化工建筑中钢结构防腐及防火策略浅析

丁泓予，周超

（天津市化工设计院，天津300193）

化工建筑中钢结构防腐及防火策略浅析

丁泓予，周超

（天津市化工设计院，天津300193）

化工建筑具有高火灾危险性和高腐蚀性。轻钢体系在化工建筑中应用广泛，如何有效的防火及防腐成为建筑构造设计的一道难关。本文梳理分析了国内外一些具体的防腐防火工程做法，提出了未来一段时间尚待解决的技术难题。希望通过本文的抛砖引玉促进化工建筑防火防腐工程技术的突破。

化工建筑；钢结构；防腐蚀；耐火保护；策略

钢结构作为继木结构、钢筋混凝土结构之后的又一重要的结构形式被广泛用于大跨度空间设计和工业厂房设计中。其具有自重轻、可塑性及韧性强、便于工业化大量生产等优良的特性。目前，钢结构体系依靠施工速度快、造价适中的特点正逐渐成为最受工业建筑设计青睐的体系之一。

1　化工作业中火灾及腐蚀对钢结构的危害

与民用建筑不同的是，化工行业在生产中产生的化学物质存在火灾危险性、爆炸危险及强烈的腐蚀性特征。钢材的防腐蚀性及耐火性较差，应用于化工建筑中就需要对钢材进行适宜的防腐蚀及耐火保护。

1.1腐蚀性危害

1.1.1钢结构的腐蚀性危害

石油化工产品在生产使用中，出现泄漏或挥发会对钢结构产生严重的酸碱性腐蚀。另外，在工艺反应过程中也会释放热量，从而危害结构的耐久性。

1.1.2防腐设计难点

防腐设计主要通过涂料涂刷于结构表面以形成防护系统。因此，粘结性成为防腐优劣的关键。影响涂膜粘结性因素包括：

涂刷漏洞引起的涂膜脱落，当钢材表面涂刷防腐涂料时会存在细小的缝隙和涂刷漏洞。在施工过程中，防腐材料涂刷漏洞很难杜绝。这些孔洞与潮湿空气、酸雾等接触产生化学反应并依附在钢材表面，伴随温度及潮湿的影响起泡、破碎，最终瓦解防腐体系。

潮湿空气渗透引起有机漆膜吸水起胀。处于潮湿地区的建筑物，钢结构防腐处理如不做好除锈防潮，很容易在干湿交替温度变化下引起涂膜变形。

因此，对钢材的防腐保护策略需从以上几个方面加强。

1.2火灾对钢结构的危害

钢材虽属于不燃材料，但耐火性较差。“普通低碳钢250℃～300℃时，抗拉强度达到最大值，500℃左右强度下降到常温的1/2。一般火灾作用于钢结构，15min便能达到500℃的高温。”火灾作用时间很短就能使钢结构体系坍塌破坏丧失基本承载力［1］。

另外，钢结构在高温下塑性增大，导热系数大。因此，钢结构的火灾危险性大，容易由“点”性火灾扩散成“面”性火灾，造成巨大的经济损失。

1.2.1钢结构火灾不易疏散扑救

钢结构体系在火灾危险中易发生坍塌，不利于扑救和人员疏散。

“四边简支的钢筋混凝土楼板高度13cm，耐火极限1.9h；现浇的整体式楼板厚度8～12cm，耐火极限1.4～2.65h；而无保护层的钢屋架，耐火极限只有0.25h。”可见，钢屋架在无保护状态下极易被引燃，而且速度之快根本来不及被扑灭火灾就以发生蔓延［2］。

1.2.2钢结构火灾具有整体破坏性

在工业建筑中比较常用的钢结构形式有门式刚架和钢桁架，屋面一般为金属屋面。一个工业厂房一般由几榀钢桁架串联拼接而成，这就形成了一个“类多米诺骨牌”。当其中一榀钢桁架发生火灾被破坏，连锁效应便会发生，引发整个厂房的破坏。而被广泛应用的金属屋面，整体度好的同时，整体燃烧的危害更大，一旦失火整个顶棚的坍塌对于厂房和厂房内的人员打击都是致命的。

2　钢结构防腐策略

2.1现行钢结构防腐策略

2.1.1安全环保型防腐涂料的推广应用

以无机防腐涂料为代表的水溶性涂料，挥发物中不含铅、镉等有毒物质。涂料无闪点，运输安全，是绿色环保涂料，满足环境保护和职业安全要求。同时，此类涂料能有效抵抗酸雨、潮湿空气的腐蚀，对石油石化产品和有机溶剂具有较高的稳定性。无机防腐涂料是现今防腐设计中大力推广的可持续性功能涂料。

2.1.2专业型防腐涂料的推广应用

化工腐蚀根据不同的物态性质腐蚀性质也截然不同。以往单纯的以酸碱性选取防腐涂料，在实践中并不能达到很好的效果。针对腐蚀物的形态、钢结构所处的环境进行针对性防腐设计，促进设计优化。

烟气防腐涂料能有效的抵抗化工管道中化学烟气对钢材的腐蚀，以及化工生产过程中溢泄的化学烟气对主体钢材的腐蚀。适用于气态防腐设计。

耐高温的防腐涂料基料和填料均由耐热、不燃的无机物组成。基料中所含的活性基团与填料中的活性组分以及钢铁表面发生反应，形成三维结构的聚合物，涂层与钢铁基体稳固连接成一体，形成具有电化学保护和物理屏蔽作用的耐热防腐涂层。适合应用于高温工作、腐蚀环境下的钢结构长效保护。

2.2设计现状及市场需求

2.2.1设计现状

在实际设计过程中，防腐蚀设计一般选用《08J333建筑防腐蚀构造》图集来选取涂料。根据工艺专业提供的腐蚀性物质形态及浓度等粗略的选取涂料。

产生的问题有:国标图集引用的涂料有些已经陈旧与现行市场推广的新型涂料相去甚远。建筑师选取涂料大部分还是按照酸碱性质进行选取，选取的方法相对单一，往往需要厂家进行二次设计。设计中提供的防腐构造大都是理论值，在实际施工中受各种不可抗力影响，实际值会削弱难以达到设计要求。现今防腐设计由设计院、施工、二次设计部门共同完成，工作不由一个主体完成，各个部门间协调一旦出现问题便无法达到设计预期。

2.2.2市场需求

适用于化工类厂房建筑的重防腐涂料需向节能、低污染、高性能方向发展。

当今市场需要低溶剂、无溶剂重防腐蚀涂料，降低涂料中有机挥发物的含量。以此保证施工环境的工作质量，减少有毒气体的排放。

对有害物质在涂料中使用占比的限制是对贯彻职业安全保护的有力支持。伴随以人为本和可持续发展的深入，我国会继续出台相关文件，明确完善有毒物质的掺入比例。

重型水性防腐蚀涂料在市场中份额较低，尤以底漆为主。随着市场需求的增大，需要大力发展水性重型防腐蚀涂料的研究。

3　钢结构防火策略

3.1厂房防火处理方式

钢结构厂房防火措施包括几个部分：①防止起火系统。通过一系列安全监管将发生火灾危险降低，防患于未然。②防止火灾扩散蔓延。在设计时划分好防火分区，有效防止火灾窜溢，将失火损失降低。③防烟及疏散设计。当火灾不可避免时，减少人员损失尤为重要。结合排烟系统妥善设计安全出口与安全通道是对人员的有力保护。④主体钢构件防火保护。这是火灾发生时对生命最关键的保护，决定了救援时间与疏散时间。

3.2主体钢结构构造防火措施

构造防火是通过材料本身的增添转型实现耐火要求［3］。

防火板包覆是设计中经常使用的构造措施。一般结构构件穿越防火分区，常以防火板包覆结构构件，有效防止火灾窜燃。现今设计中较常使用的为硅酸钙防火板。耐火极限达到4.0h，最高使用温度1100℃。硅酸钙板具有寿命长、强度高、重量轻、抗高温开裂、施工简便、经济等优点。

耐火钢是指“除其常温力学和焊接性能与普通钢一致外，还要求在600℃高温下保持1～3h后，其屈服强度值不低于常温规格值得2/3，即将原采用普通钢耐350℃的抗火设计提高到耐600℃的抗火设计，从而提高钢结构耐火性。”耐火钢由于造价等原因使用率不高，我们希望随着技术的普及，此种材料在设计中得到更多的应用［4］。

3.3主体钢结构涂料防火措施

防火涂料按其可溶性分为：水溶性防火、油性防火涂料；按其成膜性可分为，有机、无机与复合防火涂料。涂料防火依靠涂料遇火产生膨胀物、挥发惰性气体等，通过阻隔钢材与火源并抑制火势保护钢材。

在设计中，所有的钢构件都应涂刷防火涂料，使用量大。因此能效和环保性尤为重要。

4　防火+防腐蚀结合策略

化工建筑设计中往往需要同时考虑防腐蚀与防火设计。由于大多数钢结构构件均通过涂料涂刷达到保护结构的目的，因此涂膜的涂刷次序和不同功效的涂膜的粘结性成为设计优劣的关键。这两个问题在目前化工厂房设计中也是争议较大的问题，尚未得到解决。

4.1涂刷次序之争

目前对于防火涂层与防腐涂层涂刷次序的问题，从业者并未达成统一。主要包括以下几种涂刷次序：

①基层除锈+防火涂层。

②基层除锈+防锈底漆+厚型（薄型）防火涂层。

以上涂刷适用于民用型钢结构体系，结构遭受的腐蚀性较弱。须注意的是，基层除锈与防锈底漆是钢材出厂时预作的低级防腐工作，仅能抵御一般性腐蚀。

③底漆+中间漆+防火涂层+面层（防腐）。

这种涂刷是在钢材基本防腐基础上进行防火和防腐。最外层涂刷的防腐材料是针对化工工艺过程中涉及的酸碱物料进行的专业防腐蚀。

是将防腐还是防火涂刷在外表面设计界争论不休。其实只要明确建筑中危害钢结构体系的关键源是什么，就可以确定采用哪种次序涂刷。化工建筑中的主材每天都受到酸雾等的腐蚀，将防火涂层置于最外层很容易损坏。涂刷次序往往并无一定之规，需要我们从业者审时度势的分析。

4.2防火与防腐粘结性问题

现今，防火与防腐结合的技术难题影响着以化工建筑代表的工业建筑设计。重腐蚀型厂房需要“防火涂层+防腐”的模式。然而，防腐与防火的相容性问题造成两种涂层发生化学反应或根本无法粘结极易脱落。

在国内某一厂家提供的技术信息中［5］，“富锌底漆+环氧云铁+防火涂料+面漆，需要与防火涂层做相容测试：云铁中间漆与防火涂料；防火涂料与面漆，这两项必须做；还要做综合涂层配套测试，主要指标是考察综合涂层的附着力测试。”

建筑设计师对化工涂料的相容性往往知之甚少，选择涂膜也都根据标准图集确定。单纯的选料能保证防护的可行性，但多个涂膜叠加是否可行还需要更专业的材料工程师的配合。我们希望在国标设计中能考虑这方面的缺憾，同时为建筑师提供一个学习的平台更深入的了解涂刷材料的性质，优化我们的设计。

5　结语

化工建筑作为工业建筑的一个分支易受爆炸、火灾危和腐蚀的危害。这就需要在建筑设计过程中博采众长，兼容并蓄的吸收新型材料和新的产品理念、构造方法，增进建筑的安全性和经济合理性。化工建筑在设计行业的关注度相对低抑制了新材料的研发，但我们也看到全球融合与技术共享让我们的材料工艺和设计理念不断推陈出新。假以时日，我们会通过行业间的扶持协作设计出更为安全高效的建筑产品。

［1］李引擎.钢结构的防腐与防火.建筑结构［J］，2006增刊第36卷：1-4.

［2］梁利生.钢结构表面腐蚀的危害与防护［J］.山西建筑，2007，33 （30）：165-166.

［3］时虎，胡源.钢结构建筑的火灾危险性和防火保护［J］.火灾科学，2005，6（1）：63-70.

［4］徐伟良，张洪亮.我国建筑耐火钢的开发与应用［J］.材料导报网刊，2007，8（3）：22-24.

［5］网络评论.防腐涂料和防火涂料配合使用需要注意的问题. 2014-11-16.

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.04.021

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1008-1267（2016）04-0060-03

2016-05-19