新型火力发电厂大直径玻璃钢烟囱的设计.doc

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）返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标进行了测试；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FRP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（NOVOLAC）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，火力发电厂计划以LNG（Liquid Natural Gas）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98，启动时为130，事故时为120。图2-1为烟囱的总体布置图。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和HLU情况下分别为12mm和23mm，在耐热性试验和应力松弛试验这两种暴露试验状态下，HLU取3.6mm。试样铺层构成如图3.1-1至图3.1-3所示。图2-1 烟囱概要图3.2 试验方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98和130，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，在耐热性试验中，还以实际机组的排烟温度超过200作为参考进行了试验。表3.3-1为各试验的试验条件。图3.1-1 FW层积构成（静态强度试验、疲劳强度试验）图3.1-2 HLU层积构成（静态强度试验、疲劳强度试验）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试验环境成型方法板厚试样数试样/条件强度试验AB2398130空气中FWHLU12235耐热性试验AB98130200空气中HLU3.63应力松弛试验B98130空气中水蒸汽中HLU3.63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1.0Hz3.4 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（0/106）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。图3.4-1 拉伸强度（12mm）图3.4-2 弯曲强度（12mm）（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98下18个月后约-0.6%，在130下18个月后约-1.0%。另外，即使在200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98、130、200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 拉伸疲劳强度（FW，12mm，1.0Hz）图3.4-4 质量变化率图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。图3.4-6 巴氏硬度变化率图3.4-7 应力松弛曲线（树脂B，98初期应力35MPa）图3.4-8 应力松弛曲线（树脂B，130初期应力35MPa）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30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，使用和实际尺寸试样相同的MR和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。图4.1-1 接头的实际尺寸试样（静态强度试验）图4.1-2 接头的小型试验试样（疲劳强度试验）（2）吊点试样130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。图4.1-3 吊点的实际尺寸试样（静态强度试验）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130。吊点的疲劳强度试验，仅在23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）接头的强度试验结果根据使用实际尺寸试样的强度试验结果，MR接头和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 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B130MRNF3小型接头的疲劳强度试验AB23130MRNF145实际尺寸吊点的强度试验B23130HLUFW3实际尺寸吊点的疲劳强度试验B23FW58图4.4-1 接头的负重变形关系（树脂B，MR，130）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23相比，130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，130）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FW均在130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的强度低，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的破坏强度和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，吊点部分出现层间剥离。另外，106次之下的FW型吊点的疲劳强度，为静态破坏强度的35%37%之间。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（NOVOLAC）乙烯基树脂的FRP进行试验，确认了其在实际机组排烟温度，即98和130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。图4.4-4 HLU吊点的负重变形关系（树脂B，130）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