海水淡化用大口径复合材料压力容器的设计研发

徐建英 张宗伟 刘永 南洋

摘 要：本文通过对海水淡化用大口径复合材料压力容器结构设计中涉及的基体材料、增强材料、辅料等问题讨论研究，最终达到海水淡化用大口径复合材料压力容器的量产及应用推广。

关键词：海水淡化用大口径复合材料压力容器;设计

1概述

在我国，随着经济持续的发展和人民生活水平的提高，对水量的需求越来越大，对水质的要求越来越高，而水资源的不足，时空分布的不均，加上超限度的开采，无节制的浪费，随意地污染，使本来紧张的水资源供需矛盾更加尖锐。越发需要进一步加大水资源节约和水环境保护的力度，利用现代技术对工业和生活废水进行处理实现中水回用、或者大规模开辟新的水源，例如海水和苦盐水淡化技术。

近年来，国内反渗透膜法水处理用膜壳还主要以进口为主，但近些年国产反渗透膜壳经过从产品引进到国内自主开发，呈现出良好的发展势头，而且水平已接近国际先进水平。

目前，玻璃钢膜壳主要以高强度的连续无捻粗纱浸渍环氧树脂，采用纤维缠绕工艺制造，针对玻璃钢复合材料产品强度可设计的特点，如何根据国内玻璃钢原材料、工艺、设备的技术特点，以及相关容器配件的技术指标，合理制定产品的技术性能指标、工艺路线和成本指标;如何通过改变材料组分的种类、含量、铺层方向和顺序，改变材料的性能，使之满足结构设计中对材料强度、弹性和方向性的要求，以达到结构设计与材料设计高度统一，充分發挥纤维抗拉强度高的优势以及如何进一步开发更大口径的玻璃钢压力容器及其配件，提高产品在使用中的可靠性，将成为行业今后的发展趋势。

2主要研究内容

本文通过对海水淡化用大口径复合材料压力容器结构设计中涉及的基体材料、增强材料、辅料等问题进行讨论，并综合考虑材料力学性能、耐化学侵蚀性等性能及其配件的使用环境和技术要求，开发设计海水淡化用大口径复合材料压力容器及其配件。

（1）环氧树脂基体、增强材料选择及其结构设计与生产工艺

由于海水淡化用大口径复合材料压力容器内壁长期与水接触，故其壳体一般分为内衬层和外缠绕层，内衬层决定壳体的耐水性能好坏。倘若耐水性差，则树脂固化物由于吸水而引起溶胀或溶解导致内衬层树脂破坏，吸水率增加，材料性能变差，力学强度明显降低。鉴于此，内衬层应选择低克重表面毡增强物及选用韧性好、延伸率高、固化收缩率低且耐水优异的树脂，且增强材料与树脂有良好的浸润性，与树脂固化后应变集中系数小且能保持较高树脂含量。同时，根据选取的材料属性，进一步优化其壳体的结构设计及纤维缠绕工艺，实现海水淡化用大口径复合材料压力容器在工作压力条件下处于最佳的受力状态，真正体现出“轻质高强”这一概念。

（2）配件的选材及结构设计

海水淡化用大口径复合材料压力容器内配件的结构形式及端板厚度将决定其端口的结构形式，同时不同口径、不同额定工作压力下，均需设计不同的配件。这就需要根据其额定工作压力及运行环境，选取适合的材质并设计配件的结构，实现配件结构形式及性能最优化。

（3）端口的生产及后加工工艺

海水淡化用大口径复合材料压力容器端口挡环设计一般采用非预埋（主要针对低压力）和预埋（主要针对高压力）两种方式，需根据不同的设计方式，在不影响其端口强度及内表面光洁度的前提下，选择合适的生产及后加工工艺。尤其对于侧开口产品，其两端侧开口位置必须在同一轴线上，简单、快速、精确的打孔，影响到产品的生产效率。

（4）环氧树脂基体及增强材料的选择。

由于海水淡化用大口径复合材料压力容器多在高压、高流速（磨损）、介质浓缩等不利条件下运行使用，所以必须选用韧性好、延伸率高、固化收缩率低且耐水优异的树脂，且要求增强材料与树脂基体有良好的润湿性，这样才能保证树脂基体与增强材料间具有良好的界面相容性，使复合材料的物理性能最优化。

（5）内衬层玻璃纤维表面毡的铺设工艺研究。

无论是干的玻璃纤维表面毡，还是浸过树脂的湿玻璃纤维表面毡，强度均较低，在铺设过程中，极易被拉扯断，如何设计并制造出合适的工装设备，既能保证在缠绕玻璃纤维纱之前使璃纤维表面毡充分浸胶，并能实现玻璃纤维表面毡的连续、快速、自动化铺设是生产工艺过程制定中需要解决的关键问题之一。

3主要研究方案

为实现上述研究内容及解决上述关键问题，本文拟采取的实验方案如下：

（1） 在综合考虑树脂基体及其辅料粘度、耐水性以及增强纤维纱浸润性等性能因素的情况下，选择粘度适中、韧性好、耐水性优越的环氧树脂、增韧剂、固化剂及浸润性良好的玻璃纤维纱，制备浇铸体试样及纤维缠绕玻璃钢环形试样，测试浇铸体试样的拉伸、压缩和弯曲性能，以及试样的拉伸、剪切、弯曲性能，并对试样的力学性能进行比较，选择出综合性能优异的环氧树脂基体、辅料及增强纤维。

（2） 对配件及其壳体结构进行设计。首先，根据配件的特殊用途及使用环境，设计配件结构，选用韧性好、结构强度高、耐腐蚀的尼龙+ABS工程塑料材质，并采用注塑成型工艺制备配件，由此确定壳体长度及其端口结构形式。其次，根据海水淡化用大口径复合材料压力容器的特殊防腐及防渗要求，设计壳体有内层耐腐蚀及防渗层和外层结构层构成。其中内层有富树脂层及中间层构成，富树脂层用玻璃纤维表面毡铺设，控制树脂含量大于90%;中间层采用短切纤维毡，控制树脂含量70-80%。外层结构层采用玻璃纤维缠绕纱缠绕而成，控制树脂含量30%左右，缠绕线性采用角螺旋缠绕，两端头部加厚部分采用环向加螺旋缠绕。

（3） 按图1所示生产工艺，试制内径为18′′的海水淡化用大口径复合材料压力容器，并对制品进行水压渗漏试验、静水压爆破试验及105次水压疲劳试验，检验试制品的密封及力学性能。

4综述

根据试制品实验数据最终确定海水淡化用大口径复合材料压力容器结构设计中涉及的基体材料、增强材料、辅料，并根据材料力学性能、耐化学侵蚀性等性能及反渗透壳体及其配件的使用环境和技术要求，开发设计出符合上述要求的海水淡化用大口径复合材料压力容器及其配件。

参考文献

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