新型火力发电厂大直径玻璃钢烟囱的设计

1、1 新型火力发电厂大直径玻璃钢烟囱的设计 浅野真一朗1,樱井和夫3,木田隆3,平川雅一 1,大草元次2,近藤英则3,奥田聪4 （1.关西电力株式会社；2.关西电力株式会社总和技术研究所； 3.株式会社；4.同志社大学） 回 原文载于日本强化塑胶 Vol.46,No.7 （2000年 7月号） 【摘要】本文重点研究用于新型火力发电厂大直径烟囱的 FRP材料的特性。首先，采用由环氧乙烯基树脂 制作的小尺寸 FRP试件，对材料在实际烟气温度条件下的静力强度、疲劳强度、耐热性能和应力松弛等指 卜进行了测试；其次，采用大尺寸试件对连接强度和悬挂点强度进行了试验。这些试验结果确认了用于大 直径烟囱的 FR

2、P材料的力学特性以及 FRP连接节点和悬挂节点的强度。 1前言 火力发电厂的烟囱材料一般为钢材，作为钢材的替代品， FRP（Fiberglass Reinforced Plastics ）正 引起人们的注目。和钢相比， FRP具有重量轻、超强耐腐蚀等特点，但因其是树脂和纤维组成的层合材料， 因此具有各向异性（各个方向上的物理特性不同），难以得到一定的标准特性值。另外，考虑到高温条件 下特性值会降低，因此，充分了解 FRP的材料特性及强度，对于结构设计来说是极其重要的问题。 在此情况下，我们针对新型火力发电厂拟采用的大口径 FRP烟囱，于平成 9年（ 1997） 7月至平成 11 年（ 1999

3、） 3月实施了 FRP的物理特性试验以及连接接头和吊点的强度试验，现将结果作以报告。试验温 度按照实际电厂排烟温度设定， 试验所用树脂，已经在前期的实验性研究中确认了其耐热性能及耐腐蚀性， 为两种环氧（NOVO LAC系乙烯基酯树脂。 2烟囱概况 本烟囱是充分考虑了周边景观的外附装饰材料的钢塔架烟囱， 计划主体为钢结构制造，最高高度 120m, 内部设置 2根 FRP内筒。FRP内筒的内径为 9.0m。作为火力发电厂的烟囱，其规模等级为日本国内最大。 FRP内筒由设于高度 98.25m和 24m处的两处吊点支承，在高度 105m和 34.125m两处设有膨胀接头，以应 对热变形。另外，火力发电

4、厂计划以 LNG（ Liquid Natural Ga命为燃料，以 ACC Advanced Combined Cycle ） 方式运行，FRP内筒的设计排烟温度，在正常运行时为 98C，启动时为 130C，事故时为 120C。图 2-1为 卜囱的总体布置图。 3使用小型试样进行的 FRP物理特性试验 3.1试样的铺层构成和形状 试样的成型方法采用纤维缠绕法（以下称 “FW ）和手糊成型法（以下称 “HLU ）。另外，考虑到 实际的 FRP烟囱采用的铺层构成和厚度， 在强度试验中，试样的设计厚度为在 FW任口 HLU情况下分别为 12mr 和 23mm在耐热性试验和应力松弛试验这两种暴露试验状

5、态下， HLU取 3.6mm试样铺层构成如图 3.1-1 至图 3.1-3所示。2 图 2-1烟囱概要图 3.2试验万法 强度试验和耐热性试验，以 JISK6911热固性塑胶一般试验方法为准，耐热性试验中的试样加热方法， 以 JIS K 7212热塑性塑胶的热老化性试验方法 （烘焙法）通则为准进行。另外，应力松弛试验以 JIS K 7107 塑胶应力松弛法为准进行。 3.3试验条件 试验温度取 98C和 130C，是实际的大直径 FRP内筒的设计排烟温度。另外，由于本发电厂的烟囱对 应燃料为LNG水蒸汽有可能给 FRP造成化学性老化，因此，应力松弛试验中的使用环境为水蒸汽环境。 另外，在耐热性

6、试验中，还以实际机组的排烟温度超过 200C作为参考进行了试验。表 3.3-1为各试验的 试验条件。GI*30.而。止掘点 6顷椅）0昂点 ，“截俪 GL+UE财 gj CL姬湖吊点 CL+91JD0止振点 CL+6440U止眼点 FRP GL+J7JOO 止也 -GLijXizTExpJ 3 ar就虾街 GM 3E nt扣w担4用阵 e QU 废麻籽帽戢wo（tW UR 座由近捡布颂1 RY H*n mW C&M 腰鹰峥懵匹 30 8 W 图 3.1-1 FW层积构成（静态强度试验、疲劳强度试验） CSM 碳素纤地胸#占* GM 殷声并雄如切密450! GM 敏璃蚪博炯切晴静 RC

7、JC建布用0 S/m- G$M 岐事纤推直WK部 图 3.1-2 HLU层积构成（静态强度试验、疲劳强度试验） f GSM GM / V W 装璃纤帽庄伺雀点 。/、 GSH 芦蜘场如 踱璃纤慌毡孙I静 - - H 图 3.1-3 HLU层积构成（耐热性试验、应力缓和试验） 表 3.3-1试验条件 试验名 树脂 温度 c 试验环境 成型方法 板厚 试样数试样/条件 强度试验 A B 23 98 130 空气中 FW HLU 12 23 5 nsu 4 耐热性试验 A B 98 130 空气中 HLU 3.6 3 5 200 应力松弛试验 B 98 130 空气中 水蒸汽中 HLU 3.6 3

8、注：强度试验中的拉伸疲劳强度试验，使用 4个以上的试样，重复速度为 1.0Hz 3.4试验结果 (1) 强度试验结果 在拉伸强度试验中，无论温度、树脂及板厚是否不同， FRP的强度大体相同，但在弯曲强度试验中， 随着温度的上升强度开始下降。另外，温度升高之后，拉伸疲劳强度有降低的倾向，树脂 A的降低率 (b0/ b 106)比树脂 B的降低率要大，但 106次之后，两种树脂的拉伸强度基本处于同一水准。图 3.4-1 至图 3.4-3显示了强度试验的结果。 25CI 国 网 0 13 罪 13U 混度C 图 3.4-1 拉仲强度(12mm o M%A. HLU - *树眉改FW -胁庵桐HLU

9、6 l.Hi 图 3.4-2 弯曲强度(12mm 树脂AFW 心树JlgAJlLU 丸树脂风FW 公树脂吐HLU 7 (2) 耐热性试验结果 在质量变化方面，树脂 A和树脂 B均显示了基本相同的性状，在 98C下 18个月后约-0.6%，在 130C 下 18个月后约-1.0%。另外，即使在 200C下 12个月后，也看不到因树脂不同产生的不同影响，但质量大 约会降低 8.0%。不论树脂 A还是树脂 B,在 98C、130C、200C下，拉伸强度及巴氏硬度均看不到变化， 显示了基本相同的性状。高温状态下的暴露时间及物理特性变化之间的关系如图 3.4-4至 3.4-6所示。 图 3.4-3 拉伸

10、疲劳强度(FVV 12mm 1.0Hz) 图 3.4-4 质量变化率 羊B旬一至命 8 图 3.4-5拉伸强度变化率 (3) 应力松弛试验结果 在应力松弛试验中，虽然在水蒸汽中的缓和曲线出现了溶膨现象， 但 100小时之后的应力比之差在 0.2 以内。暴露时间和初始应力比的缓和曲线如图 3.4-7至 3.4-8所示。 II 1 t* 12 15 18 月 图 3.4-6巴氏硬度变化率 MMIW2O仙 -171谡蛹薰W 9 00 U.0 0J JO IDG 时间小时 图 3.4-7应力松弛曲线(树脂 B, 98C初期应力 35MPa10 时间小时 图 3.4-8应力松弛曲线（树脂 B, 130C

11、初期应力 4接头和吊点的强度试验 4.1试样的形状 （1）接头试样 使用在 30C下进行强度确认的接头的实际尺寸试样，将 FW 成型之后的母材前端加工成铃形，将另一 根母材插入到该前端之后，外侧使用 HLU铺层连接。用于外侧铺层的 FRP基材使用两种材料，一种是应用 宽的无捻布（交互织入了纤维纱的基材）和毡材的组合（以下称 “MR ）,另一种是将毡材和具有各向异 性的纤维纱用聚酯线编织起来的针织布 （以下称 “NF ）。针织布和无捻布不同，因其没有织入玻璃纤维， 因此树脂的浸透性优秀，不会产生玻璃纤维受伤之类的缺点。另外，在疲劳强度试验中，使用 HLU成型的 小型试样，在外侧铺层部分，使用和实

12、际尺寸试样相同的 M时口 NF。图 4.1-1显示了接头的实际尺寸试样 情况，图 4.1-2显示了接头的小型试样情况。 35MP3 11 注）O内的数值为NF的值 图 4.1-1接头的实际尺寸试样（静态强度试验）12 图 4.1-2接头的小型试验试样（疲劳强度试验） （2）吊点试样 130C之下的强度试验用吊点的实际尺寸试样为两种，一种为 HLU成形加工，另一种为 FW成形加工。 另外，在加载时，为了防止给试样外加偏心荷载，将试样 2对一组组合起来使用。图 4.1-3至图 4.1-4显 示了吊点的实际尺寸试样的情况。 4.2试验方法 使用实际尺寸试样的接头和吊点静态强度试验以及吊点的疲劳强度试

13、验，参照现有发电厂的实际情况 进行；使用小型试样的接头疲劳强度试验，以 JIS K 7118热固性塑胶材料的疲劳试验方法通则为准。 另外, 试样及试样的加热方法，以 JIS K 7212热塑性塑胶的热老化性试验方法（烘焙法）通则为准进行。 注）,（）内的数值为NF的ffl 三手1 13 图 4.1-3吊点的实际尺寸试样（静态强度试验）14 FW吊点 图 4.1-4吊点的实际尺寸试样(疲劳强度试验) 4.3试验条件 试验温度按照实际的 FRP内筒的设计排烟温度，取 130C。吊点的疲劳强度试验，仅在 23C的常温下 进行。各试验的试验条件如表 4.3-1所示。 4.4试验结果 (1) 接头的强度

14、试验结果 根据使用实际尺寸试样的强度试验结果， M嗷头和 NF接头的静态强度大体相同。两者均在母材和接 头部分的接合界面产生剥离破坏，接头的强度将不依赖于玻璃基材的的种类，而依赖于接合部分的剪切强 度。实际尺寸的接头荷载变形关系如图 4.4-1至 4.4-2所示。 表 4.3-1试验条件 试验名 树脂 温度 c 接头和吊点的种别 重复速度 Hz 试样数试样/条件 实际尺寸接头的强度试验 B 130 MR NF 3 小型接头的疲劳强度试验 A B 23 130 MR NF 1 45 实际尺寸吊点的强度试验 B 23 130 HLU FW 3 实际尺寸吊点的疲劳强度试验 B 23 FW 5 8 1

15、5 t) 2 4 6 K 12 4 6 图 4.4-1接头的负重变形关系（树脂 B, MR 130C） 根据使用小型试样的疲劳强度试验结果，不论树脂 A还是树脂 B,破坏形式均和实际尺寸的接头相同， 在母材和接头的接合界面发生了剥离破坏。另外，在 106下的疲劳强度，和 23C相比，130C更低，树脂A 和 B表现出的疲劳强度基本相同。小型接头 S-N的关系如图 4.4-3所示。 图 4.4-2接头的负重变形关系（树脂 B, NF, 130C）16 0 lE*Wi 1EI2 I EHU 周期数& 图 4.4-3小型接头的 S-N关系（树脂 A 1.0Hz） （2）吊点的强度试验结果 根

16、据静态强度试验结果，HLU在母材和吊点部分接合的界面发生了剥离破坏， FW 发生了吊点部分的层 间剥离破坏。另外，HUL和 F枇在 130C的情况下得到了不同的特性值。 HLU的强度之所以增加，据认为 是试样制作时后期处理不充分，在试验时，树脂因加热固化的缘故； FW）勺强度低，据认为是玻璃基材停留 在树脂之间导致铺层界面的剪切强度不能充分发挥的缘故。另外，在试样的破坏界面，也确认了树脂停留 的存在。如果无视这些特殊值， FW 勺破坏强度和 HLU相比，约增加 2.3倍。图 4.4-4至 4.4-5显示了吊点 的荷载变形关系。 根据吊点的疲劳强度试验结果，破坏形式和静态强度试验结果相同，吊点部

17、分出现层间剥离。另外， 106次之下的 FM吊点的疲劳强度，为静态破坏强度的 35%37呢间。吊点的 S-N关系如图 4.4-6所示。 5结论 通过对用于大直径内筒、使用环氧（ NOVO LAC乙烯基树脂的 FRP行试验，确认了其在实际机组排烟 温度，即 98C和 130C下的强度特性、耐热性能及水蒸汽中的应力松弛性能，得到了设计实际烟囱所必需 的 FRP物理特性值。另外，还对结构设计中非常重要的部位，即接头和吊点的强度及破坏性进行了测试。O MRT 23 C -心一 NF. 23 C MR, HOC ANF, 5C IE站 17 图 4.4-4 HLU吊点的负重变形关系（树脂 B, 130C） 6致谢 本试验的进行得到了（财团法人）日本建筑总和试验所构造要素试验室室长井上隆二先生、树脂生产 商三井化学株式会社名古屋工厂技术部部长山中秀介先生，三井化学株式会社千叶工业所研究部主任研究 员坂井英男先生、同公司平野辉久先生、昭和高分子株式会社东京研究所所长石川隆之先生、同公司东京 研究所第二部部长柴田让治先生、同公司东京研究所研究员高木彻先生，以及 FRP成型工厂富士化学株式 会社研究部部长中井邦彦先生、同公司技术部次长村越胜熊先生、同公司研究部风间辰平先生，日本聚酯 株式会社技术开发本部工程设计部部长阿曾隆幸先生的大力支持及悉心指导，在此深表谢意。 0 5