玻璃钢排烟筒在燃煤热电厂湿烟囱中的应用实例研究

赵 健

（中国大唐集团公司山西分公司，山西太原030001）

0 引言

目前，燃煤电厂湿法脱硫后一般都取消了GGH设备，致使烟囱都面临低温腐蚀问题。脱硫吸收塔后烟气温度一般设计为45～55℃，烟气处于饱和状态，烟囱内壁会凝结大量酸性水（PH值2.2～2.8），一旦烟囱防腐方案失效，将对其寿命产生不利影响，甚至是毁灭性破坏。

2013年底，电力规划设计总院对214个已经脱硫改造的烟囱，包括6大类防腐方案，进行了调研。调研得出结论，玻璃钢（FRP）在欧美发达国家已广泛应用，国内各电厂应加强玻璃钢的研究试用。实际上，近几年电力设计部门对燃煤机组湿烟囱排烟筒的选项基本只有钛合金复合钢板、玻璃钢（FRP）和引入国外的宾高德产品3种[1]。

钛合金复合钢板作为烟囱的内壁材料，由于省内焊接特性属于新的施工领域，焊接技术不成熟、不完善，其焊接质量难以保证，经常会出现焊接质量问题；另外其原材料价格昂贵，且只能针对酸性腐蚀烟气可作为烟囱内衬。

粘贴泡沫玻璃砖和泡沫陶瓷砖的烟囱防腐方案，整烟囱的整体性和密闭性问题比较严重，因为其本身不可能做成大块。

玻璃钢（FRP）是一种品种繁多，性能各别，用途广泛的复合材料。它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺，制作而成的一种功能型的新型材料。其耐腐性主要取决于树脂，树脂中官能团愈少，则活性愈小，树脂愈稳定。所以合理选材并且提高树脂交联密度是制造耐腐蚀玻璃钢的关键。大唐太原第二热电厂七期工程（2×330 MW）就采用了玻璃钢（FRP）排烟筒作为湿烟囱防腐方案，取得了很好的效果。

1 玻璃钢材料用于烟囱内筒的优点

1.1 玻璃钢的耐酸腐蚀性好

玻璃钢材料的耐腐蚀性主要是由树脂和玻璃纤维的耐腐蚀性决定的。

反应型阻燃乙烯基树脂是我国生产玻璃钢排烟内筒常用的树脂类型，用它加工的玻璃钢材料具有优异的耐酸腐蚀性和阻燃性。根据树脂生产厂家提供的实验报告显示，纯树脂浇铸板在82℃的25%H2SO4溶液中，100 h无任何变化。

E-CR玻璃纤维是玻璃钢排烟内筒的主要增强材料，它是一种改进的无硼无碱玻璃纤维，用于生产耐酸耐水性好的玻璃钢材料，其耐水性比无碱玻纤改善7～8倍，耐酸性比中碱玻纤也优越不少。用于生产耐酸腐蚀要求高的玻璃钢产品。

图1、图2、图3为不同酸腐蚀情况下，普通E玻璃纤维和E-CR玻璃纤维的耐腐蚀性能对比电子照片。

由图1 a可以看出，90天后，E玻璃开出现溶出效应，并出现裂缝。而在图1b中E-CR玻璃在90天后几乎没有损伤，没有产生溶出效应、裂缝或弱化现象。

图1 不同玻璃材料在浸入10%浓度的硫酸90天后的SEM图

图2 不同玻璃材料置于96℃，5%浓度的HCl溶液中4 h后SEM图

图3 不同玻璃材料浸入85%磷酸168 h后SEM对比图

由图3a可以看出E玻璃在磷酸溶液中发生溶出，并且在纤维表面上有磷酸钙沉积，纤维的强度以及其与树脂的结合度可能有遭到削弱。而在图3b中E-CR玻璃在磷酸溶液中几乎没有损伤，没有产生溶出效应、裂缝或弱化现象。

根据武汉理工大学的《复合材料烟囱材料实验研究报告》显示，由反应型阻燃乙烯基树脂和E-CR玻璃纤维制品所生产的玻璃钢产品，其在80℃，40%H2SO4溶液环境中，拉伸强度衰减10%左右；120℃拉伸强度衰减25%左右，因此具有很好的耐酸腐蚀性。

1.2 玻璃钢烟囱整体防腐性好

玻璃钢烟囱在预制时，通常先将内筒生产成长6～9 m的玻璃钢筒体，当玻璃钢完成初始固化后，将玻璃钢筒体由模具上卸下来，到专用场地上再进行存储和进一步固化。

玻璃钢烟囱的施工过程，是将预制的每段玻璃钢筒体手糊连接的过程。由于手糊材料与玻璃钢筒体的材料完全相同，因此不会发生因热膨胀系数不同而产生开裂。且由于玻璃钢烟囱的手糊接口面积较宽，一般在400～500 mm左右，因此不会在接口位置发生泄漏。所以玻璃钢排烟内筒的整体防腐蚀性非常好。

2 太原第二热电厂七期工程玻璃钢（FRP）排烟筒的设计特点

太原第二热电厂七期工程建设2×330 MW燃煤亚临界直接空冷机组，湿法脱硫且不设烟气旁路，脱硫系统无GGH，正常运行条件下脱硫后烟气温度50℃左右，烟气最高运行温度80℃。2台锅炉合用1个烟囱。烟囱采用钢筋混凝土外筒，内筒为内径7.0 m的整体缠绕的玻璃钢（FRP）排烟内筒，烟气进口处中心标高约29 m，烟囱底部平台标高26 m，烟囱排烟口标高210 m。项目于2013年6月开工建设，2014年12月完成双投。

2.1 整体介绍

火力发电厂湿烟囱的玻璃钢排烟内筒可以设计为全程自立、分段自立和整体悬吊3种方式，太原第二热电厂七期工程玻璃钢排烟内筒采用部分悬吊分段自立方案。玻璃钢排烟内筒顶部标高210 m，共29节，内径7.0 m，内筒壁厚 t=19 mm，分4段分别支撑在4个承重钢平台上，每段在平台上面支撑4节下面吊3节。每段之间采用1个非金属膨胀伸缩节连接，加强圈间距L小于等于5 000 mm。

本工程的烟囱内筒选用SWANCOR 905-2乙烯基酯阻燃树脂和E-CR玻璃纤维复合材料。通过分析制作材料的腐蚀测试结果和整体强度计算结果，可以确定玻璃钢排烟筒的厚度。钢内筒各分段之间通过可自由变形的膨胀伸缩节连接，这种连接方式可以消除热胀冷缩和烟囱水平位移现象造成的纵（横）向伸缩变形影响。烟囱上通常设置有环向加劲肋，它的作用是保证玻璃钢烟囱的环向稳定性。

2.2 强度设计

本工程玻璃钢排烟内筒的强度设计按照ASTM D 5364—1993（2008）《燃煤电厂玻璃纤维增强塑料烟囱内衬的设计、制造和安装标准》[2]执行，并参照GB/T30811—2014《燃煤电厂用玻璃纤维增强塑料烟囱内筒》。

排烟筒结构设计中应考虑静载荷、风载荷、地震作用、温度作用及延期压力的影响。排烟筒壁厚由积灰载荷、支撑方式、外部载荷结算确定。且结构层不应小于10 mm或D/1000中的较大者。

经过计算，本工程排烟筒设计壁厚19 mm，各层厚度如表1所示。

表1 各结构层厚度 mm

本工程还对FRP内筒本身分析了其固有频率和筒身加强圈的计算，计算结果均满足ASTMD 5364—1993（2008）的设计要求。

2.3 寿命保证

国内玻璃钢输电杆塔抗老化试验[3]表明：在长期大气暴露的自然环境下，取强度保持率50%作为寿终指标时，玻璃钢结构件设计使用寿命可达35年。本工程玻璃钢排烟筒处于在钢筋混凝土外筒内，紫外线辐照很少，设计使用寿命可达35年以上。

2.4 本工程玻璃钢排烟筒的耐温、防火性

不设旁路的湿烟囱在结构设计中考虑温度-40～65℃。本工程选用进口SWANCOR 905-2高温耐腐蚀阻燃树脂，所选材料的80℃拉伸强度衰减在10%左右。120℃拉伸强度衰减大于25%。

本工程排烟温度在90℃以下，所以不设保温或隔热层。但必须防止明火。国内外发生的玻璃钢烟囱失火事故基本上全是由于明火引起。本工程在玻璃钢排烟筒部件进入钢筋砼烟囱安装开始后，所有阶段一律不准有明火和施焊。所有关于玻璃钢排烟筒部件支撑和固定都是设计成螺栓预制连接，所有的铁件都事先预制，安装前摆放在需要的平台上。

2.5 玻璃钢排烟筒的制作

本工程玻璃钢排烟筒采取现场制作，现场搭建大型封闭车间，根据现场及环境条件选择卧式缠绕方式，产品的纤维毡铺覆缠绕、轴向布缠绕和纤维纱喷射等制作工艺由大型微机控制缠绕机带动专用模具转动来完成。当工作环境温度低于10℃时就不可以进行制作和湿糊连接。所以玻璃钢烟囱的制作安装工期尽量不要安排在北方冬季。

2.6 玻璃钢排烟筒的安装

本工程采用液压提升分段倒装法。该工程在205 m平台上设置起吊设备，采用4台250 t千斤顶同步运行，同步提升（或下降）误差不超过1 mm。每台千斤顶穿束8根钢绞线，提升速度5～8 m/h。钢绞线规格：Φ15.24 mm，理论破断拉力为250 kN。钢绞线束从玻璃钢排烟囱外穿下连接钢抱箍，由钢抱箍抱住FRP烟道提升，烟道局部有加固。

2.7 玻璃钢排烟筒的节点连接

本工程玻璃钢排烟筒分29节制作，每节6.10 m长，每节依次在安装时拼接，接头为湿糊工艺。对接口的制作至关重要，对接口必须进行内、外加强以保证整体强度。对接口制作应具备与烟道管体制作相同的环境温度、湿度等。对接口进行端口处理，接口间隙不大于3 mm，筒体同心度不大于10 mm，需要粘接的表面进行打磨处理，不允许有水、油等其他污渍。对接口内外面采用的材料都是短切毡+玻璃布手糊完成。管道接口处，其内部和外部均进行增强。接口宽度W（mm）计算需要312 mm，设计接口宽度400 mm。

2.8 玻璃钢烟囱的工程造价

相比较同时期钛合金复合板内衬排烟筒造价，本工程玻璃钢排烟筒的工程造价较低，不到其造价的75%。但在2016年钛合金复合板价格连续下跌到低谷期时，两者价格基本相等[3]。

3 结论

a）本工程采用玻璃钢排烟筒是当前燃煤发电厂湿烟囱防腐的重要选项之一。采用整体玻璃钢排烟筒防腐方案，能够解决湿烟囱渗漏腐蚀的疑难问题，防腐性能、耐久年限和技术经济等方面都有明显的优势。在2014年投产的300 MW级燃煤热电厂中使用玻璃钢湿烟囱，在国内具有一定引领作用。

b）玻璃钢材料耐化学腐蚀性能十分优秀，玻璃钢烟囱在施工中不用进行防腐处理，后期维护工作量也很小。而且可设计性强，施工周期短，同时良好的耐腐蚀性又增加了烟囱的使用年限。

c）现有技术完全能够保证玻璃钢排烟筒的制作和安装质量。太原第二热电厂七期工程已投产2年半，经过机组大修期停机检查，玻璃钢烟囱内筒无任何问题。

参考文献：

[1] 张平，龙玉成，孙清，等.输电杆塔玻璃钢纤维增强复合材料抗老化性试验研究 [J].电力建设，2012,33（9）：67-71.

[2] 李维旺，杨满福.玻璃钢（FRP）烟囱内筒施工工艺探讨[J].山西建筑，2010,36 （27）：21-23.

[3] 杨小兵，田树桐，马中，等.燃煤电厂玻璃钢内筒套筒式烟囱设计 [J].武汉大学学报，2007,40（10）：451-454.