復(fù)合材料管道設(shè)計

1、精選文庫 WU11AN TEXTILE UNIVERSITY 課程設(shè)計實驗報告 課題題目：纖維纏繞式復(fù)合管道的設(shè)計工藝與性能測試 課程設(shè)計的目的 課題的設(shè)計過程 實驗過程 結(jié)果與討論 實驗結(jié)論及改進 七體會 課程設(shè)計的目的 1. 了解纏繞法制備玻璃鋼管道的工藝流程。 2.知道玻璃鋼管道的一些參數(shù)以及主要用途和優(yōu)缺點。 課題背景 管道是現(xiàn)代工業(yè)中流體（氣體或液體）輸送的重要材料，傳統(tǒng)的管道有鋼管、混凝土 管和鑄鐵管，但由于其易銹蝕、質(zhì)量大，已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的需要，又由于玻璃鋼的諸 多優(yōu)勢，使得玻璃鋼管道（簡稱 FRP管）應(yīng)運而生本次實驗是采用 纏繞的方法制備玻璃 鋼管玻璃鋼管道玻璃鋼管道簡稱

2、FRP管道。具有耐久性好、摩擦阻力小，輸運能力高, 安裝方便、耐化學(xué)腐蝕性強、使用壽命長等優(yōu)點，可降低管道因維護、更換停產(chǎn)帶來的損 失，主要應(yīng)用在石油、電力、化工、造紙、制革、冶金、城市給排水、廢水處理及農(nóng)業(yè)灌 溉等。本次實驗采用纖維纏繞的方法，以玻璃纖維為原料，pvb的乙醇溶液作為膠黏劑, 制作玻璃鋼管。和一般的金屬材質(zhì)的管道相比，玻璃鋼管道有如下特性: （一） 耐腐蝕性。 FRP管道能夠抵抗酸、堿、鹽、海水、未經(jīng)處理的污水、腐蝕性土壤或地下水及眾多 化學(xué)流體的腐蝕。 （二）耐熱抗凍性好。 FRP管的溫度使用范圍一般在-40C 80C之間，若先用特殊樹脂其使用溫度可達到更 咼。 （二）輕質(zhì)咼

3、強，運輸安裝方便。 FRP管道的比重為1.71.9,與同壓力、同管徑的其他材質(zhì)管道比較， FRP管道單位 長度、重量約等于鋼管的30%，因此運輸安裝十分方便，F(xiàn)RP管道每根長度可達12m, 安裝快速簡便。另外可免除安裝鋼管所需的焊接和防銹、防腐處理等工序。 （四）摩擦阻力小，輸送能力高。 FRP管道內(nèi)表面非常光滑，糙率系數(shù)小，水利系數(shù)可長期保持在145150范圍內(nèi)， 經(jīng)測試得到其水流摩阻損失系數(shù)為 0.000915,能顯著減少沿程的流體壓力損失，提高輸 送能力20%以上。 （五）不生銹。 由于玻璃鋼管是由非金屬材料樹脂及玻璃纖維復(fù)合而成，所以，它們不論在使用過程 還是在閑置過程中，均不會生銹，

4、因而也就無需進行防銹、除銹處理。 （六）可設(shè)計性強。 根據(jù)具體使用情況，可對纏繞玻璃鋼管的具體性能及形狀進行設(shè)計：1可對纏繞時的 纏繞角進行設(shè)計，以便管具有不同的縱/環(huán)向強度分配；2可對管壁厚進行設(shè)計，以便管可 以承受不同的內(nèi)外壓；3可對材料進行設(shè)計，以達到不同的耐腐蝕目的、阻燃目的、介電 目的等；4可對授頭方式進行設(shè)計，適用不同的安裝條件，以提高工程安裝速度。 （七）可修復(fù)性強、維護方便。 纏繞玻璃鋼管罐不生銹、不結(jié)垢、耐腐蝕性能好，一般情況下無需維護；即使需要維 護，由于其重量輕，可維修性強，所以，維修起來也是十分方便的。 課題設(shè)計過程 根據(jù)使用壓力可分為高壓管（530MPa）、中壓管（1

5、.64 MPa）和低壓管（0.14 MPa） 三種；按制造方法可分為手糊玻璃鋼管、預(yù)浸布卷玻璃鋼管、纏繞玻璃鋼管、離心澆注玻 璃鋼管等；根據(jù)管道的鋪設(shè)方法，可分為架空鋪設(shè)、埋地鋪設(shè)、地面鋪設(shè)三種。除此以外, 還有其他的分類方法。 地面鋪設(shè)是將管道的地面鋪設(shè)到底表面高度的管機上，這種鋪設(shè)方法適用于森林、高 山或地下水高的地區(qū)。地面鋪設(shè)管道常用于農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)給水等。 本設(shè)計書包括對玻璃鋼管道的造型設(shè)計、性能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計及性能檢驗。 （一）造型設(shè)計 本次試驗打算制作直型玻璃鋼管道，直線型造型簡單，易于設(shè)計工藝參數(shù)和制造 （二）性能設(shè)計 性能設(shè)計就是合理地對材料進行選擇、組合，選用原材料

6、時應(yīng)考慮輸送介質(zhì)及濃度、 使用壓力、使用溫度以及外界環(huán)境因素等工藝條件。 1原材料的選擇 管道的原材料包括：基體材料（樹脂體系）、增強材料（玻璃纖維）、輔助材料（引發(fā)劑、 促進劑等）。 材料設(shè)計的原則如下：工藝性所選材料體系應(yīng)適合擬采用的工藝成型方法；可靠性 對所選材料體系有把握，盡可能選用已定型的、成批量生產(chǎn)的、質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品；適用性 材料的機械性能滿足結(jié)構(gòu)的強度和剛度要求，材料的耐環(huán)境性能要保證結(jié)構(gòu)在使用環(huán)境下 能正常工作；經(jīng)濟性在滿足結(jié)構(gòu)使用性能要求的前提下，盡可能地降低成本。 （1）基體材料選擇 樹脂是玻璃鋼管道的基體材料，其作用是傳遞載荷，并使載荷平衡，基體材料的性能, 如耐腐蝕、耐

7、熱性等，直接決定玻璃鋼管道的性能。常用的樹脂包括：不飽和聚酯樹脂、 環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂三大類，其中以不飽和聚酯樹脂使用最為廣泛。 不飽和聚酯樹脂相對密度在1.111.20左右，固化時體積收縮率較大。其性能特點有: 耐熱性：大多數(shù)不飽和聚酯樹脂熱變形溫度在5060C； 力學(xué)性能：不飽和聚酯樹脂具有較高的拉伸、彎曲、壓縮等強度; 耐化學(xué)腐蝕性：不飽和聚酯樹脂稀酸、稀堿性能較好 。 環(huán)氧樹脂的特性有: 收縮性低：和不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂相比，在固化過程中顯示出很低的收縮 性（小于2%）; 力學(xué)性能：固化后環(huán)氧樹脂體系具有優(yōu)良的力學(xué)性能; 化學(xué)穩(wěn)定性：通常情況下固化后的環(huán)氧樹脂體系具有耐堿性、耐酸性

8、和耐溶劑性。 綜合考慮以上因素，選擇不飽和聚酯樹脂作為基體材料。 (2) 增強材料選擇 作為增強材料的玻璃纖維及其織物是玻璃鋼主要的承載組分材料，對玻璃鋼管道的 強度和剛度有著直接的影響。常用的纏繞用增強材料包括：各種無捻粗紗、表面氈、針織 氈、短切氈、方格布等。 玻璃纖維紗應(yīng)具有以下特點：耐化學(xué)腐蝕性；工藝性與所用樹脂有良好的相容性; 可靠性線密度要有保證，懸垂性要小等。 (三)結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是對管道進行強度、剛度、穩(wěn)定性等方畫的設(shè)計與計算，包括管道的結(jié) 構(gòu)層的壁厚、鋪層方式、管接頭的形式等 。一般設(shè)計可分為以下幾個階段 ：分析管道 的技術(shù)條件和工作條件，提出計算要求；根據(jù)技術(shù)條件進

9、行荷載分解，然后組一合校核; 進行管道設(shè)計計算；進行管道剛度及穩(wěn)定性設(shè)計計算；進行管件連接設(shè)計。 1玻璃鋼管受力分析 輸氣管工作壓力只有均勻內(nèi)壓，工作壓力在管截面上的分布如下圖所示: 圖4.1玻璃鋼管道壓力分布 2管壁厚計算及校核 (1)按環(huán)向強度計算管壁厚度 查表取環(huán)向拉伸強度270MPa則環(huán)向許用應(yīng)力 y 27027M Pa 10 (4.1) 再由公式 t PwD 2 oy - Pw 1.2 250 匸 r 5.7mm 270 2 1.2 10 (4.2) 初選玻璃鋼管壁厚為5.7mm。 (2)校核軸向強度 由表查得玻璃鋼管軸向拉伸強度為 85160MPa取100MPa。又由安全系數(shù)為10

10、得許 100 x 用應(yīng)力10 lOMPa Pw(D t) x 4t，將其變換為 PwD t 4 x Pw (4.3) t 帶入數(shù)值得出 1.2 250 4 10 1.2 7.5mm 按軸向允許應(yīng)力求得玻璃鋼管壁厚度為7.5m m,大于按環(huán)形應(yīng)力求得的壁厚，故管的 厚度應(yīng)取7.5mm方可靠。 3剛度校核 體, 當(dāng)管壁厚度為7.5時，按簡支梁受均勻載荷計算，按式求其最大撓度。因為管輸送氣 所以介質(zhì)密度為零。則管上的均勻載荷等于玻璃鋼管自重，玻璃鋼管的密度為1.8t/m3) -D 2t 2 D2 m (4.4) 4 帶入數(shù)值得 11N/m3 n223 q -(0.25 0.0150)20.252 1

11、.8 103 4 玻璃鋼管截面慣性矩10由下式求出： n 44 I0 = n(D d) n44 -(0.265040.254) 8.05269 10 (4.5) qL4 384Exl0 (4.6) 11 3.64 104 m 6.6388 384 0.9 10108.05269 10 410 7m 6.5mm 滿足剛度條件?？紤]到玻璃鋼管在運輸、制造和使用中的復(fù)雜情況，壁厚應(yīng)比計算值 稍大，本次實驗預(yù)設(shè)管壁厚度為10mm (四)工藝設(shè)計 玻璃鋼管得制造方法很多。成熟的制造方法有手糊成型法、預(yù)浸布卷管成型法、纖維 纏繞成型法、拉擠纏繞成型法、PVC-玻璃鋼復(fù)合成型法和離心澆注成型法等。 根據(jù)管道

12、的壓力和運行情況，采用纏繞成型制管工藝。纖維纏繞制管工藝是將連續(xù)玻 璃纖維，浸漬樹脂膠液后，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)固化、脫模、獲得管材7。 1纖維纏繞制管所用設(shè)備 纖維纏繞成型用的模具一般為鋼模，也可以用玻璃鋼材料制模。管徑在800以下的芯 模采用整體式鋼模，管徑在800以下的采用開縮式模具。為減少模具裝卸時間，大型纏繞 機常采用組合模具。即4根或6根芯模同裝在一個大轉(zhuǎn)鼓上，隨轉(zhuǎn)鼓公轉(zhuǎn)或自傳。 2纖維纏繞制管工藝 (1)纖維纏繞制管的優(yōu)點 a能按管的受力狀況設(shè)計纏繞規(guī)律，滿足環(huán)向和軸向受力要求，充分發(fā)揮纖維強度。 b可靠性高 纏繞制管采用纏繞機生產(chǎn)，易實現(xiàn)自動化和機械化。工藝條件確定

13、后, 纏出來的管材尺寸精確，質(zhì)量穩(wěn)定。 c生產(chǎn)效率高 采用機械化或自動化纏繞機生產(chǎn)管，纏繞速度快，需要工人少，勞動 生產(chǎn)率高。 d比強度高 纏繞制管結(jié)構(gòu)層得纖維含量可達 80%。其比強度不僅高于鋼和鈦，而且 高于手糊和卷制玻璃鋼。 e成本低 纏繞制管可合理配置內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層和外保護層材料。能降低材料成本。 同時由于生產(chǎn)率高，還能降低加工費用。故可使纏繞管達到最佳的經(jīng)濟效益。 (2)具體生產(chǎn)過程: a膠液配制：在生產(chǎn)過程中，當(dāng)配方確定之后，配制環(huán)節(jié)應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)，從管理角度來 說，此環(huán)節(jié)出錯將導(dǎo)致產(chǎn)品的徹底失敗，因此應(yīng)加強此環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，不能配錯，攪拌 要均勻; b浸膠：要控制紗線均勻展開，均勻浸

14、漬，要控制浸漬量的多少，一般浸膠方式采用 擦膠，不提倡完全浸漬，樹脂含量過多會造成不必要的浪費，還會影響強度的發(fā)揮，但是 樹脂過少又會產(chǎn)生白紗現(xiàn)象，嚴(yán)重影響性能。因此，浸膠應(yīng)合理； c工藝控制：展紗必須均勻，盡可能地減少滑線，控制紗線張力，控制展紗寬度，盡 可能地控制紗線既要展開，又要不產(chǎn)生縫隙，展紗寬度要與纏繞的前進量相協(xié)調(diào)，纏繞切 線不宜過多造成過多的孔隙，也不宜過少造成局部架空嚴(yán)重; d固化：樹脂必須達到一定的固化程度，否則將嚴(yán)重降低產(chǎn)品性能。因此必須掌握 樹脂的工藝性能并根據(jù)產(chǎn)品的性能要求制定合理的工藝制度。在整個產(chǎn)品制造過程中，玻 璃纖維并沒有發(fā)生物理化學(xué)變化，發(fā)生變化的是樹脂，樹脂

15、在固化過程中，由粘度較低的 液態(tài)，轉(zhuǎn)化為粘度較高的粘流態(tài)，隨著粘度的加大逐步膠凝，固化成固態(tài)。樹脂的固化過 程需要一定的條件，如化學(xué)條件為加入一定的固化劑，加入固化劑后的樹脂有的還有適用 期，有試用期要求的樹脂，根據(jù)其工藝特點要掌握配膠量，避免樹脂迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 物理條件為加熱促進固化，要根據(jù)樹脂的反應(yīng)特征峰值，選擇加熱周期，大多數(shù)樹脂在固 化過程中還要釋放出一定量的熱量和氣體，固化后體積還有一定量的收縮，只有掌握了這 些變化規(guī)律，才能制定出合理的工藝制度和固化制度，進而制造出質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。 (五)管道性能試驗及檢驗 玻璃鋼管道通常工程量大、投資大，制品的性能將在一定范圍內(nèi)直接影響國計民

16、生, 因而對制品的要求更加嚴(yán)格，對產(chǎn)品性能檢測也就成為必不可少的重要環(huán)節(jié)佝。 1玻璃鋼管軸向拉伸試驗 玻璃鋼軸向拉伸性能試驗方法是將試樣安裝在上、下夾持裝置上，然后將夾持裝置放 置在試驗機的兩夾頭中間，使試樣受軸向拉伸，荷載逐漸增加，直至破壞。根據(jù)測量的破 壞載荷(或最大載荷)及試樣的變形值計算管軸向拉伸強度、拉伸模量和破壞伸長率。 2玻璃鋼軸向壓縮試驗 玻璃鋼軸向壓縮性能試驗方法是將試樣放在試樣機兩壓頭中心，使試樣受軸線方向的 壓縮載荷作用。根據(jù)測量所得的壓縮載荷及試樣的變形值計算其壓縮強度和壓縮彈性模 量。 3玻璃鋼平行板外載試驗 玻璃鋼平行板外載試驗方法是把管試樣平放在兩平行加載板中間，

17、在試驗機上對管試 樣施加徑向載荷作用。根據(jù)測量的荷載及變形，計算管試樣的剛度、剛度因子、載荷-變形 曲線以及出現(xiàn)顯著性事件的載荷和變形。 4玻璃鋼管短時水壓失效壓力試驗 玻璃鋼短時水壓失效壓力試驗是用壓力泵，以一定的加壓時間將清水打入兩端密封的 管試樣里，均勻、連續(xù)加壓，直到試樣失效。失效包括以下內(nèi)容: (1)主要失效形式為爆破即瞬時或快速泄壓現(xiàn)象。 (2)在打壓過程中，管體出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象?？捎^察管壁漏水現(xiàn)象和引起均勻連續(xù)加壓過程 中斷的降壓現(xiàn)象。但密封部位漏水或試樣破壞在密封段內(nèi)等現(xiàn)象不為失效。 5玻璃鋼管外觀質(zhì)量檢驗 玻璃鋼外觀質(zhì)量檢驗包括對管的外觀、尺寸、硬度、玻璃纖維含量等的檢驗。 外觀

18、檢驗：方法為目視檢驗，可以容許有一定的缺陷。 (2)尺寸檢驗：包括對管的厚度、平均內(nèi)經(jīng)檢驗。 (3) 巴柯爾硬度檢測：測定部位必須在離開試樣邊緣 3mm以上進行；每個測點間隔必 須在3mm以上。測定避開做硬度試驗以外的地方。 （4）玻璃纖維含量檢測：把坩堝放在625C左右的電馬弗爐里干燥至恒重， 在干燥器里 冷卻；正確稱量坩堝質(zhì)量（mi）及把試件放入坩堝時的質(zhì)量（m2）；用再生燈加熱放入試件的坩 堝。利用試件持續(xù)燃燒的溫度加熱，燃燒停止時，移到干燥器里冷卻30mi n,把加熱后的 質(zhì)量（m3）準(zhǔn)確稱至lmg,計算出每個試樣的玻璃纖維含量，求出平均值。 （六）小結(jié) 本課程設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計內(nèi)徑為2

19、50mm,工作壓力為1.2MPa,輸送介質(zhì)為Cb氣體的 底面鋪設(shè)管道。可分為造型設(shè)計、性能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計和質(zhì)量檢驗等幾部分。 1. 造型設(shè)計 地面鋪設(shè)管道是將管道的底面鋪設(shè)到地表面高度的管基上，本設(shè)計采用彎管連接，應(yīng) 要求管道連接處不允許產(chǎn)生相對位移，采用承插膠結(jié)連接并外包纏。 2. 性能設(shè)計 根據(jù)輸送的介質(zhì)及使用條件，進行基體材料、增強材料、輔助材料的選擇。管壁分內(nèi) 表層、結(jié)構(gòu)層和外表層。內(nèi)表層選擇不飽和聚酯樹脂，增強材料選無堿玻璃纖維表面氈和 短切氈；結(jié)構(gòu)層選用不飽和聚酯樹脂，增強材料選用無捻玻璃纖維粗紗；外表層選用不飽 和聚酯樹脂和玻璃纖維表面氈，為增強管道的抗老化性能，加入2

20、0%的UV9紫外線吸收劑。 3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計分為玻璃鋼管應(yīng)力分析、管道壁厚計算和剛度校核。管道內(nèi)徑為250mm,工 作壓力Pw=1.2MPa，經(jīng)計算管壁厚為7.5mm,經(jīng)剛度校核滿足使用要求。 4. 工藝設(shè)計 玻璃鋼管道制造方法有手糊成型法、纖維纏繞成型法、拉擠纏繞成型法等，本設(shè)計采 用纖維纏繞成型，纖維纏繞制管工藝是將連續(xù)玻璃纖維，浸漬樹脂膠液后，按照一定規(guī)律 纏繞到芯模上，然后經(jīng)固化、脫模、獲得管材。 5. 性能檢驗 可采用軸向拉伸試驗、軸向壓縮試驗及水壓試驗等對玻璃鋼管道進行檢驗。玻璃鋼短 時水壓失效壓力試驗是用壓力泵，以一定的加壓時間將清水打入兩端密封的管試樣里，均 勻、連續(xù)加

21、壓，直到試樣失效。進行性能檢驗可保證玻璃鋼管道的質(zhì)量。 通過復(fù)這次課程設(shè)計，強化了課堂上學(xué)習(xí)到的復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計的知識，加深對復(fù)合 材料設(shè)計思路的理解。最后對老師的指導(dǎo)表示衷心的感謝! 四實驗過程 （一）實驗儀器設(shè)備和實驗原料 1.實驗儀器設(shè)備: 纖維纏繞設(shè)備烘干機玻璃鋼管道拉出設(shè)備電子天平電動攪拌機燒杯鑰匙稱量 紙等 2.實驗藥品: 乙醇PVB玻璃纖維 （二）實驗過程 五.結(jié)果與討論 相關(guān)實驗數(shù)據(jù): （一）設(shè)備參數(shù) 參數(shù)項目 管長 管壁厚度 角度 理論參數(shù) 50mm 10mm 55 實際參數(shù) 9.6mm 約54 在實驗開始時，必須要設(shè)置儀器設(shè)備的工藝參數(shù)，以大致確定實驗樣品的大小尺寸。 但是

22、實際上，纖維纏繞儀器設(shè)備是很難得到我們預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)的樣品的，實際生產(chǎn)的樣品的各 項工藝參數(shù)和理論之間存在一定誤差。 （二）原料配料比 在配制不飽和樹脂基體膠黏劑時，乙醇和PVB的質(zhì)量比約為100:8。若PVB用量較 少，則配置的膠液可能粘度不夠，玻璃纖維絲不能很好的粘合在一起，容易拔出或脫粘， 影響玻璃鋼管道的性能。若 PVB的用量較多，會使PVB在乙醇中的溶解時間過長，膠液 的粘度太大，流動性不好，影響玻璃纖維的浸膠過程以及后續(xù)的相關(guān)工藝程序。 六.實驗結(jié)論及改進 在第一天的預(yù)實驗中，理論角度設(shè)置為 45，管長設(shè)為25mm。但是在纏繞工藝完 成之后，由于玻璃纖維管的長度太短，織物的角度偏小，同時

23、，玻璃纖維未經(jīng)過浸膠這一 道工藝程序就直接進行纏繞編織，使得繞成的管道的外觀性能上不好。因此，在第二天的 實驗中，將管長的理論參數(shù)改為50mm,纏繞角度改為55度。實驗完成后，玻璃鋼管道的 表面光滑平整，在外觀性能上有了很大改善。但是由于預(yù)留空隙太小，玻璃纖維在轉(zhuǎn)軸上 纏繞得太過緊密，以至于玻璃鋼管道很難從轉(zhuǎn)軸上被拉出，因此，只能用剪刀剪開再取下 成品。 取下玻璃鋼管道以后，我們可以感覺到，邊緣部分的管壁的厚度要比中間部分的管 壁厚度稍微大一些。這是因為儀器在進行纏繞編織時，轉(zhuǎn)向時由于慣性的作用，速度要比 一般速度稍微慢一些，停留時間更長一些，所以導(dǎo)致邊緣部分的管壁厚度變大。 在以后的實驗中，纖維的纏繞力度是需要改進的一個方面。怎樣改進纖維的纏繞力 度，才能使玻璃鋼管道緊致密實，同時又方便拔脫。第二個需要改進的地方，就是機器的 轉(zhuǎn)向速度。我們要盡可能地找出影響機器轉(zhuǎn)向速度的因素，盡量解決這些問題，讓編織出 的玻璃鋼管道壁厚更均勻。 管道正確取下方法是先在模具上涂覆一層脫模劑，待樹脂固化后由脫模裝置頂出, 一邊頂，一邊拉。 七.體會 通過這次的實驗，我了解到玻璃鋼優(yōu)異的性能以及它采用纏繞法制備成管道的工 藝流程和管道產(chǎn)品的優(yōu)異性能及廣泛應(yīng)用。 玻璃鋼材料以不飽和聚酯PVB為基體，玻璃纖 維為增強材料復(fù)合得到的。我們可以選取不同的基體材料，如環(huán)氧樹脂，酚醛樹