烟囱钢内筒整体内衬杂化聚合结构层防腐系统

修立杰，王晓非，李少平，王震宇，王云朋

(1.宁夏京能宁东发电有限责任公司，银川市750400;2.国家金属腐蚀控制工程技术研究中心(中国科学院)，沈阳市110016;3.顾德(大连)新材料科技发展有限公司，辽宁省大连市116023)

0 引言

在当前日益紧迫的环保形势下，新建火力发电厂的燃煤机组一般都按石灰石－石膏湿法脱硫、无旁路烟道、无烟气换热器(gas gas heater，GGH)的型式配置。脱硫后的湿饱和烟气中含有等腐蚀性离子和液滴，是一种腐蚀强度高、渗透性强，且较难防范的低温高湿稀酸型强腐蚀气体，对烟囱的危害很大［1］。因此，烟囱腐蚀的根源未能消除，其防腐层如果不能有效防止酸液的侵蚀和渗透(即使仅有一点发生渗漏)，就难以避免严重腐蚀。文献［2］提出了轻质玻化陶瓷砖复合防腐方案，但该方案仅适用于单筒钢筋混凝土烟囱的改造;文献［3］提出了乙烯基酯玻璃鳞片防腐方案，要求施工时必须保证环境温度不低于35℃，否则难以保证防腐层的固化质量和使用寿命;文献［4］提出了镍基及钛合金方案适用于新建烟囱的防腐，但在已建成的钢内筒上目前还难以应用;文献［5］对烟囱防腐方案进行了比较，对新建烟囱的选型优先推荐玻璃钢内管。由于已建成的烟囱钢内筒难以适用玻璃钢内筒和钛钢板内筒方案，本文以研发、应用新材料与新工艺为切入点，提出整体内衬杂化聚合结构层防腐系统，使钢内筒的防腐层具备良好的抗腐蚀性、抗渗透性、耐温变性、与钢材接近的热膨胀性能、较好的工艺适应性以及较高的粘结强度和可靠的耐高温度性能。

1 关键技术和创新点

烟囱钢内筒整体内衬杂化聚合结构层防腐系统是由杂化聚合结构层与喷铸工艺相组合而构成的防腐系统。该系统基于杂化聚合结构层的可靠性能，应用杂喷工艺将其整体喷铸在钢内筒上，使烟囱内壁形成完全隔绝酸液的整体衬层，且该衬层与钢内筒牢固结合为一体。其中包含的人、机、料、法、环等环节必须达标，才能达到可靠、耐久的防腐性能。该系统的关键技术是杂化聚合结构层技术，将杂化聚合物喷铸到钢内筒上，通过“三线四孔”制杂喷工艺，形成钢基体+底涂层+杂化聚合结构层+耐磨面层的完整内衬层，使钢筒内壁完全处于防腐层的保护之下。该系统的创新点可表述为:

(1)杂化聚合物的网络结构是通过醚键连接的700多个交联点的环状立体网络结构。由于不含羟基、酯基等薄弱基团［6］，因而具有很强的抗腐蚀性和柔韧性，能长期耐40～180℃、浓度1% ～50%的硫酸液或硫酸汽的腐蚀破坏，其抗腐蚀性能如图1所示。

(2)杂化聚合物纳米封孔面层具备致密的杂化交联和表面封孔结构。检测表明:杂化聚合物纳米封孔面层的吸水率为0.3%，水蒸汽的渗透系数为3.4 ×10－15g·cm/(cm2·s·Pa)，可以有效抵制湿烟气的渗透破坏。

图1 40～150℃硫酸液、汽环境中进行加速试验后，杂化聚合材料与其他耐温聚合物的表面形貌对比Fig.1 Surface topography comparison between hybrid polymeric material and other thermostable polymers after accelerated test in 40～150℃sulfuric acid liquid/vapor

(3)“三线四孔”制杂喷工艺可以实现连续机械化施工，而且可实现常温固化。其量化可控的优点与便捷性降低了全部依靠人工涂刷的质量缺陷率，使防腐结构层的厚度可以很容易达到3 mm以上，并且仍然保持较高的结构强度和柔韧性。研究试验与工业应用结果表明，在烟囱钢内筒上喷铸整体防腐层时，厚度以不超过3 mm为宜，过厚的防腐层难以达到理想的热膨胀系数，与钢基体结合后在高温场合下的整体强度反而下降。杂化聚合物固化速率的DSC热分析过程如下:利用美国示差热分析仪(Perkin-Elmer)分析材料固化程度和玻璃化温度，加热速率分为5℃/min和10℃/min这2种，分析结果如图2所示。由图2可知:杂化聚合物在不同升温速率下的固化转化率不同，较慢的升温速率有利于提高转化率，升温速率为5℃/min时转化率最高。当升温到60℃时，用时7 min，其转化率已达到50%;当温度达到90℃时，用时13 min，其转化率已达到98%，接近完全固化。这表明该杂化聚合物在常温下经过一段时间也可完全固化。工业应用与检测结果表明，该杂化聚合物在25℃下5 h内即可表干固化，24 h内即可达到实干固化［6］，现场应用中允许的最低环境温度为5℃。

图2 不同升温速率条件下，杂化聚合材料的转化率曲线Fig.2 Conversion rate curves of hybrid polymeric material at different heating rates

(4)杂化聚合物具有与钢基体较接近的热膨胀系数。由于热膨胀性能与钢材接近，且底涂层的粘接强度高。这一特点保证了杂化聚合结构层在烟囱钢内筒上的牢固性。施工完成后，防腐层与钢内筒结合成为一体，保持与钢内筒同时膨胀而不分离。按照ASTM C633－01要求，设计工装设备，结果如图3所示。用杂化聚合物把2个25 mm的钢棒从端面粘接起来，装入拉伸工装设备中，然后在日本岛津公司AG－5000A拉伸试验机上进行拉伸实验。实验测得杂化聚合物与钢材的粘接强度大于12 MPa。

图3 测量结合强度的工装Fig.3 Tooling of measuring bonding strength

(5)可适应故障烟温180℃时的极端工况。对普通玻璃钢材料而言，随着温度的升高，其结构性能下降很快。聚脂玻璃钢在45～50℃以上，环氧玻璃钢在60℃以上时，其强度就已经开始下降［7］。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℃，而杂化聚合结构层的玻璃化温度为200℃，在200℃以下时，具有优异的力学性能。在温度为180℃时，25%填充物的杂化聚合物的弹性模量可达5.7 GPa，完全能够适应烟温异常升高的极端工况，从而保证钢内筒的长期安全运行。

(6)杂化聚合结构层整体喷铸工艺的适应性好，能够连续施工作业，在钢内筒表面形成连续、完整、无缝的防腐内衬。施工过程中无接缝，保证了防腐层成为一个整体，最终将钢内筒完全包覆，起到良好的保护作用。

2 调研与论证情况

目前，国内脱硫烟囱应用的防腐方案较多，但适用于钢内筒防腐的既安全可靠又经济可行的方案却不多。脱硫烟囱的防腐方案可分为合金类(钛钢板、镍基合金钢板、耐硫酸露点钢板等)、砌块类(泡沫玻璃砖、耐酸陶瓷砖、泡沫玻化砖等)、涂料类、胶泥类、玻璃钢类、整体浇注料等［8-11］。此外，近年来出现的新型技术方案有拼板玻璃钢、焊接聚四氟乙烯、整体杂化聚合结构层技术等。

(1)经过深入调研，发现泡沫玻璃砖砌体类防腐方案存在的问题有:

1)在湿饱和烟气的长期侵蚀下，泡沫体砌块抵抗湿烟气渗透的能力有限，难以抵制冷凝酸液的渗入。

2)就防腐要求而言，砌块内衬绝不是简单的堆砌，必须保证全部砌缝内胶粘剂的密实饱满，但实际施工中，砌缝的总长度达到数 km，很难达到全部密实，即使存在一个点的不密实也会造成酸液渗漏。

3)在钢内筒底板处、内筒壁的安装圈处等部位容易汇集酸液，尤其以底板处最为严重，造成砌块长期浸泡在酸液中，砌缝处难以保证严密不漏。

(2)泡沫玻化砖内衬是国内烟囱防腐蚀设计的主流方案，在国外也有超过10年的安全应用案例。但由于有的施工现场没有配套以科学、严格的检查和验收手段，仅仅是简单地模仿国外同类产品，加之部分厂商采取了低价投标、施工过程中偷工减料的手段，使泡沫玻化砖内衬的防腐质量得不到保证，导致部分烟囱出现了严重腐蚀。

(3)玻璃鳞片、聚脲存在的主要问题是防腐材料与钢内筒基体结合后的力学性能较差，投运后不能避免局部剥离，使防腐层的运行寿命较短。

(4)可焊接聚四氟乙烯耐腐蚀性能、耐高温性能及耐高低温激变性能均非常优异，使用寿命长，理论上是适应目前国内电厂运行状况和烟囱防腐工况的理想材料，但由于目前还处于研发阶段，尚未得到工业应用。

(5)整体玻璃钢烟囱在国外已经有诸多成功案例，如美国 P4电厂(Pleasant Prairie power plant)的2个直径8.1m的纤维增强复合塑料 (fiber reinforced polymer，FRP)内筒、英国 Egg borough Power Station的2个184m高的FRP内筒、日本关西电力南港发电厂的3个FRP内筒烟囱等［12］，是较经济可行的防腐方案。但在已经建成的钢内筒烟囱上进行整体玻璃钢烟囱改造，就必须全部拆除原来的钢内筒，改造施工的代价较高。新建烟囱选用整体玻璃钢烟囱方案需要在初步设计时就做好总体规划，以保证后续施工图设计的合理。

3 与国内外已有技术方案的对比

在烟囱钢内筒的防腐方案设计中，整体玻璃钢内筒、钛钢板内筒更适用于新建烟囱的选型与实施。对于已经施工完成的钢内筒，选用整体玻璃钢内筒或钛钢板内筒就意味着必须拆除原来的钢内筒。为此，烟囱钢内筒防腐一般均选用性能可靠的砌块类或涂层类防腐方案，例如已经得到大量应用的泡沫玻化砖防腐、宾高德防腐系统［13］等。烟囱钢内筒整体内衬杂化聚合结构层防腐系统与这些防腐技术相比，在材料技术和施工工艺上具有明显的创新性，是根据烟囱防腐的特点开发研制的新型技术。该材料经过了国家玻璃钢质量检测中心、国家塑料质量检测中心与国家建筑材料测试中心的检测，具备比较优异的防腐性能。对照烟囱钢内筒防腐的实际需要，各产品的性能对比如表1所示。

表1 脱硫烟囱防腐方案性能对比Tab.1 Comparison of anticorrosion performance in desulfurization chimney

4 烟囱防腐的全寿命周期质量管理

烟囱防腐的特点是:一旦施工完成，就很难对施工质量进行无损检测;一旦机组投入运行，就很难及时对内部防腐层的运行情况进行诊断，为此，必须建立完善的质量管理体系。完善的烟囱防腐质量管理系统不但要进行严格的工艺管理，在施工阶段保证实体质量，还要注重烟囱投入运行后的质量管理，实现全寿命周期质量管理。基于这一理念，整体内衬防腐内衬系统应用了在线监测技术，通过在线监测设备进行防腐内衬的实时监测，在烟囱的全寿命周期内实施质量管理。

烟囱防腐在线监视设备可实现对烟囱内部防腐层运行状况的实时监测，当发现腐蚀倾向时实时反映在监控画面上，便于及时采取应对措施。其原理是:在防腐层内埋置高分子硫酸根离子感应器，对烟囱各重要部位进行有针对性的监测，根据各监测点的状态了解烟囱的整体运行情况。

根据监控画面的警示信号可以判断腐蚀部位，便于检查人员现场确认。对误报信号可以进行及时消除;对确定已发生腐蚀的情况，便于及时研究对策，防止发生严重腐蚀。烟囱防腐在线监视系统的准确性取决于硫酸根离子感应器的安装位置与数量，可以根据监测需要有针对性地布置监测点。

需要注意的问题是:

(1)决不能把烟囱防腐后的整体可靠性与杂化聚合物材料的优良性能等同对待。由于烟囱防腐施工是一个动态的质量控制过程，必须严格控制质量瑕疵或缺陷的存在。孔隙、夹渣、欠固化等质量缺陷往往容易造成防腐层的局部破坏，引起筒壁腐蚀。

(3)烟囱钢内筒防腐的成败取决于材料性能与施工质量。必须保证施工全过程的人、机、料、法、环等5个环节在同一时间、同一空间都达到质量控制标准要求，才能保证最终的总体质量与性能。必须在原料的检验、贮存与使用、钢基体的处理、杂化层的喷铸与固化、施工人员的管理与工艺操作、各道工序的验收等方面严格把关。

(3)必须重点做好烟囱底板的基层处理与防腐处理，防止因清洁不净、底板污染、杂化层存在孔隙等而造成酸液渗入。

(4)烟囱入口的膨胀节虽然不属于烟囱防腐范围，但却是烟道防腐蚀的薄弱环节，是最容易漏酸液的部位，进行烟道防腐与烟囱防腐时必须同时做好膨胀节接口部位的处理。

(5)必须根治质量通病。对钢内筒基体处理不彻底、阴角部位底涂层覆盖不匀、杂化层不密实等质量通病制定有针对性的防治措施，明确严格的检查与验收标准，从而保证防腐层的整体施工质量与细部工艺。

(6)必须严格控制环境温度与湿度。杜绝冬季与雨季抢工，防止杂化层的粘接强度、固化速度偏离标准的允许范围而造成防腐性能显著降低。

(7)必须严格保证合理工期，杜绝压缩进度和连续抢工。由于杂化层的固化速度受环境影响比较大，环境温度低或湿度大时固化时间相应延长，必然导致工期的延长。此时如果再压缩进度就必然导致固化不完全，直接影响到防腐层的使用寿命。

(8)必须保证烟囱运行期间烟气处理的达标，杜绝高硫烟气进入烟囱。应将脱硫后烟气的环保指标作为技术监督的预警指标，强化监督力度，保证烟气的达标排放，防止烟囱防腐层长时间受到过强腐蚀性的湿饱和烟气的侵蚀。

5 结论

(1)烟囱钢内筒整体内衬杂化聚合结构层防腐系统结合了杂化聚合结构层与“三线四孔”制杂喷工艺，在筒壁上形成了耐高温、耐腐蚀、耐老化、牢固的、完全包履筒壁的防腐层。

(2)杂化聚合结构层可实现常温固化，施工时允许的环境最低温度可达5℃，有利于现场施工;环境温度高时固化速率更快。

(3)杂化聚合结构层的玻璃化温度为200℃，能够适应烟温异常升高的极端工况，提高了烟囱防腐的可靠性。

(4)杂化聚合结构层的厚度以不超过3 mm为宜，防腐层过厚时不利于降低热膨胀应力。

(5)必须配套以严格的施工质量管理措施，保证料、法、人、机、环等环节在同一时间、同一空间均达到质量控制标准，才能保证防腐质量。

(6)杂化聚合结构层技术也适用于脱硫吸收塔入口干湿界面防腐、脱硫管道防腐等场合。

［1］杨学忠，张大厚.燃煤电厂烟气脱硫系统的腐蚀与防腐技术:脱硫烟囱的腐蚀与防腐技术［C］//第四届中国国际腐蚀控制大会技术推广文集.萧县:第四届中国国际腐蚀控制大会(CICC2009)组委会，2009:197-200.

［2］陈镜伊.轻质玻化陶瓷砖复合防腐方案在单筒钢筋混凝土脱硫烟囱改造工程中的应用［J］.电力建设，2011，32(8):95-98.

［3］陈建兵.乙烯基酯玻璃鳞片涂料在烟囱钢内壁防腐中的应用［J］.电力建设，2006，27(7):54-60.

［4］张爽.镍基及钛合金在湿法脱硫钢烟囱防腐中的应用［J］.电力建设，2005，26(9):62-0.

［5］沈利，朱云水，赵宁宁.1 000MW燃煤机组湿烟囱防腐方案［J］.电力建设，2013，34(12):82-85.

［6］王震宇.杂化聚合结构材料的引进与创新应用研究［C］//2009年火力发电厂脱硫烟囱防腐技术研讨会论文集.上海:中国电力工程顾问集团，2009:10-15.

［7］杨小兵，田树桐，马申，等.燃煤电厂玻璃钢内筒套筒式烟囱设计［J］.武汉大学学报:工学版，2007，40(10):451-454.

［8］罗俊峰，祝红山.脱硫烟囱防腐技术及方案比选［J］.能源技术与管理，2009(4):125-126.

［9］张焱明.简析国内外烟囱防腐技术［C］//第四届中国国际腐蚀控制大会技术推广文集.萧县:第四届中国国际腐蚀控制大会(CICC2009)组委会，2009:222-243.

［10］唐健，张焱明.我国脱硫烟囱腐蚀控制材料的选型与检测方法［C］//第四届中国国际腐蚀控制大会技术推广文集.萧县:第四届中国国际腐蚀控制大会(CICC2009)组委会，2009:260-266.

［11］宋景阳，龙辉.排放湿烟气烟囱的钢内筒设计探讨［J］.中国电力，2006，39(2):92-94.

［12］杨小兵，马申，田树桐，等.玻璃钢在燃煤发电厂烟囱中的应用研究［J］.武汉大学学报:工学版，2008，41(7):206-211.

［13］靳庆新.宾高德系统性能及电厂烟囱防腐应用简介［C］//第四届中国国际腐蚀控制大会技术推广文集.萧县:第四届中国国际腐蚀控制大会(CICC2009)组委会，2009:219-221.