装配式六边形污水处理装备结构的应用研究

杨永红，刘悦敏，仇卓涛

（广东省机械研究所有限公司，广州 510799）

0 引言

近年来，改革开放政策的实施推动了城市经济建设的发展，各辖区规模不断扩大。然而，人口的迅速增加、工业的快速兴起导致城市排污规模的进一步扩大，许多城镇地区现存的污水处理设施规模和数量已无法满足辖区及周边村镇的需求，严重制约了城镇建设的发展［1］。针对上述情况，提标扩容污水处理厂势在必行。

随着建筑工程技术的发展，新型装配式技术在市政工程建设中得到广泛应用［2-3］。相比于传统的建筑方法，装配式技术具有项目工期较短、劳动力成本较低、环境影响较小等优势［4］。随着近年来相关政策的出台，各地加快污水处理设施的建设，更多的污水处理厂开始应用效率更高、成本更低的装配式污水处理装备［5］。国内外对装配式污水处理装备的实际应用做了一定的研究。例如，在某污水处理厂建设中使用预制装配式结构优化现场施工流程，在降低成本、显著降低工程难度的同时也确保了施工的质量和安全［6-8］；某生物反应池应用定型化的装配式型钢替代传统混凝土作为支撑结构，具有可重复利用，普适性强等优点［9］；成都市某水务局利用装配式污水处理设备工艺，在有限的占地面积和时间内完成了高度智能化、模块化、集成化应急污水处理厂的建设工作［10］；武汉市某乡镇生活污水处理厂的建设过程中采用了装配式建造工艺，解决了该项目工期紧、劳动力成本过高、效率低下等问题。

目前大多装配式污水处理厂采用的是混凝土预制方式，然而，预制混凝土存在安装笨重、连接处易出现漏水等弊端。钢构因其体积小、强度高、防腐好等优越性能在装配式建造工程中有广泛的应用［11］。钢构通过加工改造还可以进一步提升其性能。例如，蜂窝构件具有承载力高、抗弯刚度大和方便穿越管线等优点［12-13］；波纹腹板H型钢将平腹板改为波纹腹板，从而能够以较薄的腹板厚度，获得较大的平面外刚度及较高的抗剪切屈曲承载能力［14］；热浸镀锌处理可在钢材表面形成镀锌膜，对内部钢材形成强力保护，有助于提高钢结构整体加工质量和结构使用寿命［15-16］；聚脲喷涂技术应用在钢构中可以达到很好的封水、防腐效果［17-18］。尽管装配式钢构在其它建筑工程上有大量的研究和应用，但鲜有关于污水处理厂装配式设备结构研究的报道。

本研究将从装配式污水处理厂结构形式、连接钢板折板方式和防腐3 个方面分析基于六边形装配式结构在污水处理厂中的优势：（1）基于等边长不同组合，研究装配式废水设备的最佳连接结构；（2）通过等质量、同强度折板有限元受力分析，分析设备墙板最佳折板方式；（3）基于多种防腐工艺，探究提升钢构使用寿命的组合防腐工艺。

1 模块化装配式污水处理装备

1.1 六边形蜂窝形状结构分析

1.1.1 污水处理厂设计需求

假设某污水处理厂采用A2O 处理工艺，其生化处理单元进一步分为厌氧单元、缺氧单元、好氧单元和沉淀单元共4 个单元模块，每个单元模块至少需要1 个相对独立的分格。

1.1.2 构筑物容积分析

（1）假定构筑物水平截面的总边长为10 m，水处理模块仅由1 个构筑物组成。围成正方形的占地面积计算S1正方形＝6.25 m2，围成圆形占地面积计算S1圆形＝7.96 m2，围成六边形占地面积计算S1六边形＝7.22 m2。

（2）假定构筑物水平截面的总边长为10 m，水处理模块由不低于4 个构筑物组成（图1）。围成正方形的占地面积计算S2正方形＝2.78 m2，围成圆形占地面积计算S2圆形＝1.98 m2（π 为圆周率），围成六边形占地面积计算S2六边形＝2.88 m2。

图1 六边形蜂窝形状结构

上述分析结果表明，当水处理模块仅由1 个构筑物组成时，相等周长下模块容积由大到小依次为：圆形、六边形、正方形。而当水处理模块由多个构筑物（大于或等于4）组成时，相等周长下模块容积由大到小依次为：六边形、正方形、圆形。因此相比于正方形和圆形，在使用等量材料，并且构筑物模块较多的情况下，构筑物水平截面为六边形所组成的水处理模块的容积更大。

1.2 构筑物折板形式分析

污水处理构筑物主要用于盛装污水，因此要求构筑物具有足够的刚性以避免变形或坍塌。通常对钢材进行一定的折板处理后，可以使钢板获得可靠的强度并具有最大宽幅的同时不影响构筑的美观和使用性能。

项目研究选用等宽1 500 mm、高3 000 mm 的Q235钢板，钢板厚度4 mm，采用不同折板方式（图2～3）折出等宽的折板，并且通过在各钢板相同部位施加相同的力，查看各块折板的变形量，从而判断折板的强度。

图2 彩瓦折板

图3 波纹折板

本文选用标准钢板（宽1 500 mm）进行加工，共10块钢板被分别加工成彩瓦折板（6 种规格）、波纹折板（4 种规格），测试在外部载荷为30 000 N／m2的条件下进行。墙板折弯深度越大，折弯间距平等抗压能力越好。从表1 的数据可知，规格深度为65 mm、L158 ＋L158 mm的彩瓦板结构强度最好。这些结果表明，采用等边的折板工艺的墙板，折板的深度越深，墙板的强度越高。此外，折板的深度决定折弯后的板的宽度。而当折板的形式确定时，板材的厚度对位移变形量影响较小。

表1 不同形式折板的SolidWorks水压模型分析结果

1.3 装配式钢结构防腐研究

碳钢材质的一体化装备广泛应用于污水处理领域，传统的碳钢防腐工艺有三油两布或者五油三布等方式，布指的是玻璃纤维、无纺布等，油指的是环氧煤沥青、环氧树脂等。但传统防腐工艺的防腐层韧性不足且容易脱落，通常寿命不超过10年。而使用热浸锌防腐工艺的钢材防腐蚀年限通常可以达到40年以上，大量实际应用案例证明了热浸锌防腐工艺优异的防腐性能，例如，二战期间云南滇缅公路排水涵——1937年制造出厂（1942年安装完成）的云南滇缅远征军公路采用热镀锌钢管作为排水涵洞，至今防腐性能依然较好，而该钢管的热镀锌层的双面厚度仅有600 g／m2（图4）。

图4 云南滇缅远征军公路钢板

同样采用热镀锌防腐工艺的德国耶拿市钢波纹管廊（建于1945年），至今仍未出现任何肉眼可见腐蚀现象（图5）。再如近期采用热浸锌防腐工艺的项目南京溧水区S246省道下排水涵洞（直径4.0 m，建于2002年），热镀锌层的双面厚度只有1 200 g／m2，至今仍未观察到管道腐蚀现象（图6）。上述调研结果表明，碳钢热浸锌防腐工艺具有防腐性能好、使用时间长等特点。

图5 德国耶拿市钢波纹管廊

图6 南京溧水区S246省道下排水涵洞

图8 装配式结构三视图

考虑到钢材防腐的成本、外观、使用环境等，相比于使用单一防腐涂层，使用多个防腐涂层的复合防腐工艺在钢材防腐领域展现出显著的优势。复合防腐涂层通常分为底漆、中间漆和面漆三部分。底漆通常具有较强的附着力，使钢材表面趋于平滑的同时具有较强的介质屏蔽效果，如热浸锌、聚氨酯等。中间漆作为复合防腐涂层的连接漆，需要起到增加涂层厚度、附着力强并且封闭性能好等效果，如聚氨酯、磷酸锌等。面漆直接与多种腐蚀性介质接触，因此其综合防腐能力、耐热性、低摩擦性均需要处于较高水平，并且需要起到一定的美观装饰作用。不同防腐材料的选择应该根据钢结构构件材质、现场环境条件、腐蚀材料的性质等条件来决定［19］。

1.4 模块化装配式结构的研究

目前我国乃至全球市政污水处理装备大都是采用定制化设计模式。然而，根据可研报告进行方案比选和设计构筑物，需要花费大量的时间成本和人力成本进行结构设计。而采用模块化的钢结构装配式的结构，可以快速的根据现场地形条件完成装配构筑物布置，同时进行地勘基础设计施工和装配式的钢结构加工，极大的缩短施工周期，且不易受到外界环境的影响。

模块化装配式钢结构构筑物的核心解决要素是零部件的标准化、零部件少量化和满足运输。传统的装配式构筑需要采用立柱和连接板完成装配零件的连接。本研究设计通过斜接连接板的方式，将装配式的结构拆分成两个零部件加工件，分别为连接板和连接法兰面，其中连接法兰面可以焊接在连接板上，构成一个整体部件，根据格局分格的需求和形状可以拼装出所需要的构筑。3块连接法兰面通过螺栓连接可以组合成一个三角形，形成一个三角型立柱，在立柱内部浇筑钢砼，进而增加模块化装配式钢结构强度。考虑运输需求，连接板部件最佳宽度尺寸为3.2 m 以内，长度6 m（最大可以做到17 m）。并且根据污水处理工艺容积负荷设计需求，上述模块结构可以进一步扩大应用到大型的装配结构中。

装配式钢结构应用热浸锌防腐工艺厚度应不小于1 200 g／m3（双面合计），且内外两面的每面锌层厚度不小于84 μm，热浸锌防腐处理工艺采用完全浸没在热镀锌池子内部，镀层无死角，保证钢结构部件不存在防腐瑕疵，确保钢结构每个角度锌层的防腐厚度，热浸镀锌钢结构件，埋地后自行带有阴极保护防腐方式，并且表面的氧化膜也起到非常好的防腐蚀作用，处理后用磷酸锌做底漆，磷酸锌以环氧树脂、磷酸锌、防锈颜填料、助剂和溶剂等配制而成环氧类油漆产品，是一种双组份、高性能、化学固化环氧防锈底漆，同时与镀锌层具有优良的结合、附着性能，再配套丙烯酸聚氨酯面漆或水性沥青涂装，对钢材进行深度强化防腐处理，确保装备式钢结构使用寿命媲美钢砼结构或远超钢砼结构。

同时在装备式钢结构防腐工艺中采用聚脲防腐，聚脲涂料涂层连续、致密、无针孔、无接缝，一次成膜厚度大，因而使用该涂料的装备在酸、碱、盐、地下和海洋等恶劣环境条件下表现出优异的重防腐性能，近年来其逐渐在环保水处理装备中有较多应用。

2 模块化装配式结构项目应用及分析

图9 所示为湖南市某镇200 t／d污水处理设施的建设项目，该污水处理设施采用六边形的装配式装备结构。构筑物为六边形柱装体，水平横截面边长为1.02 m，高为3.6 m。构筑物采用热浸锌防腐工艺，锌层厚度不小于1 200 g／m3（双面合计），且内外两面的每面锌层厚度不小于84 μm，并使用磷酸锌作为中间漆和丙烯酸聚氨酯作为面漆进行防腐保护。污水处理设施由14 个构筑物单元组成，不同构筑物单元使用立柱紧密连接，可根据后续项目处理废水量变化调整污水处理设施中的构筑物单元个数。项目预计使用寿命超过30年，目前项目站点稳定运行。

图9 湖南项目现场

3 结束语

本文研究了模块化装配式污水处理装备在构筑物形状结构、墙板结构以及防腐工艺上的相关应用，相比于传统的方形结构，六边形结构极大地提高了构筑物的土地利用率。等边折板和热浸锌-磷酸锌-丙烯酸聚氨酯复合防腐工艺保证了构筑物较高的强度和耐腐蚀性能。此外，使用立柱和法兰连接各构筑物极大地提高了装配式污水处理装备的灵活性。本研究通过对污水处理装备钢构构筑物模块化的研究，为日后水处理工艺构筑物零部件标准化提供科学参考，进而提高水处理设备产品质量，快速响应工程使用需求，降低成本。