海洋集团复合材料有限公司 玻璃钢卧式贮罐设计 键入文档副标题 于海洋 2012/6/30 目 录 1.前言……………………………………………………………………………………1 2.造型设计………………………………………………………………………………2 2.1储罐构造尺寸确定…………………………………………………………………2 2.2封头的选择…………………………………………………………………………2 2.3伸臂长度确定………………………………………………………………………3 2.4支座及间距……………………………………………………………………………3 3.性能设计…………………………………………………………………………………4 3.1基体材料性能及其特点介绍…………………………………………………………5 3.2增强材料介绍…………………………………………………………………………6 4.节构设计……………………………………………………………………………………7 4.1储罐荷载计算和设计简图……………………………………………………………7 4.2由储罐的轴向应力计算壁厚………………………………………………………8 4.3由储罐的剪力计算储罐的壁厚……………………………………………………8 4.4由储罐的环形应力计算储罐壁厚…………………………………………………8 4.5由蝶形封头设计壁厚…………………………………………………………………10 4.6设计结果……………………………………………………………………………10 5.工艺设计………………………………………………………………………………11 5.1筒身设计………………………………………………………………………………11 5.2封头的制造工艺及模具制造方法……………………………………………………12 6.玻璃钢卧式贮罐零部件设计……………………………………………………………14 6.1贮罐的开孔与补强……………………………………………………………………14 6.2排气孔…………………………………………………………………………………14 6.3贮罐进出口管和人孔设计……………………………………………………………14 6.4排液管…………………………………………………………………………………16 6.5支座设计………………………………………………………………………………16 7.安装设计…………………………………………………………………………………17 8.制品检验…………………………………………………………………………………18 9.小结………………………………………………………………………………………19 10.参考文献…………………………………………………………………………………20 前 言 卧式玻璃纤维增强塑料贮罐主要用做化工贮罐、运输罐车、反应釜、喷雾洗涤器等。与立式贮罐相比卧式贮罐的容积较小但具有搬运方便可异地安装使用的特点。 玻璃钢容器、玻璃钢储罐耐化学腐蚀使用寿命长玻璃钢具有特殊的耐腐性能在储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1。 玻璃钢容器、玻璃钢储罐设计灵活性大罐壁结构性能优异纤维缠绕玻璃钢可以改变树脂系统或增强材料来高速玻璃钢贮罐及非标装置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、缠绕角和壁厚结构和设计来调整罐体的承载能力制成不同压力等级或某些特殊性能的玻璃钢贮罐及非标装置这是各向同性的金属材料无法与其相比的。 因为玻璃钢的比重通常为1.8-2.1是钢的1/4-1/5比钢、铸佚和塑料的比强度都高。玻璃钢的热膨胀系数与钢大体相当热传导系数只有钢的0.5。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2。 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、污染回收罐等等纤维增强塑料贮罐是复合材料制品最广泛应用的一种产品结构形式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。 2 造型设计 2.1 储罐构造尺寸确定 造型设计如图2-1 图2-1 设计标准《中华人民共和国行业标准 玻璃钢储罐标准系列HG 21504.1-92》卧式储罐容积360Vm可选直径系列有2800Dmm和3000Dmm本设计初选3000Dmm因此储罐的长度 850022VLmmD。 2.2 封头的选择 卧式圆筒形储罐的封头一般采用凸形封头常用的凸形封头形式有半球形、半椭球形和蝶形封头3。 1半球形封头 受力最佳与筒体的连接平滑过渡局部附加应力小。但是由于这样封头深度大手糊成型不方便脱模比较困难所以玻璃钢储罐很少采用这样封头。 2半椭球形封头 其是由半个椭球壳和一段高度为h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。 3蝶形封头 其是有折边的球形封头由半径为R的部分球面和高度为h的圆筒形部分以及半径为r的过渡部分组成标准蝶形封头0.9RD且0.17rD。在连接处经线曲率半径有突变应力分布不如椭球形分布均匀缓和但是蝶形封头的加工制作最方便。 综合以上分析选择蝶形封头因为它加工制造最方便本设计中的卧式储罐不是压力储罐因此标准蝶形封头可以满足应力使用要求因此0.9RD且0.17rD封头高度0.522DHRRDRr550mm。 2.3 伸臂长度确定 根据 0.2070.390AHLL 计算出123GGGG。 2.4 支座及间距 卧式储罐一般是水平安装在支座上的支座主要分为双边连续支座、鞍座、圈座和支腿。其中鞍座应用最多所以选择鞍式支座。 鞍座间距126600LLAmm 如图2-2所示 q70.5kN/m3.30m3.30mFAFB8.50m 图2-2 2.4 小节 1储罐鞍座选用三鞍座如图2-1鞍座间距为3300mm 2封头采用蝶形封头设计 3罐身长8500mm内径3000mm 4进水、出水孔、人孔、液面计口、备用口安装标准按HG 21504.1-92《玻璃钢储槽标准系列》 5所用法兰按HG/T 21633-1991选用 3性能设计 任务要求: 贮存质量分数37的盐酸使用温度为常温属于典型的玻璃钢贮罐。 表一6 各种材料规格 铺层数 材料名称 规格g∕m2 层数 纤维kg 内衬树脂kg 结构层树脂kg 筒身 聚酯毡 30 1 2.15 40.83 网眼布 65 1 4.27 喷射纱 150 1 9.49 28.47 网眼布 65 1 4.27 喷射纱 450 4 113.89 292.86 网眼布 65 4 17.07 0.4布 450 4 105.05 105.05 网眼布 65 2 8.54 封头 表面毡 350 1 0.62 11.86 喷射纱 150 1 2.76 8.27 喷射纱 450 4 33.09 89.47 0.4布 400 3 22.89 22.89 喷射纱 450 2 16.55 44.74 以上两步交替重复3遍 拐角加喷宽度300m 喷射纱 300 g∕m2 12 14.39 参数 纱片宽 TEX 纱股数 纤维类型 材料用量聚酯毡 2.77 内衬层树471.77 kg 脂 喷射纱 223.23 结构层树脂 346.84 网眼布 34.14 0.4布 173.74 合计 1252.51 说明1、内衬层树脂用SW901结构层树脂用S901 2、储罐内衬层脱模后与平地封头对接缠绕结构层设备位号“2V-707” 典型的玻璃钢贮罐其结构分为四层内表层、次表层、结构层和外表层。 其功能各为 1 内衬层主要起防腐、防渗作用 2 次表层主要是防止介质渗漏结构层承受荷载引起的各种应力 3 外保护层则用于防自然老化和摩擦碰撞4. 内表层、次表层、结构层和外表层如图3-1 图3-1 1内表层 内表层也是防腐层一般用玻璃纤维表面毡、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左右其厚度为0.250.5mm。各种材料指标如表一 2次表层 其含胶量比内表层低通常有短切纤维制成的短切毡铺成其主要功能是防止介质渗漏。 3结构层 这一层是贮罐壁的主要结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。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。 4外表层 它是贮罐的结构层的外保护层。其功能是保护结构层免收外界机械损伤和外界环境条件引起的老化。 3.1基体的性能及其特点介绍 1内衬层树脂为SW901树脂其特点如下 1极低的粘度工艺性能好放热峰在100°C以内 2成型树脂具有良好的力学性能和防腐性能 3其FRP成品可以在大于-45°C.的环境下面安全使用。 2结构层树脂用S901其特点是价格便宜、实用性强同时其强度要求满足工艺及其使用要求。 3.2增强材料的性能介绍 3.2.1 聚酯毡 抗拉强力高、延伸性能好、热稳定性能优良、耐穿刺能力强、抗腐蚀、耐老化。 3.2.2 喷射纱 1硅烷偶联剂。 2优良的集束性和成带性。 3在树脂中能快速和彻底地浸透。 4优良的耐磨蚀性无毛羽。 5优良的机械性能。 3.2.3 玻璃钢基布0.4布 玻璃钢基布玻璃钢0.4布是?芍屑罨蛭藜钗弈泶稚捶闹晌弈泶稚淳柰榕剂链硪子诒皇髦竽透辞慷雀叨也慵湔澈闲院媚苁屎细髦智媸┕?。 3.2.4 表面毡其特点如下 玻璃纤维表面毡特有的生产工艺决定其具有表面平整纤维分散均匀手感柔顺透气性好树脂浸透速度快等特点.表面毡应用于玻璃钢制品良好的透气性能使树脂快速渗透彻底消除气泡和白渍现象它良好的伏模性适合任何形状复杂的产品和模制品表面能掩盖布纹提高表面光洁度和防渗漏性同时增强层间剪切强度和表面韧性提高产品的耐腐蚀性和耐侯性是制造高质量玻璃钢模具及制品的必需用品. 产品适用于玻璃钢手糊成型缠绕成型拉挤型材连续平板线结构层树脂用S901树脂 3外表层选用玻璃纤维表面毡混合S901树脂缠绕。 4 结构设计 4.1 储罐荷载计算和设计简图 4.1.1 储罐设计简图 储罐设计简图如图4-1所示此储罐按照三支座外伸梁计算储罐受力分析 2R图4-1HLL1L1Hq 4.1.2 载荷计算 储罐中液体硫酸质量1601.1971.4HCLGVt 玻璃钢壳体质量2222322tGrLHrHrrt 附件质量30.4G 支座承受的总重量12374GGGGt a、储罐单位长度上的均布载荷 23qG/L2H7.05t/m70.5kN/m b、支座反力14B33FqLH246.8KNAF c、支座处剪力 边支座内侧截面处的剪力21A3QF-qA-qH109.3KN 边支座外侧截面处的剪力 223QqA137.5qHKN 跨中支座处的剪力233QqL/2H-F616.9AKN d、边支座和跨中支座处的弯矩 边支座处弯矩 212A23M-AH68.73KN 跨中支座处弯矩21414LB23232MqLH-qLH-A3886.3KNm 由于BAMM所以应该以BM作为计算弯矩。 4.2 由储罐的轴向应力计算壁厚 储罐的最大轴向应力发生在跨中储罐底部和支座处储罐的顶部计算结果取其最大值。 4.2.1 由跨中储罐底部轴向应力计算壁厚 查表得缠绕玻璃钢聚酯储罐的轴向拉伸强度为85160MPa取强度值为160MPa取载荷系数13.4K则x16013.411.9MPa 由max2422max//HSORtMRtx 得出2422max//HSOxxtRMR 由此得出4.1tcm 4.2.2 由支座处储罐顶部应力计算壁厚 支座处储罐顶部应力2maxmax/MRtx由此推导出壁厚 2max/xtMR0.284cm 4.3 由储罐的剪力计算储罐的壁厚 储罐的最大剪力发生在支座的底部由于32QQ并且31QQ所以最大剪力发生在跨中支座的底部且max3QQ616.9KN支座处要设置加强圈。因此有 QmaxmaxRt 从而得出壁厚 QmaxtπRτ 聚酯玻璃钢的剪切强度为8.9MPa取安全系数为8则1.11MPa。 代入数据的 t1.26cm 4.4 由储罐的环形应力计算储罐壁厚 4.4.1 支座的设计 a、 鞍座包角的设计 增大鞍座包角时可以减小储罐的环形应力但是鞍座变得笨重材料消耗增多而过分减小包角将使设备容易从鞍座上倾倒。在一般情况下鞍座包角应在150范围内本设计选择150。 b 鞍座宽度的设计 由支座处的承载情况查阅资料得出鞍座宽度 2F/RS9B 其中SAF0.204F 从而16.6Bcm本设计中取20Bcm 4.4.2 加强圈的设计 玻璃钢和钢材相比在荷载下易产生较大的形变在玻璃钢结构设计中用增加厚度来提高储罐的刚性不一定恰当有时不仅给成型带来很大的困难也会增加成本这一问题在玻璃钢储罐的设计中尤为突出支座处的环向弯矩会使筒体的壁厚大为增加因此在鞍座处设置加强圈是很必要的8。 加强圈有两种形式一种是在筒体外设置加强圈另一种是在筒体内设置加强圈无论从美学还是力学的角度分析内置加强圈都要比外置加强圈要好因为筒体的应力是压应力如果还有操作内压作用时还会降低压应力的数值而采用外加强圈是筒体的应力是拉应力如果有操作内压作用时拉应力的数值会随之增加从防渗漏的角度分析拉应力对玻璃钢储罐来说是不利的因为树脂的延伸率比纤维大尽管玻璃钢的有较大的拉伸强度但拉应力会使树脂中的微裂纹处于张开的状态。 由于设置加强圈支座处的荷载由筒体和加强圈共同承担。 设支座处的储罐壁厚为t

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