FRP衬里是主要用液状树脂和增强纤维等粘结被衬里体形成耐蚀FRP,因为用的是热固性树脂,因此无论在常温,或任何情况加热固化都是可能的,加热之后,交联密度增大,耐蚀性也提高。实际使用上耐热性可达120℃,最高150℃。酚醛,呋喃,环氧、UP、VE等树脂都可以采用。FRP衬里有着以下特点:
1)机械强度有被衬里体承担(强度设计容易)。
2)被衬里体能够选择价格便宜的材料(当被衬里体对耐蚀性没有要求时)。
3)结构、组成,厚度的可设计性(能够对应的适材、适所)。
4)现场能够常温固化,在现场无论何时都能施工。
5)施工时没有必要昂贵的设备。
6)修补容易。
但在另一方面与整体FRP单独使用时不同,FRP衬里是包覆于被衬里体(金属、混凝土等)的界面基底之上,由于与基底的粘结性差异,向环境剂界面的渗透扩散,起泡,剥离,膨胀系数差等,有热应力发生。随着热应力的产生,裂纹就成为防腐蚀的重要问题。为了与此相对应,衬里用基材的多样性选择(粘结性,耐药性)随之产生,我们对其中VE作为耐蚀性、粘结性、韧性,常温固化性方面优良的材料进行了评价。
设计上的注意点
在我们现行的防腐蚀设计、施工等规范中, 对耐蚀材料的基本性能要求,有了比较详尽的规定。但单靠这些数据要完成工况条件比较复杂的防腐蚀衬里设计是远远不够的,设计人员可能要作更深的考虑,才能达到完美的防腐蚀衬里设计效果,下面描述的内容或许对你设计时的综合考虑带来有益。
1.粘结特性
对于FRP衬里,防腐蚀衬里和被粘结体的粘结强度是控制衬里耐久性的重要因素之一。一般来说,耐蚀性优良的衬里与被粘结体之间的粘结是不好的。被粘结体(金属或混凝土)由于表面状态不同,即使同样进行VE-FRP衬里工作时,也应分别使用底涂层来进行表面处理,以提高粘结性。我们把此操作称为Primer(底涂)。Primer控制着衬里的是否成功,多数已成为生产厂家的技术秘密(know how)。
VE的粘结性优良,而与之配套的专用底涂层(如Fuchem-810)的使用,则更能够提高粘结性能。
2.FRP衬里的热膨胀系数和热应力
从渗透扩散理论而言,衬里层越厚越好,致密而强度高。但作为固化后的衬里材料来考虑就未必如此,因为FRP的膨胀系数是金属、混凝土的2-3倍!
当环境和操作温度发生变化,则在FRP衬里和基底(金属、混凝土等)的界面会产生应力,如果此应力超过了两者之间的粘结力,就会发生FRP衬里的剥离、起泡等现象。
化学设备的金属表面上形成的FRP衬里,从运行开始到运行终止的这段时间,温度将会发生变化。由于温度变化,沿着FRP衬里面发生的热应力δH(kgf/cm2)可以下式来表示:
δH=ΔT·(αR -αSS)E/(1-υ2)
=ΔT·Δα·E
这里,
E:拉伸弹性模量;
ΔT:温度差(随温度变化);
Δα=αR-αSS :FRP和低碳钢之间的膨胀系数差;
υ:泊松( pission)比。
现在我们可来估算一下,在70℃运行的FRP衬里储槽,运行终止、温度下降到20℃,FRP衬里产生的应力:
假设:
拉伸弹性模量1000kgf/mm2,
线膨胀系数αR=2.50×10-5/℃,
αSS=1.19×10-5/℃,
ΔT=50℃,
FRP和低碳钢之间的粘结强度(剪切)为25.0 kgf/cm2
则δH=1.31×10-5×50×1000kgf/ mm2
=65.5kgf/cm2,
设FRP厚为3mm,
则衬里端面发生应力为
65.5(kgf/cm2)×0.3
=19.6(kgf/cm2)。
粘结强度(剪切)比此高得多,因此不必担心会剥离。如果FRP厚为4mm,则从理论上可判断衬里层使用后将发生剥离、脱壳等现象。
FRP衬里和混凝土基面之间的情况也可仿照上述公式来进行估算。
3.化学介质的渗透和扩散系数的推定
不仅限于FRP衬里,所有的有机衬里材料一接触到液态化学介质、水、气体即会扩散至材料内部,在一定时间后透过一定深度。关于扩散有Fick公式,作为理想的扩散公式,多数时候可求得扩散系数的大概值。扩散系数表示衬里材料对介质的吸收速度,是判断防腐蚀衬里使用寿命的一个重要因素。
厚度ℓ的衬里试样与液体接触t(小时)后的重量增加为Mt(mg或mg/cm2),到达平衡状态时的重量增加为M∞,当是理想扩散时,则扩散系数D(cm2/小时)的关系式如下:
图4-2
图4-2的吸水曲线Mt对 t1/2作图,从初期的斜率能够求得扩散系数。图4-3所示为多种VE和间苯系UP的扩散系数D和温度的关系。
一般情况下,衬里层厚度对扩散系数没有影响,如图4-4;介质温度对扩散系数的影响,基本符合阿论尼乌斯(Arrhenius)公式,如图4-5;而介质浓度的大小与扩散系数有关系,如图4-6和图4-7。
因此扩散系数愈小,衬里层愈厚,化学介质的扩散受到妨碍,衬里层的防腐蚀性能可以想象能长期得到保持。
4.水蒸汽扩散和粘结力
不仅限于FRP衬里,有机衬里一面显露在高温下,而金属面却处于较底温度下,则热扩散现象有利于浓度扩散,促进液体向衬里的渗透,水或水蒸气最易渗透,冷凝于金属和衬里间的粘结面,妨碍了FRP的粘结,而容易产生气泡。
我们称这种现象为温度梯度下的渗透扩散。水和蒸汽中,一般众知的水蒸气扩散。图10-1-19所示为粘结力和温度梯度的关系。图中的数字为金属面的温度和衬里面的温度,温度差愈大,短时间的粘结力就愈低。
Menges等推出下式:
L=ℓ2/6D+τ(PB·δN)
这里 L:衬里的寿命;
ℓ:衬里的厚度;
τ:衬里不剥离时间 ;
PB:起泡内部的压力 ;
δN:垂直拉伸剥离应力
从此式显示出,衬里的寿命由膜厚,扩散系数和基底的粘结力决定。
对于FRP衬里,水蒸气扩散和粘结力控制了衬里的寿命,希望衬里厚度增加,同时使用扩散系数小的材料,并且保温,使温度梯度变小,这样就提高了粘结力。
5.内应力的产生和松弛
FRP衬里用耐腐蚀树脂在固化时伴有放热、蒸发、冷却、聚合等过程,各种热固性树脂或多或少会引起收缩。这时,如果FRP衬里层与基层的粘结力小于树脂固化产生的收缩应力,那就会发生FRP衬里层的剥离;如果粘结力很大,就能阻止界面上的收缩。但产生的内应力可能要引起FRP衬里表面龟裂。
有学者对环氧树脂进行了线膨胀系数αr、玻璃化温度Tg和动态粘弹性(储藏弹性率)E的测定,内应力可以用下列的计算式进行估算
由于线膨胀系数是在铝板上进行测定的,因此α2为铝板的线膨胀系数。
目前,高耐蚀、低收缩、粘结力好的防腐蚀材料一直是各材料生产厂家致力于重点开发的领域,而Fuchem-891是这类树脂的典型代表。