大型燃煤電廠煙囪玻璃鋼排煙內(nèi)筒的防腐蝕工藝

酸雨問題在世界范圍內(nèi)影響著人類的生存環(huán)境, 有必要減少硫元素擴(kuò)散到空氣中的量, 從源頭上遏制酸雨的發(fā)生。目前, 業(yè)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(yīng)用[1-2], 它可以有效地起到節(jié)能減排的作用, 但該工藝會導(dǎo)致煙氣溫度下降、濕度上升, 加重?zé)焽璧母g[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(shè)計性、突出的耐蝕性而在歐美等發(fā)達(dá)國家燃煤電廠脫硫煙囪防腐蝕工程中廣泛應(yīng)用。經(jīng)過廣大科技工作者的深入研究, 我國電力規(guī)劃設(shè)計部門明確指出:“玻璃鋼可以在國內(nèi)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(nèi)筒, 國內(nèi)某新建電廠裝機總量為2×660 MW, 排煙筒內(nèi)徑為7 200 mm, 每節(jié)筒體高8 000mm, 標(biāo)高240 000 mm, 平均壁厚21 mm, 見圖1。由圖1可見, 排煙筒的兩節(jié)筒體通過內(nèi)、外表面濕法手糊工藝進(jìn)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(jié)構(gòu)件產(chǎn)品設(shè)計過程中經(jīng)常使用的“積木式方法”, 對排煙筒的防腐蝕施工工藝進(jìn)行研究。試驗由下至上逐次進(jìn)行, 試驗件復(fù)雜程度逐級增加, 數(shù)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(shè)計提供技術(shù)參數(shù), 同時對某些理論進(jìn)行科學(xué)驗證。
1 試驗
1.1 原材料
試驗的主要原材料如下:工業(yè)級乙烯基酯樹脂, 430g/m單向布, 300g/m短切氈, 2400TEX型纏繞紗, 工業(yè)級氫氧化鈉。

圖2 復(fù)合材料積木式方法Fig.2 Building-block method
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(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系密切, 本工作對凝膠時間和各種助劑的配比進(jìn)行了優(yōu)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(zhì)量分?jǐn)?shù), 下同) 時, 促進(jìn)劑含量與凝膠時間的關(guān)系。
1.2.1. 2 樹脂固化過程
樹脂的固化程度會影響產(chǎn)品的力學(xué)性能以及生產(chǎn)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(guān)系。
1.2.2 乙烯基酯樹脂的耐蝕性
玻璃鋼排煙內(nèi)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(jié)構(gòu)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(zhì)量分?jǐn)?shù), 下同) NaOH作為腐蝕溶液, 按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的要求[5], 采用10 000kN材料試驗機測試其經(jīng)過0, 10, 50, 100, 200h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(nèi)筒為懸掛式結(jié)構(gòu), 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(jié)構(gòu)與力學(xué)強度之間的關(guān)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(huán)向) 的力學(xué)性能。試樣采用機加工方式制得, 樣板鋪層結(jié)構(gòu)為短切氈和單向布交替鋪設(shè), 厚度約為3mm。
1.2.4 部件級試驗
利用纏繞成型工藝, 制作直徑為2m的筒體作為部件級試驗對象, 其鋪層結(jié)構(gòu)為短切氈+纏繞紗+單向布+纏繞紗 (5次循環(huán)鋪設(shè)) , 厚度為20 mm。從2m直徑筒體上取樣制備所需樣條, 按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)[6-8]測試其軸向和環(huán)向的拉伸、壓縮、彎曲性能。
2 結(jié)果與討論
2.1 原材料試驗
由圖3可見, 在固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時, 隨著促進(jìn)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(xiàn)一個迅速增長的過程, 最終趨于平穩(wěn)。

圖3 凝膠時間與促進(jìn)劑用量的關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)浸泡200h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(rèn)為結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的耐蝕性[9]。

圖5 彎曲強度與浸泡時間的關(guān)系Fig.5 Relationship between flexural strength and soak time
2.3 元件級試驗
典型鋪層結(jié)構(gòu)的元件級試驗數(shù)據(jù)對最終產(chǎn)品鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計起著重要作用。通過典型方向受力形式的試驗進(jìn)行驗證, 結(jié)果表明:其軸向和環(huán)向的拉伸強度分別為352 MPa和21 MPa;其軸向和環(huán)向的拉伸模量分別為35.28GPa和1.90GPa;其拉剪強度為13.86MPa。這表明鋪層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能滿足國內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求[3-10]。
2.4 部件級試驗
表1是設(shè)計文件給出的玻璃鋼排煙內(nèi)筒的設(shè)計值。燃煤電廠煙囪是典型的高聳建筑, 其結(jié)構(gòu)可靠度應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)[3-4,10], 載荷應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值作為強度的代表值。

表1 玻璃鋼排煙內(nèi)筒的設(shè)計值和部件級試驗標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Design values of FRP chimney cylinder and measured values for unit level test    下載原表
由表1可見, 試樣的力學(xué)性能均符合設(shè)計要求, 同時符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的要求[4-10]。表明該鋪層結(jié)構(gòu)可以滿足工程建設(shè)要求, 可以作為最終產(chǎn)品生產(chǎn)的鋪層結(jié)構(gòu)。
2.5 運行經(jīng)驗
目前該燃煤電廠已經(jīng)投產(chǎn)超過4a, 期間通過多次回訪, 排煙內(nèi)筒運行過程中未發(fā)現(xiàn)異常, 證明本研究過程所提供的技術(shù)參數(shù)是完整、可靠的。
3 總結(jié)
采用復(fù)合材料“積木式方法”, 從原材料到最終產(chǎn)品完整地研究了某新建燃料電廠FRP排煙內(nèi)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(huán)鋪設(shè)) ]制得的FRP筒體的耐蝕性。元件、部件級試驗數(shù)據(jù)為最終筒體鋪層結(jié)構(gòu)的確定提供了科學(xué)驗證。