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1、立式贮罐设计 前言玻璃钢罐分为立式、卧式机械缠绕玻璃钢储罐、运输罐、反应罐、各种化工设备，玻璃钢卧式罐、立式贮罐、运输罐、容器及大型系列容器、根据所用(贮存或运输)介质选用环氧呋喃树脂、改性或聚酯树脂、酚醛树脂为粘结剂，由高树脂含量的耐腐蚀内衬层、防渗层、纤维缠绕加强层及外表保护层组成。玻璃钢具有耐压 、耐腐蚀、抗老化、使用寿命长、重量轻、强度高、防渗、隔热、绝缘、无毒和表面光滑等特点。机械缠绕玻璃钢容器可以通过改变树脂系统或采用不同的增强材料来调整产品的物理化学性能以适应不同介质和工作条件需要，通过结构层厚度、缠绕角和壁厚设计制不同压力，是纤维缠绕复合材料的显著特点。由于有以上的特点，玻璃钢
2、贮罐可广泛应用于石油、化工、纺织、印染、电力、运输、食品酿造、给排水、海水淡化、水利灌溉及国防工程等行业。储存各种腐蚀性介质可以耐多种酸、碱、盐和有机溶剂，主要应用于石油、化工、制药、印染、酿造、给排水、运输等行业，适应于盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、双氧水、污水、次氯酸钠等多种产品的贮存、运输，也可作地下油槽、保温储槽、运输槽车等1。 本设计为容积180m3,贮存质量分数为70%的硫酸,使用温度为90的立式贮罐,设计中分别从造型、性能、结构、工艺、零部件、防渗漏、安装、检验等八个方面做了说明、计算和设计，整体介绍了立式贮罐的设计流程、方法及主要事项，最终设计出了满足设计要求的立式贮罐。1造型设计1
3、.1 设计要求立式玻璃钢贮罐设计，容积为140m3，贮存质量分数为10%的醋酸，使用温度为常温，拱形顶盖设计。1.2 贮罐构造尺寸确定贮罐容积V=140m3，取公称直径为D=3800mm，则贮罐高度为 H=VD22=1403.143.822=12.35m （式1.1）初定贮罐结构尺寸为 D=3.8m H=12.4m1.3 拱形顶盖尺寸设计与锥形顶盖相比，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。为取得罐顶和罐壁等强度，罐顶的曲率半径与贮罐直径差值不超过20%。即 R0=0.81.2D （式1.2）式中 R0拱顶球面曲率半径，cm; D 贮罐内径，cm，等于2R。取罐顶高为h
4、，r为转角曲率半径，r小则h小，一般取r=0.2D，此时h0.2D1。所以 r=0.2D=0.2380=76cm h0.2D=0.2380=76cm1.4贮罐罐底设计罐体和罐底的拐角处理，对贮罐设计极为重要。尤其是立式贮罐底部附近的受力较为复杂，应引起足够的重视。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1。如图1.12。图 1.1 平底贮罐底部示意表1.1 平底贮罐底部尺寸要求贮罐内直径mm过渡段最小宽
5、度mm加强段最小宽度mm1200802001200100300 立式贮罐造型简图如下。图1.2 立式贮罐造型简图1.5支座设计常用立式贮罐支座有床式、悬挂式、角环支撑式、和裙式4种形式。1.5.1 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、应力集中地现象较少，所以这种支承方式可以不再采取其他固定措施，不过，对于室外的大型设备，大多要另加地脚螺栓固定。1.5.2 悬挂式支座 悬挂式支座又称耳式支座或耳架，是立式贮罐中用得极为广泛的一种，尤其对中小型贮罐更是如此。每台贮罐一般配置两个或四个支座，必要时也可多一些，但在安装时不容易保证各支座在
6、同一平面上，也不能保证各支座受力均匀。对于较大的薄壁容器或支座上荷载较大时可将各支座连成一体组成环梁式。1.5.3 角环支承式支座 对于高度不大的贮罐，而且离地面比较低的情况下，可采用角环支承式支座。即通过角环与设备本身连接，在由数根支柱直接支承在楼板和基础地面上。1.5.4 裙式支座 裙式支柱简称裙座。其高度由生产工艺过程和维修要求确定。裙式支柱大多采用圆筒形形式。裙座体一般搭接在罐底封头外侧，因此，在贮罐与裙座的连接处会产生很大的剪切应力。这种支座仅适用于小型贮罐。1.5.5 支座选择 由于设计贮罐公称直径达到3.8m，高度超过12.4m，设计为平底，属于室外的大型设备，所以，选择床式支座
7、1。2性能设计2.1树脂选择玻璃钢的耐腐蚀性能主要取决于树脂3。由于设计要求为贮存10%的醋酸，使用温度常温，而且考虑价格因素，选择双酚A型191#不饱和树脂即可。以下是部分玻璃钢在化学介质中的使用实例4。表2.1 部分玻璃钢在化学介质中使用实例介质最高使用温度设备名称使用部位树脂品种使用形式35%HCl常温贮罐聚酯整体浓HCl常温贮罐双酚A整体硫酸（1%10%）70贮罐间苯二甲酸整体10%醋酸常温贮罐双酚A整体47%NaOH40贮罐环氧树脂衬里次氯酸钠常温贮罐双酚A整体2.2增强材料选择玻璃钢贮罐设计中可选用的增强材料种类很多，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚酯纤维及其他纤维等。但在玻璃钢贮
8、罐设计中，仍以玻璃纤维为主5。表2.2列出了几种常用典型玻璃纤维的化学性能。表2.2 几种常用典型玻璃纤维的化学性能比较玻璃纤维种类耐水性耐酸性耐碱性沸水煮1h后失重/%试验后水的电阻/在硫酸沸液中煮1h失重/%NaOH沸液中煮1h失重 /%无碱玻璃纤维1.71000048.29.7中碱玻璃纤维0.13720000.1高碱玻璃纤维1125006.212.015.0由表中可知，中碱玻璃纤维的耐酸性最好，设计要求贮存10%醋酸，所以增强材料选用中碱玻璃纤维无捻粗纱、中碱玻璃纤维表面毡和短切毡。2.3 各层材料设计2.3.1 内表层内表层也称防腐防渗层，其作用是抵抗介质腐蚀，防止液体渗漏.此层的形成
9、一般有两种方法：一是采用玻璃纤维表面毡，有机纤维表面毡或其他增强材料的富树脂层，要求含胶量达到90左右，其厚度约为0.5mm；另一种方法是采用热塑性塑料如聚氯乙烯或橡胶等内衬材料。设计为：树脂基体：不饱和聚酯树脂 ；增强材料：中碱玻璃纤维表面毡。2.3.2 次表层次表层也称过渡层，其含胶量比内衬层低，约7080。常由短切纤维制成，它具有一定的防腐防渗能力。在内表层局部出现裂纹时，次表层可对介质起一定的阻挡作用，以免承力的结构层立即遭到损伤，从而提高贮罐使用的可靠性和寿命。这一层厚度一般在2mm左右。设计为：树脂基体：不饱和聚酯树脂；增强材料：中碱短切纤维。2.3.3 结构层结构层是贮罐的主要结
10、构，用来承受外载荷，由连续纤维缠绕成型或由纤维织物手糊成型，含胶量为3555。玻璃钢贮罐的结构设计主要是确定这一层的铺层方式和厚度。设计为：树脂基体：不饱和聚酯树脂；增强材料：中碱连续纤维。2.3.4 外表层它是贮罐结构的外保护层，其功能是保护结构免受外界的机械损伤和外界环境条件引起的老化，同时也是对贮罐外表面的装饰。这一层的含胶量较高，大约为6070。外表层可用树脂腻子修饰后喷漆处理，最后涂一层防老化剂，厚度约0.2mm，再包一层聚乙烯薄膜。3结构设计3.1 设计条件贮罐直径D=3.8m，高H=12.4m；罐顶为拱形顶盖，罐底为平底，直接安装在基础平面上。贮罐内液体为10%醋酸，密度为1.0
11、5t/m3。贮罐顶均匀雪荷载P雪=400N/m2，风压为W0=300N/m2，无地震。玻璃钢材料的拉伸强度=140MPa，安全系数K=10。3.2 贮罐壁厚计算罐体沿高度分为7段，先计算罐下2m处壁厚 t=P+LXRK （式4.1）式中 P荷载引起的罐壁压力。 P=P雪R2D=4003.143.8223.143.8=38kg/m=3.8N/cm （式4.2） t1=0.38+0.0012200190101400=0.841cm依次求得t2=1.086cmt3=1.371cmt4=1.656cmt5=1.941cmt6=2.226cmt7=2.511cm根据最小壁厚原则，对应计算结果，贮罐靠近顶
12、部的壁厚取t1=10.0mm，靠近底部壁厚取t7=25.0mm。3.3 贮罐顶盖厚度设计拱顶顶板的最小厚度为 tmin=4R0PE （式4.3）式中 R 0拱顶球形曲率半径，3.8m； P 作用在顶盖上的载荷，12.0MPa； E 拱顶材料的弹性模量，23.0MPa。所以，tmin=4440089=33.9mm按强度设计的拱顶厚度，还必须进行稳定性验算。拱顶的最小厚度不得小于5mm。在外载荷作用下，拱顶的许用临界载荷为Pcr=0.1EtR02=0.18933.93.82=708MPa (式4.4) PcrP （式4.5）所以，设计安全。3.4 贮罐底板设计立式贮罐为平形底时，底部拐角半径不小于
13、 38 mm，底部增厚递减与平底相切，壁增厚的长度与贮罐大径的关系见图3.1，拐角加强区的最小厚度为筒体和封头的结构厚度之和。图3.1平形底贮罐拐角加强示意图6罐底为平板，直接安装在平面基础上的沥青砂浆垫层上。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7。但罐底和罐壁连接处受力十分复杂，一般都需要加强。根据规定，底板厚度tbo取20mm，罐壁下部t=25mm时，拐角处厚度tb=40mm，加强段L=600mm，过渡段M=200mm，底部拐角半径取60mm。3.5 层合板铺层设计贮罐底板为层压板，对其进行铺层设计。铺层层数计算公式： n=Amfkf+ckr （式4.6）式中： n
14、 增强材料铺层层数 增强纤维单位面积质量； 增强材料的厚度常数； c树脂与增强材料的质量比； 制品的厚度；mm 树脂基体的厚度常数。3.5.1内表层层数：m(f)=35g/m k(f)=0.408 k(r)=0.769 A=0.5mm c=90/(100-90)=9层数为： n=0.50.0350.408+90.7692层3.5.2 次表层层数：m(f)=400g/m k(f)=0.408 k(r)=0.769 A=2mm c=75/(100-75)=3层数为： n=2.00.400.408+30.7692层3.5.3 结构层层数：m(f)=340g/m k(f)=0.408 k(r)=0.7
15、69 A=17mm c=50/(100-50)=1层数为： n=17.00.340.408+10.76943层3.5.4 外表层层数：m(f)=250g/m k(f)=0.408 k(r)=0.769 A=0.5mm c=60/(100-60)=1.5层数为： n=0.50.250.408+1.50.7691层3.5.5 罐底板总层数： N=2+2+43+1=48层 。3.6 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=0.72300=216Pa （式4.7）贮罐沿高度方向承受的均布载荷为 Pw=0.72W0D=0.723003.8=820.8N/m
16、（式4.8）由风压引起的最大弯矩和剪力为 Mmax=PwH22=820.812.422=63103Nm （式4.9） Qmax=PwH=82.0812.4=1018kg （式4.10）贮罐迎风面的最大拉伸应力,应小于玻璃钢材料的许用拉伸强度；背风面的最大压缩应力，应小于玻璃钢材料的许用压缩强度。用下式计算最大风荷载下贮罐的厚度，即 t0=MmaxR2=63103103.1419021400=0.040cm （式4.11）贮罐自重为 Wr=罐体重+罐底重+罐顶重DHtm+D22tbom+D23htminm+D22tminm=3803.1412401.70.0012+3.14380222.00.0
17、012+3803.14230.23801.10.0012+3.14380221.10.0012=4527.48+408.07+344.14=5279.7kg527.97kN （式4.12）贮罐自重引起的抗风弯矩为 Mr=WrD2=5279.7190=1003143kgcm10031.4kNcm （式4.13）风压引起贮罐的倾覆弯矩为Mmaxw=631030kgcm6310.3kNcm MrMmaxw （式4.14）贮罐不会因风压而倾覆，故不需要对贮罐进行锚固1。3.7 设计结果立式贮罐设计结果如下：罐壁厚度底部厚 40mm；上端厚 10mm；罐底厚度 20mm；罐顶盖厚度 11mm。4工艺设计
18、玻璃钢贮罐的成型方法主要有手糊、缠绕及喷射工艺。选择成型方法要考虑产品形状及尺寸、产品表面质量要求、批量大小及供货时间等因素8。对生产装备选择及工艺参数设计时，应根据确定的成型方法，选择相应的设备、模具及工艺参数。根据上述原则，主要有以下三种玻璃钢贮罐制造方法。4.1预应力组装储罐的制造技术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。当贮罐装满液体介质后，环向压应力变成拉应力，而拉应力主要用钢丝绳承担9。4.1.1 贮罐玻璃钢构件制造罐底、罐壁及罐顶玻璃钢构件均选用手糊成型，其工艺流程如图4.1所示1。图4.1 手糊成型贮罐
19、工艺流程A 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。B 模具的准备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；拱形贮罐板选用阴模成型。C 构件的糊制先在模具上涂脱模剂，将加入引发剂和促进剂的不饱和聚酯树脂涂刷在磨具表面上，内衬层采用玻璃纤维表面毡，保证内衬层的树脂含量在以上；结构层选用玻璃纤维布，保证结构层厚度，控制含胶量在70%80%；外表层糊制时树脂中要加入紫外线吸收剂，采用中碱玻璃纤维表面毡，糊完后，表面铺一层聚酯薄膜，使制件双面光10。4.1.2贮罐现场安装 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
20、内的接缝处糊制和内衬层材料相同的玻璃钢层密封11。4.2 整体式玻璃钢储罐的成型工艺先制作一个玻璃钢贮罐的芯模，然后在芯模上糊制结构层，芯模成型后不必取出，它就代替了贮罐的内衬层。除芯模制作外，其它的成型工艺与手糊玻璃钢制品相同。4.3 缠绕玻璃钢贮罐制造技术缠绕玻璃钢成型是先将贮罐分成钟罩和封头（本设计中为贮罐底板）。将这两部分组装在一起即构成贮罐的完整结构，然后再进行结构层缠绕。4.3.1 “钟罩”成型 A 模具的清理 缠绕成型的贮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
21、烯醇脱模剂在钟罩模上均匀涂层，要求厚度均匀，防止漏涂。C 加热树脂 温度达到3540。 D 按设计要求的原材料和厚度制造内衬层 封头的内衬层用喷射成型或手工成型，铺覆方法根据设计要求，可选用喷射、干法或者湿法缠绕。制作封头的加强层，采用喷射和铺玻璃纤维布。 E 脱模 待钟罩固化完全后脱模。脱模是利用液压空气，通过模具上的脱模孔使模具和钟罩间形成一层空气垫，靠空气压力将钟罩推出。4.3.2 底板制造A 清理模具；B 涂脱模剂；C 按设计要求糊制底板，在糊制过程中，始终进行手动滚压，待树脂固化后脱模。4.3.3 组装将“钟罩”和底板对接成一个整体。对接时先将两部分对接边磨成坡口，用相应的材料进行加
22、强。4.3.4 现场缠绕由于贮罐高度达到12.4m以上，所以需要在现场缠绕。对于有轴向应力的贮罐，一般都要进行螺旋缠绕，缠绕工序是在现场缠绕机上完成。缠绕到设计厚度后，旋转固化，最后在罐体上喷涂保护层12。4.3.5 装配法兰及配件 贮罐缠绕层全固化后，按图纸安装预先做好的进料口、出料口、排气孔、人孔和其他配件。5零部件设计5.1 贮罐的开孔与补强所谓“开孔补强设计”，就是指采用适当加厚接管或壳体壁厚的方法，使之达到提高罐壁强度，并把应力集中系数降低到某一允许数值的目的。在实际中，较多的采用局部补强的形式。即在壳体开孔处的一定范围内增加壳体的壁厚。补强设计方法可采用等面积补强法，即局部补强的复
23、合材料截面积必须等于或大于开孔所挖去的壳壁截面面积。也就是用与开孔相等的外加复合材料来补偿被削弱的壳壁强度13。下图为接管装配及开口补强示意图。图5.1 接管装配及开口补强示意图5.2 贮罐进出口管、人孔及其它零部件5.2.1 进出口管 进出口管一般采用带法兰的短接管，其规格和管子相同，接管长度一般不小于100mm180mm。壳体与进出口管的连接部位，要求坚固耐用，不渗漏14。图5.2 贯穿接管装配表5.1 法兰接管结构尺寸接管内径Dg最小壁厚tm法兰连接部分法兰螺孔外径D最小厚度b最小厚度tn长度h直径d孔数N(个)孔中心圆直径Di150528013650168240175531014750
24、16827020053351485016829522553651410701683252505390171076161235030054401910822012400350650021118220124604006565221190201651545066152411952016565500667029131002016620600678029141002220725本设计中进出口管都选接管内径为100mm的。5.2.2 人孔和手孔 人孔和手孔是为了检查设备的内部空间，对设备内部进行清洗、安装及拆卸内部结构而设置的15。手孔直径不宜小于150mm。常用的手孔公称直径有DN150和DN250两种
25、。本设计由于为大型立式贮罐，所以没有设计手孔。人孔直径一般为450600mm，颈高100150mm。深度大于3m的贮罐，应考虑设置两个人孔，一个在顶部，一个在紧靠罐基础上部以利于进出。本设计人孔直径选600mm，颈高取150mm。一个人孔设计在罐顶，另一个设计在距罐底1000mm处。表5.2 标准人孔尺寸入孔形式公称直 径法兰盖中心直 径法兰盖厚 度螺孔中心直 径螺栓孔直径螺栓数量(个)壳体侧面入孔(工作压力不大于)0.1MPa450500550600630700760810252525305806406807502022252516202020顶部入孔（工作压力大气压力）4505005506
26、00630700760810101010105806406807501313131316202020 人孔一般应设置角承板1。图5.3 板形角承板5.2.3 排液管 贮罐的排液管通常设置在罐底和罐壁下部。本设计为在罐壁下部距罐底50mm处。尺寸按接管内径D=80mm选取。5.2.4 排气孔 各种顶端封闭的直接排到大气的常压贮罐，必须开设能自由排气到大气中的排气口。本设计排气口直径取D排=100mm。5.2.5 液面计口 液面计口用于测量液面高度。本设计取液面计口直径D计=25mm。在贮罐上、下部各设计一个。6安装设计贮罐的零部件安装和罐体组装在第4部分工艺设计中已有所说明，以下简单介绍一下安装
27、时的其他注意事项。6.1立式贮罐安装基础6.1.1立式平底贮罐应安装在连续支承的平面基础上，并有足够的强度，以支承充满液体的贮罐。6.1.2在罐底排液口处，排液接管法兰不得与基础接触。6.2立式贮罐的安装6.2.1立式贮罐用起重机搬运，起吊钢索应连接到顶部吊环上，并用引导绳防止摆动。 6.2.2阀门、控制器及其他连接到贮罐接管上的重型部件都应单独支撑16。7检验方法7.1试验方法7.1.1各层厚度用精度为0.05 mm的卡尺对开孔处切取的试样进行测量，测量五个点取最小值。7.1.2筒体和封头厚度用精度为 0.05 mm的卡尺对开口处切取的试样进行测量，或测量筒体的内、外径。7.1.3弯曲强度和
28、弯曲弹性模量按GB 1449测试，试样从贮罐开口处切取，其长度方向的曲率可与贮罐的曲率一致。7.1.4筒身轴向拉伸强度可用同工艺同层次的小直径管试样按 GB 5349测试。7.1.5法兰平面与接管轴线的垂直度用角尺检验。7.1.6法兰接管的方位偏差用精度为lmm的钢卷尺测量；角度偏差用角度尺测量。7.1.7吸水性能按GB1462测定。7.1.8巴氏硬度按 GB 3054测定。7.1.9树脂含量按GB 2577测定。7.1.10内表面外观质量在 100 W白炽灯照明下目测，外表面在充足的日照下用肉眼目测17。7.2检验规则7.2.1 出厂检验 每个产品必须进行出厂检验。7.2.2 型式检验 某些
29、情况下，还必须进行型式检验。小结本课程设计要求设计立式玻璃钢贮罐，设计任务为，容积140m3，贮存质量分数为10%的醋酸，使用温度为常温，拱形顶盖设计。设计中，我从造型、性能、结构、工艺、零部件、安装、检验等七方面对立式贮罐进行了设计。在造型设计中，分别对贮罐尺寸、拱形顶盖尺寸、罐底及支座等进行了计算设计和选择。性能设计中，对树脂、增强材料进行了选择，并对内表层、次表层、结构层、外表层做了材料的设计和选择。结构设计中，对贮罐壁厚度、顶盖厚度、底板以及底板铺层做了计算和设计，确定了各部件的厚度。工艺设计中，对贮罐的成型工艺、设备、现场组装、零部件安装等做了设计和说明。零部件设计，对贮罐的开孔补强
30、、进出口管、人孔、手孔、排液口、排气孔、液面计口等进行了计算、设计和选择。安装设计中，对贮罐安装时的一些注意事项做了简要说明和强调。检验设计中，对贮罐壁厚、树脂含量、吸水性、硬度、内外表面等的检验方法和标准参照做了说明。通过以上几方面的设计，我完成了立式贮罐的课程设计，通过设计立式贮罐，我学到了许多有关的知识、方法和标准，必将对以后的学习和工作起到很大的促进作用。参考文献1 刘雄亚，晏石林.复合材料制品设计及应用M.北京:化学工业出版社,2003.701012 吴书信.改进大型贮罐拐角结构及工艺J. 玻璃钢复合材料,2004,9(5):363 曾国强.60m3 玻璃钢盐酸贮罐罐体及模具设计J.
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