某80m单筒式烟囱裂缝及盐酸腐蚀鉴定与分析
[摘要] 介绍某垃圾发电厂80m单筒式混凝土烟囱裂缝及盐酸腐蚀事故鉴定。因83年烟囱设计规范的温度应力设计安全度偏低,加上使用早强水泥及养护不足,导致该烟囱中上部筒壁出现过大的纵向裂缝和环向裂缝,以致焚烧垃圾时产生的HCl,SO2,NOX等有害气体通过这些裂缝渗入到混凝土之中,使其顶部10m范围筒壁遭受盐酸冷凝液等酸介质的严重侵蚀;还分析了腐蚀机理及危害性;证实盐酸腐蚀亦既有酸化腐蚀的特点,又有氯化物腐蚀的特征。
[关键词] 单筒式烟囱;筒壁;裂缝;酸化腐蚀;氯化物腐蚀;鉴定
1 工程概况
某垃圾发电厂80m单筒式混凝土烟囱采用单滑内砌施工,1998年11月建成,2000年10月投入使用。该烟囱按基本风压0•8kN/m2、抗震设防烈度7度设计,上口外直径2•9m,±0外直径6•66m;筒壁厚度160~360mm,12m以下采用双层配筋,12m以上为单层钢筋,混凝土设计强度等级为C25;衬为:240mm厚耐酸砖(12m以下)、120mm厚耐酸砖(12m以上),±0~30m隔热层为100mm厚高炉水渣,30m以上采用50mm空气隔热层;烟囱入口温度215℃,烟气中含有HCl,SO2,NOX及CO等有害气体。2001年5月11日~16日实测的HCl排放浓度为55~68mg/m3,2004年8月10日及2005年5月18日实测的SO2及NOX的排放浓度分别为36~162mg/m3和154~378mg/m3。
该厂在2005年9月初对烟囱避雷针作例行检修时,发现筒壁中上部出现较大裂缝与严重腐蚀,混凝土被胀裂、剥落,故委托作者单位对其进行鉴定。
2 检测
2•1现场检查
经多次现场调查,发现该烟囱筒壁中上部外侧(约40~80m)出现多条过宽过长的纵向裂缝和环向裂缝,纵向裂缝尤为严重,见图1;裂缝部位混凝土结构疏松,甚至可用手剥离,表面呈黄褐色,存在严重腐蚀,钢筋锈蚀亦很严重,见图2。
2•2检测
检测结果显示,烟囱倾斜值为0•002 2,远小于建筑地基基础设计规范[3]规定的高耸结构倾斜限值0•005,故其裂缝可排除地基基础因素的影响;所检测的1•5m筒壁混凝土芯样强度fcor=30•5~39•6MPa,75m筒壁fcor=45•5MPa,47•5MPa,均超过设计要求的C25;抽检的筒壁外侧纵筋及环筋的间距偏差满足混凝土结构工程施工质量验收规范(简称规范[4])的要求或偏密,保护层厚度的正偏差较大;其40~75m筒壁纵向裂缝开展宽度为2•0~5•5mm,远远大于83年烟囱设计规范(简称规范[1])和工业建筑防腐蚀设计规范(简称规范[5])的最大裂缝宽度限值0•15mm(筒壁顶部20m范围内)、0•3mm或0•2mm(其余部位);同时实测的10~75m筒壁外表面温度为44•8℃~73•5℃,烟囱顶面内部的烟气温度为98•7℃。
3 裂缝原因
发电厂单筒式混凝土烟囱出现裂缝是普遍现象。文[6]分析了发电厂及其他行业按规范[1]设计的烟囱在投产后不久(约1年左右)混凝土筒壁就出现纵向裂缝的原因。结合该烟囱实际情况,可以认为其纵向裂缝主要与下列因素有关。
3•1规范因素,温度应力的设计安全度偏低
1)温度应力值比规范计算值高。由于在烟囱投运初期,混凝土的收缩及徐变较小,因规范规定的混凝土弹塑性模量由于考虑收缩及徐变影响取值较低,导致实际温度应力比规范计算值要高。
2)计算筒壁内外自由温度变形时考虑稳定和不稳定传热方式差别的1•25调整系数偏小甚多。
3)封闭空气层失效。封闭空气层有隔热作用,故许多发电厂烟囱采用了这种经济的隔热方法。然而调查发现,这种做法实际效果很不理想。因为该烟囱此部位的内衬仅半砖厚,灰缝难以密实,通缝和泄气现象难以避免,所以封闭空气层并不密封,保温作用很有限。按规范[1]和2002年烟囱设计规范(简称规范[7])计算的该烟囱顶部筒壁外表面冬季温度约为23•4℃,而实测值为73•5℃,亦佐证了封闭空气隔热层失效。
4)内衬、隔热材料的隔热效果差。该烟囱采用耐酸砖作为内衬,高炉水渣作为±0~30m的隔热材料。调查表明,烟囱内衬及隔热层的实际受热温度都低于烟气的露点温度。故当该烟囱采用吸水率高达14•29%的内衬(耐酸砖),以及吸水率较高的高炉水渣作为隔热层时,材料的保温作用会大大降低,而设计往往忽略这一因素,从而导致筒壁外部的内外温差和温度应力计算值偏小。
3•2原材料及施工因素
该烟囱混凝土采用52•5R普通硅酸盐水泥,其3d抗压强度为32•8~39•9MPa,不仅超过文[8]的限值26•0MPa,亦大于62•5R硅酸盐水泥的3d抗压强度限值32•0MPa;其80μm方孔筛的筛余为2•8%~3•5%,远小于文[8]的限值10%。可见,所采用水泥的早期强度和细度极高。以致在±0~8•4m筒壁混凝土脱模后出现了明显的蜂窝、麻面。施工时为解决此问题,在8•4m以上混凝土中添加了缓凝剂PVZ/R。
烟囱工程施工及验收规范(简称规范[9])规定“混凝土脱模后,……并浇水养护,保持经常湿润,其延续时间不应小于7昼夜。”;规范[5]要求,“混凝土浇水养护的时间,……对掺缓凝型外加剂……的混凝土,不得少于14d”。工程所采用的材料特性要求筒壁混凝土浇水养护时间应比14d延长较多。然而,该烟囱施工时对此并未予以注意,以致其浇水养护时间不足,从而因混凝土收缩过大导致筒壁出现早期裂缝。混凝土烟囱筒壁施工养护条件甚差,浇水养护困难,难度随高度增加亦相应增加。烟囱中上部的风速风压都很大,这些早期收缩裂缝在筒壁中上部更加显著,甚至会贯穿筒壁。
4 腐蚀原因
4•1环境因素
据当地气象资料,该厂所在地从投产至今的年平均相对湿度为77%~80%。该烟囱的烟气中含有大量HCl,SO2及NOX等有害的侵蚀性气体。按规范[10]其环境类别为五类,系环境条件最恶劣的一类。气态氯化氢主要来自城市生活垃圾中的大量废塑料。据统计[11],我国南方城市生活垃圾中塑料的平均含量为9•79%,其中以聚氯乙烯居多。聚氯乙烯对光和热的稳定性差,在100℃以上或经过长时间阳光暴晒就会分解产生气体氯化氢,并进一步自动催化分解[12];所以垃圾在锅炉里高温焚烧时会立即产生气态氯化氢。
因规范[1]对烟囱的防腐蚀未作具体规定,而规范[7]只是按照燃煤的含硫量对作了烟囱的腐蚀等级规定,故参照规范[5]对该烟囱的腐蚀等级进行判别。在一般情况下,环境相对湿度采用年平均相对湿度较为符合实际。因此,按该烟囱有害烟气实测排放浓度和当地的年平均相对湿度,用规范[5]可以判定,烟气中的HCl,NOX,SO2对混凝土筒壁均具有强腐蚀性。试验表明[13],水蒸气冷凝温度一般在25~75℃但含有少量SO2后,其露点迅速提高。普通含有SO的烟气,起露点在106~180℃。烟囱设有内衬和隔热层,由于温度梯度的影响,即使烟气温度高达300℃,渗入内衬的烟气仍有可能在筒壁上冷凝成硫酸。何况该烟囱顶部内的烟气温度为98•7℃,故渗入内衬的烟
气会生成酸的冷凝液。这样,在有裂缝的内衬上,含有HCl,SO2,NOX的烟气所形成的盐酸、硫酸和硝酸冷凝液就会在烟囱内部静压的作用下通过内衬裂缝渗入到隔热层、筒壁,从而使混凝土筒壁产生侵蚀。
4•2规范因素
该工程设计时施行的规范[1]对混凝土强度等级、钢筋保护层厚度及筒壁内表面的防腐蚀的要求均较规范[5],[7]偏低。
4•3设计因素
主要是所采用的单筒式烟囱结构形式不合理,内衬紧贴筒壁,且防腐蚀标准偏低,使烟气腐蚀有可乘之机。烟囱设置内衬的目的是保护烟囱筒壁免受烟气的腐蚀,并钝化烟气温度对筒壁的影响。然而,大量调查发现,要把内衬结构作得密不透气,使烟气无法向内衬外部渗透,侵蚀烟囱混凝土筒壁,几乎无法办到,几乎所有砖内衬的砖缝都有裂缝,其中半砖内衬的竖缝开裂更为严重,主要因为砖内衬薄且曲率较大,又由瓦工操作,并非筑炉工人砌筑,该烟囱的砖砌内衬的表面积约1 995m2,又是高空作业,自然难以使所有灰缝都饱满与密实,尤其是在筒壁中上部。如图3显示,该烟囱内衬已出现不少裂缝。这就给HCl,NOX及SO2烟气腐蚀提供了通道。
5 腐蚀机理及危害性分析
已有研究表明[14,15],pH<11•5时,混凝土中钢筋的钝化膜已不稳定;pH<9•88时,钢筋的钝化膜已逐渐破坏;而pH<9时,钢筋的钝化膜已被破坏。
对烟囱筒壁19个混凝土样品所作的化学分析结果显示,40~80m筒壁裂缝部位及未裂缝部位混凝土样品的pH值分别为7•63~10•0和9•57~12•52,Cl-含量(以水泥质量计)分别为0•18~14•00g/kg和0•07~1•37g/kg;75~79m筒壁裂缝部位7个混凝土试样中6个的Cl-含量为0•49~14•00g/kg,超过混凝土质量控制标准(简称标准[16])的限值0•1%。这表明40~80m筒壁裂缝部位已不同程度受到盐酸冷凝液的侵蚀,筒首10m范围内相当显著;40~80m未裂缝部位Cl-含量较低,且pH大多小于11•5,表明其混凝土中钢筋的钝化膜已不稳定,亦已开始受到盐酸侵蚀。
我国目前尚无混凝土中硫酸根SO2-4及硝酸根NO-3含量的控制标准,参照国外有关资料[17],硫酸根SO2-4含量超过水泥质量的0•45%时,确认对钢筋有腐蚀破坏作用。40~80m筒壁裂缝部位及未裂缝部位混凝土样品SO2-4,NO-3的含量分别为0•02~0•39g/kg,0•06~0•37g/kg和0•008~0•092g/kg,0•007~0•057g/kg;pH值分别为7•63~10•0和9•57~12•52,表明裂缝部位已开始受到硫酸及硝酸冷凝液的侵蚀。至于±0~10m的3个样品亦含有氯离子,则是水泥中含有少量的氯离子所致。40m以下混凝土筒壁Cl-,SO2-4,NO-3含量更低,pH=12•2~12•52(>11•5),表明混凝土的碱性和钢筋的钝化膜基本稳定,未受到侵蚀。
上述分析表明,该烟囱筒壁裂缝部位的酸侵蚀以盐酸为主。而烟气中的氯化氢等腐蚀介质日积月累所形成的盐酸等冷凝液从混凝土筒壁内表面的毛细孔和裂缝逐渐渗入到构件后,就会与混凝土水泥石中的氢氧化钙等水化物产生下列主要的化学反应:
Ca(OH)2+2HCl CaCl2+2H2O
3CaO•2Si2O•3H2O+6HCl 3CaCl2+2Si2O•nH2O
3CaO•Al2O3•6H2O+6HCl 3CaCl2+Al2O3•nH2O
CaO•Fe2O3•H2O+2HCl CaCl2+Fe2O3•nH2O
Fe2O3•nH2O+6HCl 2FeCl3+mH2O
3CaO•Al2O3•CaSO4•6H2O+6HCl
3CaCl2+Al2O3+nH2O+CaSO4
其所生成的硫酸钙还会与混凝土中的铝酸四钙起反应,产生更多结晶水的大分子产物———水化三硫铝酸钙(钙钒石),体积将增加1•5倍以上:
3CaSO4•2H2O+4CaO•Al2O3•19H2O
3CaO•Al2O3•3CaSO4•31H2O+Ca(OH)2
上述反应所生成的易溶于水和易潮的氯化钙可随水渗入混凝土内部的毛细孔内,当水分蒸发时,钙就可能会结晶,使钙离子Ca2+流失,混凝土水化物的稳定性就会下降;钙结晶生长过程中体积还会膨胀,从而使混凝土保护层胀裂、粉化、剥落。这是一个极其复杂的多相物理化学作用。
在75~79m筒壁混凝土试样Cl-含量超过标准[16]限值0•1%的裂缝部位,Cl-已进入并达到钢筋表面,开始破坏钝化膜,使钢筋锈蚀发生、发展,锈蚀产物膨胀2~6倍,导致混凝土顺筋开裂,从而使混凝土筒壁形成锈-裂的恶性循环,中上部的裂缝因而进一步扩大,愈来愈宽,且大多贯穿(见图4),其结果必将导致混凝土保护层的彻底剥落和最终破坏;钝化膜遭到破坏后使钢筋表面的这些部位露出了铁基体,与尚完好的钝化膜区域之间构成电位差而形成腐蚀电池,其腐蚀往往由局部开始,逐渐在钢筋表面扩展。
综上所述,虽该烟囱内衬采用耐酸砂浆砌筑,但并未针对其烟气腐蚀性采取严格的防腐蚀措施,以致内衬灰缝出现裂缝后,烟气就逐渐腐蚀筒壁。若设计根据烟气腐蚀条件采取有针对性的严格防腐蚀措施,且将筒壁的腐蚀裕度增加50mm,就有可能避免腐蚀发生,至少可以延缓腐蚀出现的时间;筒壁中上部的早期裂缝是出现腐蚀的诱因,而腐蚀又使裂缝进一步开展裂缝的加剧则使腐蚀愈演愈烈,从而出现周而复始的恶性循环,直至结构破坏。
该烟囱的腐蚀事故亦证实盐酸对混凝土结构的腐蚀既有酸化腐蚀多重化学反应之物理膨胀侵蚀和化学溶蚀导致的混凝土开裂、剥落、损失强度的特点;同时又具有氯化物腐蚀之破坏钢筋钝化膜、形成“腐蚀电池”、去极化作用和导电作用的特征[2]。
6 结论
1)由于设计采用规范的温度应力安全度偏低,以及施工采用早强水泥和养护条件甚差等因素,导致该烟囱外筒壁出现早期裂缝。
2)垃圾发电厂单筒混凝土烟囱的盐酸腐蚀亦既有酸化腐蚀的特点,又有氯化物腐蚀的特征。
3)该烟囱中上部混凝土筒壁已有多条规范[1,5]不允许的纵向裂缝,以及环向裂缝,裂缝部位的混凝土和钢筋受到不同程度的酸腐蚀;其顶部10m范围内裂缝处的盐酸腐蚀尤为明显,混凝土及钢筋劣化严重、力学性能大幅下降,其安全耐久性隐患十分明显,随时存在诱发脆性破坏的可能,应尽快对筒壁、内衬及隔热层进行修复、加固处理。
4)垃圾发电厂宜采用套筒烟囱,不宜采用单筒混凝土烟囱;若采用单筒式烟囱,则应采用有效的防腐蚀措施,以确保足够的耐久性。
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