新型火力發(fā)電廠大直徑玻璃鋼煙囪的設(shè)計.doc

新型火力發(fā)電廠大直徑玻璃鋼煙囪的設(shè)計淺野真一朗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)西電力株式會社；2關(guān)西電力株式會社總和技術(shù)研究所；3株式會社；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）【摘要】 本文重點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，對材料在實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)行了測試；其次，采用大尺寸試件對連接強(qiáng)度和懸掛點強(qiáng)度進(jìn)行了試驗。這些試驗結(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)點和懸掛節(jié)點的強(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，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降低，因此，充分了解FRP的材料特性及強(qiáng)度，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來說是極其重要的問題。在此情況下，我們針對新型火力發(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月實施了FRP的物理特性試驗以及連接接頭和吊點的強(qiáng)度試驗，現(xiàn)將結(jié)果作以報告。試驗溫度按照實際電廠排煙溫度設(shè)定，試驗所用樹脂，已經(jīng)在前期的實驗性研究中確認(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)模等級為日本國內(nèi)最大。FRP內(nèi)筒由設(shè)于高度98.25m和24m處的兩處吊點支承，在高度105m和34.125m兩處設(shè)有膨脹接頭，以應(yīng)對熱變形。另外，火力發(fā)電廠計劃以LNG（Liquid Natural Gas）為燃料，以ACC（Advanced Combined Cycle）方式運行，F(xiàn)RP內(nèi)筒的設(shè)計排煙溫度，在正常運行時為98，啟動時為130，事故時為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，考慮到實際的FRP煙囪采用的鋪層構(gòu)成和厚度，在強(qiáng)度試驗中，試樣的設(shè)計厚度為在FW和HLU情況下分別為12mm和23mm，在耐熱性試驗和應(yīng)力松弛試驗這兩種暴露試驗狀態(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 試驗方法強(qiáng)度試驗和耐熱性試驗，以JISK6911熱固性塑膠一般試驗方法為準(zhǔn)，耐熱性試驗中的試樣加熱方法，以JIS K 7212熱塑性塑膠的熱老化性試驗方法（烘焙法）通則為準(zhǔn)進(jìn)行。另外，應(yīng)力松弛試驗以JIS K 7107塑膠應(yīng)力松弛法為準(zhǔn)進(jìn)行。3.3 試驗條件試驗溫度取98和130，是實際的大直徑FRP內(nèi)筒的設(shè)計排煙溫度。另外，由于本發(fā)電廠的煙囪對應(yīng)燃料為LNG，水蒸汽有可能給FRP造成化學(xué)性老化，因此，應(yīng)力松弛試驗中的使用環(huán)境為水蒸汽環(huán)境。另外，在耐熱性試驗中，還以實際機(jī)組的排煙溫度超過200作為參考進(jìn)行了試驗。表3.3-1為各試驗的試驗條件。圖3.1-1 FW層積構(gòu)成（靜態(tài)強(qiáng)度試驗、疲勞強(qiáng)度試驗）圖3.1-2 HLU層積構(gòu)成（靜態(tài)強(qiáng)度試驗、疲勞強(qiáng)度試驗）圖3.1-3 HLU層積構(gòu)成（耐熱性試驗、應(yīng)力緩和試驗）表3.3-1 試驗條件試驗名樹脂溫度試驗環(huán)境成型方法板厚試樣數(shù)試樣/條件強(qiáng)度試驗AB2398130空氣中FWHLU12235耐熱性試驗AB98130200空氣中HLU3.63應(yīng)力松弛試驗B98130空氣中水蒸汽中HLU3.63注：強(qiáng)度試驗中的拉伸疲勞強(qiáng)度試驗，使用4個以上的試樣，重復(fù)速度為1.0Hz3.4 試驗結(jié)果（1）強(qiáng)度試驗結(jié)果在拉伸強(qiáng)度試驗中，無論溫度、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個月后約-0.6%，在130下18個月后約-1.0%。另外，即使在200下12個月后，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)力松弛試驗結(jié)果在應(yīng)力松弛試驗中，雖然在水蒸汽中的緩和曲線出現(xiàn)了溶膨現(xiàn)象，但100小時之后的應(yīng)力比之差在0.2以內(nèi)。暴露時間和初始應(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 接頭和吊點的強(qiáng)度試驗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的針織布（以下稱 “NF”）。針織布和無捻布不同，因其沒有織入玻璃纖維，因此樹脂的浸透性優(yōu)秀，不會產(chǎn)生玻璃纖維受傷之類的缺點。另外，在疲勞強(qiáng)度試驗中，使用HLU成型的小型試樣，在外側(cè)鋪層部分，使用和實際尺寸試樣相同的MR和NF。圖4.1-1顯示了接頭的實際尺寸試樣情況，圖4.1-2顯示了接頭的小型試樣情況。圖4.1-1 接頭的實際尺寸試樣（靜態(tài)強(qiáng)度試驗）圖4.1-2 接頭的小型試驗試樣（疲勞強(qiáng)度試驗）（2）吊點試樣130之下的強(qiáng)度試驗用吊點的實際尺寸試樣為兩種，一種為HLU成形加工，另一種為FW成形加工。另外，在加載時，為了防止給試樣外加偏心荷載，將試樣2對一組組合起來使用。圖4.1-3至圖4.1-4顯示了吊點的實際尺寸試樣的情況。4.2 試驗方法使用實際尺寸試樣的接頭和吊點靜態(tài)強(qiáng)度試驗以及吊點的疲勞強(qiáng)度試驗，參照現(xiàn)有發(fā)電廠的實際情況進(jìn)行；使用小型試樣的接頭疲勞強(qiáng)度試驗，以JIS K 7118熱固性塑膠材料的疲勞試驗方法通則為準(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方法（烘焙法）通則為準(zhǔn)進(jìn)行。圖4.1-3 吊點的實際尺寸試樣（靜態(tài)強(qiáng)度試驗）圖4.1-4 吊點的實際尺寸試樣（疲勞強(qiáng)度試驗）4.3 試驗條件試驗溫度按照實際的FRP內(nèi)筒的設(shè)計排煙溫度，取130。吊點的疲勞強(qiáng)度試驗，僅在23的常溫下進(jìn)行。各試驗的試驗條件如表4.3-1所示。4.4 試驗結(jié)果（1）接頭的強(qiáng)度試驗結(jié)果根據(jù)使用實際尺寸試樣的強(qiáng)度試驗結(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 試驗條件試驗名樹脂溫度 接頭和吊點的種別重復(fù)速度Hz試樣數(shù)試樣/條件實際尺寸接頭的強(qiáng)度試驗B130MRNF3小型接頭的疲勞強(qiáng)度試驗AB23130MRNF145實際尺寸吊點的強(qiáng)度試驗B23130HLUFW3實際尺寸吊點的疲勞強(qiáng)度試驗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)度試驗結(jié)果，不論樹脂A還是樹脂B，破壞形式均和實際尺寸的接頭相同，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）吊點的強(qiáng)度試驗結(jié)果根據(jù)靜態(tài)強(qiáng)度試驗結(jié)果，HLU在母材和吊點部分接合的界面發(fā)生了剝離破壞，F(xiàn)W發(fā)生了吊點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)為是試樣制作時后期處理不充分，在試驗時，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顯示了吊點的荷載變形關(guān)系。根據(jù)吊點的疲勞強(qiáng)度試驗結(jié)果，破壞形式和靜態(tài)強(qiáng)度試驗結(jié)果相同，吊點部分出現(xiàn)層間剝離。另外，106次之下的FW型吊點的疲勞強(qiáng)度，為靜態(tài)破壞強(qiáng)度的35%37%之間。吊點的S-N關(guān)系如圖4.4-6所示。5 結(jié)論通過對用于大直徑內(nèi)筒、使用環(huán)氧（NOVOLAC）乙烯基樹脂的FRP進(jìn)行試驗，確認(rèn)了其在實際機(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)計實際煙囪所必需的FRP物理特性值。另外，還對結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常重要的部位，即接頭和吊點的強(qiáng)度及破壞性進(jìn)行了測試。圖4.4-4 HLU吊點的負(fù)重變形關(guān)系（樹脂B，130）6 致謝本試驗的進(jìn)行得到了（財團(tuán)法人）日本建筑總和試驗所構(gòu)造要素試驗室室長井上隆二先生、樹脂生產(chǎn)商三井化學(xué)株式會社名古屋工廠技術(shù)部部長山中秀介先生，三井化學(xué)株式會社千葉工業(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、昭和高分子株式會社東京研究所所長石川隆之先生、同公司東京研究所第二部部長柴田讓治先生、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)株式會社研究部部長中井邦彥先生、同公司技術(shù)部次長村越勝熊先生、同公司研究部風(fēng)間辰平先生，日本聚酯株式會社技術(shù)開發(fā)本部工程設(shè)計部部長