热电厂海水冷却塔耐久性修复设计

张琨，方翔*，倪静姁

（1.中交四航局港湾工程设计院有限公司，广东 广州 510290；2.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；3.交通运输部水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室，广东 广州 510230）

热电厂海水冷却塔耐久性修复设计

张琨1，方翔2,3,*，倪静姁2,3

（1.中交四航局港湾工程设计院有限公司，广东 广州 510290；2.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；3.交通运输部水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室，广东 广州 510230）

某热电厂海水冷却塔在运行6年后，保护涂层失效剥落，混凝土内钢筋遭受腐蚀。根据不同的破损情况，提出相应的修补措施。对环氧类涂层、环氧玻璃鳞片类涂层和纳米无溶剂重防腐涂层在海水冷却塔上的适用性进行验证，并针对不同区域提出相应的涂层配套方案。

海水冷却塔；耐久性；修复；涂层；环氧；重防腐

海水冷却塔是海水循环冷却技术的关键结构[1]。冷却塔形式多样，特大型海水冷却塔多采用自然通风逆流式双曲线冷却塔，属于大型钢筋混凝土构筑物，主要由现浇的钢筋混凝土塔体、蓄水池和塔内淋水构件组成，其中混凝土塔体包括人字柱、环梁和筒壁。

冷却塔面临严峻的耐久性问题，尤其是筒内壁、环梁、人字柱、塔内淋水构件、蓄水池等部位所处的腐蚀环境较一般海工结构更为恶劣[2]。主要的腐蚀因素包括：

(1) 高盐。冷却塔内海水不断循环、蒸发，其含盐量是普通海水的3 ～ 5倍。

(2) 高温。冷却塔海水介质温度可达40 °C，高温会加速致蚀物质的渗透，使钢筋锈蚀起始时间提前，同时会加快钢筋的锈蚀，大大缩短结构的寿命。

(3) 盐雾。冷却塔内因含有大量蒸汽而形成的盐雾侵蚀对混凝土造成的损伤大于海水侵蚀[3]。

(4) 冲刷。冷却塔在工作过程中还受到海水冲刷。

在如此恶劣的环境下，为确保海水冷却塔达到设计使用寿命，必须采取措施延缓或阻碍氯离子渗透。

某热电厂建有2座淋水面积约6 000 m2的海水冷却塔，均采用强度等级为C40的水工混凝土建造。为保证冷却塔的耐久性，对筒内壁、环梁、人字柱及淋水构件采取了混凝土表面附加涂层的防腐蚀措施。原涂层设计保护年限为8 ～ 10 a，涂层厚度为200 μm，附着力要求大于1.5 MPa。

然而，由于冷却塔建造当时国内没有经验可借鉴，涂层未能在严酷的腐蚀环境下抵御侵蚀，在到达设计保护年限前已老化失效，筒内壁及淋水构件的部分区域出现严重的涂层剥落。在混凝土保护层厚度不足或露筋的区域，混凝土表面也出现多处局部锈迹。对冷却塔不同区域进行取芯检测，发现氯离子已渗入混凝土内，但总体上还未超过临界浓度。

由于冷却塔中涂层已经失效，氯离子的渗透速度将加快。如果不及时进行修复，结构耐久性问题将愈发恶化。根据国内外经验，越早进行修复，所花费的成本越低，效果越好。因此应尽早开展冷却塔的修复工作。耐久性修复范围包括冷却塔筒壁内壁、环梁、人字柱、淋水构件及水池。修复工作应包括两部分：

(1) 针对冷却塔内壁出现的施工缺陷和局部锈斑进行混凝土破损修补。

(2) 修补后应采取附加防腐蚀措施，阻止或延缓氯离子渗透，保护钢筋不受腐蚀侵害。

1 破损修补

对于混凝土缺陷区域，应根据缺陷成因进行修补。导致缺陷主要有混凝土施工以及钢筋锈蚀两方面的原因。

混凝土结构中的施工缺陷包括由于振捣不充分形成的蜂窝、露石，绑扎钢筋时伸入保护层甚至外露的扎丝，以及未拆除的模板拉杆，等等。这些缺陷会降低混凝土自身的耐久性，并削弱后续附加防腐蚀措施的有效性。对混凝土施工缺陷进行修补时，应凿除缺陷混凝土至露出结实平整的表面，清除缺陷处的非设计要求设置的外漏铁件(如有)，并采用聚合物水泥砂浆恢复断面。为提高修补材料与原混凝土的粘结强度，可先在混凝土表面涂刷界面材料。施工缺陷修补的整个流程如下：凿除待修复处混凝土→清除外漏铁件(如有)→用淡水清洗混凝土表面→刷涂界面材料→聚合物砂浆修补→质量检查及验收。

冷却塔内壁出现的局部锈斑主要由钢筋锈蚀引起，应及时采取修补措施，避免锈蚀进一步发展而严重影响混凝土结构的耐久性以及安全性。对于因钢筋锈蚀造成的破损，修补时需凿除混凝土保护层至露出钢筋锈蚀部分，对钢筋进行除锈、阻锈处理，并用聚合物水泥砂浆恢复断面。如果钢筋锈蚀严重，断面损失超过10%，还应补焊钢筋。钢筋锈蚀缺陷的修补流程如下：凿除待修复处混凝土→钢筋表面除锈、补筋(如需)→混凝土表面清洗→对钢筋喷射阻锈剂→刷涂界面材料→聚合物砂浆修补→质量检查及验收。

2 附加防腐蚀措施

混凝土附加防腐蚀措施一般有硅烷浸渍、涂层、阴极保护等。不同措施的保护效果及成本相差较大，应根据环境特点及保护年限要求进行选择。

2. 1 冷却塔内壁的划分

为了使附加防腐蚀措施更具针对性，根据环境腐蚀特点对冷却塔进行区域划分。按《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476–2008)海水冷却塔环境作用等级可划分为III-E及III-F。除水器上部区域属于III-E(海洋氯化物环境，作用等级非常严重)，除水器以下区域属于III-F(海洋氯化物环境，作用等级极端严重)。对于除水器以上的区域，还可根据腐蚀因素作进一步划分[4]，见图1。

2. 2 附加防腐蚀措施的设计

涂层保护是通过在混凝土表面形成较为致密的保护膜，隔绝各种致蚀物质(如氯离子、水汽)的渗透，从而起到保护作用，提高混凝土的耐久性。涂层保护年限较短，一般10年左右。与其他附加防腐蚀措施相比，涂层施工工艺简单，施工成本较低，达到保护年限后可重新涂覆，从而继续提供保护。

冷却塔内出现的钢筋锈蚀为局部锈蚀。经过修补后，这部分缺陷得以治理。考虑到冷却塔钢筋表面氯离子浓度大部分仍未达到临界值，因此在修补后采用涂层作为附加防腐蚀措施，阻碍氯离子的进一步渗透，维持结构的耐久性水平。

2. 3 涂层性能的评价

海水冷却塔涂层需重点关注其耐碱性、耐湿热性、耐盐雾性、耐海水浸泡性和耐紫外老化性[5]。耐碱性是混凝土涂层的一项重要指标，因为混凝土本身碱性高。耐湿热性、耐盐雾性和耐海水浸泡性是冷却塔内部高温、高湿的腐蚀环境对涂层的要求。耐紫外老化性则是针对冷却塔顶部区域受太阳照射，紫外线侵蚀严重而提出的要求。

图1 冷却塔环境区域划分示意图Figure 1 Schematic diagram showing the classification of environmental zones for seawater cooling tower

选用3类涂层共6个配套进行实验，评价其在冷却塔内的适用性。其中配套1和2为普通环氧类涂层，配套3和4为环氧玻璃鳞片类涂层，配套5和6为纳米无溶剂重防腐涂层。同一类涂层中2个配套的区别在于其中一个增加了耐紫外线的聚氨酯面漆(即配套1、3、5)以适应受太阳照射的区域，另一个配套不含耐紫外线面漆(包括配套2、4、6)。6个涂层配套的方案见表1。

表 1 6个待评价的涂层配套方案Table 1 Six coating systems to be evaluated

上述配套分别涂覆在配合比与电厂冷却塔混凝土一样的混凝土试块上，并分别依据《漆膜耐湿热测定法》(GB/T 1740–2007)、《色漆和清漆 耐液体介质的测定》(GB/T 9274–1988)、《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》(GB/T 1771–2007)和《机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料人工气候老化试验方法 荧光紫外灯》(GB/T 14522–2008)进行耐湿热老化、耐海水浸泡、耐盐雾、耐紫外老化试验，时间均为1 000 h，试验后根据《色漆和清漆 涂层老化的评级方法》(GB/T 1766–2008)对涂层表观进行评价，并依据《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ 275–2000)测试涂层附着力。导致混凝土内钢筋锈蚀的主要物质是氯离子、水和氧气，而盐雾环境最有利于这3种物质的渗透，引起的腐蚀最严重，因此在盐雾试验后按《水运工程混凝土试验规程》(JTJ 270–1998)进行混凝土氯离子含量测定。要求所有试验后涂层的耐老化性能应达到优等，涂层附着力不小于2 MPa，混凝土内氯离子浓度不超过临界值。

2. 3. 1 外观

外观评价项目包括变色、粉化、开裂、起泡和剥落。各配套涂层经过老化试验后均无上述外观缺陷，综合老化性能等级为0级，达到最优等。图2为配套1涂层在1 000 h快速试验后的外观照片。

图2 配套1涂层在经过1 000 h的不同试验后涂层的外观Figure 2 Appearance of coating No.1 after 1 000 h of different tests

2. 3. 2 附着力

各试块经老化试验后的附着力见表2，表中的结果为同一试块3个测试点的平均值。各配套涂层在老化试验后的附着力均能满足指标要求。另外，在同类涂层中，带聚氨酯面漆配套涂层的附着力普遍低于不带聚氨酯面漆的涂层的附着力。

表2 不同老化试验后6种涂层的附着力Table 2 Adhesion strength of six coatings after different aging tests

2. 3. 3 抗氯离子渗透性能

图3为中性盐雾试验后，混凝土试件中氯离子质量分数随深度的变化。《港口水工建筑物检测与评估技术规范》(JTJ 302–2006)指出：对于腐蚀最为严重的浪溅区，引起混凝土中钢筋腐蚀的氯离子质量分数(占胶凝材料质量的百分数)临界值约为0.40%。根据试件所用配合比得到临界氯离子含量占混凝土质量的百分数应为0.07%。可见各配套试件中的氯离子质量分数远未达到临界值。

图3中的“空白”反映了混凝土自身固有的氯离子。采用了聚氨酯面漆的配套1、3和5的氯离子渗透情况与空白相当，而没有采用聚氨酯面漆的配套2、4和6在深度5 mm以内的氯离子质量分数较高，在大于5 mm深度下的氯离子质量分数与本体基本一致。可见中性盐雾试验中，含聚氨酯面漆的涂层配套较不含聚氨酯面漆的同类涂层配套具有更好的抗氯离子渗透性能。

2. 4 推荐的涂层配套方案

试验的3类涂层都能满足耐老化性能的要求。厚浆型改性环氧树脂与纳米无溶剂重防腐涂料一次涂覆便可达到指定厚度，而环氧玻璃鳞片涂层需要涂覆3道。由于冷却塔属于高空作业，人工成本较高，因此相对而言，厚浆型改性环氧树脂与纳米无溶剂重防腐涂料在节省施工时间和成本上有优势。纳米无溶剂重防腐涂料的成本较高，但其拥有较好的耐磨性能。根据《色漆和清漆 耐磨性的测定 旋转橡胶砂轮法》(GB/T 1768–2006)，在1 kg载荷下以橡胶砂轮对磨1 000转后，其磨耗小于10 mg。因此建议优先采用厚浆型改性环氧树脂，并根据冷却塔不同区域腐蚀特点进行配套选择(见表3)。

图3 经中性盐雾试验后不同涂层试件内部的氯离子质量分数随深度的变化Figure 3 Variation of mass concentration of chloride ions along depth in specimens treated with different coatings after neutral salt spray test

表3 海水冷却塔不同区域推荐的涂层配套Table 3 Coating systems recommended for different zones of seawater cooling tower

3 结语

对于附加防腐蚀措施已失效，但混凝土内氯离子总体上还未达临界浓度的海水冷却塔结构，应及时开展耐久性修复工作。耐久性修复包括对已破损混凝土的修补，以及在修补后实施附加防腐蚀措施。修补工作应包括弥补原有的蜂窝、露石，去除保护层内非设计要求设置的铁件，以及其他混凝土施工缺陷，并对局部的钢筋锈蚀进行断面修复。附加防腐蚀措施建议采用涂层，要求涂层在设计保护年限内能提供有效防护。需对拟采用的配套涂层进行耐湿热、耐海水浸泡、耐盐雾、耐紫外老化等性能评价，并根据冷却塔不同部位的环境特点和施工特点来选择合适的涂层配套方案。

[1] 王广珠, 李承蓉, 周金德, 等. 海水循环冷却技术的研究与应用现状[J]. 热力发电, 2007, 36 (11): 68-71.

[2] 杨万国, 丁国清, 杨海洋, 等. 海水冷却塔用防护涂料的性能研究[J]. 涂料工业, 2012, 42 (8): 22-24.

[3] 吴庆令, 杨益洪, 裴伟伟. 混凝土在盐雾腐蚀和海水侵蚀中的劣化损伤[J]. 混凝土与水泥制品, 2014 (11): 30-34.

[4] 同刚, 姚友成, 王普育, 等. 海水冷却塔结构防腐蚀研究[J]. 电力勘测设计, 2009 (6): 40-45.

[5] 李运德, 黄玖梅, 张军. 混凝土桥梁结构表面涂层防腐技术(二)[J]. 电镀与涂饰, 2008, 27 (8): 37-40.

[ 编辑：温靖邦 ]

Design of durability restoration for seawater cooling tower in thermal power station

ZHANG Kun, FANG Xiang*, NI Jing-xu

After six years of operation, the protective coatings of a seawater cooling tower in a thermal power plant failed due to exfoliation and the steel reinforcements in concretes suffered from corrosion. The methods for repairing the concretes with different damage types were proposed. The applicability of epoxy coating, glass flake/epoxy coating and solvent-free nanometer heavy-duty anticorrosion coating for using in seawater cooling tower was verified by tests. The suitable coating systems for different zones of seawater cooling tower were recommended.

seawater cooling tower; durability; restoration; coating; epoxy; heavy-duty anticorrosion

Engineering Design Institute Co., Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co., Ltd., Guangzhou 510290, China

10.19289/j.1004-227x.2017.14.009

TG172.5; TG174.461

：B

：1004 – 227X (2017) 14 – 0768 – 05

2017–01–04

2017–05–09

张琨（1982–），男，江苏人，硕士研究生，工程师，从事水运及海洋工程设计工作。

方翔，(E-mail) einfang@hotmail.com。