海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)研發(fā)

徐建英 張宗偉 劉永 南洋

摘 要：本文通過對海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及的基體材料、增強(qiáng)材料、輔料等問題討論研究，最終達(dá)到海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器的量產(chǎn)及應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器;設(shè)計(jì)

1概述

在我國，隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對水量的需求越來越大，對水質(zhì)的要求越來越高，而水資源的不足，時(shí)空分布的不均，加上超限度的開采，無節(jié)制的浪費(fèi)，隨意地污染，使本來緊張的水資源供需矛盾更加尖銳。越發(fā)需要進(jìn)一步加大水資源節(jié)約和水環(huán)境保護(hù)的力度，利用現(xiàn)代技術(shù)對工業(yè)和生活廢水進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)中水回用、或者大規(guī)模開辟新的水源，例如海水和苦鹽水淡化技術(shù)。

近年來，國內(nèi)反滲透膜法水處理用膜殼還主要以進(jìn)口為主，但近些年國產(chǎn)反滲透膜殼經(jīng)過從產(chǎn)品引進(jìn)到國內(nèi)自主開發(fā)，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭，而且水平已接近國際先進(jìn)水平。

目前，玻璃鋼膜殼主要以高強(qiáng)度的連續(xù)無捻粗紗浸漬環(huán)氧樹脂，采用纖維纏繞工藝制造，針對玻璃鋼復(fù)合材料產(chǎn)品強(qiáng)度可設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，如何根據(jù)國內(nèi)玻璃鋼原材料、工藝、設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)，以及相關(guān)容器配件的技術(shù)指標(biāo)，合理制定產(chǎn)品的技術(shù)性能指標(biāo)、工藝路線和成本指標(biāo);如何通過改變材料組分的種類、含量、鋪層方向和順序，改變材料的性能，使之滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對材料強(qiáng)度、彈性和方向性的要求，以達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)高度統(tǒng)一，充分發(fā)揮纖維抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)勢以及如何進(jìn)一步開發(fā)更大口徑的玻璃鋼壓力容器及其配件，提高產(chǎn)品在使用中的可靠性，將成為行業(yè)今后的發(fā)展趨勢。

2主要研究內(nèi)容

本文通過對海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及的基體材料、增強(qiáng)材料、輔料等問題進(jìn)行討論，并綜合考慮材料力學(xué)性能、耐化學(xué)侵蝕性等性能及其配件的使用環(huán)境和技術(shù)要求，開發(fā)設(shè)計(jì)海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器及其配件。

（1）環(huán)氧樹脂基體、增強(qiáng)材料選擇及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝

由于海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器內(nèi)壁長期與水接觸，故其殼體一般分為內(nèi)襯層和外纏繞層，內(nèi)襯層決定殼體的耐水性能好壞。倘若耐水性差，則樹脂固化物由于吸水而引起溶脹或溶解導(dǎo)致內(nèi)襯層樹脂破壞，吸水率增加，材料性能變差，力學(xué)強(qiáng)度明顯降低。鑒于此，內(nèi)襯層應(yīng)選擇低克重表面氈增強(qiáng)物及選用韌性好、延伸率高、固化收縮率低且耐水優(yōu)異的樹脂，且增強(qiáng)材料與樹脂有良好的浸潤性，與樹脂固化后應(yīng)變集中系數(shù)小且能保持較高樹脂含量。同時(shí)，根據(jù)選取的材料屬性，進(jìn)一步優(yōu)化其殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及纖維纏繞工藝，實(shí)現(xiàn)海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器在工作壓力條件下處于最佳的受力狀態(tài)，真正體現(xiàn)出“輕質(zhì)高強(qiáng)”這一概念。

（2）配件的選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器內(nèi)配件的結(jié)構(gòu)形式及端板厚度將決定其端口的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)不同口徑、不同額定工作壓力下，均需設(shè)計(jì)不同的配件。這就需要根據(jù)其額定工作壓力及運(yùn)行環(huán)境，選取適合的材質(zhì)并設(shè)計(jì)配件的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)配件結(jié)構(gòu)形式及性能最優(yōu)化。

（3）端口的生產(chǎn)及后加工工藝

海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器端口擋環(huán)設(shè)計(jì)一般采用非預(yù)埋（主要針對低壓力）和預(yù)埋（主要針對高壓力）兩種方式，需根據(jù)不同的設(shè)計(jì)方式，在不影響其端口強(qiáng)度及內(nèi)表面光潔度的前提下，選擇合適的生產(chǎn)及后加工工藝。尤其對于側(cè)開口產(chǎn)品，其兩端側(cè)開口位置必須在同一軸線上，簡單、快速、精確的打孔，影響到產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

（4）環(huán)氧樹脂基體及增強(qiáng)材料的選擇。

由于海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器多在高壓、高流速（磨損）、介質(zhì)濃縮等不利條件下運(yùn)行使用，所以必須選用韌性好、延伸率高、固化收縮率低且耐水優(yōu)異的樹脂，且要求增強(qiáng)材料與樹脂基體有良好的潤濕性，這樣才能保證樹脂基體與增強(qiáng)材料間具有良好的界面相容性，使復(fù)合材料的物理性能最優(yōu)化。

（5）內(nèi)襯層玻璃纖維表面氈的鋪設(shè)工藝研究。

無論是干的玻璃纖維表面氈，還是浸過樹脂的濕玻璃纖維表面氈，強(qiáng)度均較低，在鋪設(shè)過程中，極易被拉扯斷，如何設(shè)計(jì)并制造出合適的工裝設(shè)備，既能保證在纏繞玻璃纖維紗之前使璃纖維表面氈充分浸膠，并能實(shí)現(xiàn)玻璃纖維表面氈的連續(xù)、快速、自動(dòng)化鋪設(shè)是生產(chǎn)工藝過程制定中需要解決的關(guān)鍵問題之一。

3主要研究方案

為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容及解決上述關(guān)鍵問題，本文擬采取的實(shí)驗(yàn)方案如下：

（1） 在綜合考慮樹脂基體及其輔料粘度、耐水性以及增強(qiáng)纖維紗浸潤性等性能因素的情況下，選擇粘度適中、韌性好、耐水性優(yōu)越的環(huán)氧樹脂、增韌劑、固化劑及浸潤性良好的玻璃纖維紗，制備澆鑄體試樣及纖維纏繞玻璃鋼環(huán)形試樣，測試澆鑄體試樣的拉伸、壓縮和彎曲性能，以及試樣的拉伸、剪切、彎曲性能，并對試樣的力學(xué)性能進(jìn)行比較，選擇出綜合性能優(yōu)異的環(huán)氧樹脂基體、輔料及增強(qiáng)纖維。

（2） 對配件及其殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)配件的特殊用途及使用環(huán)境，設(shè)計(jì)配件結(jié)構(gòu)，選用韌性好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐腐蝕的尼龍+ABS工程塑料材質(zhì)，并采用注塑成型工藝制備配件，由此確定殼體長度及其端口結(jié)構(gòu)形式。其次，根據(jù)海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器的特殊防腐及防滲要求，設(shè)計(jì)殼體有內(nèi)層耐腐蝕及防滲層和外層結(jié)構(gòu)層構(gòu)成。其中內(nèi)層有富樹脂層及中間層構(gòu)成，富樹脂層用玻璃纖維表面氈鋪設(shè)，控制樹脂含量大于90%;中間層采用短切纖維氈，控制樹脂含量70-80%。外層結(jié)構(gòu)層采用玻璃纖維纏繞紗纏繞而成，控制樹脂含量30%左右，纏繞線性采用角螺旋纏繞，兩端頭部加厚部分采用環(huán)向加螺旋纏繞。

（3） 按圖1所示生產(chǎn)工藝，試制內(nèi)徑為18′′的海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器，并對制品進(jìn)行水壓滲漏試驗(yàn)、靜水壓爆破試驗(yàn)及105次水壓疲勞試驗(yàn)，檢驗(yàn)試制品的密封及力學(xué)性能。

4綜述

根據(jù)試制品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最終確定海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及的基體材料、增強(qiáng)材料、輔料，并根據(jù)材料力學(xué)性能、耐化學(xué)侵蝕性等性能及反滲透殼體及其配件的使用環(huán)境和技術(shù)要求，開發(fā)設(shè)計(jì)出符合上述要求的海水淡化用大口徑復(fù)合材料壓力容器及其配件。

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