復(fù)合材料管道設(shè)計

1、 課程設(shè)計實驗報告 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12目 錄一 課程設(shè)計的目的二 課題背景三 課題的設(shè)計過程四 實驗過程五 結(jié)果與討論六 實驗結(jié)論及改進七 體會 課程設(shè)計實驗報告一 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。二 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F

2、RP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-4080之間，若先用特殊樹脂其使用溫度可達到更高。（三）輕質(zhì)高強，運輸安裝方便。FRP管道的

3、比重為1.71.9，與同壓力、同管徑的其他材質(zhì)管道比較，F(xiàn)RP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，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

4、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。三 課題設(shè)計過程根據(jù)使用壓力可分為高壓管（530MPa）、中壓管（1.64 MPa）和低壓管（0.14 MPa）三種；按制造方法可分為手糊玻

5、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

6、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1：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

7、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5060；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2。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

8、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4。一般設(shè)計可分為以下幾個階段5：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

9、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 （4.1）再由公式 （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得許用應(yīng)力。按，將其變換為 （4.3） 帶入數(shù)值得出按軸向允許應(yīng)力求得玻璃鋼管壁厚度為7.5mm，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剛度校核當管壁厚度為7.5時，按簡支梁受均勻載荷計算，按式求其最大撓度。因為管輸送氣體，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,

10、玻璃鋼管的密度為1.8t/m3）即 (4.4)帶入數(shù)值得玻璃鋼管截面慣性矩I0 由下式求出： =8.05269m （4.5） （4.6） 10m滿足剛度條件。考慮到玻璃鋼管在運輸、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

11、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

12、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，當配方確定之后，配制環(huán)節(jié)應(yīng)嚴格把關(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

13、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重； d固化：樹脂必須達到一定的固化程度，否則將嚴重降低產(chǎn)品性能8。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，

14、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)直接影響國計民生，因而對制品的要求更加嚴格，對產(chǎn)品性能檢測也就成為必不可少的重要環(huán)節(jié)16。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

15、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，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

16、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。(1)外觀檢驗：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625左右的電馬弗爐里干燥至恒重，在干

17、燥器里冷卻；正確稱量坩堝質(zhì)量(m1)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30min，把加熱后的質(zhì)量(m3)準確稱至1mg，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250mm，工作壓力為1.2MPa，輸送介質(zhì)為Cl2氣體的底面鋪設(shè)管道?？煞譃樵煨驮O(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

18、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20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

19、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（

20、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)50mm10mm55°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

21、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，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，

22、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，酚醛樹脂等來進行材料的復(fù)合，然后進行性能檢測。通過對不同實驗結(jié)果的比對，更好的