大型玻璃钢烟囱生产设计工艺

    玻璃钢烟囱作为FRP结构制品近年在化工、冶金等行业广泛采用,以国内某化工厂FRP烟囱为范例,详细叙述了该类制品的设计、工艺及制造。

    在工业生产中,人们通过烟囱、排气筒等向高空排放各种废气。用于排放废气的烟囱和排气筒大都存在腐蚀问题,因此以往采用钢板制的烟囱或是要进行经常的繁琐的防腐处理,或是寿命极短需经常更换。这不但加重了企业的经济负担,并且也因防腐施工和更换施工严重地影响企业生产的连续性,从而影响企业的经济效益。过去曾有用昂贵的蒙古栎木或不锈钢作防腐结构,但也没有更多地延长烟囱的使用寿命。在日本造纸和冶炼业已普遍使用FRP结构作排气烟囱,FRP烟囱已成为FRP结构的一个重要应用。哈尔滨玻璃钢研究所从80年代初期开始从事玻璃钢烟囱的研制,近十多年来为我国的化工、化纤、冶金等行业研制了多个玻璃钢烟囱,如核工业部404厂国内最大的酸解罐烟囱、东北轻合金加工厂的Φ500 x 36000烟囱等,都取得了良好的经济效益和社会效益。在此,本文只介绍一下济南裕兴化工厂酸解烟囱的研制情况,因其涉及了FRP烟囱制造过程中的许多普遍间题。

    一、基本技术条件
    1.1 结构尺寸
    尺寸要求:圆度偏差:±7.5mm;
    直线度偏差:1 mm/m;
    垂直度偏差:1/1000。
    具体尺寸见下图。
玻璃钢烟囱设计图
    1.2 技术要求
    设计压力(MPa):烟囱段常压,弯管段0.3;工作压力(MPa):烟囱段常压,弯管段0.15;设计温度:瞬间180℃;正常工作温度:70℃;工作介质:0.65% H2SO4酸性水、酸雾;风载:设计风速25M/S;地震载荷:防震裂度7度。

    二、原材料选择
    根据产品的性能要求选择具有耐腐性、耐热性、机械性能好和价格便宜的树脂做为基体树脂,下图列出了几种树脂基体的力学性能。

 树脂基体力学性能

    原材料是产品性能质量的基础,根据烟囱性能要求,基体材料既具有耐排气温度和耐腐蚀性能,又要具有在大气中的耐老化,耐侯性。对于增强材料,国产无碱无捻粗纱及其制品已完全可以满足要求。

    三、设 计
    裕兴化工厂酸解烟囱的设计包括:结构力学、结构层次、工艺方案设计及其比较和筛选。
    3.1 结构设计
    从两个方面考虑:(1)根据轴向载荷和风载引起的弯矩进行产品设计;(2)根据烟囱纵向载荷和纵向弯矩来校核烟囱变截面的壁厚。
    玻璃钢管状烟囱可视为固支于地上的悬臂梁,承受的载荷主要是风载。风载引起轴向弯矩,得到烟囱的截面应是变截面的。烟囱顶部弯曲应力是零,纵向纤维量只须承受顶部轴向载荷,用量是很少的,依此计算的周向纤维用量是不够的,因此在烟囱顶部须根据横向载荷确定最小壁厚。烟囱承受的横向载荷是风载引起的,风载沿周向的分布不均匀,这个不均匀分布的风载使圆筒形结构受到周向弯矩和周向力,计算周向内力可确定周向纤维用量,即确定最小壁厚。根据烟囱纵向载荷和纵向弯矩的计算来校核烟囱变截面的壁厚,要使烟囱既不发生破坏,也不能因变形过大而不能使用。
    3.1.1 玻璃钢烟囱设计参数
    EL=36.4 GPa ET=15.2 GPa
    GLT=5.4 GPa rLT=0.3
    缠绕角α=55。
    FL=751 MPa FT=22.9 MPa
    τLT=16 MPa ρ玻璃钢=1.9 g/cm3  
    3.1.2 设计公式
     (1)周向力和周向弯矩的计算
    根据《工业民用建筑结构载荷规范TJ9-74》的内载分布计算周向纤维用量,当h/D=7时的各个角度的载荷分布系数。如下图。

 玻璃钢烟囱载荷分布系数图

    假定在各点给出系数的点位承受着集点风载。Pi=KIq(3.14/12)R式中,KI为各点的风压系数,q为风压取微元环。采用卡氏能量法,求得最大周向弯矩为:M MAX=0.454qR2,最大弯矩出现在迎风点上。
    根据纤维缠绕给定的周向许用应力[σ],计算最小壁厚为:
    t2=6MMAX/[δ]
    (2)纵向弯矩计算
    风载在烟囱上产生的横向载荷可以写成Pi=2.3x0.6xV2/16xD
    式中:2.3是动力系数,0.6是体形系数.V为风速,D为管径。先用等直杆计算的风载,求出最大弯距。载荷最大弯距在底部
    M MAX=Nδ/2+2.3x0.6xV2/16xDx1/2h2式中,N=(D2~d2)/4xhxρ;δ为允许挠度,按照这一弯距,从弯曲强度可以计算一个底部的壁厚。反回来,由底部管径增大,风载随之增大,现顶部管径以DU表示,底部以DL表示,沿高度作线性变化。载荷、弯距分布下图。

 玻璃钢烟囱载荷、弯距分布图

    由MMAX=Nδ/2+2.3 x 0.6 x V2/16 x(1/3Du+1/6DL) x h2公式计算烟囱X处的弯距Mx=N/2+2.3x0.6 x V2/16 x(1/3Du+1/6DL) xX2
    校核各截面处的筒壁壁厚。
    (3)稳定校核
    临界力为:Ncr=3.142 EJ/4h2
    对管形截面,J=3.14 R3t
    经过纵向弯距和临界力校核,得出烟囱各段壁厚。
    3.2 工艺设计
    3.2.1 铺层设计
    根据烟囱的使用情况,我们采用以下层次结构:(1)内防腐层:厚3mm,(2)结构层:厚度结构设计确定,(3)耐老化层:lmm。酸解烟囱在底部及弯管处首先接触罐中放出的高温气体,随着气体的上升、扩散,气体的浓度和温度急剧下降。因此在烟囱的不同部位,我们可以选用不同的材料,组成不同的层次结构,这才是最经济的。在烟囱直筒的上、中级相对温度较低,腐蚀介质的浓度也较低,内耐腐蚀层我们选用了酚醛型乙烯基础树脂,结构层选用了间苯型聚酯树脂。烟囱直筒下段集气器及弯管,我们选用了呋喃树脂,结构层选用的是双酚A型乙烯基酚树脂。
    3.2.2 成型工艺方案
    正确的成型工艺方案也是完成质量优良的产品的关键之一,成型工艺的关键是要保证产品尺寸精度和生产的可行性,成型直筒段我们主要控制垂直度和椭圆度,集气器和弯管我们要保证安装精度。直筒段和集气器是连续纤维缠绕成型,直筒的圆度由模具精度保证,垂直度要通过在圆筒回转固化后划线保证。弯管是由手糊法制造的,其尺寸精度仍然是由模具精度保证,并且在成型后要通过测量弯管各部的形位尺寸来检验精度是否满足要求,由于与烟囱相连接的部件,其位置都是由土建工程方法确定,不可能做到像机加工般的精确。因此在工艺上要考虑现场安装时的可调整性。
    烟囱各级的连接采用承插式连接,集气器与底座、与弯管及弯管写酸解罐间的连接采用法兰连接。

    四、 安 装
    烟囱的安装有其特殊性,因此要考虑设计比较适用的工装。抱干法可节约人力、时间、安全可靠,但是对用户自己安装的情况,也可采用常规的方法。总之,我们在设计、制造的过程中,也充分考虑了安装、运输问题,给出了确定的吊装位置。烟囱安装原则是从下向上逐层安装,首先将集气器安装固定就位,然后将烟囱的直筒段依次从下至上安装到顶部,直筒段安装完毕后再进行弯管的联接安装,由于为适应现场的位置精度,我们预留了可调的间隙,因此必须由现场技术人员配合安装。

    五、 结 论
    玻璃钢烟囱具有结构强度高、重量轻、耐腐蚀的优点,其制造工艺简便,质量容易保证,安装施工可以用传统的方法,也可以制造特殊的工装以提高效率,随着我国现代化建设发展和环保要求的严格化,其应用量将迅速扩大。

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