丁泓予，周超

（天津市化工設(shè)計院，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)計院，天津300193）

化工建筑具有高火災(zāi)危險性和高腐蝕性。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)計的一道難關(guān)。本文梳理分析了國內(nèi)外一些具體的防腐防火工程做法，提出了未來一段時間尚待解決的技術(shù)難題。希望通過本文的拋磚引玉促進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；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)計和工業(yè)廠房設(shè)計中。其具有自重輕、可塑性及韌性強、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、造價適中的特點正逐漸成為最受工業(yè)建筑設(shè)計青睞的體系之一。

1　化工作業(yè)中火災(zāi)及腐蝕對鋼結(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)生的化學物質(zhì)存在火災(zāi)危險性、爆炸危險及強烈的腐蝕性特征。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鋼材進行適宜的防腐蝕及耐火保護。

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)會對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重的酸堿性腐蝕。另外，在工藝反應(yīng)過程中也會釋放熱量，從而危害結(jié)構(gòu)的耐久性。

1.1.2防腐設(shè)計難點

防腐設(shè)計主要通過涂料涂刷于結(jié)構(gòu)表面以形成防護系統(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，當鋼材表面涂刷防腐涂料時會存在細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，對鋼材的防腐保護策略需從以上幾個方面加強。

1.2火災(zāi)對鋼結(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，抗拉強度達到最大值，500℃左右強度下降到常溫的1/2。一般火災(zāi)作用于鋼結(jié)構(gòu)，15min便能達到500℃的高溫?！被馂?zāi)作用時間很短就能使鋼結(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，導熱系數(shù)大。因此，鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危險性大，容易由“點”性火災(zāi)擴散成“面”性火災(zāi)，造成巨大的經(jīng)濟損失。

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)危險中易發(fā)生坍塌，不利于撲救和人員疏散。

“四邊簡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；而無保護層的鋼屋架，耐火極限只有0.25h。”可見，鋼屋架在無保護狀態(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“類多米諾骨牌”。當其中一榀鋼桁架發(fā)生火災(zāi)被破壞，連鎖效應(yīng)便會發(fā)生，引發(fā)整個廠房的破壞。而被廣泛應(yīng)用的金屬屋面，整體度好的同時，整體燃燒的危害更大，一旦失火整個頂棚的坍塌對于廠房和廠房內(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，運輸安全，是綠色環(huán)保涂料，滿足環(huán)境保護和職業(yè)安全要求。同時，此類涂料能有效抵抗酸雨、潮濕空氣的腐蝕，對石油石化產(chǎn)品和有機溶劑具有較高的穩(wěn)定性。無機防腐涂料是現(xiàn)今防腐設(shè)計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，在實踐中并不能達到很好的效果。針對腐蝕物的形態(tài)、鋼結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境進行針對性防腐設(shè)計，促進設(shè)計優(yōu)化。

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

耐高溫的防腐涂料基料和填料均由耐熱、不燃的無機物組成?；现兴幕钚曰鶊F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，形成具有電化學保護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)長效保護。

2.2設(shè)計現(xiàn)狀及市場需求

2.2.1設(shè)計現(xiàn)狀

在實際設(shè)計過程中，防腐蝕設(shè)計一般選用《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:國標圖集引用的涂料有些已經(jīng)陳舊與現(xiàn)行市場推廣的新型涂料相去甚遠。建筑師選取涂料大部分還是按照酸堿性質(zhì)進行選取，選取的方法相對單一，往往需要廠家進行二次設(shè)計。設(shè)計中提供的防腐構(gòu)造大都是理論值，在實際施工中受各種不可抗力影響，實際值會削弱難以達到設(shè)計要求?，F(xiàn)今防腐設(shè)計由設(shè)計院、施工、二次設(shè)計部門共同完成，工作不由一個主體完成，各個部門間協(xié)調(diào)一旦出現(xiàn)問題便無法達到設(shè)計預(yù)期。

2.2.2市場需求

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。

當今市場需要低溶劑、無溶劑重防腐蝕涂料，降低涂料中有機揮發(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。

對有害物質(zhì)在涂料中使用占比的限制是對貫徹職業(yè)安全保護的有力支持。伴隨以人為本和可持續(xù)發(fā)展的深入，我國會繼續(xù)出臺相關(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中份額較低，尤以底漆為主。隨著市場需求的增大，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)危險降低，防患于未然。②防止火災(zāi)擴散蔓延。在設(shè)計時劃分好防火分區(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。當火災(zāi)不可避免時，減少人員損失尤為重要。結(jié)合排煙系統(tǒng)妥善設(shè)計安全出口與安全通道是對人員的有力保護。④主體鋼構(gòu)件防火保護。這是火災(zāi)發(fā)生時對生命最關(guān)鍵的保護，決定了救援時間與疏散時間。

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)型實現(xiàn)耐火要求［3］。

防火板包覆是設(shè)計中經(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。現(xiàn)今設(shè)計中較常使用的為硅酸鈣防火板。耐火極限達到4.0h，最高使用溫度1100℃。硅酸鈣板具有壽命長、強度高、重量輕、抗高溫開裂、施工簡便、經(jīng)濟等優(yōu)點。

耐火鋼是指“除其常溫力學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)計提高到耐600℃的抗火設(shè)計，從而提高鋼結(jié)構(gòu)耐火性。”耐火鋼由于造價等原因使用率不高，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、無機與復(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保護鋼材。

在設(shè)計中，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)計中往往需要同時考慮防腐蝕與防火設(shè)計。由于大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件均通過涂料涂刷達到保護結(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)計優(yōu)劣的關(guān)鍵。這兩個問題在目前化工廠房設(shè)計中也是爭議較大的問題，尚未得到解決。

4.1涂刷次序之爭

目前對于防火涂層與防腐涂層涂刷次序的問題，從業(yè)者并未達成統(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預(yù)作的低級防腐工作，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)上進行防火和防腐。最外層涂刷的防腐材料是針對化工工藝過程中涉及的酸堿物料進行的專業(yè)防腐蝕。

是將防腐還是防火涂刷在外表面設(shè)計界爭論不休。其實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)者審時度勢的分析。

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。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)生化學反應(yīng)或根本無法粘結(jié)極易脫落。

在國內(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試：云鐵中間漆與防火涂料；防火涂料與面漆，這兩項必須做；還要做綜合涂層配套測試，主要指標是考察綜合涂層的附著力測試?！?/p>

建筑設(shè)計師對化工涂料的相容性往往知之甚少，選擇涂膜也都根據(jù)標準圖集確定。單純的選料能保證防護的可行性，但多個涂膜疊加是否可行還需要更專業(yè)的材料工程師的配合。我們希望在國標設(shè)計中能考慮這方面的缺憾，同時為建筑師提供一個學習的平臺更深入的了解涂刷材料的性質(zhì)，優(yōu)化我們的設(shè)計。

5　結(jié)語

化工建筑作為工業(yè)建筑的一個分支易受爆炸、火災(zāi)危和腐蝕的危害。這就需要在建筑設(shè)計過程中博采眾長，兼容并蓄的吸收新型材料和新的產(chǎn)品理念、構(gòu)造方法，增進建筑的安全性和經(jīng)濟合理性?；そㄖ谠O(shè)計行業(yè)的關(guān)注度相對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)計理念不斷推陳出新。假以時日，我們會通過行業(yè)間的扶持協(xié)作設(shè)計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［J］.山西建筑，2007，33 （30）：165-166.

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

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

［5］網(wǎng)絡(luò)評論.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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