濕法脫硫鋼筋混凝土單筒煙囪防腐結(jié)構(gòu)優(yōu)化

賈軍剛，柴俊，王日朝，王金興，趙京中，劉飛

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，太原 030001； 2.山西國(guó)錦煤電有限公司，太原 030001； 3.太原市奧愛(ài)姆煙囪材料有限公司，太原 030001； 4.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西電力建設(shè)第三有限公司，太原 030001)

0 引言

山西國(guó)錦煤電有限公司一期2×300 MW發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目新建一座210 m的煙囪，按現(xiàn)行國(guó)家行業(yè)規(guī)程設(shè)計(jì)，應(yīng)采用套筒式煙囪，目前國(guó)內(nèi)新建電廠通常推薦的也是套筒式煙囪，內(nèi)筒有鋼內(nèi)筒和玻璃鋼內(nèi)筒兩種，鋼內(nèi)筒有復(fù)合鈦鋼板和內(nèi)襯粘貼玻化陶瓷磚(或泡沫玻璃磚)、涂刷防腐涂料以及澆注料耐酸混凝土等多種形式。這些脫硫濕煙囪的防腐防水費(fèi)用都比較高，同時(shí)，套筒使得混凝土筒身外徑和基礎(chǔ)加大，施工工序復(fù)雜，質(zhì)量控制內(nèi)容增多，整座套筒煙囪造價(jià)比常規(guī)單筒式鋼筋混凝土煙囪高30%以上。

作者通過(guò)走訪發(fā)現(xiàn)，山西省有些單筒煙囪[1]雖然在濕法脫硫運(yùn)行后出現(xiàn)了滲漏，特別是積灰平臺(tái)下側(cè)壁酸液流淌痕跡斑斑，外觀確實(shí)很難看，但仍然在使用。筒身結(jié)構(gòu)的安全性是業(yè)主最為關(guān)切的問(wèn)題，通過(guò)了解得知，這些煙囪大多進(jìn)行過(guò)安全性評(píng)價(jià)和鑒定，結(jié)論表明筒身雖經(jīng)滲漏液體腐蝕，但仍然能夠持續(xù)工作。對(duì)此，作者認(rèn)為有必要對(duì)脫硫后凝結(jié)酸液進(jìn)行化驗(yàn)分析，進(jìn)一步判斷其對(duì)混凝土的侵蝕作用和影響程度，查明引起煙囪滲漏的原因，針對(duì)性解決滲漏問(wèn)題，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的防腐防護(hù)，使經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)潔的單筒式鋼筋混凝土煙囪繼續(xù)在電力行業(yè)使用成為可能。

1 煙氣凝結(jié)酸液分析

作者專程奔赴國(guó)內(nèi)燃煤電廠了解濕法脫硫后單筒煙囪使用情況[1]，收集了國(guó)內(nèi)多座運(yùn)行電廠濕法脫硫后煙氣的凝結(jié)酸液，并委托國(guó)內(nèi)有資質(zhì)的化驗(yàn)單位檢測(cè)其化學(xué)成分、pH值、液體酸度等指標(biāo)，目的在于考察脫硫后對(duì)混凝土筒身的影響程度，保護(hù)筒身結(jié)構(gòu)，使其在使用年限內(nèi)正常工作。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，酸液pH值均小于2，一般認(rèn)為是強(qiáng)腐蝕液體，但總酸體積分?jǐn)?shù)卻均在1%以下，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煙囪冷凝水取樣分析

作者了解到，這些電廠不設(shè)煙氣換熱器(GGH)，煙氣濕法脫硫后沒(méi)有旁路煙道，煙氣溫度為50 ℃左右，煙氣的凝結(jié)水量較大，通常在每小時(shí)數(shù)噸到十幾噸。現(xiàn)場(chǎng)采樣化驗(yàn)分析表明，雖然化學(xué)成分比較復(fù)雜，有硫酸、硝酸、氯根等，但主要成分為硫酸且體積分?jǐn)?shù)較小。煙氣經(jīng)脫硫、脫硝后總體酸度和化學(xué)腐蝕性大為降低，但凝結(jié)水量增加許多，這種狀況對(duì)不同材料的影響各異。這種極低濃度的酸性水對(duì)耐酸陶土磚和混凝土等非金屬材料的腐蝕性是很微弱的(非金屬材料的腐蝕分類較金屬類要簡(jiǎn)單得多，主要原因是非金屬類本身耐腐蝕性較強(qiáng)，腐蝕機(jī)理也簡(jiǎn)單得多，金屬中常見(jiàn)的許多腐蝕形態(tài)在非金屬材料中幾乎不存在)[2]，但對(duì)金屬類材料來(lái)說(shuō)卻是強(qiáng)腐蝕，包括電化學(xué)腐蝕、縫隙腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕等。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一觀點(diǎn)，在硫酸體積分?jǐn)?shù)為1%的稀硫酸溶液中分別浸泡鋼板和改性水泥砂漿進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：浸泡鋼板的酸液在1個(gè)月以后就變了顏色，隨著時(shí)間的增加，顏色逐漸變深發(fā)黃，鋼板被嚴(yán)重腐蝕(如圖1所示)，說(shuō)明對(duì)鋼排煙筒進(jìn)行防腐防護(hù)至關(guān)重要；但浸泡改性水泥砂漿的酸液至今已經(jīng)3年，仍沒(méi)有發(fā)生變化(如圖2所示)，說(shuō)明非金屬或混合物耐腐特性不同于金屬。

圖1 碳鋼板試件浸泡試驗(yàn) 圖2 改性水泥砂漿試塊浸泡試驗(yàn)

對(duì)取樣酸液水進(jìn)行分析并結(jié)合考察情況，可以得出結(jié)論：原行業(yè)規(guī)范所述按煙氣干、半干、濕界定煙氣的腐蝕性對(duì)鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是恰當(dāng)?shù)腫3]，而對(duì)非金屬材料則應(yīng)另當(dāng)別論。

對(duì)多年來(lái)脫硫煙囪防腐失敗原因進(jìn)行分析：金屬煙囪是腐蝕、穿孔，逐漸爛掉；而混凝土煙囪則主要是漏水后，酸液帶有的輕度腐蝕性以及碳化作用對(duì)鋼筋產(chǎn)生影響，過(guò)程較長(zhǎng)。作者與設(shè)計(jì)、建設(shè)、施工單位以及防腐材料生產(chǎn)廠家多次商討并取得了共識(shí)，決定在山西國(guó)錦煤電有限公司210 m煙囪的設(shè)計(jì)上大膽創(chuàng)新，仍然使用單筒式鋼筋混凝土煙囪，并針對(duì)性地對(duì)常規(guī)筒身及牛腿構(gòu)造進(jìn)行局部修改，重點(diǎn)加強(qiáng)抗?jié)B防水，確保煙囪筒身不出現(xiàn)滲漏，保證外表美觀；同時(shí)，不會(huì)使筒身內(nèi)部的正壓濕煙氣對(duì)混凝土筒壁產(chǎn)生交替式腐蝕，確保整體筒身能夠滿足使用要求。

2 煙囪結(jié)構(gòu)防腐優(yōu)化

(1)外筒壁選C40抗?jié)B混凝土配比，抗?jié)B等級(jí)P8，混凝土保護(hù)層厚度增大至50 mm。

(2)通過(guò)計(jì)算筒身結(jié)構(gòu)在溫度作用下的相關(guān)參數(shù)，取消以往筒身內(nèi)襯中間隔熱保溫層。

(3)取消常規(guī)設(shè)置在標(biāo)高10 m左右的積灰平臺(tái)，讓脫硫水直接排至煙囪底部地面，然后通過(guò)筒身0 m環(huán)形地溝底部接排水管排到筒外廢水池。

(4)筒壁內(nèi)側(cè)表面進(jìn)行整平打磨，徹底處理外表缺陷后用二布五涂OM牌復(fù)合樹脂玻璃鋼涂層作防腐抗?jié)B層，保護(hù)混凝土筒壁不受侵蝕，防腐層厚度為1 200～1 500 μm。要求濕膜厚度大于1 500 μm。

(5)翻模水平施工縫增加一布二涂玻璃鋼涂層予以加強(qiáng)。

(6)對(duì)拉螺栓孔用膨脹水泥石棉塞堵和硅橡膠封孔。

(7)磚內(nèi)襯保留但改為憎水型耐酸陶土磚，用鉀水玻璃耐酸膠泥砌筑、勾縫。

新型抗?jié)B防腐型煙囪構(gòu)造設(shè)計(jì)與普通未脫硫常規(guī)煙囪設(shè)計(jì)分別如圖3、圖4所示。未脫硫常規(guī)煙囪因煙氣溫度高，內(nèi)襯有保溫隔熱層，脫硫改造后，保溫隔熱層反而容易積聚凝結(jié)酸液，使其從混凝土筒身的施工縫和未填充的模板對(duì)拉螺栓孔中滲出，這是各運(yùn)行燃煤電廠單筒混凝土煙囪經(jīng)常出現(xiàn)滲漏的主要原因[4]。

圖3 新型防腐抗?jié)B煙囪構(gòu)造

3 施工要點(diǎn)及驗(yàn)收

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)筒身施工縫和內(nèi)襯砌筑以及牛腿處滲漏問(wèn)題，對(duì)該工程設(shè)計(jì)和施工重點(diǎn)要求：混凝土筒身內(nèi)壁平整，筒身含水率小于6%，拆模后打磨整平，刷界面劑；隨后由下至上對(duì)施工縫做加強(qiáng)防腐層，整體按設(shè)計(jì)要求做二布五涂防腐層，防腐材料生產(chǎn)單位全程指導(dǎo)施工；整體筒身防腐層施工完成后，由建設(shè)單位、監(jiān)理單位組織驗(yàn)收，合格后方可進(jìn)行耐酸磚的砌筑；采用帶企口憎水耐酸磚，針對(duì)以往磚縫飽滿度不夠的情況，要求施工中鋪抹膠泥要飽滿并勾縫，尤其是每層磚的企口銜接處膠泥填充飽滿，確保砌體膠泥豎縫黏接密閉嚴(yán)實(shí)。該工程于2013年6月開始防腐改造及內(nèi)襯砌筑，10月完工，驗(yàn)收全部合格，于2014年年底投入使用。

圖4 普通防腐抗?jié)B煙囪構(gòu)造

牛腿用硅橡膠和聚四氟乙烯布逐個(gè)進(jìn)行封閉，聚四氟乙烯布上邊嵌入磚灰縫內(nèi)，用硅橡膠粘結(jié)，下邊用316L耐酸不銹鋼壓條固定，使牛腿繼續(xù)保持支承耐酸磚砌體的同時(shí)，仍具有砌體豎向溫度區(qū)段的柔性分隔作用。

4 項(xiàng)目?jī)?yōu)化的經(jīng)濟(jì)性

該項(xiàng)目的布置設(shè)計(jì)及筒身、牛腿等構(gòu)造已經(jīng)獲多項(xiàng)國(guó)家專利，國(guó)內(nèi)外查新檢索表明：項(xiàng)目整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[5]。現(xiàn)對(duì)新、舊兩種設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較(以山西國(guó)錦煤電有限公司煙囪高210 m、出口7 m的工程量為例)，見(jiàn)表2。

由表2可知，煙囪構(gòu)造經(jīng)優(yōu)化后凈增加費(fèi)用84.8萬(wàn)元。按照2013年市場(chǎng)行情，該項(xiàng)目防腐及內(nèi)襯砌筑總價(jià)實(shí)際為878萬(wàn)元，當(dāng)時(shí)同類煙囪內(nèi)襯按照復(fù)合鈦鋼板設(shè)計(jì)約需2 000萬(wàn)元，玻化陶瓷磚+進(jìn)口膠內(nèi)襯約需1 400萬(wàn)元，采用優(yōu)化的新型構(gòu)造后，分別可節(jié)省1 122萬(wàn)元及522萬(wàn)元。

表2 新、舊設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

5 結(jié)論

經(jīng)防腐優(yōu)化后的山西國(guó)錦煤電有限公司單筒鋼筋混凝土煙囪已安全運(yùn)行了3年多，經(jīng)歷了3個(gè)冬季，未出現(xiàn)任何滲漏。2017年7月11日停爐后，中國(guó)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)組織專家組進(jìn)行實(shí)地考察和會(huì)議討論評(píng)審，并經(jīng)山西省建筑科學(xué)研究院對(duì)煙囪進(jìn)行了全面檢測(cè)，鑒定意見(jiàn)：該項(xiàng)目研究成果內(nèi)容翔實(shí)，創(chuàng)新性強(qiáng)，與目前套筒式和多管式煙囪相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、施工方便、占地少、投資低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該項(xiàng)目研究成果可為燃煤電廠濕法脫硫環(huán)境條件下的單筒式鋼筋混凝土煙囪的國(guó)際及國(guó)內(nèi)工程提供借鑒，并可為現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)修編提供參考，在嚴(yán)格控制材料采購(gòu)、施工過(guò)程、順序驗(yàn)收且確保質(zhì)量的基礎(chǔ)上，可以推廣應(yīng)用。

[1]賈軍剛.濕法脫硫后單筒鋼筋混凝土煙囪防腐淺析[C]//中國(guó)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)土水技術(shù)交流會(huì)論文集，2017.

[2]天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院.腐蝕與防護(hù)手冊(cè)：第1卷[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3]煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50051—2013[S].

[4]國(guó)家煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范組.山西院燃煤電廠濕煙囪運(yùn)行調(diào)研報(bào)告[R].北京：國(guó)家煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范組，2015.

[5]科技鑒定2017第[02]號(hào).中國(guó)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書[Z].