋼結(jié)構(gòu)的日常檢修,任何一個(gè)環(huán)節(jié)不可或缺。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

TU391

C

1005-8370(2017)06-10-04

2017-10-07

張明友，1986年畢業(yè)于河北建筑工程學(xué)院，工民建專業(yè)，本科學(xué)士。土建高級(jí)工程師，國家二級(jí)注冊(cè)建筑師，現(xiàn)任唐山三友化工股份有限公司純堿公司二級(jí)專家，30年來一直從事工程施工管理、項(xiàng)目建設(shè)、土建專業(yè)設(shè)計(jì)工作。