某石油化工管架检测鉴定与隐患治理探讨.pdf

第 4 0卷第 3 期 2 0 1 4年 6月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 O 5 某石油化工管架检测鉴定与隐患治理探讨 魏常宝， 钱 铭 ， 王正东 ， 吴生祥 甘肃土木工程科学研究院， 甘肃 兰州7 3 0 0 2 0 摘要 老旧管道支架由于超期服役 ， 且受大 自然和厂区环境的侵蚀， 使得管架存在不同程度的病害和安全隐患。 为了进一步明确老旧管架的安全性， 需要对这类管架进行系统的检测鉴定和承载力验算， 并在此基础上针对管架 的隐患进行相应的隐患治理方案的设计。本文通过对某石油化工管架的检测鉴定， 同时根据现场实际情况 、 管架 检测结果和管架存在的隐患对该石油化工管架进行承载力验算 ， 再根据验算结果提出一系列相应的隐患治理方案 并对选择最优方案进行验证， 最终确定出石油化工管架最佳隐患治理方案。 关键词 石油化工； 管架； 检测 ； 鉴定； 隐患； 治理 中图分类号 T U 3 5 9 文献标志码 B 文章 编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 4 0 31 0 5 0 4 0 引 言 管架是石油 、 化工 、 冶金 、 发电等行业 的一种重 要特种结构⋯ ， 它主要支承架空 管道， 大多数 管架 年久失修 ， 且 处于维护不善 的工作 环境下 ， 有的超 重 、 严重破损 、 腐蚀 。管架年久失修容易导致安全事 故发生 ， 造成严重的经济损失。因此 ， 对管架 的检测 鉴定和隐患治理是保证老旧管架继续安全使用的重 要前提 ， 老旧管架隐患治理工作刻不容缓。 管架分为独立式管架和组合式管架 ， 其中独立 式管架根据管架在管路的作用不同分为固定管架和 活动管架。组合式管架是采用某些辅助结构 ， 把各 自独立的管架联系起来 ， 形成一个大跨度 支承管道 的管架系统即管廊 。组合式管架又根据结构形式分 为纵梁式 、 吊索式 、 悬索式等结构类 型。 本文通过对某石油化工管架 的检测鉴定 ， 对管 架存在的隐患现状进行评定 ， 并对管架进行 承载力 验算 ， 再根据验算结果提出相应 的多种隐患治理方 案并进行方案比选 ， 最后推荐一种 比较理想的隐患 治理方案进行理论验证 ， 从 而提 出石油化工管架 隐 患治理的最佳方案 ， 有针对性 的对管架进行隐患治 理 ， 解决存在的安全隐患。 1 工程概况 某石油化工厂管架大多建于 1 9 5 8年 ， 在使用中 因生产工艺及设备装置陆续改造与扩建， 管架上管 线的数量 、 层数不断增加 ， 使原有管架不堪重负 。 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 3 1 1 作者简介 魏常宝 1 9 7 9一 ， 男 ， 工程师 ， 主要从事 工业 与 民用 建筑 工程 检测 、 鉴定 与加 固改造的技术工作。 E ma i l d a b l e 2 0 05 1 2 6． t o m 经过 5 0多年的使用 ， 管架已普遍存在超重 、 老化 、 破 损 、 变形 、 腐蚀等现象， 该 厂现有老 旧管架大多建 于 2 0世纪五六十年代 ， 大多采用 苏联 的设计 ， 再加上 当时原管架的抗震设防标准也已严重落后于现行国 家规范的要求 ， 近年来地震活动频繁 ， 厂区管架存在 严重的安全隐患。本文选取其中一较为典型的区段 进行管架的检测鉴定与隐患治理 的探讨。 2管架的检测、 承载力验算与评定 2 ． 1 管架检测 2 ． 1 ． 1 场地地基 、 基 础调 查 与检测 场地内地层上部主要 由①层杂填土 、 ②层黄土 状粉土 、 ③层粉细砂 、 ④层卵石层组成 ， 下部为⑤层 第三系泥岩 。管架所在地地势平坦开阔， 地层分布 较均匀 ， 无不良地质现象 ， 为抗震有利地段 。 通过开挖探井对管架地基与基础调查 ， 自然地 面至基础底面为杂填土 、 黄土状粉土、 粉细砂， 土质 不均匀 ， 主要成份为粉土 、 少量细沙和卵石 ， 基础埋 深 自然地面以下 3 ． 3～ 3 ． 8 m； 基础部位 为卵石层 ， 基础持 力层 为卵石层 ； 地下 水 位距 离 自然 地 面约 1 ． 6 ～3 ． 0 m 。 检测表明 ] ， 管架基础 为混凝土 独立基础 ， 持 力层为卵石层 ， 管架在使用过程 中未发现 明显 的不 均匀沉 降， 检测期间也未发现基础产生明显 的不均 匀沉降 ， 地基稳定。 2 ． 1 ． 2材料强度与构件外观检测 采用 回弹法对结构构件混凝土抗压强度进行检 测 J ， 混凝 土桁架 实测强度在 2 2 ． 73 0 ． 5 MP a之 间 ， 立柱与横梁实测强度在 2 5 ． 8～ 2 7 ． 4 MP a之间。 同时对混凝土构件外观质量观察发现混凝土表面普 遍存在明显的破损 、 裂缝 、 孔隙 、 孔洞 ， 混凝土表面有 1 O 6 四川建筑科学研究 第 4 0卷 严重侵蚀腐蚀等现象 ， 尤其在钢筋部位明显破损 ， 角 筋部位混凝土有通长裂缝 ， 且混凝土大块剥落 ， 钢筋 严重锈蚀 。 2． 1 ． 3构造 与连接检 测 管架下部结构 支架立柱与横梁 为预制构件 现场拼装 ， 上部纵 向结构为预应力混凝土桁架 ， 由基 本构件之间连接采用预埋钢板现场焊接拼装的方法 连接而成。管架柱与混凝土桁架采用预埋钢板螺栓 连接的 ， 桁架上下弦均设 置 T型混凝土横梁与钢结 构支撑 ， 使结构组成一个管廊。 检测发现该预埋钢板锈蚀严重 ， 钢结构支撑严 重锈蚀 ， 管廊走台钢结构严重锈蚀 、 破损。混凝土桁 架 与管架柱连接的预埋钢有锈蚀 ， 连接螺栓严重锈 蚀 ， 部分有松动。其他部分 预埋件 因锈蚀失效 。由 于预埋件和连接螺栓的严重锈蚀 以及 螺栓 的松动 ， 导致预埋件焊接连接节点与螺栓连接节点达不到结 构安全要求和使用要求 。 2 ． 1 ． 4结构破损与裂缝检测 预应力混凝 土桁架局部有破损和少量裂缝 ， 裂 缝宽度在 0 ． 1 5～ 0 ． 2 0 m m之间 ， 混凝 土管架立柱与 横梁普遍存在裂缝与混凝土剥离 ， 角筋处尤其严重 ， 裂缝宽度在 0 ． 2 0～ 2 ． 5 0 m m之间 ， 部分主筋锈蚀导 致结构构件混凝土掉角以及混凝土保护层脱落 ， 钢 筋直接暴露 于大气 中， 裂 缝与破 损不 满足 规范要 求 。 2 ． 1 ． 5结构 变形观 测 混凝土管架立柱无明显倾斜 ， 对混凝土桁架进 行了挠度变形观测， 其跨中挠度检测值在 一 2 1 ． 5～ 一 9 5 ． 0 m m之间， 均处于起拱状态 ， 挠度变形满足规 范要求 。 2 ． 1 ． 6构件 耐久性 检 测 结构耐久性检测是通过对管架混凝土构件钢筋 保护层厚度 、 混凝土构件的中性化 碳化 、 锈蚀钢 筋进行直径测量和混凝土构件化学成分测定 四个方 面进行。 经抽检 ， 混凝土钢筋保护层厚度厚薄不均匀， 尤 其是角部钢筋 ， 构件顺筋裂缝均出现在该类型区域。 混凝土构件长期暴露在大气环境下 ， 缺乏正常的维 护 ， 碳酸气或酸性 空气腐蚀使建筑物混凝土构件 的 中性化 碳化 深度已接近或超过钢筋保护层厚度。 纵向受力钢筋锈蚀截面损失为 0 ． 7 ％ ～8 ． 2 ％ ， 锈蚀 钢筋力学性能不符合现行规范要求。影响混凝土胶 凝材料稳定性 的 c r含量相对较多， 使得混凝土 内 部钢筋容易产生锈蚀 ， 混凝土靠近钢筋部位 已呈 中 性化， 钢筋钝化状态不 良， 混凝土对钢筋已不能起到 较好 的保护作用。混凝土构件锤击声音较低沉| 4 J 。 根据耐久性检测结果 ， 构件的耐久性能严重降 低 ， 影响到构件的正常使用 ， 混凝土构件存在安全 隐 出 [ 3 ] Jt h , o 2 ． 2 管架结构承载力验算 该管架建于 1 9 5 8年 ， 根据鉴定标准 划归为后 续使用年限为 3 0年的建筑 ， 即管架承载力鉴定划 归 为 A类 建筑 ， 承载力计算采用 P K P M软件鉴定加 固模块 。 2 ． 2 ． 1 管 架现 状 新钢结构管架和旧混凝土管架两部分 目前敷设 管线总共 5 8根 J ， 其中位于钢结构管架下部的混凝 土结构管架上敷设管线 3 5根。管架 现状如图 1所 示 ， 管线敷设分布如图 2所示。 图 1 管架现场状况 图2 管架断面示意 2 ． 2 ． 2荷载计算 荷载计算根据业主提供 的管架 断面图、 管架管 线布置和规范 要求进行 。管线垂直恒荷载包括 管线 自重 、 管线保温层重 、 管线内的介质重。管架垂 ● 0 9 8 7 6 5 4 3 2 第 第第第 第第第第第 魏常宝， 等 某石油化工管架检测鉴定与隐患治理探讨 1 0 7 直恒荷载包括 管线垂直恒荷载 、 各个构件 自重 、 管 线附属构件 自重、 走台或检修平 台 自重。管架垂直 活荷载包括 走台或检修平 台活荷载 、 管内沉积物活 荷载 、 积灰荷载 、 冰雪荷载⋯ 。 滑动管架管道水 平推力计算根据 规范 公式 F k j G u ． 计算 ， 钢钢摩擦系数 u i 为 0 ． 3 ， 考虑到结 构年久失修 ， 计算摩擦系数 U i 取 0 ． 5 。式 中 k ； 为牵 制系数， k 由计算得 出或者 内插法计算得 出； G 为 管道所在层管道竖向荷载标准值 。滑动管架侧 向水 平力按管道纵向水平推力的 1 ／ 1 0计取 。 固定管架管道水平推力计算根据管架现场实际 情况 ， 按照滑动管架水平推力的 2倍计取 ， 固定管架 横向水平力也按照 固定管架管道纵 向水平推力 的 1 ／ 1 0计取。 2 ． 2 ． 3 管架建模与计算 根据管架的结构类型与结构布置 ， 选取一个计 算单元采用 P K P M鉴定加固模块进行模型建立与计 算 图 3 。 图3 管架计算单元 空间模型将纵 向混凝土桁架简化为刚性杆 ， 桁 架与管架柱顶连接简化为铰接 ， 由于管架横梁的存 结构 图4 。 图 4 空 间模型加载 架 管架空间模型承载力验算表明 管架柱最大弹 性层间位移 角最大值 为 1 ／4 5 1 ， 不符 合规范要求 。 楼层综合抗震能力指数最小值为 0 ． 7 0 ， 管架抗震承 载力不满足规范要求 。 2 ． 3 管架结构检测鉴定综合评定与加固建议 该管架已超过设计使用年限 ， 且历经多次改造 ， 管线数量及布置 已超 出原设计要求 。再加上经多年 使用和介质侵蚀 ， 管架现 已出现不同程度 的安全隐 患 ， 影响着管架安全 。 根据检测结果 ， 并在此基础上根据鉴定标准 并结合现场实际情况 ， 制定出 了管架检测鉴定评定 标准 J ， 并根据制定的评定标准进行该管架分项与 在 ， 空间模型横向为二层框架结构 ， 纵向为多跨排架 综合评定。管架检测鉴定评级见表 1 。 表 1 管架检 测结果 3 管架隐患治理 3 ． 1 管架隐患治理总体思路 管架 隐患治理工作是在检测鉴定 的基础上， 根 据现场实际情况提 出管架的隐患治理总体方案， 并 经过一系列优化和筛选后确定 了最优方案 ， 再通过 隐患治理试算进行效果验证 ， 最终确定 了管架隐患 治理的最优方案。经过治理的管架能够达到国家规 范要求， 能够满足后续使用 3 0年的治理 目标， 能够 满足生产要求， 并且使陈旧的管架焕然一新 。 3 ． 2 管架隐患治理方案 3 ． 2 ． 1 方案的制定与选择 加 固是指对结构进行原位加 固， 指对原结构进 行加固补强 ， 使结构安全性达到规范要求。 托换加固是采用托梁等转换结构使原结构不再 受力或者采用托换转换结构拆柱 或墙 、 托梁接柱 和托梁换柱等技术的概称 ， 属于一种综合性技术 ， 由 相关结构加固、 上部结构顶升与复位以及废弃构件 拆除等技术组成 ， 适用于已有建筑物的加固改造 ， 与 传统做法相 比， 具有施工时间短 、 费用低 、 对生产影 响小等优点 ， 但对技术要求较高。 本工程采用拆除新建的方法进行老旧管架隐患 治理在理论上最好 ， 也能从根本上解决管架 的隐患。 实际上管架还在使用 ， 且生产装置不可能全部停 车 等待管架的拆除再新建 。另外新建管架还需重新敷 设全部管线 ， 在有使用的管线全部废弃 ， 造成了大量 资源浪费。拆除新建将耗费大量建设 资金 ， 再加上 原有管线纵横交叉 、 新 旧管线连接困难 。针对上述 1 0 8 四川建筑科学研究 第 4 0卷 实际情况 ， 该管架隐患治理不宜采用全面拆 除新建 的方法， 宜采用加固或托换的方法 ⋯。 采用加固或托换方法进行隐患治理基本不需大 面积装置停车， 也不需要废弃大量在用的管线 ， 只需 在现有管架的结构上经过加 固或拆除局部后托换新 结构即可 。加固或托换造价适 中， 相对拆除新建经 济 ， 且工期相对较短 。利用现有 的加 固或托换技术 治理隐患能够达到规范要求和使用安全要求 。 。 J 。 本文所述区段管架根据现场状况对加固方案与 托换方案对 比， 由于老旧管架上有大型钢结构管廊 ， 根据使用 的安全性和经济原则 ， 推荐托换方案， 一劳 永逸的解决管架的安全隐患。 3 ． 2 ． 2 管 架隐 患治理托 换 方案 整体托换方案 在原钢结构管架上制作新 的钢 结构管廊 ， 整体将原混凝土结构管廊托换在新 的钢 结构管廊上 ， 具体做法如下 Ⅲ 图 5～8 。 1 在钢结构管架上制作纵 向钢桁架 ， 在管架和 桁架_ 卜 安装钢梁托换原管架的横梁。 2 拆除原老管架上 的钢筋混凝 土横梁 ， 将老管 架上的管线与新加钢结构连接 ， 形成新的管廊系统 ， 然后逐步拆除老管架 。 3 对于破损 的简易钢结构管架进行更换处理 。 第8 层 第7 层 第6 层 l 7 6 0 0 l 4 6 0 0 l 1 6 0 0 一 l O l 0 0 第 5 第4 层 第 3 层 第2 I2 - 第 1 Ji- 9 28 0 一 6 60 0 图 5 托换前管架断面 3 ． 3 管架隐患治理效果验证 3 ． 3 ． 1 管架隐患治理效果验证的模型建立 隐患治理效果验证荷载计算是根据管架加固改 造后的管线布置及管线条件进行荷载计算 ， 方法与 前文管架承载力验算相同。 3 ． 3 ． 2管架托换效果验证计算结果 托换后 的钢结构管架柱最大弹性层 间位移角最 图 6 托 换后 管架断面 原丙烯酸钢结构管廊 2 0 6 0 0 lI＼ l＼ r ＼ l ／ l ／ fr 、 l＼ r 、 l ／ 1 ／ 1 ／ N s q ／ yv 原 丙 烯 酸 钢 结 构 管 廊 l I Jrl 0 1 0 0 lI＼l＼l＼I ／ l ／ lr 、 r ＼ r 、 I ／ 1 ／ ] r ＼ l＼r ＼ I ／ 1 ／ 在 原 丙 烯 酸 管 架 I 4 l II J 加 新 的 钢 结 构 管 1 1 图 7 托换后管廊立面 图 8 管架托换模 型 大值为 1 ／3 2 1 ， 管架柱最大轴压 比为 0 ． 5 1 ， 管架柱 截面正应力均小于 0 ． 9 8 ， 原钢结构管架柱在不加 固 的前提下满足承载与变形 的要求。 4 结 语 根据对某石油化工管架 的检测鉴定和现场条 件 ， 提 出管架隐患治理方案并经过 比选推荐最佳方 案， 再针对最佳方案进行理论验证。根据理论验算 验证此最佳方案可行 ， 能够解决管架的安全隐患 ， 达 到规范要求 ， 能够满足后续使用 3 O年的治理 目标要 求 。本次管道支架检测鉴定与隐患治理方案对其他 类似的工业管道支架的检测鉴定和隐患治理有一定 指导 意义 。 下转第 1 4 0页 1 4 0 四川建筑科学研究 第 4 0卷 蠹 蝥 毒 图 1 1 基坑开挖 完成支撑体 系水平变形 基坑的距离减小而增大。基坑土体全部开挖完成 ， 地连墙最大水平变形 7 ． 3 m m， 基坑周边土体沉降 1 1 ． 4 mm 。 3 结 论 结合工程实例 ， 按 照工程实 际施 工方案 ， 运用 MI D A S ／ G T S三维仿真分析 ， 建立基坑与隧道相互作 用的三维模型， 分析得到以下结论 1 基 坑土体 开挖 过程 中， 隧道水平 变 形最 大 4 ． 6 m m， 沉降最大 4 ． 9 m m， 满足既有区间隧道的安 全运营要求 ； 2 根据 上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技 术管理暂行规 定 ， 周围建筑物对既有 隧道变 形曲 线的曲率半径 R≥1 5 0 0 0 i n ， 经计算 R 2 0 5 0 0 1 T I ， 可 见基坑开挖引起的隧道变形在控制范围内； 3 根据本文分析结果 ， 8 6 - 2地块基坑分层分块 的开挖方案是可行的 ， 研究方法和结果可供类似工 程提供参考 。 参 考 文 献 曾远 ， 李志高 ， 王毅斌 ． 基坑开 挖对邻 近地铁 车站影 响 因素 研究[ J ] ． 地下空 间与工程学报 ， 2 0 0 5， 1 4 6 4 2 f o 4 5 ． 谢秀栋 ， 刘国彬 ， 李志高 ， 等． 邻 近运营地铁 车站基坑开挖 土层 位移特性分析[ J ] ． 地下空间与工程学报， 2 0 0 7 ， 3 4 7 4 2 7 4 4． 沈辉 ， 罗先启 ， 李野 ， 等 深基坑施工对地 铁车站影 响的数 值仿真分析 [ J ] ． 地下空间与工程学报 ， 2 0 1 l ， 7 5 1 0 1 8 1 0 2 3． 赵志强 ， 张东梅． 』临近基坑开挖对地铁 区间 隧道影响评价 [ J ] ． 地下空间与工程学报 ， 2 0 1 1 ， 7 5 1 0 4 0 - 1 0 4 6 李进军 ， 王卫东 ， 邸国恩 ， 等． 基坑工程对邻近 建筑物附加变形 影 响的分析 [ J ] ． 岩土力学 ， 2 0 0 7 ， 2 8 S 1 6 2 3 - 6 2 9 ． 王威 ， 王磊 ， 马东辉． 不 同保 护措施 下地 F管线 受邻 近基 坑开挖影响的三维有限元分析[ J ] ． 北京工业 大学学报 ， 2 0 0 9， 3 5 7 9 3 9 9 4 6 ． 李新星． 邻近基坑 开挖的运 营地铁车 站结构安 全度分析 [ J ] ． 岩土力学 ， 2 0 0 9， 3 0 s 2 3 8 2 3 8 6 ． 胡琦． 超深基坑水 、 土与围护结构相 互作 用及设计方 法研究 [ D] ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 0 8 ． 上接第 1 0 8页 致谢 在本文写作阶段我 院建筑结构加 固中心主任 郑建军给予指导， 在此表示感谢。 参 考 文 献 [ 2] [ 3] 曲昭嘉 ． 简明管道 支架计 算及构 造手册 [ M] ． 北 京 机械 工 业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 魏常宝 ， 钱铭 ， 等． 某管道 支架检测 鉴定 与评级 浅析 [ OL ] ． 中国科技论文在线 ， [ 2 0 1 2 0 71 8 ] ． h u p ／ ／ w ,a v ． p a p e r e d u ． c n ／i n d e x ． p h p ／d e f a u l t／r e l e a s e p a p e r ／ c o n t e n t ／ 2 01 2 0 7 1 8 9． 甘肃土木工程科 学研 究院． 中 国石油兰州 石化公 司化 肥厂 系 统管道 支架榆 测报 告 [ R] ． 兰州 甘 肃土木 工程科 学研 究 院， 2 0】 O [ 4] 齐放 ． 有腐蚀介 质厂房结 构 可靠性 鉴定 中的检 测要 点及等 级评定 [ J ] ． 西安建筑科技大学学报 ， 2 0 0 0 ， 3 2 4 3 7 1 3 7 5 ． [ 5 ] GB 5 0 0 2 3 --2 0 0 9建筑抗震鉴定标准[ s ] ． [ 6 ] S H ／ T 3 0 5 5 --2 0 0 7石油化工管架设计 规范[ s ] ． [ 7 ] 巾国建筑标 准设计 研究 院． 室 外热 力管道 安装 架 空管架 结 构 [ M] ． 北京 中国建筑标准设计研究院出版社 ， 2 0 0 2 [ 8 ] G B 5 0 1 4 4 --2 0 0 8工业建筑可靠性鉴定标准 [ S ] ． [ 9] 钱铭 ， 滕 文川． 既有大 型工业 系统 管网支架 的检 测鉴定 与加 固改造研 究[c ] ／ ／ 甘肃 省土 木建筑学 会 2 0 1 1年 学术年 会论 文集 ． 兰州 甘肃 省 土木建 筑学 会 甘肃 省建 设科 技 专家 委 员 会 ， 2 0 1 1 ． [ 1 0 ] 甘肃土木工程科 学研 究院． 中国石 油兰州 石化公 司化 肥厂 系 统管道 支架 隐患 治理 可行性研 究报告 [ R] ． 兰州 甘肃 土木一 I 程科学研究 院， 2 0 1 0 ． ] ]1j 1 ] ]