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1、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，
2、玻璃钢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 180?3, 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
3、式贮罐。2 1造型设计1.1 设计要求立式玻璃钢贮罐设计，容积为140?3，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=140?3，取公称直径为 D = 3800? ，则贮罐高度为H = V D22=140 3.14 3.822= 12.35?（式 1.1 ）初定贮罐结构尺寸为 D= 3.8? H= 12.4?1.3 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=0.81.2 D（式 1.2 ）式中R0拱顶球面曲率半径，
4、? ; D 贮罐内径， ?，等于 2R。取罐顶高为 h，r 为转角曲率半径， r 小则 h 小，一般取 r = 0.2D，此时 h 0.2D1。所以r = 0.2D = 0.2 380 = 76?h 0.2D = 0.2 380 = 76?1.4 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38? 。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
5、 1.12。3 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?过渡段最小宽度?加强段最小宽度mm1200 80 200 1200100 300 4 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
6、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5 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
7、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1。6 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%NaOH 40贮罐环氧树脂衬里次
8、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1.7 10000 48.2 9.7 中碱玻璃纤维0.13 72000 0.1 高碱玻璃纤维11 2500 6.2 12.015.0 由表中可知，中碱玻璃纤维的耐酸性最
9、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。7 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
10、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
11、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。8 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 1.05t/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+ LX RK（式 4.1 ）式中 P荷载引起的罐壁压力。P =P雪 R2 D= 400 3.14 3.8223.14 3.8= 38?/ ?
12、= 3.8? / ?（式 4.2 ）t1=0.38 + 0.00105 200 190 10 1400= 0.801?依次求得t2= 1.086?t3= 1.371?t4= 1.656?t5= 1.941?t6= 2.226?t7= 2.511?根据最小壁厚原则，对应计算结果，贮罐靠近顶部的壁厚取t1= 10.0? ，靠近底部壁厚取 t7= 25.0? 。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 。9 所以， tmin= 4 3.8
13、1213= 11.0?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 = 0.1 23 113.82 = 19.3? (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
14、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20? ，罐壁下部 t = 25? 时，拐角处厚度tb= 40? ，加强段 L = 600? ，过渡段 M = 200? ，底部拐角半径取 60? 。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 增强材料铺层层数10 fm增强纤维单位面积质量；2kg/mfk增强材料的厚度常数；-2m m /kgm? 树脂与增强材料的质量比；A制品的厚度； mmrk树脂基体的厚度常数。3.5.1 内表层层数：m(f)=35g/m2k(f)=0.408k(r
15、)=0.769A=0.5mm c=90/(100-90)=9层数为：n =0.50.035 0.408 + 9 0.7692 层3.5.2 次表层层数：m(f)=400g/m2k(f)=0.408 k(r)=0.769 A=2mm c=75/(100-75)=3层数为：n =2.00.40 0.408 + 3 0.7692 层3.5.3 结构层层数：m(f)=340g/m2k(f)=0.408k(r)=0.769 A=17mm c=50/(100-50)=1层数为：n =17.00.34 0.408 + 1 0.76943 层3.5.4 外表层层数：m(f)=250g/m2k(f)=0.408 k(r)=0.769 A=0.5mmc=60/(100-60)=1.5层数为：n =0.50.25 0.408 + 1.5 0.7691 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= 300?，计算风压为W = 0.72 W0= 0.72 300 = 216?（式 4.7 ）贮罐沿高度方向承受的均布载荷为Pw= 0.72W0D = 0.72 300 3.8 = 820.8? / ?（式 4.8 ）由风压引起的最大弯矩和剪
