耐酸襯里施工中砌體開裂成因探討

陳 芳

(中國恩菲工程技術有限公司 化工環保事業部， 北京 100038)

耐酸襯里施工中砌體開裂成因探討

陳 芳

(中國恩菲工程技術有限公司 化工環保事業部， 北京 100038)

目前國內硫酸干吸塔多為鋼殼內襯防腐襯里的填料塔，防腐襯里的質量直接影響干吸塔的使用及其壽命，本文通過對可能影響襯層質量的因素分析，探討耐酸磚襯砌中膠泥縫開裂的部分原因。

干吸塔；砌體裂縫；誘發成因

0 引言

無論是硫磺制酸、硫鐵礦制酸還是冶煉煙氣制酸工藝干吸塔都是其重要的設備之一。硫酸干吸塔為直立圓筒式鋼制填料塔，其中工作介質為SO2、SO3和93%以上的濃硫酸，系統投產后操作溫度一般均大于60 ℃。為了防止酸對鋼殼體的腐蝕，干吸塔與硫酸接觸部分通常采用KPI膠泥襯砌耐酸瓷磚作為防腐襯里。由此可見防腐襯里的質量將直接影響干吸塔的使用及其壽命。防腐襯里最常出現的質量問題為膠泥(或瓷磚)產生裂縫。裂縫一旦產生將導致酸的泄漏，造成鋼殼腐蝕。本文將根據工程中出現的問題著重探討施工階段造成干吸塔內襯形成裂縫的部分原因及如何預防。

1 工程中出現的問題

2008年中國恩菲公司承接了一個硫磺制酸廠的設計項目，建設地點在南半球赤道附近，當地氣象條件為高溫、高濕、且日照時間長，太陽輻射強烈，晝夜溫差大。

項目中所選用的干吸塔形式見圖1，塔內襯采用鋼殼內襯隔離層再襯砌耐酸瓷磚的形式，此種塔結構為成熟設計，并在多個項目中施工、運行均無問題反饋。

圖1 干吸塔外形圖

但在此項目中，塔體在耐酸瓷磚襯砌完成準備進行酸化處理時，發現人孔、進酸口處耐酸瓷磚磚縫膠泥開裂，襯里出現了連續的延展性裂紋，如圖2所示，黑色線表示裂縫的位置和長度。

圖2 裂紋示意圖

2 可能誘發砌體裂縫的因素

針對出現的問題，業主組織設計、施工、監理等進行了多次研究，并從以下幾個方面進行了分析：

2.1 鋼殼體的設計、制造原因

(1)鋼殼體結構設計存在缺陷：殼體強度滿足要求，但剛度可能不夠，隨內襯重量增加，殼體易產生變形，擠壓內襯磚體隨之變形導致開裂。另外殼體上的開孔部位未設置補強板。

經計算，殼體的的強度、剛度均滿足要求，開孔處雖未設置補強板，接管自身的有效補強已滿足強度要求，相同結構及規格的設備在其它工程中使用，施工、運行階段砌體均未出現裂縫。且在隨后的修復過程中，按業主要求在鋼殼體上加設了如圖3所示的加強圈，人孔及進酸口處也增加了補強板，但再次襯砌后依然在大致相同部位出現磚縫開裂現象，由此可見，裂縫的出現與鋼殼體的強度、剛度無關。

(2)焊接應力造成殼體變形：在鋼殼體制造過程中，因焊接工藝編排不合理，會產生較大的焊接應力，應力釋放使殼體產生焊接變形(這種情況同工程儲酸罐的焊接中曾出現過)，從而影響磚體，導致磚體開裂；

但砌體施工是在整個鋼殼體完工接近3個月后才開始進行，焊接應力引起的變形應該在焊后冷卻過程中已有效釋放，襯里施工期間及完成后并沒有在鋼殼體上實施過高溫作業，因此，殘余焊接應力引起變形導致磚縫開裂也應排除。

2.2 砌體材料原因

(1)材料本身：KPI膠泥為雙組份材料，由鉀水玻璃及KPI粉料(固化劑縮合聚磷酸鋁已加入其中)組成，兩種組份的技術性能應滿足《建筑防腐蝕工程施工及驗收規范》GB50212相關規定。其中鉀水玻璃作為粘結劑模數和比重是兩個重要的技術指標，比重過大或過小均會影響耐酸膠泥的強度、耐酸性、抗滲性和收縮性；模數過低，會延緩耐酸膠泥的硬化時間，耐酸性也差，模數過高，會使耐酸膠泥硬化過快，特別在氣溫較高時更為顯著，以致造成施工困難，影響施工質量。而耐酸度、含水率、粒度是衡量粉料的技術指標，其中含水率和粒度將影響耐酸膠泥的強度。

根據檢測報告，原料中鉀水玻璃的模數為3.49，大于標準的2.6～2.9；粉料的粒度0.09 mm篩孔篩余量為50%～55%，合格，粒度0.45 mm篩孔篩余量為5%～15%，大于標準的不應大于5%。

由以上檢測數據可見，粉料粒度超標，將降低膠泥的強度；水玻璃模數過大，如施工時不加以適當的調整，將增加施工難度，易降低與耐酸瓷磚的粘結強度，形成收縮微裂紋，影響質量，降低膠泥的強度。在一定條件下易造成膠泥開裂。

(2)材料的運輸儲存：水玻璃主要成份是水玻璃,由于它能與空氣中的CO2發生反應生成不溶于水的硅酸,所以要密封保存。生產后保質期約為一年，若超過保質期對膠泥質量將會產生很大影響。KPI粉料的運輸儲存，要求防潮、防雨淋，儲存于干燥通風處，否則會影響膠泥質量。而設備建設地點地處國外，原料需經海上長時間運輸，且施工現場屬于高濕氣候，無法保證干燥通風，因此粉料很難保證的含水率不應大于0.5%的標準。

2.3 施工原因

施工過程是否嚴格按HGJ229—91的要求進行；特別是以下幾點，如控制不當將降低膠泥的強度：

(1)水玻璃的模數是否調整至標準要求的數值，調整后密度是否保持合格。調整后的水玻璃。是否保存在密封的容器中，以避免空氣中的水分溶入而改變其濃度；

(2)KPI粉料在施工前是否對含水率進行測試，如含水率超標是否在適當的溫度下烘干后再使用；

(3)按照國標規定鉀水玻璃與KPI粉料的比例是一定的，但由于施工現場溫度較高，膠泥的初凝時間較短，給施工帶來困難。施工方是否采取正確的方法調整初凝時間，而不是簡單的采用加大鉀水玻璃用量或加水的方法；

(4)每圈磚砌筑前是否進行預排，砌筑順序是否正確，以防止磚縫累積。每天所砌圈數是否不超過規定值；

(5)塔壁上接管內的磚是否按標準要求先行砌筑，從而減小交叉部位的應力集中；

(6)磚縫是否按設計要求控制，若磚縫過寬，膠泥收縮大，易造成微裂紋。另外，設計所使用的膠泥縫是針對鉀水玻璃膠泥設定的，目前有些KPI生產廠家為了降低成本，往往在原料中加入大量鈉的成分，如此就導致設計所給出的膠泥縫已經偏大；

(7)KPI膠泥與水泥不同，它屬于“氣固性”材料?，F場相對濕度大于80%，施工時是否采取除濕措施，特別是養護期間，由于膠泥中有未參與反應的游離水玻璃，因此它的抗滲性差，當水滲入時，會將游離水玻璃溶解，使膠泥內部可溶性成分溶出，使其結構疏松，強度大幅度降低；

2.4 外力影響因素

砌體施工完成后沒有在外部鋼殼上進行動火、敲擊等作業；設備管口與外部的工藝管道等外接部件也未連接，因此外力造成設備管口部位產生應力，并超過設備鋼殼的強度和剛度時，造成設備局部變形導致砌體開裂也應排除。

2.5 溫差變形因素

由于日照時間長，太陽輻射強、早晚溫差大，該項目設備表面最高溫度超過55 ℃，晝夜溫差超過30 ℃。按此溫差計算，開裂部位(按裂縫處到設備底部高度12 346 mm計算)軸向鋼殼體與砌體之間的熱膨脹變形差為2.27～3.05 mm(按自由膨脹考慮)。人孔鋼管與其內襯在周向上的理論熱膨脹量之差為0.63～0.83 mm。

考慮鋼與磚(包括膠泥)兩種材質的熱膨脹系數不同，設計圖中所有砌體與鋼殼體相關部位均設置了3 mm厚的青石棉板隔離層，但在施工中，人孔及進酸口內的隔離層被取消，將耐酸瓷磚直接襯砌在鋼接管上。

當熱脹冷縮變形時，管口鋼管標高隨鋼殼體軸向伸縮產生位移，而鋼管內襯瓷磚形成的“瓷管”由于與筒體砌體砌筑為一個整體，所以應隨其伸縮位移，兩個部件由于熱膨脹系數不同位移量不同。經過上述改動，由于與鋼管與“瓷管”之間無間隙，變形差無法消化，形成應力作用在“瓷管”上。此時 “瓷管”相當于受均布載荷懸臂梁，對與之連接的筒體砌體施加拉(壓)應力，當應力超過材料的允許應力時即發生破壞，破壞往往發生在薄弱處。

3 結論

從以上分析可以看出，原材料質量、施工質量及溫差應力是導致膠泥縫開裂的三個原因。根據以往工程的經驗，同規格、結構的設備在地處沙漠的埃及施工時，并未出現膠泥縫開裂的現象，因而可以得出結論：原材料質量、施工質量這兩項是砌體是否會開裂的決定性因素。

Reason Discussion of Crack in Acid-resisting Lining Construction

CHEN Fang

The structure of drying and absorbing tower is mostly steel lined with anti-corrosion lining of the packed column currently in sulfuric acid process, the quality of anti-corrosion lining is very important, directly impacts the use and lifetime of the tower. The paper analyses the factors that may affect the quality of the lining, investigates the reason of clay crack in acid brick lining.

drying and absorbing tower；crack in lining；induced causes

2015-06-26

陳 芳(1962-)，女，北京市人，高級工程師，大學本科，主要從事化工設備設計工作。

TQ111.1

B

1003-8884(2015)05-0026-03