裝配式六邊形污水處理裝備結構的應用研究

楊永紅，劉悅敏，仇卓濤

（廣東省機械研究所有限公司，廣州 510799）

0 引言

近年來，改革開放政策的實施推動了城市經濟建設的發展，各轄區規模不斷擴大。然而，人口的迅速增加、工業的快速興起導致城市排污規模的進一步擴大，許多城鎮地區現存的污水處理設施規模和數量已無法滿足轄區及周邊村鎮的需求，嚴重制約了城鎮建設的發展［1］。針對上述情況，提標擴容污水處理廠勢在必行。

隨著建筑工程技術的發展，新型裝配式技術在市政工程建設中得到廣泛應用［2-3］。相比于傳統的建筑方法，裝配式技術具有項目工期較短、勞動力成本較低、環境影響較小等優勢［4］。隨著近年來相關政策的出臺，各地加快污水處理設施的建設，更多的污水處理廠開始應用效率更高、成本更低的裝配式污水處理裝備［5］。國內外對裝配式污水處理裝備的實際應用做了一定的研究。例如，在某污水處理廠建設中使用預制裝配式結構優化現場施工流程，在降低成本、顯著降低工程難度的同時也確保了施工的質量和安全［6-8］；某生物反應池應用定型化的裝配式型鋼替代傳統混凝土作為支撐結構，具有可重復利用，普適性強等優點［9］；成都市某水務局利用裝配式污水處理設備工藝，在有限的占地面積和時間內完成了高度智能化、模塊化、集成化應急污水處理廠的建設工作［10］；武漢市某鄉鎮生活污水處理廠的建設過程中采用了裝配式建造工藝，解決了該項目工期緊、勞動力成本過高、效率低下等問題。

目前大多裝配式污水處理廠采用的是混凝土預制方式，然而，預制混凝土存在安裝笨重、連接處易出現漏水等弊端。鋼構因其體積小、強度高、防腐好等優越性能在裝配式建造工程中有廣泛的應用［11］。鋼構通過加工改造還可以進一步提升其性能。例如，蜂窩構件具有承載力高、抗彎剛度大和方便穿越管線等優點［12-13］；波紋腹板H型鋼將平腹板改為波紋腹板，從而能夠以較薄的腹板厚度，獲得較大的平面外剛度及較高的抗剪切屈曲承載能力［14］；熱浸鍍鋅處理可在鋼材表面形成鍍鋅膜，對內部鋼材形成強力保護，有助于提高鋼結構整體加工質量和結構使用壽命［15-16］；聚脲噴涂技術應用在鋼構中可以達到很好的封水、防腐效果［17-18］。盡管裝配式鋼構在其它建筑工程上有大量的研究和應用，但鮮有關于污水處理廠裝配式設備結構研究的報道。

本研究將從裝配式污水處理廠結構形式、連接鋼板折板方式和防腐3 個方面分析基于六邊形裝配式結構在污水處理廠中的優勢：（1）基于等邊長不同組合，研究裝配式廢水設備的最佳連接結構；（2）通過等質量、同強度折板有限元受力分析，分析設備墻板最佳折板方式；（3）基于多種防腐工藝，探究提升鋼構使用壽命的組合防腐工藝。

1 模塊化裝配式污水處理裝備

1.1 六邊形蜂窩形狀結構分析

1.1.1 污水處理廠設計需求

假設某污水處理廠采用A2O 處理工藝，其生化處理單元進一步分為厭氧單元、缺氧單元、好氧單元和沉淀單元共4 個單元模塊，每個單元模塊至少需要1 個相對獨立的分格。

1.1.2 構筑物容積分析

（1）假定構筑物水平截面的總邊長為10 m，水處理模塊僅由1 個構筑物組成。圍成正方形的占地面積計算S1正方形＝6.25 m2，圍成圓形占地面積計算S1圓形＝7.96 m2，圍成六邊形占地面積計算S1六邊形＝7.22 m2。

（2）假定構筑物水平截面的總邊長為10 m，水處理模塊由不低于4 個構筑物組成（圖1）。圍成正方形的占地面積計算S2正方形＝2.78 m2，圍成圓形占地面積計算S2圓形＝1.98 m2（π 為圓周率），圍成六邊形占地面積計算S2六邊形＝2.88 m2。

圖1 六邊形蜂窩形狀結構

上述分析結果表明，當水處理模塊僅由1 個構筑物組成時，相等周長下模塊容積由大到小依次為：圓形、六邊形、正方形。而當水處理模塊由多個構筑物（大于或等于4）組成時，相等周長下模塊容積由大到小依次為：六邊形、正方形、圓形。因此相比于正方形和圓形，在使用等量材料，并且構筑物模塊較多的情況下，構筑物水平截面為六邊形所組成的水處理模塊的容積更大。

1.2 構筑物折板形式分析

污水處理構筑物主要用于盛裝污水，因此要求構筑物具有足夠的剛性以避免變形或坍塌。通常對鋼材進行一定的折板處理后，可以使鋼板獲得可靠的強度并具有最大寬幅的同時不影響構筑的美觀和使用性能。

項目研究選用等寬1 500 mm、高3 000 mm 的Q235鋼板，鋼板厚度4 mm，采用不同折板方式（圖2～3）折出等寬的折板，并且通過在各鋼板相同部位施加相同的力，查看各塊折板的變形量，從而判斷折板的強度。

圖2 彩瓦折板

圖3 波紋折板

本文選用標準鋼板（寬1 500 mm）進行加工，共10塊鋼板被分別加工成彩瓦折板（6 種規格）、波紋折板（4 種規格），測試在外部載荷為30 000 N／m2的條件下進行。墻板折彎深度越大，折彎間距平等抗壓能力越好。從表1 的數據可知，規格深度為65 mm、L158 ＋L158 mm的彩瓦板結構強度最好。這些結果表明，采用等邊的折板工藝的墻板，折板的深度越深，墻板的強度越高。此外，折板的深度決定折彎后的板的寬度。而當折板的形式確定時，板材的厚度對位移變形量影響較小。

表1 不同形式折板的SolidWorks水壓模型分析結果

1.3 裝配式鋼結構防腐研究

碳鋼材質的一體化裝備廣泛應用于污水處理領域，傳統的碳鋼防腐工藝有三油兩布或者五油三布等方式，布指的是玻璃纖維、無紡布等，油指的是環氧煤瀝青、環氧樹脂等。但傳統防腐工藝的防腐層韌性不足且容易脫落，通常壽命不超過10年。而使用熱浸鋅防腐工藝的鋼材防腐蝕年限通?？梢赃_到40年以上，大量實際應用案例證明了熱浸鋅防腐工藝優異的防腐性能，例如，二戰期間云南滇緬公路排水涵——1937年制造出廠（1942年安裝完成）的云南滇緬遠征軍公路采用熱鍍鋅鋼管作為排水涵洞，至今防腐性能依然較好，而該鋼管的熱鍍鋅層的雙面厚度僅有600 g／m2（圖4）。

圖4 云南滇緬遠征軍公路鋼板

同樣采用熱鍍鋅防腐工藝的德國耶拿市鋼波紋管廊（建于1945年），至今仍未出現任何肉眼可見腐蝕現象（圖5）。再如近期采用熱浸鋅防腐工藝的項目南京溧水區S246省道下排水涵洞（直徑4.0 m，建于2002年），熱鍍鋅層的雙面厚度只有1 200 g／m2，至今仍未觀察到管道腐蝕現象（圖6）。上述調研結果表明，碳鋼熱浸鋅防腐工藝具有防腐性能好、使用時間長等特點。

圖5 德國耶拿市鋼波紋管廊

圖6 南京溧水區S246省道下排水涵洞

圖8 裝配式結構三視圖

考慮到鋼材防腐的成本、外觀、使用環境等，相比于使用單一防腐涂層，使用多個防腐涂層的復合防腐工藝在鋼材防腐領域展現出顯著的優勢。復合防腐涂層通常分為底漆、中間漆和面漆三部分。底漆通常具有較強的附著力，使鋼材表面趨于平滑的同時具有較強的介質屏蔽效果，如熱浸鋅、聚氨酯等。中間漆作為復合防腐涂層的連接漆，需要起到增加涂層厚度、附著力強并且封閉性能好等效果，如聚氨酯、磷酸鋅等。面漆直接與多種腐蝕性介質接觸，因此其綜合防腐能力、耐熱性、低摩擦性均需要處于較高水平，并且需要起到一定的美觀裝飾作用。不同防腐材料的選擇應該根據鋼結構構件材質、現場環境條件、腐蝕材料的性質等條件來決定［19］。

1.4 模塊化裝配式結構的研究

目前我國乃至全球市政污水處理裝備大都是采用定制化設計模式。然而，根據可研報告進行方案比選和設計構筑物，需要花費大量的時間成本和人力成本進行結構設計。而采用模塊化的鋼結構裝配式的結構，可以快速的根據現場地形條件完成裝配構筑物布置，同時進行地勘基礎設計施工和裝配式的鋼結構加工，極大的縮短施工周期，且不易受到外界環境的影響。

模塊化裝配式鋼結構構筑物的核心解決要素是零部件的標準化、零部件少量化和滿足運輸。傳統的裝配式構筑需要采用立柱和連接板完成裝配零件的連接。本研究設計通過斜接連接板的方式，將裝配式的結構拆分成兩個零部件加工件，分別為連接板和連接法蘭面，其中連接法蘭面可以焊接在連接板上，構成一個整體部件，根據格局分格的需求和形狀可以拼裝出所需要的構筑。3塊連接法蘭面通過螺栓連接可以組合成一個三角形，形成一個三角型立柱，在立柱內部澆筑鋼砼，進而增加模塊化裝配式鋼結構強度?？紤]運輸需求，連接板部件最佳寬度尺寸為3.2 m 以內，長度6 m（最大可以做到17 m）。并且根據污水處理工藝容積負荷設計需求，上述模塊結構可以進一步擴大應用到大型的裝配結構中。

裝配式鋼結構應用熱浸鋅防腐工藝厚度應不小于1 200 g／m3（雙面合計），且內外兩面的每面鋅層厚度不小于84 μm，熱浸鋅防腐處理工藝采用完全浸沒在熱鍍鋅池子內部，鍍層無死角，保證鋼結構部件不存在防腐瑕疵，確保鋼結構每個角度鋅層的防腐厚度，熱浸鍍鋅鋼結構件，埋地后自行帶有陰極保護防腐方式，并且表面的氧化膜也起到非常好的防腐蝕作用，處理后用磷酸鋅做底漆，磷酸鋅以環氧樹脂、磷酸鋅、防銹顏填料、助劑和溶劑等配制而成環氧類油漆產品，是一種雙組份、高性能、化學固化環氧防銹底漆，同時與鍍鋅層具有優良的結合、附著性能，再配套丙烯酸聚氨酯面漆或水性瀝青涂裝，對鋼材進行深度強化防腐處理，確保裝備式鋼結構使用壽命媲美鋼砼結構或遠超鋼砼結構。

同時在裝備式鋼結構防腐工藝中采用聚脲防腐，聚脲涂料涂層連續、致密、無針孔、無接縫，一次成膜厚度大，因而使用該涂料的裝備在酸、堿、鹽、地下和海洋等惡劣環境條件下表現出優異的重防腐性能，近年來其逐漸在環保水處理裝備中有較多應用。

2 模塊化裝配式結構項目應用及分析

圖9 所示為湖南市某鎮200 t／d污水處理設施的建設項目，該污水處理設施采用六邊形的裝配式裝備結構。構筑物為六邊形柱裝體，水平橫截面邊長為1.02 m，高為3.6 m。構筑物采用熱浸鋅防腐工藝，鋅層厚度不小于1 200 g／m3（雙面合計），且內外兩面的每面鋅層厚度不小于84 μm，并使用磷酸鋅作為中間漆和丙烯酸聚氨酯作為面漆進行防腐保護。污水處理設施由14 個構筑物單元組成，不同構筑物單元使用立柱緊密連接，可根據后續項目處理廢水量變化調整污水處理設施中的構筑物單元個數。項目預計使用壽命超過30年，目前項目站點穩定運行。

圖9 湖南項目現場

3 結束語

本文研究了模塊化裝配式污水處理裝備在構筑物形狀結構、墻板結構以及防腐工藝上的相關應用，相比于傳統的方形結構，六邊形結構極大地提高了構筑物的土地利用率。等邊折板和熱浸鋅-磷酸鋅-丙烯酸聚氨酯復合防腐工藝保證了構筑物較高的強度和耐腐蝕性能。此外，使用立柱和法蘭連接各構筑物極大地提高了裝配式污水處理裝備的靈活性。本研究通過對污水處理裝備鋼構構筑物模塊化的研究，為日后水處理工藝構筑物零部件標準化提供科學參考，進而提高水處理設備產品質量，快速響應工程使用需求，降低成本。