劉佳楠,楊 薇,侯銳鋼

(1. 華東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237； 2. 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán) 華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

應(yīng)用技術(shù)

大型燃煤電廠煙囪玻璃鋼排煙內(nèi)筒的防腐蝕工藝

劉佳楠1,楊 薇2,侯銳鋼1

(1. 華東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237； 2. 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán) 華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

采用復(fù)合材料“積木式方法”研究了工程用樹(shù)脂的固化過(guò)程、乙烯基酯樹(shù)脂的耐蝕性、元件級(jí)和部件級(jí)筒體的力學(xué)性能。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的某燃煤電廠玻璃鋼(FRP)排煙內(nèi)筒可以滿足工程要求。

玻璃鋼(纖維增強(qiáng)塑料)；積木法；排煙內(nèi)筒

酸雨問(wèn)題在世界范圍內(nèi)影響著人類的生存環(huán)境，有必要減少硫元素?cái)U(kuò)散到空氣中的量，從源頭上遏制酸雨的發(fā)生。目前，業(yè)界普遍采用濕法脫硫工藝,其中，無(wú)GGH(煙氣加熱器)的濕法脫硫工藝在燃煤電廠里得到應(yīng)用[1-2]，它可以有效地起到節(jié)能減排的作用，但該工藝會(huì)導(dǎo)致煙氣溫度下降、濕度上升，加重?zé)焽璧母g[3-4]，為此,人們積極探索新材料來(lái)解決這一問(wèn)題。玻璃纖維增強(qiáng)塑料(俗稱玻璃鋼，F(xiàn)RP)因具有良好的可設(shè)計(jì)性、突出的耐蝕性而在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家燃煤電廠脫硫煙囪防腐蝕工程中廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)廣大科技工作者的深入研究，我國(guó)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)部門(mén)明確指出：“玻璃鋼可以在國(guó)內(nèi)脫硫煙囪防腐蝕工程中被采用”。作為首個(gè)雙管懸掛式FRP排煙內(nèi)筒，國(guó)內(nèi)某新建電廠裝機(jī)總量為2×660 MW，排煙筒內(nèi)徑為7 200 mm，每節(jié)筒體高8 000 mm，標(biāo)高240 000 mm，平均壁厚21 mm，見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，排煙筒的兩節(jié)筒體通過(guò)內(nèi)、外表面濕法手糊工藝進(jìn)行連接。

圖1 玻璃鋼排煙筒平面布置圖Fig. 1 Plane lay-out of FRP chimney

本工作借鑒國(guó)外在大型結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常使用的“積木式方法”，對(duì)排煙筒的防腐蝕施工工藝進(jìn)行研究。試驗(yàn)由下至上逐次進(jìn)行，試驗(yàn)件復(fù)雜程度逐級(jí)增加，數(shù)目則由多變少，下大上小，猶如搭積木一樣，逐級(jí)遞增，見(jiàn)圖2。以期為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)，同時(shí)對(duì)某些理論進(jìn)行科學(xué)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

圖2 復(fù)合材料積木式方法Fig. 2 Building-block method

試驗(yàn)的主要原材料如下：工業(yè)級(jí)乙烯基酯樹(shù)脂,430 g/m2單向布，300 g/m2短切氈，2400TEX型纏繞紗，工業(yè)級(jí)氫氧化鈉。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 原材料試驗(yàn)

1.2.1.1 凝膠時(shí)間

凝膠時(shí)間與纏繞工藝、纖維浸潤(rùn)、產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系密切，本工作對(duì)凝膠時(shí)間和各種助劑的配比進(jìn)行了優(yōu)化和篩選，按照GB/T 7193-2008《不飽和聚酯樹(shù)脂25 ℃凝膠時(shí)間測(cè)定方法》測(cè)試了凝膠時(shí)間，重點(diǎn)研究了室溫下固化劑含量為1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，促進(jìn)劑含量與凝膠時(shí)間的關(guān)系。

1.2.1.2 樹(shù)脂固化過(guò)程

樹(shù)脂的固化程度會(huì)影響產(chǎn)品的力學(xué)性能以及生產(chǎn)周期。用BOEN差示掃描量熱儀(DSC)在10 ℃/min的升溫速率下，研究了20～200 ℃時(shí)，樹(shù)脂固化度與固化時(shí)間的關(guān)系。

1.2.2 乙烯基酯樹(shù)脂的耐蝕性

玻璃鋼排煙內(nèi)筒的耐蝕性取決于乙烯基酯樹(shù)脂的耐蝕性，而乙烯基酯樹(shù)脂中的酯鍵水解是造成乙烯基酯樹(shù)脂結(jié)構(gòu)破壞、耐蝕性降低的原因。研究表明:在堿性條件下，這種水解過(guò)程是不可逆的；而在酸性條件下，水解過(guò)程是可逆的。試驗(yàn)選擇堿加速條件下的水解，測(cè)試了在酸性條件下工作的乙烯基酯樹(shù)脂的性能。試驗(yàn)選用10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)NaOH作為腐蝕溶液，按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求[5]，采用10 000 kN材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其經(jīng)過(guò)0, 10, 50, 100, 200 h浸泡后的彎曲強(qiáng)度與彎曲模量。

1.2.3 元件級(jí)試驗(yàn)

由于排煙內(nèi)筒為懸掛式結(jié)構(gòu)，主要承受拉伸載荷及剪切載荷，需要通過(guò)元件級(jí)試件來(lái)建立鋪層結(jié)構(gòu)與力學(xué)強(qiáng)度之間的關(guān)系。

按照GB/T 1447-2005. 《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》和EN13121-3-2008《GRP tanks and vessels for use above ground-part 3：Design and workmanship》測(cè)試試樣的拉伸強(qiáng)度、模量和沿纖維方向(軸向)和垂直纖維方向(環(huán)向)的力學(xué)性能。試樣采用機(jī)加工方式制得，樣板鋪層結(jié)構(gòu)為短切氈和單向布交替鋪設(shè)，厚度約為3 mm。

1.2.4 部件級(jí)試驗(yàn)

利用纏繞成型工藝，制作直徑為2 m的筒體作為部件級(jí)試驗(yàn)對(duì)象，其鋪層結(jié)構(gòu)為短切氈+纏繞紗+單向布+纏繞紗(5次循環(huán)鋪設(shè)),厚度為20 mm。從2 m直徑筒體上取樣制備所需樣條，按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[6-8]測(cè)試其軸向和環(huán)向的拉伸、壓縮、彎曲性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 原材料試驗(yàn)

由圖3可見(jiàn)，在固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，隨著促進(jìn)劑的增加，樹(shù)脂凝膠時(shí)間減少。由圖4可見(jiàn)，隨著固化時(shí)間的延長(zhǎng)，樹(shù)脂固化過(guò)程出現(xiàn)一個(gè)迅速增長(zhǎng)的過(guò)程，最終趨于平穩(wěn)。

圖3 凝膠時(shí)間與促進(jìn)劑用量的關(guān)系Fig. 3 Relationship between gel time and amount of cobalt-iso-octoate

圖4 樹(shù)脂固化度曲線Fig. 4 Resin curing degree curve

2.2 結(jié)構(gòu)耐蝕性能

由圖5可見(jiàn)，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性均下降。結(jié)構(gòu)浸泡200 h后的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性分別為浸泡前的87.64%和82.08%，均大于80%，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的耐蝕性[9]。

圖5 彎曲強(qiáng)度與浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig. 5 Relationship between flexural strength and soak time

2.3 元件級(jí)試驗(yàn)

典型鋪層結(jié)構(gòu)的元件級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)最終產(chǎn)品鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起著重要作用。通過(guò)典型方向受力形式的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明:其軸向和環(huán)向的拉伸強(qiáng)度分別為352 MPa和21 MPa;其軸向和環(huán)向的拉伸模量分別為35.28 GPa和1.90 GPa;其拉剪強(qiáng)度為13.86 MPa。這表明鋪層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能滿足國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求[3-10]。

2.4 部件級(jí)試驗(yàn)

表1是設(shè)計(jì)文件給出的玻璃鋼排煙內(nèi)筒的設(shè)計(jì)值。燃煤電廠煙囪是典型的高聳建筑，其結(jié)構(gòu)可靠度應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3-4,10]，載荷應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值作為強(qiáng)度的代表值。

表1玻璃鋼排煙內(nèi)筒的設(shè)計(jì)值和部件級(jí)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

由表1可見(jiàn),試樣的力學(xué)性能均符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求[4-10]。表明該鋪層結(jié)構(gòu)可以滿足工程建設(shè)要求，可以作為最終產(chǎn)品生產(chǎn)的鋪層結(jié)構(gòu)。

2.5 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

目前該燃煤電廠已經(jīng)投產(chǎn)超過(guò)4 a，期間通過(guò)多次回訪，排煙內(nèi)筒運(yùn)行過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)異常，證明本研究過(guò)程所提供的技術(shù)參數(shù)是完整、可靠的。

3 總結(jié)

采用復(fù)合材料“積木式方法”，從原材料到最終產(chǎn)品完整地研究了某新建燃料電廠FRP排煙內(nèi)筒的耐蝕性。通過(guò)原材料試驗(yàn)、元件試驗(yàn)和部件試樣驗(yàn)證了采用[短切氈+纏繞紗+單向布+纏繞紗(5次循環(huán)鋪設(shè))]制得的FRP筒體的耐蝕性。元件、部件級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為最終筒體鋪層結(jié)構(gòu)的確定提供了科學(xué)驗(yàn)證。

[1] 中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)鍋爐爐窯脫硫除塵委員會(huì). 我國(guó)火電廠脫硫脫銷行業(yè)2009年發(fā)展綜述[J]. 中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2009(7):8-13.

[2] 王偉建，應(yīng)春華. 電廠煙氣脫硫脫硝市場(chǎng)回顧與2005年展望[J]. 浙江能源，2005(1):40-41.

[3] ASTM D5364-1993(2002) 燃煤電廠玻璃纖維增強(qiáng)塑料(FRP，玻璃鋼)煙囪內(nèi)襯的設(shè)計(jì)、制造和安裝的標(biāo)準(zhǔn)指南[S].

[4] GB 50051-2013 煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] GB/T 7194.3-1987 樹(shù)脂澆鑄體耐堿性測(cè)定方法[S].

[6] GB/T 1447-2005 纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法[S].

[7] GB/T 1448-2005 纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法[S].

[8] GB/T 1449-2005 纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法[S].

[9] FERREIRA J M,ERRAJHI O A Z,RICHARDSON M O W. Thermogravimetric analysis of aluminised e-glass fibre reinforced unsaturated polyester composites[J]. Polymer Testing,2006,25(8):1091-1094.

[10] GB 50068-2012 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

Corrosion Resistant Technology of FRP Chimney Exhaust Cylinder in Coal-fired Power Plant

LIU Jianan1, YANG Wei2, HOU Ruigang1

(1. School of Materials Science and Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China；2. China Power Engineering Consulting Group, East China Electric Power Design Institute Co., Ltd.,Shanghai 200063, China)

Building block method was used to study the curing process and anti-corrosion performance of the resin adopted by a project, the mechanical properties of element level and component level parts. The results showed that the designing process was resaonable and could meet the requirements of the project.

fiber reinforced pastie (FRP); building-block method; exhaust cylinder

10.11973/fsyfh-201705017

2015-05-20

侯銳鋼(1960-),教授，本科，從事復(fù)合材料與防腐蝕技術(shù)相關(guān)研究，13601935460

TG172

B

1005-748X(2017)05-0395-03