〔摘 要〕巴西某大型磷肥廠地磷酸濃縮裝置框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的異常情況。針對這一情況，對該區(qū)域62號和42號兩套濃縮裝置的框架結(jié)構(gòu)展開了安全性評估。通過資料收集、現(xiàn)場勘查和設(shè)計文件分析，對框架結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)進行了宏觀和細部分析，發(fā)現(xiàn)裝置存在裂縫、變形及混凝土保護層腐蝕等問題。評估結(jié)果指出，這是由于原設(shè)計安全冗余度低，結(jié)構(gòu)材料性能退化導(dǎo)致，必須采取相應(yīng)措施保障結(jié)構(gòu)安全。基于評估結(jié)果，提出了應(yīng)急處理措施和監(jiān)測要求。

〔關(guān)鍵詞〕磷酸裝置；框架結(jié)構(gòu)；安全性評估；宏觀判斷

中圖分類號：TU375.4 " 文獻標(biāo)志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）0６-0067-05

Safety Assessment of the Frame Structure of a Large Phosphoric Acid Facility in Brazil

HUANG Hengping1， LI Dalang1， WANG Jianqun1， CHEN Weiqing2

（1.China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China;

2. CMOC Group Limited Brazil， Catalao， Goias， 88900-000， Brazil）

Abstract" Abnormalities occurred in the frame structure of a phosphoric acid concentration facility at a large phosphate fertilizer plant in Brazil. A safety assessment was conducted on the frame structures of the two concentration facilities， 62 and 42， in the area. Through data collection， on-site investigation and analysis of design documents， the frame structure and its foundation were analyzed from both macro and micro perspectives. It was found that the facility has some problems such as cracks， deformation and corrosion of the concrete cover. The results of the assessment indicated that some corresponding measures must be taken to ensure structure safety owing to low safety redundancy in the original design and degradation of the structural material performance. According to the results of the assessment， emergency response measures and monitoring requirements were proposed.

Keywords" phosphoric acid facility; frame structure; safety assessment; macro judgement

建構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全性評估，作為確保工業(yè)生產(chǎn)安全的重要環(huán)節(jié)，旨在通過系統(tǒng)的檢測、分析與判斷，對建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性進行客觀評價。這一過程不僅關(guān)乎生產(chǎn)人員的生命安全，還直接影響到企業(yè)的生產(chǎn)運行效率和經(jīng)濟效益。隨著工業(yè)設(shè)施的老齡化，結(jié)構(gòu)安全問題日益凸顯，開展結(jié)構(gòu)安全性評估已成為保障工業(yè)生產(chǎn)不可或缺的一環(huán)。本文擬以巴西某大型磷肥廠磷酸濃縮裝置框架結(jié)構(gòu)的安全性評估為例，深入探討建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全性評估的具體操作過程，包括如何在有限的時間窗口和成本約束下，通過細致的資料審查、現(xiàn)場勘查、技術(shù)分析與應(yīng)急處理，有效保障生產(chǎn)安全運行，為老舊廠房結(jié)構(gòu)的安全使用提供技術(shù)參考。

1" "項目概況

巴西某大型磷肥廠位于巴西中西部戈亞斯州的卡塔朗市郊工業(yè)區(qū)，占地面積為1 525 362 m2；建筑面積為67 634.62 m2，包括磷酸濃縮區(qū)域、磷酸存儲區(qū)域、酸化倉庫、磷酸過濾區(qū)域、硫酸區(qū)域、磷精礦干燥與過濾區(qū)域、污水處理站、硫磺區(qū)域和輔助設(shè)施。該廠在巴西乃至南美地區(qū)都屬于規(guī)模較大的磷肥廠，在當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。該廠生產(chǎn)廠區(qū)總平面實景如圖1所示。

2" " 框架結(jié)構(gòu)安全性評估背景

2.1" 磷酸濃縮區(qū)域情況

磷酸濃縮區(qū)域由NO.62和NO.42兩套濃縮裝置（以下分別簡稱為“62裝置”和“42裝置”）組成。這兩套裝置是磷肥廠的核心生產(chǎn)裝置之一，生產(chǎn)工藝流程基本相同，且必須連續(xù)運行。資料顯示，62裝置為2001年設(shè)計，5層（局部2層），橫向單跨、縱向四跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，無維護墻體和屋面。42裝置為2007年設(shè)計，6層（局部2層），橫向單跨、縱向四跨框架結(jié)構(gòu)，無維護墻體和屋面。這兩套裝置由不同的設(shè)計單位設(shè)計。2018年，該廠對底層地面（標(biāo)高819.15 m）進行了改造設(shè)計。 62裝置和42裝置如圖2、圖3所示。

2.2" 安全評估要求的提出

2022年7月，現(xiàn)場生產(chǎn)人員發(fā)現(xiàn)62裝置的1根框架柱與地面交接處出現(xiàn)裂縫，62裝置與42裝置之間的連接鋼走道，在靠近62裝置一端的支承端（滑動支座）支承長度變短，局部梁、柱的混凝土保護層生產(chǎn)人員對框架結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象。該問題引起了該區(qū)域員工的恐慌，他們對該框架結(jié)構(gòu)能否保障人身安全提出質(zhì)疑，上報企業(yè)管理層和相關(guān)政府管理部門要求處理。

由于該磷化工廠是運行多年的老企業(yè)，大部分廠房結(jié)構(gòu)均處于需要維修加固的狀態(tài)。磷酸濃縮區(qū)域是工廠生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，既要保證生產(chǎn)人員安全，又要保障生產(chǎn)正常運行。鑒于該區(qū)域框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)不安全征兆，因此亟需對其進行安全性評估，提出處理方案，保障生產(chǎn)安全運行。

2" "安全性評估的范圍和內(nèi)容

由于62裝置和42裝置是磷肥廠中扮演著核心生產(chǎn)角色，且需保持連續(xù)運行狀態(tài)，因此這些裝置停產(chǎn)檢修的時間窗口極其有限。在以往的停產(chǎn)檢修過程中，該廠從未對裝置的框架結(jié)構(gòu)進行過系統(tǒng)性的維修。從該廠總平面布置情況來看，由于場地條件的限制，將該裝置異地新建難以實現(xiàn)。此外，該工廠歷經(jīng)多次業(yè)主更迭，導(dǎo)致技術(shù)資料留存不全，給方案的確定也帶來了不小的挑戰(zhàn)。加之加固工程本身費用高昂，為確保生產(chǎn)計劃的順利進行，加固改造工程的實施時間也受到了嚴格的限制。

針對磷酸濃縮區(qū)域出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)安全性問題，技術(shù)人員需要結(jié)合工廠的生產(chǎn)計劃，對框架結(jié)構(gòu)的異常情況進行全面、細致地分析與判斷，并在此基礎(chǔ)上，制定出既切實可行又經(jīng)濟高效的檢測與監(jiān)測方案，以節(jié)省時間和資源。

經(jīng)過研究，本次安全性評估的核心聚焦于62裝置和42裝置的支承框架結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)，旨在全面審視并評估其安全性能。評估工作主要圍繞以下三大核心內(nèi)容展開：1）資料審查與現(xiàn)場調(diào)研。深入研讀業(yè)主提供的設(shè)計文件，確保對裝置的原始設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點有全面了解。實地探訪項目現(xiàn)場，觀察裝置的生產(chǎn)工藝流程，調(diào)查裝置的歷史使用情況。2）實體觀測與異常記錄。對裝置的支承框架結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)進行現(xiàn)場觀測，記錄所有發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)異常，包括構(gòu)件損傷、結(jié)構(gòu)變形等。3）進行初步的技術(shù)分析并保留建議。基于現(xiàn)場觀測和資料審查，對支承框架結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)出現(xiàn)的問題進行初步的技術(shù)剖析。根據(jù)分析結(jié)果，提出明確的使用注意事項，并制定詳細的安全監(jiān)測要求，以確保裝置在現(xiàn)有條件下的安全運行。

3" "評估工作的開展與問題的解決

3.1" 存在問題

2022年7月，工人報告的主要問題有：1）62裝置62-2-B框架柱底部混凝土面層開裂，見圖4。2）固定管道支架的螺栓從梁側(cè)拔出，見圖5。3）62裝置與42裝置之間水平距離變大，兩套裝置連接鋼樓梯支承長度不足，見圖6。4）兩套裝置之間管道支架與支承牛腿發(fā)生偏移，見圖7。

3.2" 問題分析及應(yīng)急處理

發(fā)現(xiàn)上述情況后，裝置區(qū)域生產(chǎn)人員對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生擔(dān)憂，企業(yè)管理層高度重視，聘請了巴西當(dāng)?shù)毓こ處煬F(xiàn)場評估，同時邀請中國專家遠程參與視頻會討論應(yīng)對措施。

研究發(fā)現(xiàn)，該問題的重點在于62裝置的一根框架柱底部的裂縫上。62裝置框架是由10根框架柱組成的鋼筋混凝土單跨框架結(jié)構(gòu)體系，基礎(chǔ)為帶擴大頭的灌注樁基礎(chǔ)，出現(xiàn)裂縫的柱為第2排邊柱。由于上部結(jié)構(gòu)的傾斜不明顯，通過整體研判，結(jié)構(gòu)專家認為立即出現(xiàn)整體坍塌的風(fēng)險低，但根據(jù)巴西工程師要求，對出現(xiàn)裂縫的框架柱采取了利用軌道鋼托住梁柱節(jié)點區(qū)域的應(yīng)急處理措施，見圖8。

3.3" 原因分析

3.3.1" 對原設(shè)計資料進行評估

1）42裝置區(qū)域結(jié)構(gòu)。

42裝置原結(jié)構(gòu)設(shè)計為鋼筋混凝土單跨框架結(jié)構(gòu)，無圍護墻，樓面存在設(shè)備大開洞，A-B柱為5層，B-C-D柱為4層、D-E為2層，結(jié)構(gòu)平面，豎向不規(guī)則，單跨框架剛度偏弱，并增設(shè)了原設(shè)計施工圖未顯示的外懸挑鋼平臺。在二層局部存在豎向柱轉(zhuǎn)換。42裝置框架三維軸測圖見圖9。

查閱收集到的42區(qū)域計算書，發(fā)現(xiàn)設(shè)計計算時，各層設(shè)備荷載均已列出，樁基礎(chǔ)也是根據(jù)基底內(nèi)力和勘察資料進行設(shè)計的。樁為擴底樁，單樁承載力為1 800 kN，計算要求最大單樁承載力為1 490 kN，設(shè)計承載力有一定余量。

專家研究發(fā)現(xiàn)，計算書中的樁基與樁基施工圖的布置不完全相符。施工圖的1-D和1-C為三樁，而計算書是兩樁。計算書的樁徑為80 cm，擴底直徑為170 cm；施工圖的樁徑為70 cm，擴底直徑為170 cm，且施工圖未注明單樁承載力要求。42裝置施工圖樁基平面布置見圖10。原巖土工程勘查報告缺失。

42裝置結(jié)構(gòu)布置冗余度低，結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力差，結(jié)構(gòu)重心相對偏向西側(cè)，樁基礎(chǔ)設(shè)計有利于抵抗框架向東側(cè)傾覆。 42裝置結(jié)構(gòu)底層為梁、板結(jié)構(gòu)，地基土是否存在腐蝕并對結(jié)構(gòu)造成影響需進一步檢查分析。此外，專家從設(shè)計計算書中還發(fā)現(xiàn)，42裝置結(jié)構(gòu)在設(shè)備空載和滿載兩種情況下的荷載差異較大，是否影響監(jiān)測結(jié)果需要進一步分析。

2） 62裝置區(qū)域結(jié)構(gòu)。

62裝置區(qū)域原結(jié)構(gòu)設(shè)計為A-B柱為4層，B-C-D柱為3層、D-E為2層，結(jié)構(gòu)平面和豎向均不規(guī)則。結(jié)構(gòu)為單跨框架，基礎(chǔ)為單柱單樁，樁為擴底樁，樁承臺間未設(shè)置基礎(chǔ)拉梁，框架柱在承臺處無法形成剛結(jié)，基礎(chǔ)無抵抗水平荷載的能力。

62裝置區(qū)域收集的設(shè)計資料嚴重缺失，結(jié)構(gòu)設(shè)計計算書、場地巖土工程勘查報告和設(shè)備荷載資料、工程竣工驗收資料和竣工圖均未能收集到。

從原設(shè)計圖紙來看，設(shè)計安全冗余度低，未考慮磷酸長期腐蝕作用和振動設(shè)備的沖擊荷載作用，特別是與42裝置區(qū)域結(jié)構(gòu)相比，62裝置區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)計存在嚴重缺陷，柱斷面遠小于42裝置區(qū)域，安全度非常低。

另外，專家組未查到原設(shè)計工作年限的相關(guān)規(guī)定。目前，62區(qū)域運行已超過20年，42區(qū)域運行也接近20年。酸的長期腐蝕作用和振動設(shè)備的沖擊荷載作用使結(jié)構(gòu)材料性能退化，地基土腐蝕嚴重，已經(jīng)產(chǎn)生向上的隆起，嚴重影響基礎(chǔ)和上部框架結(jié)構(gòu)的安全。

3.3.2" 現(xiàn)場勘查情況評估

1）現(xiàn)場勘查情況。

本系統(tǒng)為磷酸濃縮裝置，生產(chǎn)過程中管道、設(shè)備存在跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，加上維修時需要對設(shè)備、管道進行清洗，導(dǎo)致地面上會有酸性廢水出現(xiàn)。原設(shè)計做法是采用混凝土剛性地面找坡，將酸性廢水排向中部的排水溝，最后接入62、42裝置之間的廢水池。

地面排水溝在使用過程中出現(xiàn)開裂滲漏，酸性廢水滲入底板以下的地基土中，導(dǎo)致磷酸與土壤反應(yīng)出現(xiàn)膨脹形象，混凝土剛性地面隆起，裂縫發(fā)展。其間，廢水池也出現(xiàn)裂縫，廢水滲入池底及周邊土壤，對62裝置和42裝置底層板造成向上頂升的不良影響。

2）框架柱開裂的原因分析。

62裝置框架柱底部開裂原因復(fù)雜，但主要影響因素為混凝土剛性地面上浮引起，加上柱的混凝土保護層較厚，在腐蝕環(huán)境下使用年限長達二十余年，柱的混凝土表面發(fā)生碳化，在其他外力作用下容易開裂。

62裝置的水封罐直接放置在開裂柱的上方，水封罐在系統(tǒng)運行時承受很大的沖擊振動荷載，并傳遞給支承板和框架梁柱上。該區(qū)域結(jié)構(gòu)無次梁支承設(shè)備，由厚板作為設(shè)備基礎(chǔ)。

3.3.3" 兩個裝置間距變大的原因分析

42裝置與62裝置是相互獨立的結(jié)構(gòu)單元，42裝置與62裝置之間有3 m的間距，因此在4層設(shè)置有一個鋼結(jié)構(gòu)平臺的連通。該鋼平臺一端固定在42裝置樓面上，另一端鋼梁自由放置在62裝置樓面上。

現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，42裝置在非相鄰62裝置的東側(cè)框架柱上增加了大型外挑鋼平臺和管道；62裝置在非相鄰42裝置的西側(cè)框架柱上增加了鋼結(jié)構(gòu)樓梯和管道支架。這就造成了相對運動的趨勢，成為42裝置與62裝置間距變大的主要影響因素之一。

另外，42裝置與62裝置之間廢水池的滲漏，使具有膨脹腐蝕性的磷酸滲入地基土，產(chǎn)生了向上的頂升力，造成42裝置西側(cè)柱上浮，62裝置東側(cè)柱上浮，導(dǎo)致42裝置向東傾斜，62裝置向西傾斜。這成為兩個裝置間距變大的又一影響因素。

4" "安全性評估結(jié)果及建議

4.1" 評估結(jié)果

經(jīng)過專家組的調(diào)研、評估，最終得出以下結(jié)論：1）目前建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)基本維持原設(shè)計狀態(tài)，出現(xiàn)突發(fā)性整體坍塌的概率較低。2）原設(shè)計安全冗余度低，未考慮磷酸長期腐蝕作用，結(jié)構(gòu)材料性能退化，安全度隨著時間增加逐步降低。3）水封罐作為沖擊振動設(shè)備未按通常做法直接安裝在地面基礎(chǔ)上，而是安裝在樓面上，使結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊荷載作用，造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)開裂。4）建筑物已經(jīng)出現(xiàn)裂縫和變形，繼續(xù)使用存在安全風(fēng)險，必須采取相應(yīng)措施保障結(jié)構(gòu)安全。

4.2" 應(yīng)急處理要求及措施

基于上述問題，技術(shù)人員提出了以下應(yīng)急處理要求及措施：1）建立42裝置與62裝置監(jiān)測檢查制度。在結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生突變的情況下，每周進行兩次沉降和垂直度的測量（見圖11）；在生產(chǎn)過程中安排專業(yè)工程師每天巡檢，觀測裂縫的變化及新裂縫的產(chǎn)生情況（見圖12）。2）開展42裝置與62裝置區(qū)域地基土檢測和監(jiān)測。對開裂區(qū)域地基土進行開挖和鉆探（見圖13、圖14），化驗分析土壤腐蝕情況和對建筑物基礎(chǔ)腐蝕情況，并設(shè)置環(huán)境監(jiān)測點。3）對42裝置與62裝置區(qū)域應(yīng)急維修改造，包括：（1）搬遷舊污水池，新建外部污水池整改地溝，做好污水收集、管道輸入的措施。（2）整改泵區(qū)圍堰與地坪防止?jié)B漏，泵區(qū)圍堰與地坪可增加鋪設(shè)HDPE膜作為地坪水平防滲、圍堰垂直防滲措施。（3）制定已開裂框架柱、梁處理方案并實施。

4.3" 裝置結(jié)構(gòu)使用建議

后續(xù)裝置結(jié)構(gòu)使用建議如下：1）在使用過程中建立長期框架結(jié)構(gòu)整體和局部變形的監(jiān)測定期制度，出現(xiàn)異常及時報告，并加密監(jiān)測頻次。2）對結(jié)構(gòu)應(yīng)進行定期巡檢、維護，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形異常時應(yīng)及時停止使用，并進行整體結(jié)構(gòu)可靠性鑒定，根據(jù)評估鑒定結(jié)論進行加固搶險處理。3）磷酸區(qū)域?qū)Φ鼗梁突A(chǔ)的腐蝕情況進行抽樣檢測、鑒定。4）定期檢修設(shè)備和管道，盡可能減少生產(chǎn)過程的酸液跑、冒、滴、漏。5）維修已經(jīng)開裂的地面，做好防腐防滲措施。6）對已被腐蝕開裂的結(jié)構(gòu)件進行修復(fù)補強。

5" "結(jié)語

本文通過對巴西某大型磷肥廠磷酸濃縮裝置框架結(jié)構(gòu)的安全性評估，系統(tǒng)闡述了建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全性評估的重要性及其在實際工程中的應(yīng)用。評估結(jié)果表明，該項目原設(shè)計安全冗余度低、結(jié)構(gòu)材料性能退化以及磷酸腐蝕等因素共同導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)安全隱患。針對這些問題，本文提出了包括建立監(jiān)測檢查制度、開展地基土檢測和監(jiān)測、實施應(yīng)急維修改造等一系列切實可行的應(yīng)急處理措施和使用建議。這些措施不僅有效保障了生產(chǎn)安全運行，也為類似老舊廠房結(jié)構(gòu)的安全使用提供了范例。

本文的研究可以得出以下結(jié)論：1）建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)充分考慮設(shè)備運行過程，設(shè)備運行荷載、管道跑冒滴漏介質(zhì)對地基基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響。2）磷酸濃縮裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮設(shè)備的合理布置，磷酸腐蝕介質(zhì)的有效防護和隔離，結(jié)構(gòu)應(yīng)保障足夠的安全冗余。3）在進行建筑結(jié)構(gòu)安全性評估時，要重視收集資料、現(xiàn)場勘查、聽取現(xiàn)場生產(chǎn)人員的情況報告，避免由于資料不全，未對現(xiàn)場情況了解清楚而造成誤判。4）項目所在地對老舊建筑結(jié)構(gòu)的檢測、試驗費用極高，應(yīng)盡可能減少檢測、試驗項目，重視工程安全性的宏觀判斷，結(jié)合現(xiàn)場觀測和局部檢測確定維護、加固方案。5）因設(shè)備持續(xù)運行，腐蝕的過程持續(xù)且漫長，導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)性能會不斷退化，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測方案做好生產(chǎn)運行過程中的長期監(jiān)測工作。