大型燃煤電廠煙囪玻璃鋼排煙內筒的防腐蝕工藝

劉佳楠,楊 薇,侯銳鋼

(1. 華東理工大學 材料科學與工程學院，上海 200237； 2. 中國電力工程顧問集團 華東電力設計院有限公司，上海 200063)

應用技術

大型燃煤電廠煙囪玻璃鋼排煙內筒的防腐蝕工藝

劉佳楠1,楊 薇2,侯銳鋼1

(1. 華東理工大學 材料科學與工程學院，上海 200237； 2. 中國電力工程顧問集團 華東電力設計院有限公司，上海 200063)

采用復合材料“積木式方法”研究了工程用樹脂的固化過程、乙烯基酯樹脂的耐蝕性、元件級和部件級筒體的力學性能。結果表明，設計的某燃煤電廠玻璃鋼(FRP)排煙內筒可以滿足工程要求。

玻璃鋼(纖維增強塑料)；積木法；排煙內筒

酸雨問題在世界范圍內影響著人類的生存環境，有必要減少硫元素擴散到空氣中的量，從源頭上遏制酸雨的發生。目前，業界普遍采用濕法脫硫工藝,其中，無GGH(煙氣加熱器)的濕法脫硫工藝在燃煤電廠里得到應用[1-2]，它可以有效地起到節能減排的作用，但該工藝會導致煙氣溫度下降、濕度上升，加重煙囪的腐蝕[3-4]，為此,人們積極探索新材料來解決這一問題。玻璃纖維增強塑料(俗稱玻璃鋼，FRP)因具有良好的可設計性、突出的耐蝕性而在歐美等發達國家燃煤電廠脫硫煙囪防腐蝕工程中廣泛應用。經過廣大科技工作者的深入研究，我國電力規劃設計部門明確指出：“玻璃鋼可以在國內脫硫煙囪防腐蝕工程中被采用”。作為首個雙管懸掛式FRP排煙內筒，國內某新建電廠裝機總量為2×660 MW，排煙筒內徑為7 200 mm，每節筒體高8 000 mm，標高240 000 mm，平均壁厚21 mm，見圖1。由圖1可見，排煙筒的兩節筒體通過內、外表面濕法手糊工藝進行連接。

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

本工作借鑒國外在大型結構件產品設計過程中經常使用的“積木式方法”，對排煙筒的防腐蝕施工工藝進行研究。試驗由下至上逐次進行，試驗件復雜程度逐級增加，數目則由多變少，下大上小，猶如搭積木一樣，逐級遞增，見圖2。以期為工程設計提供技術參數，同時對某些理論進行科學驗證。

1 試驗

1.1 原材料

圖2 復合材料積木式方法Fig. 2 Building-block method

試驗的主要原材料如下：工業級乙烯基酯樹脂,430 g/m2單向布，300 g/m2短切氈，2400TEX型纏繞紗，工業級氫氧化鈉。

1.2 試驗方法

1.2.1 原材料試驗

1.2.1.1 凝膠時間

凝膠時間與纏繞工藝、纖維浸潤、產品質量關系密切，本工作對凝膠時間和各種助劑的配比進行了優化和篩選，按照GB/T 7193-2008《不飽和聚酯樹脂25 ℃凝膠時間測定方法》測試了凝膠時間，重點研究了室溫下固化劑含量為1.5%(質量分數，下同)時，促進劑含量與凝膠時間的關系。

1.2.1.2 樹脂固化過程

樹脂的固化程度會影響產品的力學性能以及生產周期。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，樹脂固化度與固化時間的關系。

1.2.2 乙烯基酯樹脂的耐蝕性

玻璃鋼排煙內筒的耐蝕性取決于乙烯基酯樹脂的耐蝕性，而乙烯基酯樹脂中的酯鍵水解是造成乙烯基酯樹脂結構破壞、耐蝕性降低的原因。研究表明:在堿性條件下，這種水解過程是不可逆的；而在酸性條件下，水解過程是可逆的。試驗選擇堿加速條件下的水解，測試了在酸性條件下工作的乙烯基酯樹脂的性能。試驗選用10%(質量分數，下同)NaOH作為腐蝕溶液，按照現行國家標準的要求[5]，采用10 000 kN材料試驗機測試其經過0, 10, 50, 100, 200 h浸泡后的彎曲強度與彎曲模量。

1.2.3 元件級試驗

由于排煙內筒為懸掛式結構，主要承受拉伸載荷及剪切載荷，需要通過元件級試件來建立鋪層結構與力學強度之間的關系。

按照GB/T 1447-2005. 《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》和EN13121-3-2008《GRP tanks and vessels for use above ground-part 3：Design and workmanship》測試試樣的拉伸強度、模量和沿纖維方向(軸向)和垂直纖維方向(環向)的力學性能。試樣采用機加工方式制得，樣板鋪層結構為短切氈和單向布交替鋪設，厚度約為3 mm。

1.2.4 部件級試驗

利用纏繞成型工藝，制作直徑為2 m的筒體作為部件級試驗對象，其鋪層結構為短切氈+纏繞紗+單向布+纏繞紗(5次循環鋪設),厚度為20 mm。從2 m直徑筒體上取樣制備所需樣條，按現行國家標準[6-8]測試其軸向和環向的拉伸、壓縮、彎曲性能。

2 結果與討論

2.1 原材料試驗

由圖3可見，在固化劑質量分數為1.5%時，隨著促進劑的增加，樹脂凝膠時間減少。由圖4可見，隨著固化時間的延長，樹脂固化過程出現一個迅速增長的過程，最終趨于平穩。

圖3 凝膠時間與促進劑用量的關系Fig. 3 Relationship between gel time and amount of cobalt-iso-octoate

圖4 樹脂固化度曲線Fig. 4 Resin curing degree curve

2.2 結構耐蝕性能

由圖5可見，隨著浸泡時間的延長，彎曲強度和彎曲彈性均下降。結構浸泡200 h后的彎曲強度和彎曲彈性分別為浸泡前的87.64%和82.08%，均大于80%，可以認為結構具有優良的耐蝕性[9]。

圖5 彎曲強度與浸泡時間的關系Fig. 5 Relationship between flexural strength and soak time

2.3 元件級試驗

典型鋪層結構的元件級試驗數據對最終產品鋪層結構設計起著重要作用。通過典型方向受力形式的試驗進行驗證，結果表明:其軸向和環向的拉伸強度分別為352 MPa和21 MPa;其軸向和環向的拉伸模量分別為35.28 GPa和1.90 GPa;其拉剪強度為13.86 MPa。這表明鋪層結構的力學性能滿足國內外現行標準要求[3-10]。

2.4 部件級試驗

表1是設計文件給出的玻璃鋼排煙內筒的設計值。燃煤電廠煙囪是典型的高聳建筑，其結構可靠度應符合現行國家標準[3-4,10]，載荷應取標準值作為強度的代表值。

表1玻璃鋼排煙內筒的設計值和部件級試驗標準

由表1可見,試樣的力學性能均符合設計要求，同時符合現行國家標準的要求[4-10]。表明該鋪層結構可以滿足工程建設要求，可以作為最終產品生產的鋪層結構。

2.5 運行經驗

目前該燃煤電廠已經投產超過4 a，期間通過多次回訪，排煙內筒運行過程中未發現異常，證明本研究過程所提供的技術參數是完整、可靠的。

3 總結

采用復合材料“積木式方法”，從原材料到最終產品完整地研究了某新建燃料電廠FRP排煙內筒的耐蝕性。通過原材料試驗、元件試驗和部件試樣驗證了采用[短切氈+纏繞紗+單向布+纏繞紗(5次循環鋪設)]制得的FRP筒體的耐蝕性。元件、部件級試驗數據為最終筒體鋪層結構的確定提供了科學驗證。

[1] 中國環境保護產業協會鍋爐爐窯脫硫除塵委員會. 我國火電廠脫硫脫銷行業2009年發展綜述[J]. 中國環保產業，2009(7):8-13.

[2] 王偉建，應春華. 電廠煙氣脫硫脫硝市場回顧與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塑料(FRP，玻璃鋼)煙囪內襯的設計、制造和安裝的標準指南[S].

[4] GB 50051-2013 煙囪設計規范[S].

[5] GB/T 7194.3-1987 樹脂澆鑄體耐堿性測定方法[S].

[6] GB/T 1447-2005 纖維增強塑料拉伸性能試驗方法[S].

[7] GB/T 1448-2005 纖維增強塑料壓縮性能試驗方法[S].

[8] GB/T 1449-2005 纖維增強塑料彎曲性能試驗方法[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 建筑結構可靠度設計統一標準[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，從事復合材料與防腐蝕技術相關研究，13601935460

TG172

B

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