摘 要 针对硝铵造粒塔在运行中出现的腐蚀情况,介绍了外壁混凝土裂缝灌浆、筒壁内部防腐、操作室隔墙的更换及防腐、混凝土及钢结构的防腐和排水系统的改造等防腐技术及措施,实施效果良好。
关键词 硝铵造粒塔 防腐材料 建筑防腐 压力灌浆 玻璃钢
鄂西化工厂硝铵造粒塔建于70年代中期,该塔在建造时由于受到当时条件的限制及施工上的原因,在交付使用时即产生了一些问题(如筒壁出现裂缝),且施工时部分防腐措施未能落实,使其投入使用后不能完全满足防腐要求。自1979年以来,造粒塔腐蚀问题日趋严重,先后对造粒塔进行了多次大中修,防腐工作一度曾处于被动局面。经认真分析比较和大量试验研究,并借鉴兄弟厂家的部分成功经验,在长期实践的基础上逐步总结出了一套比较完整的造粒塔防腐技术,较好地控制了造粒塔的腐蚀态势,保证了生产的正常进行。
1 硝酸铵对混凝土的腐蚀机理
一般混疑土由占体积15%~25%的水泥石和65%~75%的集料颗粒组成,孔隙占10%。起胶结作用的水泥石(即水泥水化产物)对混凝土的性能起决定作用。普通混凝土中水泥石的主要矿物组: 3cao•2sio2•3h2o,ca(oh)2,3cao•al2o3•caso4•12h2o,4cao•al2o3•13h2o,6cao•al2o3•fe2o3•12h2o。其中对强度起关键作用的是水化硅酸钙(即3cao•2sio2•3h2o,式中的比例为近似值)。当水泥完全水化时,水化硅酸钙约占水泥石体积的50%,ca(oh)2占25%。在水泥石中, ca(oh)2是最具化学活性的物质且微溶于水,而其他矿物几乎不溶于水。将磨细的水泥石粉投入硝铵溶液,略加搅拌,可感受到氨气的释放,熟石灰则更为明显,证实有以下反应发生:2nh4no3+ca(oh)2ca(no3)2+2h2o+2nh3↑当然,由于硝酸铵是典型的强酸弱碱盐,溶液中的h+与ca(oh)2电离产生的oh-也必然会发生以下反应:h++oh-h2o实际上,在正常情况下,水泥石中的水化硅酸钙与ca(oh)2维持着一定平衡,当ca(oh)2参与反应被消耗后,水泥硅酸钙不断地降解[即析出ca(oh)2],最终变成毫无强度的水化二氧化硅。这就是硝酸铵对混凝土腐蚀破坏的主要机理。水化硅酸钙完全降解的化学反应如下:3cao•2sio2•3h2o+2nh2o3ca(oh)2+2(sio2•nh2o)因为混凝土中存在着大量的孔隙,使硝铵溶液能够渗透到混凝土内部并与之反应,这是混凝土能够较快地受到硝铵腐蚀的主要原因。
2 防腐蚀材料的选择及性能研究
2.1 环氧类材料
造粒筒体内壁(9.710~40.000 m部分),1981年采用十二布环氧玻璃钢防腐,从近20年的使用情况来看,除下塔圈梁部位因为外力作用等因素受到破坏外,其他部分情况基本完好,玻璃钢的材质也未发生太大变化,说明环氧类材料
对硝铵耐腐蚀性较好。1996年造粒塔外壁裂缝灌浆采用的ec灌浆液,其主要成分也是e54环氧树脂,表2是该材料对硝铵耐蚀试验结果。环氧树脂的一个突出优点是与基材粘接力强,力学性能也比较好,采用新型固化剂(如t31等)基本可解决潮湿基层固化及施工毒性的问题,其缺点是柔韧性还不够好。
2.2 钾水玻璃类材料
国内钾水玻璃类材料主要有kpi胶泥、砂浆和混凝土等。该类材料具有很好的耐酸性和耐高温性。我们应用在强腐蚀部位的kpi材料,使用3~5年,材质基本未发生变化,说明这类材料对
于硝铵也具有较好的耐腐蚀性。钾水玻璃类材料的优点是抹灰或修补后可独立防腐,缺点是施工要求高(要求基层干燥、抹灰技术要求高、施工期内不能遇水),工序多(表面要进行多次酸处理),工期长(7~14天),施工不当往往达不到预期效果。但是对于严重腐蚀部位的处理(如混凝土修补、面层抹灰、铺砌耐酸砖板等)仍不失为一种好办法。
2.3 氯磺化聚乙烯类材料
造粒塔烟道筒壁采用四布氯磺化玻璃钢防腐,经10余年的使用,局部产生了变形,材质有些变脆,但基本没有破坏,说明氯磺化聚乙烯漆对硝铵的耐腐蚀性尚可。氯磺化聚乙烯漆漆膜具有一定的弹性,能较好地适应基层变形,但对基层的附着力不及环氧类材料,特别是当基层表面油脂未除尽或不完全干燥时,漆膜几乎完全没有粘接力,这方面有过施工失败的教训。
2.4 聚合物改性水泥砂浆和混凝土
硝铵能够较快地腐蚀破坏混凝土的原因是因为后者存在着太多的孔隙(特别是毛细孔)。在混
凝土配比中加入了聚合物乳液后,其孔隙率下降,孔隙形态得到很好的改善,吸水率明显下降[2]。1996年造粒塔大修中,外壁混凝土大面积修补时采用了ma系列(其主要成分是特种合成甲基丙烯酸酯类共聚乳液)聚合物改性水泥砂浆和混凝土,至今基本完好。ma水泥改性剂的掺量一般为水泥重量的15%~30%。当掺量为20%时, ma改性混凝土的耐硝铵腐蚀性如表3所示。与表1的对比结果表明,加入适当的聚合物能使混凝土耐硝铵腐蚀性有很大提高。聚合改性水泥砂浆和混凝土的最大优点是与普通砂浆和混凝土基层的材性差异最小,但总的来说,这类材料更适合于修补。对于大面积的强腐蚀部位采用此类材料修补后再做防腐较为经济。1984年铺砌在塔内地坪的耐腐砖板和塔外地坪的花岗岩石材至今材质均未发生明显变化,说明这类材料完全耐硝铵腐蚀,其工程质量主要取决于座浆、勾缝材料的性能和施工质量。我们在硝铵防腐中使用比较成功的材料还有ipn涂料、70iii带锈底漆、6202结构胶、除油除锈剂等。
3 混凝土和钢结构的一般防腐技术及排水装置的改造
3.1 混凝土
如混凝土已受到腐蚀,其施工要点是必须完全剔除含有硝铵的混凝土,再涂环氧煤焦油界面剂,然后再进行防腐处理。若腐坏混凝土清理不彻底,吸水或硝铵溶液后会继续膨胀,一旦胀裂,即告防腐失败。造粒塔混凝土防腐主要措施如下:
(1)标高9.710~40.000 m筒壁内部:环氧玻璃钢(十二布)防腐,使用寿命已超过17年,基本完好。
(2)烟道筒壁:氯磺化聚乙烯玻璃钢(五布)防腐,使用寿命超过10年,效果尚可。仅在1998年
作了一些局部维修。
(3)标高7.610 mm以下混凝土框架及墙面:环氧玻璃钢(四布)防腐。
(4)标高63.000 mm以上梁柱及顶盖:大部分采用“环氧煤焦油界面剂—7 mmkpi砂浆—ipn涂料罩面”防腐,kpi材料因施工期遇阴雨及仰面部位难以彻底酸处理,故增加了ipn涂料罩
面。
(5)筒体外壁:腐蚀部分采用6~10 mmma砂浆修补兼防腐。未防腐的大部分区域有继续缓慢碳化和腐蚀的趋势。
(6)操作室内筒壁:氯磺化涂料或ipn涂料防腐,使用寿命达10年以上,1998年作了局部修理并翻新。
3.2 钢结构
钢结构的主要防腐措施为:
(1)钢漏斗。环氧涂料或ipn涂料防腐,常规维修周期为5~10年。
(2)操作室地坪钢结构。钢楼板底及钢梁底部采用环氧玻璃钢,使用寿命已超过14年,基本完好,钢楼板面六、七层为环氧玻璃钢,因人员走动频繁及有时重物冲击,使用寿命相对较短。五层地面1984年为环氧胶泥砌耐酸板, 1998年翻修为kpi胶泥砌花岗岩板。
(3)塔顶钢结构。70-iii防锈底漆及环氧树脂漆防腐。
3.3 排水装置的改造
顶塔及六层排水装置原采用挑出落水管排水,但随着风向的变化,溶解有硝铵的水经常会飘洒在筒壁,引起混凝土腐蚀。故将落水管沿塔外壁引伸至塔下。五层排水装置如发生设备故障,有可能造成大量浓硝铵溶液溢出。硝铵在80℃时的溶解度为580,当溶液温度下降为25℃时,硝铵的溶解度骤降至217[3],立即有大量的硝铵晶体析出,排水时迅速堵塞管道,一旦堵塞即很难疏通。解决这一问题的办法主要是落水口以下的落水管缩短节长,增加节头,以方便疏通检修。
4 造粒塔外壁混凝土裂缝灌浆技术
造粒塔先后出现了大量裂缝。1996年检查统计,宽度在0.1 mm以上的裂缝有180多条,总长已达约750 m[4],其中宽度1 mm以上的裂缝约380 m。最宽的裂缝竟达5~10 mm,纵向分布于局部硝铵腐蚀严重、卵石裸露的区域。宽大裂缝纵向多于环向(基本没有斜向),无规则分布。已严重危害塔体的结构安全,经研究后采取了压力灌浆的措施予以修补。
4.1 方案设计及灌浆材料的选择
考虑到结构规范上许可的裂缝宽度及施工工期很紧,宽度0.2 mm以下的裂缝采用6202胶泥封闭,宽度大于0.2 mm的则进行灌浆。根据环氧类和聚氨酯类的性能试验和综合比较,灌浆材料
选用属环氧类的ec灌浆液。
4.2 高空作业装置
采用两只分别由2 t卷扬机牵引的施工吊篮。钢丝绳上部固定安装在塔顶(原钢结构上焊接悬挑的18#槽钢)。按环向进行分段施工。
4.3 灌浆工艺
(1)清理裂缝:清除缝口松脆混凝土和浮灰,压力水冲洗。
(2)埋设灌浆嘴:垂直裂缝自底端起钻孔埋设灌浆嘴, 6202结构粘接固定。
(3)封闭裂缝:6202结构胶骑缝反复刮实,同时封闭周围砂眼及分枝裂缝。
(4)吹气试压,补封漏气部位。
(5)灌浆:配制灌浆液注入灌浆器。由空压机供压0.2 mpa,自底端(水平裂缝为任意一端)灌浆嘴起进行灌浆。一般以邻位灌浆嘴溢出灌浆液后停止灌浆并封闭该灌浆嘴,依次进行以下灌浆。
(6)拆嘴,修平灌浆口。
5 造粒塔筒壁内部的防腐技术
造粒塔外壁标高40.000~37.500 m区域一度出现大面积硝铵返潮区,环向约占周长的1/3,高1~2.5 m不等,该区域混凝土表面疏松,强度很低。1996年大修时,打开四层操作室地面不锈钢板检查发现,内壁原有玻璃钢尚完好,但局部空鼓。切除38.000~40.200 m原玻璃钢后,清除了原10 mm厚的已布满龟裂纹及大面积空鼓的砂浆粉刷层,进而发现钢牛腿附近及约39.500 m处的原施工缝周围大量混凝土腐坏变质,且混凝土筒壁有内外贯通裂缝[4]。防腐工艺及技术措施:
(1)清除腐坏混凝土,因考虑到钢牛腿附近结构安全,清除到50 mm深度为限。
(2)环氧底漆一道(t31作固化剂)。
(3) 20目的石英砂配制环氧砂浆补平凿除部位的混凝土。
(4)5 mm厚的环氧胶泥满批整个大面,以保
证对混凝土筒壁起到绝对封闭作用。
(5)做环氧玻璃钢(七布八涂二面)。对40.000 m附近区域的重点防腐成功地解决了外壁硝铵返潮问题,消除了结构上的又一重大隐患。
6 操作室隔墙的更换及防腐措施
造粒塔操作室隔墙原构造为靠室内一侧是3mm塑料板,烟道一侧是手糊环氧玻璃钢,墙体木格栅间隙内填充矿棉保温材料,建厂至今总的使用情况比较好。但经长期使用,部分材料(如塑料板)老化,个别地方钢结构明显变形,局部墙体毁坏, 1998年对两侧隔墙进行了整体更换。
6.1 方案设计及隔墙和防腐材料的选择
(1)钢结构重新除锈防腐(采用70-iii防锈漆+环氧树脂漆)。(2)采用烘干后浸泡ipn涂料的
落叶松木作木格栅, ipn涂料的作用是防腐并封闭木材毛细孔。(3)取消原矿棉保温材料。(4)烟道内侧做2 mm铝板(y2铝),室内一侧做塑料板5 mm层压硬质pvc板)。
6.2 脚手架及高空作业装置
由于该工程工序繁杂,技术要求高,高空作业工程量大,为保证隔墙两侧同时施工及烟道内工程质量的检查和整改,实际施工时室内搭设脚手架,烟道则采用钢丝绳爬升葫芦牵引的施工吊篮(吊篮的外形根据烟道形状设计,在7.610 m处焊接拼装。)
6.3 安装铝板及塑料板的施工技术要点
(1)详细测量隔墙实际尺寸并在塔下完成铝板裁切、折边等准备工作。
(2)安装铝板。首先在木格栅上安装5×50铝排,然后安装铝板,使铝板拼缝位于铝排中央,在铝排上满批6202粘接剂,用木螺丝@400固定铝板,尾部防腐。铝板拼缝的密封措施: 6202粘接剂在安装后自然压实,起粘接和密封作用。铝板边界与筒壁的密封措施:铝板折边用6202粘接剂粘接在筒壁上,外面再骑缝做450mm宽玻璃钢。
(3)安装塑料板。为保证塑料板板面平整,采用点安装法。首先拉线安装50×50@400垫块,后将塑板安装在垫块上,仍用木螺丝固定,尾部防腐。塑料板拼缝在安装前刨出坡口,安装后用
塑料焊条焊接。塑料板与筒壁及地坪连接处分别采用玻璃钢和环氧胶泥砌耐酸板踢脚线封闭。
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