一、玻璃钢烟囱的特点

随着我国对环境保护工作的深入,对于各类锅炉、窑炉、焚烧炉等设备尾气必须达标排放,因此相关的设备必须增加尾气处理设施,这就对尾气排放最末端设备-烟囱带来一定的影响,尤其是腐蚀性方面,传统材质已经不能满足这方面的要求。而玻璃钢作为新型材料,逐渐在各行业中崭露头角,尤其是在环保行业中,近几年玻璃钢材质的烟囱不断出现,高度及口径也不断在增加,而且使用效果非常理想,其优越的性能是其它材料所无法比拟的。下面简单介绍一下玻璃钢烟囱的特点:

①突出的耐腐蚀性能

众所周知,传统材质的烟囱耐腐蚀性能较差,尤其是经过洗涤的和处理的尾气,对烟囱的腐蚀更严重,因此具有良好的耐腐蚀性对于烟囱的使用非常重要。玻璃钢材料是高分子复合材料,对于大多数酸、碱、盐都能耐,并且可以在酸碱交替的情况下长期使用,同时能够耐高温,正常情况下,可以长时间在120℃以下工作,最高可到220℃。

②可设计性强

玻璃钢的主要原材料种类非常多,成型工艺也多种多样,因此玻璃钢材料本身的可设计性很强,可以根据不同的使用条件有针对性地进行设计,包括原材料选择、制作工艺确和安装方式的确定,这样就能够可以达到合理、有效地进行产品制作和安装。

③安装便捷

玻璃钢材料密度小,质量轻,因此安装非常方便,基本不需要在施工现场搭设支架,而且施工周期非常短,比传统方式制作烟囱要缩短近一半的工期,并且玻璃钢烟囱不存在做内防腐处理的问题,因此避免了二次施工,施工难度更是大大降低。

④优异的产品性能

玻璃钢产品具有很高的比强度,完全能够达到烟囱所需的各种力学性能要求,而且外部按设计搭设钢塔保护架,更能满足各种气象条件下的正常使用。同时玻璃钢产品的内表面光洁度非常高,大大降低了烟气运行的阻力,因此玻璃钢烟囱要比传统的烟囱口径要小。

⑤低成本、高效益

玻璃钢烟囱在施工中不用进行防腐处理,而且整体设计也比传统材料的烟囱好,施工周期短,同时突出的耐腐蚀性能又增加了烟囱的使用寿命,质量轻使烟囱的基础也比其它材质的烟囱要小很多,这些因素就决定了玻璃钢烟囱的造价要比传统烟囱的低。

以DN4500*高度为120米的玻璃钢烟囱为例着重讲述玻璃钢烟囱的优点

本工程是为5×100t/h锅炉机组配套烟囱,根据工况条件、设计参数及现场实际情况,选用玻璃钢烟囱有以下几点优势:

1、制作安装周期短

普通烟囱一般采用混凝土材质,本工程中的烟囱规格为出口直径DN4500,高度为120米,这种规格的烟囱的本体施工周期为4个月,内防腐施工最短时间为20天,整个工期将不小于150天,而玻璃钢烟囱一次制作而成,不存在二次施工的问题,从制作到交付使用,总工期最长为90天,最短为60天。

2、成本、维护费用低

混凝土烟囱的制作成本最低为300万,内防腐价格最低按400元/m2计算,防腐费用最低为112万余元,总造价在412万,并且做内防腐的混凝土烟囱内部的防腐要每两到三年就要维护一次,五年左右就要重新制作一次,因此维护费用很高,而玻璃钢烟囱含外部保护铁塔总价也不会超过410万,并且玻璃钢材质结构层与内防腐层是一次成型,内表面不需要再进行防腐,因此根本不需要进行防腐处理,也不用进行维护。因此玻璃钢烟囱在价格方面对混凝土烟囱是有价格优势的。

3、使用寿命长

玻璃钢材料是一种高分子复合材料,学名中玻璃纤维增强塑料,其中基体材料为高分子材料,增强材料为玻璃纤维,在设计工况条件内使用,其材料的降解周期非常长,一般在100年以上,考虑到外部腐蚀及紫外线照射,在玻璃钢设备最外层(厚度不小于0.5mm)加入紫外线吸收剂,将大大提高玻璃钢的抗老化性,考虑到长期正常使用的疲劳强度损失,玻璃钢烟囱的使用寿命最短可以达到60年以上,略高于混凝土烟囱的使用寿命。

4、保温效果好,烟囱积水量小

玻璃钢材质的导热性很低,同时根据本工程的特点,玻璃钢烟囱的主体将采用新式的夹层结构设计,中间夹层将采用聚氨酯材料填充,这样将会大大提高玻璃钢烟囱的保温性能,从而降低烟气在经过烟囱上升过程中水蒸气的凝结,减少烟囱的积水量。

二、设计条件

要完成玻璃钢烟囱的设计须提供如下几方面的参数:(括号内为本工程拟采用的参数)

①烟囱气量

②烟气温度及烟气成份(少量飞灰、SO2、硫氧化合物、氮氧化合物、水等,进口温度最高150℃,出口温度最低70℃)

③当地的气象条件,尤其是年最高风速(按25m/s计,相当于10级风)

④当地的地质条件,主要是土壤类型和水文条件(按三类土质)

⑤按照安装形式分类:自立式烟囱、拉索式烟囱、框架式烟囱、套筒式烟囱;客户

⑥自立式烟囱高度不宜超过30米,高径比不超过10;

⑦拉索式烟囱高度不宜超过45米,高径比不大于20米;

⑧塔架式、套筒式、多管式玻璃钢烟囱,跨径比(支撑段间距)不超过10;

⑨烟囱设计寿命:30年

三、引用标准

GB T21238-2007    玻璃纤维增强塑料夹砂管

ASTM D2310        机械制造增强热固性树脂管道标准等级

JC/T587-1995     纤维缠绕增强塑料储罐

HG/T 20696-1999   玻璃钢化工设备设计规定

ASTM D3299        玻璃纤维缠绕增强热固性树脂耐化学性设备标准规范

DLT5154-2002      架空送电线路杆塔结构设计技术规定

GB50017-2003      钢结构设计规范

GB50135-2006      高耸结构设计规范

GB50205-2001     钢结构工程施工质量及验收规范

CECS80-96        塔桅钢结构施工及验收规程

ASTM D 2563       玻璃增强塑料板可视缺陷分类标准

CD130A19-1985     手糊法玻璃钢设备设计技术条件

JC/T 277          无碱玻璃纤维无捻粗纱

JC/T 281          无碱玻璃纤维无捻粗纱布

GB700-88          碳素结构钢

GB/T1591-94       低合金高强度结构钢

四、制造工艺简述

4.1 制造工艺简述

玻璃钢烟囱采用微机控制定长连续纤维缠绕工艺制造,管材制造在由专门工序组成的流水线上完成。工艺过程包括内表层、内层(上述两层统称为内衬层)、缠绕结构层及外防护层制作等工艺过程。

玻璃钢烟囱缠绕的具体工艺流程如下:

4.2工艺过程及工序控制

为了对生产过程实施有效控制,在缠绕玻璃钢设备的生产过程中明确了工序控制点,规定了控制内容。

4.2.1 设备的层次结构特点

合理的铺层结构是玻璃钢强度性能、耐腐蚀性能的良好保证。同时采用整体成型的方法,这样设备将具有更完美的耐腐蚀能力和强度承载能力。对于此工程的设备我们采用内衬层(内表层、防渗层)+结构层+外保护层的铺层结构形式,

内表层:由加入碳化硅粉的内衬树脂(加入质量比树脂:碳化硅=3:1)和有机纤维聚酯毡组成,树脂含量92%以上,气密性好,非常光滑。该层主要提供制品防腐、防渗漏等功能。其厚度约为0.5mm。

次内层:由加入碳化硅粉的内衬树脂(加入质量比树脂:碳化硅=3:1)和无碱玻璃纤维短切毡或针织毡组成。树脂含量大于70%。该层的主要作用是保护内表层,提高内衬的抗内压失效能力,阻止裂纹扩散。次内层和内表层统称为内衬层,总厚度≥3.5mm。

结构层:由无碱无捻缠绕粗纱浸润结构层树脂后采用螺旋和环向相结合的方法缠绕成型。该层树脂含量通常在30~40%左右。作用是承受压应力、拉应力和各种外载荷,壁厚根据设备受力情况通过合理、科学的优化计算确定。纤维缠绕成型的制品具有强度和刚度高、力学性能好等特点,并且可以根据设备不同的使用环境和压力调整缠绕角度,可设计性好,产品质量高而稳定。

外保护层:由于该层该裸露在大气中,易受光氧及气候老化,设备外层其树脂和结构树脂一致,在树脂中添加阻燃剂和UV-9型紫外线吸收剂以防止光氧老化。氧指数不低于31%,厚度不低于0.5mm。

4.2.2工艺步骤简述

a、模具清理及准备工作

将新换上的模具用纱布蘸上丙酮擦去模具表面油污,清除残物,然后均匀打一层脱模蜡后,抛光处理,用滑石粉均匀擦拭模具表面,在脱模环处刷一层聚乙烯醇脱模剂,不得漏涂,晾干,成模。

b、缠绕聚酯薄膜

用胶带纸将聚酯薄膜固定在一端,让芯模均速旋转,等张力缠绕聚酯薄膜,薄膜缠近模具末端时,降低芯模转速,使芯模和模具末端口平齐,用剪刀剪断薄膜,再用胶带纸将接缝胶一圈,但胶带纸不得起皱。最终保证薄膜不得起皱,薄膜重叠宽度为20±5mm。

c、喷树脂,上表面毡

均匀喷一层内衬树脂,不得有漏喷处,然后缠绕聚酯毡,要求聚酯毡浸透树脂,不起皱,聚酯毡的搭接为聚酯毡宽度的一半,用钢卷尺测量以保证尺寸,然后缠绕玻纤网眼布并用气压辊滚压,赶尽气泡,控制单位面积的树脂用量,树脂含量为95±3%。

d、喷树脂,上短切毡(或直接喷射)

首先均匀喷一层内衬树脂,不得有漏喷处,然后缠绕短切毡,再喷一遍树脂,缠绕玻纤网眼布并用气压辊滚压,赶尽气泡,控制单位面积的树脂用量,使该层树脂含量在73±3%内。短切毡网眼布搭接20±5mm,用钢卷尺测量。

如果内衬制作采用喷射成型的工艺,在上完聚酯毡后,按照工艺单的要求调节好喷枪的喷纱密度和喷树脂量,并保证小车的运行位移与芯模转速达到合适的比例,以芯模转一周,小车运动一个喷枪的喷射幅宽的95%为宜,完成一次整体喷射后缠绕玻纤网眼布并用气压辊滚压,赶尽气泡,控制单位面积的树脂用量,使该层树脂含量在73±3%内。

e、内衬层红外予固化至凝胶,检查内衬层厚度及质量,内衬层厚度约4mm以上。

f、缠绕结构层

在合格的内衬层上,按设计铺层缠绕结构层,首先应按工艺设计中纱的根数和宽度穿纱,准备好树脂,并将计量泵上的固化剂调节杆调到要求的档次(依化验室的结构树脂此温度下的指导配方而定),按设计方案向计算机输入缠绕铺层及缠绕角进行缠绕,整个缠绕过程要求浸胶均匀,纱片不间纱、不重叠、不滑纱,淋胶要均匀,不能出现浸胶不完全的现象。环向缠绕树脂含量为42%-45%,螺旋缠绕树脂含量为33%-35%。缠绕结构层厚度为设计壁厚mm。

g、外保护层制作

按设计方案,淋树脂,滚压,挤出树脂中的气泡,外保护层厚度:≥0.5mm。

采用常温固化,待固化至一定程度,脱模修整。

4.2.3工艺控制内容和方法

缠绕玻璃钢烟囱生产工艺过程中设立以下工艺过程控制点,并规定控制内容和方法。见表4-1

表4-1  工艺过程控制点

控制点名称

配料控制点

内衬制作控制点

结构层制作控制点

切割修整及后固化控制点

(1)配料控制点

技术要求名称

控制内容

方法、工具

树脂牌号

与工艺单吻合

核对工艺单

固化剂、促进剂加入量

根据配方指导单

量杯、树脂泵计量

(2)内衬制作控制点

技术要求名称

控制内容

方法、工具

树脂含量

与工艺单吻合

及时称量调整

表面毡搭接宽度

按工艺单

操作班长

表面毡贴覆性

控制张力

操作班长

厚度均匀性

短切毡铺覆均匀

调整小车节距

小车操作工

碾驱气泡

树脂浸润纤维,赶净φ1mm以上气泡

网眼布勒并滚压

小车操作工

(3) 结构层制作控制点

技术要求名称

控制内容

方法、工具

排纱线形

无间纱、叠纱、断纱

操作班长

树脂含量

与工艺单吻合

及时称量调整

表面平整度

无>1mm的隆起

目测、清除

小车操作工

管壁厚度

按设计图纸

MIKROTEST测厚仪

小车班长

(4) 切割修整及后固化控制点

技术要求名称

控制内容

方法、工具

外观缺陷检查

无分层、划伤等缺陷

目测检查

端面垂直切割

不平度≤3mm

测量,调整托架、刀头

修整班长

切割长度

修整尺寸

游标卡尺

80℃、3hr

高温固化炉

4.3 烟囱设计

玻璃钢烟囱的设计主要从三个方面来考虑:

1)耐腐蚀性:根据系统运行的特点,由于尾气经过吸收塔进入烟囱,经处理的烟气中水蒸气含量较高,在由烟囱向外排出时,达到     一定高度后,就会出现露点,而形成具有一定腐蚀性的液滴附着在烟囱的内壁,对烟囱造成了露点腐蚀,因此在树脂选择方面要考虑湿态下能够耐酸性腐蚀和附着腐蚀。

2)强度及刚度性能

a)玻璃钢烟囱的生产制作均采用缠绕成型工艺,连接用法兰采用手糊工艺,增强材料选用无碱无捻缠绕粗纱和无碱玻璃纤维平纹布,壁厚均达到相关的强度要求和标准要求。

b)考虑到烟囱的高度很高,风载对其影响很大,因此玻璃钢烟囱本身要具有较强的轴向压缩强度和轴向弯曲强度,设计上要充分考虑各段烟囱的连接强度和密封性能,并且要对烟囱的结构强度上增强,在烟囱的外部增加钢结构塔架提供更合理、更有效的强度支持。

五、原材料

根据每个工程的不同要求,玻璃钢烟囱和配件所用主要原材料列于表6-1。

各种原材料的主要技术指标分述如下:

表6-1 原材料品种及规格

规格及牌号

内表面层

配件防渗层、烟囱防渗层

配件结构层

直接无碱玻璃纤维无捻粗纱

邻苯树脂

乙烯基型树脂

过氧化甲乙酮

活性氧为10%

环烷酸钴

钴含量0.4%-0.5%

Q345、Q235

钢支架主材、钢支架辅材

六、树脂

6.1.1树脂要求

缠绕及手糊成型产品所用树脂的条件应满足下列要求:

a、具有良好的工艺性;

b、满足对介质的耐腐蚀要求;

c、有良好的运输贮存稳定性;

d、购买时,距生产日期不应超过2个月。

6.1.2内衬树脂

根据使用介质及树脂厂商的建议,选用合适的树脂作为内衬树脂制造本工程的玻璃钢烟囱及配件.该树脂必须为乙烯基型不饱和聚酯树脂,使烟囱能在较高温度下对酸、碱、盐具有优异的耐腐蚀性,并具有很好的热稳定性。

以下为这类树脂的性能

表6-2:乙烯基型树脂性能

检测项目

检验方法

控制指标

凝胶时间

单体含量

80℃热稳定性

ASTM D 1639

ASTM D 2393

ASTM D 2471

淡黄色透明液体

430-490mPa.s

24hr无异常

热变形温度

巴柯尔硬度

ASTM D 3418

ASTM D 2583

≥42巴氏

6.1.3结构树脂

结构树脂通常选用邻苯型不和聚酯树脂,该树脂强度高,韧性好,稳定性好,并且机械性能优异,对纤维具有优良的渗透和粘结能力,力学性能好,工艺性能好。该树脂指标如下,见表6-3:

表6-3  邻苯型树脂性能

检测项目

检验方法

控制指标

凝胶时间

固体含量

80℃热稳定性

ASTM D 1639

ASTM D 2393

ASTM D 2471

黄色透明液体

19-27mgKOH/g

300-450mPa.s

24hr无异常

热变形温度

巴柯尔硬度

ASTM D   3418

ASTM D   2583

≥35巴氏

6.2 增强材料

6.2.1增强材料要求

缠绕及手糊成型用玻璃纤维及其织物,应满足下列要求:

a、满足缠绕、手糊玻璃钢制品的性能要求;

b、对树脂有较好的浸润性;

c、具有良好的工艺性能;

d、有良好的运输贮存稳定性;

e、购买时,距生产日期不应超过6个月

6.2.2无碱无捻缠绕纱

增强材料为无碱无捻缠绕粗纱。以下为这类材料的性能。

表6-4 无碱无捻粗纱性能

项  目

指  标

单  位

试验方法

GB 7690.1-88

GB 11966-88

6.2.3聚酯毡

聚酯毡作为内表层增强材料,使玻璃钢具有较高的含胶量,技术指标为:

单重         30 g/m2       GB7689.3

含水率       ≤0.5 %       GB11966

烧蚀附着率  (6-12)%       GB9914

6.2.4针织毡

作为玻璃钢烟囱内衬层的增强材料,使玻璃钢具有较高的含胶量,起防腐防渗作用。物理指标为:

单重          2400TEX      GB7689.3

含水率        ≤0.5%       GB11966

烧蚀附着率    ≤5%         GB9914

6.2.5 短切毡

作为附件内衬层的增强材料,使玻璃钢具有较高的含胶量,起防腐防渗作用。物理指标为:

单重         450g/m2      GB7689.3

含水率       ≤0.5%       GB11966

烧蚀附着率   ≤5%         GB9914

6.2.6网格布

作为烟囱内衬层增强材料的压紧材料,赶压气泡,提高制品密实度。物理指标为:

单重        65g/m2      GB7689.3

含水率      ≤0.3%      GB11966

烧蚀附着率  (1.0-2.0)%  GB9914

6.2.7直接无碱玻璃纤维无捻粗纱

为结构层增强材料,对玻璃钢烟囱的强度和刚度起主要作用。物理指标为:

线密度       2400Tex      GB7690.1

含水率       ≤0.1%       GB11966

烧蚀附着率   (0.4-0.8)%   GB9914

6.2.8玻纤布

作为管件的增强材料,为玻璃钢配件提供工程所要求的强度和刚度。物理指标为:

单重         360g/m2    GB7689.3

含水率       ≤0.4%     GB11966

烧蚀附着率   ≤1%       GB9914

6.3固化剂

控制指标为:

活性氧含量     ≥10%

凝胶时间       12-30min

6.4促进剂

控制指标为:

钴含量        0.4%-0.5%

七、玻璃钢烟囱及配件性能参数

表7-1  玻璃钢烟囱性能参数

安全系数

连接方式

法兰连接、承插连接

初始失效压力 Mpa

轴向弯曲强度 Mpa

轴向弯曲及拉伸模量 Mpa

环向拉伸强度 Mpa

环向弯曲模量 Mpa

环向弯曲强度 Mpa

环向拉伸模量 Mpa

热线膨胀系数 1/℃

管道外表面巴氏硬度

使用寿命(年)

八、玻璃钢烟囱安装及使用说明

烟囱安装

按设计提供的基础图制作烟囱的基础,要求基础必须与玻璃钢烟囱外部保护塔架的基础连在一起,使其成为一个整体;

安装注意事项:

a.严格要求烟囱基础为钢筋混凝土结构,基础需承受设备运行后的重量;

b.配管:与其它设备连接的工艺管必须先上法兰后接管,以防止应力集中在设备接口法兰上,造成破坏。

c.挠性连接震动设备:设备与其它震动设备连接时(如进口法兰与泵之间),要采用挠性连接。以免长期震动而损坏玻璃钢设备。

e.挠性连接大型设备:玻璃钢设备与其它大型设备连接时,或大型容器与其它设备连接时,在采用挠性连接,以防设备或容器基础下沉造成接口法兰破坏。

f.单独支撑重型配件:水平安装在设备上的阀门及其它较重的配件,应单独支撑。

烟囱的使用说明及注意事项:

(1)严禁超越设计规定的使用条件,烟囱是根据设计规定的使用条件专门设计的,不得随意改变接触介质的浓度和温度,也不能随意改变接触介质的种类。

(2)除特殊要求外,不允许配装大型附件,例如搅拌器、特种阀门或震动性设备等,若实际需要这些附件,必须做特殊设计来保证使用安全。

(3)进入烟囱内清洗和检修时,操作人员要穿软底鞋,使用梯子时,所有与内壁接触的点均应包上软垫,以防划伤表面,在周围工作时,防止用工具,脚手架及其它硬物撞击塔体。

(4)在通常情况下,玻璃钢制品不允许接近火源。

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江苏常州(4月17日)第五届复合材料模压会议内容及参观企业

17日会议议题:

1、E-LFT成型工艺技术及其应用

2、SMC高阻燃配方配方设计和评估

3、中国纤维复合材料回收再生技术路线的落地及解决方案

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会议地点:江苏·常州都喜天丽富都中航酒店(常州市钟楼区星港大道8号)

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