中北大学 玻璃钢卧式储罐课程设计

１概述在当前已经开发的复合材料制品中，玻璃纤维增强树脂基复合材料（俗称玻璃钢）的贮罐占有相当的比重。玻璃钢贮罐有较好的耐腐蚀性和承载能力，与金属贮罐相比，制造工艺比较简单且容易修补，所以，在石油，化工等部门已有逐步替代金属贮罐的趋势。近几年来，我国生产的玻璃钢贮罐已由中小吨位向大吨位发展，最大的玻璃钢贮罐容积已达到3m1500。目前玻璃钢贮罐的设计方法有两种，一种是以强度为标准，在已经的安全系数下，使贮罐的应力小于材料的许用应力；另一种是以变形为标准，使贮罐的应变不超过规定值。在实际产品设计中，由于材料强度极限的数据积累较充分，而且能方便的使用最大应力失效准则及相应的设计标准，所以第一种方法较通用，而应变设计方法在变形需严格控制时才使用。玻璃贮罐按使用功能与放置场地的不同，可以有多种结构形式。按使用压力不同，有压力贮罐和常压贮罐之分；按形状不同有圆柱形、球形、箱形等结构形式；按置于地面或运输车上有静置贮罐和运输贮罐之分。由于玻璃钢贮罐具有耐腐蚀性、质量轻、强度高、易制造、运输安装费用低等特点，已广泛应用与化工、石油，造纸、医药、食品、冶金、粮食、饲料等领域。（1）玻璃钢贮罐化学应用：贮存酸、碱、盐及各类化学用品。（2）玻璃钢地下油罐：用于汽车加油站代替钢油罐。（3）玻璃钢运输贮罐：分为汽车运输和火车运输贮罐两种。本文着重讨论了卧式玻璃钢贮罐的造型设计、性能设计、结构设计、工艺设计、安装、及检验等各方面。２性能设计2.1原材料的选择原则（）比强度，比刚度高的原则（）材料与结构的使用环境相适应的原则（）满足结构特殊性能的原则（）满足工艺要求的原则（）成本低效益高的原则2.2树脂基体的选择树脂的选择按如下要求选取：（）要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工作；（）要求基体材料具有一定的力学性能；（）要求基体材料的断裂伸长率大于或者接近纤维的断裂伸长率；（）要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能；（）要求基体材料具有一定的公益性。玻璃钢制品所用的树脂原料有：聚酯、环氧、酚醛、呋喃树脂及改性树脂等。目前可供选择的的树脂主要有两类：一类为热固性树脂，其中包括环氧树脂、聚酰亚胺是指、酚醛树脂和聚酯树脂。连一类为热塑性树脂，如聚醚醚酮、尼龙、聚苯乙烯、聚醚酰亚胺等。目前树脂基复合材料中用得较多的基体是热固性树脂，它们有较高的力学性能，但工作温度低。对于需耐高温的复合材料，主要是用聚酰亚胺作为基体材料，目前较新的树脂基体有双马来酰胺、聚醚醚酮等，能满足一般高温的要求，且韧性好，有较大的复合材料强度许用值。贮罐储存质量分数的硫酸，根据耐酸性，力学性能和经济效益综合考虑，可选用酚醛树脂。2.3增强材料的选择目前已有多种纤维可作为复合材料的增强材料，如加各种玻璃纤维、凯夫拉纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳纤维等，有些纤维已经有多种不同性能的品种。选择纤维类别，是根据结构的功能选取能满足一定的力学、物理和化学性能的纤维。３表1四种玻璃钢常用树脂特性比较特性环氧树脂聚酯树脂酚醛树脂呋喃树脂耐酸性耐碱性耐水性耐溶剂性耐热性机械性能电气性能固化时挥发物固化收缩率成型压力最大优点最大弱点价格较好较好最好一般较低（125℃）好最好无小低→中机械性能好不易脱模高一般差很好差低（60～120℃）好好无大低→中工艺性好收缩大低好差很好好较高(150℃)较好好有较大低→高耐酸性脆较低好好好好高(200℃)较好好有较大低→高耐酸耐碱工艺性差较低工程上通常选用玻璃纤维、凯夫拉纤维或者碳纤维作为增强材料。对于硼纤维，由于它的刚度大和直径粗，弯曲半径大，成型困难，所以应用范围收到很大的限制。所以，在生产中一般以玻璃纤维为主。玻璃纤维价格便宜，性能优异，可以满足储罐的使用要求，增强材料选择玻璃纤维，常用的玻璃增强材料主要有无捻粗纱布、加捻布、短切毡、表面毡、玻璃纤维无捻粗纱和短切玻璃纤维。玻璃纤维按其使用要求分为(1)E-玻璃纤维，无碱纤维，具有优良的、耐老化性和耐水性。(2)C-玻璃纤维，耐酸性好，耐碱性不如无碱纤维，成本低。(3)A-玻璃纤维，有碱纤维，含碱量大于12%。(4)S-玻璃纤维，高强度玻璃纤维，拉伸强度较大。(5)中碱玻璃纤维，耐酸性好，成本低。）（6耐碱玻璃纤维，抗碱性较好，主要用于增强水泥制品。４）（7空心玻璃纤维，纤维中空，弹性模量较高。表无碱和中碱纤维的性能对比种类耐酸性耐水性机械强度防老化性电绝缘性成本浸润性适合条件无碱玻璃纤维一般好高较好好较高树脂易浸润用于强度高的场合中碱玻璃纤维好差较低较差低低树脂浸润性差用于强度低的场合储罐用来储存质量分数为的硫酸，并且有一定的力学承载，以及经济效益综合考虑选择中碱玻璃纤维，因为中碱玻璃纤维耐酸性好，成本低。玻璃钢贮罐的结构有四层组成图贮罐铺层内表层；次表层；结构层；外表层。（）内表层（也称内衬防腐层）其功能是抵抗介质腐蚀，是防腐蚀的主要组成部分。防腐蚀的制造方法有两种。一是用玻璃纤维表面粘、有机纤维表面粘或其他增强材料的富树脂层，要求含胶量达到左右，其厚度为0.25~0.5mm。二是采用热塑性塑料如聚氯乙烯或橡胶等内衬５材料。（）次表层（也称防腐蚀层）其含胶量比内衬层低，约70%~80%。通常由短切纤维制成的短切毡铺成；其主要功能是防止介质渗漏。次表层通常至少含有21200gm的短切原丝毡。内表层和次表层应选用韧性好、冲击强度高的耐腐蚀树脂。内表层与次表层的组合纤维含量应为275%（），组合厚度不小于2.5mm。（）结构层（又称强度层）这一层是贮罐壁的主要结构，用来承受外荷载，由连续纤维缠绕成型或由纤维织物手糊成型，含胶量为35%~55%。玻璃钢贮罐结构设计主要是确定这一层的铺层方式和厚度。（）外表层（又称防老层，有些要求阻燃）它是贮罐结构层的外表层。其功能是保护层免受外界机械损伤和外界环境引起的老化。同时也是对贮罐外表面的装饰。这一层含胶量约为60%~70%。外表层也可用树脂腻子修补后喷漆处理。对于室内使用的设备可不用此层。确保既有良好的耐介质腐蚀性，又具有足够的物理机械性能满足盛装要求。采用玻璃纤维高张力、多层次、多角度、包封头缠绕，满足有机、无机溶剂及具有化学、电化学腐蚀性介质的储存、中转和生产需要，满足非电解质流体的中转、输送、消除静电的需要满足抗各式支承剪切及掩埋与荷载的力学要求。设计灵活性大、罐壁结构性能优异。纤维缠绕玻璃钢可以通过改变树脂体系或增强材料来调整贮罐的物理化学性能，以适应不同介质和工作条件的需要。通过结构层厚度、缠绕角和壁厚结构的设计来调整罐体的承载能力，适应不同压力等级、容积大小，以及某些特殊性能的玻璃钢贮罐需要，是各向同性的金属材料无法与其相比的。耐腐蚀、防渗漏、耐候性好。玻璃钢具有特殊的耐腐蚀性能，在贮存腐蚀性介质时，玻璃钢显示出其他材料所无法比拟的优越性，可以耐多种酸、碱、盐和有机溶剂。具有优良的机械物理性能。玻璃钢贮罐制品的材料密度在31.8~2.1gcm之间约为钢材的14~15采用直径为7~17m的玻璃纤维缠绕成型，降低了纤维的微裂纹存在率，实现等强度，该成型方法能使纤维含量高达，比强度高于钢材、铸铁和塑料等，热膨胀系数。６3.造型设计3.1贮罐制造尺寸确定根据设计要求，贮罐的容积为583m，取直径为3m，则贮罐直径取3.0m，则贮罐长度为m21.814.320.358222DVL初定贮罐尺寸为m0.3Dm8L3.2封头的设计根据要求封头取半椭球形封头，半椭球封头是由半个椭球壳和一段高度为的圆筒形部分组成。由于半椭球形曲线的曲率半径变化是连续的，所以封头中的应力分布比较均匀，受力仅此于半球形封头，加工制造比较方便。按设计要求采用半椭球形封头，0.620.9mHD。3.3伸臂长度确定根据规定0.2AL即0.281.6mA。3.4支座及间距卧式贮罐一般采用是水平安装在支座上。支座分为纵向双边连续支座、鞍座、圈座和支腿4种。鞍式支座上的贮罐受力情况与受均匀布荷载的外伸梁相似。采取三至座或多支座形式比采用双支座好，因为多支座(连续梁)贮罐产生的应力小。但是，由于贮罐的直度、局部不圆度以及各部分绕曲时相对变形差异的原因，要使各支座保持在同一水平面比较困难。而且常因支座基础布均匀沉降，影响支座反力的均匀分布，反而会使贮罐局部应力增加，体现不出多支座的优点，故一般都习惯采用双支座形式。根据设计要求选用鞍型支座，宽，包角0120。支座间距为７m8.42.382AL。3.5造型设计简图图卧式贮罐设计简图如图所示，贮罐的零部件有人孔、进口孔、放空口、备用口、放液孔、液面计孔。８4.结构设计4.1贮罐荷载和设计简图贮罐构造如下图14所示，为贮罐构造示意图。LHAD图4-1荷载计算按公式L2R1.1~05.1q）（计算，单位长度载荷为mKN8.10840.15.114.31.1R1.1q2L2（）4.2贮罐受力计算按双支架外伸梁计算贮罐受力。计算长度m2.99.03228H322LL计（）受力计算支座反力按式KN48.5009.034828.108H34Lq21FFBA）（）（９（）支座处剪力当取支座内侧截面时，按式qHqAFA32Q内计算，即KNHAFQA12.2619.08.108326.18.10848.500q32q内（）当取支座外侧截面时，按式qH32qAQ外计算，即KNHAQ36.2399.08.108326.18.108q32q外（）支座和跨中弯矩支座处弯矩按下面公式计算可得mKNHAqMA59.526)9.0326.1(8.10821)32(212（）跨中弯矩按下式计算m26.34036.1289.03488.108219.03488.10821)2)(34q21)34q2122KNALHLHLM））（（）（（（（）4.3由贮罐轴向应力计算壁厚贮罐的最大轴向应力发生在跨中贮罐底部和支座处贮罐的顶部，计算结果取最大值。跨中贮罐底部轴向应力按下式计算][tRt2max2maxxLMR（）缠绕聚酯玻璃钢的轴向拉伸强度查表查得为a160~85M