功能性玻璃鋼在煙氣排放控制工程中的應用

賀朝鑄，趙 豐，吳 斐，許凱奇，黃 楠

（1.武漢博奇玉宇環保股份有限公司，武漢 430223；2.湖北鄂電建設監理有限責任公司，武漢 430062；3.中南電力設計院，武漢 430071）

功能性玻璃鋼在煙氣排放控制工程中的應用

賀朝鑄1，趙 豐2，吳 斐3，許凱奇3，黃 楠3

（1.武漢博奇玉宇環保股份有限公司，武漢 430223；2.湖北鄂電建設監理有限責任公司，武漢 430062；3.中南電力設計院，武漢 430071）

介紹了火電廠煙氣排放控制工程中幾種常用的設備防腐方案，闡述了功能性玻璃鋼復合材料防腐方案的發展和在濕煙氣防腐領域的應用前景。

功能性玻璃鋼；煙氣排放控制工程；應用

1 引言

在煙氣排放控制工程中，煙氣經濕法脫硫后溫度顯著下降，形成pH值為1.3～2.5的強腐蝕性冷凝液，對于無GGH的煙囪，600MW機組每小時生成的冷凝液量高達10噸左右，低溫煙氣形成正壓加速冷凝液對設備內壁的腐蝕。并且，濕煙氣進入煙囪等設備會形成湍流，攜帶的液滴及粉塵對設備的內壁產生強烈沖刷；同時，機組運行中還有多種原因會使煙氣溫度起伏，導致設備內襯受到交變溫度及干濕度變化的沖擊，內襯材料可能因超出使用溫度發生炭化導致防腐性能失效。迄今為止，煙氣排放控制工程已經采用的設備防腐方案有10多種，目前得到普遍認可的僅有鈦板、賓高德玻璃磚和玻璃鋼等3種防腐方案，但這3種方案也有各自的局限性，使行業內在推薦煙氣排放控制工程設備防腐方案方面難以形成統一意見。功能型玻璃鋼復合材料由于兼具涂料和傳統結構性玻璃鋼的優勢，具有整體性好、耐高溫和起伏溫度、耐強腐蝕和煙氣沖刷、高阻燃性、成本較低、施工周期短、施工維修方便等優點，該防腐方案正在行業內逐步得到廣泛認同。

玻璃鋼別名玻璃纖維增強塑料，俗稱FRP（Fiber Reinforced Plastics），即纖維增強復合塑料。根據采用的纖維不同分為玻璃纖維增強復合塑料（GFRP）、碳纖維增強復合塑料（CFRP）等。GFRP是以玻璃纖維及其制品（玻璃布、帶、氈、紗等）作為增強材料，以合成樹脂作基體材料的一種復合材料。纖維增強復合材料是由纖維和基體組成。纖維（或晶須）的直徑很小，一般在10μm以下，缺陷較少，體積較小，斷裂應變約在30‰以內，屬脆性材料，易損傷、斷裂和受到腐蝕。基體相對于纖維來說，強度、模量都要低很多，但可以經受較大的應變，往往具有黏彈性和彈塑性，是韌性材料。煙氣排放控制工程設備防腐用的玻璃鋼復合材料分為結構型玻璃鋼（SFRP）復合材料和功能型玻璃鋼（FFRP）兩類。

1.1 結構型玻璃鋼 （SFRP） 復合材料

SFRP不僅要滿足防腐的性能，還要承受自身的結構力，通過整體纏繞、大塊預制拼接形成整體密封的排煙筒結構。但這種防腐方案存在以下劣勢：1）承受結構載荷，具有較大的風險；2）由于受力需要，勢必增加材料厚度及用量，成本大幅提高；3）施工難度大，工序復雜，容易引發火災。

1.2 功能型玻璃鋼（FFRP）復合材料

FFRP僅能滿足特殊的防腐要求，不承受結構載荷。FFRP復合材料黏接在基體表面，一般分為3層結構，即底涂層、結構層和面涂層，通過在基體噴涂形成底涂層+復合結構層 + 防腐耐磨面涂層的多層復合材料結構，使煙囪內壁完全處于防腐層的保護之下，可有效解決在火電廠煙囪防腐方案的選擇中存在的成本、質量和壽命問題，使三者達到一個最佳的結合點。

2 煙氣排放控制工程常用設備防腐方案

2.1 鈦合金復合板防腐方案

鈦是一種優異的耐蝕金屬材料，這是由于鈦的表面容易生成穩定的鈍化膜，鈍化膜是由極薄（幾個納米到幾十納米）的氧化鈦構成，在許多環境中是很穩定的，并且一旦局部被破壞還具有瞬間再修補的特性。因此，鈦在酸性、堿性、中性鹽水溶液中和氧化性介質中具有很好的穩定性，比現有的不銹鋼和其它有色金屬的耐腐蝕性都好。介質溫度在315℃以下時，鈦的氧化膜始終保持這一特性，完全滿足在惡劣環境中的耐蝕性。但在氧化膜被破壞后，若不存在修復的環境介質，這時鈦的腐蝕速度比鐵還快。在通常情況下，鈦對中性、氧化性、弱還原性的介質具有較好的耐蝕性。而對于強還原性和無水強氧化性的介質則不耐腐蝕，這一點是由鈦表面鈍化膜的性質決定的。因此，盡管鈦合金復合板是國際煙囪設計標準推薦的方案，也有國家標準對其設計、安裝和檢驗提出要求，但鈦合金復合板防腐設備泄露事故在電廠仍時有發生，并存在如下劣勢：

（1）壽命還需考證。國外最新試驗結果表明，50℃、10%的硫酸溶液腐蝕條件下，Ti的腐蝕速率約為0.1mm/a，80℃～100℃條件下Ti的腐蝕速率提高到約0.2mm/a，在有HF等混合酸的環境下，腐蝕速率還會大大加快。

（2）鈦合金復合板（一般為1.2mm）在運輸、卷板、吊裝過程中均可能出現缺陷。

（3）焊縫多，焊接質量難以控制。鈦合金復合板在制作時采用爆炸焊，施工難度大；現場安裝采用手工焊接時，如果焊接用氬氣純度不夠，或雜質含量過高或惰性氣體保護措施不力時，焊縫易發生氧化，形成夾渣、氣孔等缺陷；焊接過程中，焊縫周圍受熱面積較大，焊接升、降溫速度較快造成焊縫熱影響區組織脆性較大，極易形成冷裂紋；焊接電流把握不當，容易形成未熔合、燒穿等缺陷。

（4）鈦合金板與碳鋼板之間容易發生電化學腐蝕，特別是焊縫附近，發生的可能性更大。

（5）一次投資成本相對較高，價格昂貴。目前，鈦合金復合板造價均在3000元/m2以上。

（6）施工過程中的人為因素較多，施工周期較長。

（7）普通碳鋼板與鈦板的線膨脹系數不同，且鈦合金復合板焊接均采用搭接方式，空氣極易被密封在設備的搭接部位內，在熱脹冷縮后可能會將鈦合金板拉裂。

2.2 “賓高德”玻璃磚防腐方案

“賓高德”玻璃磚是美國漢高公司獨家經營的專利產品，系特制的硼硅玻璃發泡制品，具有耐酸腐蝕、高絕熱性、耐高溫、低熱膨脹系數、安裝簡便等特性?！百e高德”玻璃磚內襯主要由玻璃轉、黏接劑與底膠構成，其中，發泡玻璃磚為防腐系統的骨架，提供保溫、防沖刷及一定的防滲作用，黏接劑提供阻斷氣液內滲及保證系統柔性的作用，底膠解決表面處理后的防銹與黏接功能。“賓高德”膠黏劑的一大特點是能在受熱溫度不高于93℃的條件下長期保持較好的彈性，能使內襯系統適應熱脹冷縮的溫度變形，保證內襯系統的完整性和密閉性，濕法脫硫系統正常運行后的煙氣溫度一般都低于該溫度，符合“賓高德”防腐內襯系統的理想工作條件。但在國內防腐施工中仍有失敗案例，存在以下不足：

（1）整體性差，施工要求高。膠泥勾縫、隔離層材料或打底材料易出問題，施工時間雖較鈦合金復合板短，但防腐周期仍較長，且不能耐HF酸腐蝕。

（2）膠黏劑耐溫不能超過93℃。國外電廠脫硫設備常年運行，沒有旁路，故溫度不超過93℃，“賓高德”玻璃磚使用很好。但國內電廠的脫硫設備不一定常年運行，且有旁路，溫度經常超過93℃，事故狀態時更遠超93℃。

（3）高溫老化失效快，易脫落?！百e高德”玻璃磚磚厚35mm或51mm，加上膠厚約54mm，磚縫隙約3mm，高溫煙氣接觸到玻璃磚的外層后，因磚保溫隔熱性能好，黏接劑所承受的溫度遠遠小于93℃，磚縫之間的膠黏劑的最外層受熱會炭化，但不會脫落，保護了內層的黏接劑。但這是理想狀態，國內電廠在旁路經常開啟或事故狀態下，真正達到黏結材料部分的溫度經常超過93℃，高溫下這些黏結材料及隔離層材料早已失去強度和黏結特性，老化失效非?？臁?/p>

（4）國內代理產品的價格較高。因而在實際使用中，承包方在原材料方面經常以次充好。

2.3 結構型玻璃鋼（SFRP）防腐方案

SFRP是由高級玻璃纖維和熱固性樹脂復合形成的兼具結構性和功能性的復合材料，具有優良的防腐能力，對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽及多種油類、溶劑均有較好的抵抗能力。結構型玻璃鋼是歐美新建煙囪的主要防腐形式，已形成了FRP煙囪或管道結構設計、制造和施工方面的系統標準。國內由于2006年山東某新建電廠SFRP內筒施工火災事故后，至今再無大型電廠使用的案例，目前僅用于小型發電廠及部分電廠的煙塔合一項目。由整體纏繞成型工藝生產的玻璃鋼排煙筒能夠自承重，具備比耐硫酸露點鋼更加優異的耐酸防腐性能，可以取消保溫層，特別適合燃煤電廠脫硫不加GGH的濕煙囪運行條件。但該方案在實際應用中也存在如下不足：

（1）成本高。盡管比鈦合金復合鋼板方案的成本要低不少，但是較之其他防腐方案還是要高出很多。懸掛式20mm的FRP整體煙囪內筒的工程造價則至少要達2000元/m2。

（2）老化問題。FRP材料在長期使用過程中，尤其是特高溫頻繁時，很容易出現光澤減退、顏色變化、樹脂脫落、纖維裸露、分層等老化現象，FRP性能下降是不可避免的。玻璃鋼煙囪的使用適合于濕煙囪，前提是不采用GGH系統，也沒有部分煙氣旁路開啟的情況，即要杜絕出現特高溫煙氣的情況，這在國內目前還很難完全滿足。

（3）高溫強度問題。FRP在中低溫條件下有優異的耐腐性能和結構性能，但隨著溫度的升高，其結構性能衰減很快，即使是高耐熱的酚醛型乙烯基酯樹脂，當使用溫度超過其熱變形溫度（HDT）后，樹脂的結構性能也會發生很大改變。

（4）阻燃問題。在一定的條件下，聚合物都是可燃的。這也是國內外在設計中已越來越多采用化學阻燃型耐高溫酚醛型乙烯基酯樹脂的原因。

（5）僅適用于新建工程。由于SFRP煙囪采用分段整體成型生產模式，目前不適用于改造煙囪。

（6）SFRP內筒對溫度要求較高。對于溫度變化較大的煙囪，SFRP內筒可能不太適用。

（7）施工周期相對較長。因需預制內筒，且安裝時需固定，需要較長的施工時間。

（8）制造工藝要求高。樹脂與纖維的選擇及玻璃鋼纏繞過程的質量都會直接影響FFRP的使用性能。

3 功能型玻璃鋼復合材料的應用

3.1 功能性玻璃鋼復合材料的發展

功能性玻璃鋼復合材料技術源自高溫涂料，但涂料不可能做厚，抗沖刷能力差，其強度和韌性遠低于玻璃鋼材料，于是，兼具涂料和結構性玻璃鋼復合材料優點的功能性玻璃鋼復合材料由此產生，其采用黏接技術在設備基體表面形成一層幾毫米厚的玻璃鋼內襯，解決了濕法脫硫后煙氣排放控制設備的特殊防腐要求。功能性玻璃鋼復合材料在國內火電廠的應用經歷了多個發展階段，具體情況如下：

（1）第一階段：采用有溶劑乙烯基酯 + 玻璃纖維 +固化劑等原材料，在設備表面形成玻璃鋼內襯層。這種防腐方案在噴涂時采用槍內聚合的方式進行施工，采用了較低比例的固化劑。該防腐方案的主要代表是“薩偉真”防腐內襯技術，是美國薩偉真（Sauere-isen）公司針對電廠防腐蝕而研發的專利產品。該方案的主要缺點是防腐內襯易脫落、噴涂設備損壞率較高。具體原因是：

1）由于該方案采用有溶劑樹脂，與無溶劑樹脂相比，樹脂中的溶劑在固化過程中將不斷向基體內外擴散，形成如下幾種效應：當溶劑從垂直方向向內外擴散時留下空間，形成針孔，為酸液今后的滲透埋下禍根，降低了材料的抗腐蝕性能；當溶劑從水平方向向基體邊緣擴散時會留下空間，大大降低材料的黏接性能，一旦復合材料在承受交變溫度和復雜腐蝕環境時將會發生脫落；

2）該防腐方案采用樹脂與固化劑先混合后噴涂的方式進行施工，雖然為防止反應速度過快而采用了較低比例的固化劑，但樹脂與固化劑在噴涂前預先進行混合而發生聚合交聯反應，因此，在材料噴涂過程中，如果噴涂時間把握不好就極易堵槍，而且，噴槍在一個項目使用后往往不易清洗，難以在下個項目重復使用，造成噴涂設備的大量損壞和浪費。

（2）第二階段：采用有溶劑環氧樹脂+玻璃纖維+固化劑等原材料，在設備表面形成玻璃鋼內襯層。這種防腐方案在施工時也采用槍內聚合的方式和較低比例的固化劑。該防腐方案的代表是“APC雜化結構層防技術”，是美國先進聚合物涂料公司（Advanced Polymer Coating LLC，簡稱APC公司） 針對軍工產品而研發的一種耐腐蝕材料，20世紀80年代后逐漸用于電力化工等強腐蝕性環境。該材料是由改性環氧基聚合物組成的一種極高交聯密度的防腐蝕材料，將具有高度耐腐蝕和耐溫的無機物二氧化硅（SiO2）與有機的環烷苯基醚相連接，形成無機－有機結構化合物（環硅的縮水甘油醚），該結構中不含有羥基和酯基，而代之以最強的化學鍵（-C-O-C），形成三維空間的交聯立體結構，其分子結構中具有28個可交聯官能團，在固化過程中通過芳香型交聯劑作用，可結合轉變成784（28×28）個交聯點。與通常的熱固性樹脂固化后形成的立體結構不同，在該材料的立體結構中存在著環結構，因此具有優良的柔韌性，從而把高度的交聯結構和良好的柔韌性統一起來。該材料整體性能（如黏接性）雖然優于美國“薩偉真”防腐材料，但仍未解決易脫落和噴涂設備易損壞的缺點。

（3）第三階段：采用無溶劑高性能混和樹脂 + 玻璃纖維 + 固化劑+納米/微米材料等原材料，在設備表面形成玻璃鋼內襯層。這種防腐方案在施工時采用槍外聚合的方式和較高比例的固化劑。該防腐方案的代表是“VF功能性玻璃鋼復合材料”，是武漢某環保公司針對濕法脫硫后煙氣排放控制設備，與國內外高等院校和專家合作而研發的具有自主知識產權的一種高性能耐腐蝕材料，該防腐方案的原材料主要采用國產材料，除具備“薩偉真”“APC雜化聚合物材料”等進口材料的優點外，還在防腐內襯易脫落和噴涂設備易損壞等方面采取了有效的改進措施。其優勢包括：

1） 由于采用無溶劑樹脂，不存在溶劑擴散問題，防腐內襯黏接性能和防腐性能得到大幅提高；

2）在施工中，采用槍外聚合噴涂方式，不會損壞噴涂設備。在噴涂過程中，樹脂流、固化劑流、短切玻纖紗流三流合一，在設備表面完成聚合反應，通過分層碾壓，確保材料充分混合；

3）由于采用高性能無溶劑混合樹脂，與采用單一樹脂的FFRP復合材料相比，綜合防腐性能有較大提升?；旌蠘渲C合了多種樹脂的優點，如優異的耐酸堿性：耐溫性比環氧樹脂提高；改善了單一樹脂的脆性：產品的黏度低、滲透性強、固化速度快，且改善了潮濕基面的固化性；

4）通過在面層加入納米/微米材料，有效提高了材料的耐磨性能。另外，還可在面層樹脂中加入阻燃材料、含氟單體等提高材料的阻燃和防腐性能。

3.2 功能性玻璃鋼復合材料的工程應用

第三代功能性玻璃鋼復合材料與第一、二代復合材料相比，綜合防腐性能有較大提高，材料的線膨脹系數與由普通樹脂生產的玻璃鋼相比大大降低，但由于這三類產品的線膨脹系數仍高于基體材料，而且如果基體處理不干凈，仍有脫落的風險。因此：1）要在材料方面繼續進行研發，生產新一代功能性玻璃鋼復合材料，如在碳纖維價格降低后，可采用性能更優越、更低線膨脹系數的碳纖維代替玻璃纖維等；合理調節固化劑比例，降低復合材料脆性；2）要提高材料的施工性能，如加大施工設備研發力度，提高噴涂設備的精準性和自動化程度；改善施工工藝，提高現場基面處理的質量；嚴格按規范要求的溫度、濕度施工環境條件施工等。

盡管功能性玻璃鋼復合材料仍有較大的改進空間，但該防腐方案在質量、成本和施工周期等方面具有其他防腐方案不可比擬的優勢，并且已在國內火電廠煙氣排放控制設備防腐領域取得了不俗的業績。隨著國家對煙氣排放控制設備防腐領域的不斷規范，功能性玻璃鋼復合材料防腐方案必將成為未來火電廠煙氣排放控制設備防腐領域的重要手段。功能型玻璃鋼復合材料與其它防腐方案的性能比較如下表所示。

4 結論

根據《煙囪設計規范》（GB50051-2013），為滿足火電廠煙囪濕煙氣防腐蝕需要，新版標準已增加了玻璃鋼煙囪（結構性玻璃鋼）的內容，這進一步說明玻璃鋼防腐已是未來煙氣排放控制設備防腐領域的重要手段。由于金屬薄板、進口玻璃磚等在價格、整體性、施工周期等方面的劣勢，同時，結構性玻璃鋼也存在老化、高溫強度下降、易發生火災、不適合改造工程等缺點，功能性玻璃鋼復合材料作為一種創新型防腐方案，兼具涂料和結構性玻璃鋼防腐材料的優勢，必將成為火電廠煙氣排放控制設備防腐領域的指定防腐材料，具有廣泛的市場前景。

功能性玻璃鋼復合材料與其它防腐方案的性能比較表

[1] GB50051-2013 煙囪設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[2] GB/T 8923.1-2011涂覆涂料前鋼材表面處理 表面清潔度的目視評定[S].北京：中國標準出版社，2012.

[3] GB 50727-2011 工業設備及管道防腐蝕工程施工質量驗收規范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[4] JGJ/T251-2011 建筑鋼結構防腐蝕技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[5] GB/T50590-2010 乙烯基酯樹脂防腐蝕工程技術規范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[6] GB50046-2008 工業建筑防腐設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[7] GB50078-2008 煙囪工程施工及驗收規范[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[8] GB50224-2010 建筑防腐蝕工程施工質量驗收規范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[9] DL/T901-2004 火力發電廠煙囪（煙道）內襯防腐材料[S].北京：中國電力出版社，2005.

[10] GB50212-2002 建筑防腐蝕工程施工及驗收規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

Application of Functional Glass Fiber Reinforced Plastics in Flue Gas Emission Control Engineering

HE Chao-zhu1, ZHAO Feng2, WU Fei3, XU Kai-qi3, HUANG Nan3
(1. Wuhan Boqi Yuyu Environmental Protection Co., Ltd, Wuhan 430223; 2. Hubei Ezhou Power Construction & Supervision Co., Ltd, Wuhan 430062;
3. Zhongnan Design Institute of Electric Power, Wuhan 430071, China)

The paper presents the several common use equipment antisepsis programs in fue gas emission control engineering of power plant; explicates the development on the compound material antisepsis program of functional glass fber reinforced plastics and application prospect in the antisepsis feld of wet fue gas.

functional glass fber reinforced plastics; fue gas emission control engineering; application

X701

A

1006-5377（2014）08-0025-05