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玻璃鋼貯罐具有良好的耐腐蝕性能，其應(yīng)用范圍正在日益擴(kuò)大，如何纏制特大型玻璃鋼貯罐，是玻璃鋼業(yè)界所需要解決的一個(gè)工藝技術(shù)問(wèn)題。根據(jù)國(guó)外有關(guān)刊物報(bào)道，將有關(guān)纏制特大型玻璃鋼貯罐的工藝介紹如下：
一、特大型玻璃鋼貯罐的兩種制作方法
前些年來(lái)，美國(guó)已經(jīng)纏制成功直徑為 15～20m的玻璃鋼耐腐蝕貯罐，并且已成功地應(yīng)用于某些侵蝕型的耐腐領(lǐng)域，例如作為濃鹽酸大型容器的用途。
由于這些特大型耐腐蝕玻璃鋼貯罐的幾何尺寸都很大，在制作及運(yùn)輸方面，都存在不少的問(wèn)題。據(jù)報(bào)道，目前國(guó)外有兩種纏繞特大型耐腐蝕貯罐的方法。
一種是現(xiàn)場(chǎng)纏繞；另一種是先在生產(chǎn)車(chē)間，利用稱(chēng)謂Oblation 的工藝方法纏制而成，然后再運(yùn)到使用的地方進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝。
種現(xiàn)場(chǎng)纏繞工藝方法，是先在現(xiàn)場(chǎng)蓋起大棚，待殼體纏繞完成后，移走纏繞機(jī)，而后進(jìn)行組裝貯罐。大多數(shù)特大型玻璃鋼貯罐的制造者，均采用“環(huán)向纏繞－短切噴射”的方法，即玻璃纖維沿環(huán)向纏繞，并再在纏繞帶部位利用噴射設(shè)備，噴射短切纖維及樹(shù)脂的積層。 這就是湯動(dòng)力(Tankinetics)公司，所采用的閉環(huán)螺旋纖維纏繞工藝方法。
第二種 Oblation 纏繞工藝方法，也是湯動(dòng)力公司先研制開(kāi)發(fā)成功的一項(xiàng)纏繞技術(shù)。該公司利用玻璃鋼材料，具有一定的柔順性質(zhì)，在生產(chǎn)車(chē)間里先纏繞成貯罐殼體以后，在橫向上施加以一定的壓力裝上卡車(chē)運(yùn)輸?shù)绞褂霉さ兀缓笤倩謴?fù)到原來(lái)的圓柱形狀，后再裝配成所設(shè)計(jì)的特大型玻璃鋼貯罐。
二、特大型玻璃鋼貯罐的FEA設(shè)計(jì)新方法
Tankinetics公司在前不久，承接了一項(xiàng)制作直徑為25.15m，高度為3.05m，無(wú)頂蓋的玻璃鋼熱鹽水貯罐業(yè)務(wù)。根據(jù)用戶(hù)的要求，這一特大型貯罐，擬采用“鑲肩型”結(jié)構(gòu)，即由一個(gè)硬質(zhì)鑲肩與一個(gè)軟質(zhì)鑲肩，相應(yīng)組合拼裝而成。
由于圓柱殼體的尺寸精度要求很高，必須保證在0.001 R以?xún)?nèi)(R是圓柱體貯罐的半徑)，并且其間采用緊配合方式，而不能采用粘結(jié)工藝，因而在對(duì)這種特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作方面，都提出了很?chē)?yán)格的要求。若采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，是很難達(dá)到性能的設(shè)計(jì)要求的。 基于上述情況，該公司采用了“非線性有限元素分析設(shè)計(jì)方法”(FEA)，對(duì)這種所用材質(zhì)為各向異性材料，形狀又較為復(fù)雜的制品，進(jìn)行了特殊的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。
該公司采用了美國(guó)結(jié)構(gòu)研究和分析公司的COSMOS系統(tǒng)，并建立了專(zhuān)門(mén)的FEA分析模型。由于“鑲肩”結(jié)構(gòu)和殼體，均呈軸對(duì)稱(chēng)形狀，因而該公司對(duì)于貯罐的底部、“鑲肩”、粘結(jié)件和殼體等，都運(yùn)用軸對(duì)稱(chēng)的，以大型移動(dòng)平板為元素的設(shè)計(jì)模型。
這些有限元素在環(huán)向、軸向，或者在徑向上，均呈現(xiàn)各向異性的性能。以開(kāi)口面的模型作為基面，這一開(kāi)口元素沿鑲肩，自下而上地開(kāi)展，自動(dòng)設(shè)計(jì)出基礎(chǔ)面和鑲肩之間的表面形狀。
這樣的計(jì)算方法，經(jīng)實(shí)踐證明，不但較為切合實(shí)際，而且比較準(zhǔn)確。
該套FEA設(shè)計(jì)方法，還可按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間程序，對(duì)貯罐所受不同形式的力及其所產(chǎn)生的壓力情況，進(jìn)行正確的應(yīng)力分析。
為了計(jì)算出由于形變所引起的剛度變化，在每一個(gè)時(shí)間內(nèi)，將改變其所用的剛度矩陣。通過(guò)計(jì)算所得的結(jié)果，不僅能表示出所受應(yīng)力的數(shù)值，而且能反映出這種特大型貯罐上，“硬鑲肩”的性能表現(xiàn)情況。
據(jù)介紹，這種新設(shè)計(jì)的鑲肩結(jié)構(gòu)，至少對(duì)三種類(lèi)型的位移，起到有效的比較重要的效用。
FEA方法，還可對(duì)貯罐低位人孔進(jìn)行應(yīng)力分析，也可計(jì)算出風(fēng)力和地震所產(chǎn)生的應(yīng)力的大小。由于人孔處應(yīng)力較為集中，其周?chē)氐拿芏葘⒌玫郊訌?qiáng)，以便改善其計(jì)算的準(zhǔn)確度。人孔設(shè)計(jì)模型，將與殼體增強(qiáng)材料、法蘭和蓋子等，形成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)。
據(jù)該公司介紹，這種高元素密度的設(shè)計(jì)方法，也同樣適用于其他“鑲肩型”的部件。所采用的FEA軟件，可應(yīng)用于多種載荷狀態(tài)，并可計(jì)算出它所受的應(yīng)力和形變情況。對(duì)于風(fēng)力和地震的情況，在所建的新設(shè)計(jì)模型中，均作為正向壓力處理。由于貯罐的直徑很大，縱橫比例很小，因而在計(jì)算地震載荷時(shí)，采用API－650方法計(jì)算。
由于該類(lèi)貯罐縱橫向的比例很小，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮液體的靜壓力，風(fēng)力或地震均不會(huì)對(duì)貯罐帶來(lái)較大的應(yīng)力或形變。
尤其在貯罐的底部，幾乎全部是由于液體的靜壓壓力，所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。在貯罐底下部位，由于底部鑲肩的不連續(xù)性，使殼體承受了一個(gè)軸向的彎曲載荷，因此必須適當(dāng)增強(qiáng)這個(gè)部位的殼體設(shè)計(jì)。
三、特大型玻璃鋼貯罐的現(xiàn)場(chǎng)螺旋纏繞工藝
Ｔankinetics公司根據(jù)用戶(hù)的要求，這個(gè)特大直徑玻璃鋼貯罐，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行纏繞加工。該公司使用了一臺(tái)全自動(dòng)多軸纏繞機(jī)，對(duì)貯罐殼體進(jìn)行封閉式螺旋纏繞。其“封閉式”方案的意思，是指纏繞纖維帶，要一道緊挨一道，既不能出現(xiàn)空隙，也不允許有搭接現(xiàn)象，并預(yù)先設(shè)定好纖維帶的寬度，以使一層纖維層纏繞完畢后，殼體表面正好被全部覆蓋。
據(jù)該公司有關(guān)人士認(rèn)為，大直徑玻璃鋼制品的封閉式纏繞，只有通過(guò)計(jì)算機(jī)控制才能完成。機(jī)械齒輪系統(tǒng)，對(duì)于玻璃鋼管道或小直徑貯罐，可進(jìn)行封閉式纏繞。但對(duì)于大直徑玻璃鋼制品，機(jī)械齒輪系統(tǒng)就無(wú)法進(jìn)行封閉式纖維纏繞。
大直徑玻璃鋼制品的纏繞角度，以及纏繞時(shí)間的控制，都必須十分精確。纏繞角的精度范圍，要求在一百分之幾度以?xún)?nèi)，只有實(shí)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，才可避免出現(xiàn)纏繞工藝的累積誤差。
四、特大型玻璃鋼貯罐的螺旋纏繞設(shè)備和技術(shù)
Tankinetics 公司，在纏制特大型玻璃鋼貯罐時(shí)，采用了該公司的多軸纏繞系統(tǒng)的技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)，利用伺服電機(jī)計(jì)算機(jī)體系的優(yōu)越特性，并將多個(gè)纏繞機(jī)組成為一個(gè)整體，以得到完全封閉的螺旋纏繞玻璃鋼貯罐。
據(jù)稱(chēng)，一個(gè)單個(gè)的 Tankinetics纖維纏繞機(jī)，其纏繞速度約為1000公斤/小時(shí)。倘若使用多機(jī)纏繞，其纏繞速度會(huì)隨所用機(jī)頭的數(shù)目的增加，而相應(yīng)成倍地增加。
該公司還指出，在纏制特大型玻璃鋼貯罐時(shí)，由于受到樹(shù)脂膠凝時(shí)間的限制，因此必須采用多機(jī)纏繞才能制作成功。他們認(rèn)為，在樹(shù)脂膠凝以前，就必須完成一個(gè)纏繞周期。而對(duì)于一個(gè)給定的貯罐高度每個(gè)周期所需樹(shù)脂的用量，在厚度為一定值時(shí)，與貯罐的直徑成正比。
但對(duì)于一個(gè)纏繞單機(jī)，完成一個(gè)纏繞周期所需的時(shí)間，將與貯罐的直徑成正比關(guān)系。因此，當(dāng)貯罐直徑達(dá)到一個(gè)定值時(shí)，再利用單機(jī)纏繞的濕法成型工藝方法，已成為不可能了。
基于上述理由，對(duì)于特大型玻璃鋼貯罐，必須采用多機(jī)纏繞的方法。其理由是多機(jī)纏繞貯罐的纏繞時(shí)間，將與采用的機(jī)頭的數(shù)目成反比，例如雙機(jī)纏繞一個(gè)25米直徑貯罐所需的時(shí)間，作為單機(jī)，只能纏制12.5米直徑的貯罐。
五、特大型玻璃鋼貯罐頂?shù)撞恐谱鞣椒?br />
由于該特大型玻璃鋼貯罐呈開(kāi)口的形狀，因而在殼體頂部附近，必須加裝一個(gè)纖維纏繞固定環(huán)。這種固定環(huán)呈大小不等的四邊形形狀。該公司先在頂部位置裝上一個(gè)芯材，然后在外層纏繞上玻璃纖維。并且該公司開(kāi)發(fā)出一種安裝這種固定環(huán)的專(zhuān)門(mén)技術(shù)，只要正確地制訂出纏制程序，就可纏制成質(zhì)量較好的，貯罐頂部四邊形的筋條。
這種特大型貯罐的底部，是在使用場(chǎng)所進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)制作。為確保貯罐底部復(fù)合材料，在層間組分方面有良好的一致性，用戶(hù)要求貯罐底部原材料，選用玻纖氈和編織卷材，并使用噴射工藝和編織預(yù)置相結(jié)合的成型方法。由于該底部的制作時(shí)間很短，因而避免二次粘結(jié)工序，有效地節(jié)省了貯罐的制成時(shí)間。
該公司相信，大口徑玻璃鋼貯罐市場(chǎng)將得到進(jìn)一步的開(kāi)拓，不管在美國(guó)復(fù)合材料市場(chǎng)，還是在其他的市場(chǎng)，雖然會(huì)遇到各種挑戰(zhàn)，但必將對(duì)復(fù)合材料工業(yè)，帶來(lái)新的契機(jī)和起色。
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