立方玻璃钢储油罐结构设计.docx
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立方玻璃钢储油罐结构设计
南京工程学院
课程设计说明书
课程名称：
复合材料课程设计
题目：
容积为30m3的卧式玻璃钢原油储罐的设计
姓名：
陆勇胜
学号：
学院（系、部）：
材料工程学院
班级：
复合材料与工程142
设计地点：
学工办1号楼创新学院202
2016年12月6日
课程设计任务书
设计题目30m3卧式玻璃钢原油储罐的设计
技术参数：
（1）卧式玻璃钢储罐，容积为30m3
（2）储存原油，常温常压
（3）采用半椭圆形封头设计
设计任务：
1.设计储罐外形与零部件构造
2•设计储罐结构层厚度与铺层数
3•封头与其他零部件的选用与制备
4.产品工艺流程
5.产品受力校核
6.产品质量检验
工作计划与进度安排：
选定设计课题，下达设计任务，教师讲解1天
确定复合材料设计方案1天
复合材料的结构设计与计算
2天
原材料及成型工艺选择
1天
编写设计说明书
4天
教师审查和考核
1天
合计
10天
1•前言1
1.1选题意义1
1.2研究现状1
1.3本课题研究的内容2
2选型设计2
2.1储罐构造尺寸的确定2
2.2封头的选择2
2.3支座及间距3
2.4零部件3
3性能设计3
3.1树脂的类型及性能4
3.2玻璃纤维选用及性能5
3.3小结6
4•结构设计6
4.1储罐尺寸的确定6
4.2鞍座位置确定6
4.3支座反力与轴向，周向应力的计算6
4.4缠绕成型筒体的厚度及层数计算7
4.5筒体载荷强度校核9
4.6封头强度层厚度的确定与校核9
5.工艺设计10
5.1筒身设计10
5.2封头的制造工艺及模具制造方法12
6.零部件设计13
6.1储罐的开孔与补强13
6.2排气孔13
6.3储罐进出口和人孔设计13
6.4排液管16
6.5支座设计16
7.安装设计16
7.1卧式储罐的安装16
7.2修补裂缝施工方法分类17
7.3小结18
8.制品检验18
8.1尺寸公差18
8.2外观检测18
8.3满载试验18
8.4质量控制检验19
8.5表面固化试验19
8.6检验19
9.参考文献19
1.前言
1.1选题意义：
玻璃钢贮罐是玻璃钢制品中应用非常广泛的一种，主要是采用微电脑控制的缠绕工艺制成。
与传统的金属、钢筋混凝土相比，它有如下特点：
耐腐蚀性能好；强度高、自重轻；隔热保温效果好；成型容易；安装、运输方便等等。
目前对于玻璃钢贮罐的设计主要分卧式和立式。
目前我国在玻璃钢贮罐方面的设计和检测标准已经比较健全，如国家石油和化学工业局发布的《HG-T20696-1999玻璃钢化工设备设计规定》，我国工业和信息化部发布的建筑行业标准《JCT587-2012玻璃纤维缠绕增强热固性树脂耐腐蚀立式贮罐》，《JCT718-2012玻璃纤维缠绕增强热固性树脂耐腐蚀卧式贮罐》。
但是对于特定的贮罐，如何对其进行结构计算和受力分析，对此进行细致深入的研究很少。
1.2研究现状：
卧式玻璃纤维增强塑料储罐主要用作化工化工储罐、运输罐车、反应釜、喷雾洗涤剂器等。
与立式贮罐相比，卧式储罐的容积较小，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提高贮罐的物理化学性能，以适应不同介质和工作条件的需要。
玻璃钢贮罐具有一系列的优点，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。
我国玻璃钢贮罐发展十分迅速，已经颁布了纤维增强塑料的标准，规定了贮罐用的原材料、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的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。
1.3本课题研究的内容：
本课题研究一种容积为30m3卧式玻璃钢原油储罐，储存介质为原油（20°C,
O.IMPa）密度为810kg/m3,工作温度为20°C，所受的内压力为6.9KPa
2选型设计
图2.1
2.1储罐构造尺寸的确定：
玻璃钢贮罐按形式分类可分为立式贮罐、卧式贮罐等。
100m3以上为大型贮
罐，多为立式贮罐；100m3以下的为小型贮罐，多为卧式贮罐。
本次设计的储罐要求容积为30m3,所以选择卧式储罐。
本次设计的直径D=2800mm,高度，桶体长度4000mm，圭寸头内壁高度700mm
储罐尺寸的确定：
取储油罐内径2800mm,储罐容积V计算公式为：
22
V_DL-DH
43f
式中L-储罐两封头切线间筒体的长度；
H—封头内壁面咼度。
选用标准椭圆形封头，则H=0.25D=700mm，故
取L=4000mm
2.2封头的选择：
卧式圆桶形的封头一般采用凸形封头，常用的封头有半球形，半椭圆形封头
和蝶形封头
（1）半球形封头：
受力最佳与筒体平滑过渡，局部附加应力小。
但是由于这样的封头深度大，手糊成型不方便，脱模比较困难，所以很少选用。
（2）半椭圆形封头：
其是由半个椭圆球壳和一段高度为H的圆桶
形部分构成。
由于半椭圆封头曲线曲率半径变化是连续的，所以封头中应力分布比较均匀，受力仅次于半球形分头，加工也比较方便。
（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的过度部分组成。
应力分布不如椭圆形分布均匀，缓和。
小结：
综上分析，选择半椭圆形封头，因为其加工简单，且受力条件好，依据本课题要求，满足使用条件。
（H=0.25D=700mm）
2.3支座及间距：
为充分利用封头的加强作用，使A切.5R,取A=660mm。
取鞍座的包角150°,采用双鞍座，鞍座间距L-2A=2680mm，小于公称直径的1.5倍，因此可以采用双鞍座。
2.4零部件：
（1）进水孔、出水孔、人孔、页面计口备用口安装标准按HG21504.1-92《玻璃钢储槽标准系列》
（2）所需法兰按HG/T21633-1991选用
3性能设计
要求：
常温常压下储存原油玻璃钢储罐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。
（1）内衬层：
主要起防腐、防渗作用。
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，要求胶量达90%左右，其厚度为0.25~0.5mm。
2）次表层：
主要是防止介质渗漏结构层承受载荷引起的各种应力，其含胶量
比内表层低，通常有短切纤维制成的短切毡铺成。
（3）结构层：
贮罐的所有载荷靠该层次来承受。
通常由连续纤维缠绕成型，玻璃钢储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：
其作用用于美观，防止自然老化和机械损伤。
3.1树脂的类型及性能：
表1不饱和聚酯性能对比
树脂基体
代号
产品性能
适用产所
邻苯型
OP
这是一种较经济的树脂类型，长期使用温
常用于一般的腐蚀
度-50C〜60C,最高可达100C，可耐大
环境，海水腐蚀、
气、弱酸、海水腐蚀，具有一般的耐腐蚀
弱酸腐蚀及大气老
性能
化腐蚀
间苯型
IP
长期使用温度-50T〜90C,最高达
常用于酸性腐蚀较
105C,可耐中等浓度无酸、碱、盐等环境，
强或碱性腐蚀一般
具有优异的耐腐蚀性能
的环境
乙烯基型
VE
长期使用温度-50r〜110C，可耐酸、碱、
常用于酸、碱、盐
盐溶剂或酸碱交替等恶劣的腐蚀环境，具
溶剂等腐蚀严重的
有优异的耐腐蚀性能
环境
阻燃型
FI
长期使用温度-50r〜110C，可耐酸、碱、
常用于有阻燃要求
盐溶剂或酸碱交替等恶劣的腐蚀环境，具
的使用环境
有优异的耐腐蚀性能，其阻燃性能高于一
般树脂
双酚A型
BPA
是一种食品级树脂，长期使用温度-50r〜
常用于耐腐蚀层，
80r，逐渐被乙烯基取代，具有优良的耐
温度较低环境
腐蚀性能
3.2玻璃纤维选用及性能
工程上通常选用玻璃纤维、凯夫拉纤维或者碳纤维作为增强材料。
对于硼纤维，由于它的刚度大和直径粗，弯曲半径大，成型困难，所以应用范围收到很大的限制。
所以，在生产中一般以玻璃纤维为主。
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、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：
（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。
（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2无碱玻纤与中碱玻纤性能对比
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
一般
好
高
较好
好
较咼
好
高强度场合
纤
中碱玻
好
差
较低
较差
低
低
差
低强度场合
纤
3.3小结:
材料
内表层
乙烯基型树脂VER-2/4602
短切纤维原丝毡（0.2kg/m2）
次内层
乙烯基型树脂VER-2/4602
短切纤维原丝毡（0.2kg/m2）
结构层
间苯型树脂9494
无捻粗纱方格布（0.8kg/m2）
外表层
间苯型树脂9406S
表面薄毡
4.结构设计
4.1储罐尺寸的确定：
取储油罐内径2800mm,储罐容积V计算公式为：
V—D2L-D2H
4U3u
式中L-储罐两封头切线间筒体的长度；
H—封头内壁面咼度。
选用标准椭圆形封头，则H=0.25D=700mm，故
取L=4000mm
4.2鞍座位置确定
为充分利用封头的加强作用，使AO.5R,A=660mm，取鞍座包角150°,采用双鞍座。
4.3支座反力与轴向，周向应力的计算
在工程中储罐自重所占的比例仅为介质的5%~10%,储罐容积越大，其比例越小。
所以取储罐自重为介质质量的8%,于是总载荷为：
=1.08nx2.82x810x9.8x（1+0.233）
=2.60x105N
支座反力：
F=W/2=1.3x105N
求筒体的最大轴的弯矩鞍座截面处，按式:
⑷97.45N
跨中截面处，按式:
4x0.66
4
51
1.3x10x4
4
21.420.72
42
乜8973.65N
可知最大弯矩在跨中处
计算筒体承受的最大单位载荷N
计算筒体周向单位载荷:
4.4缠绕成型筒体的厚度及层数计算
筒体内衬层外成型短切毡2层（规格为200g/m2），然后采用单螺旋缠绕成型，缠绕角为5。
。
在进行强度计算时，不考虑内衬层的强度。
取总安全系数为
确定许用应变，短切毡单层的许用应变为:
连续纤维缠绕单层的许用应变为:
所以层和结构的许用应变为:
确定单层的设计许用单位载荷每层短切毡（0.2kg/m2）单层
nkg/m2
每层纤维（1Kg/m2）单层，
确定螺旋缠绕的纤维量设单螺旋缠绕（i55°）的纤维用量为
周向:
所以选取螺旋纤维缠绕用量3.0kg/m2
4/11mf\_
根据ti（256而；）mof计算各层壁厚
式中mf——纤维的质量含量;
Y-----树脂的相对密度；
t内衬层=0.5mm（为.5mm）
t次内层=2mm（^2mm）
t外层=3mm
t总=13.5mm
每层单位载荷2N/mm，设层数为n
2n>11.15,n=5.575，所以n=6层
4.5筒体载荷强度校核
式中Eu---层和结构的单位弹性模量，N/mm
Eui---各单层组的单位弹性模量，N/（mm.kg.m-2玻璃纤维）
f----安全系数，通常f=4
t----层和强度层的厚度，mm
Ri---筒内半径，mm
ni------i单层组的单层数
Mi---i单层增强材料的单位面积质量kg/m238.4N/mm>11.15N/mm
所以符合要求。
4.6封头强度层厚度的确定与校核:
图4-1
封头采用手糊成型的方式内衬层外成型，选用延伸率较大的乙烯基酯树脂做基体，采用1-内衬层，2-短切纤维原丝毡（0.45kg/m2），3-短切纤维原丝毡
（0.3kg/m2）,4-无捻粗纱方格布（0.8kg/m2）5-表面薄毡
H/D=0.25，设封头的厚度也为13.5mm,t/D=0.005
由表查的Ks=1.4520.8x0.8n18.2x0.4（5n-1）18.2x（1.20.3）14恒成立
说明该铺层强度达到要求
5.工艺设计
5.1筒身设计：
筒身采用缠绕成型的工艺，缠绕结构层设备位号为“2V-707”
（1）强度高：
纤维比强度是钛合金的3倍，钢的4倍。
玻璃纤维缠绕压力容器比一般同体积的钢制容器，质量轻40%-60%。
（2）可靠性强：
缠绕成型很好的解决了韧性与强度的矛盾（金属的韧性随强度提高而降低）
（3）生产效率高：
缠绕制品质量高而稳定，可以采用机械化或自动化生产，需要操作工人少，缠绕速度快，生产效率高，适用大批量的生产。
（4）缠绕适应性小，不能缠绕任意结构形式的制品
（5）缠绕设备投资大，只适合大批量生产
图5-1
（1）缠绕角度的设定，会影响玻璃钢贮罐不同方向上的性能差异。
本文设定的缠绕角为55°。
（2）玻璃纤维在使用前，一般都需要烘干处理，因为玻璃纤维往往含有一定水分，而这些水分的存在给玻璃钢制品的性能带来很多不利影响，如极易引起材料腐蚀，从而导致微裂纹进一步扩张不利于树脂与玻璃纤维的粘结，从而导致玻璃钢制品强度和耐蚀性下降。
一般要求无捻粗纱在60〜80C烘干24小时。
（3）玻纤浸胶含量分布在玻璃钢卧式贮罐的加工制造过程中，玻纤含胶量的控制非常的重要，它直接影响着玻璃钢贮罐的性能。
含量过高或过低都会带来不利影响，如过高，会造成玻璃钢贮罐材料复合强度降低；过低带来的不良影响也会很多，如纤维的孔隙率增加，气密性变差，抗老化性能降低，同时还会影响纤维强度的发挥，降低材料的剪切强度。
如果贮罐玻璃钢材料含胶量不均匀，自然会造成材料强度不均，降低产品使用寿命。
因此，玻纤含胶量必须严格控制，要求结构层含胶量在25%〜30%。
（4）缠绕张力张力的控制在长纤维缠绕过程中是非常重要的环节。
张力不匀或者张力过大、过小均会影响产品性能。
在工艺设计过程中，若缠绕张力设置得过大，会导致纤维更易磨损，从而降低产品强度。
相反，如果缠绕张力设计的过小，装满液体介质后，内衬的变形会比较大，导致贮罐的疲劳性能降低。
除此之外，缠绕张力对玻璃钢贮罐的含胶量也会产生很大影响。
为了玻璃钢贮罐应力均匀，使内外层的纤维能同时承载，可以在缠绕时可以逐渐降低张力的大小，这样，内外层纤维的初始应力就会相同。
（5）纱片宽度的变化会造成纱片间隙，它的形成，容易使树脂在此处产生堆积，成为富树脂区，这就形成了结构上的薄弱环节，使贮罐的整体性和强度受到影响。
（6）.纱线速度也就是缠绕速度，在作工艺设计时，要将其控制在一定范围内。
在加工时，速度一定要注意保持均匀。
速度过低或过慢都不好，纱线速度过低，导致生产率低，产品成型慢，成本增高；速度过大，则会使缠绕过程不稳定，易产生颠簸振动，从而导致贮罐材质不匀，性能下降。
一般将纱线速度控制在0.85m/s左右。
（7）固化制度常温固化和加热固化是玻璃钢固化时常用的两种方法，其中常温固化，化学反应慢，周期长，而加热固化，由于加热温度的提高，反应速度加快，能提高生产效率，有效缩短生产周期[36]。
所以本设计采用加热固化。
这一工艺需要设计的工艺参数有加热温度，加热速度，保温温度及保温时间。
升温速度一般控制在0.5°C/min〜1°C/min之间，本设计选用1°C/min。
这一工序中还应注意的问题是，要控制玻璃钢的冷却速度，防止速度过快导致玻璃钢材料内部应力过大，最终发生破裂。
8）环境温度在贮罐制备过程中，环境温度不可以过低，否则会导致某些固化剂的低温析出，树脂的粘度升高，从而使纤维浸渍不充分。
所以要保证缠绕过程的浸渍效果，必须将环境温度控制在一定的范围内，本文产品制造过程中要求环境温度控制在15C〜25C。
5.2封头的制造工艺及模具制造方法：
（1）生产场地：
手糊成型的工作场地的大小，要根据产品大小和日产量决定，场地要求清洁、干燥、通风良好，空气温度大约在15C〜25C之间，后加工整
修段需设有抽风除尘和喷水装置。
（2）模具准备：
准备工作包括清理、组装及涂脱模剂等。
（3）树脂胶液配制：
防止胶液中混入气泡
配胶量不能过多，每次要保证在树脂凝胶前用完。
（4）糊制与固化铺层糊制：
用预浸布为原料，先将铺层加热软化，然后一层一层地紧贴在模具上，并注意排除层间气泡，使密实。
（5）手糊工具：
手糊工具对保证产品质量影响很大。
有羊毛辊、猪鬃辊、螺旋辊及电锯、电钻、打磨抛光机等。
（6）固化：
制品固化分硬化和熟化两个阶段：
从凝胶到三角化一般要24h,此
时固化度达50%-70%（巴克尔硬性度为15），可以脱模，脱后在自然环境条件下固化1-2周才能使制品具有力学强度，称熟化，其固化度达85%以上。
加热可促进熟化过程。
（7）脱模和修整脱模：
脱模包括顶出脱模、压力脱模、手工脱模、大型制品脱
模等
本课程采用压力脱模：
磨具上留有压缩空气或水入口，脱模时将压缩空气或水
（0.2MPa）压入模具和制品之间，同时用木锤和橡胶锤敲打，使制品和模具分离。
8）修整：
切去多余部分或穿孔修补，破孔补强等。
图5-2半椭圆形封头模具
图5-3
（1）封头模具为了节省成本可以采用水泥制造。
（2）封头模具制造完成需用蜡封住气孔
（3）阳膜制造如图5.1和5.2所示
6.零部件设计
零部件是储罐必不可少的部分。
它主要涉及储罐的开孔、补强、人孔、进出管设计、支座设计等
6.1储罐的开孔与补强：
贮罐壳体加工完成后，还需要在玻璃钢贮罐上开设各种孔，主要的用途是成型接管、安装其他零部件和维修检测方便。
这些孔一般通过机械切割的方法加工形成，而切割后的贮罐的纤维连续性被破坏，从而贮罐强度会相应减弱。
另外壳体和接管的材料不是连续衔接，两者的变形不一致，这样会在开孔和接管处产生很大的内应力，出现应力集中现象。
因此开孔处需加大接管壁厚或壳体厚度，从而提高贮罐强度，避免产生应力集中的现象。
实际生产中，在玻璃钢贮罐上开孔后要进行局部补强，也就是增加开孔处周围一定区域内的壳体厚度，补强的面积大小国家标准中规定，即局部补强的面积要大于等于开孔面积。
6.2排气孔：
各种顶端封闭的直接排到大气的常压储罐，必须开设能自由排气道大气中的排气孔。
最小气孔尺寸应该满足控制所有的联合入口或排出口的排气量，使封闭储罐不产生正压或负压。
6.3储罐进出口和人孔设计：
无塑料衬里的伸入式支管连接
无塑料衬里的平接支管连接
表3手糊成型法兰接管尺寸
接管内径
最小壁厚
法兰最小厚度
轮壳最小厚度
轮壳最小长度
db/mm
tn/mm
th/mm
th/mm
h/mm
25
5
13
6
51
38
5
13
6
51
51
5
13
6
51
76
5
13
6
51
102
5
13
6
51
152
5
13
6
51
203
5
14
8
57
254
5
17
10
70
305
5
19
10
76
356
6
21
11
83
406
6
22
11
89
457
6
24
13
95
508
6
25
13
102
610
6
29
14
114
表4典型人孔尺寸
壳体侧面人孔（大气压）
顶部人孔（大气压）
人孔
法兰
法兰
螺孔
螺孔
人孔
法兰
法兰
螺孔
螺孔
直径
及盖
及盖
分布
直径
直径
及盖
及盖
分布
直径
db/m
子直
子厚
园直
/mm
db/m
子直
子厚
园直
/mm
m
径
度
径
m
径
度
径
/mm
/mm
/mm
/mm
/mm
/mm
457
635
25
578
19
457
635
10
578
13
508
699
25
635
22
508
699
10
635
13
559
762
25
686
25
559
72
10
686
13
610
813
29
749
25
610
813
10
749
13
进出口管一般采用法兰的短接官，其规格与子管相同，接管长度一般不小于180-100mm。
壳体与进出口的链接部位，要求其兼顾耐用，不渗漏。
建议在管口处设置3-4个角撑板以提高接管强度。
管口与壳体的链接壳采用带塑料衬里的深入式支管结构。
手糊成型的法兰接管尺寸（图4）和表3所示。
有时进口管插入壳体50-80mm，除了起到增强作用外，并能避免腐蚀液体进入壳体内沿着壳壁流淌。
手孔和人孔是为了检验设备内部空间，对设备内部进行清洗、安装及拆卸内部结构而设置的。
手孔常用短接管加以盲板设计的。
手孔的直径应使工人带上手套并握有工具时能方便地通过，故手孔直径不宜小于150mm,常用的手孔公称直径有DN150和DN250。
直径大于900mm的储罐应开设人孔，以便检修时工作人员能进入设备内部，及时发现内表面的腐蚀、磨损或裂纹，并进行修补。
常用的人孔形式为圆形，人孔构造处理应按照大型接管一样处理。
人孔盖可以是平的，带有手柄；但是也可以是盘形的。
人孔一般应设置角撑板。
人孔的直径一般为150-600mm,颈高
100-150mm。
人孔尺寸（表4），深度大于3m的应考虑两个人孔，一个在顶部，一个紧靠罐基础上部以有利于进出
6.4排液管
贮罐的排
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