巴西某大型磷酸装置框架结构安全性评估

〔摘 要〕巴西某大型磷肥厂地磷酸浓缩装置框架结构出现的异常情况。针对这一情况，对该区域62号和42号两套浓缩装置的框架结构展开了安全性评估。通过资料收集、现场勘查和设计文件分析，对框架结构及其基础进行了宏观和细部分析，发现装置存在裂缝、变形及混凝土保护层腐蚀等问题。评估结果指出，这是由于原设计安全冗余度低，结构材料性能退化导致，必须采取相应措施保障结构安全。基于评估结果，提出了应急处理措施和监测要求。

〔关键词〕磷酸装置；框架结构；安全性评估；宏观判断

中图分类号：TU375.4 " 文献标志码：B" 文章编号：1004-4345（2024）0６-0067-05

Safety Assessment of the Frame Structure of a Large Phosphoric Acid Facility in Brazil

HUANG Hengping1， LI Dalang1， WANG Jianqun1， CHEN Weiqing2

（1.China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China;

2. CMOC Group Limited Brazil， Catalao， Goias， 88900-000， Brazil）

Abstract" Abnormalities occurred in the frame structure of a phosphoric acid concentration facility at a large phosphate fertilizer plant in Brazil. A safety assessment was conducted on the frame structures of the two concentration facilities， 62 and 42， in the area. Through data collection， on-site investigation and analysis of design documents， the frame structure and its foundation were analyzed from both macro and micro perspectives. It was found that the facility has some problems such as cracks， deformation and corrosion of the concrete cover. The results of the assessment indicated that some corresponding measures must be taken to ensure structure safety owing to low safety redundancy in the original design and degradation of the structural material performance. According to the results of the assessment， emergency response measures and monitoring requirements were proposed.

Keywords" phosphoric acid facility; frame structure; safety assessment; macro judgement

建构筑物的结构安全性评估，作为确保工业生产安全的重要环节，旨在通过系统的检测、分析与判断，对建筑物结构的稳定性和安全性进行客观评价。这一过程不仅关乎生产人员的生命安全，还直接影响到企业的生产运行效率和经济效益。随着工业设施的老龄化，结构安全问题日益凸显，开展结构安全性评估已成为保障工业生产不可或缺的一环。本文拟以巴西某大型磷肥厂磷酸浓缩装置框架结构的安全性评估为例，深入探讨建构筑物结构安全性评估的具体操作过程，包括如何在有限的时间窗口和成本约束下，通过细致的资料审查、现场勘查、技术分析与应急处理，有效保障生产安全运行，为老旧厂房结构的安全使用提供技术参考。

1" "项目概况

巴西某大型磷肥厂位于巴西中西部戈亚斯州的卡塔朗市郊工业区，占地面积为1 525 362 m2；建筑面积为67 634.62 m2，包括磷酸浓缩区域、磷酸存储区域、酸化仓库、磷酸过滤区域、硫酸区域、磷精矿干燥与过滤区域、污水处理站、硫磺区域和辅助设施。该厂在巴西乃至南美地区都属于规模较大的磷肥厂，在当地农业生产中具有举足轻重的地位。该厂生产厂区总平面实景如图1所示。

2" " 框架结构安全性评估背景

2.1" 磷酸浓缩区域情况

磷酸浓缩区域由NO.62和NO.42两套浓缩装置（以下分别简称为“62装置”和“42装置”）组成。这两套装置是磷肥厂的核心生产装置之一，生产工艺流程基本相同，且必须连续运行。资料显示，62装置为2001年设计，5层（局部2层），横向单跨、纵向四跨钢筋混凝土框架结构，无维护墙体和屋面。42装置为2007年设计，6层（局部2层），横向单跨、纵向四跨框架结构，无维护墙体和屋面。这两套装置由不同的设计单位设计。2018年，该厂对底层地面（标高819.15 m）进行了改造设计。 62装置和42装置如图2、图3所示。

2.2" 安全评估要求的提出

2022年7月，现场生产人员发现62装置的1根框架柱与地面交接处出现裂缝，62装置与42装置之间的连接钢走道，在靠近62装置一端的支承端（滑动支座）支承长度变短，局部梁、柱的混凝土保护层生产人员对框架结构腐蚀现象。该问题引起了该区域员工的恐慌，他们对该框架结构能否保障人身安全提出质疑，上报企业管理层和相关政府管理部门要求处理。

由于该磷化工厂是运行多年的老企业，大部分厂房结构均处于需要维修加固的状态。磷酸浓缩区域是工厂生产的关键环节，既要保证生产人员安全，又要保障生产正常运行。鉴于该区域框架结构已经出现不安全征兆，因此亟需对其进行安全性评估，提出处理方案，保障生产安全运行。

2" "安全性评估的范围和内容

由于62装置和42装置是磷肥厂中扮演着核心生产角色，且需保持连续运行状态，因此这些装置停产检修的时间窗口极其有限。在以往的停产检修过程中，该厂从未对装置的框架结构进行过系统性的维修。从该厂总平面布置情况来看，由于场地条件的限制，将该装置异地新建难以实现。此外，该工厂历经多次业主更迭，导致技术资料留存不全，给方案的确定也带来了不小的挑战。加之加固工程本身费用高昂，为确保生产计划的顺利进行，加固改造工程的实施时间也受到了严格的限制。

针对磷酸浓缩区域出现的结构安全性问题，技术人员需要结合工厂的生产计划，对框架结构的异常情况进行全面、细致地分析与判断，并在此基础上，制定出既切实可行又经济高效的检测与监测方案，以节省时间和资源。

经过研究，本次安全性评估的核心聚焦于62装置和42装置的支承框架结构及其基础，旨在全面审视并评估其安全性能。评估工作主要围绕以下三大核心内容展开：1）资料审查与现场调研。深入研读业主提供的设计文件，确保对装置的原始设计参数、结构特点有全面了解。实地探访项目现场，观察装置的生产工艺流程，调查装置的历史使用情况。2）实体观测与异常记录。对装置的支承框架结构及基础进行现场观测，记录所有发现的结构异常，包括构件损伤、结构变形等。3）进行初步的技术分析并保留建议。基于现场观测和资料审查，对支承框架结构及其基础出现的问题进行初步的技术剖析。根据分析结果，提出明确的使用注意事项，并制定详细的安全监测要求，以确保装置在现有条件下的安全运行。

3" "评估工作的开展与问题的解决

3.1" 存在问题

2022年7月，工人报告的主要问题有：1）62装置62-2-B框架柱底部混凝土面层开裂，见图4。2）固定管道支架的螺栓从梁侧拔出，见图5。3）62装置与42装置之间水平距离变大，两套装置连接钢楼梯支承长度不足，见图6。4）两套装置之间管道支架与支承牛腿发生偏移，见图7。

3.2" 问题分析及应急处理

发现上述情况后，装置区域生产人员对结构安全产生担忧，企业管理层高度重视，聘请了巴西当地工程师现场评估，同时邀请中国专家远程参与视频会讨论应对措施。

研究发现，该问题的重点在于62装置的一根框架柱底部的裂缝上。62装置框架是由10根框架柱组成的钢筋混凝土单跨框架结构体系，基础为带扩大头的灌注桩基础，出现裂缝的柱为第2排边柱。由于上部结构的倾斜不明显，通过整体研判，结构专家认为立即出现整体坍塌的风险低，但根据巴西工程师要求，对出现裂缝的框架柱采取了利用轨道钢托住梁柱节点区域的应急处理措施，见图8。

3.3" 原因分析

3.3.1" 对原设计资料进行评估

1）42装置区域结构。

42装置原结构设计为钢筋混凝土单跨框架结构，无围护墙，楼面存在设备大开洞，A-B柱为5层，B-C-D柱为4层、D-E为2层，结构平面，竖向不规则，单跨框架刚度偏弱，并增设了原设计施工图未显示的外悬挑钢平台。在二层局部存在竖向柱转换。42装置框架三维轴测图见图9。

查阅收集到的42区域计算书，发现设计计算时，各层设备荷载均已列出，桩基础也是根据基底内力和勘察资料进行设计的。桩为扩底桩，单桩承载力为1 800 kN，计算要求最大单桩承载力为1 490 kN，设计承载力有一定余量。

专家研究发现，计算书中的桩基与桩基施工图的布置不完全相符。施工图的1-D和1-C为三桩，而计算书是两桩。计算书的桩径为80 cm，扩底直径为170 cm；施工图的桩径为70 cm，扩底直径为170 cm，且施工图未注明单桩承载力要求。42装置施工图桩基平面布置见图10。原岩土工程勘查报告缺失。

42装置结构布置冗余度低，结构抗侧能力差，结构重心相对偏向西侧，桩基础设计有利于抵抗框架向东侧倾覆。 42装置结构底层为梁、板结构，地基土是否存在腐蚀并对结构造成影响需进一步检查分析。此外，专家从设计计算书中还发现，42装置结构在设备空载和满载两种情况下的荷载差异较大，是否影响监测结果需要进一步分析。

2） 62装置区域结构。

62装置区域原结构设计为A-B柱为4层，B-C-D柱为3层、D-E为2层，结构平面和竖向均不规则。结构为单跨框架，基础为单柱单桩，桩为扩底桩，桩承台间未设置基础拉梁，框架柱在承台处无法形成刚结，基础无抵抗水平荷载的能力。

62装置区域收集的设计资料严重缺失，结构设计计算书、场地岩土工程勘查报告和设备荷载资料、工程竣工验收资料和竣工图均未能收集到。

从原设计图纸来看，设计安全冗余度低，未考虑磷酸长期腐蚀作用和振动设备的冲击荷载作用，特别是与42装置区域结构相比，62装置区域基础设计存在严重缺陷，柱断面远小于42装置区域，安全度非常低。

另外，专家组未查到原设计工作年限的相关规定。目前，62区域运行已超过20年，42区域运行也接近20年。酸的长期腐蚀作用和振动设备的冲击荷载作用使结构材料性能退化，地基土腐蚀严重，已经产生向上的隆起，严重影响基础和上部框架结构的安全。

3.3.2" 现场勘查情况评估

1）现场勘查情况。

本系统为磷酸浓缩装置，生产过程中管道、设备存在跑、冒、滴、漏现象，加上维修时需要对设备、管道进行清洗，导致地面上会有酸性废水出现。原设计做法是采用混凝土刚性地面找坡，将酸性废水排向中部的排水沟，最后接入62、42装置之间的废水池。

地面排水沟在使用过程中出现开裂渗漏，酸性废水渗入底板以下的地基土中，导致磷酸与土壤反应出现膨胀形象，混凝土刚性地面隆起，裂缝发展。其间，废水池也出现裂缝，废水渗入池底及周边土壤，对62装置和42装置底层板造成向上顶升的不良影响。

2）框架柱开裂的原因分析。

62装置框架柱底部开裂原因复杂，但主要影响因素为混凝土刚性地面上浮引起，加上柱的混凝土保护层较厚，在腐蚀环境下使用年限长达二十余年，柱的混凝土表面发生碳化，在其他外力作用下容易开裂。

62装置的水封罐直接放置在开裂柱的上方，水封罐在系统运行时承受很大的冲击振动荷载，并传递给支承板和框架梁柱上。该区域结构无次梁支承设备，由厚板作为设备基础。

3.3.3" 两个装置间距变大的原因分析

42装置与62装置是相互独立的结构单元，42装置与62装置之间有3 m的间距，因此在4层设置有一个钢结构平台的连通。该钢平台一端固定在42装置楼面上，另一端钢梁自由放置在62装置楼面上。

现场勘查发现，42装置在非相邻62装置的东侧框架柱上增加了大型外挑钢平台和管道；62装置在非相邻42装置的西侧框架柱上增加了钢结构楼梯和管道支架。这就造成了相对运动的趋势，成为42装置与62装置间距变大的主要影响因素之一。

另外，42装置与62装置之间废水池的渗漏，使具有膨胀腐蚀性的磷酸渗入地基土，产生了向上的顶升力，造成42装置西侧柱上浮，62装置东侧柱上浮，导致42装置向东倾斜，62装置向西倾斜。这成为两个装置间距变大的又一影响因素。

4" "安全性评估结果及建议

4.1" 评估结果

经过专家组的调研、评估，最终得出以下结论：1）目前建构筑物结构基本维持原设计状态，出现突发性整体坍塌的概率较低。2）原设计安全冗余度低，未考虑磷酸长期腐蚀作用，结构材料性能退化，安全度随着时间增加逐步降低。3）水封罐作为冲击振动设备未按通常做法直接安装在地面基础上，而是安装在楼面上，使结构受到冲击荷载作用，造成结构扭转开裂。4）建筑物已经出现裂缝和变形，继续使用存在安全风险，必须采取相应措施保障结构安全。

4.2" 应急处理要求及措施

基于上述问题，技术人员提出了以下应急处理要求及措施：1）建立42装置与62装置监测检查制度。在结构未产生突变的情况下，每周进行两次沉降和垂直度的测量（见图11）；在生产过程中安排专业工程师每天巡检，观测裂缝的变化及新裂缝的产生情况（见图12）。2）开展42装置与62装置区域地基土检测和监测。对开裂区域地基土进行开挖和钻探（见图13、图14），化验分析土壤腐蚀情况和对建筑物基础腐蚀情况，并设置环境监测点。3）对42装置与62装置区域应急维修改造，包括：（1）搬迁旧污水池，新建外部污水池整改地沟，做好污水收集、管道输入的措施。（2）整改泵区围堰与地坪防止渗漏，泵区围堰与地坪可增加铺设HDPE膜作为地坪水平防渗、围堰垂直防渗措施。（3）制定已开裂框架柱、梁处理方案并实施。

4.3" 装置结构使用建议

后续装置结构使用建议如下：1）在使用过程中建立长期框架结构整体和局部变形的监测定期制度，出现异常及时报告，并加密监测频次。2）对结构应进行定期巡检、维护，发现结构发生变形异常时应及时停止使用，并进行整体结构可靠性鉴定，根据评估鉴定结论进行加固抢险处理。3）磷酸区域对地基土和基础的腐蚀情况进行抽样检测、鉴定。4）定期检修设备和管道，尽可能减少生产过程的酸液跑、冒、滴、漏。5）维修已经开裂的地面，做好防腐防渗措施。6）对已被腐蚀开裂的结构件进行修复补强。

5" "结语

本文通过对巴西某大型磷肥厂磷酸浓缩装置框架结构的安全性评估，系统阐述了建构筑物结构安全性评估的重要性及其在实际工程中的应用。评估结果表明，该项目原设计安全冗余度低、结构材料性能退化以及磷酸腐蚀等因素共同导致了结构安全隐患。针对这些问题，本文提出了包括建立监测检查制度、开展地基土检测和监测、实施应急维修改造等一系列切实可行的应急处理措施和使用建议。这些措施不仅有效保障了生产安全运行，也为类似老旧厂房结构的安全使用提供了范例。

本文的研究可以得出以下结论：1）建筑结构设计时应充分考虑设备运行过程，设备运行荷载、管道跑冒滴漏介质对地基基础和结构构件的影响。2）磷酸浓缩装置的结构设计应考虑设备的合理布置，磷酸腐蚀介质的有效防护和隔离，结构应保障足够的安全冗余。3）在进行建筑结构安全性评估时，要重视收集资料、现场勘查、听取现场生产人员的情况报告，避免由于资料不全，未对现场情况了解清楚而造成误判。4）项目所在地对老旧建筑结构的检测、试验费用极高，应尽可能减少检测、试验项目，重视工程安全性的宏观判断，结合现场观测和局部检测确定维护、加固方案。5）因设备持续运行，腐蚀的过程持续且漫长，导致框架结构性能会不断退化，应根据监测方案做好生产运行过程中的长期监测工作。