纤维增强塑料排烟筒在钢铁行业中的应用

摘要：针对目前钢铁行业中冲渣产生的尾气排放时的腐蚀问题，通过选材分析、结构设计，制定了切实可行的方案，通过实际工程验证了采用纤维增强塑料排烟筒的可行性，得到了很多实际经验，为钢铁行业应用纤维增强塑料排烟筒提供了参考。

关键词：纤维增强塑料排烟筒，钢铁行业，尾气排放

1 前  言

目前，在钢铁行业中，许多高炉采用INBA渣处理系统，冲渣产生的水蒸气经过冷凝塔处理后通过顶部钢结构烟囱排入大气，冷凝塔位置一般紧邻出铁场厂房外边缘，顶部钢烟囱高约20ｍ左右，一般高于出铁场厂房屋面，由于水蒸气中含有H₂S和SO₂等有害气体成分，会对炉顶钢结构及炉顶设备造成腐蚀，严重影响结构的安全和炉顶设备的正常运行。

近年来，国内很多高炉投产使用后不到10年就要进行大修改造，炉顶转换大平台以上钢结构锈蚀严重，平台板需要更换，框架梁需要除锈并重新涂装，锈蚀严重部位甚至需要加固处理，炉顶许多设备也腐蚀严重，需要维修和更换，这样一来，不可避免地造成了人力、物力的巨大浪费，降低冷凝塔顶部排放的水蒸气对炉顶钢结构及设备的腐蚀也就成了目前亟待解决的问题，最有效的办法：一是采用先进的渣处理设备，尽可能降低处理后的蒸汽中有害成分的含量，二是将冷凝塔顶部烟囱的高度进行加高，使排放的高度大于炉顶框架的高度，从而有效降低对炉顶钢结构及设备的影响，本文将结合具体实例针对第二种方案进行介绍。

武钢炼铁厂某高炉INBA渣处理系统改造，拟拆除冷凝塔21ｍ以上部分，在顶部增设过渡段及烟囱，以便将冷凝塔内蒸汽排入大气，为避免蒸汽腐蚀炉顶设备及钢结构，打算将烟囱加高至顶部87ｍ，立面简图如图１所示。

图1 新增玻璃钢烟囱立面图

现有冷凝塔顶部设过渡段，过渡段高5ｍ，采用钢结构，内部喷涂耐火材料，新增烟囱固定在过渡段上，利用出铁场厂房屋盖系统、炉顶框架及煤气上升管为支撑点，沿出铁场厂房屋面上升到炉顶框架平台顶部，烟囱加高部分垂直高度近 90ｍ，水平方向近40ｍ，若采用钢结构烟囱，则自重很大，且耐腐蚀能力差；若采用新型材料纤维增强塑料烟囱，则可有效解决这两个问题。通过综合比较，最终决定采用纤维增强塑料烟囱。

2.1 耐腐蚀性优良

纤维增强塑料具有优异的耐腐蚀性能，可以抵抗包括酸、碱、盐等多种介质的腐蚀，对于钢铁行业的尾气，纤维增强塑料是最佳的防腐蚀材料，由于冲渣产生的水蒸气温度高，实际测量可达100℃，又因其湿度较大且含有H₂S和SO₂等有害气体成分，腐蚀性极强，经过大量的现场挂片试验，最终决定采用美国亚仕兰公司的D470酚醛环氧乙烯基酯树脂作为基体材料。

2.2 使用寿命长

纤维增强塑料排烟筒在我国已有很长的使用历史，其使用寿命可以达到30年以上，新制定的国家标准GB50051《烟囱设计规范》中规定，纤维增强塑料排烟筒的设计使用寿命为30年。

2.3 安装简便

纤维增强塑料的比重较小，仅为钢的1/4，重量的减轻使得其更易于运输和安装，在本次排烟筒的安装过程中，受到场地的限制无法搭架子，只能采用吊车进行安装作业，因为纤维增强塑料排烟筒重量较轻，大大降低了吊装费用，也提高了安装效率。

2.4 保温隔热

纤维增强塑料的保温隔热性能非常好，其导热系数远小于钢材的导热系数，在需要保温的场合，纤维增强塑料设备可以不需要隔热层，同时纤维增强塑料的热膨胀系数比较小，可以有效减少膨胀节使用数量，纤维增强塑料与钢材、PVC的热性能详情见表2。

2.5 造价低

从工程结构的全寿命来考虑，纤维增强塑料烟囱的总造价相比其他材质烟囱更有明显的优势，因为纤维增强塑料材料具有耐腐蚀性、轻质高强、使用寿命长、维护维修成本低等优点，使其综合造价相对较低。

受到内外腐蚀环境的影响，排烟筒的后期维护一直是一项非常繁琐的工作，采用纤维增强塑料排烟筒可以有效减少使用过程的后期维护，提高使用安全性，降低维护成本。

3.1 纤维增强塑料排烟筒设计

纤维增强塑料排烟筒的筒壁可分为三层 : 内衬层、结构层和外表面层，以下分别对这三层结构进行说明。

（1）内衬层

内衬层是与烟气直接接触的结构，其主要作用是防止烟气腐蚀、防止烟气渗漏，所以对于防腐蚀内层有多方面的要求，如气密性、防腐蚀性和耐温性，在本次设计中均采用美国亚仕兰公司的D470为基体。

内衬层通常由富树脂层和次内层组成，首先是一层玻璃纤维表面毡，其树脂含量应不小于90%，也可选用有机合成纤维材料，次内层应采用玻璃纤维短切毡或喷射纱，增强纤维必须为无碱纤维或ECR纤维，其厚度应不小于2.5ｍｍ，整体树脂树脂含量应不小于75%。

（2）结构层

结构层又称为加强层，其作用主要是在载荷的作用下，确保产品具有足够的强度、刚度和稳定性，结构层中的增强纤维是主要的承载物，而树脂的作用是起到分布载荷和传递载荷的作用，因此选择高强度的增强纤维和性能良好的树脂，是提高结构层承载能力的关键。

在烟囱的铺层结构中，既要考虑烟囱的轴向抗拉强度、抗压强度、抗弯曲强度及对应的模量，还要考虑其环向抗拉强度、抗压强度、抗弯曲强度及对应的模量，以及层间的抗剪切强度。

烟囱主要考虑的是轴向强度、层间剪切强度和环向强度，纤维增强塑料的层间剪切模量一般只有沿纤维方向模量的数十分之一，烟囱在正常工作时处于长期受拉或受压的状态，发生脱层破坏的可能性很大，因此必须通过铺层设计提高层间抗剪切的强度，采用的方法主要是增加层间性能好的喷射纱(或短切毡)作为界面层，并且必须采用长纤维与短纤维层交替的方法进行铺层，即环向缠、单向布、喷射纱通过合理的设计进行交替铺层并尽量保证对称铺层的原则。

结构层通常由玻璃纤维连续纱或玻璃纤维织物浸渍树脂缠绕成型，增强材料应为无碱纤维或ECR纤维，同时纤维的浸润剂应与所用树脂相匹配，其树脂含量为 35%±5%，厚度由计算确定，铺层的结构主要由连续纱环向缠绕层、单向布、短切毡层(实际操作中多用喷射纱层)按照铺层顺序铺设而成。

（3）外表面层

外表面层的作用主要是保护烟囱不受外部的环 境侵蚀以及防紫外线，外表面层由富树脂层组成，树脂含量应大于75%，为增加外表面层的附着力，可用砂布(纸)打磨结构层表面后再施工外表面层，外表面的增强纤维常采用一层短切毡和一层玻璃表面毡。

当纤维增强塑料烟囱暴露在室外时，外表面层应添加紫外线吸收剂，外表面层 的厚度应不小于1mm。

3. 2  排烟筒的支撑设计

本工程中，烟囱下部与冷凝塔顶部采用阀门连接，烟囱横跨出铁场屋面水平段通过空间桁架及支架支撑在厂房屋面及转换大平台上，烟囱与桁架采用管托连接，烟囱由炉顶转换大平台至顶部竖向段通过三角形支架支撑系统支撑在炉顶框架柱和粗煤气上升管上，其中标高75m处采用固定支撑承受烟囱竖向和水平荷载，标高60m、67m、79m处为辅助支撑，承受烟囱水平荷载并起水平约束作用，烟囱通过自带止晃装置与钢结构支撑系统采用螺栓连接进行固定，所有支撑系统均采用钢结构，均在工厂加工制作，现场进行安装。

桁架与支架的设计均采用PKPM软件进行分析计算，设计中主要考虑构件本身的设计，保证具有足够的强度和刚度，以及稳定性，另外，需要注意新增体系对原有出铁场厂房结构及炉顶框架结构的影响，经过复核，新增烟囱支撑系统后出铁场厂房和炉顶框架柱的强度、刚度及稳定性均能满足现行设计规范的要求。

支撑系统设计中的重难点，一是水平段空间桁架的设计，二是竖向段固定支撑的设计，两者均需结合现有结构的布置进行综合考虑，本工程中，水平段空间桁架根据出铁场屋面的形状采取折线型空间桁架，断面为三角形，两端支架利用出铁场厂房柱柱顶刚性系杆及炉顶转换大平台框架梁，分别设单片铰接支架和固定支架，竖向段 75m 处利用现有炉 顶吊车平台处吊车梁制动结构，对原辅助桁架与吊车梁组成的空间体系进行加固改造，形成固定支撑，承受烟囱竖向荷载与水平力。

4  排烟筒的施工

4. 1  纤维增强塑料排烟筒的制造

目前纤维增强塑料烟囱的成型工艺主要采用自动化机械缠绕成型，纤维增强塑料缠绕成型的优点包括 :

（1）缠绕成型复合材料纤维含量高，力学性能好，沿纤维方向的拉伸强度可达到1000MPa；

（2）可设计性好，可以按照产品的受力状况设计缠绕规律、改变缠绕角以及布线规律，充分体现了复合材料的突出优点；

（3）可靠性好，纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产，工艺条件确定后，缠绕线型精确、完整，缠出来的产品质量优良；

（4）生产效率高，采用机械化或自动化生产，需要操作人工少，缠绕速度快，按照 8m/节，缠绕成行的时间大约为2d，即4m/d，劳动生产率很高，现在制造的纤维增强塑料烟囱均为计算机控制自动化缠绕。

4. 2  排烟筒接口的粘接和膨胀节的安装

纤维增强塑料排烟筒都是分段制作，为减少现场接口工作量，应尽量减少分段数量，每段的长度应尽量长，每根长度多在10~12m，接口都是采用平端对接，受现场施工条件的限制，只能采用手糊成型工艺，手糊成型相比缠绕施工简便，且不需借助机械设备，但是产品的质量与现场环境条件和工人的熟练程度、责任心等都有很大关系，需要控制的因素很多。

为保证接口的质量，必须制定相应的制造工艺规范，并应注意以下几点 :

（1）接口时必须在烟囱的内外两侧都粘接；

（2）接口所用材料不得低于排烟筒所用材料，树脂必须与烟囱本体树脂相同，所用玻璃纤维及其制品的类型应与本体相同；

（3）接口作为载荷传递的关键部位，其强度不得低于本体强度；

（4）当接口糊制完毕，进行吊装前，应检测其固化度，巴氏硬度不得低于25，绕圆周取8个点测量。

4.3 排烟筒施工及吊装

所有钢结构支架及桁架均需在纤维增强塑料烟 囱安装之前进行施工，施工中，定位准确后，利用吊车将支架吊装就位，再与原有结构进行焊接固定，最后安装水平桁架，待所有支撑系统安装到位并复测完毕后进行纤维增强塑料烟囱的安装，施工时按照由下而上的顺序进行安装，先安装冷凝塔顶部至出铁场屋面水平段，采用两段安装，接口设于水平桁架中部，待两端全部吊装就位后，利用焊于管托上的钢板箍将烟囱与水平桁架进行固定，最后吊装烟囱竖向段，竖向段可一次吊装到位，调整好后与支撑系统进行固定，水平段与竖向段之间采用膨胀节，最后进行调整安装。

自2014年投运后，经过一年多的使用，纤维增  强塑料排烟筒运行正常，检修时未出现腐蚀、开裂、变形、老化和脱层的现象，排烟筒凝结水排出正常，满足使用的要求，高炉INBA渣处理系统中，排烟筒作为一个重要构筑物，维持其安全运行非常重要，通过它将含硫蒸汽排放到炉顶平台以上，可有效减轻蒸汽对炉顶设备和钢结构的腐蚀，具有较好的经济效益并保证炉顶结构的安全，纤维增强塑料凭借自身优异的耐腐蚀性能，且兼具自重轻、使用寿命长的特点，必将越来越广泛地应用在钢铁行业中。

参考文献

[1] 李国树. 玻璃钢烟囱相关标准与设计软件[ J ] . 玻璃钢/复合材料，2012（增刊）: 177-179.