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摘要：为节省投资并到达环保排放指标，工厂自备电厂常采用不带GGH的湿法脱硫工艺。文章基于作者设计的大型玻璃钢内筒套筒式烟囱（75/Φ3m），从结构总体布置、结构模型简化与计算、FRP内筒结构设计、铺层与材料设计、试验验证、连接构造等方面系统的阐述了玻璃钢烟囱的设计方法，并对需要注意的问题进行重点说明。
关键词：电厂；玻璃钢；衬里；烟囱；
前言
当前普遍采用不设烟气加热系统的湿法脱硫工艺，使排入烟囱的烟气温度在50℃左右，湿烟气在烟囱内结露形成冷凝酸液，对烟囱的腐蚀性大大加强，给烟囱结构型式和内衬材料防腐性能提出了更高要求。笔者在天津某工厂能源中心一二期脱硫设计工程中，进行了75/Φ3m整体缠绕式玻璃钢内筒套筒式烟囱的设计，并已投入使用5年，运行状态良好。
1烟囱结构总体布置
玻璃钢 Fiberglass Reinforced Plastic，玻璃纤维增强塑料，缩写为FRP是由增强材料玻璃纤维和基体树脂组成的复合材料，其特点是轻质、纤维。方向强度高、刚度小。玻璃钢的密度介于1500～2000kg/m3，为普通碳钢的1/4～1/ 5，比普通混凝土略低。玻璃钢的弹模较低，为3～30GPa，是一般结构钢的1/100～1/10。包括玻璃钢在内的各种复合材料被广泛用于结构加固、组合结构、大跨和空间结构中。
玻璃钢内筒一般分节在现场缠绕加工，缠绕时在环向或螺旋方向采用缠绕纱，轴向采用单向布增强，安装时再将各节手糊连接，节点处轴向抗拉强度往往难以保证，因此，结构布置时应尽量避免玻璃钢内筒轴向承受较大的拉力。考虑到以上特点，较高的玻璃钢内筒不宜采用整体自立式和整体悬挂式。在本文实例工程中，玻璃钢内筒全高约60m，顶标高75m，支撑于固定在外筒混凝土烟囱的钢结构平台上，底部不落地，支点上部高度为34.5m，下部高度为13m。烟囱结构布置见图1。
图1 烟囱布置图
2玻璃钢内筒设计
目前，国内已有成熟的玻璃钢材料试验标准，一些定型产品如压力容器、水箱、撑杆等也有相应的技术标准，在结构设计方面，可以参考化工行业的标准《玻璃钢化工设备设计规定》（HG/T20696-1999），具体到燃煤电厂烟囱，则可以参考美国试验与材料学会的标准ASTMD 5364-93或其他国外标准。
2.1荷载导算及内筒结构计算
内筒恒载包括玻璃钢筒体、外表面保温及加强圈等附属构件，换算到玻璃钢筒体，其等效容重可按23kN/m3考虑。除结构自重外，还应根据运行条件，适当考虑内筒内表面积灰荷载。积灰荷载可按整个内表面积灰7.0kg/m2考虑。
2.2 内筒结构计算
玻璃钢内筒的内力计算与钢内筒相同，应考虑温度、环向压力、自重、水平烟道推力及外筒的影响。外筒影响按变形协调计算外筒在风、地震、地基倾斜、日照温差等作用下平台节点处强制位移引起内筒各截面的内力，计算及工况考虑可以按照相关烟囱规范计算。
玻璃钢内筒本身的计算包括如下几个方面：
（1）筒身强度计算
FRP结构性能参数受产品配方、成型工艺及条件、使用环境等众多因素影响，相关参数变异性很大，国内对其强度计算一般根据经验取一个较大的安全系数（7～15），按允许应力法来验算。ASTMD5364293基于美国规范，给出了基于概率极限状态设计方法的分项系数设计表达式。
（2）筒身加强圈计算
为保证FRP内筒的整体稳定及确保筒身出现极限正/负压时内筒环向承载力，FRP内筒一般设置等间距（L）环向加强圈。规定L不大于1.5倍内筒直径和8m中的较小值。则对钢内筒规定加强圈最大间距为1.5倍内筒直径和7.5m中的较小值。对一般电厂烟囱，加强圈间距可取为4～6m。加强圈的截面根据烟囱在负压时稳定计算和正/负压时承载力计算确定。计算时注意弹模也应视同材料抗力考虑折减系数。
2.3内筒铺层及材料设计
根据FRP内筒承载力计算，提出FRP应该满足的结构性能参数，再根据目标参数进行FRP铺层设计。铺层设计应充分考虑到材料性能和加工成型条件。
内筒设计时，根据烟囱的运行条件，对国内外主要树脂和玻璃纤维产品进行了综合比较，最后对玻璃钢内筒主要构件的树脂采用ASHLAND公司DERAKANE470H T2400耐高温环氧乙烯基酯树脂，增强材料则根据需要和成型工艺采用ECR型玻璃纤维短切毡、面毡、单向布和缠绕纱。成型根据构件形状采用现场缠绕或糊制。本文实例工程FRP筒壁各层构成和要求如下（详见图2）。
图2 FRP筒壁铺层结构
（1）防腐蚀隔离层：DERAKANE 470HT-400环氧乙烯基酯树脂，MC（ECR）450-1040型短切毡3层糊制，总厚度不小于2.5mm。防腐隔离层内侧应采用碳纤维毡和导静电剂设置不小于0.25mm厚的静电释放层。
（2）结构层：DERAKANE470HT-400环氧乙烯基酯树脂，增强材料为DW（ECR）430-630单向布、ECR469L-2400-D缠绕纱，总厚度不小于16mm。制作时采用轴向单向布和环向缠绕纱交替布置的方式进行。结构层中玻璃纤维含量按重量计应在55%～70%之间。
（3）外保护层：DERAKANE470HT-400环氧乙烯基酯树脂，增强材料为MC（ECR）450-1040型短切毡1层，厚度约0.3～0.8mm。
FRP材料的导热系数约为0.2～0.4W/ （m·K），保温性能比珍珠岩和玻璃棉等保温材料差很多，但略优于轻骨料混凝土，可根据温度计算确定是否需要设置外保温层。
2.4 FRP内筒连接设计
本文实例工程内筒采用分段自立式，在每段FRP内筒下部设置支承圈，通过钢结构平台上的环形抱箍将载荷均匀地传至外筒上。设计时应通过计算确保支撑圈的刚度。在每段止晃平台上设置止晃点确保内筒能在竖向自由滑动，滑动行程根据温度计算确定。玻璃钢的热膨胀系数在0.7～6×10-5/℃，最大可达混凝土和钢材的5倍。建议滑动行程在计算的基础上增加30%的余量。
3需要注意的问题
3.1 FRP耐温耐老化性能
FRP在低温下有优异的耐腐性能和结构性能，但随着温度的升高，其结构性能衰减很快。一般玻璃钢不能在高温下长期使用，如聚酯玻璃钢在40～50℃以上，环氧玻璃钢在60℃以上强度就开始下降。ASTM规范适用的温度范围为正常运行温度不高于93℃、短时异常高温不高于121℃。对耐温性能较好的乙烯基酯不饱和聚酯玻璃钢最高设计温度为120℃。在设计中，当环境温度可能超出常规适用范围时，应选用耐高温的树脂材料，并根据高温试验对FRP材料抗力作更多的折减。由于FRP材料性能的变异性，每个工程只有在成型后才有确定的参数，因此，应采用与FRP筒身等条件下的试件进行高温性能测试，并据此对FRP烟囱进行核算。
一般FRP材料在长期使用过程中会出现光泽减退、颜色变化、树脂脱落、纤维裸露、分层等老化现象，严重影响到FRP结构的耐腐性能和结构性能。因此，FRP材料选用时，应选用有成熟使用案例的品质好的树脂材料。
3.2 FRP烟囱的施工质量控制
烟囱的各项性能很大程度上取决于施工质量，包括材料的储存、使用、成型工艺、固化等。因此，必须在FRP烟囱整个加工过程建立全过程质量保证体系，严密组织，认真实施。
4结语
通过这次尝试，笔者觉得还有较多的问题有待解决：
（1）应探索包括结构设计、材料选用、工艺设计、安装设计在内全过程设计和质量保证体系。FRP烟囱设计涉及到复合材料、结构设计和施工等各方面的问题，设计单位和FRP材料加工单位相关各方应密切配合，互为依托，建立全过程设计体系，确保FRP烟囱的安全性和耐久性。
（2）对FRP烟囱的理论研究和工程实践有待加强。FRP复合材料作为一种新型的高性能材料和传统的建筑材料相比在某些方面有着独特的优势，在电力行业的应用前景十分广阔，我们应加强研究和尝试，不断开拓设计的新思路，探索更优的设计产品。
参考文献：
[1]叶列平，冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报，2006（03）
[2]HG/T20696-1999玻璃钢化工设备设计规定[S]
[3]GB50051-2002烟囱设计规范[S]