越来越耐用的复合材料储藏罐

 

    工程学教授杰夫·克拉克森（GeoffClarkson）并未制造复合储罐，但他对使这种储罐持久耐用的知识非常了解。克拉克森（Clarkson）于2008年成立了UTComp，为复合材料行业提供工程和检验服务。多年来，他使用公司的UltraAnalytix™无损检测系统评估了数十个FRP储罐。他说，大多数这些复合资产的前景非常乐观。

 

    克拉克森说：“复合材料似乎大大超过了设计师、制造商和组成材料供应商的预测。这真的是一个很好的结果。”尤其是该公司检查过的最古老的储罐——一个62年历史的储罐，它在加拿大魁北克的一家金属加工厂储存硫酸溶液。工厂老板知道罐体没有渗漏，但不确定是否发生了其他的损坏。因此，他请来了UTComp公司进行超声波分析，结果显示，该储罐在腐蚀性很强的环境中仍然表现得非常好。

 

    自从1950年代后期建造并安装该储罐以来，复合材料行业发生了翻天覆地的变化。除了不断提高的客户期望以及围绕储罐中FRP的使用所采用的众多标准和法规，材料和技术也取得了巨大进步。但是复合材料的寿命仍然是其最强的卖点之一。

 

 

    尽管复合材料的长寿命很吸引人，但这并不是最终用户如今在选择储罐材料时要考虑的唯一决策因素。玻璃钢储罐轻质高强。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。某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上。

 

    FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较抵抗能力。它还是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。高频下仍能保护良好介电性。FRP热导率低，室温下为1.25~1.67kJ/（m·h·K），只有金属的1/100~1/1000，是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000℃以上承受高速气流的冲刷。

 

    可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性。

 

    由于玻璃钢储罐设计灵活性大，罐壁结构性能优异，纤维缠绕玻璃钢可以改变树脂系统或增强材料来高速玻璃钢贮罐及非标装置的物理化学性能，以适应不同介质和工作条件的需要。通过结构层厚度、缠绕角和壁厚结构和设计来调整罐体的承载能力，制成不同压力等级或某些特殊性能的玻璃钢贮罐及非标装置，这是各向同性的金属材料无法与其相比的。

 

    此外，结构、用途和预算决定了客户的选择。例如，在水和废水市场中，大多数水箱都是由混凝土、玻璃纤维增强塑料和高密度聚乙烯（HDPE）制成的。HDPE比GFRP便宜，但使用寿命不长。

 

    随着HDPE技术的发展，地上储罐市场在20年前发生了变化。随着材料变得越来越强，市场的一部分做出了经济决定，购买了可能需要在10或12年内更换的便宜产品，而不是玻璃纤维储罐。

 

    储罐行业的另一个选择是双层层压玻璃钢复合材料，它将热塑性内衬和玻璃纤维外部结合在一起。由于客户需要可以储存腐蚀性更强或压力更高的高温气体或液体的储罐，因此双层层压板越来越受欢迎。

 

 

    最终用户需求的增加推动了复合材料的创新。供应商使用新的树脂和纤维技术来帮助解决问题。“材料已经进步。”位于美国俄亥俄州汉密尔顿的FRP容器制造商Plas-TanksIndustriesInc.总裁JoePuthoff说，“我们仍在使用树脂和玻璃纤维来制造水箱，但是新技术使我们能够为客户提供更好的耐腐蚀性并提高工厂的效率。”

 

    提高效率对于寻求竞争优势的制造商至关重要。位于俄亥俄州都柏林的英力士INEOSComposites是向市场推出效率更高的新产品的数家树脂供应商之一。英力士腐蚀科学中心经理KevinLambrych表示，英力士于2018年推出了其环氧烷乙烯基酯树脂的Derakane™Signia™系列产品，该配方可提供更快的层压板固结，更低的起泡性并减少打磨，从而适用于二次层压。

 

    Derakane™Signia™树脂还可以改善固化动力学。“这使制造商可以加工较厚的零件。”Lambrych说。零件固化时不会产生过多的热量，因此不会翘曲，扭曲或燃烧。此外，新型树脂还包含一种新型的蒸汽抑制技术，该技术可形成空气活化膜，从而减少固化过程中的苯乙烯排放。Puthoff说：“从工厂和环境角度来看，这对我们都是有益的。”

 

    英力士和其他领先的材料供应商在树脂方面的进步是建立在可靠的技术基础上的，这些技术使复合材料成为各种工业(从化学加工和采矿到废水处理、纸浆和纸张)罐中的一个有吸引力的选择。复合材料具有耐腐蚀、强度高、重量轻、柔韧性好等特点，这些都是美国东北地区的一座核电站所要求的。

 

    该核电站需要三个10,000加仑的储罐来存储其现有设施中的化学品。Plas-Tank来说，要求建造易于安装在现有结构中的储罐。Plas-Tank用四个独立的零件制造了每个圆柱形水箱-底部，两个中间部分和顶部。2020年初，这些碎片将被运送到核电站，Plas-Tanks的员工将在现场将这些碎片层压在一起。

  

    “与其他材料相比，玻璃钢具有更大的灵活性和更多选择。”Puthoff说。“如果您进入现场后发现了存在结构问题，那么在现场进行修改非常容易。您可以切割另一个孔或在另一个位置放置配件。合金可以在现场进行焊接，但是复合材料不需要传统的焊接方法，因此无需担心明火或因焊接产生的问题。”

 

 

    法规是对油罐市场产生的最大影响之一。“我们所有平台上的法规都在加强。它们是所有FRP产品的驱动力。”Coe说。“我们不是在推广这些法规，但是我们也没有反对这些法规。我们只是在满足客户的要求。”

 

    ZCL|Xerxes向许多行业出售地下储罐，包括石油储罐。2015年7月，美国环境保护署（EPA）修改了其最初于1988年采用的地下储罐条例（联邦法规，40CFRPart280）。该法规的目的是防止地下储罐泄漏和污染地下水。在这些要求中，储罐必须提供阴极保护，并且必须是双层的，以便可以对其进行监控。

 

    “今天，这些法规也发生在水行业中。”Coe说，“全国各地的司法管辖区都要求进行新的建设以结合水的再利用。”例如，加利福尼亚州某个规模以上的物业必须收集建筑物中水槽，淋浴和厕所中使用的水，在现场进行清洁，并在实施SB966后再用于冲洗厕所或灌溉土地。（该法案于2018年9月由州长布朗签署成为法律。）

 

    加利福尼亚北部的一家社交媒体公司向ZCL订购了5辆地下储罐|Xerxes将其现场废水处理系统安装在两个新建筑物中。目标是每天处理40,000至50,000加仑的废物，然后将这些废物用于公司的所有非饮用水需求，包括冲厕-这是所有营业厅中最大的用水量。

 

    ZCL|Xerxes已经进入了另一个监管开始发挥重要作用的领域——雨水业务。“雨水打在路面上，雨水打在屋顶上。”Coe说，“两者的区别是一个有碳氢化合物，另一个没有。雨水径流可能包括石油、油脂、杀虫剂、氮和其他污染物。”

 

    美国的地方政府开始颁布法规，要求在污染的水撞击溪流、河流、湖泊或其他水源之前必须回收雨水。对雨水的关注主要集中在沿水的地区，例如大西洋和太平洋海岸线。1972年颁布的《清洁水法案》是管理水污染的主要联邦法律。然而，它从未得到充分执行，并继续成为政治摩擦的根源。美国最高法院在11月审理了一个案件（夏威夷毛伊郡18-260号诉夏威夷野生动物基金会）的辩论，该案可能解决部分国家水资源法规，并对水箱行业产生重大影响。

 

 

    法规的意外后果是设计人员和工程师趋向于成为保守的或过度设计储罐。Lambrych鼓励行业专业人士成为FRP和适当设计的拥护者。他列举了温度要求作为一个例子：“通常（对于储罐）会有最高工作温度和设计温度。当工程师将安全系数放在安全系数之上时，就存在一场挣扎。接下来您会知道，您的设计温度对FRP或客户运行的流程没有多大意义。”

 

    当客户不了解复合材料时，也会发生过度设计。PlasTanks最近为中东一家化工厂生产了三个直径13英尺，长31英尺的储罐，用于储存盐酸。除储罐外，该公司还生产了GFRP鞍座以支撑卧式储罐。“我们的鞍座内部通常是空心的，但是最终用户对使用空心鞍座感到犹豫，”Puthoff说。“他们认为支撑不够，因此我们在马鞍上填充了树脂以提供额外的强度特性。它不是必需的支持，但这一设计将使最终用户放心。”

 

    根据克拉克森的经验，当储罐发生故障时，通常不是材料或结构上的问题。他说：“人们在玻璃钢上遇到的许多问题都与储罐在工厂中的安装方式以及发生的事情有关，例如过程异常，温度波动或压力峰值”。

 

    在设计过程中与设计师和工程师携手合作，除了减少过度设计外，还可以帮助解决过程异常和其他现场故障。克拉克森说：“对于制造商来说，真正向最终用户询问他们的过程控制是值得的。”例如，如果制造商要求客户全面说明将在何处使用该储罐，以及如何使用该储罐，则他们可能会提供设计建议，以解决温度偏差、压力峰值和其他问题的潜在问题。

 

    克拉克森说：“由于有人在设计阶段做了捷径，所以发生了许多失败或接近失败的事件。”设计良好，制造精良的FRP储罐几乎可以免维护，使用寿命长达数十年。“复合储罐可以使用很长时间，甚至可以使用更长的时间。但是我们非常需要在全球范围内就适合的服务以及储油罐的使用寿命提供良好的建议。”

 

 

    促进复合材料在坦克市场上的应用的最好方法是让行业专家与他们的同行，以及工程师、设计师、顾问和市场上的其他人一起工作。Schoessel和Puthoff都是一个小组的成员，该小组每年开两次会，讨论美国机械工程协会(AmericanSocietyofMechanicalEngineering)关于加强型热固性塑料容器的RTP-1标准。该小组就最终用户的需求进行公开讨论，成员可以在讨论中分享想法。它还有一个专门负责营销的小组委员会，该委员会正计划召开一次会议，对工程师们进行FRP罐的培训。

 

    “与工程公司合作非常重要，因为最终他们是我们必须遵守的规范编写者。”Puthoff说。“我们需要对它们进行复合材料、合金和其他材料的教育。”英士力INEOS致力于通过其腐蚀科学中心（CSC）对工程师以及行业合作伙伴进行培训。CSC的目标是提高FRP复合材料在耐腐蚀应用中的可用性和获利能力。其与FLSmidth＆Co.等工程公司举办多类型的学习活动，就维护FRP设备和确定第三方检查员等话题分享建议。

 

    最终，共享想法和知识，而不是一直对专业知识保持沉默，不是在各个孤岛中工作，这样才将使整个复合材料行业受益。