玻璃钢贮罐设计.docx

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玻璃钢贮罐设计

《玻璃钢产品设计》课程任务报告书

项目三

玻璃钢贮罐设计

复材141第13组

项目负责人：

项目组成员：

起止时间：

2016.3.21--2016.4.4

指导老师：

杨娟

绵阳职业技术学院材料工程系

2014-2015学年第2学期

玻璃钢产品设计课程任务书

班级复材141部门（组）第13组任务项目三

一、任务题目：

任务一：

设计任务为50t卧式贮罐，贮存质量分数为50%的硝酸，使用温度为常温。

任务二：

设计条件贮罐直径D=3.5m，高H=7m；罐顶为锥形顶盖，锥体母线与水平面夹角θ=20º；罐底为平底，直接安装在基础平面上，罐体内液体密度ρl=1.2t/m3。

贮罐顶均匀雪荷载p=400N/m2，风压W=300N/m2，无地震。

玻璃钢材料的拉伸强度=140Mpa，安全系数K=10。

二、任务内容和要求：

（1）内容及要求：

1.通过查阅资料选择贮罐各层所用的原材料；

2.分析已知条件，初步确定贮罐结构尺寸；

3.通过对贮罐受力分析，确定设计贮罐筒体壁厚；

4.确定封头、支座壁厚，宽度等参数。

（2）任务报告要求

任务报告内容包括封面、任务书、正文、总结（收获体会）、参考文献。

任务报告统一用A4纸打印，版面边距上空2.5cm，下空2cm，左空2.5cm，右空2cm；正文用宋体小四号字；页码底端居中，小五号字；行间距：

固定值19磅。

（3）进度要求：

任务下达日期：

2016年3月21日

任务完成日期：

2016年4月4日

（4）其它要求

各组成员必须服从组长安排，积极配合、认真完成下达任务并按时提交任务报告。

任务一：

设计任务为50t卧式贮罐，贮存质量分数为50%的硝酸，使用温度为常温。

一、选择贮罐各层所用的原材料

（1）内表层：

其功能是抵抗介质腐蚀，是防腐蚀结构的主要组成部分。

其制造方法有两种。

一是用玻璃纤维表面毡、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0.25mm—0.5mm。

二是采用热塑性塑料，如聚氯乙烯或橡胶等内衬材料。

（呋喃树脂，中碱纤维）

（2）次表层：

其含胶量比内表层低，约70%—80%。

通常采用短切纤维做成的短切毡铺成；其主要功能是防止介质渗漏。

次表层通常至少含有1200g/㎡的短切原丝毡。

内表层和次表层因选用韧性好、冲击强度搞高的耐腐蚀性树脂。

内表层和次表层的组合纤维含量应为（27±5）%，组合厚度不小于2.5mm。

（3）结构层：

其是储罐的主要结构，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35%—55%。

玻璃钢储罐的结构设计主要是确定这一层的普曾方式和厚度。

（4）外表层：

它是储罐结构层的外保护层。

主要功能是保护结构层免受外界机械损伤和外界环境条件引起的老化。

同时也是对储罐外表面的装饰。

其含胶量约为60%—70%。

外表层也可以用树脂腻子修补后喷漆处理。

二、结构设计

1、贮罐构造设计

①容积换算

浓度为质量分数50%的硝酸,其密度为ρL=1.25t/m2,50t硝酸的体积为V=50/1.25=40m3。

②贮罐构造尺寸确定

贮罐直径取2.5m，则贮罐长度为L=V/（D/2）2π=40/4.9=8.16m。

初定贮罐结构尺寸为:

D=2.5mL=8m

③封头形式确定

选用半椭球形封头，H=0.6×（D/2）=0.75m.

④伸臂长度确定

根据规定A≤0.2L，即A=0.2ｘ8=1.6m。

⑤支座及间距

选用鞍形支座，宽0.2m，包角120°。

支座间距为:

L-2A=8-3.2=4.8m

2、贮罐荷载和设计简图

①贮罐构造，如图所示

②荷载计算单位长度荷载为

q=1.1πR2ρL=1.1×3.14×1.252×1.25=6.74t/m=67.4KN/m

3、贮罐应力计算

按双支座外伸梁计算贮罐受力。

计算长度

L计=L+2×2/3H=8+2×2/3×0.75=9m

①贮罐承受荷载的弯矩及剪力如图。

②受力计算

a．支座反力

FA=FB=1/2q（L+4/3H）

=67.4/2（8+4/3×0.75）

=303.3kN

b．支座处剪力

当取支座内侧截面时，

Q内=FA-qA-2/3Qh=303.3-67.4×1.6-2/3×67.4×0.75=161.8kN

当取支座外侧截面时，

Q外=qA+2/3qH=67.4×1.6+2/3×67.4×0.75=141.5kN

c．支座和跨中弯矩

支座处弯矩计算

MA=-1/2q（A+2/3H）2=67.4/2×（1.6+2/3×0.75）2=-148.6kN·m

跨中弯矩计算

Mm=1/2q（L+4/3H）2-1/2q（L+4/3H）×（L/2-A）

=67.4/2×（8+4/3×0.75）2-67.4/2×（8+4/3×0.75）×（8/2-1.6）

=2001.8kN·m

4、由贮罐轴向应力计算壁厚

贮罐贮罐轴向应力发生在跨中贮罐底部和支部处贮罐的顶部，计算结果取最大值。

①跨中贮罐底部轴向应力按公式δ=R2ρL/t+Mmax/πR2t≤[δx]

缠绕聚酯玻璃钢的轴向拉伸强度由《材料力学》第3章表3-13差得为85~165MPa，取强度值160MPa。

则[δx]=160/K，K为载荷系数，试验表明K=13.4。

则[δx]=11.9MPa（119kg/cm2）,由《材料力学》改变式（4—10）为求贮罐底部厚度，则

t=R2ρL/[δx]+Mmax/πR2[δx]

=1252×0.00125/119.4＋20018000/3.14×1252×119.4

=3.69cm

②支座处贮罐顶部厚度

δMax=MA/πR2t即t=MA/πR2[δx]

t=1486000/3.14×1252×119=0.254cm

5、按剪力计算支座处贮罐厚度

贮罐的最大剪力发生在支座底部，当支座处有加强圈时，按式（4—14）计算。

τMax=QMax/πRt≤[τ]

即t=QMax/πR[τ]

聚酯玻璃钢的剪切强度为8.9MPa，取安全系数为8，则[τ]=1.11MPa

t=16180/3.14×125×11.1=3.7cm

6、按环向应力计算贮罐厚度

贮罐环向应力的最大值，发生在支座处。

设支座处的贮罐壁厚t=3.7cm，支座宽度Bo=20cm，则单元环的有效宽度B按式（4—20）计算。

B=B0+2（Rt）1/2/[3（E0/EL）（1-ν0νL）]1/4

缠绕聚酯玻璃钢的环向和轴向弹性模量分别为2×10和1×104，其泊松比为0.3和0.15，代入上式，则单元环的有效宽度为：

B=20+2×（125×3.7）1/2/[3×2×104/1×104×（1-0.3×0.15）]1/4

=20+2×21.5/1.55=47.7cm

当=1200时，由表4—2查得=0.053。

由表3—13差得缠绕玻璃钢的环向拉伸强度为=300MPa弯曲强度为=150MPa。

按式（4—25）求得

δβ=Nβ/Bt+Mβ/πR2t

即t=Nβ/B[δy]+Mβ/πR2[δm]

取安全系数K=8，则[δy]=300/8=37.5MPa,[δm]=150/8=18.75MPa。

t=0.34×3033/48×37.5+0.053×3033×125/3.14×1252×18.75

=0.57+0.04=0.61cm

7、半椭球形封头壁厚计算

按式（4—28）计算半椭球形封头壁厚

t≥PDM/2[δy]=1.25×250×0.79/2×37.5=0.33cm

式中[δy]=300/8=37.5MPa

M=1/6[2+（D/2H）2]=1/6[2+（250/2×75）2]=0.79

8、设计结果处理

①由轴向应力计算贮罐中壁厚，t=36.9mm;

②由支座剪力计算支座底部壁厚，t=37mm;

③按环向应力验算支座处壁厚，t=6.1mm;

④封头强度计算壁厚，t=3.3mm。

综上计算结果，考虑到缠绕成型的特点，确定：

罐体、封头及支座处壁厚均选用37mm;在支座处设加强圈，其宽度为50cm。

任务二：

设计条件贮罐直径D=3.5m，高H=7m；罐顶为锥形顶盖，锥体母线与水平面夹角θ=20º；罐底为平底，直接安装在基础平面上，罐体内液体密度ρl=1.2t/m3。

贮罐顶均匀雪荷载p=400N/m2，风压W=300N/m2，无地震。

玻璃钢材料的拉伸强度=140Mpa，安全系数K=10。

一.各层材料设计

（1）内表层

内表层也称防腐防渗层，其作用是抵抗介质腐蚀，此层的形成一般有两种方法：

一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）次表层

次表层也称过渡层，其含胶量比内衬层低，约为70%~80%。

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，以免承力的结构呈立即遭到损伤，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：

中间短切纤维。

（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35%~55%。

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：

中间短切纤维。

（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构损伤和外界环境条件引起的老化，同时也是对贮罐外表层的装饰。

这一层的含胶量较高，大约为60%~70%。

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，在包一层聚乙烯薄膜。

2.结构设计

（1）贮罐壁厚计算

罐体沿高度分为7段，先计算罐下1m处壁厚

t=[（P+ρlX）/σ]RK（式2-1）

式中P——荷载引起的罐壁压力。

P=P雪πR2/ΠD=400x3.14x（3.5/2）2/3.14x3.5=35Kg/m=3.5N/cm（式2-2）

t1=（0.35+0.0012x100）x175x10/1400=0.625cm

依次求得

t2=0.7375cm

t3=0.8875cm

t4=1.0375cm

t5=1.225cm

t6=1.3375cm

t7=1.4875cm

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=10.0mm，靠近底部壁厚取t7=15.0mm。

（2）贮罐顶盖厚度设计

锥形顶盖根据强度公式

σmax=PD/2tsinθ（式2-3）

得厚度计算公式为

t≥PD/2[σ]sinθ（式2-4）

=（188+400+300）x3.5/2x140sin200

=32.65mm

（3）储罐地板设计

立式储罐为平形底时，底部拐角半径不小于38mm,底部增厚递减与平底相切，壁增厚的长度与储罐大径的关系见图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平行底储罐拐角加强示意图

罐底为平板，直接安装在平面基础上的沥青砂浆垫层上。

储罐内的液体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，因此，根据规定，地板厚度tbo取20mm,罐壁下部t=25mm时拐角处厚度tb=400mm,加强段L=600mm,过渡段M=200mm,底部拐角半径取60mm。

（4）层合板铺层设计

储罐地板为层压板，对其进行铺层设计。

铺层层数计算公式:

n=A/mf（Kf+cKr）（式2-5）

式中:

n––增强材料铺层层数

mf––增强纤维单位面积质量；kg/m²

kf––增强材料的厚度常数；mm/（kg·m－²）

c——树脂与增强材料的质量比；

A——制品的厚度；mm

Kr——树脂基体的厚度常数。

内表层层数:

m（f）=35g/m²k（f）=0.408k（r）=0.769A=0.5mmc=90/（100-90）=9

层数为:

n=0.5/0.305×（0.408+9×0.769）≈2层

次表层层数:

m（f）=400g/m²k（f）=0.408k（r）=0.769A=2mmc=75/（100-75）＝3

层数为:

n=2.0/0.4（0.408+3×0.769）≈2层

结构层层数:

m（f）=340g/㎡k（f）=0.408k（r）=0.769A=17mmc=50/（100-50）＝1

层数为:

n=17/0.34×（0.408+1×0.769）≈43层

外表层层数:

m（f）=250g/㎡k（f）=0.408k（r）=0.769A=0.5mmc=60/（100-60）=1.5

层数为:

n=0.5/0.25×（0.408+1.5×0.769）≈1层

罐底板总层数:

N=2+2+43+1=48层。

（4）风荷作用下储罐强度设计

储罐设计地区风压W。

＝300Pa,计算风压为

W=0.72×W。

=0.72×300=216Pa（式2-6）

储罐沿高度方向承受的均布载荷为

Pw=0.72W。

D=0.72×300×3.5=756N/m（式2-7）

由风压引起的最大弯矩和剪力为

Mmax=PwH2/2=756x72/2=18522N.m（式2-8）

Qmax=PwH=75.6x7=529.2Kg（式2-9）

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=Mmax/ΠR2[σ]=18522x10/3.14x1752x1400=0.001cm（式2-10）

贮罐自重为

Wr=罐体重+罐底重+罐顶重

=DπHt ρm+π（D/2）2tboρm+[Dπ2/3htminρm+π（D/2）2tminρm]

=350x3.14x700x1.7x0.0012+3.14x（350/2）2x2.0x0.0012+[350x3.14x（2/3）x0.2x350x1.1x0.0012+3.14x（350/2）2x1.1x0.0012]=1569.372+230.79+187.86=1998.022Kg≈199.8KN（式2-11）

贮罐自重引起的抗风弯矩为

Mr=WrD/2=1998.022x175=349654Kg.cm≈34996.5KN.cm（式2-12）

风压引起贮罐的倾覆弯矩为

Mwmax=185220Kg.cm≈1855.2KN.cm（式2-13）

Mr>Mwmax

贮罐不会因风压的而倾覆，故不需要对贮罐进行锚固。

（5）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

灌顶盖厚度11mm