玻璃钢烟囱

一、概述　

玻璃钢烟囱采用玻璃钢为材质制造,产品具有造价低，制作周期短，寿命长，加工方便，安装简单，质量轻，强度、刚度高,采用玻璃钢制造内外表面光滑，抗老化性能、在高温下耐腐蚀性能优良等特点，而且可以很方便的增加喷淋器、过滤网等以吸收烟气中的有害成分。玻璃钢烟囱的主体部分是由缠绕工艺制成的,缠绕成型的玻璃钢制品由层合结构组成。由于玻璃钢烟囱长度比比较大，我们已经摸索出一整套成熟的、可靠的生产和安装工艺以确保烟囱的安装精度（尤其是垂直度）。另:我们还可以根据玻璃钢烟囱直径的大小和高度可根据客户的要求设计。同时，形状也可根据客户的具体要求进行设计。我厂生产的玻璃钢烟囱现广泛应用在电力、化肥、化工、冶炼、石油等行业，作为腐蚀性或高温烟气的处理设备。

二、案例

   玻璃钢烟囱成套生产设备现已经成功投产使用，并受到用客好评。这根高105.6米，直径2.0米的玻璃钢烟囱是目前我国的由玻璃钢为材质制成的烟囱，这标志着玻璃钢烟囱在生产领域已步如国内的水平。

三、特点

1.在北方的冬季或需要保温的场所，玻璃钢烟囱可以不需要保温层或保热层保温就能实现很好的保温效果,这是由于由于玻璃钢材料传热慢的特性决定的。

2.我们可以将能根据客户的要求能生产更具有耐腐蚀性能的产品；

3.玻璃钢烟囱的成本及出厂价格比其他种类的烟囱造价要低；                         

4.玻璃网具有很长的使用寿命；因此当使用优质玻璃钢生产的玻璃钢烟囱使用寿命也更长；

5.由于玻璃钢具有的比重较小，相比其它金属制品更易运输，因此支撑他们的钢材用量更省，综合安装的费用更低。

《烟囱设计规范》

为克服烟气介质在温度和湿度条件下的腐蚀，综合多年的国内外应用实例，全玻璃钢(FRP)不失为一种良好的防腐蚀形式，尤其是电力等行业中的经脱硫后的湿烟气防腐蚀，是以后烟囱防腐蚀的重要方向。
    玻璃钢是发展较早、应用广泛的一种复合材料，具有十分显著的性能特点：与金属材料或其他无机材料相比，它可设计性好、耐腐蚀、重量轻、比强度高、电绝缘、耐瞬时高温、传热慢，克服了传统衬里材料与结构材料之间存在的附着力差异和膨胀系数不同而发生脱落、分层等缺陷，是一种兼具功能和结构特性的材料。从表2的湿烟囱常用材料特性可见，在电厂烟囱推荐采用的材料中，玻璃钢是湿烟囱工况非常合适的材料。

为克服烟气介质在温度和湿度条件下的腐蚀，综合多年的国内外应用实例，全玻璃钢(FRP)不失为一种良好的防腐蚀形式，尤其是电力等行业中的经脱硫后的湿烟气防腐蚀，是以后烟囱防腐蚀的重要方向。
    玻璃钢是发展较早、应用广泛的一种复合材料，具有十分显著的性能特点：与金属材料或其他无机材料相比，它可设计性好、耐腐蚀、重量轻、比强度高、电绝缘、耐瞬时高温、传热慢，克服了传统衬里材料与结构材料之间存在的附着力差异和膨胀系数不同而发生脱落、分层等缺陷，是一种兼具功能和结构特性的材料。从表2的湿烟囱常用材料特性可见，在电厂烟囱推荐采用的材料中，玻璃钢是湿烟囱工况非常合适的材料。

 为克服烟气介质在温度和湿度条件下的腐蚀，综合多年的国内外应用实例，全玻璃钢(FRP)不失为一种良好的防腐蚀形式，尤其是电力等行业中的经脱硫后的湿烟气防腐蚀，是以后烟囱防腐蚀的重要方向。
    玻璃钢是发展较早、应用广泛的一种复合材料，具有十分显著的性能特点：与金属材料或其他无机材料相比，它可设计性好、耐腐蚀、重量轻、比强度高、电绝缘、耐瞬时高温、传热慢，克服了传统衬里材料与结构材料之间存在的附着力差异和膨胀系数不同而发生脱落、分层等缺陷，是一种兼具功能和结构特性的材料。从表2的湿烟囱常用材料特性可见，在电厂烟囱推荐采用的材料中，玻璃钢是湿烟囱工况非常合适的材料。

   3 ·玻璃钢烟囱设计规范中几个主要技术问题
    3.1 玻璃钢烟囱的使用温度和设计温度
    在ASTM 5364《燃煤电厂玻璃纤维增强塑料(FRP)烟囱内筒设计、制造和安装标准指南》中规定了玻璃钢烟囱适合于无GGH的湿饱和烟气运行温度(60℃以下)，当FGD吸收塔有旁路时，在开启旁路烟道后的烟气温度，则在短时间内不超过121℃.国内燃煤电厂用于排放湿法脱硫烟气的温度，在无GGH时，大约在45℃～55℃范围，有GGH时，大约在80℃～95℃范围。
    从我们调查的国内化工、冶金和轻工等行业现有玻璃钢烟囱(大多数用于脱酸后的烟气)的使用情况来看，绝大多数长期运行温度不超过100℃。因此，规范规定：玻璃钢烟囱的烟气运行温度不得超过100℃。当烟气温度高于100℃时，可以采取： (1)可在烟囱前段采取冷却降温措施(如喷淋冷却)，以确保烟气运行温度在合适的区间内；(2)或选用的原材料和制成品的性能经试验验证后确定。因为随着科技进步和发展，将不断有高性能材料出现，因此，对于超过本规范的温度条件而要选用玻璃钢材质，则需要评估和试验，这也有利于玻璃钢烟囱未来发展和不断完善。
    在事故发生时，短时间内烟气温度会急剧升高，而玻璃钢短期内的使用温度极限应不能超过基体树脂的玻璃化温度(Tg)。
    另外，玻璃钢烟囱的耐寒性能也是一个考虑指标之一，材料的耐寒性能常用脆化温度(Tb)来表示。
    工程上常把在某一低温下材料受力作用时只有极少变形就产生脆性破坏的这个温度称为脆化温度。同常温下性能相比，随着温度的降低，玻璃钢材料的分子无规则热运动减慢，结构趋于有序排列；树脂将会发生收缩，柔性越好收缩越大，同时树脂伸长率会下降，而拉伸强度和弹性模量将增大，弯曲强度也会增加，树脂呈现脆性倾向。鉴于目前已有正常使用在-40℃下玻璃钢材质的管道和储罐情况，确定了-40℃作为未含外保温层的玻璃钢烟囱筒体的使用下限指标。
    规范规定：烟气设计使用温度(T)应符合：T≤(HDT-20)℃。即选用树脂的热变形温度应超过烟气设计温度20℃以上，这是国内外对在温度条件下使用玻璃钢材料的通常规则，主要是确保作为结构材料的玻璃钢不能在超出其临界温度的环境下长期运行。临界温度范围取决于玻璃钢的基体树脂-固化体系，而同纤维类型和玻璃钢所受应力状态的类型关系不大。对于树脂的3个温度有如下关系：临界温度<热变形温度(HDT)<玻璃化温度(Tg)。
    3.2 玻璃钢烟囱的树脂选择
    环氧乙烯基酯树脂是目前国内外玻璃钢烟囱制造中的常用树脂，其固化后树脂及其玻璃钢制品在耐温、耐腐蚀、耐久性和物理力学等方面的综合性能优良。从国内调查反馈来看, 采用环氧乙烯基酯树脂制造玻璃钢烟囱已过半，而在烟塔合一的工程应用中，已经全部采用环氧乙烯基酯树脂，但基本上以非阻燃型树脂为主。
    3.2.1 采用阻燃树脂的背景
    美国ASTM 5364-2008《燃煤电厂玻璃纤维增强塑料(FRP)烟囱内筒设计、制造和安装标准指南》中，对玻璃钢烟囱的树脂明确了应选用含卤素的化学阻燃树脂，从北美地区目前应用的玻璃钢烟囱情况来看，几乎都采用反应型阻燃环氧乙烯基酯树脂。
    国际工业烟囱协会 (CICIND)《玻璃钢(GRP)内筒标准规范》对树脂的选用主要有三类：环氧乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂(双酚A富马酸型和氯菌酸型)和酚醛树脂。对于阻燃性能，认为在需要和规定时，在玻璃钢内衬的内、外表层采用反应型阻燃树脂，或者全部采用反应型阻燃树脂。同时强调应当遵守本地或国家的消防条例，并认为采用内外表面阻燃的结构是无法限制规模很大的火焰。
    国内GB50229-2006《火力发电厂与变电站设计防火规范》第3.0.1条将烟囱的火灾危险性归为“丁类”，耐火等级为2级，但没有涉及到玻璃钢烟囱及其材质的要求。但第8.1.5条对“室内采暖系统的管道管件及保温材料”提出了强制性条文“应采用不燃材料”；第8.2.7条规定了对“空气调节系统风道及其附件应采用不燃材料制作”；第8.2.8条规定“空气调节系统风道的保温材料，冷水管道的保温材料，消声材料及其粘结剂应采用不燃烧材料或者难燃烧材料”。
    GB50016-2006《建筑设计防火规范》第10.3.15条规定：“通风、空气调节系统的风管应采用不燃材料”，但“接触腐蚀性介质的风管和柔性接头可以采用难燃材料”。
    从国内已发生的玻璃钢烟囱火灾事故及由于脱硫塔火灾引起的钢排烟筒过火案例来看，同样也需要引起我们高度重视玻璃钢烟囱的阻燃性问题。因此，从安全消防角度考虑，采用阻燃树脂是防止玻璃钢材质在存放、安装和运行过程中避免着火、火焰扩散和传播事故发生的措施之一。因此，本规范确定选用“反应型阻燃环氧乙烯基酯树脂”，并提出了阻燃指标要求。
    3.2.2 设立“树脂耐碱性(10%NaOH,100℃) ≥100h无异状”规定的原因
    树脂结构中的酯基是最容易受到酸和碱化学侵蚀的基团，已有研究表明：酸对酯基的侵蚀是个可逆反应过程；而碱对酯基的侵蚀是个不可逆反应，其树脂浇铸体试样在碱溶液中会发生由表及里的溶涨、开裂以至破碎。在防腐蚀性能上通常以此来推断：即树脂的耐碱性好，其耐酸性能也好。GB/T50590-2010《乙烯基酯树脂防腐蚀工程技术规程》中对反应型阻燃环氧乙烯基酯树脂的质量要求中，列入了耐碱性试验指标。本规范中对4种反应型阻燃环氧乙烯基酯树脂浇铸体的耐碱性进行了试验和验证，作为判断树脂耐腐蚀性能的重要依据。
    3.3 玻璃钢烟囱的纤维选择
    3.3.1 玻璃钢烟囱的富树脂层
    推荐选用耐化学型C-glass表面毡或有机合成材料(如涤纶、尼龙织物等)，也可选用C型中碱玻璃纤维表面毡。
    耐化学型C-glass表面毡是一种国外通用的耐酸玻璃纤维，含有4%~6%的B2O3，在国内有销售，其耐腐蚀性能以及与树脂的浸润性好于国内不含硼的C型中碱玻璃纤维表面毡，但是价格略贵。
    次内层应选用E-CR类型的玻璃纤维短切原丝毡或喷射纱；当有防静电要求时，可选用导电碳纤维毡或布。
    3.3.2 玻璃钢烟囱的结构层
    推荐选用E-CR类型的玻璃纤维的缠绕纱、单向布；在排放潮湿(半干)烟气条件下，可选用E型玻璃纤维的缠绕纱、单向布。
    E-CR型属一种改进的无硼无碱玻璃纤维，在耐腐蚀性能方面，它克服了E型无碱玻璃纤维耐酸性差的缺点。在欧美市场，性能优于E-CR型玻璃纤维的产品已经用于玻璃钢烟囱制造， 欧美厂商也已在国内投资设厂生产也可以使用。
    3.3.3 玻璃钢烟囱筒体之间连接选用的玻璃纤维
    玻璃钢烟囱筒体之间连接通常所用的玻璃纤维无捻粗纱布、短切原丝毡或单向布的类型应与筒体增强材料一致。
    3.3.4 玻璃纤维表面处理采用的偶联剂应同选用的树脂匹配
    玻璃纤维虽然有很高的强度，但其性脆、不耐磨，磨擦后易带静电。玻璃纤维表面光滑不易同树脂粘结，因此，在新鲜玻璃纤维成型后需立即采用浸润剂覆盖，使得表面状态得到改变，改善与树脂粘合的特性。由于树脂分子结构的不同，所以，采用的偶联剂应匹配，使得玻璃纤维与树脂界面之间产生化学键合，牢固地结合起来。反之会影响玻璃钢的强度和抗渗透性能。采用不同偶联剂处理和未处理的玻璃钢层合板，进行弯曲强度和水煮后湿强度保留率的检测结果也验证了这个结论。
    3.4 玻璃钢烟囱的结构
    玻璃钢烟囱的筒壁由防腐蚀内衬层、结构层和外表面层组成，并应符合如下要求：
    (1) 防腐蚀内衬层应由富树脂层和次内衬层组成，富树脂层厚度应不小于0.25mm，树脂含量应不小于85%(wt)，也可选用有机合成纤维材料；次内衬层其厚度应不小于2mm，树脂含量应不小于70%(wt)。
    当内衬层需防静电处理时，其内表面的连续表面电阻率不大于1.0×106Ω，静电释放装置的对地电阻不大于25Ω。
    (2) 结构层应由玻璃纤维连续纱或玻璃纤维织物浸渍树脂缠绕成型，其树脂含量为35%±5%(wt)，厚度由力学计算确定。在力学计算设计时，要综合考虑各种因素，包括玻璃钢烟囱的轴向强度和稳定性计算、烟气正负压和风荷载下的强度计算、玻璃钢筒外侧压力验算、加强肋的抗弯强度验算、开口补强和连接处的计算等。另玻璃钢的弹性模量较低，因此，对挠度做出相应规定。
    (3) 外表面层中的最后一层树脂应采取无空气阻聚的措施。当玻璃钢烟囱暴露在室外时，外表面层应添加紫外线吸收剂，外表面层厚度应不小于0.5mm。
    由于防腐蚀内层及外表层树脂含量较高，强度及模量较低，在计算结构强度和承载力时，均不考虑。
    (4) 由于玻璃钢材质的耐磨性能不强，在高的烟气流速下，对拐角或突变部位的冲击和磨损加大，导致腐蚀加强。可通过在树脂中添加耐磨填料(如碳化硅等)来提高该部位玻璃钢的耐磨性。
    (5) 防腐蚀内层和结构层宜选用同类型的树脂。
    当选用不同类型的树脂时，层间不得脱层。
    3.5 玻璃钢烟囱的力学性能
    3.5.1 玻璃钢材料的性能数据
    玻璃钢材料的性能数据高低，在树脂确定的情况下，与所采用纤维的类型、品质以及工艺铺层结构有关，可根据烟囱的受力特点，设计相应的工艺铺层，通过试验确定。本规范列出了3个表格(即：表3常温下纤维缠绕玻璃钢主要力学性能指标，表4 常温下手糊玻璃钢板的主要力学性能指标和表5玻璃钢主要计算参数)所列是缠绕玻璃钢及手糊玻璃钢制品的性能数据，没有采用通常的实验室制样方法，而是用更加接近工程实际的工厂化条件进行的生产制样,按国家有关标准进行检测，并依据现行国家标准GB50068《建筑结构可靠度设计统一标准》和GB 50153《工程结构可靠性设计统一标准》规定的原则确定的标准值，可供没有条件进行试验的设计选用和参考。

 3.5.2 玻璃钢材料的材料分项系数
    对于玻璃钢材料的材料分项系数，规范参考了ASTM D5364中的规定，但考虑我国制作工艺及现场管理的实际水平，在实际取值时应大于等于本规范所规定的分项系数。
    为了确定玻璃钢烟囱材料在各种受力状态下的力学指标，编制组选用了具有玻璃钢烟囱实际使用经验的上海富晨化工有限公司的892A、892N和Ashland公司510C、515四款反应型阻燃环氧乙烯基酯树脂，在冀州中意复合材料有限公司工厂现场缠绕制作样管，并委托有关单位做了常温和9个月温度环境下存放后的性能检测和验证。通过试验可以看到，规范给出的材料分项系数虽然较一般建材大，但仍不足以保证结构设计已经可靠，原因是在温度作用下材料的力学指标又会有变化，总体上讲呈下降趋势，因此，规范按60℃、90℃给出了强度指标折减系数。这样可尽量保证玻璃钢烟囱在不同温度下具有相近可靠度和保证率。
    3.6 玻璃钢烟囱的结构形式
    玻璃钢烟囱可以采用缠绕工艺进行制造。有以下几种结构形式：
    (1) 自立式玻璃钢烟囱：高度不宜超过30m，且其高径比(H/D)不宜大于10。
    (2) 拉索式玻璃钢烟囱：高度不宜超过45m，且其高径比(H/D)不宜大于20。
    拉索式玻璃钢烟囱顾名思义是采取拉索进行水平支撑，经济性较好，目前在一些小型烟囱中应用较多，如一些烧结机装置中的吸收塔与烟囱一体装置中等。
    (3) 塔架式、套筒式或多管式玻璃钢烟囱：其跨径比(L/D)不宜大于10。
    [注：H—烟囱高度(m)；L—玻璃钢烟囱横向支承间距(m)；D—玻璃钢烟囱直径(m)。]
    塔架式以支架为承重结构，支承一个或一个以上的排气筒，是化工排气筒常见的型式，塔架式排气筒可采用钢或钢筋混凝土的支架，筒体高出支架。排气筒支承在钢支架上，支架上设有多层操作平台，可以上人。这种形式的排气筒在国内已经有20多年的使用经验，主要的优点是检查和维修方便。
    套筒式结构人称筒中筒结构，是用钢筋混凝土或砖砌体为支承结构，支承一个或一个以上的排气筒。这种形式在化工、冶金部门采用过，国内外大机组湿法脱硫电厂绝大多数采用。套筒式排气筒的支承结构内设操作平台，可在内外筒之间检修。
    3.7 玻璃钢烟囱的构造规定
    (1) 玻璃钢烟囱下部烟道接口宜设计成圆形。
    (2) 拉索式玻璃钢烟囱拉索设置应满足以下规定：
    ①当烟囱高度与直径之比小于15时，可设1层拉索，拉索位置距烟囱顶部小于h /3处。
    ②烟囱高度与直径之比大于15 时，可设2层拉索：上层拉索系结位置，宜距烟囱顶部小于h/3处；下层拉索宜设在上层拉索位置至烟囱底的1/2高度处。
    ③拉索一般为3根，平面夹角为120°，拉索与烟囱轴向夹角不小于25°。
    (3) 玻璃钢加强肋间距应不超过烟囱直径的1.5倍，同时不大于8m。
    (4) 每段玻璃钢烟囱之间连接要符合：
    ①宜采用平端对接，对接处筒体的内外面的粘贴连接面的宽度，厚度要计算确定，但全厚度时的宽度应不小于400mm.
    ②当筒体直径小于4米时，也可采用承插连接,承插深度应不小于100mm，内外部接缝处糊制宽度应不小于400mm。
    ③接缝处采用玻璃纤维短切原丝毡和无捻粗纱布交替糊制，层和最后一层应是玻璃纤维短切原丝毡。
    (5) 烟囱膨胀节宜采用玻璃钢法兰形式连接，连接节点应严密，连接材料的防腐蚀和耐温性能应符合烟气工艺要求。
    (6) 玻璃钢烟囱的筒壁结构层最小厚度，应满足表6玻璃钢烟囱的筒壁结构层最小厚度的要求。

3.8 烟囱制作要点
    (1) 玻璃钢烟囱的制造应在工厂室内或在有临时围护结构的现场制作；制作场所应通风；环境温度宜为15～30℃，所有材料和设备温度应高于露点温度3℃；对于直径小的玻璃钢烟囱，可以在制造商的工厂内制作，对于直径大，运输有困难的，应在项目现场或其附近临时有围护结构的工场内制作，这样可保证满足制造时的环境温度和湿度要求。
    (2) 玻璃钢烟囱应分段制造，每段长度应同制造能力相匹配，同时要以符合安装和接缝总数最少为原则。
    (3) 对结构层与防腐蚀内衬层的制造间隔时间作出了规定，目的是防止运行中发生结构层与防腐蚀内层脱层。尤其在结构层与防腐蚀内层所用树脂不一致的情况下，需要特别注意控制。
    (4) 玻璃钢烟囱筒体的制造误差应控制在：
    ①各分段筒体的直径误差应小于直径的1%；
    ②各分段筒体的高度误差应不超过本段高度的±0.5%，且不应超过13mm；
    ③各分段筒体的厚度误差应不超过内衬厚度的-10%～+20%，或者重量误差应控制在-5%～+10%之间。
    3.9 安装要点
    (1) 在装卸、存放和安装期间，应考虑吊装荷载及变形对玻璃钢筒体产生的不利影响。
    (2) 玻璃钢烟囱分段装卸时，推荐采用尼龙等柔性吊索，因为刚性类吊索材料(如钢丝绳)容易损坏筒体表面。
    (3) 由于玻璃钢材质具有高强度低模量的特性，因此，对于直径超过3m的分段玻璃钢烟囱宜垂直存放和移动时要保持筒体不变形。
    (4) 每段玻璃钢烟囱上的对称吊环，应满足安装期间所施加的各种载荷。
    4 ·结束语
    随着新编玻璃钢烟囱设计规范的批准和实施，无疑将对化工、电力、冶金、有色和各类废气处理等涉及玻璃钢排烟筒的设计、制造和安装等方面起指导和引领作用；同时对树脂、玻纤和玻璃钢制造行业，起到优化设计、合理选材、精心制造、安装的技术保障作用。玻璃钢行业又将迎来一个新的市场发展机遇，与此同时，我们也将不断积累经验和总结教训，为进一步完善玻璃钢烟囱设计规范打下基础。
参考文献
[1]GB50051-2013 烟囱设计规范[S] .
[2]GB50078-2008 烟囱工程施工规范[S].