玻璃鋼在工業煙氣排放煙囪的防腐蝕淺析
為了克服煙囪中介質的在溫度條件下的腐蝕，人們一直在尋求耐溫、耐腐蝕的材料，而綜合多年的國內外應用實例，全玻璃鋼(FRP)形式不失為一種良好的防腐蝕形式，尤其是電力等行業中的經脫硫後的濕煙氣煙囪防腐蝕，是以後煙囪防腐蝕的重要方向。玻璃鋼是發展較早、應用較廣泛的一種複合材料，具有十分顯著的性能特點。與金屬材料或其他無機材料相比，它耐腐蝕、重量輕、比強度高、電絕緣、耐瞬時高溫、傳熱慢，克服了傳統襯裡材料與結構材料之間存在的附著力差異，膨脹係數不同而發生脫落、分層等質量隱患，是一種兼具功能和結構特性的新型材料，玻璃鋼煙囪較其他材料製成的煙囪如不鏽鋼更常用。因為其相對具有以下優點:(1)玻璃鋼能提供更寬範圍的耐腐蝕性能;(2)玻璃鋼的材料成本相對要低;(3)使用壽命更長;(4)玻璃鋼比重小，使得其更易運輸，也意味著支撐他們的鋼材更少。所以其綜合安裝費用更低。在表2中列出了目前幾種在電廠煙囪適用的材料的比較。
3·玻璃鋼煙囪的一般規定3.1使用溫度和年限在ASTM5364「燃煤電廠玻璃纖維增強塑料(FRP)煙囪內筒設計、製造和安裝標準指南」中規定了玻璃鋼煙囪適合於無GGH的濕飽和煙氣運行溫度(60℃以下)，當FGD吸收塔有旁路時，在開啟旁路煙道後的煙氣溫度，則在短時間內不超過121℃。國內燃煤電廠用於排放濕法脫硫煙氣的溫度，在無GGH時，大約在45～55℃範圍，有GGH時，大約在80～95℃範圍。從我們調查的國內化工、冶金和輕工等行業現有玻璃鋼煙囪(大多數用於脫酸後的煙氣)的使用情況來看，絕大多數長期運行溫度不超過100℃。當煙氣溫度大於100℃時，可在煙囪前段採取冷卻降溫措施(如噴淋冷卻)，以確保煙氣運行溫度在合適的區間內。在一些煙囪裝置中，事故發生時，短時間內煙氣溫度急劇升高，而玻璃鋼短期內的使用溫度極限應不能超過基體樹脂的玻璃化溫度(Tg)。一般情況下煙氣最高設計使用溫度(T)應符合:T≤(HDT－20)℃。另外，玻璃鋼煙囪的耐寒性能也是一個考慮指標之一，材料的耐寒性能常用脆化溫度(Tb)來表示。工程上常把在某一低溫下材料受力作用時只有極少變形就產生脆性破壞的這個溫度稱為脆化溫度。同常溫下性能相比，隨著溫度的降低，玻璃鋼材料的分子無規則熱運動減慢，結構趨於有序排列;樹脂將會發生收縮，柔性越好收縮越大，同時樹脂伸長率會下降，而拉伸強度和彈性模量將增大，彎曲強度也會增加，樹脂呈現脆性傾向。鑒於目前已有正常使用在－40℃下玻璃鋼材質的管道和儲罐情況，確定了－40℃作為玻璃鋼煙囪的使用下限溫度。根據有關國內外的標準，整體玻璃鋼煙囪的設計使用年限如下。基本上是與一般電廠的設計壽命相當:
3.2玻璃鋼煙囪設計中的一般規定玻璃鋼煙囪的筒壁應由防腐蝕內襯層、結構層和外表面層組成，並應符合下列規定:(1)防腐蝕內襯層應由富樹脂層和次內襯層組成，富樹脂層厚度應不小於0.25mm，宜採用玻璃纖維表面氈，其樹脂含量應不小於85%(wt)，也可選用有機合成纖維材料;次內襯層應採用玻璃纖維短切原絲氈或噴射紗，其厚度應不小於2mm，樹脂含量應不小於70%(wt);當內襯層需防靜電處理時，可採用導電碳纖維氈或導電碳填料，其內表面的連續表面電阻率不大於1.0×106Ω，靜電釋放裝置的對地電阻不大於25Ω;(2)防腐蝕內層及外表層樹脂含量較高，強度及模量較低，在計算結構強度和承載力時，均不考慮。另玻璃鋼的彈性模量較低，因此需對撓度做出相應規定。同時在力學設計時要求玻璃鋼煙囪的筒壁結構層最小厚度應不小於6mm。結構層應由玻璃纖維連續紗或玻璃纖維織物浸漬樹脂纏繞成型，其樹脂含量為35±5%(wt)，厚度由邊學計算確定。在力學計算設計時，要綜合考慮各種因素，包括玻璃鋼煙囪的軸向強度和穩定性計算、煙氣正負壓和風荷載下的強度計算、玻璃鋼筒外側壓力驗算、加強肋的抗彎強度驗算、開口補強和連接處的計算等。(3)外表面層中的最後一層樹脂應採取無空氣阻聚的措施。當玻璃鋼煙囪暴露在室外時，外表面層應添加紫外線吸收劑，外表面層厚度應不小於0．5mm。(4)由於玻璃鋼材質的耐磨性能不強，在高的煙氣流速下，對拐角或突變部位的衝擊和磨損加大，導致腐蝕加強。可通過在樹脂中添加耐磨填料(如碳化硅等)來提高該部位玻璃鋼的耐磨性。(5)防腐蝕內層和結構層宜選用同類型的樹脂。當選用不同類型的樹脂時，層間不得脫層。4·玻璃鋼煙囪的樹脂選擇玻璃鋼作為一種新型的防腐蝕材料，其中的防腐蝕樹脂的選擇是相當重要的。目前，國內用的比較多的防腐蝕樹脂主要有:雙酚A型不飽和樹脂、氯化不飽和樹脂和環氧乙烯基酯樹脂。(1)雙酚A型不飽和聚酯樹脂具有良好的耐酸、一定的耐鹼性和較好的綜合機械性能和耐溫性，國外1970年代作為耐蝕型UPR的代表大量使用，但由於其斷裂延伸低、脆性，1980年代後逐漸被環氧乙烯基樹脂所取代。(2)氯化不飽和聚酯樹脂是以HET酸(氯氤酸)為主要原料合成的不飽和鹵代的聚酯樹脂，具有優良的耐腐蝕性能，同時又具有良好的阻燃性，特別適合用於製造耐高溫、耐含氯(氟)化學介質或耐強氧化環境(包括濕氯氣、鹽酸蒸汽)的設備，如煙囪內襯、煙道氣導管、鉻電鍍槽、浸酸槽和氯氣管線。(3)環氧乙烯基酯樹脂是國際上世紀80年代以來公認的高度耐腐蝕樹脂，是由甲基丙烯酸與環氧樹脂反應而成。它結合了環氧樹脂的優良耐熱、機械和化學性能及UPR樹脂的優良工藝性能。目前乙烯基系列產品中，有常規的雙酚A環氧型、酚醛環氧型、高交聯型、阻燃型等產品，結合相關標準的內容，新編的國家標準中規定採用反應型阻燃環氧乙烯基樹脂。反應型阻燃環氧乙烯基酯樹脂的液體樹脂技術指標應符合現行國家標準《纖維增強用液體不飽和聚酯樹脂》GB/T8237的規定外，其他性能和技術要求尚應符合下列規定:樹脂澆鑄體的主要性能應符合表3要求。
玻璃鋼的阻燃性能應符合下列要求:①當反應型阻燃環氧乙烯基酯樹脂含量為35±5%(wt)，添加(0～3)%阻燃協同劑(Sb2O3)時，玻璃鋼極限氧指數(LOI)應不小於32;②火焰傳播速率應不大於45。可適用於有關標準中的FUCHEM892樹脂的阻燃性能，見表4。
同時針對煙氣溫度的差異應選擇不同耐溫等級的化學阻燃乙烯基樹脂，如煙氣設計溫度超過125℃，宜採用高溫型阻燃乙烯基樹脂(如FUCHEM892N)，表5中列出了經驗證過的幾種樹脂的熱變形溫度(HDT)。
但是有關標準中也同時規定了，如一些製造廠家和公司有可靠經驗和安全措施保證時，玻璃鋼煙囪的基體材料可選用其他類型的樹脂，如耐高溫型乙烯基樹脂，而目前國內確實有一些成功的應用實例，如FUCHEM898樹脂就在一些燒結機脫硫煙囪中成功得到應用。5·全玻璃鋼形式結構及安裝全玻璃鋼的煙道和煙囪可以採用纏繞工藝進行製造。一般有以下幾種結構形式:①自立式玻璃鋼煙囪:高度不宜超過30m，且其高徑比(H/D)不宜大於10;②拉索式玻璃鋼煙囪:高度不宜超過45m，且其高徑比(H/D)不宜大於20;③塔架式、套筒式或多管式玻璃鋼煙囪:其跨徑比(L/D)不宜大於10。其中，H為煙囪高度(m);L為玻璃鋼煙囪橫向支承間距(m);D為玻璃鋼煙囪直徑(m)。目前常見的主要有塔架式和套筒式等形式，下面就這幾種形式的一些製造和安裝細節進行說明。5.1拉索式拉索式玻璃鋼煙囪顧名思義是採取拉索進行水平支撐，經濟性較好，目前在一些小型煙囪中應用較多，如一些燒結機裝置中的吸收塔與煙囪一體裝置中等。在採用拉索式玻璃鋼煙囪時，拉索設置應滿足以下規定:(1)當煙囪高度與直徑之比小於15時，可設1層拉索，拉索位置距煙囪頂部小於h/3處;(2)煙囪高度與直徑之比大於15時，可設2層拉索:上層拉索繫結位置，宜距煙囪頂部小於h/3處，下層拉索宜設在上層拉索位置至煙囪底的1/2高度處;(3)拉索一般為3根，平面夾角為120°，拉索與煙囪軸向夾角不小於25°。5.2塔架式以支架為承重結構，支承一個或一個以上的排氣筒，是化工排氣筒常見的型式，塔架式排氣筒可採用鋼或鋼筋混凝土的支架，筒體高出支架。排氣筒支承在鋼支架上，支架上設有多層操作平台，可以上人。這種形式的排氣筒在國內已經有二十多年的使用經驗，主要的優點是便於檢查和維修。筒體原來也有採用硬聚氯乙烯板製作，但聚氯乙烯適用於溫度低於90℃，為考慮溫度變形，需要分段固定在支承結構上，為了考慮溫度引起的伸縮，硬聚氯乙烯的段與段之間應設有膨脹節，同時聚氯乙烯塑料易受紫外線作用後很快老化。但玻璃鋼排氣管可以採用各類樹脂和玻璃布纏繞成型，一般使用溫度可以到80℃以上，有的可高達200℃(如高交聯環氧乙烯基酯樹脂)。玻璃鋼的線膨脹係數比聚氯乙烯塑料小得多，因此100m以內高度，一般可不設膨脹節。玻璃鋼整體性好，力學強度和耐熱性能比聚氯乙烯塑料好，防腐性能好，防腐範圍寬。近二十年來在硝酸、硫酸、過磷酸鈣、合成纖維等生產中都有良好的應用。5.3套筒式套筒式結構又稱筒中筒結構，是用鋼筋混凝土或磚砌體為支承結構，支承一個或一個以上的排氣筒。這種形式在化工、冶金部門採用過，國內外大機組濕法脫硫電廠絕大多數有採用。套筒式排氣筒的支承結構內設操作平台，可在內外筒之間檢修。該結構有以下優點:(1)其內膽(排煙筒)由整體纏繞玻璃鋼製作，整體性好，能有效地防止介質從接縫處腐蝕滲透，避免一些防腐的薄弱環節引起的防腐失效，也可避免受風力等的作用和影響;(2)玻璃鋼結構的內膽和外筒是相對獨立的不同材質的筒體，能有效避免由於介質環境的溫差引起不同材質的收縮性不一致而引起的內應力破壞;(3)由於玻璃鋼結構輕質高強，起吊安裝方便，施工周期短，費用少。6·全玻璃鋼形式的應用注意細節雖然全玻璃鋼形式是目前應用較多也較成功的一種防腐蝕煙囪形式，但在實際應用中應該注意以下幾點:(1)由於玻璃鋼材料為各向異性，容易產生應力集中，因此下部煙道介面建議設計成圓形，以盡量減小對玻璃鋼筒體的破壞，同時玻璃鋼煙囪的連接可採用承插粘接或平端對接等方式。推薦採用平端對接，對接處筒體的內外面的粘貼連接面的寬度和厚度應據求計算確定，但全厚度時的寬度應不小於400mm。當筒體直徑小於4m時，也可採用承插連接，承插深度應不小於100mm，內外部接縫處糊制寬度應不小於400mm。接縫處採用玻璃纖維短切原絲氈和無捻粗紗布交替糊制，第一層和最後一層應是玻璃纖維短切原絲氈;(2)如要採用膨脹節的，煙囪膨脹節宜採用玻璃鋼法蘭形式連接，連接節點應嚴密，連接材料的防腐蝕和耐溫性能應符合煙氣工藝要求。另外加強肋的設置間距可參考ASTMD5364中的規定，玻璃鋼加強肋間距應不超過煙囪直徑的1.5倍，同時不大於8m;(3)防腐蝕樹脂的選擇:上文中也提到幾種防腐蝕樹脂，在實際應用中要根據具體腐蝕性介質及溫度、是否含水等情況作一正確的選擇，如HET酸樹脂就比較適合應用於含氯化學介質的煙氣，如鹽酸蒸汽等;同時，樹脂的力學性能包括高溫下的力學性能也要充分考慮，因為FRP形式的煙道在高空下會受氣流等形式的影響，在設計上就要求有延伸率較高、韌性更好的耐用腐蝕樹脂，同時FRP在高溫下的力學性能會有一定程度的下降，在設計中要充分考慮到這一點;(4)結構樹脂的選擇:在煙囪的防腐蝕設計中，若採用全FRP形式，結構樹脂的選擇對於防腐蝕效果的好壞起了重要的作用，在國外一般全部採用同一種類型的樹脂進行整體纏繞，但在國內目前考慮到成本等方面的因素，FRP的外側會採用常規的通用樹脂(如191、196、199等)，但在較低溫度下，如低於80℃，通用的樹脂還可以適用，但較高的使用溫度情況下，通用樹脂的就不適用了，因為通用樹脂在較高的溫度下的力學強度損失較大，就會增加由於結構樹脂的力學損耗造成的煙囪的力學破壞，最後導致防腐蝕失效，所以我們建議在較100℃以上的使用溫度情況下，建議用乙烯基礎酯樹脂或雙酚A樹脂等進行製作結構層，或進行整體FRP製作;(5)增強材料的選擇:在防腐蝕層製作時，要充分考慮增強材料選擇的重要性，一般情況下，玻纖是一種經濟高性能的選擇，但在如含氟、強鹼等情況下，就不適合選用玻纖了，碳纖維或一些有機纖維是較好的選擇;(6)玻璃鋼煙囪在製造過程中，一定要注意不能讓玻璃鋼材料受到破損和破壞，從纏繞的設備能力和安裝能力等方面綜合考慮可採用分段製造，並盡量增加每節筒體長度，在製造過程中不要損壞筒芯表面，因為防腐蝕內層是直接接觸煙氣介質的，具有高的樹脂含量和很好的抗滲透性能，如果存在氣泡等製造中的缺陷，會直接影響產品的防腐蝕性能，應及時修補;(7)在裝卸、存放和安裝玻璃鋼煙囪期間，施加在玻璃鋼上的載荷及由此而產生的應力，需考慮加到設計中去，剛性類吊索材料(如鋼絲繩)容易損壞筒體表面，以採用尼龍等柔性類吊索為好。玻璃鋼材質具有高強度低模量的特性，垂直存放和移動主要是要保持筒體不變形。對於直徑超過3m的分段玻璃鋼煙囪宜垂直位置存放和移動。當分段的玻璃鋼煙囪進行水平和垂直位置的相互變換時，應符合底部邊緣點的載荷設計，並且防腐蝕層表面不得產生裂紋。每段玻璃鋼煙囪上的對稱吊環，應滿足安裝期間所施加的各種載荷。7·結束語總之，對於化學工業，電力、冶金、廢氣處理等生產過程中煙氣處理所涉及的煙囪裝置的製造和防腐結構的處理必須根據其介質環境進行合理的選材以及結構設計。隨著國家對於環保嚴格控制和有關新規範的實施，各行業(尤其是電力行業)將對玻璃鋼煙囪的優勢不斷深入了解，這將對樹脂行業和玻璃鋼行業帶來新的發展機遇。參考文獻［1］化學工業部化工機械研究院主編．腐蝕與防護手冊，化學生產裝置的腐蝕與防護［M］．北京:化學工業出版社出版，1991．［2］中國腐蝕與防護學會主編．合成樹脂及玻璃鋼［M］．北京:化學工業出版社出版，1995．［3］王天堂，陸士平等．酚醛環氧乙烯基酯樹脂的性能及在耐高溫強腐蝕場合中的應用［J］．全面腐蝕控制，2001．［4］王天堂，陸士平等．VEGF鱗片膠泥在煙氣脫硫裝置中的應用［J］．中國環保產業，2002，Z1(30)．［5］GB50051-2002，煙囪設計規範［S］．［6］GB50078-2008，煙囪工程施工規範［S］．
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