霍云飛， 吳禮義

(湖北義邦防腐設備有限公司， 湖北 隨州 443300)

有色冶煉行業(yè)經(jīng)常使用大容量電積液循環(huán)槽、過濾前液槽、中間槽、電積后液槽、電積高位槽，萃取車間萃取混合室等容器。因考慮到工藝及布置的情況，一般采用方形槽結構。方形槽采用碳鋼襯防腐玻璃鋼結構，也有采用整體玻璃鋼結構。碳鋼襯防腐玻璃鋼結構施工要求高，一般存在鋼表面除銹不徹底，手糊內(nèi)襯玻璃鋼基層存在氣泡，鋼比玻璃鋼的撓性大等問題，這些因素對設備正常使用影響很大。碳鋼襯防腐玻璃鋼設備使用1～3年時間玻璃鋼防腐層會脫落，設備碳鋼部分會局部穿孔和腐蝕。大容量電積液循環(huán)槽等設備不適合用碳鋼內(nèi)襯玻璃鋼結構。用耐酸不銹鋼制造設備投資大，也存在腐蝕問題。2010年在剛果民主共和國希圖魯銅礦工程冶煉廠項目中電積液循環(huán)槽等設備容器采用整體全玻璃鋼結構，已使用7年，無設備問題，效果非常好。

1 全玻璃鋼槽基本結構

全玻璃鋼電積液循環(huán)槽結構分為內(nèi)襯層，次內(nèi)層，加強層，外保護層。

內(nèi)襯層通常是由玻璃纖維表面氈、內(nèi)襯樹脂組成的富樹脂層，樹脂質量含量為90%以上，是防滲防腐蝕層，氣密性好，光潔度高。次內(nèi)層的作用(也稱中間耐腐蝕層)通常采用內(nèi)襯樹脂加短切氈增強，樹脂質量含量為70%以上，其作用除了耐腐蝕外，更主要的是保護內(nèi)襯層，起到阻止內(nèi)襯層裂紋延展的作用。結構層用無堿無捻玻璃纖維纏繞紗浸潤結構樹脂后環(huán)向和交叉向結合的方法纏繞成型，樹脂質量含量為50%。作用是承受各種應力和外載荷。外表面層是保護貯罐和配件不受外界機械損傷和防止老化，它的組成與內(nèi)表面基本相同，添加了防紫外線老化助劑，可與結構層結合在一起。全玻璃鋼槽的基本結構詳見圖1。

圖1 電積液循環(huán)槽材料結構示意圖

2 全玻璃鋼槽原材料

全玻璃鋼槽制造采用雙酚A環(huán)氧乙烯基酯樹脂、過氧化甲乙酮、環(huán)烷酸鈷、中堿玻纖短切氈、玻纖表面氈、中堿無捻玻纖方格布、阻燃劑、丙酮等材料，性能參數(shù)如表1至表8。

3 全玻璃鋼電積液循環(huán)槽(10 000 mm×5 000 mm×3 000 mm)的強度計算

對于長方形全玻璃鋼電積液循環(huán)槽10 000 mm×5 000 mm×3 000 mm，參照GB150—1998《鋼制壓力容器》中“非圓形截面容器”進行力學計算。材料強度、許用強度及設備結構按HG/T20696—1999《玻璃鋼化工設備設計規(guī)定》進行取值。

表1 雙酚A環(huán)氧乙烯基酯樹脂(MFE-3)質量指標

表2 過氧化甲乙酮(MEKPO)質量指標

表3 環(huán)烷酸鈷(421)質量指標

表4 中堿玻纖短切氈(CMC-300)質量指標

表5 玻纖表面氈(BPT-50)質量指標

表6 中堿無捻玻纖方格布(CWR400)質量指標

表7 阻燃劑(TCPP)質量指標

表8 丙酮的質量指標

3.1 設計參數(shù)

液體比重r=1.3 t/m3, 液體高度H高=3 m , 設備壁厚設定為δ=18 mm，安全系數(shù)n=2.5，軸向拉伸強度σ=60 MPa～180 MPa,彎曲強度σb≥250 MPa,彈性模數(shù)E=1.09×104MPa，許用應變值[ξ]≤0.1%，設計壓力PC為：

PC=1.25rH高/10=1.25×1.3×3/10=0.487 5 kg/cm2=0.05 MPa

3.2 設定加強件尺寸

加強件見圖2，全玻璃鋼電積液循環(huán)槽見圖3。加強件尺寸H加=120 mm，B加=100 mm，h加=108 mm，b加=88 mm，δ加=6 mm，短邊平板壁厚為δ=18 mm，長邊平板壁厚為δ=18 mm。拉撐板厚度為δ=18 mm，短邊平板上加強件的橫截面積A1、長邊平板上加強件的橫截面積A2計算如下：

A1=100×2×6+108×2×6=2 496 mm2

A2=100×2×6+108×2×6=2 496 mm2

α=H/h=5 000/3 300=1.51(H為貯槽短邊,h為貯槽長邊1/3)

=5 162 112 mm4

α為參數(shù)，I1加為加強件組合截面的慣性矩。

圖2 加強件截面示意圖

圖3 貯槽立體圖

3.3 加強件中心線間距

PC=0.05 MPa(設計壓力),[σ]t為設計溫度下材料的許用應力100 MPa，Z為系數(shù)，δ>11 mm時Z=2.2。加強件中心線基本間距Ls和加強件中心線間最大距離Ls1、Ls2計算如下：

3.4 有效寬度和慣性矩

K為參數(shù)，I1為厚度δ1的平板截面的慣性矩，I2為厚度δ2的平板截面的慣性矩，I11為在有效寬度W范圍內(nèi)，厚度δ1的平板與加強件組合截面的慣性矩，I21為在有效寬度W范圍內(nèi)，厚度δ2的平板與加強件組合截面的慣性矩，計算如下：

K=(I2/I1)α

因有效寬度W=670 mm，Ls=1 194 mm，Ls>W，為了提高安全系數(shù)，Ls加強件中心線基本間距取有效寬度670mm。

I11=I1+I1加+I1組合

I11=325 620+5 162 112+A1×(60+9-12)2+670×18×12=13 741 956 mm4

3.5 短邊側板應力校核

N點和Q點的薄膜應力：

N點和Q點的彎曲應力：

[σ]tφ=100 MPa×0.9=90 MPa

[σ]tφ=100 MPa×0.9=90 MPa

1.5[σ]tφ=1.5×90 MPa=135 MPa

1.5[σ]tφ=1.5×90 MPa=135 MPa

3.6 長邊側板應力校核

M點和Q點的薄膜應力：

M點和Q點的彎曲應力：

應力校核：

[σ]tφ=100 MPa×0.9=90 MPa

[σ]tφ=100 MPa×0.9=90 MPa

1.5[σ]tφ=1.5×90 MPa=135 MPa

1.5[σ]tφ=1.5×90 MPa=135 MPa

3.7 拉撐板應力校核

薄膜應力：

=8.32 MPa

[σ]=90 MPa

σm≤[σ]

3.8 頂蓋強度校核

f為撓度，C8為系數(shù)，P=1 000 N，b=H/2=5 000/2=2 500，h為頂蓋厚度，3h/H=10 000/5 000=2，查矩形平板系數(shù)表C8=0.078 8，C=1，“-”指頂蓋下表面受力。

=14.59 mm

[ξ]=0.1%

[f]=10 000×[ξ]=10 000×0.1%=10 mm

[σ]=90 MPa

σP≤[σ]

頂蓋集中載荷按1 000 N考慮，提高頂蓋撓度需增設頂蓋梁。槽體強度主要依靠加強圈和拉撐板，未考慮蓋板及底板加強作用，若考慮進一步提高槽體強度，長短邊側板連接處應盡量采用圓角、采用應力過渡結構，減少應力集中。

4 全玻璃鋼槽設備制造

乙烯基酯樹脂施工配合比(質量比)如表9所示。

4.1 制造施工

制造施工環(huán)境溫度以15～30 ℃為宜，相對濕度不大于80%。當襯里層的施工環(huán)境溫度低于15 ℃，應采取加熱保溫措施。原材料使用時, 原材料溫度不低于15 ℃。一般情況下材料的初凝時間以30min為宜，如果固化太快則來不及施工，固化太慢，會影響制成品質量。玻璃鋼制品的脫模操作應在模具上常溫固化24 h以上方可脫模加工。全玻璃鋼槽制造施工工序如表10所示。制造施工鋪層的結構為：1層玻纖表面氈+n層玻纖短切氈+m層(玻纖方格布+玻纖短切氈)+1層玻纖短切氈+1層玻纖表面氈 。根據(jù)鋪層設計確定n、m的具體數(shù)值。

表9 乙烯基酯樹脂施工配比 kg

表10 全玻璃鋼槽制造施工工序

續(xù)表

4.2 槽體外觀檢查

內(nèi)襯耐蝕層表面最大氣泡直徑控制在5 mm之內(nèi)，在耐蝕層中300 mm×300 mm面積上進行檢測，其中φ3～5 mm的氣泡應不超過10個。耐蝕層表面不允許有深度為0.5 mm以上的裂紋，結構層表面不允許有深度為2 mm以上的裂紋。耐蝕層表面應光滑平整，強化層的凹凸部分厚度不大于總厚度的20%。耐蝕層不允許有泛白處，增強層泛白區(qū)最大直徑允許在Φ50 mm以內(nèi)。另外，不允許有外層脫層、纖維裸露、樹脂結節(jié)、異物雜色、色澤明顯不均等現(xiàn)象。測點選取10個以上不同點，固化完全的硬度應達到巴柯爾硬度40以上。表面防腐層含膠量不小于90%，結構層含膠量應不小50%。玻璃鋼成品全部制造完畢后，應室溫固化不低于168 h，然后在室溫下盛水試漏48 h以上，要求無滲漏，無冒汗，無明顯變形等不正常現(xiàn)象。

優(yōu)質的材料、優(yōu)質的施工、良好的養(yǎng)護是維持防腐蝕工程項目長時間使用的三要素。因此施工后的正常養(yǎng)護時間為1周，在此期間避免人員進入槽內(nèi)操作使用，避免過重的物體對槽的損傷。投入使用后，注意玻璃鋼槽體的使用情況，一旦發(fā)現(xiàn)受損或者滲漏等現(xiàn)象，應當及時處理，防止不良后果產(chǎn)生。

碳鋼內(nèi)襯玻璃鋼設備造價30萬元，全玻璃鋼設備造價29萬元，碳鋼內(nèi)襯維修費用高，全玻璃鋼維修費用少。總之用全玻璃鋼結構制造大容量玻璃鋼方形槽設備是可行的，有較高的性價比優(yōu)勢。

5 結論

全玻璃鋼大容量方形槽比圓形槽結構設備可以最大限度的利用空間面積，更好地完成濕法冶煉工藝要求。方形槽結構設備受力較復雜，材料強度校核比圓形槽結構設備要復雜些。大容量方形全玻璃鋼槽制造采用樹脂類型也很成功，防腐層幾乎無外形減損。全玻璃鋼槽的施工工藝及結構也保證了大容量方形全玻璃鋼槽成功使用。

全玻璃鋼設備計算、設計、施工、制造于2010年在剛果民主共和國希圖魯銅礦工程冶煉廠應用實踐是成功的，這些對其他廠使用全玻璃鋼設備幫助作用。

[參考文獻]

[1] 北京有色冶金設計研究總院主編.《機械設計手冊》.北京：化學工業(yè)出版社，1993.