保證鋼結構耐久性的幾點建議

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(唐山三友化工股份有限公司純堿分公司，河北 唐山 063305)

保證鋼結構耐久性的幾點建議

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)

為提高鋼結構耐久性，本文就純堿公司鋼結構的腐蝕現狀，提出了樹立鋼結構耐久性設計理念的必要性,指出了純堿公司裝置區主要工序鋼結構銹蝕作用機理，從管理、設計方面給出了保證鋼結構耐久性的幾點建議。供同行借鑒參考。

鋼結構；銹蝕；安全隱患；耐久性；建議

1 背 景

鋼結構比鋼筋混凝土結構強度高；線性彈性范圍大，塑性、韌性好，變形能力強，抗震性能好；材質均勻，符合力學假定；工廠化預制，可焊接、可鉚接、可栓接，施工周期短。我國近年來鋼鐵產業的飛速發展，鋼材市場供應充足，使得鋼結構在純堿公司裝置區建構筑物中被廣泛使用。但是普通鋼結構也存在不足，耐腐性差就是其中之一。

純堿生產工藝特點使裝置區不同工序的鋼結構處于不同的腐蝕環境中。投產28年來，長期的腐蝕作用使部分承重鋼構件嚴重銹蝕，厚度減小，局部甚至銹蝕穿孔，嚴重減少了鋼構件有效截面，降低了剛度、承載力。因此在未達設計使用年限前，就已存在著嚴重的結構安全隱患，制約著企業的可持續性發展。在此情況下被迫補強加固或更新。

生產的連續性使得鋼結構加固補強一般情況下，在邊生產、邊施工條件下進行。施工時間受限、施工操作空間受限，導致補強加固的設計、施工難度非常大。有些部位甚至只有停止生產才能進行加固或更新，生產穩定受到極大的威脅。

結構性的安全隱患如不能得到及時治理，極易造成大的坍塌事故，進而引發更大的生產安全事故、環保事故、生命財產損失。由于鋼結構銹蝕層覆蓋在構件的表面，現場不進行徹底的噴砂除銹，很難判斷銹蝕程度，而現場噴砂費用高，粉塵污染大而一般不被采用，因此鋼結構腐蝕具有隱蔽性，結構事故往往具有突發性。目前，防止鋼結構銹蝕，治理鋼結構隱患，保證鋼結構的耐久性的問題，已擺在管理及工程技術人員面前。

2 簡述鋼結構銹蝕作用機理

鋼結構銹蝕作用機理主要有化學腐蝕、電化學腐蝕。

2.1 化學腐蝕

化學腐蝕指鋼材直接與腐蝕介質發生化學反應而產生的銹蝕。

與空氣接觸的鋼結構銹蝕多數是氧化作用。剛剛熱軋出來的鋼材在高溫下更容易與空氣中的氧氣發生化學反應，內表面形成FeO；外表面形成一層青藍色氧化保護膜，主要化學成分是四氧化三鐵(Fe3O4)，它結構比較致密，可以起一定的防止鋼材銹蝕的作用，故在干燥環境下，鋼材銹蝕進展緩慢。但在潮濕的空氣中，Fe3O4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保護膜，使與鐵內表面的FeO繼續氧化成Fe2O3，加速了鋼材的銹蝕。

純堿公司廠前區辦公用房、食堂、庫房等所處環境，鋼結構銹蝕主要是上述的空氣氧化作用。

但鋼結構接觸酸性介質會發生置換反應，接觸強氧化劑會被氧化，化學反應迅速，導致很快發生嚴重的銹蝕。

2.2 電化學腐蝕

純堿公司生產裝置區潮濕或電解質溶液的環境，構成了微電池三要素，陽極、陰極及電解質，從而產生銹蝕。電解質水膜吸附在鋼結構表面，而鋼材內部的鐵、碳等成分的電極電位不同，會形成眾多微電池。在陽極區，鐵被氧化成為Fe2+進入水膜；在陰極區，溶于水膜中的氧被還原為OH-，隨后兩者結合生成Fe(OH)2，并進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。

純堿公司鋼結構的銹蝕過程事實上很復雜，隨著環境條件不同生成的鐵銹中各種成分所占的比例不同，有時氧化、電化學腐蝕往往是同時發生的。

2.3 結構超載

多年的技改項目或腐蝕造成鋼材的應力超過設計抗拉強度，加速了鋼結構腐蝕進程。

3 保證鋼結構耐久性的建議

鋼結構耐久性問題很復雜，本人僅從實踐中發現的純堿公司裝置區鋼結構的腐蝕現狀，針對鋼結構耐久性不足，從管理、設計方面提出自己的幾點建議。

3.1 管理方面建議(簡述)

1)從思想上重視鋼結構的使用、日常維修，真正認識隨意拆改、隨意加載后果的危害性，不按設計施工的危害性，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構銹蝕的危害性。

2)提高生產操作、工藝管理水平，提高生產、設備管理水平，從本質上減少生產腐蝕介質跑冒滴漏，及時清理鋼結構表面上的腐蝕介質，減少其積聚、滯留時間，減緩鋼結構銹蝕的進程。

3)加強鋼結構的日常管理。

建立完善建構筑物的主體責任制度，誰使用，誰負責，保證鋼結構的正常使用。

建立拆改、加載管理制度，現場不得圖一時方便，隨意拆改承重構件及支撐構件。確需拆改，需經專業設計人員結構驗算認可。

建立隱患排查及整改制度。純堿公司已運行28年，持續性隱患排查整治不可或缺。根據排查結果，及時組織技術鑒定，加固補強、同時切記不要只圖省錢而簡化或不做防腐涂層。建立建構筑物臺賬制度，鋼結構建構筑物作為企業的固定資產，要像設備管理一樣，同步建立管理臺帳。

4)加強在建工程、加固補強工程的結構及防腐層的施工質量管理。鋼結構工程的施工質量是保證其耐久性的一個必要條件。

3.2 設計方面建議

1)樹立鋼結構耐久性設計理念。

鋼結構的耐久性不足造成的隱患后果目前還沒有被人們完全認識，尤其在腐蝕環境下需要進行積極防護的理念還沒有被人們所接受。而鋼結構耐久性專業設計是保證鋼結構耐久性的首要關口。

設計責任終身制，使結構設計者們首先注重鋼構件內力計算、承載力、穩定性驗算、變形驗算，這無可非議，但是一些設計者即使對有腐蝕的生產裝置區，也沒有鋼結構耐久性設計理念，未進行耐久性專業設計或耐久性設計不合理，不論腐蝕環境、腐蝕介質、腐蝕作用等級，凡是鋼結構簡單的一概而論，表面僅僅做統一的、簡單的人工除銹，刷幾遍普通的裝飾涂料了事，結果是連年腐蝕連年刷，鋼結構仍達不到設計使用年限就已銹蝕嚴重，造成嚴重的結構隱患。純堿公司鹽水、蒸吸、碳化、壓濾、低鹽重灰、煅燒、制鈣、減排,這些工序鋼結構的腐蝕現狀及Cl-銹蝕作用機理，已告誡設計者腐蝕環境中的鋼結構必須進行耐久性專業設計，對鋼結構盡早采取防護措施。

2)各專業應加強溝通，首先確定鋼結構環境類別及作用等級，這是做好鋼結構專業耐久性設計的前提。

設備、工藝等專業除了向土建專業提供必要的工藝、設備布置、荷載條件，還要提供鋼結構支撐的設備、管道的溫度及設備管道內的介質，尤其是腐蝕性的介質，提供生產設備、管道的使用特點給鋼結構帶來的腐蝕作用。土建專業以此為依據進行鋼結構耐久性設計。

如儲化鹽、鹽水精制、濃海水、蒸吸、碳化、固定銨、堿渣廢液、堿渣治理、鹽泥壓濾等生產工序中，鋼結構及鋼制設備、管線存在著嚴重的Cl-電化學腐蝕，需要做專業的耐久性設計。

3)在腐蝕環境下，鋼結構的內力不應采用塑性內力重分布的分析方法，應進行結構靜力學彈性階段的內力分析方法，減緩應力腐蝕。宜采用多余約束的超靜定結構。

4)在腐蝕環境中，鋼結構選擇有利于減輕環境腐蝕的平面布置和構造。

總平面布置。鋼結構宜布置在廠區全年最小頻率風向的下風側，以減少生產裝置飄逸的腐蝕氣體、液滴或粉塵的的腐蝕影響。

結構布置。力求平面、剖面簡單，減少構件的暴露面積，盡量避免凹凸變化；不宜選用懸挑結構，如選用懸臂，懸挑長度應盡量小，懸挑梁與柱連接處必須為剛性節點，坡口熔透焊，焊縫等級不低于二級；變形縫要避開環境不利的部位。

防排結合。采取有組織排放、放坡疏放、防腐層隔離防護等構造措施。減少液體在鋼結構平臺的滯留時間。

材質選擇。根據腐蝕介質，合理采取鋼結構防護層，明確給出防護層工程做法及最小厚度。普通鋼構件防護層優先采用熱鍍鋅，鍍鋅層對普通碳鋼起到了陰極保護的作用，同時施工現場省去了噴砂除銹帶來的環境污染，現場施工人員省去了職業危害作業，加快了防腐專業的工程進度。剩余鋼材可較長時間存放而不銹蝕。尤其是薄壁鋼構件更應采用鍍鋅鋼板，如純堿公司的儲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。

鋼材表面防護層采用環氧樹脂類或環氧樹脂類玻璃鋼隔離層也是一種不錯的選擇。其特點是耐酸耐堿耐鹽。但是環氧樹脂類防腐涂料，耐候性差，遇到陽光照射容易粉化，因此室外防護層上需做耐紫外線防腐涂料兩或三道，既防止防護層老化，同時也可起到裝飾效果。此做法傳統施工工藝，市場材料供應充足，工人操作熟練，經濟適用。特別注意除銹等級不應小于噴砂或拋丸除銹S2.5級，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。注意環氧類防護層環境溫度不宜超過60 ℃。

當然，經濟條件允許，還可選擇乙烯基酯、環氧玻璃鱗片等防腐涂料及其對應的玻璃鋼防護層；還有噴塑、襯塑防護層；利用金屬本體抗腐蝕特性來保證鋼結構的耐久性，如對Cl-腐蝕嚴重的環境，可采用不銹鋼，如純堿公司濃海水涼水塔內的鋼平臺、鋼梯，采用了316L。

順便提及鋼結構耐熱但不耐火，鋼結構在150 ℃以上強度急劇下降。鋼結構的防火設計，也可視為鋼結構耐久性設計的一部分，應符合現行國家標準GB50160《石油化工企業設計防火規范》的規定。

還有對結構使用階段的檢查、檢測、維護、修理提出要求，不可或缺。

5)構造措施

露天鋼框架周邊或洞口周邊鋼梁或懸挑結構的封邊梁由于樓面的積液排放最容易銹蝕，因此，鋼-混結構的混凝土樓板應向外水平伸出200～500 mm后，向下做反沿，或做鷹嘴滴水線、滴水槽；鋼平臺的鋼板應向外水平伸出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。現場可以發現重堿工序蒸餾塔、吸收塔、碳化塔、預混器等設備洞口鋼構件邊梁，鋼框架邊梁，懸挑結構封邊梁，由于生產跑冒滴漏或周期性清塔出來的廢液腐蝕，銹蝕最為嚴重。

腐蝕性等級較高時，鋼結構不宜采用吊索式，如采用必須做好防護措施，且直徑不小于20 mm；鋼構件截面的鋼板最小厚度應不小于6 mm，閉口截面壁厚不小于4 mm,角鋼截面不小于5 mm，節點板不小于8 mm。 現場發現壓濾框架內1#、3#皮帶鋼平臺采用吊桿，吊桿的錨板、錨栓已嚴重腐蝕，且錨點基層混凝土嚴重開裂，形成了嚴重結構安全隱患。假如1#皮帶平臺一個吊桿銹斷就會坍落，將引發此處其他5條皮帶平臺的不同損壞，相應的6條皮帶被迫停用，生產系統會全線停產。

鋼柱的混凝土基礎頂面應高出地面凈距不小于300 mm，地腳錨栓做好防護后應澆筑混凝土進行保護，混凝土內應配置構造鋼筋，頂面做斜坡以利于排水，最好再加設鋼板傘帽。鋼柱、鋼梁、現澆混凝土板組合的鋼混結構，每層樓面的柱腳也要用澆筑混凝土進行保護，同上。考慮腐蝕裕度，基礎地腳錨栓應比計算直徑增大一級選用。柱腳底板厚度不小于20 mm。例如蒸餾工序鋼結構柱腳沒有做特殊隔離防護，蒸餾塔周期性清塔造成蒸氨廢液嚴重腐蝕鋼柱腳，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#皮帶部分平臺鋼管柱，長期受到散落濕度較大的純堿電解質腐蝕，也出現銹蝕穿孔。

鋼柱、梁、支撐、桁架應采用實腹式或閉口截面，如H截面或管型、方形截面。閉口截面端部應進行封閉。

鋼結構應避免出現難于檢查、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型鋼檁條或構件開口不應向上或斜向上。循環水配電室北側的廠區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，現場發現型鋼背靠背間隙內腐蝕嚴重，多處節點板銹蝕脹裂焊縫，已形成嚴重的結構安全隱患，二次防腐、加固十分困難。廠區多處鋼制桁架有類似現象。

鋼結構管廊平行弦鋼桁架，鋼支撐，各桿件基本為軸心拉壓受力，因為鋼管每個方向回轉半徑一致，兩個方向的長細比一樣，且維修防腐方便，故宜優先選用。

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，因為口徑較小普通鋼管壁厚僅2.0～3.5 mm左右，焊接時容易燒穿，抗腐蝕能力差；端口不封閉或封堵有缺陷，內外壁會同時腐蝕。現場發現，純堿公司許多電纜或管道桁架(橋架)，雖然腹桿(鋼筋)仍能繼續使用，但上下弦采用了普通鋼管，多數節點處鋼管優先銹蝕穿孔，形成隱患。

采用連續焊縫。主要構件角焊縫高度不宜小于8 mm。母材厚度不宜小于8 mm。平臺鋼板對接應采取連續焊縫，以防止腐蝕液體的滲漏，擴大腐蝕范圍。

4 結 語

腐蝕環境下，要想鋼結構的耐久性達到設計使用年限，首先必須進行耐久性專業設計，二是施工質量，三是使用期間腐蝕源的管理，四是鋼結構的日常檢修,任何一個環節不可或缺。

[1] 中華人民共和國建設部.GB50017-2003鋼結構設計規范[S]

TU391

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1005-8370(2017)06-10-04

2017-10-07

張明友，1986年畢業于河北建筑工程學院，工民建專業，本科學士。土建高級工程師，國家二級注冊建筑師，現任唐山三友化工股份有限公司純堿公司二級專家，30年來一直從事工程施工管理、項目建設、土建專業設計工作。