石油化工管架隱患治理結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

黃勇標(biāo)

（茂名瑞派石化工程有限公司，廣東茂名 525011）

工廠內(nèi)的場地有限，往往沒有條件再新建管廊。為了滿足生產(chǎn)建設(shè)的快速發(fā)展，系統(tǒng)管廊多次改造，加層加支架敷設(shè)管道，導(dǎo)致管架長期處于滿載或者超載的工作狀況。而且隨著管架使用時間的增長，越來越多的管架接近或者超過其使用年限，鋼筋混凝土管架柱、橫梁和縱梁因腐蝕、混凝土徐變、碳化，出現(xiàn)鋼筋保護層開裂、剝落、混凝土中的鋼筋銹蝕、混凝土強度降低、鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕減薄、變形、傾斜和焊縫開裂，鋼支架發(fā)生腐蝕斷裂、彎曲、傾斜等現(xiàn)象。管架強度、剛度和耐久性明顯降低，嚴(yán)重影響管架結(jié)構(gòu)安全，必須有計劃和及時進行維修、更換和加固，確保管線的正常運行。

管架修復(fù)及加固方法必須安全有效可行，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，因地制宜，針對管架存在隱患問題，采取切實可行的加固方案最大限度消除管架隱患，保證加固后的管架正常使用。

管架加固的基本流程為：①確定管架后續(xù)的工作年限；②可靠性鑒定；③確定加固方法。

1 確定管架后續(xù)的工作年限

管架后續(xù)的工作使用年限應(yīng)按下列原則確定：

1）結(jié)構(gòu)加固后的工作年限，應(yīng)由業(yè)主和設(shè)計單位共同商定。

2）當(dāng)結(jié)構(gòu)的加固材料中含有合成樹脂或其他聚合物成分時，其結(jié)構(gòu)加固后的工作年限宜按30a考慮；當(dāng)業(yè)主要求結(jié)構(gòu)加固后的工作年限為50a時，其所使用的膠和聚合物的黏結(jié)性能，應(yīng)通過耐長期應(yīng)力作用能力的檢驗。

3）工作年限到期后，當(dāng)重新進行的可靠性鑒定認為該結(jié)構(gòu)工作正常，仍可繼續(xù)延長其工作年限。

4）對使用膠粘方法或摻有聚合物材料加固的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件，尚應(yīng)定期檢查其工作狀態(tài)；檢查的時間間隔可由設(shè)計單位確定，但第一次檢查時間不應(yīng)遲于10a。

5）當(dāng)為局部加固時，應(yīng)考慮原建筑物剩余設(shè)計工作年限對結(jié)構(gòu)加固后設(shè)計工作年限的影響。

6）管架按結(jié)構(gòu)形式分為獨立式管架、管廊式管架（管廊）、跨越管架、吊索式管架、長臂管架。按管架的材料分為鋼筋混凝土管架、鋼結(jié)構(gòu)管架和混合結(jié)構(gòu)管架。

2 可靠性鑒定

根據(jù)《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50144—2019），煉油系統(tǒng)管廊屬于工業(yè)建筑類，在下列情況下應(yīng)進行可靠性鑒定：①達到設(shè)計使用年限擬繼續(xù)使用時；②使用用途或環(huán)境改變時；③進行結(jié)構(gòu)改造或擴建時；④ 遭受災(zāi)害或事故后；⑤存在較嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷或者出現(xiàn)較嚴(yán)重的腐蝕、損傷、變形時。

首先應(yīng)對廠區(qū)系管廊進行全面隱患排查，如果管架的實際情況符合規(guī)范規(guī)定需鑒定的范圍，則在項目立項后的前期設(shè)計階段由設(shè)計單位提出檢測要求，業(yè)主委托第三方專業(yè)機構(gòu)進行工業(yè)建筑可靠性鑒定。鑒定結(jié)果應(yīng)包括：調(diào)查和檢測結(jié)果、鑒定評級結(jié)果以及耐久性剩余壽命評估等，設(shè)計單位再根據(jù)鑒定報告進行詳細設(shè)計。工業(yè)建筑可靠性鑒定中的調(diào)查和檢測分為：作用（荷載）調(diào)查、使用環(huán)境調(diào)查、使用歷史調(diào)查（設(shè)計、施工、維修和改造等記錄），往往需要查閱大量圖紙資料、交工資料和維護檔案，當(dāng)資料不足時或?qū)Y料有懷疑時，按國家現(xiàn)行相關(guān)檢測技術(shù)規(guī)范，通過現(xiàn)場取樣或測試的方式，對管架結(jié)構(gòu)材料的性能進行檢測。由于管架普遍使用時間較久，原結(jié)構(gòu)材料已發(fā)生變化，在做工業(yè)建筑可靠性鑒定時進行管架結(jié)構(gòu)材料的性能檢測，以檢測結(jié)果為主進行可靠性鑒定。

3 確定加固方法

加固方法的確定需綜合考慮管架的類別、管架自身及周邊條件、施工可行性、加固費用、安全耐久性等因素。

管架按結(jié)構(gòu)形式分為獨立式管架、吊索式管架、縱梁式管架、跨越管架。按管架的材料分為鋼筋混凝土管架、鋼結(jié)構(gòu)管架和混合結(jié)構(gòu)管架。

根據(jù)正式出版的鑒定報告中對管架的評定等級確定加固方案。

提高原有管架結(jié)構(gòu)的強度和剛度，包括對柱、橫梁、桁架等原有構(gòu)件的加固。混凝土構(gòu)件的加固方法有置換混凝土法、增大構(gòu)件截面法、外包型鋼法、粘貼鋼板法；鋼構(gòu)件的加固方法有增大構(gòu)件截面法、外包混凝土法、粘貼鋼板法。

3.1 鋼筋混凝土構(gòu)件增大截面法

增大截面加固法是建筑加固改造中通過增大原構(gòu)件截面面積或增配鋼筋，以提高其強度和剛度。增大截面加固法的混凝土施工技術(shù)經(jīng)驗豐富，但現(xiàn)場多為濕作業(yè)，施工時間長，需要的空間大。增大截面加固法常見做法如圖1所示。

圖1 砼柱四面圍套增大截面

鋼筋混凝土構(gòu)件增大截面加固的構(gòu)造要求如下。

（1）新增混凝土層的最小厚度，板不應(yīng)小于40mm，梁、柱不應(yīng)小于60mm。

（2）加固用的鋼筋，應(yīng)采用熱軋帶肋鋼筋。

（3）新增受力鋼筋與原受力鋼筋的凈間距不應(yīng)小于25mm，并應(yīng)采用短筋或箍筋與原鋼筋焊接。

（4）當(dāng)截面受拉區(qū)一側(cè)加固時，應(yīng)設(shè)置U形箍筋，并應(yīng)焊在原箍筋上，單面（雙面）焊的焊縫長度應(yīng)為箍筋直徑的10倍（5倍）。

（5）當(dāng)用混凝土圍套加固時，應(yīng)設(shè)置環(huán)形箍筋或加錨式箍筋。

（6）當(dāng)受構(gòu)造條件限制而采用植筋方式埋設(shè)U形箍時，應(yīng)采用錨固型結(jié)構(gòu)膠種植。

（7）新增縱向鋼筋應(yīng)采取可靠的錨固措施。

3.2 鋼構(gòu)件增大截面法

鋼構(gòu)件增大截面加固的構(gòu)造，應(yīng)符合下列規(guī)定。

（1）應(yīng)采取措施保證加固件與原構(gòu)件能夠共同工作，板件應(yīng)無明顯變形，板件應(yīng)有良好的穩(wěn)定性，并避免產(chǎn)生不利的附加應(yīng)力。

（2）負荷狀態(tài)下進行鋼結(jié)構(gòu)加固時，應(yīng)避免加固件截面的變形或削弱對安全產(chǎn)生顯著影響。

增大截面法加固步驟。當(dāng)管架柱鋼筋保護層脫落露筋嚴(yán)重，柱的承載能力不滿足要求時，結(jié)合計算結(jié)果管立柱優(yōu)先采用增大截面法，當(dāng)無法采用增大截面法時，可采用外包型鋼法加固，加固須嚴(yán)格按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》GB 50367-2013執(zhí)行。具體加固步驟要求如下：①首先鑿掉構(gòu)件表層至砼基層，修復(fù)缺陷部位。②如鋼筋銹蝕嚴(yán)重，需補焊鋼筋。③采用增大截面法和外黏型鋼加固法進行加固。④采用增大截面法時，要優(yōu)化梁、柱的截面尺寸，新舊混凝土界面涂刷結(jié)構(gòu)界面劑，并采用鋼筋植筋連接。⑤采用外黏型鋼加固時，綴板間空隙采用水泥防水砂漿或聚合物水泥防水砂漿填實抹平（內(nèi)配鋼絲網(wǎng)片，與型鋼焊接）。

3.3 外包型鋼法

外包型鋼加固法的優(yōu)點是構(gòu)件截面尺寸變化不大，但其極限承載能力和抗震能力可有效改善；加固后原構(gòu)件上的混凝土因受外包鋼的四周約束，構(gòu)件的延性得到極大提高；施工不使用模板，施工效率高，外包型鋼加固的型鋼與原混凝土間的縫隙必須灌膠密實防止積水腐蝕，確保加固長期有效。外包型鋼加固法常見做法如圖2、圖3所示。

圖2 砼柱外包型鋼

圖3 砼柱外包型鋼剖面

濕式外包型鋼加固的構(gòu)造要求如下。

（1）加固用型鋼兩端應(yīng)采取可靠的錨固措施。

（2）沿梁、柱軸線方向應(yīng)采用綴板與角鋼焊接。

（3）外黏角鋼加固梁、柱的施工，應(yīng)將原構(gòu)件截面的棱角打磨成圓角。

（4）施工過程中應(yīng)采取措施保證結(jié)構(gòu)膠不受焊接高溫影響。外黏型鋼的角鋼端部600mm范圍內(nèi)膠縫厚度應(yīng)控制在3~5mm。

3.4 增加抗側(cè)彎構(gòu)件

改善原有管架結(jié)構(gòu)體系而增設(shè)新的傳力，包括增設(shè)縱梁、柱間支撐等。

管架上的管道如果水平力大，可能會導(dǎo)致管架梁柱配筋、管架上的支架平面外穩(wěn)定性、基礎(chǔ)出現(xiàn)的零應(yīng)力區(qū)不滿足規(guī)范要求。這種情況采用管架之間、支架之間增設(shè)縱梁或支撐會明顯降低結(jié)構(gòu)受到的彎矩。

3.5 構(gòu)件替換

管架如果年代久遠，鋼筋或者鋼材銹蝕嚴(yán)重，混凝土破損嚴(yán)重，現(xiàn)場沒有施工條件加固，以上幾種情況可以考慮拆除舊管架，重新在原位置新建管架。采取這種方法施工前，建議業(yè)主方組織業(yè)主生產(chǎn)管理部門、工程管理部門、消防部門、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位等單位論證施工單位的施工方案。石化廠區(qū)常見可以替換的構(gòu)件如下。

3.5.1 鋼橫梁替換

原有橫梁多采用雙槽鋼組成的口型截面鋼梁，下部槽鋼積水腐蝕嚴(yán)重，增設(shè)新的H型鋼梁取代舊的組合鋼梁。

3.5.2 簡單鋼支架替換

有條件時增設(shè)新的支架，相當(dāng)于對原支架進行減載。通過增加新的支架將部分荷載轉(zhuǎn)移到新的支架上，減少原支架上的荷載，以滿足承載力的要求。

3.5.3 桁架或獨立管架替換

（1）新增獨立管架或者桁架。施工前做好臨時支撐，保證已有管道安全方可施工。新增的管架達到設(shè)計要求的強度后，可根據(jù)設(shè)計要求拆除舊管架。

（2）不拆除舊桁架，在管架柱的側(cè)面新增桁架，桁架構(gòu)件加工后運至現(xiàn)場安裝。

3.6 改善管架結(jié)構(gòu)的耐久性

改善管架結(jié)構(gòu)的耐久性常用到的技術(shù)有裂縫修補技術(shù)、錨固技術(shù)和阻銹技術(shù)。

3.6.1 砼保護層修補

混凝土管架表面出現(xiàn)破損、麻面、蜂窩時，采用水泥防水砂漿或聚合物水泥防水砂漿抹面防水。聚合物水泥防水砂漿須滿足《聚合物水泥防水砂漿》JC/T 984—2011的要求。具體做法可參見圖集《聚合物水泥砂漿系統(tǒng)工程做法》17CJ77-2。

3.6.2 露筋修補

梁柱鋼筋保護層破損出現(xiàn)露筋時，采用聚合物改性水泥砂漿修補，須嚴(yán)格按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》GB 50367—2013第4.6聚合物改性水泥砂漿相關(guān)要求執(zhí)行。具體做法步驟要求如下。

（1）鑿除破損混凝土。

（2）用手工或動力工具對鋼筋進行除銹、防腐。

（3）使用聚合物改性水泥砂漿進行修補。

4 結(jié)語

管架支承的管道是石油化工的重要傳輸通道，管道的介質(zhì)往往易燃易爆。管廊隱患治理對廠區(qū)的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。管廊應(yīng)科學(xué)設(shè)計，規(guī)范管理，在工作使用年限內(nèi)定期檢查維護。業(yè)主單位應(yīng)制定有效的管廊管理制度，利用先進的科技手段，實時監(jiān)控管廊的安全情況。