石油化工管架隐患治理结构设计研究

黄勇标

（茂名瑞派石化工程有限公司，广东茂名 525011）

工厂内的场地有限，往往没有条件再新建管廊。为了满足生产建设的快速发展，系统管廊多次改造，加层加支架敷设管道，导致管架长期处于满载或者超载的工作状况。而且随着管架使用时间的增长，越来越多的管架接近或者超过其使用年限，钢筋混凝土管架柱、横梁和纵梁因腐蚀、混凝土徐变、碳化，出现钢筋保护层开裂、剥落、混凝土中的钢筋锈蚀、混凝土强度降低、钢结构发生腐蚀减薄、变形、倾斜和焊缝开裂，钢支架发生腐蚀断裂、弯曲、倾斜等现象。管架强度、刚度和耐久性明显降低，严重影响管架结构安全，必须有计划和及时进行维修、更换和加固，确保管线的正常运行。

管架修复及加固方法必须安全有效可行，结合现场实际情况，因地制宜，针对管架存在隐患问题，采取切实可行的加固方案最大限度消除管架隐患，保证加固后的管架正常使用。

管架加固的基本流程为：①确定管架后续的工作年限；②可靠性鉴定；③确定加固方法。

1 确定管架后续的工作年限

管架后续的工作使用年限应按下列原则确定：

1）结构加固后的工作年限，应由业主和设计单位共同商定。

2）当结构的加固材料中含有合成树脂或其他聚合物成分时，其结构加固后的工作年限宜按30a考虑；当业主要求结构加固后的工作年限为50a时，其所使用的胶和聚合物的黏结性能，应通过耐长期应力作用能力的检验。

3）工作年限到期后，当重新进行的可靠性鉴定认为该结构工作正常，仍可继续延长其工作年限。

4）对使用胶粘方法或掺有聚合物材料加固的结构、构件，尚应定期检查其工作状态；检查的时间间隔可由设计单位确定，但第一次检查时间不应迟于10a。

5）当为局部加固时，应考虑原建筑物剩余设计工作年限对结构加固后设计工作年限的影响。

6）管架按结构形式分为独立式管架、管廊式管架（管廊）、跨越管架、吊索式管架、长臂管架。按管架的材料分为钢筋混凝土管架、钢结构管架和混合结构管架。

2 可靠性鉴定

根据《工业建筑可靠性鉴定标准》（GB 50144—2019），炼油系统管廊属于工业建筑类，在下列情况下应进行可靠性鉴定：①达到设计使用年限拟继续使用时；②使用用途或环境改变时；③进行结构改造或扩建时；④ 遭受灾害或事故后；⑤存在较严重的质量缺陷或者出现较严重的腐蚀、损伤、变形时。

首先应对厂区系管廊进行全面隐患排查，如果管架的实际情况符合规范规定需鉴定的范围，则在项目立项后的前期设计阶段由设计单位提出检测要求，业主委托第三方专业机构进行工业建筑可靠性鉴定。鉴定结果应包括：调查和检测结果、鉴定评级结果以及耐久性剩余寿命评估等，设计单位再根据鉴定报告进行详细设计。工业建筑可靠性鉴定中的调查和检测分为：作用（荷载）调查、使用环境调查、使用历史调查（设计、施工、维修和改造等记录），往往需要查阅大量图纸资料、交工资料和维护档案，当资料不足时或对资料有怀疑时，按国家现行相关检测技术规范，通过现场取样或测试的方式，对管架结构材料的性能进行检测。由于管架普遍使用时间较久，原结构材料已发生变化，在做工业建筑可靠性鉴定时进行管架结构材料的性能检测，以检测结果为主进行可靠性鉴定。

3 确定加固方法

加固方法的确定需综合考虑管架的类别、管架自身及周边条件、施工可行性、加固费用、安全耐久性等因素。

管架按结构形式分为独立式管架、吊索式管架、纵梁式管架、跨越管架。按管架的材料分为钢筋混凝土管架、钢结构管架和混合结构管架。

根据正式出版的鉴定报告中对管架的评定等级确定加固方案。

提高原有管架结构的强度和刚度，包括对柱、横梁、桁架等原有构件的加固。混凝土构件的加固方法有置换混凝土法、增大构件截面法、外包型钢法、粘贴钢板法；钢构件的加固方法有增大构件截面法、外包混凝土法、粘贴钢板法。

3.1 钢筋混凝土构件增大截面法

增大截面加固法是建筑加固改造中通过增大原构件截面面积或增配钢筋，以提高其强度和刚度。增大截面加固法的混凝土施工技术经验丰富，但现场多为湿作业，施工时间长，需要的空间大。增大截面加固法常见做法如图1所示。

图1 砼柱四面围套增大截面

钢筋混凝土构件增大截面加固的构造要求如下。

（1）新增混凝土层的最小厚度，板不应小于40mm，梁、柱不应小于60mm。

（2）加固用的钢筋，应采用热轧带肋钢筋。

（3）新增受力钢筋与原受力钢筋的净间距不应小于25mm，并应采用短筋或箍筋与原钢筋焊接。

（4）当截面受拉区一侧加固时，应设置U形箍筋，并应焊在原箍筋上，单面（双面）焊的焊缝长度应为箍筋直径的10倍（5倍）。

（5）当用混凝土围套加固时，应设置环形箍筋或加锚式箍筋。

（6）当受构造条件限制而采用植筋方式埋设U形箍时，应采用锚固型结构胶种植。

（7）新增纵向钢筋应采取可靠的锚固措施。

3.2 钢构件增大截面法

钢构件增大截面加固的构造，应符合下列规定。

（1）应采取措施保证加固件与原构件能够共同工作，板件应无明显变形，板件应有良好的稳定性，并避免产生不利的附加应力。

（2）负荷状态下进行钢结构加固时，应避免加固件截面的变形或削弱对安全产生显著影响。

增大截面法加固步骤。当管架柱钢筋保护层脱落露筋严重，柱的承载能力不满足要求时，结合计算结果管立柱优先采用增大截面法，当无法采用增大截面法时，可采用外包型钢法加固，加固须严格按照《混凝土结构加固设计规范》GB 50367-2013执行。具体加固步骤要求如下：①首先凿掉构件表层至砼基层，修复缺陷部位。②如钢筋锈蚀严重，需补焊钢筋。③采用增大截面法和外黏型钢加固法进行加固。④采用增大截面法时，要优化梁、柱的截面尺寸，新旧混凝土界面涂刷结构界面剂，并采用钢筋植筋连接。⑤采用外黏型钢加固时，缀板间空隙采用水泥防水砂浆或聚合物水泥防水砂浆填实抹平（内配钢丝网片，与型钢焊接）。

3.3 外包型钢法

外包型钢加固法的优点是构件截面尺寸变化不大，但其极限承载能力和抗震能力可有效改善；加固后原构件上的混凝土因受外包钢的四周约束，构件的延性得到极大提高；施工不使用模板，施工效率高，外包型钢加固的型钢与原混凝土间的缝隙必须灌胶密实防止积水腐蚀，确保加固长期有效。外包型钢加固法常见做法如图2、图3所示。

图2 砼柱外包型钢

图3 砼柱外包型钢剖面

湿式外包型钢加固的构造要求如下。

（1）加固用型钢两端应采取可靠的锚固措施。

（2）沿梁、柱轴线方向应采用缀板与角钢焊接。

（3）外黏角钢加固梁、柱的施工，应将原构件截面的棱角打磨成圆角。

（4）施工过程中应采取措施保证结构胶不受焊接高温影响。外黏型钢的角钢端部600mm范围内胶缝厚度应控制在3~5mm。

3.4 增加抗侧弯构件

改善原有管架结构体系而增设新的传力，包括增设纵梁、柱间支撑等。

管架上的管道如果水平力大，可能会导致管架梁柱配筋、管架上的支架平面外稳定性、基础出现的零应力区不满足规范要求。这种情况采用管架之间、支架之间增设纵梁或支撑会明显降低结构受到的弯矩。

3.5 构件替换

管架如果年代久远，钢筋或者钢材锈蚀严重，混凝土破损严重，现场没有施工条件加固，以上几种情况可以考虑拆除旧管架，重新在原位置新建管架。采取这种方法施工前，建议业主方组织业主生产管理部门、工程管理部门、消防部门、设计单位、施工单位、监理单位等单位论证施工单位的施工方案。石化厂区常见可以替换的构件如下。

3.5.1 钢横梁替换

原有横梁多采用双槽钢组成的口型截面钢梁，下部槽钢积水腐蚀严重，增设新的H型钢梁取代旧的组合钢梁。

3.5.2 简单钢支架替换

有条件时增设新的支架，相当于对原支架进行减载。通过增加新的支架将部分荷载转移到新的支架上，减少原支架上的荷载，以满足承载力的要求。

3.5.3 桁架或独立管架替换

（1）新增独立管架或者桁架。施工前做好临时支撑，保证已有管道安全方可施工。新增的管架达到设计要求的强度后，可根据设计要求拆除旧管架。

（2）不拆除旧桁架，在管架柱的侧面新增桁架，桁架构件加工后运至现场安装。

3.6 改善管架结构的耐久性

改善管架结构的耐久性常用到的技术有裂缝修补技术、锚固技术和阻锈技术。

3.6.1 砼保护层修补

混凝土管架表面出现破损、麻面、蜂窝时，采用水泥防水砂浆或聚合物水泥防水砂浆抹面防水。聚合物水泥防水砂浆须满足《聚合物水泥防水砂浆》JC/T 984—2011的要求。具体做法可参见图集《聚合物水泥砂浆系统工程做法》17CJ77-2。

3.6.2 露筋修补

梁柱钢筋保护层破损出现露筋时，采用聚合物改性水泥砂浆修补，须严格按照《混凝土结构加固设计规范》GB 50367—2013第4.6聚合物改性水泥砂浆相关要求执行。具体做法步骤要求如下。

（1）凿除破损混凝土。

（2）用手工或动力工具对钢筋进行除锈、防腐。

（3）使用聚合物改性水泥砂浆进行修补。

4 结语

管架支承的管道是石油化工的重要传输通道，管道的介质往往易燃易爆。管廊隐患治理对厂区的安全生产至关重要。管廊应科学设计，规范管理，在工作使用年限内定期检查维护。业主单位应制定有效的管廊管理制度，利用先进的科技手段，实时监控管廊的安全情况。