倪平平

摘 要：介紹了玻璃鋼材料的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)其強(qiáng)度好剛度不足的問(wèn)題，對(duì)立式纏繞成型玻璃鋼罐進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)使用達(dá)到了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼罐 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 剛度 耐溫性

中圖分類號(hào)：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）02（a）-0135-02

玻璃鋼[1]（也稱玻璃纖維增強(qiáng)塑料，國(guó)際公認(rèn)的縮寫符號(hào)為GFRP或FRP）是一種品種繁多，性能用途廣泛的復(fù)合材料。它是由合成樹脂和玻璃纖維經(jīng)復(fù)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(diǎn)

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(qiáng)度高，性能好，節(jié)約能源，產(chǎn)品設(shè)計(jì)自由度大，以及產(chǎn)品使用適應(yīng)性廣等特點(diǎn)。因此，在一定意義上說(shuō)，玻璃鋼材料是一種應(yīng)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(diǎn)之一是輕質(zhì)高強(qiáng)[2]。相對(duì)密度在1.5～2.0之間，只有碳鋼的1/4～1/5，可是拉伸強(qiáng)度卻接近，甚至超過(guò)碳素鋼，而比強(qiáng)度可以與高級(jí)合金鋼相比。但同時(shí)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(jié)構(gòu)中常感到剛性不足，容易變形?？梢宰龀杀そY(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)，也可通過(guò)高模量纖維或者做加強(qiáng)筋等形式來(lái)彌補(bǔ)。

2 立式纏繞成型玻璃鋼罐的優(yōu)化設(shè)計(jì)

立式纏繞成型玻璃鋼罐的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮到玻璃鋼材料剛性不足、容易變形的問(wèn)題。因此，在華北局紅河油田聯(lián)合站200 m3玻璃鋼儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)玻璃鋼罐進(jìn)行了罐壁優(yōu)化設(shè)計(jì)、儲(chǔ)罐連接優(yōu)化、罐底轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)優(yōu)化、接管結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及過(guò)熱接管夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.1 玻璃鋼罐罐壁的設(shè)計(jì)

立式儲(chǔ)罐在滿足使用壽命的前提下，對(duì)壁厚采用自下而上的減薄設(shè)計(jì)。

（1）罐壁厚度按下式計(jì)算：

罐體剛度按下式計(jì)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(jié)構(gòu)層的厚度附加量（C）：當(dāng)計(jì)算厚度小于5 mm時(shí)，厚度附加量為3 mm；當(dāng)計(jì)算厚度大于或等于5 mm<10 mm時(shí)，厚度附加量為2 mm；當(dāng)計(jì)算厚度大于或等于10 mm<15 mm時(shí)，厚度附加量為1 mm；當(dāng)計(jì)算厚度大于或等于15 mm時(shí)，不需要厚度附加量。內(nèi)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(jì)算結(jié)果見表1。

（2）罐壁設(shè)計(jì)外壓計(jì)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(jì)算：

；其中；

按上式計(jì)算結(jié)果見表2。

（4）罐壁的穩(wěn)定校核應(yīng)滿足下式要求：

上述計(jì)算知：

故該罐壁校核合格，不需設(shè)加強(qiáng)圈。

2.2 玻璃鋼儲(chǔ)罐的連接優(yōu)化

玻璃鋼儲(chǔ)罐的封頭與筒體間的連接形式采用對(duì)接連接。對(duì)接時(shí)可借助導(dǎo)向板完成，接縫處應(yīng)平整、嚴(yán)實(shí)，接縫間隙不超過(guò)板厚或者10 mm，且無(wú)明顯錯(cuò)位傾斜。內(nèi)外層分別采用400 mm的聚酯材料進(jìn)行粘貼加固。

2.3 玻璃鋼轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)優(yōu)化

筒體與罐底用承插內(nèi)外增強(qiáng)糊制法粘接[3]，內(nèi)部糊制的拐角半徑r不小于50 mm，增強(qiáng)糊制的寬度不小于200 mm。拐角糊制增厚應(yīng)遞減，圓滑過(guò)渡并與底部和側(cè)壁相切。

2.4 接管結(jié)構(gòu)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(yīng)能承受液柱壓力，要在以開口中心線為中心的周邊面積進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。常壓容器的接管開孔補(bǔ)強(qiáng)按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算[4]。

Tt=PDK/2Sa （1）

式中：

Tt為開孔補(bǔ)強(qiáng)厚度，單位為毫米（mm）；K為系數(shù)，接管直徑≥150 mm時(shí)，K=1.0；接管直徑<150 mm時(shí)，K=1.0d/（dr-d）；d為接管公稱直徑，單位為毫米（mm）；dr為補(bǔ)強(qiáng)圈直徑，單位為毫米（mm）；接管直徑≥150 mm時(shí)，dr=2d，接管直徑<150 mm時(shí)，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(nèi)徑，單位為毫米（mm）；Sa為許用拉伸應(yīng)力，單位為兆帕（MPa）。

2.5 過(guò)熱接管夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于玻璃鋼長(zhǎng)期耐溫性差，長(zhǎng)期使用時(shí)通用聚酯FRP在50 ℃以上強(qiáng)度就明顯下降[5]。因此，對(duì)于內(nèi)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(jié)構(gòu)，以防止內(nèi)部碳鋼加熱盤管與玻璃鋼罐壁直接接觸。

3 結(jié)論

（1）紅河油田聯(lián)合站、轉(zhuǎn)油站、廢液處理站內(nèi)，建造玻璃鋼罐時(shí)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，共建造玻璃鋼罐數(shù)量達(dá)到9座。（2）從玻璃鋼罐的檢測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況標(biāo)明，玻璃鋼罐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是合理的，罐的剛度不足的問(wèn)題得到了解決，滿足了生產(chǎn)的需要。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 雷文，凌志達(dá).纏繞玻璃鋼管罐的技術(shù)特點(diǎn)及在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].工廠塑料應(yīng)用，2000，28（6）：24-26.

[3] CD130A19-85，手煳法玻璃鋼設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)條件[S].

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

[5] HG/T 20696-1999，玻璃鋼化工設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)定[S].