立式玻璃钢贮罐设计

1前言纤维增强塑料贮罐主要用于储存各种腐蚀性液体、气体和粉末状物料，应用在石油、化工、冶金、造纸、城市供水等领域。这类贮罐强度、刚度和防渗漏性要求较高，对于容积较大的贮罐，特别适合于纤维缠绕工艺或喷射工艺整体成型，不宜采用手糊工艺分块制造、最后组装的结构形式。玻璃钢贮罐具有一系列特点，如质量轻、耐腐蚀性强、强度高、保温隔热效果好、成型容易、安装和运输方便、维护费用低等，在各工业领域得到广泛应用。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。目前国内玻璃钢贮罐主要用于地下石油贮罐、化工及食品容器、运输罐、三次采油聚丙烯酰胺母液贮罐、工业用超纯水贮罐、污染回收罐等等。目前，许多厂家用油从国外引进或自行生产的贮罐缠绕设备，能够进行直径12m一下系列贮罐的现场缠绕，最大容积可达到2000m3，具有相当的生产能力[1]。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。21.造型设计1.1贮罐构造尺寸确定经查阅中华人民共和国行业标准，玻璃钢贮罐标准系列HG21504.1-92，立式贮罐容积3130Vm，可选直径系列有3800Dmm和4000Dmm[2]，本设计初选4000Dmm，因此贮罐的高度22/()10345DHVmm，取10500Hmm。1.2贮罐顶盖与罐底设计1.2.1贮罐顶盖设计玻璃钢贮罐顶盖有平顶盖、锥形顶盖和拱形顶盖3种形式[3]。A、平顶盖可按承受908Pa荷载或地区雪荷载进行设计。顶盖板允许挠度值为1%。从提高顶盖刚度和降低成本来考虑，顶盖最好加肋。B、锥形顶盖自由支承在贮罐的周边上。玻璃钢顶盖在承受外压时，其最大应力发生在椎体的最大直径处。C、拱形顶盖与锥形顶盖相比，结构简单、刚性好、承载能力强，是广为使用的一种形式。顶盖采用拱形顶盖，为使罐顶与罐壁等强度，取01.04000RDmm。1.2.2贮罐罐底设计罐底为平底，采用复合材料层合板。1.3支座设计常用立式贮罐支座有床式、悬挂式、角环支承式和裙式4种形式。床式支座是将贮罐直接置于基础上，属于直接支承形式。悬挂式支座又称耳式支座或耳架，每台贮罐一般配置两个或四个支座，但在安装时不容易保证各制作在同一平面上，也不能保证各支座受力均匀。角环支承式支座一般用于贮罐高度小且离地面较近的情况。裙式支座简称裙座，大多采用圆筒形式。床式支座简单方便、使用较广，此贮罐采用床式支座。32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，贮罐中储存的物质为质量分数为70%的硫酸，使用温度为90℃，有使用条件可知，所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，由于不饱和聚酯树脂价格便宜，可以满足贮罐的使用要求[4]，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，最好选择乙烯基型不饱和聚酯树脂。2.2增强材料的选择玻璃纤维价格便宜，性能优异，可以满足贮罐的使用要求，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4和短切玻璃纤维[5]。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。(5)耐碱玻璃纤维，抗碱性较好，主要用于增强水泥制品。(6)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贮罐用来储存质量分数为70%的硫酸，使用温度为90℃，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。53结构设计贮罐直径4.0Dm,高10.5Hm;罐顶为拱形顶盖，罐底为平底直接安装在基础平面上。贮罐内为质量分数为70%的硫酸，密度31.6/Ltm。贮罐顶均匀雪载荷2400/snowpNm，风压为20300/WNm，无地震。玻璃钢材料的拉伸强度为140MPa，压缩强度为89MPa，安全系数[6]10K。3.1贮罐壁厚计算罐体沿高度分为11段，先计算罐下1m处壁厚LpXRKt式中p为荷载引起的罐壁压力。224.040024.0/4.0snowpRpNcmD10.400.0016100200100.8001400tcm依次求得21.03tcm31.26tcm41.43tcm51.71tcm61.94tcm72.17tcm82.40tcm92.63tcm102.86tcm112.97tcm贮罐靠近顶部厚度取18.0tmm，靠近底部厚度取1130.0tmm。3.2贮罐顶盖厚度设计顶盖受均匀载荷2400/snowpNm时，有min0400444.033.989snowptRmmE6取顶盖厚度35.0mm。3.3贮罐底板设计贮罐罐底为平板，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，一般都需要加强[7]。如图3.1图3.1罐底拐角处底板厚度取10.0botmm，拐角处厚度35.0btmm。底板采用复合材料层合板，内表层2mm，外表层2mm，结构层6mm，内、外表层用0.4的表面毡或短切玻璃纤维毡铺设，各5层，结构层用0.4中碱方格布和乙烯基不饱和树脂糊制[8]。铺层数613.1130.340.4081.2220.769ffrAnmkck层铺层顺序采用0/45/90的准各项同性铺层方式。3.4风载荷作用下贮罐强度设计贮罐设计地区风压0300WPa，计算风压为00.72216WWPa7贮罐沿高度方向承受的均布载荷为2164.0864/wpWDNm由于风压引起的最大弯矩和剪力为22max86410.5/2476282wpHMNmmax86410.59072wQpHN贮罐迎风面得最大拉伸应力，应小于玻璃钢材料的许用拉伸强度；背风面得最大压缩应力[9]，应小于玻璃钢材料的许用压缩强度。所以最大风载荷小贮罐的厚度max022476280100.0272001400MtcmR贮罐自重为3311232223232rmbommmDDD24004001050020.00181.000.00182332407.024000.00180.001832322375.04226.1916114212.2421.22kgkN贮罐自重引起的抗风弯矩为421.2220084242rrDMWkNcm风压引起贮罐的倾覆弯矩为max4762.8MkNcmmaxrMM贮罐不会因风压而倾覆，固不需要对贮罐进行锚固[10]。3.5设计结果管壁厚度：底部厚30.0mm；上端厚8.0mm；罐底厚度10.0mm；管顶盖厚度35.0mm84工艺设计玻璃钢贮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预应力组装贮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贮罐壳体，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。4.1.1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：图4.1手糊成型工艺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。本设计中选用间苯型不饱和聚酯树脂、乙烯基型不饱和聚酯树脂或者阻燃型不饱和聚酯树脂，增强材料选用中碱玻璃纤维表面毡，中碱玻璃纤维布，中碱玻璃纤维短切毡，玻璃纤维需用浸润剂处理。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。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）9C、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，并在贮罐内的接缝处糊制和内衬层材料相同的玻璃钢层密封。4.2整体式玻璃钢贮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。4.2.1整体式玻璃钢芯模的制作按照贮罐尺寸对称分为两半，用水泥制成阳模。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贮罐芯模。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，便可获得贮罐半成品。然后再根据设计开孔，装配入口及排液管等。4.3缠绕成型贮罐的制造技术缠绕玻璃钢成型是先将贮罐分成钟罩和封头。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钟罩的成型A、模具的清理缠绕成型的贮罐所使用的模具一般为钢模，对模具进行清理是为了保证其表面平滑，没有异物，使制得的产品内表面光滑，便于脱模。清理完后，用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