搜索
1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、钢筋混凝土贮罐相比，它具有耐腐蚀性能好、强度高、自重轻、隔热保温效果好、成型容易、维修方便、耐久性好及安装、运输方便的特点[1]。由于玻璃钢贮罐具有这些特点，它已广泛用于化工、石油、造纸、医药、食品、冶金、粮食、饲料等领域。我国玻璃钢贮罐的发展十分迅速，已经颁布了纤维增强塑料贮罐的标准，规定了贮罐用原材料、生产工艺、结构形式、产品性能和几何尺寸、验收条件等等，规范了玻璃钢产品市场，对提高玻璃钢贮罐产品质量起到了促进作用。国产玻璃钢贮罐主要采用机械化缠绕成型工艺，手糊成型已基本淘汰。工厂缠绕成型玻璃钢贮罐容积可达150；现场缠绕成型的贮罐直径达15m、容积可达2500玻璃钢贮罐向着抗渗漏性、多功能（阻燃性、防静电、结构强度）、复合化（热塑性内衬、玻璃钢结构层）低成本的方向发展。玻璃钢贮罐设计要求适应这一发展方向，不断拓展玻璃钢贮罐的应用领域，根据使用条件和结构要求，合理选择材料，确定产品结构形式和制造工艺方法，达到降低成本，满足使用要求的目的[2]。21.造型设计1.1贮罐的构造尺寸确定初取贮罐的直径3.6m，则贮罐高度H===11.8m，故可初选贮罐的结构尺寸为：D=3.6m；H=12m。1.2贮罐顶盖的设计玻璃钢贮罐顶盖有平顶盖、锥形顶盖和椭圆形顶盖三种形式。本设计采用拱形顶盖，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=（0.8。1.3贮罐罐底设计立式贮罐罐底采用平底，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。1.4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钟形式。床式支座是将贮罐直接置于基础上，属于直接支撑形式。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，对于室外大型设备，大多要另加地角螺栓固定[3]，本设计采用床式支座。1.5造型设计简图如图2.1所示3图2.12.性能设计2.1树脂的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，储罐中储存的物质为饱和盐水，使用温度为80℃，有使用条件可知，所选择的树脂必须耐盐，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，由于不饱和聚酯树脂价格便宜，也可以满足储罐的使用要求，常用不饱和聚酯树脂的牌号如下：表3-1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。根据本储罐的使用条件，可以选择乙烯基型不饱和聚酯树脂。42.2增强材料的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[4]: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3.2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饱和盐水，使用温度为80℃，并且有一定的力学承载，以及经济效益综合考虑选择无碱玻璃纤维，因为无碱玻璃纤维耐水性好，但成本较高。2.3助剂选择2.3.1引发剂的选择A.过氧化酮类引发剂国内玻璃钢工业大多用50%过氧化环已酮糊。纯净的过氧化环已酮为粉末状，很不稳定，需配成糊状产品使用，单独使用固化时间长。过氧化环已酮存在着易分层，在树脂中不易分散、活性低、添加量大、固化程度不高、在低温下易出现结晶等缺点。B.过氧化甲乙酮过氧化甲乙酮是不饱和聚酯树脂固化在世界上应用最广泛的引发剂，其价格低、性能好，使用方便，和树脂容易混溶[5]。5通过比较，选用过氧化甲乙酮做为引发剂。2.3.2促进剂的选择由于引发剂选用了过氧化甲乙酮，所以促进剂选用钴盐类促进剂，且常用邻苯二甲酸二甲酯稀释后使用。2.3.3脱模剂的选择脱模剂采用聚乙烯醇溶液、脱模蜡等。3结构设计3.1立式贮罐结构设计3.1.1立式贮罐设计条件装满饱和盐水的立式贮罐，贮罐的高度为H，半径为R，充满饱和盐水密度/，贮罐安装在太原地区，贮罐顶均匀雪荷载=400N/，风压为=300N/，无地震。玻璃钢材料的拉伸强度，安全系数取K=10。贮罐内装满液体介质，以地面完全接触方式安装在水平面基础上。3.1.2贮罐壁厚计算[6]罐体沿高度分为12段，先计算罐下1m处的壁厚t=（4.1）式中p-----荷载引起的罐壁压力。P=3.6N/cm（4.2）=（4.3）依次求得=0.77cm=0.93cm=1.08cm6=1.23cm=1.39cm=1.54cm=1.70cm=1.85cm=2.01cm=2.16cm=2.31cm由表查得贮罐对应段最小厚度均小于计算厚度，所以贮罐厚度以计算值为准。3.1.3贮罐顶盖的厚度设计拱形顶盖的曲率半径=D=3.6m。h为罐顶高，r为转角曲率半径，r小则h也小，一般取r=0.2D，此时h0.2D，贮罐顶盖受均布荷载=400N/拱顶顶板的最小厚度为=4=4=0.27cm（4.4）式中--------顶板最小厚度，mm；P--------作用在顶盖上的荷载，MPa；E-------拱顶材料的弹性模量，MPa。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，大于计算结果，故取顶盖厚度5mm。在外载荷的作用下，拱顶的许用临界荷载为[]=0.1=0.11.1=2121.9N/p（4.5）故设计安全。3.1.4贮罐底板设计7罐底为平板，直接安装在平面基础上。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，一般需要加强，根据ASTM—D3299中规定，底板厚度取9.5mm，罐壁下部t=23.1mm时，拐角处=32.6mm，L=300mm，M=100mm。根据底板厚度，可计算得，底板需铺层的层数：n==（4.6）纤维选用无碱玻璃纤维毡，其单位面积质量为600g/，树脂选用不饱和聚酯树脂，密度为1.3g/。铺层时可采用各四层交替铺层。3.1.5风荷作用下贮罐强度设计贮罐设计地区风压=300Pa，计算风压为W=0.72=0.72300=216Pa（4.7）贮罐沿高度方向承受的均布荷载为=0.72=0.72777.6N/m（4.8）由风压引起的最大弯矩和剪力为=2=777.62=55987.2Nm（4.9）=（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。在最大风荷载下贮罐的厚度：8===0.039cm（4.11）贮罐自重为=罐体重+罐底重+罐顶重D++[]=36095—]=2441.66+174+407.5=3023kg302.3kN（4.12）贮罐自重引起的抗风弯矩为==302.3（4.13）风压引起贮罐的倾覆弯矩为=55987.2N5598.7kN（4.14）贮罐不会因风压而倾覆。3.1.6设计结果立式贮罐设计结果如下：管壁厚度底部厚23.1mm上端厚6.2mm罐底厚9.5mm罐顶厚5mm3.2支座设计本设计采用的是床式支座，因为该贮罐比较大，所以要另加地脚螺栓固定。如图4.1所示。9图3.14工艺设计玻璃钢储罐的成型方法主要有手糊成型工艺、缠绕成型工艺和预应力组装成型。4.1预应力玻璃钢组装贮罐制造技术[7]预应力玻璃钢组装贮罐制造，适用于大型贮罐。其特点是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。玻璃钢贮罐由2块加肋顶盖板、18块周边带法兰的拱板和整块底板组成。各构件之间的连接主要由法兰螺栓，并用作内衬层的材料。这种贮罐的制造技术分为：玻璃钢构件工厂制造；运输到现场后拼装；缠绕钢丝绳预加应力。4.1.1储罐玻璃钢构件制造罐底、罐壁及罐顶玻璃钢构件采用手糊成型工艺，工艺流程如下：树脂胶液的配制玻璃纤维布制品裁剪10A、原材料的准备根据储罐的性能要求选用玻璃纤维和树脂种类及牌号。本设计中选用乙烯基型不饱和聚酯树脂，增强材料选用无碱玻璃纤维表面毡，无碱玻璃纤维布，无碱玻璃纤维短切毡，玻璃纤维需用浸润剂处理。B、模具的准备根据储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；拱板的表面质量要求高，并且要保证法兰连接的尺寸，拱形壁板选用阴模成型。拱板选用阴模的原因，是为了保证法兰尺寸及表面精确。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采用表面毡，保证内衬层的树脂含量在90%以上；结构层使用玻璃纤维布，保证结构层厚度和控制含胶量在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，糊制完以后铺一层聚酯薄膜，使制件获得双面光。4.1.2储罐现场安装储罐装配时，将罐体拱形板法兰重合，拧紧螺栓，用聚酯树脂胶泥填缝，并在储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。法兰上的槽可作为导槽，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，手糊成型工艺固化脱模修整检验模具准备构件（拱板、底板、顶板）11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技术整体式玻璃钢贮罐多为中小型，常采用手糊成型。本设计中贮罐为大型贮罐，不采用这种成型方式，故不做详细介绍。4.3缠绕成型储罐的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”的成型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，防止漏涂。C、加热树脂使其温度达到35~40℃。D、按设计要求的原