熱電廠海水冷卻塔耐久性修復(fù)設(shè)計(jì)

張琨，方翔*，倪靜姁

（1.中交四航局港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；3.交通運(yùn)輸部水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230）

熱電廠海水冷卻塔耐久性修復(fù)設(shè)計(jì)

張琨1，方翔2,3,*，倪靜姁2,3

（1.中交四航局港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；3.交通運(yùn)輸部水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230）

某熱電廠海水冷卻塔在運(yùn)行6年后，保護(hù)涂層失效剝落，混凝土內(nèi)鋼筋遭受腐蝕。根據(jù)不同的破損情況，提出相應(yīng)的修補(bǔ)措施。對(duì)環(huán)氧類涂層、環(huán)氧玻璃鱗片類涂層和納米無(wú)溶劑重防腐涂層在海水冷卻塔上的適用性進(jìn)行驗(yàn)證，并針對(duì)不同區(qū)域提出相應(yīng)的涂層配套方案。

海水冷卻塔；耐久性；修復(fù)；涂層；環(huán)氧；重防腐

海水冷卻塔是海水循環(huán)冷卻技術(shù)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)[1]。冷卻塔形式多樣，特大型海水冷卻塔多采用自然通風(fēng)逆流式雙曲線冷卻塔，屬于大型鋼筋混凝土構(gòu)筑物，主要由現(xiàn)澆的鋼筋混凝土塔體、蓄水池和塔內(nèi)淋水構(gòu)件組成，其中混凝土塔體包括人字柱、環(huán)梁和筒壁。

冷卻塔面臨嚴(yán)峻的耐久性問(wèn)題，尤其是筒內(nèi)壁、環(huán)梁、人字柱、塔內(nèi)淋水構(gòu)件、蓄水池等部位所處的腐蝕環(huán)境較一般海工結(jié)構(gòu)更為惡劣[2]。主要的腐蝕因素包括：

(1) 高鹽。冷卻塔內(nèi)海水不斷循環(huán)、蒸發(fā)，其含鹽量是普通海水的3 ～ 5倍。

(2) 高溫。冷卻塔海水介質(zhì)溫度可達(dá)40 °C，高溫會(huì)加速致蝕物質(zhì)的滲透，使鋼筋銹蝕起始時(shí)間提前，同時(shí)會(huì)加快鋼筋的銹蝕，大大縮短結(jié)構(gòu)的壽命。

(3) 鹽霧。冷卻塔內(nèi)因含有大量蒸汽而形成的鹽霧侵蝕對(duì)混凝土造成的損傷大于海水侵蝕[3]。

(4) 沖刷。冷卻塔在工作過(guò)程中還受到海水沖刷。

在如此惡劣的環(huán)境下，為確保海水冷卻塔達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，必須采取措施延緩或阻礙氯離子滲透。

某熱電廠建有2座淋水面積約6 000 m2的海水冷卻塔，均采用強(qiáng)度等級(jí)為C40的水工混凝土建造。為保證冷卻塔的耐久性，對(duì)筒內(nèi)壁、環(huán)梁、人字柱及淋水構(gòu)件采取了混凝土表面附加涂層的防腐蝕措施。原涂層設(shè)計(jì)保護(hù)年限為8 ～ 10 a，涂層厚度為200 μm，附著力要求大于1.5 MPa。

然而，由于冷卻塔建造當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可借鑒，涂層未能在嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境下抵御侵蝕，在到達(dá)設(shè)計(jì)保護(hù)年限前已老化失效，筒內(nèi)壁及淋水構(gòu)件的部分區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重的涂層剝落。在混凝土保護(hù)層厚度不足或露筋的區(qū)域，混凝土表面也出現(xiàn)多處局部銹跡。對(duì)冷卻塔不同區(qū)域進(jìn)行取芯檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)氯離子已滲入混凝土內(nèi)，但總體上還未超過(guò)臨界濃度。

由于冷卻塔中涂層已經(jīng)失效，氯離子的滲透速度將加快。如果不及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題將愈發(fā)惡化。根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，越早進(jìn)行修復(fù)，所花費(fèi)的成本越低，效果越好。因此應(yīng)盡早開展冷卻塔的修復(fù)工作。耐久性修復(fù)范圍包括冷卻塔筒壁內(nèi)壁、環(huán)梁、人字柱、淋水構(gòu)件及水池。修復(fù)工作應(yīng)包括兩部分：

(1) 針對(duì)冷卻塔內(nèi)壁出現(xiàn)的施工缺陷和局部銹斑進(jìn)行混凝土破損修補(bǔ)。

(2) 修補(bǔ)后應(yīng)采取附加防腐蝕措施，阻止或延緩氯離子滲透，保護(hù)鋼筋不受腐蝕侵害。

1 破損修補(bǔ)

對(duì)于混凝土缺陷區(qū)域，應(yīng)根據(jù)缺陷成因進(jìn)行修補(bǔ)。導(dǎo)致缺陷主要有混凝土施工以及鋼筋銹蝕兩方面的原因。

混凝土結(jié)構(gòu)中的施工缺陷包括由于振搗不充分形成的蜂窩、露石，綁扎鋼筋時(shí)伸入保護(hù)層甚至外露的扎絲，以及未拆除的模板拉桿，等等。這些缺陷會(huì)降低混凝土自身的耐久性，并削弱后續(xù)附加防腐蝕措施的有效性。對(duì)混凝土施工缺陷進(jìn)行修補(bǔ)時(shí)，應(yīng)鑿除缺陷混凝土至露出結(jié)實(shí)平整的表面，清除缺陷處的非設(shè)計(jì)要求設(shè)置的外漏鐵件(如有)，并采用聚合物水泥砂漿恢復(fù)斷面。為提高修補(bǔ)材料與原混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，可先在混凝土表面涂刷界面材料。施工缺陷修補(bǔ)的整個(gè)流程如下：鑿除待修復(fù)處混凝土→清除外漏鐵件(如有)→用淡水清洗混凝土表面→刷涂界面材料→聚合物砂漿修補(bǔ)→質(zhì)量檢查及驗(yàn)收。

冷卻塔內(nèi)壁出現(xiàn)的局部銹斑主要由鋼筋銹蝕引起，應(yīng)及時(shí)采取修補(bǔ)措施，避免銹蝕進(jìn)一步發(fā)展而嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性以及安全性。對(duì)于因鋼筋銹蝕造成的破損，修補(bǔ)時(shí)需鑿除混凝土保護(hù)層至露出鋼筋銹蝕部分，對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹、阻銹處理，并用聚合物水泥砂漿恢復(fù)斷面。如果鋼筋銹蝕嚴(yán)重，斷面損失超過(guò)10%，還應(yīng)補(bǔ)焊鋼筋。鋼筋銹蝕缺陷的修補(bǔ)流程如下：鑿除待修復(fù)處混凝土→鋼筋表面除銹、補(bǔ)筋(如需)→混凝土表面清洗→對(duì)鋼筋噴射阻銹劑→刷涂界面材料→聚合物砂漿修補(bǔ)→質(zhì)量檢查及驗(yàn)收。

2 附加防腐蝕措施

混凝土附加防腐蝕措施一般有硅烷浸漬、涂層、陰極保護(hù)等。不同措施的保護(hù)效果及成本相差較大，應(yīng)根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)及保護(hù)年限要求進(jìn)行選擇。

2. 1 冷卻塔內(nèi)壁的劃分

為了使附加防腐蝕措施更具針對(duì)性，根據(jù)環(huán)境腐蝕特點(diǎn)對(duì)冷卻塔進(jìn)行區(qū)域劃分。按《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50476–2008)海水冷卻塔環(huán)境作用等級(jí)可劃分為III-E及III-F。除水器上部區(qū)域?qū)儆贗II-E(海洋氯化物環(huán)境，作用等級(jí)非常嚴(yán)重)，除水器以下區(qū)域?qū)儆贗II-F(海洋氯化物環(huán)境，作用等級(jí)極端嚴(yán)重)。對(duì)于除水器以上的區(qū)域，還可根據(jù)腐蝕因素作進(jìn)一步劃分[4]，見圖1。

2. 2 附加防腐蝕措施的設(shè)計(jì)

涂層保護(hù)是通過(guò)在混凝土表面形成較為致密的保護(hù)膜，隔絕各種致蝕物質(zhì)(如氯離子、水汽)的滲透，從而起到保護(hù)作用，提高混凝土的耐久性。涂層保護(hù)年限較短，一般10年左右。與其他附加防腐蝕措施相比，涂層施工工藝簡(jiǎn)單，施工成本較低，達(dá)到保護(hù)年限后可重新涂覆，從而繼續(xù)提供保護(hù)。

冷卻塔內(nèi)出現(xiàn)的鋼筋銹蝕為局部銹蝕。經(jīng)過(guò)修補(bǔ)后，這部分缺陷得以治理?？紤]到冷卻塔鋼筋表面氯離子濃度大部分仍未達(dá)到臨界值，因此在修補(bǔ)后采用涂層作為附加防腐蝕措施，阻礙氯離子的進(jìn)一步滲透，維持結(jié)構(gòu)的耐久性水平。

2. 3 涂層性能的評(píng)價(jià)

海水冷卻塔涂層需重點(diǎn)關(guān)注其耐堿性、耐濕熱性、耐鹽霧性、耐海水浸泡性和耐紫外老化性[5]。耐堿性是混凝土涂層的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因?yàn)榛炷帘旧韷A性高。耐濕熱性、耐鹽霧性和耐海水浸泡性是冷卻塔內(nèi)部高溫、高濕的腐蝕環(huán)境對(duì)涂層的要求。耐紫外老化性則是針對(duì)冷卻塔頂部區(qū)域受太陽(yáng)照射，紫外線侵蝕嚴(yán)重而提出的要求。

圖1 冷卻塔環(huán)境區(qū)域劃分示意圖Figure 1 Schematic diagram showing the classification of environmental zones for seawater cooling tower

選用3類涂層共6個(gè)配套進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)其在冷卻塔內(nèi)的適用性。其中配套1和2為普通環(huán)氧類涂層，配套3和4為環(huán)氧玻璃鱗片類涂層，配套5和6為納米無(wú)溶劑重防腐涂層。同一類涂層中2個(gè)配套的區(qū)別在于其中一個(gè)增加了耐紫外線的聚氨酯面漆(即配套1、3、5)以適應(yīng)受太陽(yáng)照射的區(qū)域，另一個(gè)配套不含耐紫外線面漆(包括配套2、4、6)。6個(gè)涂層配套的方案見表1。

表 1 6個(gè)待評(píng)價(jià)的涂層配套方案Table 1 Six coating systems to be evaluated

上述配套分別涂覆在配合比與電廠冷卻塔混凝土一樣的混凝土試塊上，并分別依據(jù)《漆膜耐濕熱測(cè)定法》(GB/T 1740–2007)、《色漆和清漆 耐液體介質(zhì)的測(cè)定》(GB/T 9274–1988)、《色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測(cè)定》(GB/T 1771–2007)和《機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗(yàn)方法 熒光紫外燈》(GB/T 14522–2008)進(jìn)行耐濕熱老化、耐海水浸泡、耐鹽霧、耐紫外老化試驗(yàn)，時(shí)間均為1 000 h，試驗(yàn)后根據(jù)《色漆和清漆 涂層老化的評(píng)級(jí)方法》(GB/T 1766–2008)對(duì)涂層表觀進(jìn)行評(píng)價(jià)，并依據(jù)《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTJ 275–2000)測(cè)試涂層附著力。導(dǎo)致混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕的主要物質(zhì)是氯離子、水和氧氣，而鹽霧環(huán)境最有利于這3種物質(zhì)的滲透，引起的腐蝕最嚴(yán)重，因此在鹽霧試驗(yàn)后按《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 270–1998)進(jìn)行混凝土氯離子含量測(cè)定。要求所有試驗(yàn)后涂層的耐老化性能應(yīng)達(dá)到優(yōu)等，涂層附著力不小于2 MPa，混凝土內(nèi)氯離子濃度不超過(guò)臨界值。

2. 3. 1 外觀

外觀評(píng)價(jià)項(xiàng)目包括變色、粉化、開裂、起泡和剝落。各配套涂層經(jīng)過(guò)老化試驗(yàn)后均無(wú)上述外觀缺陷，綜合老化性能等級(jí)為0級(jí)，達(dá)到最優(yōu)等。圖2為配套1涂層在1 000 h快速試驗(yàn)后的外觀照片。

圖2 配套1涂層在經(jīng)過(guò)1 000 h的不同試驗(yàn)后涂層的外觀Figure 2 Appearance of coating No.1 after 1 000 h of different tests

2. 3. 2 附著力

各試塊經(jīng)老化試驗(yàn)后的附著力見表2，表中的結(jié)果為同一試塊3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均值。各配套涂層在老化試驗(yàn)后的附著力均能滿足指標(biāo)要求。另外，在同類涂層中，帶聚氨酯面漆配套涂層的附著力普遍低于不帶聚氨酯面漆的涂層的附著力。

表2 不同老化試驗(yàn)后6種涂層的附著力Table 2 Adhesion strength of six coatings after different aging tests

2. 3. 3 抗氯離子滲透性能

圖3為中性鹽霧試驗(yàn)后，混凝土試件中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度的變化?！陡劭谒そㄖ餀z測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》(JTJ 302–2006)指出：對(duì)于腐蝕最為嚴(yán)重的浪濺區(qū)，引起混凝土中鋼筋腐蝕的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)(占膠凝材料質(zhì)量的百分?jǐn)?shù))臨界值約為0.40%。根據(jù)試件所用配合比得到臨界氯離子含量占混凝土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)應(yīng)為0.07%?？梢姼髋涮自嚰械穆入x子質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)未達(dá)到臨界值。

圖3中的“空白”反映了混凝土自身固有的氯離子。采用了聚氨酯面漆的配套1、3和5的氯離子滲透情況與空白相當(dāng)，而沒(méi)有采用聚氨酯面漆的配套2、4和6在深度5 mm以內(nèi)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，在大于5 mm深度下的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)與本體基本一致?？梢娭行喳}霧試驗(yàn)中，含聚氨酯面漆的涂層配套較不含聚氨酯面漆的同類涂層配套具有更好的抗氯離子滲透性能。

2. 4 推薦的涂層配套方案

試驗(yàn)的3類涂層都能滿足耐老化性能的要求。厚漿型改性環(huán)氧樹脂與納米無(wú)溶劑重防腐涂料一次涂覆便可達(dá)到指定厚度，而環(huán)氧玻璃鱗片涂層需要涂覆3道。由于冷卻塔屬于高空作業(yè)，人工成本較高，因此相對(duì)而言，厚漿型改性環(huán)氧樹脂與納米無(wú)溶劑重防腐涂料在節(jié)省施工時(shí)間和成本上有優(yōu)勢(shì)。納米無(wú)溶劑重防腐涂料的成本較高，但其擁有較好的耐磨性能。根據(jù)《色漆和清漆 耐磨性的測(cè)定 旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法》(GB/T 1768–2006)，在1 kg載荷下以橡膠砂輪對(duì)磨1 000轉(zhuǎn)后，其磨耗小于10 mg。因此建議優(yōu)先采用厚漿型改性環(huán)氧樹脂，并根據(jù)冷卻塔不同區(qū)域腐蝕特點(diǎn)進(jìn)行配套選擇(見表3)。

圖3 經(jīng)中性鹽霧試驗(yàn)后不同涂層試件內(nèi)部的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度的變化Figure 3 Variation of mass concentration of chloride ions along depth in specimens treated with different coatings after neutral salt spray test

表3 海水冷卻塔不同區(qū)域推薦的涂層配套Table 3 Coating systems recommended for different zones of seawater cooling tower

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于附加防腐蝕措施已失效，但混凝土內(nèi)氯離子總體上還未達(dá)臨界濃度的海水冷卻塔結(jié)構(gòu)，應(yīng)及時(shí)開展耐久性修復(fù)工作。耐久性修復(fù)包括對(duì)已破損混凝土的修補(bǔ)，以及在修補(bǔ)后實(shí)施附加防腐蝕措施。修補(bǔ)工作應(yīng)包括彌補(bǔ)原有的蜂窩、露石，去除保護(hù)層內(nèi)非設(shè)計(jì)要求設(shè)置的鐵件，以及其他混凝土施工缺陷，并對(duì)局部的鋼筋銹蝕進(jìn)行斷面修復(fù)。附加防腐蝕措施建議采用涂層，要求涂層在設(shè)計(jì)保護(hù)年限內(nèi)能提供有效防護(hù)。需對(duì)擬采用的配套涂層進(jìn)行耐濕熱、耐海水浸泡、耐鹽霧、耐紫外老化等性能評(píng)價(jià)，并根據(jù)冷卻塔不同部位的環(huán)境特點(diǎn)和施工特點(diǎn)來(lái)選擇合適的涂層配套方案。

[1] 王廣珠, 李承蓉, 周金德, 等. 海水循環(huán)冷卻技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 熱力發(fā)電, 2007, 36 (11): 68-71.

[2] 楊萬(wàn)國(guó), 丁國(guó)清, 楊海洋, 等. 海水冷卻塔用防護(hù)涂料的性能研究[J]. 涂料工業(yè), 2012, 42 (8): 22-24.

[3] 吳慶令, 楊益洪, 裴偉偉. 混凝土在鹽霧腐蝕和海水侵蝕中的劣化損傷[J]. 混凝土與水泥制品, 2014 (11): 30-34.

[4] 同剛, 姚友成, 王普育, 等. 海水冷卻塔結(jié)構(gòu)防腐蝕研究[J]. 電力勘測(cè)設(shè)計(jì), 2009 (6): 40-45.

[5] 李運(yùn)德, 黃玖梅, 張軍. 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂層防腐技術(shù)(二)[J]. 電鍍與涂飾, 2008, 27 (8): 37-40.

[ 編輯：溫靖邦 ]

Design of durability restoration for seawater cooling tower in thermal power station

ZHANG Kun, FANG Xiang*, NI Jing-xu

After six years of operation, the protective coatings of a seawater cooling tower in a thermal power plant failed due to exfoliation and the steel reinforcements in concretes suffered from corrosion. The methods for repairing the concretes with different damage types were proposed. The applicability of epoxy coating, glass flake/epoxy coating and solvent-free nanometer heavy-duty anticorrosion coating for using in seawater cooling tower was verified by tests. The suitable coating systems for different zones of seawater cooling tower were recommended.

seawater cooling tower; durability; restoration; coating; epoxy; heavy-duty anticorrosion

Engineering Design Institute Co., Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co., Ltd., Guangzhou 510290, China

10.19289/j.1004-227x.2017.14.009

TG172.5; TG174.461

：B

：1004 – 227X (2017) 14 – 0768 – 05

2017–01–04

2017–05–09

張琨（1982–），男，江蘇人，碩士研究生，工程師，從事水運(yùn)及海洋工程設(shè)計(jì)工作。

方翔，(E-mail) einfang@hotmail.com。