钢筋混凝土烟囱腐蚀鉴定及加固技术研究

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1 烟囱腐蚀改造主要问题

1.1 脱硫对烟囱腐蚀性能的影响

对燃煤电厂烟气采取脱硫措施（简“称FGD”），目前比较成熟的脱硫工艺主要有石灰石-石膏湿法脱硫、干法脱硫、海水脱硫等。其中石灰石-石膏湿法脱硫是当今世界各国应用最多和最成熟的工艺，国家电力公司将湿法石灰石脱硫工艺确定为火电厂脱硫的主导工艺[1]。

烟气经过脱硫后，虽然烟气中的二氧化硫的含量大大减少，但洗涤的方法对除去烟气中少量的三氧化硫效果并不好，约20%左右。烟气脱硫后，对烟囱的腐蚀隐患并未消除；相反地，由于经湿法脱硫，烟气湿度增加、温度降低，烟气极易在烟囱的内壁结露，烟气中残余的三氧化硫溶解后，形成腐蚀性很强的稀硫酸液，使腐蚀状况进一步加剧。

脱硫烟囱内的烟气有以下特点：1）烟气中水份含量高，烟气湿度很大；2）烟气温度低，脱硫后的烟气温度一般在40～50℃之间，经GGH加温器升温后一般在80℃左右；3）烟气中含有酸性氧化物，使烟气的酸露点温度降低；4）烟气中的酸液的浓度低，渗透性较强。

由于脱硫烟囱内烟气的上述特点，对烟囱结构有如下影响：

1）烟气的温度降低,上抽吸力小，流速就低，容易产生烟气聚集并对排烟筒内壁产生压力。锥形烟囱结构型式（如单筒式烟囱）中的烟气在中上部基本上是处于正压运行状况，而等直径圆柱状烟囱（如双管和多管式烟囱中的排烟筒）是负压运行状况。烟气正压运行时，易对排烟筒壁产生渗透压力，加快腐蚀进程。烟气湿度大，含有的腐蚀性介质在烟气压力和湿度的双重作用下，烟囱内侧结构致密度差的材料内部很易遭到腐蚀，影响结构耐久性；

2）低浓度稀硫酸液比高浓度的酸液腐蚀性更强；

3）酸液的温度在40～80℃时，对结构材料的腐蚀性特别强。以钢材为例，40～80℃时的腐蚀速度比在其它温度时高出约3～8倍。

因此，脱硫后，烟气性状的变化导致其对烟囱结构的腐蚀性加强，尤其原设计未考虑脱硫的烟囱，其广泛采用的砌体内衬方式，腐蚀现状不容乐观。 1.2 腐蚀改造处理常见方案

根据脱硫特点，目前广泛使用的防腐方案有钢内衬、玻璃钢内衬、鳞片树脂内衬、硼酸砖内衬以及复合涂料[2]。第一、二种方法需要拆除原有的内衬和保温层，施工周期长，成本高，内外筒之间通常还需留有检修平台，需对烟囱结构进行较大的改动，改造难度大，工序复杂。第三、四、五种方法目前也广泛应用在烟囱防腐实际中，其综合比较如表1所示。

表1 防腐方法比较列表

防腐性能 耐温性能（℃） 耐磨、冲刷性能 使用寿命 施工周期

鳞片树脂内衬

良好 ≤160 较好 10~15 ≤70

硼酸砖内衬 良好 ≤300 良好 ≥20 ≤80

复合涂料 很好 ≤200 很好 ≥30 ≤60

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维护 缺点

工作量大

施工较困难，温度过高可能

烧蚀破坏其结构

一般不需要维护 施工较困难,要求高,砖有

可能脱落

基本不需要 国内应用实例少，费用高

2 工程实例分析

2.1 工程概况

内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司Ⅰ期烟囱始建于2003年，烟囱高240米，底部0～110m范围内外筒壁坡度8.1%，内部设置有内筒，内筒外壁坡度0.981%，外筒110m～240m范围内，坡度0.33%。外筒下部直径31172mm，上部直径10940mm；内筒下部直径13000mm，上部直径10940mm。烟囱中部105m标高、170m标高和顶部234m标高处设置有信号平台。烟囱运行条件：

1）2台600MW机组共用，两侧钢烟道，设有隔烟墙； 2）锅炉容量2×2008t/h；采用静电除尘，除尘器型号2F480-5；

3）原设计烟气温度130℃，脱硫改造后不设GGH，正常情况下约40～50℃

原设计未考虑烟气脱硫，为响应国家环保总局关于火力发电厂脱硫改造的要求，减少烟气对环境的污染，1期烟囱于2007年6月进行脱硫改造，并于2007年8月开始投产运行。经过一年多的运行，烟囱内壁防腐蚀层已产生腐蚀损伤，烟气内的酸液从烟囱施工时混凝土内对拉螺栓处流出，大量的酸液结晶物从烟囱外壁流出，导致烟囱外壁、检修平台层、爬梯严重污染。为防止烟气对烟囱结构的进一步腐蚀损伤，拟对烟囱进行全面的防腐处理。为了配合防腐施工的进行以及为防腐方案制定提供依据和指导，对Ⅰ期烟囱腐蚀情况进行全面的检测鉴定，提出鉴定结论和处理意见，制定防腐方案、防腐施工及改造工程。 2.2 鉴定标准

烟囱结构作为一种构筑物，依据《工业建筑可靠性鉴定标准》（GB50144-2008）[3]，应划分为构件、结构系统、鉴定单元三个层次；其中结构系统和构件两个层次的鉴定评级，应包括安全性等级和使用性等级评定，需要时可由此综合评定其可靠性等级；安全性分四个等级，使用性分三个等级，各层次的可靠性分四个等级。

《工业建筑可靠性鉴定标准》对于烟囱结构的评定侧重于可靠性方面，考虑到烟囱防腐检测的实际特点，根据多年烟囱检测经验，综合《工业建筑可靠性鉴定标准》及多年来进行烟囱检测的实际经验，总结出一套烟囱现状防腐综合评定标准，该标准根据烟囱的运行条件、裂缝情况、实际承载力、腐蚀情况等多个方面对烟囱进行评定，采用百分抵扣制，满分100分，每个指标根据其权重设置不同的评分档，对不同的缺陷状态进行不同程度的减分，最终得到烟囱的现状综合评分。 2.3 现场检测鉴定

现场检查包括原始资料调查、地基基础检查、烟囱壁现状检查、防腐系统检查、附属系统现状检查、内衬检查；为辅助为辅助检查及检测工作的进行，对烟囱进行破损取样。分别进行混凝土碳化检测、混凝土强度检测、钢筋位置及保护层厚度检测、钢筋锈蚀检测、构件尺寸复核、内衬陶粒砌块强度检测、腐蚀深度检测、烟气湿度检测、；氯离子含量检测、腐蚀产物分析、筒身倾斜检测、红外热像分析、周围环境条件检测等。

由于烟囱存在运行过程中，本次检测采用破损取样检测和无损检测相结合的方法。破损取样检测指沿烟囱全高钻取全壁厚芯样，取样示意图及位置见图1、2。然后分析观察内部内衬破坏腐蚀情况，并进行试验室分析。取样包括内筒、外筒直接接触烟气的所有部位，每20m钻取一个芯样。无损检测法指借助红外热像仪，对烟囱进行红外热像分析，确定内衬及保温层的破损情况。红外热像分析见图3。

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图1 内筒取样位置示意图

图２ 外筒取样位置示意图

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图像一：西侧观测点图一

图像三：南侧观测点图二

图像五：东偏南观测点图一

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图像二：南侧观测点图一

图像四：南侧观测点图三

图像六：东偏南观测点图二

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图像七：东侧观测点图一 图像八：东侧观测点图二

图像九：东侧观测点图三

图像十：西偏北观测点图一

图像十一：西偏北观测点图二 图3 红外热像检测结果图

2.4 结构验算分析 3.4.1 计算说明

考虑改造时应增加荷载，以烟囱内壁增加荷载30kg/m2为设计依据，对现有结构承载能力进行验算。本次验算分析根据破损极限状态对结构构件进行验算分析，方法要点如下：

1）截面混凝土抗压强度按检测评定结果取值； 2）钢筋布置结合现场检测综合推定； 3）沿用现行混凝土设计规范中的基本假定； 4）结构构件截面按实际有效截面考虑；

5）结构验算分析综合考虑了结构工艺改变荷载变化等因素。 荷载种类和取值：

1）恒载：包括烟囱筒壁自重、内衬、保温层自重等； 2）活荷载：包括平台活荷载等； 3）温度作用：入口烟气温度：130℃

4）夏季极端最高气温38.4℃ ，冬季极端最低气温：-36.3 ℃

5）地震作用：抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别II类。 3.4.2 地基基础验算

外筒基础底板下部钢筋采用径环向配筋，经验算底板下部径向配筋面积为2070mm2，实际配筋面积

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2700mm2，满足要求。底板下部环向配筋面积为1929 mm2，实际配筋面积2454 mm2，满足要求。此外，基础底板的抗冲切及地基基础的沉降均满足规范要求。

内筒基础底板下部钢筋采用径环向配筋，经验算底板下部径向配筋面积为2070.59 mm2，实际配筋面积2463.2 mm2，满足要求。底板下部环向配筋面积为1029.55 mm2，实际配筋面积1900 mm2，满足要求。此外，基础底板的抗冲切及地基基础的沉降均满足要求 2.5 烟囱腐蚀评价 3.5.1托电Ⅰ期烟囱腐蚀现状

取样探查结果表明，外筒壁110m～240m范围内内衬内表面基本完好，腐蚀较轻微，局部存在砌筑胶泥脱落，灰缝不饱满，筒壁结构现状基本完好，局部轻微腐蚀；内筒25.8m～105m范围内内衬内表面饱水，潮湿严重，而且表面有积垢挂硫现象，有腐蚀现象，局部存在砌筑胶泥脱落，灰缝不饱满（尤其与保温层连接一侧较普遍），筒壁结构现状基本完好，局部腐蚀，但内侧碳化深度较大。

腐蚀深度检测结果表明，外筒壁110m～240m范围内内衬腐蚀深度在1mm以内，腐蚀速率0.5mm/a（仅按脱硫后时间考虑），筒壁结构局部腐蚀深度在0.5mm以内；内筒25.8m～105m范围内内衬腐蚀深度在2mm以内，腐蚀速率1mm/a，筒壁结构碳化较深，局部腐蚀深度在1.5mm以内。由于直接接触腐蚀性烟气，内衬腐蚀速率较快，筒壁由于防腐层的保护，仅局部腐蚀，但一旦防腐层被破坏，腐蚀速率将会大大加快，进而危及结构安全。

3.5.2 防腐对策及处理意见

按照“国际工业烟囱协会（CICIND）”的设计标准要求，燃煤电厂脱硫烟囱虽然在脱硫过程中已除去了大部分的氧化硫，但在脱硫后，烟气湿度通常较大，温度很低，且烟气中单位体积的稀释硫酸含量相应增加。因而，处于脱硫系统下游的烟囱，其烟气通常被视为“高”化学腐蚀等级，即强腐蚀性烟气等级，因而烟囱应按强腐蚀性烟气来考虑烟囱结构的防腐系统。

经综合比较，参照表1，对于托克托电厂Ⅰ期烟囱，以采用硼酸砖内衬（泡沫玻璃砖）为最理想方案，既可以满足防腐要求，又兼顾经济性和方便实际操作。 2.6 烟囱防腐检测最终结论及处理意见 3.6.1烟囱检测最终结论

根据对托克托电厂一期烟囱的现状检查、检测、取样探查、试验室分析及计算分析，得到可靠性鉴定结论及防腐综合评定结论如下：

根据《工业建筑可靠性鉴定标准》（GB 50144-2008），大唐国际托克托发电有限责任公司Ⅰ期烟囱极不符合国家现行标准规范对可靠性的要求，影响整体安全，必须立即采取措施。其不满足规范的主要方面是：外筒壁110m到175m范围内外筒壁环向钢筋的实际配置不满足事故工况下的温度荷载要求；脱硫改造后，烟气的特点导致原有内衬等防护系统不能满足防护要求。

根据我院的烟囱现状综合评定标准，在现状条件下，托克托电厂一期烟囱的综合评定等级为C级，即存在一定的问题影响烟囱的正常安全运行，局部需立即进行加固处理，尤其防腐系统必须更新。 3.6.2 处理意见

为保证烟囱结构的安全正常使用，建议采取如下处理措施[4]：

烟囱结构可靠性不满足规范要求，必须对局部缺陷进行修复和加固处理：

1、 外筒110m到175m范围内环向钢筋配置不满足事故工况要求，需进行加固处理，可采用环向粘贴碳

纤维，或者增设环向预应力钢箍的方法进行加固处理；

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2、 对拉螺栓渗漏部位进行封堵。考虑到长期的酸液腐蚀作用，封堵前需对孔洞周围进行彻底清理，清

理范围需扩至孔洞周围30mm范围内；

3、 塌陷的信号平台进行局部校正恢复或局部更换；爬梯围栏增设连接部件，使其连成整体；

4、 对积灰平台底部进行清理，将渗漏部位表面疏松混凝土彻底凿除，钢筋除锈，采用防腐砂浆或防腐

混凝土进行修补；裂缝部位压力灌浆进行封闭，最后整体涂刷混凝土保护液及防腐涂料；此外，平台顶部增设防水层和防腐层；

5、 内筒内侧碳化深度较大，会影响结构的耐久性年限，建议将来对内衬进行整体更换时，涂刷耐久性

涂料和防腐涂料，进行混凝土耐久性处理。

烟囱防腐系统无法满足脱硫后烟气腐蚀性要求，需整体做防腐处理，经综合比较，对于托克托电厂Ⅰ期烟囱，以采用硼酸砖内衬（泡沫玻璃砖）为最理想方案，既可以满足防腐要求，又兼顾经济性和方便实际操作。

3 结语

对燃煤电厂烟气采取脱硫措施后尾部烟气温度降低，湿度增加，烟囱的腐蚀风险加大。而目前应用的防腐措施在实际工程中局限性较大。

为了完善我国烟囱腐蚀改造技术体系，需要做到： 1、 根据工程实例的具体情况，选取可行的防腐改造方案；

2、 长远来看，需要在设计中多开展调研工作，收集相关成功的经验，以保证工程顺利进行。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uo0o.html