FRP 复合材料在脱硫防腐蚀领域的应用前景

来源:国际复材技术商情

发布时间:2020年4月14日上午 10:04:32

——访中冶集团建筑研究总院教授级高级工程师张大厚先生
 
 
腐蚀是一种不同于机械损坏的对金属或非金属材料及制品的一种损坏现象。腐蚀同样破坏力极强,却因悄然无息,容易被人忽视。伴随着国家不断加大对基础设施建设的投入,对环保节能要求的提高,如何规范防腐蚀设计,合理选择耐蚀材料和防腐蚀方法,准确对防腐蚀工程项目进行管理及监理检测,直接决定着中国工业工程水平。
 
近期,本刊对中冶集团建筑研究总院教授级高级工程师张大厚先生(以下简称张工)就玻璃钢FRP复合材料在脱硫防腐蚀领域的应用情况、材料优势、使用安全及未来前景等问题进行了专访。
 
张大厚先生长期从事防腐蚀材料及其应用技术研发。自2002年开始,为燃煤发电厂提供脱硫系统的防腐蚀技术服务;2005年开始在国内推广脱硫烟囱用玻璃钢内筒,先后为数十座脱硫烟囱的防腐蚀改造项目提供技术服务,均取得了优异的效果,深受燃煤发电企业信赖和好评;在2009年4月召开的第四届中国国际腐蚀控制大会上,被中国化工企业管理协会和中国工业防腐蚀技术协会联合授予“防腐蚀大师”的称号。
 
本刊:请您介绍一下为什么我们要防腐?工业腐蚀现状和腐蚀带来的危害有多大?
 
张工:腐蚀危害遍及日常生活和几乎所有的行业,如冶金、化工、能源、矿山、交通、机械、航空航天、信息、农业、食品、医药、海洋开发、基础设施等,其对自然能源及材料的消耗是骇人听闻的。它给各行各业造成的损失是有目共睹的,腐蚀对能源造成的过度消耗不仅在钢铁的损失,直接造成设备、管道、建构筑物等损坏,还有设备因腐蚀而使效率降低。
 
据2018年6月侯保荣院士提供的国际腐蚀损失调查报告统计,2013年全球腐蚀成本估算约为25,050亿美元,大致占当年全球GDP的3.4%。其中,英国近年来因腐蚀造成的损失平均达100亿英镑,占GDP的3.5%;德国的损失约为450亿德国马克,占GDP的3.0%;美国年腐蚀损失达3000多亿美元,占GDP的4.2%。
 
2014年我国的腐蚀总成本包括腐蚀带来的损失和防腐蚀投入,约占当年GDP的3.34%,总额超2.1万亿人民币,相当于每个中国人当年承担1555多元的腐蚀成本。而上海市2014年GDP才2.3万亿!
 
按照2020年2月28日国家统计局发布的2019年国民经济和社会发展统计公报,2019年国内生产总值为990865亿元,按年平均汇率折算为14.4万亿美元,那么腐蚀损失将高达33094.89亿元、折合4809.6亿美元!
 
另根据《中国工业和自然环境腐蚀调查》中的数据,借鉴国外利用国民经济投入-产出表的计算结果进行对比,我国每年腐蚀总损失可达5000亿元以上,约占GHP的5%。以年产30万吨合成氨装置为例,每年因设备腐蚀失效导致物料泄漏、工艺流程停产一天就损失人民币约60万元,该装置中的转化炉是其心脏设备,由于高温腐蚀,每更换一根炉管就会造成三天停产,每损坏17根炉管造成停产的损失相当于一台转化炉的造价。因此有必要像同对待医学和环保一样重视工业腐蚀问题。
 
防腐蚀的主要目的是控制腐蚀对人类造成的危害。基于其他研究的发现表明25%~35%的腐蚀损失可以通过相应的缓蚀措施避免。
 
本刊:那么FRP复合材料在防腐蚀领域的应用情况如何?其耐腐蚀性能的具体表现又是怎样的呢?
 
张工:以树脂为基体的复合材料作为化学工业的耐腐蚀材料已有几十年历史,由于树脂基复合材料强度高、无电化学腐蚀现象、导热系数低,具有良好的保温性能及电绝缘性能,制品内壁光滑、流体阻力小、维修方便、重量轻、吊装运输方使,已广泛用于石油、化肥、制盐、制药、造纸、海水淡化、生物工程、环境工程及金属电镀等工业中。
 
玻璃钢复合材料具有其他材料所不具备的耐腐蚀性能,并且随着所选用纤维、树脂的不同,玻璃钢的耐腐蚀性能、耐温性能具有巨大的差异。
 
例如,采用ECR型玻璃纤维、耐温型酚醛环氧型乙烯基酯树脂制作的复合材料(玻璃钢)构件,可在180℃高温、硫酸浓度最高可达70%(2者不能同时出现),抗拉强度可达500MPa以上;但是,采用普通不饱和聚酯树脂、普通中碱玻璃纤维材料,其使用温度一般不超过80℃、硫酸浓度最高不超过40%(2者不能同时出现),抗拉强度不超过200MPa,可见由于所选用材料的不同,其耐腐蚀性能、耐温性能和力学性能等,均会出现巨大的差异。
 
在与使用条件和环境密切相关的耐腐蚀性能、耐温性能、力学性能中,一般来讲,耐腐蚀性能和耐温性能主要取决于所选用的树脂,纤维起次要作用;而力学性能主要取决于纤维,树脂起次要作用。
 
例如,马鞍山玻纤厂徐国平对国内常用的几类树脂FRP材料在腐蚀介质中长期浸泡后的抗拉强度保留率、巴氏硬度保留率、重量变化率等指标进行了持续的研究,其结果数据表明,乙烯基酯树脂FRP板材的综合耐腐蚀性能较好。
 
本刊:那么防腐蚀型复合材料设计选材时,应注意哪些问题?
 
张工:防腐蚀玻璃钢构件的选材设计,就是要依据使用要求(温度、腐蚀介质的种类和浓度、压力情况、承载要求等),并根据目前可供选用的纤维(玻璃纤维、有机纤维)的性能、树脂的性能以及业主对造价的承受能力和使用寿命要求,进行综合平衡,最终找到满足上述各项要求的一个平衡点。但是,在设计重要的FRP制品过程中利用树脂的耐腐蚀性能参数时,不要简单地照搬树脂厂家提供的参数,应该尽量进行模拟试验来验证。对于不同种类的玻璃纤维,其耐腐蚀性能也有较大的不同。
 
本刊:多年来,您一直从事燃煤发电厂脱硫系统的防腐蚀技术服务工作,为什么说复合材料是解决脱硫烟囱防腐蚀的最佳方案?
 
张工:火力发电以燃煤为主,2018年火力发电量仍然占据70%的份额。发电厂中一般管道或废水处理设备均可用玻璃钢制品,而脱硫排烟装置则为防蚀之重点。在国外,火力发电厂几乎所有涉及到耐腐蚀的设备或设施,均为FRP材料制造,此外,还有大量的FRP产品被美国火电厂大量采用。例如FRP烟道、FRP脱硫吸收塔(直径可达24ft,高度可达120ft)、FRP喷淋管、石灰浆液输送管及石膏浆液回收管、石灰浆液储罐、FRP废液输送管及储罐等,几乎所有需要防腐蚀功能、使用温度不超过180℃的设备及设施,均采用FRP材料制造。在输电行业,FRP在国内的应用还仅限于FRP绝缘电工梯、绝缘子的制造和应用,而在国外,早就开始将FRP用作电线杆、超高压绝缘子、各类电工设施配件。
 
举例来说,1997年,瑞典的北日德兰电厂300MW二期工程安装了halar-玻璃钢复合内套筒烟囱。烟囱高112m,采用ECTFE和乙烯树脂复合材料防腐,至今状况良好,运行20多年来基本不需要维修。
 
此电厂最初设计为烧冶炼厂粗残渣,含有较高的硫成分,对于烟囱内套筒运行条件要求极高。事实上,在烟囱内部的凝结物的硫酸浓度达70-80%、烟气温度110℃。
 
本刊:您认为,在防腐蚀复合材料制品的开发过程中,应注意哪些问题呢?
 
张工:复合材料的特点之一,就是“结构、性能的可设计性”,可以在相当大的范围内,根据使用条件要求、目前可能获得的各种原材料的性能指标、加工技术、组装(安装)技术,在相当大的范围内,满足生产、生活的需要。
 
例如,一般情况下,使用强腐蚀性原料、运行温度在150℃的洗涤塔,其防腐蚀问题较难解决,一般的复合材料也不能解决防腐蚀问题。但是,如果我们充分利用复合材料的可设计性,设计、制造出复合结构的结构洗涤塔,防腐蚀、耐高温问题,就迎刃而解。
 
本刊:您认为复合材料防腐制品的未来的发展前景如何?
 
张工:玻璃钢内防腐的组成材料是玻璃钢,具有玻璃钢的所有优点,通过科学合理的选材、工艺设计和结构设计可以达到要求的技术指标。玻璃钢防腐的特点包括以下几点:
 
(1)抗冲击性能优良:玻璃钢的强度高于钢管球墨铸铁和混凝土,比强度大约是钢的3倍,球墨铸铁的10倍,混凝土的25倍;落锤重量1.5kg在冲击高度1600mm下不损坏。
 
(2)耐化学腐蚀:通过合理的原材料选型和科学的厚度设计,玻璃钢防腐在酸、碱、盐、有机溶剂环境中能长期使用,有良好的化学稳定性。尤其是水对玻璃钢的腐蚀几乎为零,耐腐蚀性能良好。不需像金属材料管道那样采用严格的内外涂层或阴极保护,在使用期限内基本不需保护。
 
(3)具有良好的保温性能:由于玻璃钢产品是由高分子材料和增强材料复合而成,具有导热系数低的特点;只有金属的1/100~1/1000,是优良的绝热材料。
 
(4)热膨胀系数小:由于玻璃钢热膨胀系数小(2.0×10-5/℃),能更好的粘附于基层。
 
(5)轻质高强安装简便:比重仅为混凝土的2/3;所以相比而言综合重量轻。因此,装卸方便,易于安装。
 
(6)施工工艺性能优良:玻璃钢在固化成型前,由于树脂的流动性,可以采用不同的成型方法,方便地加工成所需要的形状;这一特点最适合大型、整体和结构复杂的设备施工要求,根据环境情况可以现场施工。
 
(7)水力特性优良:玻璃钢管具有光滑的内表面,水流摩阻系数小。玻璃钢管的粗糙系数只有0.0053~0.0084,而混凝土管是0.013~0.014,相差55%~164%。在相当流量和相同的可利用水利条件下可以减小管径,从而可节省投资。在相当流量和相同管径条件下可以节省泵的功率和能源20%以上,节省扬程,减少运行能耗。
 
(8)物理性能优良:附着力好,不开裂、不结垢,不产生二次污染。
 
基于以上特性,玻璃钢复合材料能够广泛应用于防腐平台、管道、大型容器、双璧油罐、烟气脱硫管道、海上石油钻井平台、集输管线、建筑等领域的防腐。近年来,随着技术及材料的进步与拓展,比如碳纤维复合材料也开始应用飞机零部件接头处的防腐等,可以预见,高性能复合材料在防腐领域具有非常广阔的应用前景。
 
当然,玻璃钢复合材料作为一种新型防腐蚀材料,在国内的推广应用也与其他国内新事物一样,面临许多问题,必须尽快加以解决,方能最大限度地发挥玻璃钢复合材料的优势:
 
(1)业主方应当摒弃“低水平建设”、“低价中标”的陋习,而应该从全寿命成本的角度,来选择防腐蚀方案和中标对象;
 
(2)设计单位应该对国内外防腐蚀材料的发展状况有充分地了解,及时向业主方推荐性价比最高的防腐蚀方案;
 
(3)玻璃钢复合材料的相关从业者,应该不断地探索材料生产、加工制作新技术,并及时向市场推介这些新技术;
 
(4)防腐施工单位应该树立长远观念,抛弃“小米加步枪”、“低价抢市场”的落后思维,加强施工人员的技术培训和装备水平的提高,为业主方提供质量合格的玻璃钢复合材料防腐蚀制品和工程。经过上述4各方面的共同努力,我们的防腐蚀工程质量必将逐步得到提高、玻璃钢复合材料的市场也会逐步拓展,最终使得我国的腐蚀损失逐步降低,达到甚至低于发达国家的平均水平。

 

 

 

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