新型火力发电厂大直径玻璃钢烟囱的设计

1、新型火力发电厂人直径玻璃钢烟囱的没计浅野真一朗*，樱井和夫3,木田隆3,平川雅一 *，大草元次2,近藤英则3,奥田聪4 （1.关囲电力株式会社；2.关囲电力株式会社总和技术研宄所；3.株式会社；4.阆志社大学）返回原文载于日本强化塑胶vol.46, no. 7 （2000年7月号）【摘要】木文重点研宄用子新型火力发电厂大直径烟肉的frp树料的特性。首先，采川由环氧乙烯基树脂 制作的小尺寸fkp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 标进行丫测试；其次，采川火尺寸试件对连接强度和悬挂点强度进行丫试验。这些试验结果确认丫川于火 直径烟囱的fkp材料的力学特性以

2、及ekp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力倒材，作力倒材的替代ii，frp （fiberglass reinforced plastics）正 引起人们的注目。和钢相比，frp具冇重s轻、超强耐腐蚀等特点，但因其足树脂和纤维组成的层合材料， 因此具冇各向异性（各个力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，充分丫解frp的材料特性及强度，对于结构设计來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川的火口径fkp烟囱，于平成9年（1997） 7月至平成11 年（1999） 3月实施丫 frp的物理特性试验以及

3、连接接头和吊点的强度试验，现将结果作以报吿。试验温 度按照实际电厂排烟温度设定，试验所川树脂，己经在前期的实验性研宂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烟囱概况木烟囱足充分考虑丫周边贵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.r2根fkp内筒。frp内筒的内径力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内筒由设于髙度98. 25m和24m处的两处吊点支承，在髙度105m和34. 125m两处设冇膨胀接头，以应 对热变形。另外,火力发电厂计划以lng （liquid natural gas）为

4、燃料，以acc （advanced combined cycle） 力式运行，frp内筒的设计排烟温度，在正常运行吋为988c,启动吋为130°c，事故时为120°c。图2_1力 烟囱的总体布畀图。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”）。兒外，考虑到 实际的fkp烟囱采川的铺层构成和厚度，在强度试验巾，试样的设计厚度为在fw 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踞试验状态下，hlu取3. 6mm。试样铺层构成如图3. hl 至图3.

5、 1-3所示。1d=9.ooo25,5003.000toi ，.juuiihjgl+105,000 exp.j gu98.250 吊卓_ gu91.500止振点xmrslgl±0gl+64,5oo止振点gl+37.500止振点 一 . gu'4.125 exp. j gu30j50止银点 gl+24,ooo 吊点a.a邈厘b»b截面图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热闹性塑胶一般试验方法为准，耐热性试验屮的试样加热方法， 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 7

6、107 塑胶应力松弛法为准进行。3.3试验条件试验温度取98°c和1301，是实际的大直径frp內简的设计排烟温度。另外，由于本发电厂的烟囱对 应燃料为lng，水蒸汽宥可能给frp造成化学性老化，因此，砬力松弛试验屮的使用环境为水蒸汽环境。 另外，在耐热性试验屮，还以实际机组的排烟温度超过200°c作为参考进行了试验。表3. 3-1为各试验的 试验条件。csm«索纤嫁g.m玻鵷纤蝤知切枋4$0价: gm.玻鵬纤蝤mi切払3oog/m2 ur«介jt捻布500 ry纤蝤纱700gsm璇蹒纤嫜払 30图3. 1-1 fw层积构成（静态强度试验、疲劳强度试验）

7、csmz gmarc)csmcsm磧素纤慊cm玻璃纤«to切tt 450 gm.玻璃纤如切300於' rc无论布csm玻璃纤攘图3. 1-2 hlu层积构成（静态强度试验、疲劳强度试验）cm玻璃纤切tt 450ft/fn gsm玻璃纤图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ab2398130空气屮fwhlu12235耐热性试验ab98130空气屮hlu3.63应力松弛试验98空气屮hlu3.6130水蒸汽中注：强度试验屮的拉伸疲劳强度试验，使用4个以上的试样，巢复速

8、度为1.0hz3. 4试验结果(1) 强度试验结果在拉伸强麼试验屮，无论温度、树脂及板厚是否不同，frp的强度大体相同，但在弯曲强度试验屮， 随着温度的上升强度开始下降。另外，温度升高之后，拉伸疲劳强度宥降低的倾向，树脂a的降低率 (oo/olo6)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。i- 1树脂 a.fw 树麝 a.hlu 童树脂树脂 b. hlu25()2(x)1501(度c300o喻siipv图3. 4-1拉伸强度(12mm)树脂a，kw树脂a.hlu 树脂b.fw 树9

9、8130溫度cs 3. 4-2弯曲强度(12mm)(2) 耐热性试验结果在质景变化方面，树脂a和树脂b均显示丫基本相同的性状，在98'c下18个月后约-0.6%，在130'c 下18个月后约-1.0%。另外，即使在20(tc k 12个月后，也看不到因树脂不同产生的不同影响，但质景大 约会降低8.0%。不论树脂a还是树脂b，在98'c、130'c、200°c下，拉抝强度及巴氏硬度均看不到变化， 显示了基本相同的性状。高温状态卜"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。灼期数.n-图3. 4-3拉伸疲劳强度(fw,

10、 12mm, 1.0hz)0369121518月图3. 4-4质量变化率0369121518月98 c 98 c 13oc i30c 200 c 200 ca b a b a bsasxcs 树龙x-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，里然在水蒸汽中的缓和曲线fh现了溶膨现象，但100小时之后的应力比之差在0. 2 以内。暴踞吋间和初始应力比的缓和曲线如图3. 4-7至3. 4-8所示。120|00806<)4()20*cccc 303oo0s 112 2> 費 費,a b a b脂脂脂§脂wwwwwwa, 9« (b. 98

11、c6()4 2 o.o.环境宁蚁 一蒸、oo.1.0 10.0 100.0时间小时图3. 4-7应力松弛曲线(树脂b, 98'c初期应力35mpa)1.00.80.6().40.2().00.11.010.() knm)时w小时图3. 4-8应力松弛曲线（树脂b, 130°c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°c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

12、基材）和毡材的组合（以下称“mr”），另-种是将毡材和具有各向异 性的纤维纱用聚酯线编织起米的针织布（以下称“nf”）。针织布和无捻布不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。150015002$0600250 _ 200注）（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）注）（内的数位为nf的侦蘼图4. 1-2接头的小型试验试样（疲劳强度试验）（2）

13、吊点试样1306c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，另一种为成形加工。 另外，在加载吋，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十试样的接头和吊点静态强度试验以及吊点的疲荧强度试验，参照现有发屯厂的实际情况 进行；使用小型试样的接头疲劳强度试验，以jtsk 7118热固性槊胶材料的疲劳试验方法通则为淮。另外， 试样及试样的加热方法，以jts k 7212热槊性塑胶的热老化性试验方法（烘焙法）通则为准进行。huj吊点fw吊点图4. 1-3吊点的实际尺寸试样（静态强

14、度试验）60j參參si君czzisr .-£l， mb il 1 i !，i，！»l_i»lj120fw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frppj筒的没计排烟温度，取130°c。吊点的疲劳强度试验，仅在23°c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裾使用实际尺寸试样的强度试验结果，mr接头和nf接头的静态强度人体相两者均在母材和接 头部分的接合界而产生剥离破坏，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

15、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b130mkne3小型接头的疲劳强度试验ab23130mrnf14'5实际尺寸w点的强度试验b23130hlufw3实际尺寸吊点的疲劳强度试验b23fw58200 屋0246810 12 1416mr-1 -mr-2 mr-32000r0604o n i位移,6 cm图4. 4-1接头的负重变形关系(树脂b, mr, 13(tc)根裾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，破环形式均和实际尺十的接头相m

16、， 在母材和接头的接合界而发生了剥离破坏。另外，在106下的疲劳强度，和23'c相比，130°c更低，树脂a 和b表现出的疲劳强度莶本相m。小型接头s-n的关系如图4. 4-3所示。120 | 80604()205d««10100位移，d cm图4. 4-2接头的负重变形关系(树脂b，nf, 130*01e*（n）1e+u21 f>04 1e-hi6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，fwk生了吊点部分的层 间剥离破坏。

17、另外，hul和fw均在13(tc的惜况下得到了不同的特性值。hlu的强度之所以增加，据汄为 是试样制作时后期处理不充分，在试验时，树脂因加热阆化的缘故：fw的强度低，据汄为是玻璃基材停 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，也确汄了树脂停留 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， 10(1次之下的fw型吊点的疲劳强度，为静态破坏强度的35%37%之阀。吊点的s n关系如图4. 4

18、-6所示。5结论通过对用于大直径内简、使用环氣(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°c和13(tc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盂 的frp物理特性值。另外，还对结构设计中非常熏耍的部位，即接尖和吊点的强度及破坏性进行了测试。3(k>25()oos.s2 id柘容5()0i1l-1 hl-2 hl-30510位移.d cm图4. 4-4 hlu吊点的负重变形关系（树脂b，130°c）6致谢本试验的进行得到了（财团法人）h本建筑总和试验所构造要索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屮秀介先生，三井化学株式会社千叶工业所研宄部主任研允 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允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；富士化学株況 会社研允部部长屮井邦彦先生、同公司技术部次长村越胜熊先生、同公司研允部风间辰平先生，h本聚酯 株式会社技术开发本部t程设计部部长阿涔隆幸先生的大力支持及悉心指导，在此深表谢意。4003503000