? ? 玻璃鋼煙囪作為FRP結(jié)構(gòu)制品近年在化工、冶金等行業(yè)廣泛采用，以國(guó)內(nèi)某化工廠FRP煙囪為范例，詳細(xì)敘述了該類(lèi)制品的設(shè)計(jì)、工藝及制造。
? ? 在工業(yè)生產(chǎn)中，人們通過(guò)煙囪、排氣筒等向高空排放各種廢氣。用于排放廢氣的煙囪和排氣筒大都存在腐蝕問(wèn)題，因此以往采用鋼板制的煙囪或是要進(jìn)行經(jīng)常的繁瑣的防腐處理，或是壽命極短需經(jīng)常更換。這不但加重了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，并且也因防腐施工和更換施工嚴(yán)重地影響企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性，從而影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。過(guò)去曾有用昂貴的蒙古櫟木或不銹鋼作防腐結(jié)構(gòu)，但也沒(méi)有更多地延長(zhǎng)煙囪的使用壽命。在日本造紙和冶煉業(yè)已普遍使用FRP結(jié)構(gòu)作排氣煙囪，F(xiàn)RP煙囪已成為FRP結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要應(yīng)用。哈爾濱玻璃鋼研究所從80年代初期開(kāi)始從事玻璃鋼煙囪的研制，近十多年來(lái)為我國(guó)的化工、化纖、冶金等行業(yè)研制了多個(gè)玻璃鋼煙囪，如核工業(yè)部404廠國(guó)內(nèi)最大的酸解罐煙囪、東北輕合金加工廠的Φ500 x 36000煙囪等，都取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在此，本文只介紹一下濟(jì)南裕興化工廠酸解煙囪的研制情況，因其涉及了FRP煙囪制造過(guò)程中的許多普遍間題。
? ??一、基本技術(shù)條件
? ? 1.1 結(jié)構(gòu)尺寸
? ? 尺寸要求：圓度偏差：±7.5mm；
? ? 直線度偏差：1 mm/m；
? ? 垂直度偏差：1/1000。
? ? 具體尺寸見(jiàn)下圖。
? ? 1.2 技術(shù)要求
? ? 設(shè)計(jì)壓力（MPa)：煙囪段常壓，彎管段0.3;工作壓力（MPa）：煙囪段常壓，彎管段0.15;設(shè)計(jì)溫度：瞬間180℃；正常工作溫度：70℃；工作介質(zhì)：0.65% H2SO4酸性水、酸霧；風(fēng)載：設(shè)計(jì)風(fēng)速25M/S;地震載荷：防震裂度7度。
? ??二、原材料選擇
? ? 根據(jù)產(chǎn)品的性能要求選擇具有耐腐性、耐熱性、機(jī)械性能好和價(jià)格便宜的樹(shù)脂做為基體樹(shù)脂，下圖列出了幾種樹(shù)脂基體的力學(xué)性能。
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? ? 原材料是產(chǎn)品性能質(zhì)量的基礎(chǔ)，根據(jù)煙囪性能要求，基體材料既具有耐排氣溫度和耐腐蝕性能，又要具有在大氣中的耐老化，耐侯性。對(duì)于增強(qiáng)材料，國(guó)產(chǎn)無(wú)堿無(wú)捻粗紗及其制品已完全可以滿(mǎn)足要求。
? ??三、設(shè) 計(jì)
? ? 裕興化工廠酸解煙囪的設(shè)計(jì)包括：結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)層次、工藝方案設(shè)計(jì)及其比較和篩選。
? ? 3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
? ? 從兩個(gè)方面考慮:(1)根據(jù)軸向載荷和風(fēng)載引起的彎矩進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)；(2)根據(jù)煙囪縱向載荷和縱向彎矩來(lái)校核煙囪變截面的壁厚。
? ? 玻璃鋼管狀煙囪可視為固支于地上的懸臂梁，承受的載荷主要是風(fēng)載。風(fēng)載引起軸向彎矩，得到煙囪的截面應(yīng)是變截面的。煙囪頂部彎曲應(yīng)力是零，縱向纖維量只須承受頂部軸向載荷，用量是很少的，依此計(jì)算的周向纖維用量是不夠的，因此在煙囪頂部須根據(jù)橫向載荷確定最小壁厚。煙囪承受的橫向載荷是風(fēng)載引起的，風(fēng)載沿周向的分布不均勻，這個(gè)不均勻分布的風(fēng)載使圓筒形結(jié)構(gòu)受到周向彎矩和周向力，計(jì)算周向內(nèi)力可確定周向纖維用量，即確定最小壁厚。根據(jù)煙囪縱向載荷和縱向彎矩的計(jì)算來(lái)校核煙囪變截面的壁厚，要使煙囪既不發(fā)生破壞，也不能因變形過(guò)大而不能使用。
? ? 3.1.1 玻璃鋼煙囪設(shè)計(jì)參數(shù)
? ? EL＝36.4 GPa ET=15.2 GPa
? ? GLT=5.4 GPa rLT＝0.3
? ? 纏繞角α＝55。
? ? FL=751 MPa FT=22.9 MPa
? ? τLT＝16 MPa ρ玻璃鋼＝1.9 g/cm3
? ? 3.1.2 設(shè)計(jì)公式
? ? ?(1)周向力和周向彎矩的計(jì)算
? ? 根據(jù)《工業(yè)民用建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范TJ9-74》的內(nèi)載分布計(jì)算周向纖維用量，當(dāng)h/D=7時(shí)的各個(gè)角度的載荷分布系數(shù)。如下圖。
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? ? 假定在各點(diǎn)給出系數(shù)的點(diǎn)位承受著集點(diǎn)風(fēng)載。Pi＝KIq（3.14/12）R式中，KI為各點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)，q為風(fēng)壓取微元環(huán)。采用卡氏能量法，求得最大周向彎矩為：M MAX＝0.454qR2，最大彎矩出現(xiàn)在迎風(fēng)點(diǎn)上。
? ? 根據(jù)纖維纏繞給定的周向許用應(yīng)力[σ]，計(jì)算最小壁厚為：
? ? t2＝6MMAX/[δ]
? ? （2）縱向彎矩計(jì)算
? ? 風(fēng)載在煙囪上產(chǎn)生的橫向載荷可以寫(xiě)成Pi=2.3x0.6xV2/16xD
? ? 式中：2.3是動(dòng)力系數(shù)，0.6是體形系數(shù)．V為風(fēng)速，D為管徑。先用等直桿計(jì)算的風(fēng)載，求出最大彎距。載荷最大彎距在底部
? ? M MAX＝Nδ/2＋2.3x0.6xV2/16xDx1/2h2式中，N=（D2~d2）/4xhxρ；δ為允許撓度，按照這一彎距，從彎曲強(qiáng)度可以計(jì)算一個(gè)底部的壁厚。反回來(lái)，由底部管徑增大，風(fēng)載隨之增大，現(xiàn)頂部管徑以DU表示，底部以DL表示，沿高度作線性變化。載荷、彎距分布下圖。
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? ? 由MMAX＝Nδ/2＋2.3 x 0.6 x V2/16 x（1/3Du＋1/6DL) x h2公式計(jì)算煙囪X處的彎距Mx＝N/2＋2.3x0.6 x V2/16 x（1/3Du＋1/6DL) xX2
? ? 校核各截面處的筒壁壁厚。
? ? (3)穩(wěn)定校核
? ? 臨界力為：Ncr＝3.142 EJ/4h2
? ? 對(duì)管形截面，J=3.14 R3t
? ? 經(jīng)過(guò)縱向彎距和臨界力校核，得出煙囪各段壁厚。
? ? 3.2 工藝設(shè)計(jì)
? ? 3.2.1 鋪層設(shè)計(jì)
? ? 根據(jù)煙囪的使用情況，我們采用以下層次結(jié)構(gòu)：(1)內(nèi)防腐層：厚3mm，(2)結(jié)構(gòu)層：厚度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定，(3)耐老化層：lmm。酸解煙囪在底部及彎管處首先接觸罐中放出的高溫氣體，隨著氣體的上升、擴(kuò)散，氣體的濃度和溫度急劇下降。因此在煙囪的不同部位，我們可以選用不同的材料，組成不同的層次結(jié)構(gòu)，這才是最經(jīng)濟(jì)的。在煙囪直筒的上、中級(jí)相對(duì)溫度較低，腐蝕介質(zhì)的濃度也較低，內(nèi)耐腐蝕層我們選用了酚醛型乙烯基礎(chǔ)樹(shù)脂，結(jié)構(gòu)層選用了間苯型聚酯樹(shù)脂。煙囪直筒下段集氣器及彎管，我們選用了呋喃樹(shù)脂，結(jié)構(gòu)層選用的是雙酚A型乙烯基酚樹(shù)脂。
? ? 3.2.2 成型工藝方案
? ? 正確的成型工藝方案也是完成質(zhì)量?jī)?yōu)良的產(chǎn)品的關(guān)鍵之一，成型工藝的關(guān)鍵是要保證產(chǎn)品尺寸精度和生產(chǎn)的可行性，成型直筒段我們主要控制垂直度和橢圓度，集氣器和彎管我們要保證安裝精度。直筒段和集氣器是連續(xù)纖維纏繞成型，直筒的圓度由模具精度保證，垂直度要通過(guò)在圓筒回轉(zhuǎn)固化后劃線保證。彎管是由手糊法制造的，其尺寸精度仍然是由模具精度保證，并且在成型后要通過(guò)測(cè)量彎管各部的形位尺寸來(lái)檢驗(yàn)精度是否滿(mǎn)足要求，由于與煙囪相連接的部件，其位置都是由土建工程方法確定，不可能做到像機(jī)加工般的精確。因此在工藝上要考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的可調(diào)整性。
? ? 煙囪各級(jí)的連接采用承插式連接，集氣器與底座、與彎管及彎管寫(xiě)酸解罐間的連接采用法蘭連接。
? ??四、 安 裝
? ? 煙囪的安裝有其特殊性，因此要考慮設(shè)計(jì)比較適用的工裝。抱干法可節(jié)約人力、時(shí)間、安全可靠，但是對(duì)用戶(hù)自己安裝的情況，也可采用常規(guī)的方法。總之，我們?cè)谠O(shè)計(jì)、制造的過(guò)程中，也充分考慮了安裝、運(yùn)輸問(wèn)題，給出了確定的吊裝位置。煙囪安裝原則是從下向上逐層安裝，首先將集氣器安裝固定就位，然后將煙囪的直筒段依次從下至上安裝到頂部，直筒段安裝完畢后再進(jìn)行彎管的聯(lián)接安裝，由于為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的位置精度，我們預(yù)留了可調(diào)的間隙，因此必須由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員配合安裝。
? ??五、 結(jié) 論
? ? 玻璃鋼煙囪具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，其制造工藝簡(jiǎn)便，質(zhì)量容易保證，安裝施工可以用傳統(tǒng)的方法，也可以制造特殊的工裝以提高效率，隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展和環(huán)保要求的嚴(yán)格化，其應(yīng)用量將迅速擴(kuò)大。
