水泥基防腐體系在火電廠冷卻塔中的應(yīng)用

劉福慶，易志波，陳 東

（國能浙江余姚燃氣發(fā)電有限責任公司，浙江余姚315400）

0 引言

火力發(fā)電廠作為我國主要的發(fā)電形式之一，在一些內(nèi)陸城市經(jīng)常會看到這樣高聳入云的建筑物——冷卻塔，它是火力發(fā)電廠的主要標志性建筑，其主要作用是把蒸汽輪機里出來的水蒸氣在凝汽器中冷卻出水的一種裝置。自2010年以來，隨著建筑技術(shù)的進步，超大型海水冷卻塔、排煙冷卻塔、三塔合一間接空冷塔相繼投入使用，高度已超過200 m，塔筒壁厚0.2～2 m，冷卻塔內(nèi)表面積接近100 000 m2，許多新技術(shù)、新材料、新工藝應(yīng)用到冷卻塔的設(shè)計、制造和施工中。在這些超大型冷卻塔投入使用的同時，冷卻塔的結(jié)構(gòu)耐久性也引起了人們的高度關(guān)注，尤其是對基建期、運行期冷卻塔筒壁的防腐工程提出了更高的要求。本文將從水泥基防腐材料的特點談起，通過對水泥基防腐材料適用性的試驗，以某電廠2×500 MW燃煤發(fā)電機組為例，詳細介紹水泥基防腐體系在火電廠冷卻塔中的應(yīng)用。

1 火電廠冷卻塔的特點

1.1 冷卻塔的工作環(huán)境特點

冷卻塔混凝土結(jié)構(gòu)常年經(jīng)受水氣侵蝕、水浸泡、水噴淋等作用，歷經(jīng)春夏秋冬，凍融交替，塔內(nèi)外濕度差和溫度差較大。水汽沿混凝土內(nèi)部毛細孔滲透、擴散，加速了混凝土保護層堿骨料反應(yīng)、碳化和鋼筋銹蝕進程，導致混凝土保護層破損脫落，加劇了混凝土病害的發(fā)生和發(fā)展。

1.2 冷卻塔的自身結(jié)構(gòu)特點

冷卻塔為雙曲線型鋼筋混凝土薄壁殼結(jié)構(gòu)，最薄處只有200 mm左右。塔壁薄且表面積巨大，極易受到溫度的影響，混凝土熱脹冷縮的特性，決定了冷卻塔每天都處于鴨蛋形的變化之中[1]。

1.3 冷卻塔對防腐材料的要求

冷卻塔的工作環(huán)境特點和自身結(jié)構(gòu)特點，決定了冷卻塔防腐材料必須具備以下幾個特點：防腐涂層與混凝土的熱兼容性良好，對基層含水率不敏感，涂層應(yīng)具備一定的透氣性，具備優(yōu)異的防水抗?jié)B及防腐性能，具備良好的黏結(jié)性能。

2 水泥基防腐材料在冷卻塔防腐工程上的適用性分析

水泥基防腐材料是指以水泥為載體，加入膠粉、增強劑、改性劑、憎水劑、微硅粉、助劑和化學添加劑，經(jīng)工廠預混，在現(xiàn)場按照配比精準混合，并按照特定工藝施工的高性能、無機環(huán)保材料。水泥基防腐材料具有如下特點。

2.1 與混凝土的熱兼容性良好

水泥基防腐材料本質(zhì)上與混凝土是同質(zhì)材料，均以水泥為膠凝材料，微觀結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)細小的毛細孔隙，熱膨脹系數(shù)基本相同。在產(chǎn)生溫度梯度時，水泥基防腐涂層與結(jié)構(gòu)混凝土的變形基本同步，不會產(chǎn)生相對位移，因而也就不會像環(huán)氧類等有機產(chǎn)品一樣，出現(xiàn)起殼、剝落等問題。

2.2 對基層含水率不敏感

冷卻塔常年經(jīng)受水汽侵蝕、水浸泡和水噴淋等作用，基面無法在短時間內(nèi)達到干燥標準，這就要求防腐材料具備潮濕基面施工、固化等一系列特性。水泥基防腐材料不但可以在潮濕基面上施工，而且潮濕的基面更有利于水泥基防腐涂層與基層的良好結(jié)合。

2.3 透氣性好

水泥基防腐涂層有很好的透氣性，其微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)細小毛細孔，在溫度、壓力作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的潮氣可以正常地散發(fā)出來，不會導致涂層起鼓、起殼。而有機類涂層是水蒸氣的屏障，完全不透氣，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的潮氣無法正常散發(fā)出來，在溫度、壓力的作用下，水汽將涂層鼓起，發(fā)生起殼、脫落現(xiàn)象。

2.4 防水防滲及防腐性能好

水泥基防腐材料經(jīng)過添加特種助劑、添加劑改性后，無論涂刷于迎水面還是背水面，其抗?jié)B壓力都大幅提高，能達到1.5 MPa（相當于150 m高的水頭）。通過憎水材料的使用，很好地解決了涂層自身吸水的問題，確保了涂層的防水防滲性能。而產(chǎn)品中添加的聚合物成分，則大大提高了涂層抵抗腐蝕的能力。

2.5 與基層的黏結(jié)性能好

混凝土凝結(jié)硬化過程可以看作水泥水化的過程，即硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣及鐵相固溶體等的水化過程。其中，硅酸三鈣和硅酸二鈣的水化過程生產(chǎn)了大量的鈣離子，反應(yīng)方程式[2]如下

水泥基防腐材料中含有的活性化學物質(zhì)，在水的作用下向混凝土內(nèi)部滲透，并與混凝土中游離的鈣離子發(fā)生反應(yīng)，生成不溶于水的結(jié)晶體，堵塞毛細孔。反應(yīng)式如下

隨著反應(yīng)的進行，該結(jié)晶體不斷填充混凝土的毛細孔并使其斷開互不相連，由表層至縱深逐漸形成一個致密的抗?jié)B區(qū)域，大大提高了結(jié)構(gòu)整體的抗?jié)B能力，降低了透水率，從而起到很好的防水抗?jié)B效果。同時，結(jié)晶體的存在使防腐涂層與基層混凝土形成“咬合”，避免了單純的物理黏結(jié)，大大提高了二者的結(jié)合強度。

2.6 對基層平整度要求不高

冷卻塔筒壁采用翻模施工，表面精度差，加上運行過程中凍融破壞、自身老化等原因，混凝土表面較粗糙，麻面、氣孔普遍存在。水泥基防腐涂層的厚度通常為1.5 mm，這個厚度不但能夠有效覆蓋基層，解決氣孔問題，而且其粗細骨料形成的良好級配可以有效地解決“針眼”問題，形成致密的防水防腐層，實現(xiàn)對基層混凝土的全覆蓋。

2.7 安全性能好

水泥基防腐材料為無機環(huán)保材料，無毒無害，不燃燒，遇明火也不起煙霧，確保安全。

3 水泥基防腐材料適用性試驗

3.1 吸水性試驗

抗?jié)B等級越高的混凝土，其能夠抵抗的抗?jié)B壓力越大，例如P12的抗?jié)B混凝土能夠抵抗120 m高的水頭保持不滲水。抗?jié)B壓力高并不代表不吸水。用C40高性能抗?jié)B混凝土作試件，恒壓1.2 MPa并持續(xù)24 h，劈開后發(fā)現(xiàn)其滲水深度為2.1 mm；同批次試件在靜水中自然浸泡7天，劈開后發(fā)現(xiàn)其吸水深度為2.4 mm。而涂刷了水泥基防腐材料的試件，不僅能夠抵抗1.5 MPa的水壓力，而且在靜水中浸泡150 d吸水深度幾乎看不到。

試驗證明，水泥基防腐涂層有效解決了涂層自身吸水的問題，具有優(yōu)異的防水防滲性能。

3.2 抗凍性試驗

3.2.1 表觀試驗

C40混凝土試件，經(jīng)過50次單邊凍融循環(huán)之后，水泥質(zhì)剝落，骨料外露。同批次試件涂刷水泥基防腐材料后，經(jīng)過50次單邊凍融循環(huán)，未見破壞。

3.2.2性能試驗

空白試件和涂刷水泥基防腐材料的試件，經(jīng)過150次凍融循環(huán)前后的性能試驗結(jié)果如表1所示。

表1 凍融循環(huán)前后的性能試驗結(jié)果

從表1可以看出，空白試件和水泥基防腐涂層試件的抗壓強度均有所降低，但空白試件下降的幅度較高，達到了15%，而水泥基防腐涂層試件下降幅度只有3.4%?？瞻自嚰目?jié)B壓力也有所下降，由0.4 MPa下降到0.3 MPa，表明在凍融過程中試件產(chǎn)生了微裂紋，使試件的抗?jié)B能力降低；而水泥基防腐涂層試件的抗?jié)B壓力不降反升，由1.4 MPa上升到1.5 MPa，抗?jié)B能力大幅提高。

無論是表觀試驗還是性能試驗，均證明水泥基防腐涂層能夠有效抵御凍融破壞，延長結(jié)構(gòu)混凝土的使用壽命。

3.3 防腐性能試驗

將空白試件以及涂刷了水泥基防腐涂層的試件，同時放置在酸、堿、鹽溶液中浸泡60 d，觀察其涂層情況并進行性能測試，以判斷水泥基防腐材料抵抗化學侵蝕的能力。

具體試驗條件如下：一是稀鹽酸溶液，用鹽酸加蒸餾水稀釋得到pH值為4.0的稀鹽酸溶液；二是氫氧化鈉溶液，用氫氧化鈉溶于蒸餾水得到pH值為12.0的氫氧化鈉溶液；三是硫酸銨溶液，用硫酸銨試劑與蒸餾水配制成0.5 mol/L的鹽溶液。用這3種溶液進行試驗。

抗壓強度：浸泡前的空白試件抗壓強度取實測平均值21.4 MPa，涂刷水泥基防腐材料的試件抗壓強度取實測平均值23.5 MPa，浸泡后的抗壓強度為實測值。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 溶液侵蝕前后的性能試驗結(jié)果

試驗結(jié)果證明，水泥基防腐層在pH值為4.0～12.0的堿、鹽、弱酸溶液中都可以正常使用。涂層外觀無變化，抗壓強度不下降，抗?jié)B性能不降低。

4 火電廠應(yīng)用實例

某電廠2×500 MW燃煤發(fā)電機組，1996年投產(chǎn)。冷卻塔經(jīng)過近10 a的運行，塔壁及淋水柱混凝土結(jié)構(gòu)上的有機防腐涂層脫落，混凝土結(jié)構(gòu)受凍融、碳化和氯離子等因素的侵蝕，出現(xiàn)了混凝土破損、部分人字柱裂縫、混凝土大量剝落和鋼筋裸露等情況。

2015年，采用上述水泥基防腐體系對1號、2號冷卻塔內(nèi)壁喉部以上區(qū)域進行了整體防腐處理。此次維修的目的是清理松散混凝土，整體修補，恢復混凝土結(jié)構(gòu)輪廓，并進行鋼筋阻銹處理和整體防水防腐涂裝保護，避免鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)再受破壞，延長混凝土結(jié)構(gòu)維修周期。

4.1 防腐體系

“三分材料，七分施工”是防腐工程的定律，好的材料離不開高質(zhì)量的施工，優(yōu)秀的防腐體系是材料與施工的珠聯(lián)璧合，缺一不可。針對冷卻塔的病害情況，電廠采用了水泥基涼水塔防水防腐保護涂料進行冷卻塔防腐防滲維修，并嚴格按照如下工藝處理，取得了良好的工程效果。

首先，將基面打磨清理至清潔堅固的狀態(tài)，對暴露的銹蝕鋼筋涂刷UGD3110水泥基鋼筋阻銹劑，并采用UP2110頂立面修補砂漿修復破損部位，恢復結(jié)構(gòu)輪廓。其次，整體涂刷UGD3610混凝土抗堿封閉底漆封閉基底。最后，整體涂刷US1101水泥基涼水塔防水防腐保護涂料，對混凝土結(jié)構(gòu)進行整體防腐防滲保護。

4.2 維修效果

經(jīng)過3個月的施工，維修效果良好，達到了預期目的。經(jīng)過5 a的運行，水泥基防腐體系完好地保護了冷卻塔塔筒筒壁，實現(xiàn)了安全、可靠、經(jīng)濟、環(huán)保的目標，為電廠的平穩(wěn)運行做出了貢獻。