耐酸胶泥在脱硫烟囱防腐中失效原因初探
一、前言
由于国内有关脱硫烟囱防腐蚀设计施工等规范的编制滞后，使得目前电厂脱硫烟囱的防腐蚀内衬形式多样，但因各种烟囱工艺条件及技术观点的不同，众多功能不一的防腐蚀材料正被选用后处于使用和实践过程中，其中也包括以水玻璃类为基础的耐酸胶泥。究竟哪些材料适宜用于烟囱的内衬防腐蚀材料，还需要有一个较长时间使用考验后才能判定。笔者与国内许多电厂就烟囱防腐蚀内衬形式有过技术上的交流与沟通，从中得到了大量的应用反馈，其中于2008年6月应邀到江苏南通某热电厂2×115MW机组共用的脱硫烟囱进行了实地考察。本文将结合近期业主方的使用反馈意见和现场情况,探讨耐酸胶泥在烟囱中使用的技术可行性。
二、案例说明
南通某电厂的脱硫烟囱防腐蚀内衬是在2006年做的耐酸胶泥（也称轻质耐酸浇注料），在此后不到一年的运行时间里，业主发现烟囱外壁会渗出大片液体，同时会残留大量的白色结晶物（如图1）。
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图1：烟囱外壁渗出液体
烟囱是钢筋混凝土结构,高120米,顶部直径3.3米，底部11.3米.筒壁内衬采用山东一城市材料厂生产的某不定型耐火材料厂生产的耐酸胶泥，该耐酸胶泥以轻质骨料、粉料、粘合剂和添加剂组成，粘合剂主要成分为水玻璃。该耐酸胶泥亦作为烟囱隔热材料使用，烟囱不另设隔热层。轻质骨料结构孔隙率大，表面粗糙，粒径约5mm，骨料和粉料吸水率和吸湿性大，按配合比搅拌后流动性差。对运输和仓储要求比较高，生产厂家出厂时已把骨料和粉料配成混合料并用编织袋包装好运到现场，临时存放在排水措施良好、防雨防潮干燥的仓库。
该材料具有体积密度小、凝固快、使用温度高，抗压强度随着温度和酸度的提高而提高，导热系数小、线膨胀系数小等特点，目前国内一些厂家的商品名虽然有所差别，但基本组成和特性均相近，主要成份均是轻质性水玻璃胶泥。
三、工程回顾
在该烟囱防腐蚀工程中，内衬胶泥要求施工工艺流程较复杂：模板安装→强制式搅拌机拌料→混胶泥入槽→丁字型专用工具振捣密实→胶泥固结后拆模→割缝处境→模板拆卸。施工时要严格按配合比下料，施工时注意配料顺序，掌握搅拌时间，做好天气及环境温度变化的施工措施，不准使用机械振捣，只能使用专门制作的丁字型工具进行捣固。浇注料在捣固成型固结拆除模板后，要用2.5～3mm厚的无齿锯切割伸缩缝，尺寸为1.5×1.5m，深度约为25mm。
从现场情况看到：使用不到两年的内衬有很多细小纹裂，在积灰平台上看到有多条5mm左右宽的裂缝(如图2)，在一裂缝处取下一块胶泥块，在内衬与基面粘结层处看到有一层白色结晶物，这与烟囱外壁渗出的白色物体色泽一致。
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图2：积灰平台处胶泥裂缝图片
四、案例解析
把取下的耐酸胶泥样块用水冲洗洁净,放在阳光下晾晒一段时间后发现，样块表面又有一层白色结晶物析出，与在烟囟内析出的结晶物一致。这种结晶物为何会大量的透过防腐内衬层，在内衬层与烟囱混凝土内壁处及外壁上都析出这种结晶物呢？这可能与防腐蚀所采用的内衬材料结构是否致密有关。基于耐酸胶泥的结构疏松,孔隙率大，表面粗糙，其吸水率和吸湿性就很大，因此脱硫后湿烟气中的酸水液会被内衬层吸收；同时基于脱硫后烟囱内壁可能出现的正压区，这样饱和湿烟气中酸水液会轻易地渗透过烟囱的密实性较差的耐酸胶泥层，甚至会渗透到烟囱的混凝土筒体，由于脱硫后的饱和湿烟气中的酸水液体腐蚀性极强，这样整个防腐蚀屏障就失效了。这种腐蚀性液体,一是可能耐腐蚀层和混凝土基础结构中的某些物质反应结合而生成结晶物；二是烟气中可能也存在一部分脱硫工艺中生成的硫化物。综合以上情况，我们认为从技术上和实际应用情况来看,耐酸胶泥应用于脱硫后的湿烟囱上可行性是值得怀疑的，至少说是要慎重考虑的。
关于水玻璃类材料的选用,在《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB50046-2008）中已有明确规定：常温介质作用时，宜选用密实型水玻璃类材料；当介质温度高于100度时，不应选用密实型水玻璃类材料。经常有稀酸或水作用的部位，应选用密实型水玻璃类材料。这也就说明在脱硫后的烟囱运行中如果存在介质温度变化(事故和直排,或湿烟气)的情况，则不应选用水玻璃类材料，因为在实际烟囱运行中均会存在高温与低温交替共存的情况，从而导致不论是轻质型水玻璃类材料或密实型水玻璃类材料，均不能满足这种有高、低温的工况条件；其二是在脱硫后湿烟囱的实际工况中，恰恰是有大量的稀酸或水作用的腐蚀性环境，根据标准是应选用密实型水玻璃类材料的（在介质温度不高于100度情况下），而不是轻质型耐酸胶泥,因为后者比前者的抗渗透性差。
基于耐酸胶泥工艺特性，即厚浆成膜的施工工艺在凝结固化过程中应力过大会产生不规则纹裂，在吸水情况下，由于耐酸胶泥与基面膨胀系数相差过大（4.3 见相关数据），在烟囱内的正压及高温作用下这种纹裂会进一步扩张，耐酸胶泥层内外表面的膨胀系数的不一致可能会导致脱层甚至剥离的可能。烟气中的液体也会直接接触到烟囱混凝土筒体，在材料吸水后防腐蚀层的保温效率大大下降，一般结构中不再设保温层，这样就会加速对基础造成破坏，这种情况的存在也就更加恶化了耐酸胶泥层对温度冲击的抵抗作用。另外在热烟气通过裂缝渗透到基础表面时，使不同区域的基础表面的温度有梯度差，而耐酸胶泥在干态时的保温效果较好，从而可能会导致在受直接烟气高温作用下的区域局部出现耐腐胶泥层的"外拱"现象，最后会导致脱落，这种"外拱"情况在一些采用玻璃砖作内衬防腐蚀工程中也有出现。
而在实际工程应用中，上述几种情况可能会是相互作用的，会形成恶性循环而加剧了耐腐蚀的失效，最后会出现开裂、脱层的情况，也包括腐蚀性气液的外泄，上图中的现象是很好的说明了该种情况。
之后我们参照了有关资料，并与有关设计单位进行了有效的沟通，结合现场实际情况认为耐酸胶泥从技术上不适合湿烟囱的应用环境，具体分析如下：
4.1 施工困难带来的质量隐患
这类材料在实际施工时，对环境的要求和人员的操作水平要求较高，施工时要求温度以5℃～30℃为宜，低于5℃或高于30℃时要经过厂家现场技术员调整配合比后才能施工。夏秋季时间，大部分施工时环境温度都在30℃上下波动，并且温差较大，需要经常调整配合比。尤其在雨水较多、湿度较大的南方地区，同时在高达180-240米高的烟囱上，施工难度极大。
同时在施工过程中也极易受温差应力影响，尤其是在炎热的夏季，白天、晚上的温差会较大，白天上午与下午的温差也较大，这样在上午太阳晒到半边烟囱筒体，下午晒到另外半边，这样筒体的受热程度就不一样，温差引起的胀缩就不一致，这就对在不同季节施工时，要工人控制好温差的作业风险，这难度是可想而知的。
4.2 高载荷风险
虽然该类材料的密度较小（约0.6-1.0间），但总体用量较大，而厂家要求施工后的厚度约为8-10cm，这样折算下来每平米材料的用量约 50KG，如果烟囱基础不好，尤其是旧烟囱改造时，强度远远达不到要求。假设对一个防腐面积达近万平米的烟囱防腐工程而言，采用耐酸胶泥方案在现有烟囱内壁将增加约480t载荷（而当烟囱通湿烟气后充分吸水情况下，烟囱所增加的负荷远远超过480t的载荷）。施工中需将如此重的物料通过施工吊笼逐级输送至 180-240m高，势必增加施工中的安全风险。因为电厂老烟囱一般为传统单筒式烟囱，钢筋混凝土筒壁与排烟筒未脱开，砖砌排烟筒分段支承牛腿并荷载分段传给钢筋混凝土筒壁，内衬耐火砖或陶土砖，这种基面其附加承载能力有限，不允许采用荷载较大的防腐材料，只能采用轻质且不吸水的防腐材料。另外即使强度可以满足要求，但在施工中，设备的载荷能力也是一个关键的安全要素，有待于进一步考虑核对。而一般老电厂在加装FGD后，场地较紧，运输道路和烟囱底部通道狭窄，大量物料输送将带来工期延误风险。
4.3温度冲击
当烟囱在FGD正常运行时，烟囱内部温度大约在45℃-80℃，烟气为饱和湿烟气。但当FGD事故状态或是设备停运时，烟囱内部温度将在短时间内升至 140℃-180℃，原来的饱和湿烟气将以原烟气状态通过锅炉烟囱进行排放。烟囱烟气的不规则排放，使烟囱内壁防腐层材料处于急冷急热和干湿交替状态下运行，这就对材料的耐温度冲击提出了要求。水玻璃类耐酸胶泥材料的热膨胀第系数为0.03×10-6/℃，而混凝土的膨胀系数为7-10×10-6/℃，耐酸砖为5-7×10-6/℃。在长期高低温干湿交替作用下，由于胶泥成膜时就会产生纹裂，胶泥吸水率高产生的容重变化，再加上耐酸胶泥材料与基础（混凝土或耐酸砖基础）的热膨胀系数相差较大，这样在受温度冲击的内应力作用下会使内衬层纹裂进一步扩大进而发生开裂甚至脱层等情况，而事实上我们也观察到了由于温度冲击原因而产生的这些不规则裂纹及裂缝。
4.4 耐腐蚀性的局限性
以水玻璃的作为粘合剂的耐酸胶泥有一个重要特性，是其耐强酸的特性远大于其耐弱酸的特性，在长期烟气的作用下（包括在露点下的酸液），可能胶泥层表面会逐渐受到侵蚀而影响粘接效果,而如果湿烟气中含有氟化物,则对水玻璃材料的腐蚀将是致命的；另外由于材料的多孔性特点，而这些孔也是非封闭性的，因此在烟气作用下，会逐渐扩散渗透到基础，使基础受到腐蚀破坏。根据国家的设计标准的要求，水玻璃类耐酸胶泥是不适合用在脱硫烟囱存在的干湿(高,低温)交替工况条件。
4．5 高吸水性风险
根据材料生产厂家提供的说明，材料的体积吸水率在加热情况下一般约为10%，各个生产厂家的材料的吸水率均相近，根据这个数值，我们以平均密度为 0.8计算推断，那吸水率近12.5%（以重量计算），那是一个相当高的吸水率，这是上文提及的材料选择原则相违背。而原因是因为耐酸胶泥料的结构疏松, 孔隙率大，表面粗糙，不致密,从而注定其抗渗性很差。因这种厚浆成膜的施工工艺在凝结固化过程中应力过大产生不规则纹裂，在胶泥层吸水后，由于耐酸胶泥与基面膨胀系数相差过大，在烟囱内的正压及高温作用下裂纹会进一步扩张，甚至开裂进而可能与基面剥离，因此烟气中的酸性液体也会直接渗透接触到烟囱混凝土筒体，从而防腐失效，另外在材料吸水后防腐蚀层的保温效率大大下降，也同时结构中不设保温层，可能对基础造成破坏，并且吸水后整体烟囱载重能力是另一种安全隐患。
4．6其它
由于材料的化学特性，采用水玻璃为粘合剂，可修补性较差，包括在施工过程中或使用中的维修；另外据施工公司的反应，在实际施工和应用操作中，极易产生施工人员的中毒情况。
五、结语
在最近笔者还获悉在江苏一电厂由北方某一胶泥生产厂家施工的烟囱内衬，在不到一个月的时间就有大面积脱落，究其是材料的粘结性能差还是因固化过程中应力过大而剥离现还不得而知，据现场施工人员反映在现场施工的人员还会有不同程度的不适表征。
综上所述，我们从技术角度上认为采有耐酸胶泥做脱硫后的烟囱内衬风险是很高的，这类材料如用作非脱硫后烟囱的内衬倒是一种不错的材料，因此业主、烟囱设计人员及材料供应商对脱硫后烟囱防腐内衬材料选择耐酸胶泥出现这一系列问题都是要正视的事情。
参考文献：
[1]牛春良,烟囱工程手册，《烟囱设计规范》组,2003年。
[2]《火电厂脱硫后烟气条件、烟囱选型和防腐措施简述》,中国电力工程顾问集团华东电力设计院,2005年。
[3]《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》（GB50212-2002）。
[4]《火力发电厂设计技术规程》DL5000-2000。
[5]《火力发电厂土建结构设计技术规定》DL5022-93。
[6]《火力发电厂建筑装修技术规程》DL/T5029-94。
[7]《火力发电厂烟囱（烟道）内衬防腐材料》DL/T9015-2004。
[8]《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB50046）。
[9]《电力建设安全施工管理规定》。
[10]HJ/T179-2005《火电厂烟气脱硫工程技术规范-石灰石/石灰-石膏法》。
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