巴西某大型磷酸裝置框架結構安全性評估

〔摘 要〕巴西某大型磷肥廠地磷酸濃縮裝置框架結構出現的異常情況。針對這一情況，對該區域62號和42號兩套濃縮裝置的框架結構展開了安全性評估。通過資料收集、現場勘查和設計文件分析，對框架結構及其基礎進行了宏觀和細部分析，發現裝置存在裂縫、變形及混凝土保護層腐蝕等問題。評估結果指出，這是由于原設計安全冗余度低，結構材料性能退化導致，必須采取相應措施保障結構安全。基于評估結果，提出了應急處理措施和監測要求。

〔關鍵詞〕磷酸裝置；框架結構；安全性評估；宏觀判斷

中圖分類號：TU375.4 " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）0６-0067-05

Safety Assessment of the Frame Structure of a Large Phosphoric Acid Facility in Brazil

HUANG Hengping1， LI Dalang1， WANG Jianqun1， CHEN Weiqing2

（1.China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China;

2. CMOC Group Limited Brazil， Catalao， Goias， 88900-000， Brazil）

Abstract" Abnormalities occurred in the frame structure of a phosphoric acid concentration facility at a large phosphate fertilizer plant in Brazil. A safety assessment was conducted on the frame structures of the two concentration facilities， 62 and 42， in the area. Through data collection， on-site investigation and analysis of design documents， the frame structure and its foundation were analyzed from both macro and micro perspectives. It was found that the facility has some problems such as cracks， deformation and corrosion of the concrete cover. The results of the assessment indicated that some corresponding measures must be taken to ensure structure safety owing to low safety redundancy in the original design and degradation of the structural material performance. According to the results of the assessment， emergency response measures and monitoring requirements were proposed.

Keywords" phosphoric acid facility; frame structure; safety assessment; macro judgement

建構筑物的結構安全性評估，作為確保工業生產安全的重要環節，旨在通過系統的檢測、分析與判斷，對建筑物結構的穩定性和安全性進行客觀評價。這一過程不僅關乎生產人員的生命安全，還直接影響到企業的生產運行效率和經濟效益。隨著工業設施的老齡化，結構安全問題日益凸顯，開展結構安全性評估已成為保障工業生產不可或缺的一環。本文擬以巴西某大型磷肥廠磷酸濃縮裝置框架結構的安全性評估為例，深入探討建構筑物結構安全性評估的具體操作過程，包括如何在有限的時間窗口和成本約束下，通過細致的資料審查、現場勘查、技術分析與應急處理，有效保障生產安全運行，為老舊廠房結構的安全使用提供技術參考。

1" "項目概況

巴西某大型磷肥廠位于巴西中西部戈亞斯州的卡塔朗市郊工業區，占地面積為1 525 362 m2；建筑面積為67 634.62 m2，包括磷酸濃縮區域、磷酸存儲區域、酸化倉庫、磷酸過濾區域、硫酸區域、磷精礦干燥與過濾區域、污水處理站、硫磺區域和輔助設施。該廠在巴西乃至南美地區都屬于規模較大的磷肥廠，在當地農業生產中具有舉足輕重的地位。該廠生產廠區總平面實景如圖1所示。

2" " 框架結構安全性評估背景

2.1" 磷酸濃縮區域情況

磷酸濃縮區域由NO.62和NO.42兩套濃縮裝置（以下分別簡稱為“62裝置”和“42裝置”）組成。這兩套裝置是磷肥廠的核心生產裝置之一，生產工藝流程基本相同，且必須連續運行。資料顯示，62裝置為2001年設計，5層（局部2層），橫向單跨、縱向四跨鋼筋混凝土框架結構，無維護墻體和屋面。42裝置為2007年設計，6層（局部2層），橫向單跨、縱向四跨框架結構，無維護墻體和屋面。這兩套裝置由不同的設計單位設計。2018年，該廠對底層地面（標高819.15 m）進行了改造設計。 62裝置和42裝置如圖2、圖3所示。

2.2" 安全評估要求的提出

2022年7月，現場生產人員發現62裝置的1根框架柱與地面交接處出現裂縫，62裝置與42裝置之間的連接鋼走道，在靠近62裝置一端的支承端（滑動支座）支承長度變短，局部梁、柱的混凝土保護層生產人員對框架結構腐蝕現象。該問題引起了該區域員工的恐慌，他們對該框架結構能否保障人身安全提出質疑，上報企業管理層和相關政府管理部門要求處理。

由于該磷化工廠是運行多年的老企業，大部分廠房結構均處于需要維修加固的狀態。磷酸濃縮區域是工廠生產的關鍵環節，既要保證生產人員安全，又要保障生產正常運行。鑒于該區域框架結構已經出現不安全征兆，因此亟需對其進行安全性評估，提出處理方案，保障生產安全運行。

2" "安全性評估的范圍和內容

由于62裝置和42裝置是磷肥廠中扮演著核心生產角色，且需保持連續運行狀態，因此這些裝置停產檢修的時間窗口極其有限。在以往的停產檢修過程中，該廠從未對裝置的框架結構進行過系統性的維修。從該廠總平面布置情況來看，由于場地條件的限制，將該裝置異地新建難以實現。此外，該工廠歷經多次業主更迭，導致技術資料留存不全，給方案的確定也帶來了不小的挑戰。加之加固工程本身費用高昂，為確保生產計劃的順利進行，加固改造工程的實施時間也受到了嚴格的限制。

針對磷酸濃縮區域出現的結構安全性問題，技術人員需要結合工廠的生產計劃，對框架結構的異常情況進行全面、細致地分析與判斷，并在此基礎上，制定出既切實可行又經濟高效的檢測與監測方案，以節省時間和資源。

經過研究，本次安全性評估的核心聚焦于62裝置和42裝置的支承框架結構及其基礎，旨在全面審視并評估其安全性能。評估工作主要圍繞以下三大核心內容展開：1）資料審查與現場調研。深入研讀業主提供的設計文件，確保對裝置的原始設計參數、結構特點有全面了解。實地探訪項目現場，觀察裝置的生產工藝流程，調查裝置的歷史使用情況。2）實體觀測與異常記錄。對裝置的支承框架結構及基礎進行現場觀測，記錄所有發現的結構異常，包括構件損傷、結構變形等。3）進行初步的技術分析并保留建議。基于現場觀測和資料審查，對支承框架結構及其基礎出現的問題進行初步的技術剖析。根據分析結果，提出明確的使用注意事項，并制定詳細的安全監測要求，以確保裝置在現有條件下的安全運行。

3" "評估工作的開展與問題的解決

3.1" 存在問題

2022年7月，工人報告的主要問題有：1）62裝置62-2-B框架柱底部混凝土面層開裂，見圖4。2）固定管道支架的螺栓從梁側拔出，見圖5。3）62裝置與42裝置之間水平距離變大，兩套裝置連接鋼樓梯支承長度不足，見圖6。4）兩套裝置之間管道支架與支承牛腿發生偏移，見圖7。

3.2" 問題分析及應急處理

發現上述情況后，裝置區域生產人員對結構安全產生擔憂，企業管理層高度重視，聘請了巴西當地工程師現場評估，同時邀請中國專家遠程參與視頻會討論應對措施。

研究發現，該問題的重點在于62裝置的一根框架柱底部的裂縫上。62裝置框架是由10根框架柱組成的鋼筋混凝土單跨框架結構體系，基礎為帶擴大頭的灌注樁基礎，出現裂縫的柱為第2排邊柱。由于上部結構的傾斜不明顯，通過整體研判，結構專家認為立即出現整體坍塌的風險低，但根據巴西工程師要求，對出現裂縫的框架柱采取了利用軌道鋼托住梁柱節點區域的應急處理措施，見圖8。

3.3" 原因分析

3.3.1" 對原設計資料進行評估

1）42裝置區域結構。

42裝置原結構設計為鋼筋混凝土單跨框架結構，無圍護墻，樓面存在設備大開洞，A-B柱為5層，B-C-D柱為4層、D-E為2層，結構平面，豎向不規則，單跨框架剛度偏弱，并增設了原設計施工圖未顯示的外懸挑鋼平臺。在二層局部存在豎向柱轉換。42裝置框架三維軸測圖見圖9。

查閱收集到的42區域計算書，發現設計計算時，各層設備荷載均已列出，樁基礎也是根據基底內力和勘察資料進行設計的。樁為擴底樁，單樁承載力為1 800 kN，計算要求最大單樁承載力為1 490 kN，設計承載力有一定余量。

專家研究發現，計算書中的樁基與樁基施工圖的布置不完全相符。施工圖的1-D和1-C為三樁，而計算書是兩樁。計算書的樁徑為80 cm，擴底直徑為170 cm；施工圖的樁徑為70 cm，擴底直徑為170 cm，且施工圖未注明單樁承載力要求。42裝置施工圖樁基平面布置見圖10。原巖土工程勘查報告缺失。

42裝置結構布置冗余度低，結構抗側能力差，結構重心相對偏向西側，樁基礎設計有利于抵抗框架向東側傾覆。 42裝置結構底層為梁、板結構，地基土是否存在腐蝕并對結構造成影響需進一步檢查分析。此外，專家從設計計算書中還發現，42裝置結構在設備空載和滿載兩種情況下的荷載差異較大，是否影響監測結果需要進一步分析。

2） 62裝置區域結構。

62裝置區域原結構設計為A-B柱為4層，B-C-D柱為3層、D-E為2層，結構平面和豎向均不規則。結構為單跨框架，基礎為單柱單樁，樁為擴底樁，樁承臺間未設置基礎拉梁，框架柱在承臺處無法形成剛結，基礎無抵抗水平荷載的能力。

62裝置區域收集的設計資料嚴重缺失，結構設計計算書、場地巖土工程勘查報告和設備荷載資料、工程竣工驗收資料和竣工圖均未能收集到。

從原設計圖紙來看，設計安全冗余度低，未考慮磷酸長期腐蝕作用和振動設備的沖擊荷載作用，特別是與42裝置區域結構相比，62裝置區域基礎設計存在嚴重缺陷，柱斷面遠小于42裝置區域，安全度非常低。

另外，專家組未查到原設計工作年限的相關規定。目前，62區域運行已超過20年，42區域運行也接近20年。酸的長期腐蝕作用和振動設備的沖擊荷載作用使結構材料性能退化，地基土腐蝕嚴重，已經產生向上的隆起，嚴重影響基礎和上部框架結構的安全。

3.3.2" 現場勘查情況評估

1）現場勘查情況。

本系統為磷酸濃縮裝置，生產過程中管道、設備存在跑、冒、滴、漏現象，加上維修時需要對設備、管道進行清洗，導致地面上會有酸性廢水出現。原設計做法是采用混凝土剛性地面找坡，將酸性廢水排向中部的排水溝，最后接入62、42裝置之間的廢水池。

地面排水溝在使用過程中出現開裂滲漏，酸性廢水滲入底板以下的地基土中，導致磷酸與土壤反應出現膨脹形象，混凝土剛性地面隆起，裂縫發展。其間，廢水池也出現裂縫，廢水滲入池底及周邊土壤，對62裝置和42裝置底層板造成向上頂升的不良影響。

2）框架柱開裂的原因分析。

62裝置框架柱底部開裂原因復雜，但主要影響因素為混凝土剛性地面上浮引起，加上柱的混凝土保護層較厚，在腐蝕環境下使用年限長達二十余年，柱的混凝土表面發生碳化，在其他外力作用下容易開裂。

62裝置的水封罐直接放置在開裂柱的上方，水封罐在系統運行時承受很大的沖擊振動荷載，并傳遞給支承板和框架梁柱上。該區域結構無次梁支承設備，由厚板作為設備基礎。

3.3.3" 兩個裝置間距變大的原因分析

42裝置與62裝置是相互獨立的結構單元，42裝置與62裝置之間有3 m的間距，因此在4層設置有一個鋼結構平臺的連通。該鋼平臺一端固定在42裝置樓面上，另一端鋼梁自由放置在62裝置樓面上。

現場勘查發現，42裝置在非相鄰62裝置的東側框架柱上增加了大型外挑鋼平臺和管道；62裝置在非相鄰42裝置的西側框架柱上增加了鋼結構樓梯和管道支架。這就造成了相對運動的趨勢，成為42裝置與62裝置間距變大的主要影響因素之一。

另外，42裝置與62裝置之間廢水池的滲漏，使具有膨脹腐蝕性的磷酸滲入地基土，產生了向上的頂升力，造成42裝置西側柱上浮，62裝置東側柱上浮，導致42裝置向東傾斜，62裝置向西傾斜。這成為兩個裝置間距變大的又一影響因素。

4" "安全性評估結果及建議

4.1" 評估結果

經過專家組的調研、評估，最終得出以下結論：1）目前建構筑物結構基本維持原設計狀態，出現突發性整體坍塌的概率較低。2）原設計安全冗余度低，未考慮磷酸長期腐蝕作用，結構材料性能退化，安全度隨著時間增加逐步降低。3）水封罐作為沖擊振動設備未按通常做法直接安裝在地面基礎上，而是安裝在樓面上，使結構受到沖擊荷載作用，造成結構扭轉開裂。4）建筑物已經出現裂縫和變形，繼續使用存在安全風險，必須采取相應措施保障結構安全。

4.2" 應急處理要求及措施

基于上述問題，技術人員提出了以下應急處理要求及措施：1）建立42裝置與62裝置監測檢查制度。在結構未產生突變的情況下，每周進行兩次沉降和垂直度的測量（見圖11）；在生產過程中安排專業工程師每天巡檢，觀測裂縫的變化及新裂縫的產生情況（見圖12）。2）開展42裝置與62裝置區域地基土檢測和監測。對開裂區域地基土進行開挖和鉆探（見圖13、圖14），化驗分析土壤腐蝕情況和對建筑物基礎腐蝕情況，并設置環境監測點。3）對42裝置與62裝置區域應急維修改造，包括：（1）搬遷舊污水池，新建外部污水池整改地溝，做好污水收集、管道輸入的措施。（2）整改泵區圍堰與地坪防止滲漏，泵區圍堰與地坪可增加鋪設HDPE膜作為地坪水平防滲、圍堰垂直防滲措施。（3）制定已開裂框架柱、梁處理方案并實施。

4.3" 裝置結構使用建議

后續裝置結構使用建議如下：1）在使用過程中建立長期框架結構整體和局部變形的監測定期制度，出現異常及時報告，并加密監測頻次。2）對結構應進行定期巡檢、維護，發現結構發生變形異常時應及時停止使用，并進行整體結構可靠性鑒定，根據評估鑒定結論進行加固搶險處理。3）磷酸區域對地基土和基礎的腐蝕情況進行抽樣檢測、鑒定。4）定期檢修設備和管道，盡可能減少生產過程的酸液跑、冒、滴、漏。5）維修已經開裂的地面，做好防腐防滲措施。6）對已被腐蝕開裂的結構件進行修復補強。

5" "結語

本文通過對巴西某大型磷肥廠磷酸濃縮裝置框架結構的安全性評估，系統闡述了建構筑物結構安全性評估的重要性及其在實際工程中的應用。評估結果表明，該項目原設計安全冗余度低、結構材料性能退化以及磷酸腐蝕等因素共同導致了結構安全隱患。針對這些問題，本文提出了包括建立監測檢查制度、開展地基土檢測和監測、實施應急維修改造等一系列切實可行的應急處理措施和使用建議。這些措施不僅有效保障了生產安全運行，也為類似老舊廠房結構的安全使用提供了范例。

本文的研究可以得出以下結論：1）建筑結構設計時應充分考慮設備運行過程，設備運行荷載、管道跑冒滴漏介質對地基基礎和結構構件的影響。2）磷酸濃縮裝置的結構設計應考慮設備的合理布置，磷酸腐蝕介質的有效防護和隔離，結構應保障足夠的安全冗余。3）在進行建筑結構安全性評估時，要重視收集資料、現場勘查、聽取現場生產人員的情況報告，避免由于資料不全，未對現場情況了解清楚而造成誤判。4）項目所在地對老舊建筑結構的檢測、試驗費用極高，應盡可能減少檢測、試驗項目，重視工程安全性的宏觀判斷，結合現場觀測和局部檢測確定維護、加固方案。5）因設備持續運行，腐蝕的過程持續且漫長，導致框架結構性能會不斷退化，應根據監測方案做好生產運行過程中的長期監測工作。