空气分馏塔基础特种混凝土的设计及检测.pdf

E＆ C T e c n n o 10 g y —___ 萌蕊 一 设计及检测 裴丽梅 焦迎 杰 1 天津新滨工程技术检测有限公司天津3 0 0 3 0 1 2 天津二十冶有限公司市政分公司天津3 0 0 3 0 1 的 摘要详细说明了如何采用优质石英石粗细骨料 ， 高效引气减水剂， 普通 4 2 ． 5 强度等级水泥等材料， 设计 C 3 0 、 C 2 5 抗冻 D7 5 ， 抗渗 P 1 2的工业制氧空气分馏塔基础特种混凝土配合比方法及耐久性检测方法 。 关键词分馏塔基础抗冻抗渗混凝土配合 比检 测方法 中图分类号 T U7 4 4 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 2 —9 3 2 3( 2 0 1 4 ) 0 6 —0 0 8 8 — 0 3 工业制氧空气分馏塔混凝土基础因为其功能要求，使用环 境 处于深冷 、 隔温 、 绝热状 态 ， 故其所使用 的混凝土性 能上属 于 特种 混凝土范畴，设计上 除要求混凝土的抗压强度 等常规性 能 满足设计要求外， 对{ 昆凝土的耐久性、 抗渗、 抗冻的要求也比较 高。一般 制氧 空气分馏塔基础} 昆 凝土设计强度要求 C 3 0细石和 C 2 5中粒 径两种混凝土 ， 其抗 冻要求达到 D7 5 ， 抗渗 等级 要求达 到 P 1 2 ； 并且设计要求有珠光砂混凝土作为特殊的隔温绝热层。 珠光砂混凝土强度为第二性能指标，设计上重点限制其导热系 数的数值， 一般要求导热系数小于 0 ． 8 3 7 KJ ／ m． h． ℃。 使用常规的混凝土材料 、 常规 的混凝土配合 比设计 ， 显然不 能满足以上特殊混凝土的性能要求。必须采用深冷、 隔热、 保温 材料， 并采取有针对性的配合 比设计手段， 优化混凝土配合比各 种性能设计组合， 才能设计出符合设计要求的特种混凝土。 1影响混凝土的强度、 抗冻 抗渗性能诸 因素分析 1 ． 1影响混凝土的强度的因素分析 混凝土的强度主要是指} 昆 凝土的抗压强度，其影响因素主 要有以下几个方面： ( 1 )水泥的强度等级 。水泥的强度 等级 越高 ， 水泥浆 的胶结 力越大， 混凝土的强度就越高； ( 2 )水灰比( 水胶比) 。水灰比和强度成反比， 因为水灰 比越 大， 水泥浆越稀薄， 水泥浆的胶结作用越弱， 混凝土的强度就越 低。 有的混凝土配合比设计直接掺人活性矿粉等胶结材料， 并取 8 8 f 石 油 化 工 建 设 2 0 1 4 0 6 代部分水泥， 因此这个时候的水灰比就被称为水胶比； ( 3 )混凝土粗细骨料的品质。 骨料在混凝土中起骨架作用， 不仅骨料的强度直接关系到混凝土强度大小 ， 骨料的级配， 颗粒 的形状， 粒径大小， 表面特征， 及其有害物质含量都对混凝土强 度有 直接的影响 ； ( 4 )混凝土龄期。随着混凝土硬化龄期的延长， 混凝土强度 逐渐增长 ， 初期增 长速度较快 ， 后期缓慢 ； ( 5 )其他因素。混凝土的施工条件和施工质量 ， 以及混凝土 的养护温度、 湿度都对混凝土的强度增加有影响。 1 ． 2影响混凝土的抗渗性能的因素分析 混凝土 的抗渗性 能就 是混凝土的密实性 能 ，其影响因素主 要包括 ： ( 1 )混凝土骨料的特征。改善混凝土的粗细骨料级配， 使骨 料 中的大 、 中 、 小 颗粒互相搭 配填充 而组成最密 实 ， 孔隙率 最小 的 混凝 士； ( 2 )对混凝土抗渗性能有益的水泥， 并且水泥浆饱满。 混凝 土混合物中饱满的水泥浆将骨料充分包裹起来，并使之成为互 相不接触的隔离体， 保证了混凝土的密实性能； ( 3 )外加剂。实践证明在混凝土中掺入各种不同性能的外 加剂都可以改善} 昆 凝土的密实性能。 减水剂、 引气剂、 加气剂、 密 实剂、 膨胀剂等都具有改善和提高混凝土密实性的效果； ( 4 )其他因素， 加强施工管理， 保i 正 施工质量也是混凝土抗 渗性能的必要条件。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 ． 3影响混凝土的抗冻性能的因素分析 混凝土的抗冻性能， 即混凝土抵抗冻融破坏的能力。 混凝土 在大气中遭受冻融破坏的机理比较复杂一般认为混凝土内部 在某一冻温下存在结冰的水和过冷的水，结冰的水产生体积膨 胀及过冷的水发生迁移引起各种压力，从而缓慢地造成混凝土 的破坏。影响混凝土的抗冻性能的因素主要有： ( 1 )龄期。 混凝土龄期是抗冻的重要保证， 一般混凝土在龄 期较短时易受冻， 混凝土强度损失较大， 拥有一定龄期的混凝土 再受冻 ， 强度损失较小； ( 2 )骨料的品质。混凝土骨料 品质越好 ， 抵抗冻融破坏的能力 越强， 抗冻性能就好。石英石是所有骨料中最坚硬、 最稳定的材料； ( 3 )引气剂。引气剂具有显著的提高混凝土抗冻性能的作 用， 其作用机理是 ： 在混凝土中引入均匀分布的细小气孔 当} 昆 凝土受冻时，毛细孔水结冰时引起的膨胀压力使多余的水很容 易地渗流到周围的气孔中， } 昆 凝土的饱水程度降低， 当饱水程度 低于某一临界值时， 混凝土并不发生冻融破坏。 但引气剂也有一 定的缺点，主要缺点是混凝土的强度随着含气量的增加而有所 降低， 一般每增加 1 ％的含气量， 抗压强度降低 3 ～5 ％， 因此使用 时必须控制其掺入量 。 2混凝土组成材料选定及混凝土配合比设计方法 2 ． 1混凝土材料选择 2 ． 1 ． 1水泥 选 用质量稳定可 靠的普通硅酸盐 4 2 ． 5等级的水泥 ， 原 因是 其早期强度高 ， 对 混凝土的抗渗、 抗冻性 能都不错 。 2 ． 1 ． 2水灰 比( 水胶比) C 3 0 控制在 0 ． 4 5 ； C 2 5控制在 0 ． 4 9 。 2 ． 1 ． 3骨料 细骨料选用石 英 中砂 ， 粗骨料选用石 英石 碎石 ， 粒 径按} 昆 凝 土 的要 求分 两种 ： C 3 0细石选 5～1 0 mm 粒径 ； C 2 5选 5～ 3 1 ． 5 ram 粒径 。 2 ． 1 ． 4外加剂 外加剂选用复合性能的引气型高效减水剂，掺量控制在 0 ． 5 ％以下， 这样的选择对混凝土的抗渗、 抗冻都有利， 掺量不大 对混凝土 的强度 降低 影响不大。 所有混凝土材料在混凝土配合比试验之前，均需按材料检 验标准检验合格后， 方可进行混凝土配合比试验， 试验用水均采 用洁净 的饮用水标准 。 2 ． 2配合比的确定 C 3 0 混凝土配合比 ( 重量比) 为， 水泥 ： 水 ： 砂 ： 碎石 = 1： 0 ． 4 5：1 ． 4 5：2． 4 0 。 C 2 5混凝土配合比 ( 重量比) 为， 水泥 ： 水 ： 砂 ： 碎石 =l： 0 ． 5 0 ：1 ． 5 7 ：2 ． 61 。 2 ． 3珠光砂混凝土的配合比设计 珠光砂混凝土即膨胀珍珠岩} 昆 凝土，是采用膨胀珍珠岩和 E& c T e C h n 0 lo q v 工程技术 水泥、 砂为配料， 加水搅拌均匀后压缩成型的轻集料混凝土。该 混凝土据有极低的导热性和可靠的化学稳定性，良好的充填流 动性和极低的容重性， 是很好的隔热保温特种混凝土。 试验时采用优质稳定的 4 2 ． 5级普通水泥。 珍珠岩采用一级 膨胀珍珠岩， 堆积密度为 3 5 k g ／ m。 。 膨胀珍珠岩是由玻璃质火山 岩经破碎及高温焙烧而成， 呈白色圆珠状松散颗粒， 它无毒、 无 味， 不燃烧 ， 不腐蚀， 无任何副作用， 是优秀的隔热、 断冷、 防冻建 筑材料。 外加剂采用高效微孔塑化剂， 使用掺量仅为水泥重量的 0 ． 0 5 ％。高效微孔塑化剂属于粘稠黑棕色液体，使用前需要用 8 0 ~ C的热水配成 1 ％的水溶液 ， 并搅拌 到有 气泡析出后备用 。水 使用 饮用 水。 珠光砂混凝 土应采用特殊 的成型工艺 ， 不适合振捣成型 ， 宜 采用压缩成型。经过多次试验， 当压缩比控制在 1： 3 左右时成 型效果最好， 抗压强度可以达到 0 ． 8 Mp a以上。 珠光砂混凝土的搅拌成型方式是 ： 首先将水泥、 砂和膨胀珍 珠岩 按比例投入搅 拌机 并搅 拌 1 ～2 mi n至均匀 ，然后加部分水 拌合 ； 再掺入外加剂和剩余的水并搅拌 2 ～3 mi n至混合料均匀、 颜色一致、 外观松散、 手握成团不散即可。可以用坍落度筒检测 控制 其坍 落度在 3 ～5 c m 范 围， 千万 不要 多加水 ， 否则影 响混 凝 土 的强度和导 热系数 。 珠光砂混凝土配合比( 重量比) ， 强度标准 M7 ． 5 为 ， 水泥 ： 膨胀珍珠岩 ： 石英砂 ： 水 =1： 0 ． 3 5： 0 ． 3 0： 0 ． 6 5 。 3混凝土试件的成型、 养护及检测 3 ． 1混凝土试件的制备 C 3 0细石混凝土抗压试件 2组 ， 规格 1 0 0 mm 1 0 0 mm。抗 渗试件 ( 圆台) 1 组， 抗冻试件 2组， 规格 l O O mml O O mm。标准 养护同规格强度对比试件 2组。 C 2 5混凝 土抗压 试件 2组 ， 规格 1 5 0 ram 1 5 0 ram， 抗 渗试 件 ( 圆台) 1 组 ， 抗 冻试 件 2组 ， 规格 1 0 0 mm l O O mm， 标 准养护 同规格 强度对 比试件 2组。 珠 光砂 混凝 土试件 2组 7 0 ． 7 mm3 ， 用 于抗压 强度 ， 导 热系 数 的试件 规 格根 据 检 测 仪器 的规格 确 定 。 可 以是 2 0 0 mm 2 0 0 mm X 3 0 ram 规 格 的 的 三 块 一 组 ，也 可 以是 3 0 0 mm 3 0 0 mm 2 5 mm 规格 的三块一组 。试件 的制作要 求是上 下两个 表 面应平行 ， 侧面应垂直 ， 并磨平 。 3 ． 2混凝土强度及耐久性检测结果 3 ． 2 ． 1强度测试 C3 0抗压 强度代表值 是 7 d为 2 7 ． 8 Mp a ， 2 8 d为 3 5 ． 6 Mp a 。 C 2 5抗压强度代表值是 7 d为 2 3 ． 4 Mp a ， 2 8 d为 3 1 ． 2 Mp a 。 3 ． 2 ． 2抗渗性能测试 抗渗试件拆模后立刻送标养室养护， 在试件标准养护 2 7 d后 取出， 表面晾干 ， 1 d后按操作要求封模后作抗渗检测。抗渗试验采 用逐级 加压标 准方法检 测 ，从 0 ． 1 Mp a开始 加压 ，每 8 h增加 0 ． 1 Mp a ， 直到有三个试件渗水 ， 停止加压试验。 ( 下 转 g 3页) 石 油 化 工 建 设 2 0 1 4 ．0 6 I 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 力不真实或无效； 另外， 反映螺栓的真实受力而非紧固设备提供 的表数据， 应运用 “ 应变片测试法” 或“ 超声波反射技术” 监测。 最后， 用于拉伸部位的螺栓外露螺纹由于油漆、 生锈或碰损等原 因拆卸困难， 必须注意防护， 见图 7 。 4 ． 6高压螺栓是否需要热紧过程问题 为防止管道在工作温度下，因受热膨胀导致静密封处泄露 规范要求需进行热紧。 然而高压系统的升温、 升压 气密、 降温周 期较长， 一旦发现泄漏 ， 系统的压力和温度往往很高 ； 且螺栓的 预紧力按设计 已经是最大 的。 安装实践经验——高压静密封螺栓多数不需要热紧过程， 即泄露热紧， 不泄露不需热紧。是否细化此热紧过程 ， 减少施工 隐患和不必要的工作量尚有待完善、 探讨与理论支持。 4 ． 7高压是否可以带压紧固 标准、 规范上要求当设计压力大于 6 MP a时， 热态紧固最大 内应力为 0 ． 5 MP a ， 冷态紧固应在卸压后进行。实际应用上已经 有所突破，因高压螺栓热态紧固多数需要液压拉伸器或液压扳 手， 紧固过程中相对敲击扳手安静， 对静密封部位不会造成巨大 的冲击力和产生静电， 高压系统组成材料是非脆性材料 ， 理论上 不能造成脆性断裂的危险， 无安全隐患， 但具体最大允许的紧固 压力 是多少 ， 尚有待探讨 与理论支持 。现场试验初步结论 ： 管道 压力 1 0 MP m 以内的带压紧固， 对静密封局部泄露处理有效果 ， 超过 1 0 P Ma的处理效果较差 。 以上的经验、 数据得 自我公司在大庆石化公司 2 0 万 t ／ a催 ( 上接 8 9页) 实际检测结果是用 C 3 0 、 C 2 5混凝土配合比制作的抗渗试 件， 水压检测经过 1 3次加压 到 1 ． 3 MP a ， 所有检测的抗渗试件 均未出现渗水， 超过了设计要求的抗渗等级， 因此停止了加压试 验。判定混凝土的抗渗等级大于 Pl 3 ， 大于混凝土设计要求抗渗 等级 P 1 2 。 3 ． 2 ． 3抗冻性能测试 抗冻试验检 测需要对 比两个指 标 ，一个是冻融 循环后强度 损失百分 比， 标准要 求小 于 2 5 ％； 二 是冻融循环后质量 损失百分 比， 标准要求小于 5 ％。 抗冻检测采用标准慢冻法检测， 试件标养 2 4 d后取出， 然后 放入在 1 8 ～2 0 ~C的水中浸泡 4 d，使试件含水量达到完全饱和。 饱和试件 取 出后 ， 擦 干表面水分 ， 然后试件 编号 ， 并按 编号 称量 每个试件的质量， 并做好记录。冻融循环设计降温阶段 1 ． 5 h， 负 温 -1 8 ~ C～一2 0 ~ C环境 恒 温 4 h ，注水 、升 温及 在 正温 度 1 8 ～ 2 0 ~ C的水中融化 4 ． 5 h ， 整个过程 1 0 h为一次冻融循环。 设计 要求 D7 5 ， 实 际检测经 过 7 5次冻融 循环后 ， 所检 试件 无任何外观异常情况， 检测停止。取出试件擦干其表面的水分， 并按着编号量测每个试件冻融后质量，然后检测其冻融后的抗 压 强度。 本次试验冻融后实测强度代表值 C 3 0： 3 2 ． 7 Mp a ； C 2 5强 M a in t e n a n c e & s e rv ic e 维护与检修 螺栓外露螺纹 图 7楔缝示意 图 化脱蜡及加氢精制装置 ( 主要是八角垫结构静密封) 1 2 ． 8 MP a氢 气气密和克拉玛依石化公司 3 0万 t ／ a润滑油高压加氢装置 ( 八 角垫和椭圆垫结构静密封) 1 7 ． 1 5 MP a氢气气密的工程实际； 透 镜垫的经验主要来 自塔里木 8 0万 t ／ a尿素联合装置 NH3和 C O 操作压力 1 5 ． 5 MP a中的成功应用。实践证明， 上述的经验 和作法可靠 ， 值得分享、 探讨。 参考文献 1高压容器八角垫密封分析——北 京化工学院 副教授 王 尚武 1 9 8 8年 ； 2 ——哈尔滨工程大学 安少军 王立权 2 0 1 1 年 3 中国石 油天然 气集 团公司企业标 准炼油化工建设 项 目施工过程 技术 文件 Q S Y1 5 6 4 2 0 1 3年 } 4工业金属管道工程施工规范 G B5 0 2 3 5 --2 0 1 0 ； 5金属环 连接垫密封 特性对环垫硬 度的响应——大连理 工大学化 工学 院化机系 王立业 侯明 1 9 9 9年 ； 6压力容器 GB1 5 0 ． 1 ～1 5 0 ． 4 — 2 0 1 l 。 ( 收稿 日期： 2 0 1 4 - 0 9 一l 1 ) 度代表值 ： 2 8 ． 5 Mp a 。标准养护对 比试件强度代表值 C 3 0： 3 6 ． 1 Mp a ； C 2 5： 3 1 ． 6 Mp a 。则 C 3 0 、 C 2 5冻融后强度损失率： { ( 3 6 ． 1 —3 2 ． 7 ) ／ 3 6 ． 1 } 1 0 0 ％= 9 ． 4 ％<2 5 ％ { ( 3 1 ． 6 —2 8 ． 5 ) ／ 3 1 ． 6 } * 1 0 0 ％= 9 ． 8 ％<2 5 ％ 实测 C 3 0 、 C 2 5重量损失率都是 0 ，所检测的试件经过冻融 循环后， 外观完好， 无掉角， 无裂纹， 无掉粉， 表面坚硬无疏松。 以上俩个指标 ， 依据混凝 土耐久性标准评定 ， 均满足 D7 5的 抗冻要求。 3 ． 3珠光砂混凝土试件检测结果 导热系数 0 ． 1 1 2 KJ ／ m． h． ℃； 抗压强度代表值 ： 0 ． 9 2 Mp a ， 符合设计要求。 本次深冷、 隔温、 绝 热混凝 土配合 比设计是一次 非常成功 的 尝试， 主要体现在检测数据真实可靠， 检测数据远远大于设计要 求， 尤其是混凝土耐久性抗冻、 抗渗的性能非常好 ， 说明本次试 验成功。主要体会有以下二点： ( 1 )材料的选择和质量把关是配合比设计成功的基础和关 键 ( 2 ) 试验检测 中必须依据 标准严格准确 ， 一丝不苟 ， 才能保 证 设计意 图的实现 。 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 0 6 —2 1 ) 石 油 化 工 建 设 2 o 1 4 ．0 6 l 9 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m