新型火力發(fā)電廠大直徑玻璃鋼煙囪的設(shè)計(jì).doc

新型火力發(fā)電廠大直徑玻璃鋼煙囪的設(shè)計(jì)淺野真一朗1，櫻井和夫3，木田隆3，平川雅一1，大草元次2，近藤英則3，奧田聰4（1關(guān)西電力株式會(huì)社；2關(guān)西電力株式會(huì)社總和技術(shù)研究所；3株式會(huì)社；4同志社大學(xué)）返回原文載于日本強(qiáng)化塑膠Vol.46,No.7（2000年7月號(hào)）【摘要】 本文重點(diǎn)研究用于新型火力發(fā)電廠大直徑煙囪的FRP材料的特性。首先，采用由環(huán)氧乙烯基樹脂制作的小尺寸FRP試件，對(duì)材料在實(shí)際煙氣溫度條件下的靜力強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、耐熱性能和應(yīng)力松弛等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試；其次，采用大尺寸試件對(duì)連接強(qiáng)度和懸掛點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)。這些試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)了用于大直徑煙囪的FRP材料的力學(xué)特性以及FRP連接節(jié)點(diǎn)和懸掛節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度。1 前言火力發(fā)電廠的煙囪材料一般為鋼材，作為鋼材的替代品，F(xiàn)RP（Fiberglass Reinforced Plastics）正引起人們的注目。和鋼相比，F(xiàn)RP具有重量輕、超強(qiáng)耐腐蝕等特點(diǎn)，但因其是樹脂和纖維組成的層合材料，因此具有各向異性（各個(gè)方向上的物理特性不同），難以得到一定的標(biāo)準(zhǔn)特性值。另外，考慮到高溫條件下特性值會(huì)降低，因此，充分了解FRP的材料特性及強(qiáng)度，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是極其重要的問(wèn)題。在此情況下，我們針對(duì)新型火力發(fā)電廠擬采用的大口徑FRP煙囪，于平成9年（1997）7月至平成11年（1999）3月實(shí)施了FRP的物理特性試驗(yàn)以及連接接頭和吊點(diǎn)的強(qiáng)度試驗(yàn)，現(xiàn)將結(jié)果作以報(bào)告。試驗(yàn)溫度按照實(shí)際電廠排煙溫度設(shè)定，試驗(yàn)所用樹脂，已經(jīng)在前期的實(shí)驗(yàn)性研究中確認(rèn)了其耐熱性能及耐腐蝕性，為兩種環(huán)氧（NOVOLAC）系乙烯基酯樹脂。2 煙囪概況本煙囪是充分考慮了周邊景觀的外附裝飾材料的鋼塔架煙囪，計(jì)劃主體為鋼結(jié)構(gòu)制造，最高高度120m，內(nèi)部設(shè)置2根FRP內(nèi)筒。FRP內(nèi)筒的內(nèi)徑為9.0m。作為火力發(fā)電廠的煙囪，其規(guī)模等級(jí)為日本國(guó)內(nèi)最大。FRP內(nèi)筒由設(shè)于高度98.25m和24m處的兩處吊點(diǎn)支承，在高度105m和34.125m兩處設(shè)有膨脹接頭，以應(yīng)對(duì)熱變形。另外，火力發(fā)電廠計(jì)劃以LNG（Liquid Natural Gas）為燃料，以ACC（Advanced Combined Cycle）方式運(yùn)行，F(xiàn)RP內(nèi)筒的設(shè)計(jì)排煙溫度，在正常運(yùn)行時(shí)為98，啟動(dòng)時(shí)為130，事故時(shí)為120。圖2-1為煙囪的總體布置圖。3 使用小型試樣進(jìn)行的FRP物理特性試驗(yàn)3.1 試樣的鋪層構(gòu)成和形狀試樣的成型方法采用纖維纏繞法（以下稱 “FW”）和手糊成型法（以下稱 “HLU”）。另外，考慮到實(shí)際的FRP煙囪采用的鋪層構(gòu)成和厚度，在強(qiáng)度試驗(yàn)中，試樣的設(shè)計(jì)厚度為在FW和HLU情況下分別為12mm和23mm，在耐熱性試驗(yàn)和應(yīng)力松弛試驗(yàn)這兩種暴露試驗(yàn)狀態(tài)下，HLU取3.6mm。試樣鋪層構(gòu)成如圖3.1-1至圖3.1-3所示。圖2-1 煙囪概要圖3.2 試驗(yàn)方法強(qiáng)度試驗(yàn)和耐熱性試驗(yàn)，以JISK6911熱固性塑膠一般試驗(yàn)方法為準(zhǔn)，耐熱性試驗(yàn)中的試樣加熱方法，以JIS K 7212熱塑性塑膠的熱老化性試驗(yàn)方法（烘焙法）通則為準(zhǔn)進(jìn)行。另外，應(yīng)力松弛試驗(yàn)以JIS K 7107塑膠應(yīng)力松弛法為準(zhǔn)進(jìn)行。3.3 試驗(yàn)條件試驗(yàn)溫度取98和130，是實(shí)際的大直徑FRP內(nèi)筒的設(shè)計(jì)排煙溫度。另外，由于本發(fā)電廠的煙囪對(duì)應(yīng)燃料為L(zhǎng)NG，水蒸汽有可能給FRP造成化學(xué)性老化，因此，應(yīng)力松弛試驗(yàn)中的使用環(huán)境為水蒸汽環(huán)境。另外，在耐熱性試驗(yàn)中，還以實(shí)際機(jī)組的排煙溫度超過(guò)200作為參考進(jìn)行了試驗(yàn)。表3.3-1為各試驗(yàn)的試驗(yàn)條件。圖3.1-1 FW層積構(gòu)成（靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)）圖3.1-2 HLU層積構(gòu)成（靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)）圖3.1-3 HLU層積構(gòu)成（耐熱性試驗(yàn)、應(yīng)力緩和試驗(yàn)）表3.3-1 試驗(yàn)條件試驗(yàn)名樹脂溫度試驗(yàn)環(huán)境成型方法板厚試樣數(shù)試樣/條件強(qiáng)度試驗(yàn)AB2398130空氣中FWHLU12235耐熱性試驗(yàn)AB98130200空氣中HLU3.63應(yīng)力松弛試驗(yàn)B98130空氣中水蒸汽中HLU3.63注：強(qiáng)度試驗(yàn)中的拉伸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，使用4個(gè)以上的試樣，重復(fù)速度為1.0Hz3.4 試驗(yàn)結(jié)果（1）強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果在拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)中，無(wú)論溫度、樹脂及板厚是否不同，F(xiàn)RP的強(qiáng)度大體相同，但在彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)中，隨著溫度的上升強(qiáng)度開始下降。另外，溫度升高之后，拉伸疲勞強(qiáng)度有降低的傾向，樹脂A的降低率（0/106）比樹脂B的降低率要大，但106次之后，兩種樹脂的拉伸強(qiáng)度基本處于同一水準(zhǔn)。圖3.4-1至圖3.4-3顯示了強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果。圖3.4-1 拉伸強(qiáng)度（12mm）圖3.4-2 彎曲強(qiáng)度（12mm）（2）耐熱性試驗(yàn)結(jié)果在質(zhì)量變化方面，樹脂A和樹脂B均顯示了基本相同的性狀，在98下18個(gè)月后約-0.6%，在130下18個(gè)月后約-1.0%。另外，即使在200下12個(gè)月后，也看不到因樹脂不同產(chǎn)生的不同影響，但質(zhì)量大約會(huì)降低8.0%。不論樹脂A還是樹脂B，在98、130、200下，拉伸強(qiáng)度及巴氏硬度均看不到變化，顯示了基本相同的性狀。高溫狀態(tài)下的暴露時(shí)間及物理特性變化之間的關(guān)系如圖3.4-4至3.4-6所示。圖3.4-3 拉伸疲勞強(qiáng)度（FW，12mm，1.0Hz）圖3.4-4 質(zhì)量變化率圖3.4-5 拉伸強(qiáng)度變化率（3）應(yīng)力松弛試驗(yàn)結(jié)果在應(yīng)力松弛試驗(yàn)中，雖然在水蒸汽中的緩和曲線出現(xiàn)了溶膨現(xiàn)象，但100小時(shí)之后的應(yīng)力比之差在0.2以內(nèi)。暴露時(shí)間和初始應(yīng)力比的緩和曲線如圖3.4-7至3.4-8所示。圖3.4-6 巴氏硬度變化率圖3.4-7 應(yīng)力松弛曲線（樹脂B，98初期應(yīng)力35MPa）圖3.4-8 應(yīng)力松弛曲線（樹脂B，130初期應(yīng)力35MPa）4 接頭和吊點(diǎn)的強(qiáng)度試驗(yàn)4.1 試樣的形狀（1）接頭試樣使用在30下進(jìn)行強(qiáng)度確認(rèn)的接頭的實(shí)際尺寸試樣，將FW成型之后的母材前端加工成鈴形，將另一根母材插入到該前端之后，外側(cè)使用HLU鋪層連接。用于外側(cè)鋪層的FRP基材使用兩種材料，一種是應(yīng)用寬的無(wú)捻布（交互織入了纖維紗的基材）和氈材的組合（以下稱 “MR”），另一種是將氈材和具有各向異性的纖維紗用聚酯線編織起來(lái)的針織布（以下稱 “NF”）。針織布和無(wú)捻布不同，因其沒(méi)有織入玻璃纖維，因此樹脂的浸透性優(yōu)秀，不會(huì)產(chǎn)生玻璃纖維受傷之類的缺點(diǎn)。另外，在疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)中，使用HLU成型的小型試樣，在外側(cè)鋪層部分，使用和實(shí)際尺寸試樣相同的MR和NF。圖4.1-1顯示了接頭的實(shí)際尺寸試樣情況，圖4.1-2顯示了接頭的小型試樣情況。圖4.1-1 接頭的實(shí)際尺寸試樣（靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)）圖4.1-2 接頭的小型試驗(yàn)試樣（疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)）（2）吊點(diǎn)試樣130之下的強(qiáng)度試驗(yàn)用吊點(diǎn)的實(shí)際尺寸試樣為兩種，一種為HLU成形加工，另一種為FW成形加工。另外，在加載時(shí)，為了防止給試樣外加偏心荷載，將試樣2對(duì)一組組合起來(lái)使用。圖4.1-3至圖4.1-4顯示了吊點(diǎn)的實(shí)際尺寸試樣的情況。4.2 試驗(yàn)方法使用實(shí)際尺寸試樣的接頭和吊點(diǎn)靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)以及吊點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，參照現(xiàn)有發(fā)電廠的實(shí)際情況進(jìn)行；使用小型試樣的接頭疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，以JIS K 7118熱固性塑膠材料的疲勞試驗(yàn)方法通則為準(zhǔn)。另外，試樣及試樣的加熱方法，以JIS K 7212熱塑性塑膠的熱老化性試驗(yàn)方法（烘焙法）通則為準(zhǔn)進(jìn)行。圖4.1-3 吊點(diǎn)的實(shí)際尺寸試樣（靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)）圖4.1-4 吊點(diǎn)的實(shí)際尺寸試樣（疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)）4.3 試驗(yàn)條件試驗(yàn)溫度按照實(shí)際的FRP內(nèi)筒的設(shè)計(jì)排煙溫度，取130。吊點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，僅在23的常溫下進(jìn)行。各試驗(yàn)的試驗(yàn)條件如表4.3-1所示。4.4 試驗(yàn)結(jié)果（1）接頭的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)使用實(shí)際尺寸試樣的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，MR接頭和NF接頭的靜態(tài)強(qiáng)度大體相同。兩者均在母材和接頭部分的接合界面產(chǎn)生剝離破壞，接頭的強(qiáng)度將不依賴于玻璃基材的的種類，而依賴于接合部分的剪切強(qiáng)度。實(shí)際尺寸的接頭荷載變形關(guān)系如圖4.4-1至4.4-2所示。表4.3-1 試驗(yàn)條件試驗(yàn)名樹脂溫度 接頭和吊點(diǎn)的種別重復(fù)速度Hz試樣數(shù)試樣/條件實(shí)際尺寸接頭的強(qiáng)度試驗(yàn)B130MRNF3小型接頭的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)AB23130MRNF145實(shí)際尺寸吊點(diǎn)的強(qiáng)度試驗(yàn)B23130HLUFW3實(shí)際尺寸吊點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)B23FW58圖4.4-1 接頭的負(fù)重變形關(guān)系（樹脂B，MR，130）根據(jù)使用小型試樣的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，不論樹脂A還是樹脂B，破壞形式均和實(shí)際尺寸的接頭相同，在母材和接頭的接合界面發(fā)生了剝離破壞。另外，在106下的疲勞強(qiáng)度，和23相比，130更低，樹脂A和B表現(xiàn)出的疲勞強(qiáng)度基本相同。小型接頭S-N的關(guān)系如圖4.4-3所示。圖4.4-2 接頭的負(fù)重變形關(guān)系（樹脂B，NF，130）圖4.4-3 小型接頭的S-N關(guān)系（樹脂A，1.0Hz）（2）吊點(diǎn)的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，HLU在母材和吊點(diǎn)部分接合的界面發(fā)生了剝離破壞，F(xiàn)W發(fā)生了吊點(diǎn)部分的層間剝離破壞。另外，HUL和FW均在130的情況下得到了不同的特性值。HLU的強(qiáng)度之所以增加，據(jù)認(rèn)為是試樣制作時(shí)后期處理不充分，在試驗(yàn)時(shí)，樹脂因加熱固化的緣故；FW的強(qiáng)度低，據(jù)認(rèn)為是玻璃基材停留在樹脂之間導(dǎo)致鋪層界面的剪切強(qiáng)度不能充分發(fā)揮的緣故。另外，在試樣的破壞界面，也確認(rèn)了樹脂停留的存在。如果無(wú)視這些特殊值，F(xiàn)W的破壞強(qiáng)度和HLU相比，約增加2.3倍。圖4.4-4至4.4-5顯示了吊點(diǎn)的荷載變形關(guān)系。根據(jù)吊點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，破壞形式和靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相同，吊點(diǎn)部分出現(xiàn)層間剝離。另外，106次之下的FW型吊點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度，為靜態(tài)破壞強(qiáng)度的35%37%之間。吊點(diǎn)的S-N關(guān)系如圖4.4-6所示。5 結(jié)論通過(guò)對(duì)用于大直徑內(nèi)筒、使用環(huán)氧（NOVOLAC）乙烯基樹脂的FRP進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)了其在實(shí)際機(jī)組排煙溫度，即98和130下的強(qiáng)度特性、耐熱性能及水蒸汽中的應(yīng)力松弛性能，得到了設(shè)計(jì)實(shí)際煙囪所必需的FRP物理特性值。另外，還對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要的部位，即接頭和吊點(diǎn)的強(qiáng)度及破壞性進(jìn)行了測(cè)試。圖4.4-4 HLU吊點(diǎn)的負(fù)重變形關(guān)系（樹脂B，130）6 致謝本試驗(yàn)的進(jìn)行得到了（財(cái)團(tuán)法人）日本建筑總和試驗(yàn)所構(gòu)造要素試驗(yàn)室室長(zhǎng)井上隆二先生、樹脂生產(chǎn)商三井化學(xué)株式會(huì)社名古屋工廠技術(shù)部部長(zhǎng)山中秀介先生，三井化學(xué)株式會(huì)社千葉工業(yè)所研究部主任研究員坂井英男先生、同公司平野輝久先生、昭和高分子株式會(huì)社東京研究所所長(zhǎng)石川隆之先生、同公司東京研究所第二部部長(zhǎng)柴田讓治先生、同公司東京研究所研究員高木徹先生，以及FRP成型工廠富士化學(xué)株式會(huì)社研究部部長(zhǎng)中井邦彥先生、同公司技術(shù)部次長(zhǎng)村越勝熊先生、同公司研究部風(fēng)間辰平先生，日本聚酯株式會(huì)社技術(shù)開發(fā)本部工程設(shè)計(jì)部部長(zhǎng)