化工建筑中鋼結(jié)構(gòu)防腐及防火策略淺析

丁泓予，周超

（天津市化工設(shè)計(jì)院，天津300193）

化工建筑中鋼結(jié)構(gòu)防腐及防火策略淺析

丁泓予，周超

（天津市化工設(shè)計(jì)院，天津300193）

化工建筑具有高火災(zāi)危險(xiǎn)性和高腐蝕性。輕鋼體系在化工建筑中應(yīng)用廣泛，如何有效的防火及防腐成為建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)的一道難關(guān)。本文梳理分析了國(guó)內(nèi)外一些具體的防腐防火工程做法，提出了未來一段時(shí)間尚待解決的技術(shù)難題。希望通過本文的拋磚引玉促進(jìn)化工建筑防火防腐工程技術(shù)的突破。

化工建筑；鋼結(jié)構(gòu)；防腐蝕；耐火保護(hù)；策略

鋼結(jié)構(gòu)作為繼木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之后的又一重要的結(jié)構(gòu)形式被廣泛用于大跨度空間設(shè)計(jì)和工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中。其具有自重輕、可塑性及韌性強(qiáng)、便于工業(yè)化大量生產(chǎn)等優(yōu)良的特性。目前，鋼結(jié)構(gòu)體系依靠施工速度快、造價(jià)適中的特點(diǎn)正逐漸成為最受工業(yè)建筑設(shè)計(jì)青睞的體系之一。

1　化工作業(yè)中火災(zāi)及腐蝕對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的危害

與民用建筑不同的是，化工行業(yè)在生產(chǎn)中產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)存在火災(zāi)危險(xiǎn)性、爆炸危險(xiǎn)及強(qiáng)烈的腐蝕性特征。鋼材的防腐蝕性及耐火性較差，應(yīng)用于化工建筑中就需要對(duì)鋼材進(jìn)行適宜的防腐蝕及耐火保護(hù)。

1.1腐蝕性危害

1.1.1鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性危害

石油化工產(chǎn)品在生產(chǎn)使用中，出現(xiàn)泄漏或揮發(fā)會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的酸堿性腐蝕。另外，在工藝反應(yīng)過程中也會(huì)釋放熱量，從而危害結(jié)構(gòu)的耐久性。

1.1.2防腐設(shè)計(jì)難點(diǎn)

防腐設(shè)計(jì)主要通過涂料涂刷于結(jié)構(gòu)表面以形成防護(hù)系統(tǒng)。因此，粘結(jié)性成為防腐優(yōu)劣的關(guān)鍵。影響涂膜粘結(jié)性因素包括：

涂刷漏洞引起的涂膜脫落，當(dāng)鋼材表面涂刷防腐涂料時(shí)會(huì)存在細(xì)小的縫隙和涂刷漏洞。在施工過程中，防腐材料涂刷漏洞很難杜絕。這些孔洞與潮濕空氣、酸霧等接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并依附在鋼材表面，伴隨溫度及潮濕的影響起泡、破碎，最終瓦解防腐體系。

潮濕空氣滲透引起有機(jī)漆膜吸水起脹。處于潮濕地區(qū)的建筑物，鋼結(jié)構(gòu)防腐處理如不做好除銹防潮，很容易在干濕交替溫度變化下引起涂膜變形。

因此，對(duì)鋼材的防腐保護(hù)策略需從以上幾個(gè)方面加強(qiáng)。

1.2火災(zāi)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的危害

鋼材雖屬于不燃材料，但耐火性較差?！捌胀ǖ吞间?50℃～300℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，500℃左右強(qiáng)度下降到常溫的1/2。一般火災(zāi)作用于鋼結(jié)構(gòu)，15min便能達(dá)到500℃的高溫?！被馂?zāi)作用時(shí)間很短就能使鋼結(jié)構(gòu)體系坍塌破壞喪失基本承載力［1］。

另外，鋼結(jié)構(gòu)在高溫下塑性增大，導(dǎo)熱系數(shù)大。因此，鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危險(xiǎn)性大，容易由“點(diǎn)”性火災(zāi)擴(kuò)散成“面”性火災(zāi)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2.1鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)不易疏散撲救

鋼結(jié)構(gòu)體系在火災(zāi)危險(xiǎn)中易發(fā)生坍塌，不利于撲救和人員疏散。

“四邊簡(jiǎn)支的鋼筋混凝土樓板高度13cm，耐火極限1.9h；現(xiàn)澆的整體式樓板厚度8～12cm，耐火極限1.4～2.65h；而無保護(hù)層的鋼屋架，耐火極限只有0.25h?！笨梢姡撐菁茉跓o保護(hù)狀態(tài)下極易被引燃，而且速度之快根本來不及被撲滅火災(zāi)就以發(fā)生蔓延［2］。

1.2.2鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)具有整體破壞性

在工業(yè)建筑中比較常用的鋼結(jié)構(gòu)形式有門式剛架和鋼桁架，屋面一般為金屬屋面。一個(gè)工業(yè)廠房一般由幾榀鋼桁架串聯(lián)拼接而成，這就形成了一個(gè)“類多米諾骨牌”。當(dāng)其中一榀鋼桁架發(fā)生火災(zāi)被破壞，連鎖效應(yīng)便會(huì)發(fā)生，引發(fā)整個(gè)廠房的破壞。而被廣泛應(yīng)用的金屬屋面，整體度好的同時(shí)，整體燃燒的危害更大，一旦失火整個(gè)頂棚的坍塌對(duì)于廠房和廠房?jī)?nèi)的人員打擊都是致命的。

2　鋼結(jié)構(gòu)防腐策略

2.1現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)防腐策略

2.1.1安全環(huán)保型防腐涂料的推廣應(yīng)用

以無機(jī)防腐涂料為代表的水溶性涂料，揮發(fā)物中不含鉛、鎘等有毒物質(zhì)。涂料無閃點(diǎn)，運(yùn)輸安全，是綠色環(huán)保涂料，滿足環(huán)境保護(hù)和職業(yè)安全要求。同時(shí)，此類涂料能有效抵抗酸雨、潮濕空氣的腐蝕，對(duì)石油石化產(chǎn)品和有機(jī)溶劑具有較高的穩(wěn)定性。無機(jī)防腐涂料是現(xiàn)今防腐設(shè)計(jì)中大力推廣的可持續(xù)性功能涂料。

2.1.2專業(yè)型防腐涂料的推廣應(yīng)用

化工腐蝕根據(jù)不同的物態(tài)性質(zhì)腐蝕性質(zhì)也截然不同。以往單純的以酸堿性選取防腐涂料，在實(shí)踐中并不能達(dá)到很好的效果。針對(duì)腐蝕物的形態(tài)、鋼結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境進(jìn)行針對(duì)性防腐設(shè)計(jì)，促進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

煙氣防腐涂料能有效的抵抗化工管道中化學(xué)煙氣對(duì)鋼材的腐蝕，以及化工生產(chǎn)過程中溢泄的化學(xué)煙氣對(duì)主體鋼材的腐蝕。適用于氣態(tài)防腐設(shè)計(jì)。

耐高溫的防腐涂料基料和填料均由耐熱、不燃的無機(jī)物組成。基料中所含的活性基團(tuán)與填料中的活性組分以及鋼鐵表面發(fā)生反應(yīng)，形成三維結(jié)構(gòu)的聚合物，涂層與鋼鐵基體穩(wěn)固連接成一體，形成具有電化學(xué)保護(hù)和物理屏蔽作用的耐熱防腐涂層。適合應(yīng)用于高溫工作、腐蝕環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)效保護(hù)。

2.2設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及市場(chǎng)需求

2.2.1設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，防腐蝕設(shè)計(jì)一般選用《08J333建筑防腐蝕構(gòu)造》圖集來選取涂料。根據(jù)工藝專業(yè)提供的腐蝕性物質(zhì)形態(tài)及濃度等粗略的選取涂料。

產(chǎn)生的問題有:國(guó)標(biāo)圖集引用的涂料有些已經(jīng)陳舊與現(xiàn)行市場(chǎng)推廣的新型涂料相去甚遠(yuǎn)。建筑師選取涂料大部分還是按照酸堿性質(zhì)進(jìn)行選取，選取的方法相對(duì)單一，往往需要廠家進(jìn)行二次設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中提供的防腐構(gòu)造大都是理論值，在實(shí)際施工中受各種不可抗力影響，實(shí)際值會(huì)削弱難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)今防腐設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)院、施工、二次設(shè)計(jì)部門共同完成，工作不由一個(gè)主體完成，各個(gè)部門間協(xié)調(diào)一旦出現(xiàn)問題便無法達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

2.2.2市場(chǎng)需求

適用于化工類廠房建筑的重防腐涂料需向節(jié)能、低污染、高性能方向發(fā)展。

當(dāng)今市場(chǎng)需要低溶劑、無溶劑重防腐蝕涂料，降低涂料中有機(jī)揮發(fā)物的含量。以此保證施工環(huán)境的工作質(zhì)量，減少有毒氣體的排放。

對(duì)有害物質(zhì)在涂料中使用占比的限制是對(duì)貫徹職業(yè)安全保護(hù)的有力支持。伴隨以人為本和可持續(xù)發(fā)展的深入，我國(guó)會(huì)繼續(xù)出臺(tái)相關(guān)文件，明確完善有毒物質(zhì)的摻入比例。

重型水性防腐蝕涂料在市場(chǎng)中份額較低，尤以底漆為主。隨著市場(chǎng)需求的增大，需要大力發(fā)展水性重型防腐蝕涂料的研究。

3　鋼結(jié)構(gòu)防火策略

3.1廠房防火處理方式

鋼結(jié)構(gòu)廠房防火措施包括幾個(gè)部分：①防止起火系統(tǒng)。通過一系列安全監(jiān)管將發(fā)生火災(zāi)危險(xiǎn)降低，防患于未然。②防止火災(zāi)擴(kuò)散蔓延。在設(shè)計(jì)時(shí)劃分好防火分區(qū)，有效防止火災(zāi)竄溢，將失火損失降低。③防煙及疏散設(shè)計(jì)。當(dāng)火災(zāi)不可避免時(shí)，減少人員損失尤為重要。結(jié)合排煙系統(tǒng)妥善設(shè)計(jì)安全出口與安全通道是對(duì)人員的有力保護(hù)。④主體鋼構(gòu)件防火保護(hù)。這是火災(zāi)發(fā)生時(shí)對(duì)生命最關(guān)鍵的保護(hù)，決定了救援時(shí)間與疏散時(shí)間。

3.2主體鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造防火措施

構(gòu)造防火是通過材料本身的增添轉(zhuǎn)型實(shí)現(xiàn)耐火要求［3］。

防火板包覆是設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的構(gòu)造措施。一般結(jié)構(gòu)構(gòu)件穿越防火分區(qū)，常以防火板包覆結(jié)構(gòu)構(gòu)件，有效防止火災(zāi)竄燃?，F(xiàn)今設(shè)計(jì)中較常使用的為硅酸鈣防火板。耐火極限達(dá)到4.0h，最高使用溫度1100℃。硅酸鈣板具有壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度高、重量輕、抗高溫開裂、施工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

耐火鋼是指“除其常溫力學(xué)和焊接性能與普通鋼一致外，還要求在600℃高溫下保持1～3h后，其屈服強(qiáng)度值不低于常溫規(guī)格值得2/3，即將原采用普通鋼耐350℃的抗火設(shè)計(jì)提高到耐600℃的抗火設(shè)計(jì)，從而提高鋼結(jié)構(gòu)耐火性?！蹦突痄撚捎谠靸r(jià)等原因使用率不高，我們希望隨著技術(shù)的普及，此種材料在設(shè)計(jì)中得到更多的應(yīng)用［4］。

3.3主體鋼結(jié)構(gòu)涂料防火措施

防火涂料按其可溶性分為：水溶性防火、油性防火涂料；按其成膜性可分為，有機(jī)、無機(jī)與復(fù)合防火涂料。涂料防火依靠涂料遇火產(chǎn)生膨脹物、揮發(fā)惰性氣體等，通過阻隔鋼材與火源并抑制火勢(shì)保護(hù)鋼材。

在設(shè)計(jì)中，所有的鋼構(gòu)件都應(yīng)涂刷防火涂料，使用量大。因此能效和環(huán)保性尤為重要。

4　防火+防腐蝕結(jié)合策略

化工建筑設(shè)計(jì)中往往需要同時(shí)考慮防腐蝕與防火設(shè)計(jì)。由于大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件均通過涂料涂刷達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)的目的，因此涂膜的涂刷次序和不同功效的涂膜的粘結(jié)性成為設(shè)計(jì)優(yōu)劣的關(guān)鍵。這兩個(gè)問題在目前化工廠房設(shè)計(jì)中也是爭(zhēng)議較大的問題，尚未得到解決。

4.1涂刷次序之爭(zhēng)

目前對(duì)于防火涂層與防腐涂層涂刷次序的問題，從業(yè)者并未達(dá)成統(tǒng)一。主要包括以下幾種涂刷次序：

①基層除銹+防火涂層。

②基層除銹+防銹底漆+厚型（薄型）防火涂層。

以上涂刷適用于民用型鋼結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)遭受的腐蝕性較弱。須注意的是，基層除銹與防銹底漆是鋼材出廠時(shí)預(yù)作的低級(jí)防腐工作，僅能抵御一般性腐蝕。

③底漆+中間漆+防火涂層+面層（防腐）。

這種涂刷是在鋼材基本防腐基礎(chǔ)上進(jìn)行防火和防腐。最外層涂刷的防腐材料是針對(duì)化工工藝過程中涉及的酸堿物料進(jìn)行的專業(yè)防腐蝕。

是將防腐還是防火涂刷在外表面設(shè)計(jì)界爭(zhēng)論不休。其實(shí)只要明確建筑中危害鋼結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵源是什么，就可以確定采用哪種次序涂刷?；そㄖ械闹鞑拿刻於际艿剿犰F等的腐蝕，將防火涂層置于最外層很容易損壞。涂刷次序往往并無一定之規(guī)，需要我們從業(yè)者審時(shí)度勢(shì)的分析。

4.2防火與防腐粘結(jié)性問題

現(xiàn)今，防火與防腐結(jié)合的技術(shù)難題影響著以化工建筑代表的工業(yè)建筑設(shè)計(jì)。重腐蝕型廠房需要“防火涂層+防腐”的模式。然而，防腐與防火的相容性問題造成兩種涂層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或根本無法粘結(jié)極易脫落。

在國(guó)內(nèi)某一廠家提供的技術(shù)信息中［5］，“富鋅底漆+環(huán)氧云鐵+防火涂料+面漆，需要與防火涂層做相容測(cè)試：云鐵中間漆與防火涂料；防火涂料與面漆，這兩項(xiàng)必須做；還要做綜合涂層配套測(cè)試，主要指標(biāo)是考察綜合涂層的附著力測(cè)試?！?/p>

建筑設(shè)計(jì)師對(duì)化工涂料的相容性往往知之甚少，選擇涂膜也都根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖集確定。單純的選料能保證防護(hù)的可行性，但多個(gè)涂膜疊加是否可行還需要更專業(yè)的材料工程師的配合。我們希望在國(guó)標(biāo)設(shè)計(jì)中能考慮這方面的缺憾，同時(shí)為建筑師提供一個(gè)學(xué)習(xí)的平臺(tái)更深入的了解涂刷材料的性質(zhì)，優(yōu)化我們的設(shè)計(jì)。

5　結(jié)語(yǔ)

化工建筑作為工業(yè)建筑的一個(gè)分支易受爆炸、火災(zāi)危和腐蝕的危害。這就需要在建筑設(shè)計(jì)過程中博采眾長(zhǎng)，兼容并蓄的吸收新型材料和新的產(chǎn)品理念、構(gòu)造方法，增進(jìn)建筑的安全性和經(jīng)濟(jì)合理性?；そㄖ谠O(shè)計(jì)行業(yè)的關(guān)注度相對(duì)低抑制了新材料的研發(fā)，但我們也看到全球融合與技術(shù)共享讓我們的材料工藝和設(shè)計(jì)理念不斷推陳出新。假以時(shí)日，我們會(huì)通過行業(yè)間的扶持協(xié)作設(shè)計(jì)出更為安全高效的建筑產(chǎn)品。

［1］李引擎.鋼結(jié)構(gòu)的防腐與防火.建筑結(jié)構(gòu)［J］，2006增刊第36卷：1-4.

［2］梁利生.鋼結(jié)構(gòu)表面腐蝕的危害與防護(hù)［J］.山西建筑，2007，33 （30）：165-166.

［3］時(shí)虎，胡源.鋼結(jié)構(gòu)建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性和防火保護(hù)［J］.火災(zāi)科學(xué)，2005，6（1）：63-70.

［4］徐偉良，張洪亮.我國(guó)建筑耐火鋼的開發(fā)與應(yīng)用［J］.材料導(dǎo)報(bào)網(wǎng)刊，2007，8（3）：22-24.

［5］網(wǎng)絡(luò)評(píng)論.防腐涂料和防火涂料配合使用需要注意的問題. 2014-11-16.

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.04.021

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1008-1267（2016）04-0060-03

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