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，以國內(nèi)某化工廠FRP煙囪為范例，詳細(xì)敘述了該類制品的設(shè)計、工藝及制造。

    在工業(yè)生產(chǎn)中，人們通過煙囪、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)，但也沒有更多地延長煙囪的使用壽命。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)的一個重要應(yīng)用。哈爾濱玻璃鋼研究所從80年代初期開始從事玻璃鋼煙囪的研制，近十多年來為我國的化工、化纖、冶金等行業(yè)研制了多個玻璃鋼煙囪，如核工業(yè)部404廠國內(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。
    具體尺寸見下圖。

    1.2 技術(shù)要求
    設(shè)計壓力（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、機械性能好和價格便宜的樹脂做為基體樹脂，下圖列出了幾種樹脂基體的力學(xué)性能。

    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。對于增強材料，國產(chǎn)無堿無捻粗紗及其制品已完全可以滿足要求。

    三、設(shè) 計
    裕興化工廠酸解煙囪的設(shè)計包括：結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)層次、工藝方案設(shè)計及其比較和篩選。
    3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
    從兩個方面考慮:(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；(2)根據(jù)煙囪縱向載荷和縱向彎矩來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算來校核煙囪變截面的壁厚，要使煙囪既不發(fā)生破壞，也不能因變形過大而不能使用。
    3.1.1 玻璃鋼煙囪設(shè)計參數(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)計公式
     (1)周向力和周向彎矩的計算
    根據(jù)《工業(yè)民用建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范TJ9-74》的內(nèi)載分布計算周向纖維用量，當(dāng)h/D=7時的各個角度的載荷分布系數(shù)。如下圖。

    假定在各點給出系數(shù)的點位承受著集點風(fēng)載。Pi＝KIq（3.14/12）R式中，KI為各點的風(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)點上。
    根據(jù)纖維纏繞給定的周向許用應(yīng)力[σ]，計算最小壁厚為：
    t2＝6MMAX/[δ]
    （2）縱向彎矩計算
    風(fēng)載在煙囪上產(chǎn)生的橫向載荷可以寫成Pi=2.3x0.6xV2/16xD
    式中：2.3是動力系數(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，從彎曲強度可以計算一個底部的壁厚。反回來，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。

    由MMAX＝Nδ/2＋2.3 x 0.6 x V2/16 x（1/3Du＋1/6DL) x h2公式計算煙囪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
    對管形截面，J=3.14 R3t
    經(jīng)過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
    3.2.1 鋪層設(shè)計
    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、中級相對溫度較低，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)樹脂，結(jié)構(gòu)層選用了間苯型聚酯樹脂。煙囪直筒下段集氣器及彎管，我們選用了呋喃樹脂，結(jié)構(gòu)層選用的是雙酚A型乙烯基酚樹脂。
    3.2.2 成型工藝方案
    正確的成型工藝方案也是完成質(zhì)量優(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測量彎管各部的形位尺寸來檢驗精度是否滿足要求，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，不可能做到像機加工般的精確。因此在工藝上要考慮現(xiàn)場安裝時的可調(diào)整性。
    煙囪各級的連接采用承插式連接，集氣器與底座、與彎管及彎管寫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)計比較適用的工裝。抱干法可節(jié)約人力、時間、安全可靠，但是對用戶自己安裝的情況，也可采用常規(guī)的方法。總之，我們在設(shè)計、制造的過程中，也充分考慮了安裝、運輸問題，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)強度高、重量輕、耐腐蝕的優(yōu)點，其制造工藝簡便，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。