碳/玻纖維混纏雙層油罐的研究

程慶利

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗室，山東青島 266071)

0 概述

在油品儲存領(lǐng)域，為解決油品滲泄漏問題，歐盟自1996年起，已經(jīng)將全部的常壓儲液罐改造更新為雙層罐。美國體系參照歐盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，2004年開始采用Ⅰ～Ⅴ級滲泄漏對安全和環(huán)保影響分級的方法，其內(nèi)容和要求與歐盟的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基本一致。根據(jù)國務(wù)院和環(huán)保部的要求，全國加油站埋地單層油罐必須更換成雙層油罐或設(shè)置防滲罐池，以防止油品滲漏而污染環(huán)境[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，全國加油站數(shù)量約在10萬座左右，若平均按每座加油站4個數(shù)量的埋地油罐計算，全國將近40萬個埋地油罐。目前加油站普遍采用SF(鋼-玻璃鋼)雙層罐或FF(玻璃鋼-玻璃鋼)，至今，已經(jīng)完成了50%以上的單層罐向雙儲罐的改造或更新[4,5]。

近年來，在傳統(tǒng)SF或FF雙層罐基礎(chǔ)上，國外已開始研究使用高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)罐體[6-8]。使用碳纖維增強(qiáng)材料制備埋地雙層油罐，可提升罐體的強(qiáng)度，減輕罐體重量，適合多場合安裝，提高安全可靠性，同時碳纖維復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)靜電性能，避免靜電火災(zāi)風(fēng)險。相對于SF、FF罐，其更耐腐蝕，壽命更長，不泄漏，符合環(huán)保要求。但國內(nèi)已用的雙層罐復(fù)合材料主要采用玻璃纖維作為增強(qiáng)體。復(fù)合材料增強(qiáng)體種類比較多，有玻璃纖維、碳纖維、亞麻纖維等等。每種增強(qiáng)體都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，比如碳纖維增強(qiáng)體比強(qiáng)度大、比剛度比較高，但價格昂貴且延伸率也比較低；玻纖維比強(qiáng)度和比剛度要遠(yuǎn)低于碳纖維，但其價格相對比較低且延伸率相對比較高。若把碳纖維與玻纖維進(jìn)行混雜編制，作為增強(qiáng)體的一種材料，它能夠綜合碳纖維和玻纖維的性能，兼容不同的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，從而提高混雜纖維的基體特性，從而使碳/玻纖維混雜復(fù)合材料的雙層罐具有最高的性價比。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計雙層油罐的結(jié)構(gòu)：雙層罐容積為30 m3，公稱內(nèi)徑為2 600 mm，封頭為橢圓形，長短軸比為2，筒身外壁有“梯形”加強(qiáng)筋，具體如圖1所示。

圖1 雙層罐整體結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

1.2 罐壁結(jié)構(gòu)設(shè)計

罐壁結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 雙層罐罐壁結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

1.3 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

對加強(qiáng)筋進(jìn)行特殊設(shè)計，使得加強(qiáng)筋承受外力更大，安全系數(shù)更高，如圖3所示。

2 仿真模擬計算

為了進(jìn)一步確認(rèn)設(shè)計罐結(jié)構(gòu)是否具有合理性，對罐壁鋪層進(jìn)行設(shè)定，如表1所示。在內(nèi)襯層中分為5個鋪層方式，其中有表面氈層、噴射紗層、玻纖-碳纖布混雜層、噴射紗層、網(wǎng)格布層組成；間隙層僅選用市場通用的3D玻纖布；外襯層中分為4層，由表面氈層、噴射紗層、玻纖-碳纖布混雜層、網(wǎng)格布層組成；結(jié)構(gòu)層中，按照鋪設(shè)方式分為4層，分別為環(huán)向纏繞層、單向布層、交叉纏繞層以及環(huán)向纏繞層組成。

圖3 雙層罐外加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)示意

按照表1和表2方式建立雙層罐模型，并進(jìn)行仿真模擬計算，在整個罐上仿真模擬計算(圖4)顯示，在內(nèi)壓力172 kPa條件下，整個罐能產(chǎn)生4.65 mm最大變形量，而最大變形量在其封頭的位置，說明罐的最大破壞可能性會發(fā)生在封頭位置，但并未被破壞，說明罐壁鋪層設(shè)計符合應(yīng)用要求。為了進(jìn)一步確定封頭位置的受力情況，單獨(dú)對封頭進(jìn)行仿真模擬，如圖5所示，0°方向最大應(yīng)力23 MPa，90°方向最大應(yīng)力21 MPa，因此封頭設(shè)計結(jié)構(gòu)最低能耐23 MPa壓力而不被破壞。當(dāng)把罐殼體單獨(dú)進(jìn)行仿真模擬計算時，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)0°方向最大應(yīng)力100 MPa，90°方向最大應(yīng)力28 MPa，這說明雖然罐體最大變形在封頭位置，但受力最大的在殼體0°方向。若殼體作為單獨(dú)受力體存在，殼體將因承受過大的壓力，遭到破壞，從而影響雙層罐的使用壽命。為了確保雙層罐的抗外載荷能力并能延長使用壽命，需要在雙層罐內(nèi)加上加強(qiáng)結(jié)構(gòu)即加強(qiáng)筋，增加罐殼體抗外界載荷能力。對雙層罐內(nèi)的加強(qiáng)筋進(jìn)行仿真模擬計算，如圖7所示，計算結(jié)果表明加強(qiáng)筋在0°方向最大應(yīng)力128 MPa，90°方向最大應(yīng)力38 MPa，加強(qiáng)筋在兩個方向上所承載的力都大于外罐殼體力，從而增加整個罐的抗外載荷能力，提高罐的使用壽命。

表1 雙層罐筒體鋪設(shè)

表2 雙層罐結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)

圖4 仿真模擬計算

圖5 雙層罐仿真封頭段模擬計算

圖6 雙層罐仿真殼體段模擬計算

對于車道下方的雙層罐，在使用過程中難免受到上方車輛來回碾壓，根據(jù)國家對汽車載荷約49 t最大的要求，若加上60%的足夠多的余量，進(jìn)行80 t載荷的仿真計算，如圖8所示，為了驗證雙層罐抗外界載荷的能力，對其進(jìn)行有限元仿真模擬計算，假設(shè)在國家允許的最大汽車80 t載荷條件下進(jìn)行壓載計算，結(jié)果表明罐殼體受到較大的力，但并未被破壞，因此按照表1方式設(shè)計的碳纖維-玻纖維混雜雙層罐具有較高的力學(xué)特性，可適用于不同的場合。

圖7 雙層罐仿真加強(qiáng)筋段模擬計算

圖8 在外載荷80 t條件下雙層罐仿真模擬計算

3 碳/玻纖維雙層罐成品性能測試

按照表1和表2要求制作完成碳/玻纖混纏雙層油罐，為進(jìn)一步驗證罐實(shí)際抗載荷能力，對碳/玻纖維混纏雙層油罐進(jìn)行實(shí)際車載碾壓實(shí)驗，在80 t車載壓力下，碳纖維罐完好無損，說明按照表1和表2方式設(shè)計的碳纖維罐完全能抗住外界載荷壓力，符合使用要求。此外，按照高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T3177-2015《加油站用埋地玻璃纖維增強(qiáng)塑料雙層油罐工程技術(shù)規(guī)范》對雙層罐抗內(nèi)壓的要求，對碳/玻纖維混纏雙層油罐進(jìn)行40 min內(nèi)壓172 kPa測試，結(jié)果表明無泄漏現(xiàn)象發(fā)生，證明碳/玻纖維混纏雙層油罐符合設(shè)計要求。

碳纖維雙層罐與市售雙層罐相比較(表3)，可知碳纖維在抗載荷、抗內(nèi)壓以及導(dǎo)靜電性能方面都要優(yōu)于市售雙層罐，因此用碳纖維雙層罐具有較大性能優(yōu)勢。

表3 碳/玻纖維混纏雙層罐測試性能

4 結(jié)論

a) 對碳/玻纖維混纏雙層罐進(jìn)行罐整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括加強(qiáng)筋包括碳纖維層和PVE泡沫支撐物，加強(qiáng)筋成型采用真空灌注成型工藝于已經(jīng)制成的油罐外壁上。

b) 對罐的整體結(jié)構(gòu)、罐殼體和封頭分別進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果表明在0°方向和90°方向不會被破壞；加強(qiáng)筋在0°方向和90°方向上所承載的力都大于外罐殼體受力，在一定程度上減少外罐單獨(dú)承載外載荷，從而增加整個罐的抗外載荷能力，提高罐的使用壽命。

c) 對罐進(jìn)行內(nèi)壓172 kPa和外載荷80 t的仿真計算而不被破壞，同時按照設(shè)計要求制作一臺真實(shí)的碳/玻纖維混纏雙層罐，通過了內(nèi)壓172 kPa和外載荷80 t車載實(shí)驗測試，這充分說明碳/玻纖維混纏設(shè)計雙層罐可以適用實(shí)際使用工況要求。