大型纏繞成型玻璃鋼容器的優(yōu)化設計

倪平平

摘 要：介紹了玻璃鋼材料的優(yōu)缺點，并針對其強度好剛度不足的問題，對立式纏繞成型玻璃鋼罐進行了結構優(yōu)化，現(xiàn)場使用達到了預期的效果。

關鍵詞：玻璃鋼罐 結構優(yōu)化 剛度 耐溫性

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0135-02

玻璃鋼[1]（也稱玻璃纖維增強塑料，國際公認的縮寫符號為GFRP或FRP）是一種品種繁多，性能用途廣泛的復合材料。它是由合成樹脂和玻璃纖維經(jīng)復合工藝，制作而成的一種功能型的新型材料。

1 玻璃鋼材料的優(yōu)缺點

與傳統(tǒng)的金屬材料及非金屬材料相比，玻璃鋼材料及其制品，具有強度高，性能好，節(jié)約能源，產(chǎn)品設計自由度大，以及產(chǎn)品使用適應性廣等特點。因此，在一定意義上說，玻璃鋼材料是一種應用范圍極廣，開發(fā)前景極大的材料品種之一。

玻璃鋼（FRP）的優(yōu)點之一是輕質高強[2]。相對密度在1.5～2.0之間，只有碳鋼的1/4～1/5，可是拉伸強度卻接近，甚至超過碳素鋼，而比強度可以與高級合金鋼相比。但同時玻璃鋼（FRP）的彈性模量低，玻璃鋼（FRP）的彈性模量比木材大兩倍，但比鋼（E=2.1×106）小10倍，因此在產(chǎn)品結構中常感到剛性不足，容易變形?？梢宰龀杀そY構、夾層結構，也可通過高模量纖維或者做加強筋等形式來彌補。

2 立式纏繞成型玻璃鋼罐的優(yōu)化設計

立式纏繞成型玻璃鋼罐的設計過程中需要充分考慮到玻璃鋼材料剛性不足、容易變形的問題。因此，在華北局紅河油田聯(lián)合站200 m3玻璃鋼儲罐的設計過程中，對玻璃鋼罐進行了罐壁優(yōu)化設計、儲罐連接優(yōu)化、罐底轉角設計優(yōu)化、接管結構優(yōu)化以及過熱接管夾層結構的設計優(yōu)化。

2.1 玻璃鋼罐罐壁的設計

立式儲罐在滿足使用壽命的前提下，對壁厚采用自下而上的減薄設計。

（1）罐壁厚度按下式計算：

罐體剛度按下式計算壁厚：

式中：D=6.5 m；H=6.5 m；φ=1.0；n=10；γ=1000 kg/m3；Hi按2.87、5.74、6.5取值。

玻璃鋼：σb=150MPa；[ε]=0.1%；E= 1.1×104 MPa

結構層的厚度附加量（C）：當計算厚度小于5 mm時，厚度附加量為3 mm；當計算厚度大于或等于5 mm<10 mm時，厚度附加量為2 mm；當計算厚度大于或等于10 mm<15 mm時，厚度附加量為1 mm；當計算厚度大于或等于15 mm時，不需要厚度附加量。內層厚度取2.5 mm，外層厚度取1.5 mm。

將已知數(shù)代入上式，計算結果見表1。

（2）罐壁設計外壓計算。

其中：K1=1.0 ；q0=350 Pa；K2=1.2；P=0 Pa

（3）罐壁的許用臨界壓力按下式計算：

；其中；

按上式計算結果見表2。

（4）罐壁的穩(wěn)定校核應滿足下式要求：

上述計算知：

故該罐壁校核合格，不需設加強圈。

2.2 玻璃鋼儲罐的連接優(yōu)化

玻璃鋼儲罐的封頭與筒體間的連接形式采用對接連接。對接時可借助導向板完成，接縫處應平整、嚴實，接縫間隙不超過板厚或者10 mm，且無明顯錯位傾斜。內外層分別采用400 mm的聚酯材料進行粘貼加固。

2.3 玻璃鋼轉角設計優(yōu)化

筒體與罐底用承插內外增強糊制法粘接[3]，內部糊制的拐角半徑r不小于50 mm，增強糊制的寬度不小于200 mm。拐角糊制增厚應遞減，圓滑過渡并與底部和側壁相切。

2.4 接管結構優(yōu)化

法蘭與容器組裝形式見圖1。其適合于直徑大于100 mm的接管。直徑不大于100 mm的接管需要角撐板支撐。接管開孔處應能承受液柱壓力，要在以開口中心線為中心的周邊面積進行補強。常壓容器的接管開孔補強按照公式（1）進行計算[4]。

Tt=PDK/2Sa （1）

式中：

Tt為開孔補強厚度，單位為毫米（mm）；K為系數(shù)，接管直徑≥150 mm時，K=1.0；接管直徑<150 mm時，K=1.0d/（dr-d）；d為接管公稱直徑，單位為毫米（mm）；dr為補強圈直徑，單位為毫米（mm）；接管直徑≥150 mm時，dr=2d，接管直徑<150 mm時，dr=d+150；P為接管所在部位的液柱壓力，單位為兆帕（MPa）；D為容器內徑，單位為毫米（mm）；Sa為許用拉伸應力，單位為兆帕（MPa）。

2.5 過熱接管夾層結構的設計優(yōu)化

由于玻璃鋼長期耐溫性差，長期使用時通用聚酯FRP在50 ℃以上強度就明顯下降[5]。因此，對于內部有碳鋼加熱盤管的玻璃鋼大罐，其罐壁可以采用套管式的夾層結構，以防止內部碳鋼加熱盤管與玻璃鋼罐壁直接接觸。

3 結論

（1）紅河油田聯(lián)合站、轉油站、廢液處理站內，建造玻璃鋼罐時進行了結構優(yōu)化，共建造玻璃鋼罐數(shù)量達到9座。（2）從玻璃鋼罐的檢測結果和現(xiàn)場運行情況標明，玻璃鋼罐的結構優(yōu)化是合理的，罐的剛度不足的問題得到了解決，滿足了生產(chǎn)的需要。

參考文獻

[1] 陳博.發(fā)展中的我國玻璃鋼工業(yè)[J].玻璃鋼/復合材料，1997（6）：15.

[2] 雷文，凌志達.纏繞玻璃鋼管罐的技術特點及在我國的應用現(xiàn)狀[J].工廠塑料應用，2000，28（6）：24-26.

[3] CD130A19-85，手煳法玻璃鋼設備設計技術條件[S].

[4] HG/T 3983-2007，耐化學腐蝕現(xiàn)場纏繞玻璃鋼大型容器[S].

[5] HG/T 20696-1999，玻璃鋼化工設備設計規(guī)定[S].