湿法脱硫FRP喷淋管设计方法探讨

杨 秀 杰

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097)

1 概述

目前国内火电厂烟气脱硫的主流工艺是石灰石——石膏湿法技术，吸收塔是湿法烟气脱硫系统的主体和核心设备，喷淋系统是湿法脱硫技术的核心部件之一[1]。吸收塔内高温高湿且有腐蚀性，运行环境复杂，由于FRP(玻璃钢)材料性能优越，作为喷淋管道材料得到了广泛应用。

喷淋管在吸收塔内布置方式多种多样，结构比较复杂，属于多次超静定结构，其内力分析比较复杂。目前多数设计单位是依靠经验或半经验设计，在设计中采用简化计算方法，设计随意性较大，设计质量难以保证。因此有必要对FRP喷淋管结构设计方法进行研究。本文根据喷淋管布置支撑条件及FRP管道设计相关标准规范对喷淋管道设计方法进行讨论，能为设计与优化提供一定的参考。

2 喷淋管布置支撑方式

根据喷淋层管道设计工艺控制因素和功能控制因素综合考虑，喷淋管布置方式主要有三种形式：全FRP管道加下部支撑梁方式、碳钢衬胶母管兼做支撑方式、全FRP管道加穿管支撑梁方式。

2.1 全FRP管道加下部支撑梁方式

全FRP管道加下部支撑梁方式是最常见的支撑方式，该支撑方式如图1所示，石灰石浆液喷淋管道固定在支撑梁上方，浆液管道上布置有喷嘴，一般喷嘴高度与管道中心高度相同，由于支撑梁在喷淋管道下方，喷嘴向下喷出石灰石浆液很容易直接冲刷到支撑梁，导致支撑梁冲刷磨损，直至腐蚀破坏，严重影响运行安全。

为了避免喷嘴喷出的石灰石浆液直接冲刷到支撑梁，喷淋管道的分支管往往采用下降布置方式，使喷嘴的高度位置降低，这样可以避免冲刷到支撑梁，如图2所示。但是，下降布置的喷淋支管不仅会增加长度，而且需要增加弯头，由于喷淋支管采用玻璃钢材料制作，增加弯头致使加工难度大，质量不容易保证。

2.2 碳钢衬胶母管兼做支撑方式

碳钢衬胶母管兼做支撑方式也是比较普遍采用的支撑方式，喷淋层主管采用碳钢衬胶制作，喷淋支管采用FRP材料，支管与主管之间采用法兰连接，不设置支撑梁。碳钢衬胶主管自身可以支撑，其与支管连接法兰可作为支管的端部支撑点。当采用双母管时，两母管中间的支管末端需要增加一根小规格支撑梁支撑。此种支撑方式没有支撑梁冲刷腐蚀的风险。

2.3 全FRP管道加穿管支撑梁方式

全FRP管道加穿管支撑梁方式是在下部支撑梁方式的基础上改进优化而来的。支撑梁采用空心矩形截面箱型梁，梁的高度加大，在支撑喷淋管道处开设圆形孔，喷淋管道垂直穿过箱型梁的圆形孔实现支撑的目的，如图3所示。

这样的结构使得支撑梁中心和喷淋管道中心在同一高度位置上，喷淋支管水平布置，喷嘴喷出的石灰石浆液不会直接冲刷到支撑梁，这样喷淋支管不用增加弯头和下降布置，既解决了玻璃钢支管加工问题，又避免了支撑梁冲刷磨损的隐患。

3 FRP喷淋管设计方法讨论

喷淋管无论采用何种支撑方式，其支撑跨度均较大，承受弯矩较大。由于FRP管道材料本身具有特殊的专业特性，其力学性能影响因素众多，例如树脂材料类型、纤维类型、成型方法、制作环境条件等等，均对加工成型后的FRP管道力学性能有较大影响，特别是现场制作时，施工人员的经验对材料力学性能也有影响，并且现场安装均由喷淋管厂家负责完成。因此，目前国内各脱硫工程总承包单位均对脱硫喷淋层FRP管道按特殊设备进行采购，由喷淋层FRP管道供货方负责设计、供货、施工安装等。

具体工程项目执行过程中，脱硫工程总承包单位负责脱硫性能保证，需要技术人员首先确定喷淋层数量、流量、覆盖率、喷嘴数量等工艺参数，然后根据吸收塔尺寸、浆液流量、喷嘴数量等来确定喷淋层管道的布置和支撑方式。FRP管道供货方须按布置图进行FRP管道壁厚及局部加强措施等详细设计。

目前，国内对于湿法脱硫FRP喷淋管采用的设计标准为2012年3月实施的国家标准GB/T 26735—2011玻璃纤维增强热固性树脂喷淋管。

该标准中规定喷淋管的厚度由直径、压力等级、支撑间距、外部载荷、耐磨要求计算决定。由于FRP喷淋管是一个整体管系，是具有多点支撑的复杂受力体系，因此设计计算不是简单的按公式就可以确定厚度，必须采用有限元分析方法，先按实际支撑条件建立三维模型进行校核试算，逐步优化计算确定最终设计厚度。

3.1 材料性能及安全系数

FRP喷淋管的力学性能影响因素非常多，并且由于多种影响因素造成的力学性能指标差别很大。国家标准GB/T 26735—2011玻璃纤维增强热固性树脂喷淋管中规定FRP喷淋管力学性能不能低于表1所示。

表1 FRP喷淋管力学性能 MPa

GB/T 26735—2011标准中规定FRP喷淋管计算所用的强度及模量值采用表1数据，当采用的数据大于表中规定的值时，需经试验验证。

GB/T 26735—2011标准中规定喷淋管的安全系数不小于6.3。

FRP喷淋管道制造一般执行JC/T 552—2011纤维缠绕增强热固性树脂压力管标准，其安全系数同样也是6.3。国内外相关标准或规范与安全系数有关的规定见表2。

3.2 计算方法及强度刚度指标

GB/T 26735—2011标准中规定喷淋管应进行强度及刚度校核，计算荷载时应按喷淋管充满浆液考虑。喷淋管在校核计算时，不考虑内外耐磨层提供的强度。

JC/T 552—2011纤维缠绕增强热固性树脂压力管标准也明确FRP管道设计厚度应为计算厚度加上内衬层厚度。结构层厚度应通过管系结构计算得到，即为计算厚度。

由于FRP喷淋管结构体系复杂，须采用有限元分析方法，先按实际支撑条件建立三维模型进行校核计算，得出应力值和挠度值，然后依据许用应力和许用挠度校核是否设计合格。

FRP喷淋管为各向异性复合材料，其环向和轴向力学性能不同，并且轴向力学性能较差，由于管系支撑跨度大，其轴向应力比较大，因此应采用轴向力学性能指标作为设计计算依据。

GB/T 26735—2011标准中规定喷淋管和梁的设计许用挠度值应控制在其支撑跨距的1/300以内。

4 结语

本文根据喷淋管布置支撑条件及FRP管道设计相关标准规范对喷淋管道设计方法进行了讨论，对FRP喷淋管的设计提出了采用有限元分析的方法。设计中对安全系数的选取进行了说明，确定了FRP喷淋管的设计强度和刚度条件的量化指标，便于指导实际工程设计。