煙囪鋼內筒整體內襯雜化聚合結構層防腐系統

修立杰，王曉非，李少平，王震宇，王云朋

(1.寧夏京能寧東發電有限責任公司，銀川市750400;2.國家金屬腐蝕控制工程技術研究中心(中國科學院)，沈陽市110016;3.顧德(大連)新材料科技發展有限公司，遼寧省大連市116023)

0 引言

在當前日益緊迫的環保形勢下，新建火力發電廠的燃煤機組一般都按石灰石－石膏濕法脫硫、無旁路煙道、無煙氣換熱器(gas gas heater，GGH)的型式配置。脫硫后的濕飽和煙氣中含有等腐蝕性離子和液滴，是一種腐蝕強度高、滲透性強，且較難防范的低溫高濕稀酸型強腐蝕氣體，對煙囪的危害很大［1］。因此，煙囪腐蝕的根源未能消除，其防腐層如果不能有效防止酸液的侵蝕和滲透(即使僅有一點發生滲漏)，就難以避免嚴重腐蝕。文獻［2］提出了輕質玻化陶瓷磚復合防腐方案，但該方案僅適用于單筒鋼筋混凝土煙囪的改造;文獻［3］提出了乙烯基酯玻璃鱗片防腐方案，要求施工時必須保證環境溫度不低于35℃，否則難以保證防腐層的固化質量和使用壽命;文獻［4］提出了鎳基及鈦合金方案適用于新建煙囪的防腐，但在已建成的鋼內筒上目前還難以應用;文獻［5］對煙囪防腐方案進行了比較，對新建煙囪的選型優先推薦玻璃鋼內管。由于已建成的煙囪鋼內筒難以適用玻璃鋼內筒和鈦鋼板內筒方案，本文以研發、應用新材料與新工藝為切入點，提出整體內襯雜化聚合結構層防腐系統，使鋼內筒的防腐層具備良好的抗腐蝕性、抗滲透性、耐溫變性、與鋼材接近的熱膨脹性能、較好的工藝適應性以及較高的粘結強度和可靠的耐高溫度性能。

1 關鍵技術和創新點

煙囪鋼內筒整體內襯雜化聚合結構層防腐系統是由雜化聚合結構層與噴鑄工藝相組合而構成的防腐系統。該系統基于雜化聚合結構層的可靠性能，應用雜噴工藝將其整體噴鑄在鋼內筒上，使煙囪內壁形成完全隔絕酸液的整體襯層，且該襯層與鋼內筒牢固結合為一體。其中包含的人、機、料、法、環等環節必須達標，才能達到可靠、耐久的防腐性能。該系統的關鍵技術是雜化聚合結構層技術，將雜化聚合物噴鑄到鋼內筒上，通過“三線四孔”制雜噴工藝，形成鋼基體+底涂層+雜化聚合結構層+耐磨面層的完整內襯層，使鋼筒內壁完全處于防腐層的保護之下。該系統的創新點可表述為:

(1)雜化聚合物的網絡結構是通過醚鍵連接的700多個交聯點的環狀立體網絡結構。由于不含羥基、酯基等薄弱基團［6］，因而具有很強的抗腐蝕性和柔韌性，能長期耐40～180℃、濃度1% ～50%的硫酸液或硫酸汽的腐蝕破壞，其抗腐蝕性能如圖1所示。

(2)雜化聚合物納米封孔面層具備致密的雜化交聯和表面封孔結構。檢測表明:雜化聚合物納米封孔面層的吸水率為0.3%，水蒸汽的滲透系數為3.4 ×10－15g·cm/(cm2·s·Pa)，可以有效抵制濕煙氣的滲透破壞。

圖1 40～150℃硫酸液、汽環境中進行加速試驗后，雜化聚合材料與其他耐溫聚合物的表面形貌對比Fig.1 Surface topography comparison between hybrid polymeric material and other thermostable polymers after accelerated test in 40～150℃sulfuric acid liquid/vapor

(3)“三線四孔”制雜噴工藝可以實現連續機械化施工，而且可實現常溫固化。其量化可控的優點與便捷性降低了全部依靠人工涂刷的質量缺陷率，使防腐結構層的厚度可以很容易達到3 mm以上，并且仍然保持較高的結構強度和柔韌性。研究試驗與工業應用結果表明，在煙囪鋼內筒上噴鑄整體防腐層時，厚度以不超過3 mm為宜，過厚的防腐層難以達到理想的熱膨脹系數，與鋼基體結合后在高溫場合下的整體強度反而下降。雜化聚合物固化速率的DSC熱分析過程如下:利用美國示差熱分析儀(Perkin-Elmer)分析材料固化程度和玻璃化溫度，加熱速率分為5℃/min和10℃/min這2種，分析結果如圖2所示。由圖2可知:雜化聚合物在不同升溫速率下的固化轉化率不同，較慢的升溫速率有利于提高轉化率，升溫速率為5℃/min時轉化率最高。當升溫到60℃時，用時7 min，其轉化率已達到50%;當溫度達到90℃時，用時13 min，其轉化率已達到98%，接近完全固化。這表明該雜化聚合物在常溫下經過一段時間也可完全固化。工業應用與檢測結果表明，該雜化聚合物在25℃下5 h內即可表干固化，24 h內即可達到實干固化［6］，現場應用中允許的最低環境溫度為5℃。

圖2 不同升溫速率條件下，雜化聚合材料的轉化率曲線Fig.2 Conversion rate curves of hybrid polymeric material at different heating rates

(4)雜化聚合物具有與鋼基體較接近的熱膨脹系數。由于熱膨脹性能與鋼材接近，且底涂層的粘接強度高。這一特點保證了雜化聚合結構層在煙囪鋼內筒上的牢固性。施工完成后，防腐層與鋼內筒結合成為一體，保持與鋼內筒同時膨脹而不分離。按照ASTM C633－01要求，設計工裝設備，結果如圖3所示。用雜化聚合物把2個25 mm的鋼棒從端面粘接起來，裝入拉伸工裝設備中，然后在日本島津公司AG－5000A拉伸試驗機上進行拉伸實驗。實驗測得雜化聚合物與鋼材的粘接強度大于12 MPa。

圖3 測量結合強度的工裝Fig.3 Tooling of measuring bonding strength

(5)可適應故障煙溫180℃時的極端工況。對普通玻璃鋼材料而言，隨著溫度的升高，其結構性能下降很快。聚脂玻璃鋼在45～50℃以上，環氧玻璃鋼在60℃以上時，其強度就已經開始下降［7］。對耐溫性能較好的乙烯基酯不飽和聚酯玻璃鋼，最高設計溫度為120℃，而雜化聚合結構層的玻璃化溫度為200℃，在200℃以下時，具有優異的力學性能。在溫度為180℃時，25%填充物的雜化聚合物的彈性模量可達5.7 GPa，完全能夠適應煙溫異常升高的極端工況，從而保證鋼內筒的長期安全運行。

(6)雜化聚合結構層整體噴鑄工藝的適應性好，能夠連續施工作業，在鋼內筒表面形成連續、完整、無縫的防腐內襯。施工過程中無接縫，保證了防腐層成為一個整體，最終將鋼內筒完全包覆，起到良好的保護作用。

2 調研與論證情況

目前，國內脫硫煙囪應用的防腐方案較多，但適用于鋼內筒防腐的既安全可靠又經濟可行的方案卻不多。脫硫煙囪的防腐方案可分為合金類(鈦鋼板、鎳基合金鋼板、耐硫酸露點鋼板等)、砌塊類(泡沫玻璃磚、耐酸陶瓷磚、泡沫玻化磚等)、涂料類、膠泥類、玻璃鋼類、整體澆注料等［8-11］。此外，近年來出現的新型技術方案有拼板玻璃鋼、焊接聚四氟乙烯、整體雜化聚合結構層技術等。

(1)經過深入調研，發現泡沫玻璃磚砌體類防腐方案存在的問題有:

1)在濕飽和煙氣的長期侵蝕下，泡沫體砌塊抵抗濕煙氣滲透的能力有限，難以抵制冷凝酸液的滲入。

2)就防腐要求而言，砌塊內襯絕不是簡單的堆砌，必須保證全部砌縫內膠粘劑的密實飽滿，但實際施工中，砌縫的總長度達到數 km，很難達到全部密實，即使存在一個點的不密實也會造成酸液滲漏。

3)在鋼內筒底板處、內筒壁的安裝圈處等部位容易匯集酸液，尤其以底板處最為嚴重，造成砌塊長期浸泡在酸液中，砌縫處難以保證嚴密不漏。

(2)泡沫玻化磚內襯是國內煙囪防腐蝕設計的主流方案，在國外也有超過10年的安全應用案例。但由于有的施工現場沒有配套以科學、嚴格的檢查和驗收手段，僅僅是簡單地模仿國外同類產品，加之部分廠商采取了低價投標、施工過程中偷工減料的手段，使泡沫玻化磚內襯的防腐質量得不到保證，導致部分煙囪出現了嚴重腐蝕。

(3)玻璃鱗片、聚脲存在的主要問題是防腐材料與鋼內筒基體結合后的力學性能較差，投運后不能避免局部剝離，使防腐層的運行壽命較短。

(4)可焊接聚四氟乙烯耐腐蝕性能、耐高溫性能及耐高低溫激變性能均非常優異，使用壽命長，理論上是適應目前國內電廠運行狀況和煙囪防腐工況的理想材料，但由于目前還處于研發階段，尚未得到工業應用。

(5)整體玻璃鋼煙囪在國外已經有諸多成功案例，如美國 P4電廠(Pleasant Prairie power plant)的2個直徑8.1m的纖維增強復合塑料 (fiber reinforced polymer，FRP)內筒、英國 Egg borough Power Station的2個184m高的FRP內筒、日本關西電力南港發電廠的3個FRP內筒煙囪等［12］，是較經濟可行的防腐方案。但在已經建成的鋼內筒煙囪上進行整體玻璃鋼煙囪改造，就必須全部拆除原來的鋼內筒，改造施工的代價較高。新建煙囪選用整體玻璃鋼煙囪方案需要在初步設計時就做好總體規劃，以保證后續施工圖設計的合理。

3 與國內外已有技術方案的對比

在煙囪鋼內筒的防腐方案設計中，整體玻璃鋼內筒、鈦鋼板內筒更適用于新建煙囪的選型與實施。對于已經施工完成的鋼內筒，選用整體玻璃鋼內筒或鈦鋼板內筒就意味著必須拆除原來的鋼內筒。為此，煙囪鋼內筒防腐一般均選用性能可靠的砌塊類或涂層類防腐方案，例如已經得到大量應用的泡沫玻化磚防腐、賓高德防腐系統［13］等。煙囪鋼內筒整體內襯雜化聚合結構層防腐系統與這些防腐技術相比，在材料技術和施工工藝上具有明顯的創新性，是根據煙囪防腐的特點開發研制的新型技術。該材料經過了國家玻璃鋼質量檢測中心、國家塑料質量檢測中心與國家建筑材料測試中心的檢測，具備比較優異的防腐性能。對照煙囪鋼內筒防腐的實際需要，各產品的性能對比如表1所示。

表1 脫硫煙囪防腐方案性能對比Tab.1 Comparison of anticorrosion performance in desulfurization chimney

4 煙囪防腐的全壽命周期質量管理

煙囪防腐的特點是:一旦施工完成，就很難對施工質量進行無損檢測;一旦機組投入運行，就很難及時對內部防腐層的運行情況進行診斷，為此，必須建立完善的質量管理體系。完善的煙囪防腐質量管理系統不但要進行嚴格的工藝管理，在施工階段保證實體質量，還要注重煙囪投入運行后的質量管理，實現全壽命周期質量管理。基于這一理念，整體內襯防腐內襯系統應用了在線監測技術，通過在線監測設備進行防腐內襯的實時監測，在煙囪的全壽命周期內實施質量管理。

煙囪防腐在線監視設備可實現對煙囪內部防腐層運行狀況的實時監測，當發現腐蝕傾向時實時反映在監控畫面上，便于及時采取應對措施。其原理是:在防腐層內埋置高分子硫酸根離子感應器，對煙囪各重要部位進行有針對性的監測，根據各監測點的狀態了解煙囪的整體運行情況。

根據監控畫面的警示信號可以判斷腐蝕部位，便于檢查人員現場確認。對誤報信號可以進行及時消除;對確定已發生腐蝕的情況，便于及時研究對策，防止發生嚴重腐蝕。煙囪防腐在線監視系統的準確性取決于硫酸根離子感應器的安裝位置與數量，可以根據監測需要有針對性地布置監測點。

需要注意的問題是:

(1)決不能把煙囪防腐后的整體可靠性與雜化聚合物材料的優良性能等同對待。由于煙囪防腐施工是一個動態的質量控制過程，必須嚴格控制質量瑕疵或缺陷的存在。孔隙、夾渣、欠固化等質量缺陷往往容易造成防腐層的局部破壞，引起筒壁腐蝕。

(3)煙囪鋼內筒防腐的成敗取決于材料性能與施工質量。必須保證施工全過程的人、機、料、法、環等5個環節在同一時間、同一空間都達到質量控制標準要求，才能保證最終的總體質量與性能。必須在原料的檢驗、貯存與使用、鋼基體的處理、雜化層的噴鑄與固化、施工人員的管理與工藝操作、各道工序的驗收等方面嚴格把關。

(3)必須重點做好煙囪底板的基層處理與防腐處理，防止因清潔不凈、底板污染、雜化層存在孔隙等而造成酸液滲入。

(4)煙囪入口的膨脹節雖然不屬于煙囪防腐范圍，但卻是煙道防腐蝕的薄弱環節，是最容易漏酸液的部位，進行煙道防腐與煙囪防腐時必須同時做好膨脹節接口部位的處理。

(5)必須根治質量通病。對鋼內筒基體處理不徹底、陰角部位底涂層覆蓋不勻、雜化層不密實等質量通病制定有針對性的防治措施，明確嚴格的檢查與驗收標準，從而保證防腐層的整體施工質量與細部工藝。

(6)必須嚴格控制環境溫度與濕度。杜絕冬季與雨季搶工，防止雜化層的粘接強度、固化速度偏離標準的允許范圍而造成防腐性能顯著降低。

(7)必須嚴格保證合理工期，杜絕壓縮進度和連續搶工。由于雜化層的固化速度受環境影響比較大，環境溫度低或濕度大時固化時間相應延長，必然導致工期的延長。此時如果再壓縮進度就必然導致固化不完全，直接影響到防腐層的使用壽命。

(8)必須保證煙囪運行期間煙氣處理的達標，杜絕高硫煙氣進入煙囪。應將脫硫后煙氣的環保指標作為技術監督的預警指標，強化監督力度，保證煙氣的達標排放，防止煙囪防腐層長時間受到過強腐蝕性的濕飽和煙氣的侵蝕。

5 結論

(1)煙囪鋼內筒整體內襯雜化聚合結構層防腐系統結合了雜化聚合結構層與“三線四孔”制雜噴工藝，在筒壁上形成了耐高溫、耐腐蝕、耐老化、牢固的、完全包履筒壁的防腐層。

(2)雜化聚合結構層可實現常溫固化，施工時允許的環境最低溫度可達5℃，有利于現場施工;環境溫度高時固化速率更快。

(3)雜化聚合結構層的玻璃化溫度為200℃，能夠適應煙溫異常升高的極端工況，提高了煙囪防腐的可靠性。

(4)雜化聚合結構層的厚度以不超過3 mm為宜，防腐層過厚時不利于降低熱膨脹應力。

(5)必須配套以嚴格的施工質量管理措施，保證料、法、人、機、環等環節在同一時間、同一空間均達到質量控制標準，才能保證防腐質量。

(6)雜化聚合結構層技術也適用于脫硫吸收塔入口干濕界面防腐、脫硫管道防腐等場合。

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