某熱電廠玻璃鋼煙囪內(nèi)筒的鋪層設(shè)計(jì)及現(xiàn)場制作

劉會(huì)平

(北京大唐恒通科技有限公司，北京 100097)

0 引言

隨著我國環(huán)保政策的日益嚴(yán)格，燃煤電廠污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高。煙氣脫硫是燃煤電廠控制SO2排放的主要措施，而濕式石灰石洗滌法煙氣脫硫技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最多、最成熟的工藝，它解決了大氣污染的問題，同時(shí)也給脫硫裝置帶來了嚴(yán)重的腐蝕問題。低濃度的稀硫酸具有極強(qiáng)的腐蝕性[1]，同時(shí)還要面臨氯化氫，氫氟酸等多種腐蝕介質(zhì)共存的復(fù)雜化學(xué)環(huán)境。

1 玻璃鋼的特性

玻璃鋼是指由玻璃纖維和樹脂，通過適當(dāng)?shù)姆椒◤?fù)合成一種兼具結(jié)構(gòu)性和功能性，且性能優(yōu)于其任一組成材料的新材料。它具有重量輕、比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等突出特點(diǎn)。其耐腐蝕性主要取決于樹脂，力學(xué)性能則主要取決于纖維。同時(shí)，玻璃纖維與樹脂的匹配性也很重要，優(yōu)異的界面性能是玻璃鋼作為復(fù)合材料具有優(yōu)于任一組分材料性能的基礎(chǔ)。

1.1 優(yōu)異的耐腐蝕性

玻璃鋼煙囪內(nèi)筒通常選用耐腐蝕性能優(yōu)異的環(huán)氧乙烯基脂樹脂及ECR玻璃纖維及織物作為主要的原材料，所制作的玻璃鋼煙囪內(nèi)筒具有優(yōu)異的防腐蝕性能[2]。

根據(jù)武漢理工大學(xué)王凱進(jìn)行的試驗(yàn)[3]，比較鈦板和玻璃鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，5%，10%，15%和溫度分別為50 ℃，60 ℃，70 ℃，80 ℃下的硫酸溶液中，兩者的外貌、質(zhì)量及力學(xué)性能情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，在低濃度(1%)硫酸中，玻璃鋼和鈦板的性能皆保持穩(wěn)定，隨著硫酸濃度增加，兩者的性能都發(fā)生了衰減，其中鈦板的性能衰減更為明顯；在 50 ℃模擬煙氣冷凝液中，玻璃鋼和鈦板的性能衰減較為微弱，試驗(yàn)周期內(nèi)質(zhì)量變化較小，強(qiáng)度保留率超過97%，玻璃鋼的耐腐蝕性能優(yōu)于鈦板。

1.2 整體結(jié)構(gòu)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)

玻璃鋼煙囪內(nèi)筒由豎直段和水平段組成，豎直段由許多6～10 m的管段首尾相連，管段之間采用對(duì)接包纏連接，或者承插連接。連接接口均采用和玻璃鋼煙囪內(nèi)筒本體同樣的原材料，在對(duì)接連接前對(duì)對(duì)接口進(jìn)行打磨操作，確保筒身和接口的界面性能良好。

玻璃鋼為各向異性材料，其成型方法多樣，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，可根據(jù)制品的承載性能進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。在滿足功能及結(jié)構(gòu)性能的條件下，通過各向異性性能的設(shè)計(jì)，提高制品的經(jīng)濟(jì)性。

1.3 可生產(chǎn)不同耐溫性能產(chǎn)品

玻璃鋼煙囪內(nèi)筒的耐溫性能主要取決于樹脂的耐溫性能?？梢酝ㄟ^選擇不同耐溫性能的樹脂來制作玻璃鋼制品。某型號(hào)的環(huán)氧乙烯基酯樹脂參數(shù)見表1。

表1 某型號(hào)樹脂參數(shù)Tab.1 Parameters of a certain resin

從上表可見，樹脂澆鑄體的玻璃轉(zhuǎn)換溫度為195 ℃，玻璃鋼制品的長期耐溫性能可達(dá)205 ℃，可滿足耐溫性能高的火電廠煙氣極端工況下長期使用的要求。

1.4 設(shè)計(jì)、制作、施工標(biāo)準(zhǔn)完善

國外應(yīng)用玻璃鋼煙囪內(nèi)筒起步很早，截至目前已有近40年的歷史，已經(jīng)形成了完善的設(shè)計(jì)、材料選擇、制造、施工、質(zhì)量保證和控制方面的標(biāo)準(zhǔn)。隨著我國玻璃鋼煙囪內(nèi)筒的應(yīng)用，經(jīng)過大量的分析計(jì)算，給出了不同直徑玻璃鋼煙囪內(nèi)筒的最低厚度值并詳細(xì)地闡述了玻璃鋼煙道設(shè)計(jì)、制造等方面的內(nèi)容[8-11]。

2 玻璃鋼煙囪內(nèi)筒的鋪層設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目概況

某2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組工程，鍋爐排放的煙氣采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝處理，不設(shè)煙氣旁路系統(tǒng)，也無煙氣換熱器(GGH)。脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)煙囪入口溫度為45～50 ℃，事故狀態(tài)下短時(shí)煙囪入口溫度≤180 ℃(持續(xù)時(shí)間≤10 min)[9]。煙囪排煙內(nèi)筒中運(yùn)行的煙氣壓力范圍為-1.0～1.0 kPa。

煙囪結(jié)構(gòu)形式為套筒式，煙囪筒身的鋼筋混凝土外筒壁與排煙內(nèi)筒體系脫開布置；鋼筋混凝土外筒壁與排煙內(nèi)筒體系間分別在43.5，56.0，71.0，109.0，147.0，185.0，208.0 m 標(biāo)高設(shè)置有7層夾層平臺(tái)，供日常巡查和檢修維護(hù)使用。

鋼筋混凝土外筒壁高度為210.0 m，頂部外直徑11.0 m，壁厚0.3 m；底部±0.0 m處外徑為21.0 m，壁厚0.6 m，底部設(shè)有6.0×6.0 m煙道接孔、8.0 m×10.0 m(寬×高)施工安裝孔等。

2.2 結(jié)構(gòu)形式

本項(xiàng)目玻璃鋼排煙內(nèi)筒設(shè)計(jì)為懸吊式。頂部設(shè)計(jì)避雷針并將其與外筒的壁雷系統(tǒng)相連接，頂部平臺(tái)設(shè)計(jì)防雨帽，185 m標(biāo)高夾層平臺(tái)為排煙內(nèi)筒體系豎直段的承重平臺(tái)，71 m標(biāo)高夾層平臺(tái)為排煙內(nèi)筒體系水平段的承重平臺(tái)，109，147，201 m標(biāo)高夾層平臺(tái)為止晃平臺(tái)。

排煙內(nèi)筒頂部標(biāo)高為210.0 m，等直徑圓環(huán)柱體狀，內(nèi)直徑為7.2 m。2臺(tái)機(jī)共用1個(gè)排煙內(nèi)筒，因此豎直的排煙內(nèi)筒在底部90°弧形彎折形成兩個(gè)水平布置的內(nèi)煙道后，在鋼筋混凝土外筒壁外側(cè)分別與兩臺(tái)機(jī)組的外接煙道通過膨脹節(jié)法蘭連接，水平段為5.0 m×5.3 m(寬×高)的矩形，如圖1所示。玻璃鋼煙囪內(nèi)筒的設(shè)計(jì)厚度為20 mm。

圖1 底部三通部分Fig.1 Tee joints at bottom

2.3 玻璃鋼排煙內(nèi)筒的原材料選擇

本項(xiàng)目的正常運(yùn)行溫度為5～50 ℃，玻璃鋼制品的耐溫性能主要取決于樹脂基體的玻璃轉(zhuǎn)換溫度(Tg)和熱變形溫度(HDT)。本項(xiàng)目選用長期耐溫80 ℃、耐腐蝕性能優(yōu)異的環(huán)氧乙烯基脂樹脂SW 905-2； 纖維選擇ECR纖維及織物作為主要的原材料。

2.4 玻璃鋼排煙內(nèi)筒的鋪層設(shè)計(jì)

玻璃鋼煙囪內(nèi)筒同時(shí)具有結(jié)構(gòu)性和功能性，功能性主要指耐腐蝕性、耐溫性及防紫外輻射性能。其具有內(nèi)襯層和外表面層2個(gè)功能層，內(nèi)襯層由玻璃纖維表面氈、噴射紗及網(wǎng)格布組成，主要作用是防腐蝕、防滲漏；外表面層由噴射紗及具有防紫外功能的樹脂膠衣組成，主要作用是防腐蝕、防老化。結(jié)構(gòu)性是指其力學(xué)性能，針對(duì)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了2種鋪層，見表2。

表3 原材料用量及成本比較Tab.3 Comparison of raw material dosage and cost

表2 結(jié)構(gòu)層詳細(xì)鋪設(shè)方式Tab.2 Detailed layout of structural layers

注：FW為纏繞紗層，纖維方向與軸向成90°；UNI為單向布層，纖維方向與軸向平行。

2種鋪層的外表面層相同，主要區(qū)別在于：VB的內(nèi)襯層增加了一層短切纖維層，以滿足內(nèi)襯層的厚度要求，使其具有優(yōu)異的耐腐蝕性能；VB的結(jié)構(gòu)層是纏繞層18層，單向布14層；VA鋪層的結(jié)構(gòu)層組成是纏繞層15層，單向布24層。

依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1446—2005《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則》[12]、GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法 》[13]、GB/T 1448—2005《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》[14]、GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》[15]，分別對(duì)2種鋪層進(jìn)行取樣，對(duì)其各方向的強(qiáng)度及模量進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。2種鋪層的力學(xué)性能差距不大，且均高于GB/T 30811—2014《燃煤電廠用玻璃纖維增強(qiáng)塑料煙囪內(nèi)筒》的要求值，均滿足要求。

圖2 2種鋪層的環(huán)向、軸向的拉伸、壓縮機(jī)彎曲強(qiáng)度對(duì)比Fig.2 Comparison of the circumferential/axial tension between 2 types of layers and the bending strength of the compressor

圖3 2種鋪層的環(huán)向、軸向的拉伸、壓縮機(jī)彎曲模量對(duì)比Fig.3 Comparison of the circumferential/axial tension between 2 types of layers and the bending modulus of the compressor

2.5 鋪層的經(jīng)濟(jì)性比較

本項(xiàng)目的排煙內(nèi)筒直徑為7.2 m，以8.0 m長的標(biāo)準(zhǔn)段為例，其材料用量情況見表3。

由表3計(jì)算可知，碳纖維表面氈、玻璃纖維表面氈、膠衣的用量相等，采用VA鋪層的單向布用量多819.84 kg，樹脂用量多241.95 kg(相應(yīng)的促進(jìn)劑多2.42 kg，固化劑多4.84 kg)，而纏繞紗少248.19 kg，噴射紗少57.14 kg。以樹脂26 元/kg、促進(jìn)劑25 元/kg、固化劑55 元/kg、單向布15 元/kg、纏繞紗8 元/kg、噴射紗10 元/kg計(jì)算，采用VB鋪層可節(jié)省原材料成本約16 000 元。

3 玻璃鋼煙囪內(nèi)筒的現(xiàn)場制作

3.1 制作前準(zhǔn)備

檢測車間的環(huán)境溫度、濕度是否滿足要求，同時(shí)進(jìn)行纏繞設(shè)備、模具的準(zhǔn)備，原材料出庫、計(jì)量、記錄備用。各崗位施工人員及相關(guān)工器具到位。

制作前要特別注意進(jìn)行凝膠試驗(yàn)，以確定最佳的固化劑及促進(jìn)劑的配比。一方面保證有足夠的操作時(shí)間，另一方面保證產(chǎn)品的固化。

3.2 制作過程

玻璃鋼煙囪內(nèi)筒的內(nèi)襯層由富樹脂層、表面氈層及噴射紗層組成，其主要功能是防腐蝕；結(jié)構(gòu)層由纏繞紗、單向布交替纏繞成型，主要承擔(dān)力學(xué)性能；外表面層由噴射紗及樹脂膠衣層組成，主要作用是防紫外線、防老化。

管段制作完成之后制作玻璃鋼加強(qiáng)筋，噴膠衣，脫模，存放在指定場地進(jìn)行后固化。

豎直段采用纏繞成型管段，每段長8.0 m，設(shè)置2個(gè)加強(qiáng)筋，段與段之間采用對(duì)接包纏。水平段方形煙道采用手糊制作，后兩者采用對(duì)接包纏連接。

3.3 VA與VB的工藝性能

現(xiàn)場制作時(shí)，VB鋪層采用1層單向布與1層纏繞紗作為主循環(huán)單元，相比2層單向布與1層纏繞紗的主循環(huán)單元，具有更好的浸潤性能。VA鋪層的2層單向布之間則需要注意使用壓輥以保證良好的浸潤。

4 結(jié)論

玻璃鋼作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，其具有優(yōu)異的耐腐蝕性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能，且可根據(jù)電廠的設(shè)計(jì)溫度選擇適合的產(chǎn)品，適用于火電廠濕法脫硫后煙囪；同時(shí)，VB鋪層具有更好的工藝性能、原材料成本更低，是燃煤電廠玻璃鋼煙囪內(nèi)筒現(xiàn)場制作的較好選擇。