大型缠绕成型玻璃钢容器的优化设计

倪平平

摘 要：介绍了玻璃钢材料的优缺点，并针对其强度好刚度不足的问题，对立式缠绕成型玻璃钢罐进行了结构优化，现场使用达到了预期的效果。

关键词：玻璃钢罐 结构优化 刚度 耐温性

中图分类号：TB47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0135-02

玻璃钢[1]（也称玻璃纤维增强塑料，国际公认的缩写符号为GFRP或FRP）是一种品种繁多，性能用途广泛的复合材料。它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺，制作而成的一种功能型的新型材料。

1 玻璃钢材料的优缺点

与传统的金属材料及非金属材料相比，玻璃钢材料及其制品，具有强度高，性能好，节约能源，产品设计自由度大，以及产品使用适应性广等特点。因此，在一定意义上说，玻璃钢材料是一种应用范围极广，开发前景极大的材料品种之一。

玻璃钢（FRP）的优点之一是轻质高强[2]。相对密度在1.5～2.0之间，只有碳钢的1/4～1/5，可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。但同时玻璃钢（FRP）的弹性模量低，玻璃钢（FRP）的弹性模量比木材大两倍，但比钢（E=2.1×106）小10倍，因此在产品结构中常感到刚性不足，容易变形。可以做成薄壳结构、夹层结构，也可通过高模量纤维或者做加强筋等形式来弥补。

2 立式缠绕成型玻璃钢罐的优化设计

立式缠绕成型玻璃钢罐的设计过程中需要充分考虑到玻璃钢材料刚性不足、容易变形的问题。因此，在华北局红河油田联合站200 m3玻璃钢储罐的设计过程中，对玻璃钢罐进行了罐壁优化设计、储罐连接优化、罐底转角设计优化、接管结构优化以及过热接管夹层结构的设计优化。

2.1 玻璃钢罐罐壁的设计

立式储罐在满足使用寿命的前提下，对壁厚采用自下而上的减薄设计。

（1）罐壁厚度按下式计算：

罐体刚度按下式计算壁厚：

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。

玻璃钢：σb=150MPa；[ε]=0.1%；E= 1.1×104 MPa

结构层的厚度附加量（C）：当计算厚度小于5 mm时，厚度附加量为3 mm；当计算厚度大于或等于5 mm<10 mm时，厚度附加量为2 mm；当计算厚度大于或等于10 mm<15 mm时，厚度附加量为1 mm；当计算厚度大于或等于15 mm时，不需要厚度附加量。内层厚度取2.5 mm，外层厚度取1.5 mm。

将已知数代入上式，计算结果见表1。

（2）罐壁设计外压计算。

其中：K1=1.0 ；q0=350 Pa；K2=1.2；P=0 Pa

（3）罐壁的许用临界压力按下式计算：

；其中；

按上式计算结果见表2。

（4）罐壁的稳定校核应满足下式要求：

上述计算知：

故该罐壁校核合格，不需设加强圈。

2.2 玻璃钢储罐的连接优化

玻璃钢储罐的封头与筒体间的连接形式采用对接连接。对接时可借助导向板完成，接缝处应平整、严实，接缝间隙不超过板厚或者10 mm，且无明显错位倾斜。内外层分别采用400 mm的聚酯材料进行粘贴加固。

2.3 玻璃钢转角设计优化

筒体与罐底用承插内外增强糊制法粘接[3]，内部糊制的拐角半径r不小于50 mm，增强糊制的宽度不小于200 mm。拐角糊制增厚应递减，圆滑过渡并与底部和侧壁相切。

2.4 接管结构优化

法兰与容器组装形式见图1。其适合于直径大于100 mm的接管。直径不大于100 mm的接管需要角撑板支撑。接管开孔处应能承受液柱压力，要在以开口中心线为中心的周边面积进行补强。常压容器的接管开孔补强按照公式（1）进行计算[4]。

Tt=PDK/2Sa （1）

式中：

Tt为开孔补强厚度，单位为毫米（mm）；K为系数，接管直径≥150 mm时，K=1.0；接管直径<150 mm时，K=1.0d/（dr-d）；d为接管公称直径，单位为毫米（mm）；dr为补强圈直径，单位为毫米（mm）；接管直径≥150 mm时，dr=2d，接管直径<150 mm时，dr=d+150；P为接管所在部位的液柱压力，单位为兆帕（MPa）；D为容器内径，单位为毫米（mm）；Sa为许用拉伸应力，单位为兆帕（MPa）。

2.5 过热接管夹层结构的设计优化

由于玻璃钢长期耐温性差，长期使用时通用聚酯FRP在50 ℃以上强度就明显下降[5]。因此，对于内部有碳钢加热盘管的玻璃钢大罐，其罐壁可以采用套管式的夹层结构，以防止内部碳钢加热盘管与玻璃钢罐壁直接接触。

3 结论

（1）红河油田联合站、转油站、废液处理站内，建造玻璃钢罐时进行了结构优化，共建造玻璃钢罐数量达到9座。（2）从玻璃钢罐的检测结果和现场运行情况标明，玻璃钢罐的结构优化是合理的，罐的刚度不足的问题得到了解决，满足了生产的需要。

参考文献

[1] 陈博.发展中的我国玻璃钢工业[J].玻璃钢/复合材料，1997（6）：15.

[2] 雷文，凌志达.缠绕玻璃钢管罐的技术特点及在我国的应用现状[J].工厂塑料应用，2000，28（6）：24-26.

[3] CD130A19-85，手煳法玻璃钢设备设计技术条件[S].

[4] HG/T 3983-2007，耐化学腐蚀现场缠绕玻璃钢大型容器[S].

[5] HG/T 20696-1999，玻璃钢化工设备设计规定[S].