趙 健

（中國(guó)大唐集團(tuán)公司山西分公司，山西太原030001）

0 引言

目前，燃煤電廠濕法脫硫后一般都取消了GGH設(shè)備，致使煙囪都面臨低溫腐蝕問(wèn)題。脫硫吸收塔后煙氣溫度一般設(shè)計(jì)為45～55℃，煙氣處于飽和狀態(tài)，煙囪內(nèi)壁會(huì)凝結(jié)大量酸性水（PH值2.2～2.8），一旦煙囪防腐方案失效，將對(duì)其壽命產(chǎn)生不利影響，甚至是毀滅性破壞。

2013年底，電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院對(duì)214個(gè)已經(jīng)脫硫改造的煙囪，包括6大類防腐方案，進(jìn)行了調(diào)研。調(diào)研得出結(jié)論，玻璃鋼（FRP）在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)各電廠應(yīng)加強(qiáng)玻璃鋼的研究試用。實(shí)際上，近幾年電力設(shè)計(jì)部門對(duì)燃煤機(jī)組濕煙囪排煙筒的選項(xiàng)基本只有鈦合金復(fù)合鋼板、玻璃鋼（FRP）和引入國(guó)外的賓高德產(chǎn)品3種[1]。

鈦合金復(fù)合鋼板作為煙囪的內(nèi)壁材料，由于省內(nèi)焊接特性屬于新的施工領(lǐng)域，焊接技術(shù)不成熟、不完善，其焊接質(zhì)量難以保證，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)焊接質(zhì)量問(wèn)題；另外其原材料價(jià)格昂貴，且只能針對(duì)酸性腐蝕煙氣可作為煙囪內(nèi)襯。

粘貼泡沫玻璃磚和泡沫陶瓷磚的煙囪防腐方案，整煙囪的整體性和密閉性問(wèn)題比較嚴(yán)重，因?yàn)槠浔旧聿豢赡茏龀纱髩K。

玻璃鋼（FRP）是一種品種繁多，性能各別，用途廣泛的復(fù)合材料。它是由合成樹(shù)脂和玻璃纖維經(jīng)復(fù)合工藝，制作而成的一種功能型的新型材料。其耐腐性主要取決于樹(shù)脂，樹(shù)脂中官能團(tuán)愈少，則活性愈小，樹(shù)脂愈穩(wěn)定。所以合理選材并且提高樹(shù)脂交聯(lián)密度是制造耐腐蝕玻璃鋼的關(guān)鍵。大唐太原第二熱電廠七期工程（2×330 MW）就采用了玻璃鋼（FRP）排煙筒作為濕煙囪防腐方案，取得了很好的效果。

1 玻璃鋼材料用于煙囪內(nèi)筒的優(yōu)點(diǎn)

1.1 玻璃鋼的耐酸腐蝕性好

玻璃鋼材料的耐腐蝕性主要是由樹(shù)脂和玻璃纖維的耐腐蝕性決定的。

反應(yīng)型阻燃乙烯基樹(shù)脂是我國(guó)生產(chǎn)玻璃鋼排煙內(nèi)筒常用的樹(shù)脂類型，用它加工的玻璃鋼材料具有優(yōu)異的耐酸腐蝕性和阻燃性。根據(jù)樹(shù)脂生產(chǎn)廠家提供的實(shí)驗(yàn)報(bào)告顯示，純樹(shù)脂澆鑄板在82℃的25%H2SO4溶液中，100 h無(wú)任何變化。

E-CR玻璃纖維是玻璃鋼排煙內(nèi)筒的主要增強(qiáng)材料，它是一種改進(jìn)的無(wú)硼無(wú)堿玻璃纖維，用于生產(chǎn)耐酸耐水性好的玻璃鋼材料，其耐水性比無(wú)堿玻纖改善7～8倍，耐酸性比中堿玻纖也優(yōu)越不少。用于生產(chǎn)耐酸腐蝕要求高的玻璃鋼產(chǎn)品。

圖1、圖2、圖3為不同酸腐蝕情況下，普通E玻璃纖維和E-CR玻璃纖維的耐腐蝕性能對(duì)比電子照片。

由圖1 a可以看出，90天后，E玻璃開(kāi)出現(xiàn)溶出效應(yīng)，并出現(xiàn)裂縫。而在圖1b中E-CR玻璃在90天后幾乎沒(méi)有損傷，沒(méi)有產(chǎn)生溶出效應(yīng)、裂縫或弱化現(xiàn)象。

圖1 不同玻璃材料在浸入10%濃度的硫酸90天后的SEM圖

圖2 不同玻璃材料置于96℃，5%濃度的HCl溶液中4 h后SEM圖

圖3 不同玻璃材料浸入85%磷酸168 h后SEM對(duì)比圖

由圖3a可以看出E玻璃在磷酸溶液中發(fā)生溶出，并且在纖維表面上有磷酸鈣沉積，纖維的強(qiáng)度以及其與樹(shù)脂的結(jié)合度可能有遭到削弱。而在圖3b中E-CR玻璃在磷酸溶液中幾乎沒(méi)有損傷，沒(méi)有產(chǎn)生溶出效應(yīng)、裂縫或弱化現(xiàn)象。

根據(jù)武漢理工大學(xué)的《復(fù)合材料煙囪材料實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告》顯示，由反應(yīng)型阻燃乙烯基樹(shù)脂和E-CR玻璃纖維制品所生產(chǎn)的玻璃鋼產(chǎn)品，其在80℃，40%H2SO4溶液環(huán)境中，拉伸強(qiáng)度衰減10%左右；120℃拉伸強(qiáng)度衰減25%左右，因此具有很好的耐酸腐蝕性。

1.2 玻璃鋼煙囪整體防腐性好

玻璃鋼煙囪在預(yù)制時(shí)，通常先將內(nèi)筒生產(chǎn)成長(zhǎng)6～9 m的玻璃鋼筒體，當(dāng)玻璃鋼完成初始固化后，將玻璃鋼筒體由模具上卸下來(lái)，到專用場(chǎng)地上再進(jìn)行存儲(chǔ)和進(jìn)一步固化。

玻璃鋼煙囪的施工過(guò)程，是將預(yù)制的每段玻璃鋼筒體手糊連接的過(guò)程。由于手糊材料與玻璃鋼筒體的材料完全相同，因此不會(huì)發(fā)生因熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生開(kāi)裂。且由于玻璃鋼煙囪的手糊接口面積較寬，一般在400～500 mm左右，因此不會(huì)在接口位置發(fā)生泄漏。所以玻璃鋼排煙內(nèi)筒的整體防腐蝕性非常好。

2 太原第二熱電廠七期工程玻璃鋼（FRP）排煙筒的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

太原第二熱電廠七期工程建設(shè)2×330 MW燃煤亞臨界直接空冷機(jī)組，濕法脫硫且不設(shè)煙氣旁路，脫硫系統(tǒng)無(wú)GGH，正常運(yùn)行條件下脫硫后煙氣溫度50℃左右，煙氣最高運(yùn)行溫度80℃。2臺(tái)鍋爐合用1個(gè)煙囪。煙囪采用鋼筋混凝土外筒，內(nèi)筒為內(nèi)徑7.0 m的整體纏繞的玻璃鋼（FRP）排煙內(nèi)筒，煙氣進(jìn)口處中心標(biāo)高約29 m，煙囪底部平臺(tái)標(biāo)高26 m，煙囪排煙口標(biāo)高210 m。項(xiàng)目于2013年6月開(kāi)工建設(shè)，2014年12月完成雙投。

2.1 整體介紹

火力發(fā)電廠濕煙囪的玻璃鋼排煙內(nèi)筒可以設(shè)計(jì)為全程自立、分段自立和整體懸吊3種方式，太原第二熱電廠七期工程玻璃鋼排煙內(nèi)筒采用部分懸吊分段自立方案。玻璃鋼排煙內(nèi)筒頂部標(biāo)高210 m，共29節(jié)，內(nèi)徑7.0 m，內(nèi)筒壁厚 t=19 mm，分4段分別支撐在4個(gè)承重鋼平臺(tái)上，每段在平臺(tái)上面支撐4節(jié)下面吊3節(jié)。每段之間采用1個(gè)非金屬膨脹伸縮節(jié)連接，加強(qiáng)圈間距L小于等于5 000 mm。

本工程的煙囪內(nèi)筒選用SWANCOR 905-2乙烯基酯阻燃樹(shù)脂和E-CR玻璃纖維復(fù)合材料。通過(guò)分析制作材料的腐蝕測(cè)試結(jié)果和整體強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，可以確定玻璃鋼排煙筒的厚度。鋼內(nèi)筒各分段之間通過(guò)可自由變形的膨脹伸縮節(jié)連接，這種連接方式可以消除熱脹冷縮和煙囪水平位移現(xiàn)象造成的縱（橫）向伸縮變形影響。煙囪上通常設(shè)置有環(huán)向加勁肋，它的作用是保證玻璃鋼煙囪的環(huán)向穩(wěn)定性。

2.2 強(qiáng)度設(shè)計(jì)

本工程玻璃鋼排煙內(nèi)筒的強(qiáng)度設(shè)計(jì)按照ASTM D 5364—1993（2008）《燃煤電廠玻璃纖維增強(qiáng)塑料煙囪內(nèi)襯的設(shè)計(jì)、制造和安裝標(biāo)準(zhǔn)》[2]執(zhí)行，并參照GB/T30811—2014《燃煤電廠用玻璃纖維增強(qiáng)塑料煙囪內(nèi)筒》。

排煙筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮靜載荷、風(fēng)載荷、地震作用、溫度作用及延期壓力的影響。排煙筒壁厚由積灰載荷、支撐方式、外部載荷結(jié)算確定。且結(jié)構(gòu)層不應(yīng)小于10 mm或D/1000中的較大者。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，本工程排煙筒設(shè)計(jì)壁厚19 mm，各層厚度如表1所示。

表1 各結(jié)構(gòu)層厚度 mm

本工程還對(duì)FRP內(nèi)筒本身分析了其固有頻率和筒身加強(qiáng)圈的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果均滿足ASTMD 5364—1993（2008）的設(shè)計(jì)要求。

2.3 壽命保證

國(guó)內(nèi)玻璃鋼輸電桿塔抗老化試驗(yàn)[3]表明：在長(zhǎng)期大氣暴露的自然環(huán)境下，取強(qiáng)度保持率50%作為壽終指標(biāo)時(shí)，玻璃鋼結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)35年。本工程玻璃鋼排煙筒處于在鋼筋混凝土外筒內(nèi)，紫外線輻照很少，設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)35年以上。

2.4 本工程玻璃鋼排煙筒的耐溫、防火性

不設(shè)旁路的濕煙囪在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮溫度-40～65℃。本工程選用進(jìn)口SWANCOR 905-2高溫耐腐蝕阻燃樹(shù)脂，所選材料的80℃拉伸強(qiáng)度衰減在10%左右。120℃拉伸強(qiáng)度衰減大于25%。

本工程排煙溫度在90℃以下，所以不設(shè)保溫或隔熱層。但必須防止明火。國(guó)內(nèi)外發(fā)生的玻璃鋼煙囪失火事故基本上全是由于明火引起。本工程在玻璃鋼排煙筒部件進(jìn)入鋼筋砼煙囪安裝開(kāi)始后，所有階段一律不準(zhǔn)有明火和施焊。所有關(guān)于玻璃鋼排煙筒部件支撐和固定都是設(shè)計(jì)成螺栓預(yù)制連接，所有的鐵件都事先預(yù)制，安裝前擺放在需要的平臺(tái)上。

2.5 玻璃鋼排煙筒的制作

本工程玻璃鋼排煙筒采取現(xiàn)場(chǎng)制作，現(xiàn)場(chǎng)搭建大型封閉車間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及環(huán)境條件選擇臥式纏繞方式，產(chǎn)品的纖維氈鋪覆纏繞、軸向布纏繞和纖維紗噴射等制作工藝由大型微機(jī)控制纏繞機(jī)帶動(dòng)專用模具轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成。當(dāng)工作環(huán)境溫度低于10℃時(shí)就不可以進(jìn)行制作和濕糊連接。所以玻璃鋼煙囪的制作安裝工期盡量不要安排在北方冬季。

2.6 玻璃鋼排煙筒的安裝

本工程采用液壓提升分段倒裝法。該工程在205 m平臺(tái)上設(shè)置起吊設(shè)備，采用4臺(tái)250 t千斤頂同步運(yùn)行，同步提升（或下降）誤差不超過(guò)1 mm。每臺(tái)千斤頂穿束8根鋼絞線，提升速度5～8 m/h。鋼絞線規(guī)格：Φ15.24 mm，理論破斷拉力為250 kN。鋼絞線束從玻璃鋼排煙囪外穿下連接鋼抱箍，由鋼抱箍抱住FRP煙道提升，煙道局部有加固。

2.7 玻璃鋼排煙筒的節(jié)點(diǎn)連接

本工程玻璃鋼排煙筒分29節(jié)制作，每節(jié)6.10 m長(zhǎng)，每節(jié)依次在安裝時(shí)拼接，接頭為濕糊工藝。對(duì)接口的制作至關(guān)重要，對(duì)接口必須進(jìn)行內(nèi)、外加強(qiáng)以保證整體強(qiáng)度。對(duì)接口制作應(yīng)具備與煙道管體制作相同的環(huán)境溫度、濕度等。對(duì)接口進(jìn)行端口處理，接口間隙不大于3 mm，筒體同心度不大于10 mm，需要粘接的表面進(jìn)行打磨處理，不允許有水、油等其他污漬。對(duì)接口內(nèi)外面采用的材料都是短切氈+玻璃布手糊完成。管道接口處，其內(nèi)部和外部均進(jìn)行增強(qiáng)。接口寬度W（mm）計(jì)算需要312 mm，設(shè)計(jì)接口寬度400 mm。

2.8 玻璃鋼煙囪的工程造價(jià)

相比較同時(shí)期鈦合金復(fù)合板內(nèi)襯排煙筒造價(jià)，本工程玻璃鋼排煙筒的工程造價(jià)較低，不到其造價(jià)的75%。但在2016年鈦合金復(fù)合板價(jià)格連續(xù)下跌到低谷期時(shí)，兩者價(jià)格基本相等[3]。

3 結(jié)論

a）本工程采用玻璃鋼排煙筒是當(dāng)前燃煤發(fā)電廠濕煙囪防腐的重要選項(xiàng)之一。采用整體玻璃鋼排煙筒防腐方案，能夠解決濕煙囪滲漏腐蝕的疑難問(wèn)題，防腐性能、耐久年限和技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。在2014年投產(chǎn)的300 MW級(jí)燃煤熱電廠中使用玻璃鋼濕煙囪，在國(guó)內(nèi)具有一定引領(lǐng)作用。

b）玻璃鋼材料耐化學(xué)腐蝕性能十分優(yōu)秀，玻璃鋼煙囪在施工中不用進(jìn)行防腐處理，后期維護(hù)工作量也很小。而且可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，施工周期短，同時(shí)良好的耐腐蝕性又增加了煙囪的使用年限。

c）現(xiàn)有技術(shù)完全能夠保證玻璃鋼排煙筒的制作和安裝質(zhì)量。太原第二熱電廠七期工程已投產(chǎn)2年半，經(jīng)過(guò)機(jī)組大修期停機(jī)檢查，玻璃鋼煙囪內(nèi)筒無(wú)任何問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張平，龍玉成，孫清，等.輸電桿塔玻璃鋼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料抗老化性試驗(yàn)研究 [J].電力建設(shè)，2012,33（9）：67-71.

[2] 李維旺，楊滿福.玻璃鋼（FRP）煙囪內(nèi)筒施工工藝探討[J].山西建筑，2010,36 （27）：21-23.

[3] 楊小兵，田樹(shù)桐，馬中，等.燃煤電廠玻璃鋼內(nèi)筒套筒式煙囪設(shè)計(jì) [J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,40（10）：451-454.