耐酸襯里施工中砌體開(kāi)裂成因探討

陳 芳

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司 化工環(huán)保事業(yè)部， 北京 100038)

耐酸襯里施工中砌體開(kāi)裂成因探討

陳 芳

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司 化工環(huán)保事業(yè)部， 北京 100038)

目前國(guó)內(nèi)硫酸干吸塔多為鋼殼內(nèi)襯防腐襯里的填料塔，防腐襯里的質(zhì)量直接影響干吸塔的使用及其壽命，本文通過(guò)對(duì)可能影響襯層質(zhì)量的因素分析，探討耐酸磚襯砌中膠泥縫開(kāi)裂的部分原因。

干吸塔；砌體裂縫；誘發(fā)成因

0 引言

無(wú)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(shè)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(zhì)為SO2、SO3和93%以上的濃硫酸，系統(tǒng)投產(chǎn)后操作溫度一般均大于60 ℃。為了防止酸對(duì)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(jiàn)防腐襯里的質(zhì)量將直接影響干吸塔的使用及其壽命。防腐襯里最常出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題為膠泥(或瓷磚)產(chǎn)生裂縫。裂縫一旦產(chǎn)生將導(dǎo)致酸的泄漏，造成鋼殼腐蝕。本文將根據(jù)工程中出現(xiàn)的問(wèn)題著重探討施工階段造成干吸塔內(nèi)襯形成裂縫的部分原因及如何預(yù)防。

1 工程中出現(xiàn)的問(wèn)題

2008年中國(guó)恩菲公司承接了一個(gè)硫磺制酸廠的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，建設(shè)地點(diǎn)在南半球赤道附近，當(dāng)?shù)貧庀髼l件為高溫、高濕、且日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，晝夜溫差大。

項(xiàng)目中所選用的干吸塔形式見(jiàn)圖1，塔內(nèi)襯采用鋼殼內(nèi)襯隔離層再襯砌耐酸瓷磚的形式，此種塔結(jié)構(gòu)為成熟設(shè)計(jì)，并在多個(gè)項(xiàng)目中施工、運(yùn)行均無(wú)問(wèn)題反饋。

圖1 干吸塔外形圖

但在此項(xiàng)目中，塔體在耐酸瓷磚襯砌完成準(zhǔn)備進(jìn)行酸化處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)人孔、進(jìn)酸口處耐酸瓷磚磚縫膠泥開(kāi)裂，襯里出現(xiàn)了連續(xù)的延展性裂紋，如圖2所示，黑色線表示裂縫的位置和長(zhǎng)度。

圖2 裂紋示意圖

2 可能誘發(fā)砌體裂縫的因素

針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，業(yè)主組織設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等進(jìn)行了多次研究，并從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了分析：

2.1 鋼殼體的設(shè)計(jì)、制造原因

(1)鋼殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷：殼體強(qiáng)度滿足要求，但剛度可能不夠，隨內(nèi)襯重量增加，殼體易產(chǎn)生變形，擠壓內(nèi)襯磚體隨之變形導(dǎo)致開(kāi)裂。另外殼體上的開(kāi)孔部位未設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)板。

經(jīng)計(jì)算，殼體的的強(qiáng)度、剛度均滿足要求，開(kāi)孔處雖未設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)板，接管自身的有效補(bǔ)強(qiáng)已滿足強(qiáng)度要求，相同結(jié)構(gòu)及規(guī)格的設(shè)備在其它工程中使用，施工、運(yùn)行階段砌體均未出現(xiàn)裂縫。且在隨后的修復(fù)過(guò)程中，按業(yè)主要求在鋼殼體上加設(shè)了如圖3所示的加強(qiáng)圈，人孔及進(jìn)酸口處也增加了補(bǔ)強(qiáng)板，但再次襯砌后依然在大致相同部位出現(xiàn)磚縫開(kāi)裂現(xiàn)象，由此可見(jiàn)，裂縫的出現(xiàn)與鋼殼體的強(qiáng)度、剛度無(wú)關(guān)。

(2)焊接應(yīng)力造成殼體變形：在鋼殼體制造過(guò)程中，因焊接工藝編排不合理，會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，應(yīng)力釋放使殼體產(chǎn)生焊接變形(這種情況同工程儲(chǔ)酸罐的焊接中曾出現(xiàn)過(guò))，從而影響磚體，導(dǎo)致磚體開(kāi)裂；

但砌體施工是在整個(gè)鋼殼體完工接近3個(gè)月后才開(kāi)始進(jìn)行，焊接應(yīng)力引起的變形應(yīng)該在焊后冷卻過(guò)程中已有效釋放，襯里施工期間及完成后并沒(méi)有在鋼殼體上實(shí)施過(guò)高溫作業(yè)，因此，殘余焊接應(yīng)力引起變形導(dǎo)致磚縫開(kāi)裂也應(yīng)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(shù)性能應(yīng)滿足《建筑防腐蝕工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50212相關(guān)規(guī)定。其中鉀水玻璃作為粘結(jié)劑模數(shù)和比重是兩個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，比重過(guò)大或過(guò)小均會(huì)影響耐酸膠泥的強(qiáng)度、耐酸性、抗?jié)B性和收縮性；模數(shù)過(guò)低，會(huì)延緩耐酸膠泥的硬化時(shí)間，耐酸性也差，模數(shù)過(guò)高，會(huì)使耐酸膠泥硬化過(guò)快，特別在氣溫較高時(shí)更為顯著，以致造成施工困難，影響施工質(zhì)量。而耐酸度、含水率、粒度是衡量粉料的技術(shù)指標(biāo)，其中含水率和粒度將影響耐酸膠泥的強(qiáng)度。

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，原料中鉀水玻璃的模數(shù)為3.49，大于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的不應(yīng)大于5%。

由以上檢測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，粉料粒度超標(biāo)，將降低膠泥的強(qiáng)度；水玻璃模數(shù)過(guò)大，如施工時(shí)不加以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，將增加施工難度，易降低與耐酸瓷磚的粘結(jié)強(qiáng)度，形成收縮微裂紋，影響質(zhì)量，降低膠泥的強(qiáng)度。在一定條件下易造成膠泥開(kāi)裂。

(2)材料的運(yùn)輸儲(chǔ)存：水玻璃主要成份是水玻璃,由于它能與空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)生成不溶于水的硅酸,所以要密封保存。生產(chǎn)后保質(zhì)期約為一年，若超過(guò)保質(zhì)期對(duì)膠泥質(zhì)量將會(huì)產(chǎn)生很大影響。KPI粉料的運(yùn)輸儲(chǔ)存，要求防潮、防雨淋，儲(chǔ)存于干燥通風(fēng)處，否則會(huì)影響膠泥質(zhì)量。而設(shè)備建設(shè)地點(diǎn)地處國(guó)外，原料需經(jīng)海上長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸，且施工現(xiàn)場(chǎng)屬于高濕氣候，無(wú)法保證干燥通風(fēng)，因此粉料很難保證的含水率不應(yīng)大于0.5%的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 施工原因

施工過(guò)程是否嚴(yán)格按HGJ229—91的要求進(jìn)行；特別是以下幾點(diǎn)，如控制不當(dāng)將降低膠泥的強(qiáng)度：

(1)水玻璃的模數(shù)是否調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)值，調(diào)整后密度是否保持合格。調(diào)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(duì)含水率進(jìn)行測(cè)試，如含水率超標(biāo)是否在適當(dāng)?shù)臏囟认潞娓珊笤偈褂茫?/p>

(3)按照國(guó)標(biāo)規(guī)定鉀水玻璃與KPI粉料的比例是一定的，但由于施工現(xiàn)場(chǎng)溫度較高，膠泥的初凝時(shí)間較短，給施工帶來(lái)困難。施工方是否采取正確的方法調(diào)整初凝時(shí)間，而不是簡(jiǎn)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(jìn)行預(yù)排，砌筑順序是否正確，以防止磚縫累積。每天所砌圈數(shù)是否不超過(guò)規(guī)定值；

(5)塔壁上接管內(nèi)的磚是否按標(biāo)準(zhǔn)要求先行砌筑，從而減小交叉部位的應(yīng)力集中；

(6)磚縫是否按設(shè)計(jì)要求控制，若磚縫過(guò)寬，膠泥收縮大，易造成微裂紋。另外，設(shè)計(jì)所使用的膠泥縫是針對(duì)鉀水玻璃膠泥設(shè)定的，目前有些KPI生產(chǎn)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(dǎo)致設(shè)計(jì)所給出的膠泥縫已經(jīng)偏大；

(7)KPI膠泥與水泥不同，它屬于“氣固性”材料?，F(xiàn)場(chǎng)相對(duì)濕度大于80%，施工時(shí)是否采取除濕措施，特別是養(yǎng)護(hù)期間，由于膠泥中有未參與反應(yīng)的游離水玻璃，因此它的抗?jié)B性差，當(dāng)水滲入時(shí)，會(huì)將游離水玻璃溶解，使膠泥內(nèi)部可溶性成分溶出，使其結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度大幅度降低；

2.4 外力影響因素

砌體施工完成后沒(méi)有在外部鋼殼上進(jìn)行動(dòng)火、敲擊等作業(yè)；設(shè)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(shè)備管口部位產(chǎn)生應(yīng)力，并超過(guò)設(shè)備鋼殼的強(qiáng)度和剛度時(shí)，造成設(shè)備局部變形導(dǎo)致砌體開(kāi)裂也應(yīng)排除。

2.5 溫差變形因素

由于日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)、早晚溫差大，該項(xiàng)目設(shè)備表面最高溫度超過(guò)55 ℃，晝夜溫差超過(guò)30 ℃。按此溫差計(jì)算，開(kāi)裂部位(按裂縫處到設(shè)備底部高度12 346 mm計(jì)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(nèi)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(zhì)的熱膨脹系數(shù)不同，設(shè)計(jì)圖中所有砌體與鋼殼體相關(guān)部位均設(shè)置了3 mm厚的青石棉板隔離層，但在施工中，人孔及進(jìn)酸口內(nèi)的隔離層被取消，將耐酸瓷磚直接襯砌在鋼接管上。

當(dāng)熱脹冷縮變形時(shí)，管口鋼管標(biāo)高隨鋼殼體軸向伸縮產(chǎn)生位移，而鋼管內(nèi)襯瓷磚形成的“瓷管”由于與筒體砌體砌筑為一個(gè)整體，所以應(yīng)隨其伸縮位移，兩個(gè)部件由于熱膨脹系數(shù)不同位移量不同。經(jīng)過(guò)上述改動(dòng)，由于與鋼管與“瓷管”之間無(wú)間隙，變形差無(wú)法消化，形成應(yīng)力作用在“瓷管”上。此時(shí) “瓷管”相當(dāng)于受均布載荷懸臂梁，對(duì)與之連接的筒體砌體施加拉(壓)應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的允許應(yīng)力時(shí)即發(fā)生破壞，破壞往往發(fā)生在薄弱處。

3 結(jié)論

從以上分析可以看出，原材料質(zhì)量、施工質(zhì)量及溫差應(yīng)力是導(dǎo)致膠泥縫開(kāi)裂的三個(gè)原因。根據(jù)以往工程的經(jīng)驗(yàn)，同規(guī)格、結(jié)構(gòu)的設(shè)備在地處沙漠的埃及施工時(shí)，并未出現(xiàn)膠泥縫開(kāi)裂的現(xiàn)象，因而可以得出結(jié)論：原材料質(zhì)量、施工質(zhì)量這兩項(xiàng)是砌體是否會(huì)開(kāi)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(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作。

TQ111.1

B

1003-8884(2015)05-0026-03