玻璃钢立式储罐课程设计

前言玻璃钢贮罐是树脂基复合材料制品中应用最广泛的产品之一。与传统的金属、钢筋混凝土相比，它有如下特点。(1)耐腐蚀性能好因玻璃钢贮罐的耐腐蚀性可以根据使用条件进行设计，故能满足不同腐蚀介质的使用要求。（2）强度高、自重轻由于玻璃钢材料的比强度高，所以用它制造的贮罐，比同体积的钢贮罐和钢筋混凝土贮罐轻1/3以上。（3）隔热保温效果好因玻璃钢的导热系数仅为金属和钢筋混凝土的1/100和1/10，故用作化工设备可以节能。（4）成型容易玻璃钢贮罐可以用手工成型，也可以用机械缠绕成型；尺寸可以小到13m，大到15003m。（5）维修方便玻璃钢贮罐可以在自然条件下现场维修，非常方便。（6）安装、运输方便由于玻璃钢贮罐质量轻、整体性好，因此一般都是在制造厂预制后，再运到使用现场安装。大型贮罐也可以在现场组装或制造。（7）耐久性好玻璃钢贮罐的使用寿命比经过防腐蚀处理的金属和混凝土贮罐长0.5倍以上。对于盛装液体、容积大于1003m的大型贮罐，一般多采用立式，立式贮罐根据底部支撑方式不同，长分作三种形式。一种是将贮罐直接至于地面的基础上；另一种是通过贮罐的裙式制作与基础相连接；第三种是将贮罐放置在耳架上。立式贮罐因为容积较大，故多设计成圆形、平底，直接放在地面基础上[1]。1造型设计1.1贮罐构造尺寸的确定立式贮罐的容积V=1503m，可选直径系列有D=3800mm和D=4000mm，本设计选D=4000mm，因此贮罐的高度H=V/22()D=11.9m，选H=12m。1.2贮罐顶盖选取玻璃钢贮罐顶盖有平顶盖、锥形顶盖和拱形顶盖3种形式。本设计要求选用拱形顶盖。与锥形顶盖相比，其结构简单、刚性好、承载能力强，是立式贮罐广为使用的一种形式。为取得罐顶与罐壁等强度，罐顶的曲率半径与贮罐直径差值不超过20%。即R0=（0.8～1.2）D。取R0=D=4.0m。式中R0——拱顶球面曲率半径，cm；D——贮罐内径，cm，等于2R。1.3贮罐罐底设计罐体与罐底的拐角处理，对贮罐设计极为重要。尤其是立式贮罐底部附近的受力叫复杂，应引起足够重视。一般在拐角处都应设计成一定的圆弧过渡区，圆弧半径不应小于38mm。如果罐壳和罐底分开制造，则应注意在罐壳和罐底的结合处内外进行有效的补强。拐角区域的最小厚度应等于壳壁和底部的组合厚度。拐角区域的加强应逐层递减，避免截面上突变产生应力集中。当罐直径不大于1.22m时，加强区不小于100mm；当罐直径大于1.22m时，加强区应为300mm。加强区逐渐递减至侧壁厚度，避免截面的突变引起的应力集中，该过渡区，长度要求超过76～102mm。2性能设计2.1树脂选择根据制品的使用条件，对复合材料的物理性能、耐化学腐蚀性能及力学性能进行设计，贮罐中贮存质量分数为28%的磷酸，使用温度为65℃。可知多选择的树脂必须耐酸，具有高的热变形温度，此外还要有一定的力学承载能力。贮罐设计中常用树脂主要是不饱和聚酯树脂，由于不饱和聚酯价格便宜，可以满足主观的使用要求，常用不饱和聚酯树脂的牌号如下：表2-1树脂的选择要点树脂基体代号产品性能适用场所邻苯型OP具有一般的耐腐蚀性能，可耐海水、弱酸及大气老化环境，长期使用温度-50℃～60℃,最高使用温度达100℃,这是一种较经济的树脂类型，耐腐蚀性一般，阻燃氧指数约为26。常用于一般的腐蚀环境,海水腐蚀、弱酸腐蚀及大气老化腐蚀。间苯型IP具有优异的耐腐蚀性能,可耐中等浓度无机酸、碱、各种盐类等环境,长期使用温度-50℃～90℃,最高使用温度达105℃,阻燃氧指数约为26。常用于酸性腐蚀较强或碱性腐蚀一般的环境。乙烯基型VE具有优异的耐腐蚀性能，可耐酸、碱、盐溶剂或酸碱交替等恶劣的腐蚀环境,长期使用温度-50℃～110℃，阻燃氧指数约为28。常用于酸、碱、盐溶剂等腐蚀严重的环境。阻燃型FI具有优异的耐腐蚀性能,可耐酸、碱、盐溶剂或酸碱交替等恶劣的腐蚀环境,长期使用温度-50℃～110℃，其阻燃性能高于一般树脂，氧指数为28～35。常用于有阻燃要求的使用环境。食品级型FO间苯型食品级树脂同间苯树脂一样具有优良的耐腐蚀性能，长期使用温度-50℃～90℃，最高使用温度达105℃，阻燃氧指数约为26。常用于肉制品、食品加工厂及自来水厂。根据本贮罐的使用条件，可选用间苯型不饱和聚酯树脂。2.2增强材料选择玻璃纤维价格便宜，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。（7）空心玻璃纤维，纤维中空，弹性模量较高。表2-2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28%的磷酸，使用温度为65℃，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。3结构设计3.1设计条件贮罐直径D=4.0m，H=12m；罐顶为拱形顶盖[2]；罐底为平底，直接安装在基础平面上（图3-1）。28%磷酸的密度=1.23t/m。贮罐顶均匀雪载荷p雪=4002N/m，风压为W0=3002N/m，无地震。玻璃钢材料的拉伸强度=140MPa，安全系数K=10(安全系数受成型工艺、化学环境、温度、循环应力、固化工艺[3])。图3-13.2贮罐壁厚计算壁罐沿高度分为12段，先计算罐下1m处壁厚LpXRKt式中p——荷载引起的罐壁压力[4]。2ppR/D=雪40×3.14×242/3.14×4=40kg/m=4.0N/cmt1=0.40.0012100200100.743cm1400依此求得t2=0.91cmt7=1.77cmt3=1.09cmt8=1.94cmt4=1.26cmt9=2.11cmt5=1.43cmt10=2.29cmt6=1.60cmt11=2.46cmt12=2.63cm3.3贮罐顶盖厚度设计图3-2，h为罐顶高，r为转角曲率半径，r小则h小，一般取r=0.2D=0.24.0m=0.8m，此时h=0.2D=0.24.0m=0.8m。最小厚度顶拱顶的板为mint=4R0pE=4×4.0×640070010=12.1mm。图3-23.4贮罐底板设计罐底为平板，直接安装在平面基础的沥青砂浆垫层上。贮罐内的液体重可直接传给混凝土基础，因此，罐底所受的应力很小。但罐底和罐壁连接处受力十分复杂，一般都需要加强[6]，如图3-3。根据ASTM-D3299中规定，底板厚度tbo=9.5mm，罐壁下部t=26.3mm，拐角处tb=25mm，L=300mm，M=100mm。图3-33.5风荷作用下贮罐强度设计贮罐设计地区风压W0=300Pa,计算风压为W=0.72W0=0.72×300=216Pa贮罐沿高度方向承受的均布荷载为pw=0.72W0D=0.72×300×4.0=864N/m由风压引起的最大弯矩和剪力为Mmax=pwH2/2=864×122/2=62208NmQmax=pwH=864×12=10368kg计算最大风荷载下贮罐的厚度t0=max2MR262208100.035cm3.142001400贮罐自重为Wr=管体重+罐底重+罐顶重=DHtm+2221bom1mmDD11Dthh23232=4003.14120010.0012+3.14240020.950.0012+22140014003.1464.183.1463.70.00123232=1808.64+143.184+24.11=1976kg=19.76kN贮罐自重引起的抗风弯矩为Mr=WrD2=19764002=3952kNcm风压引起贮罐的倾覆弯矩为wmaxM=6220.8kNcm[7]3.6设计结果管壁厚度：底部厚26.3mm；上端厚7.43mm；端底厚度9.5mm；管顶盖厚度12.1mm3.7支座设计常用立式贮罐支座有床式、悬挂式[8]、角环支撑式和裙式4种形式。本设计选用床式支座，这种支座是将贮罐直接置于基础上，属于直接支承形式。因为支承面积大、设备底部的应力状态均匀、应力集中的现象较少，所以这种支承方式可以不再采取其他固定措施；一般用于不太高的平底设备。对于室外的大型设备，大多要另加地脚螺栓固定（A1）4工艺设计玻璃钢贮罐的生产方法有很多,包括手糊法、聚氯乙烯-玻璃钢复合贮罐、组装立式贮罐、纤维缠绕玻璃钢贮罐等[9]。4.1预应力玻璃钢组装贮罐罐体构件在工厂内预制，运输到现场后，用螺栓把玻璃钢构件连接制成储罐壳体，然后在罐体外缠绕钢丝绳，使罐体受压应力。当储罐装满液体介质后，环向压应力变成拉应力，而拉应力主要用钢丝绳承担。4.1.1立式贮罐玻璃钢构件制造罐底、罐壁及灌顶采用手糊成型工艺，工艺流程如下4-1：图4-1a.原材料的准备根据贮罐的性能要求选用玻璃纤维和树脂种类及牌号。本设计选用间苯型不饱和聚酯树脂，增强材料选用中碱玻璃纤维表面毡，中碱玻璃纤维布，中碱玻璃证法兰连接的尺寸，拱形壁板选用阴模成型。b.模具选择根据贮罐的生产数量和外观质量要求，本工艺选用玻璃钢模具。底板和顶盖选用阳模成型，拱形罐壁板选用阴模成型。拱板选用阴模的原因，是为了保证法兰尺寸及表面手糊成型工艺固化脱模修整检验模具准备树脂胶液的配制玻璃纤维布制品裁剪构件（拱板、底板、顶板）精确。c.构件糊制糊制中要注意内衬层和结构层的厚度，并尽可能减少气泡。外表层树脂中要加紧紫外线吸收剂。每个构件糊完后，接触空气中的表面要铺一层聚酯薄膜，使制成的构件两面光。4.1.2贮罐现场组装贮罐装配时，将罐体拱形板法兰重合，拧紧螺栓，用聚酯树脂胶泥填缝，并在贮罐内的接缝处糊制和内衬层材料相同的玻璃钢层密封。贮罐壳体装配好后，根据设计要求，在法兰上开槽，在罐体外缠绕钢丝绳。法兰上的槽可做为导槽，使钢丝绳按设计间距缠绕到玻璃钢罐体上。由于贮罐受的环向应力是由底到顶逐渐减少，因此，钢丝绳的间距也逐渐由小变大。钢丝绳缠绕张力控制十分重要，最佳的张力大小是使贮罐装满液体介质后，罐体的环向应力等于零，即应力完全由钢丝绳承担。4.2整体式玻璃钢贮罐制造整体式玻璃钢贮罐多为中小型，常采用手糊成型。先制作一个玻璃钢储罐的芯模，然后在芯模上糊制结构层，芯模成型后不必取出，它就代替了储罐的内衬层。除芯模制作外，其它的成型工艺与手糊玻璃钢制品相同。4.2.1整体玻璃钢芯模制作按照储罐尺寸对称分为两半，用水泥制成阳模，如图4-2所示。AAA-AB-B图4-2先在水泥阳模上糊制玻璃钢，制成芯模的一半，然后再将两个半模粘合在成整体储罐芯模。应该注意的是芯模用的玻璃钢材料必须是内衬层用的材料。内衬层的厚度一般是1.5～2.5cm。4.2.2玻璃钢贮罐的制造在拼接好的整体芯模上，按照设计厚度糊制玻璃钢结构层。固化后不需脱模，便可获得储罐半成品。然后再根据设计开孔，装配入口及排液管等。4.3缠绕玻璃钢贮罐制造技术缠绕玻璃钢成型是先将储罐分成钟罩和封头。将这两部分组装在一起即构成储罐的完整结构，然后再进行结构层缠绕。4.3.1“钟罩”成型a、模具的清理缠绕成型的储罐的模具一般为钢模，对模具进行清理是为了保证其表面平滑无异物，使制得的产品内表面光滑，便于脱模。清理完后，胶黏带堵住模具上的脱模孔，b、涂脱模剂用脱模蜡或聚乙烯醇脱模剂在钟罩模上均匀涂层，要求厚度均匀，