復(fù)合材料管道設(shè)計

1、9 9 復(fù)合材料管道設(shè)計復(fù)合材料管道設(shè)計9.1 9.1 概述概述l復(fù)合材料管道已有50多年的發(fā)展歷史。離心澆注的玻璃鋼管道于1950年進入石油工業(yè)市場，隨后纖維纏繞玻璃鋼管和離心澆注夾砂玻璃鋼管（Hobas管）相繼應(yīng)用。l關(guān)于玻璃鋼管產(chǎn)品和測試方面的標準已經(jīng)非常齊全。我國已經(jīng)頒布了建材行業(yè)標準JC 552-1994 纖維纏繞增強熱固性樹脂壓力管和城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標準CJ/T3079-1998玻璃纖維增強塑料夾砂管。l目前已有不少國家在大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用玻璃鋼管。我國已有玻璃鋼管罐生產(chǎn)線130多條，應(yīng)用領(lǐng)域遍及石油化工礦山軍工城市供水 食品加工 灌溉 消防等行業(yè)和部門。l玻璃鋼管的分類按所采用樹脂基體

2、不同分為： 環(huán)氧管（環(huán)氧樹脂基體），聚酯管（不飽和聚酯樹脂基體）， 復(fù)合管（玻璃鋼/熱塑性塑料管）等;按使用壓力不同分為： 高壓管，中壓管和低壓管；按成型工藝方法不同可以分為： 纖維纏繞管，離心澆注管。l玻璃鋼管道公稱直徑DN（mm）系列為： 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 200，250, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400, 2800, 3200, 3600, 4000.l管長（m）規(guī)格有： 3， 5， 6， 9， 10， 12.

3、l壓力等級PN（MPa）為： 0.25 ， 0.6，1.0 , 1.6，2.5 ，4.0等。 最高使用壓力達28MPa。l使用溫度一般不超過110。l根據(jù)使用要求和鋪設(shè)方式，玻璃鋼管可以分為地上用管（包括架空管）和地下鋪設(shè)管。l兩者的設(shè)計方法和控制條件不同，但在管壁結(jié)構(gòu)上都設(shè)有內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層和外表層等三個結(jié)構(gòu)層次，各個功能層的作用和設(shè)計方法與貯罐類似。內(nèi)襯層的功能主要有2個：l一是滿足管道內(nèi)流通介質(zhì)所需達到的要求。 例如，內(nèi)表面應(yīng)光滑、無缺陷、耐磨性好; 對于輸送化學(xué)介質(zhì)管,所選材料必須具備相應(yīng)的耐腐蝕性和耐熱性; 對于供水管,所選材料必須滿足食品衛(wèi)生標準的要求 。l二是抗?jié)B透，這就要求材料韌

4、性好、不易開裂。內(nèi)襯層是復(fù)合材料管的重要組成部分，為防止開裂，應(yīng)選用韌性好的樹脂作為內(nèi)襯基體。l內(nèi)襯的類型主要有兩種： 一種是用表面氈（內(nèi)表層）和短切氈（次內(nèi)層）增強熱固性樹脂； 另一種就是熱塑性塑料管。l選擇塑料內(nèi)襯管時應(yīng)注意滿足使用溫度、耐化學(xué)性及衛(wèi)生要求，要保證結(jié)構(gòu)層與塑料內(nèi)襯管之間有可靠的層間粘結(jié)強度和必須的粘結(jié)面積，充分利用塑料管的韌性、耐腐性和密封性，可大幅度提高玻璃鋼/熱塑性塑料復(fù)合管道的承壓能力。l復(fù)合材料管壁結(jié)構(gòu)主要有4種形式：（a）、（b）和（c）均為連續(xù)纖維纏繞復(fù)合材料管，（d）采用離心澆鑄法生產(chǎn)。其中（a）的內(nèi)襯為熱塑性塑料；（b）為表面氈和短切氈（或噴射短纖維）增強的

5、富樹脂內(nèi)襯層；（c）為纏繞夾砂玻璃鋼管，結(jié)構(gòu)內(nèi)、外兩層為承擔(dān)管內(nèi)產(chǎn)生壓力的連續(xù)纖維纏繞復(fù)合材料層，中間夾芯層為增強管子剛性以承受外壓力的樹脂砂漿層；（d）表示內(nèi)、外兩層為短切纖維增強復(fù)合材料層，中間為樹脂砂漿層。在承受相同的外壓時，（a）和（b）的纖維增強復(fù)合材料的用量明顯多于（c）和（d）。在管道剛度保持不變的前提下，采用（c）代替（a）和（b）。對比（c）和（d）的管壁結(jié)構(gòu)，可知當管道的纖維復(fù)合材料用量相同時，（c）的抗壓、抗壓能力強于（d）。因此，（c）用于承受內(nèi)、外壓的地下埋設(shè)管道設(shè)計是合理的。l玻璃鋼管之所以能夠得到廣泛應(yīng)用是因為具有以下幾個方面的優(yōu)點：（1）耐腐蝕性好，使用壽命長。

6、耐腐蝕是玻璃鋼管道的突出優(yōu)點，根據(jù)所輸送化學(xué)介質(zhì)的性質(zhì)、濃度和溫度，可以選擇不同的纖維和樹脂制作成滿足使用要求的有復(fù)合結(jié)構(gòu)的耐腐蝕管道。玻璃鋼化工管道的使用壽命一般可達20年以上，輸水管的使用壽命可達50年。玻璃鋼內(nèi)、外表面不必采用涂層，也不需要進行周期性維護，從而可減少因維護停產(chǎn)帶來的經(jīng)濟損失。國內(nèi)外實踐表明，輸送溫度低于100150 、壓力在12MPa的液態(tài)和氣態(tài)的化學(xué)腐蝕性介質(zhì)，從技術(shù)和經(jīng)濟的觀點，采用復(fù)合材料管是合理的。（2）性能可設(shè)計，產(chǎn)品適用性強。纏繞玻璃鋼管是將浸有樹脂的玻璃纖維按照要求的纏繞規(guī)律逐層纏到芯模上，并進行適當固化而進行的。因此可以通過改變原材料來調(diào)整管道的各項物化性

7、能，以適應(yīng)不同介質(zhì)和工作條件的需要；通過結(jié)構(gòu)層厚度、纏繞角和管壁構(gòu)造設(shè)計來調(diào)整管道的承載能力和特性，以制成不同壓力等級或具有某種特殊性能的玻璃鋼管。（3）質(zhì)輕，安裝方便。纖維纏繞玻璃鋼強度高，且相對密度僅為1.61.9，玻璃鋼管自重只有鋼管的25%、混凝土的10%。單根玻璃鋼管的長度較長，整個管線接頭數(shù)量少，既提高了管線的可靠性，安裝也方便。（4）內(nèi)壁光滑，介質(zhì)輸送阻力小。玻璃鋼管具有非常光滑的內(nèi)表面，其絕對粗糙度只有0.0053mm,比鋼管小很多，因此比相同直徑的傳統(tǒng)材料具有更高的介質(zhì)流通能力。（5）導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫性能好，不導(dǎo)電。玻璃鋼的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.841.25KJ/（mh）。玻璃鋼的

8、電絕緣性能好，可將其埋在腐蝕性土壤中而不怕電化銹蝕，因而被廣泛應(yīng)用于地下管道。（6）玻璃鋼能滿足ISO、ASTM、API、AWWA和ASME等標準協(xié)會提出的嚴格的產(chǎn)品標準。l管道是個工程，不是部件，它的設(shè)計遠比貯罐、容器復(fù)雜。玻璃鋼管的用途不同，載荷條件差異很大，設(shè)計計算方法也不相同。根據(jù)不同的使用條件進行制品設(shè)計計算，是用好玻璃鋼管的基本前提。玻璃鋼管作為管線使用時，可分為地上用管和地下用管兩大類。這將在下面幾節(jié)中分別予以介紹。9.2 9.2 地上壓力管道設(shè)計地上壓力管道設(shè)計l地上管道是指在地面上架設(shè)的管道。l地上玻璃鋼管道在使用過程中，主要承受輸送介質(zhì)內(nèi)壓載荷、管道自重和介質(zhì)重量等。此外，

9、還承受由于溫度變化而引起的溫度應(yīng)力。地上玻璃鋼管道設(shè)計就是根據(jù)上述載荷確定管道壁厚和支承跨距，確保管線安全工作。9.2.1 管道壁厚計算管道壁厚一般是根據(jù)管內(nèi)工作壓力所引起的周向應(yīng)力來決定的，并由軸向應(yīng)力和應(yīng)變、周向應(yīng)變來進行校核。在均勻外壓作用下，管道周向應(yīng)力應(yīng)小于，許用應(yīng)力，即 (9-1) (2 )2Lp Dttt 式中p管內(nèi)最大工作壓力，MPa；D管道直徑，mm；t管道結(jié)構(gòu)層的壁厚，mm；tL管道內(nèi)襯層的厚度，mm；管道周向應(yīng)力，MPa；周向許用應(yīng)力，MPa。l關(guān)于上式中周向許用應(yīng)力的確定，國內(nèi)尚無標準。一般是由實驗測定周向的靜態(tài)破壞強度j ,然后考慮適當?shù)陌踩禂?shù)，即 = j/K （9

10、-2） 式中 K安全系數(shù)，一般K=610。l若采用ASTM標準所定義的長期靜壓力標準HDB，則許用應(yīng)力為 = HDB /n （9-3） 式中 n安全系數(shù)，建議取n=22.5。由式（9-1）可得到管道結(jié)構(gòu)層壁厚計算公式（9-4）根據(jù)周向應(yīng)力決定管壁厚度以后，還應(yīng)根據(jù)軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變和周向應(yīng)變進行校核。（9-5） （9-6）xx(2 )4Lp Dttt 0(2 )2Lp Dttp式中x管道軸向應(yīng)力，Mpa； x軸向許用應(yīng)力，Mpa。xxxxxxx=E=EEE式中 x，分別為管道軸向應(yīng)變和軸向應(yīng)變； x，分別為管道軸向許用應(yīng)變和周向許用應(yīng)變，其值與樹脂的延 伸率有關(guān)，一般去0.1%； x，分別為管

11、道軸向泊松比和周向泊松比； Ex，E分別為管道軸向拉伸彈性模量和周向拉伸彈性模量，MPa。9.2.2 管道跨度計算l地上管道是用管架、吊架或托架來支承的，兩支點之間的距離稱為管道跨度。l跨度計算是地上管道設(shè)計中的一個重要組成部分。在確保管道安全的前提下，應(yīng)盡可能地擴大管道的跨度?，F(xiàn)介紹按強度條件確定管道跨度的計算公式。在管道自重和介質(zhì)重量作用下，用管架支撐的玻璃鋼管道可視為承受均勻分布載荷下的等跨連續(xù)梁，對于5跨以上的管道，由三彎矩方程可求得在中間支座處有最大彎矩，其值為M=ql2/12相應(yīng)的最大軸向彎曲應(yīng)力為式中 q管道單位長度的載荷，包括管道自重、介質(zhì)重量、各保溫層 重，N/mm； l支座

12、間跨距，mm； w最大軸向彎曲應(yīng)力，Mpa； W管道抗彎截面模量(mm3)，W=/32D(d4-D4)； d管子外直徑，mm； D管子內(nèi)直徑，mm。2=12wMqlWW 設(shè)玻璃鋼管的周向許用應(yīng)力為x，考慮到內(nèi)壓作用引起的軸向應(yīng)力，得組合軸向用力作用下的強度條件為（9-8）則可解得管道支承間最大跨距l(xiāng)m 為（9-9）如果地上管道用于輸送介質(zhì)，管道直而長，這時內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力只是周向應(yīng)力泊松效應(yīng)的作用，即（9-10）則由總的軸向應(yīng)力作用下的強度條件可解得 管道最大跨距為（9-11） xxtttpql4)2D(W12L2)2D(4W3Lmttptqtlxtttpx2)2D(L)2D(2W6Lmtt

13、ptqtlx連續(xù)梁邊跨支座的彎矩大于中跨支座處的彎矩，其值為M=ql2/8則彎曲應(yīng)力為 按照類似于求Im的方法，得最大邊跨距離Ie為 Ie=0.816Im (9-13)在管線鋪設(shè)中，除管道末端的一端為邊跨外，凡是因管線上安裝了設(shè)備而破壞了管道連續(xù)性的地方均應(yīng)視為邊跨。28wMqlWW9.3 9.3 地下埋設(shè)管道設(shè)計地下埋設(shè)管道設(shè)計l地下玻璃鋼管道是在土壤中鋪設(shè)的，是玻璃鋼管道應(yīng)用中常見的一種鋪設(shè)形式。它在受到管內(nèi)液體內(nèi)壓的同時，還受到回填土重量引起的外壓力，車輛的輪壓力或地面堆積物重等活動載荷、管內(nèi)流速變化而產(chǎn)生的瞬時壓力急劇升高或降低引起的沖擊壓力、管內(nèi)出現(xiàn)真空時的負壓等。l地下埋設(shè)管道設(shè)計

14、就是在初步確定其厚度及埋設(shè)深度后，要求應(yīng)力、應(yīng)變和撓度在許用值以下，并校核外壓屈曲，力求合理使用材料、降低成本，使管道安全工作。l本節(jié)介紹的地下玻璃鋼管設(shè)計方法主要參照ANSI/AWWA C950-1988 標準規(guī)定進行。9.3.1 地下管載荷設(shè)計（1） 管頂垂直凈土壓l管周凈土壓是一種很復(fù)雜的載荷，包括管頂垂直凈土壓、管側(cè)水平凈土壓及管基底部基礎(chǔ)反力，它與埋設(shè)地基、回填土質(zhì)、施工方案以及管的剛性等因素有關(guān)。玻璃鋼管頂垂直凈土壓可按下式進行計算Wc = gH(D1 + t) 10-6 (9-14) 式中 Wc 管頂垂直凈土壓 ，N/mm; H 管頂至回填土表面的高度，m; 回填土密度（kg/m

15、3），在 缺少具體土壤數(shù)據(jù)是可取 =1900 kg/m3 g 重力加速度 （m/s2）,g= 9.8 m/s2 ; D1 管的平均直徑，m; t 管壁厚度，m 。（2） 地面動載荷引起的動土壓l地面動載荷一般是由汽車行駛時產(chǎn)生的，并同時引起管周動土壓。動土壓隨管道埋設(shè)深度的增加而減弱。管周動土壓的計算公式為 WL=CLP(1+If) (9-15) 式中 WL 管線上單位長度的動土壓，N/m; CL 管線上單位長度的動載荷系數(shù)（1/m）， CL 是管的半徑R 和 高度H 的函數(shù) ； If 無綱量沖擊系數(shù)，且有If =0.766-0.436 H H 管頂至回填土表面的高度，m; P 單個車輪的載荷

16、，N 。 9.3.2 地下玻璃鋼管的壓力校核（1） 壓力等級校核 玻璃鋼管的壓力等級與管的長期靜壓強度HDB 有關(guān)，由下式確定 (應(yīng)力基準) （9-18） 或 (應(yīng)變基準) HDB112()cstPFDH D B112 E()cstPFD式中 Pc壓力等級，Mpa； HDB靜壓力設(shè)計應(yīng)力基準(Mpa)，確定方法見ASTM D2992； HDB靜壓力設(shè)計應(yīng)變基準； Fs1設(shè)計系數(shù)，取Fs=1.8； t管壁結(jié)構(gòu)層厚度(mm)，表9-4列舉了玻璃鋼管得最小壁厚； D1管子平均直徑(mm)，按下式計算；當內(nèi)徑D為公稱直徑時 D1=D+2tL+t；當外徑d為公稱直徑時 D1 =d-t 式中 tL內(nèi)襯厚度

17、，mm； D管內(nèi)徑，mm； d管外徑，mm； E管壁周向拉伸彈性模量，Mpa。(2) 工作壓力校核 管系的工作壓力PW不應(yīng)大于所用管材的壓力等級，即 PW PC （9-20） 式中 PW 工作壓力，Mpa 。(3)沖擊壓力校核 管系由工作壓力和沖擊壓力疊加后的最大壓力不應(yīng)超過管材壓力 等級的1.4倍，即 PW + PS 1.4PC （9-21） 式中 PS 沖擊壓力，Mpa 。 9.3.3 地下玻璃鋼管的彎曲強度和剛度校核 由管的撓曲引起的最大彎曲應(yīng)力或應(yīng)變不應(yīng)大于經(jīng)設(shè)計系數(shù)折算過的彎曲強度或限定應(yīng)變，即 按應(yīng)力基準 （9-22） 按應(yīng)變標準 （9-23） 式中 b撓曲引起的最大軸向彎曲應(yīng)力，

18、Mpa； b因撓曲產(chǎn)生的最大軸向彎曲應(yīng)變，mm/mm； Df無量綱形狀系數(shù)，見表9-5； Eb管體的周向彎曲彈性，模量，Mpa； ya管體許用長期垂直撓度(mm),ya0.05D； sb管體周向長期彎曲強度(MPa)，測定方法見AWWA C950； sb管體周向長期彎曲限定應(yīng)變； Fs2彎曲設(shè)計系數(shù)，取Fs21.5； tt管體總壁厚(mm)，tt=t+tL。 l管體周向彎曲強度sb、長期彎曲限定應(yīng)變sb乙基前面給出的靜壓設(shè)計應(yīng)力基準HDB和應(yīng)變基準HDB統(tǒng)稱為復(fù)合材料管的長期性能。l長期性能是指管道使用到50年是具有的性能。 為保證所確定的50年后管道性能的可靠性，確定以上長期性能的試驗時間不

19、得少于1104h，且要求不少于18個有效實驗試件失效的時間分布應(yīng)符合規(guī)定的要求，在此基礎(chǔ)上按統(tǒng)計外推得50年的管道長期性能值。l玻璃鋼管是一種柔性管，在回填土等外載荷作用下，不僅存在彎曲強度問題，而且存在著剛度控制問題。l所謂剛度控制，實際上就是對地下管管環(huán)的徑向變形量的控制，即要使受壓變形后的管環(huán)的垂直撓度值y小于管體最大許用長期垂直撓度值ya 。 此處引用變形率的定義，即 = y/D1 ya y/D10.05 （9-24） 式中 D1 平均直徑，mm； y 預(yù)計的管子垂直撓度值，mm 。l地下埋設(shè)玻璃鋼管的撓度取決作用于管上的土壓力、管的剛度、管周土壤的反力模量、土壤的時間-壓實特性和管道

20、底部提供的支承情況等?？梢怨浪愠鲈谔囟ò惭b條件下由外壓引起管道的垂直撓度值。計算公式為 （9-25）LcLx3bD WWK Ry=E0.061 IE R3（）式中 DL變形之后系數(shù)(無量綱)，取DL=1.52.0； Wc單位長度管子上的管頂垂直靜土壓(N/mm)，由式(9-14)確定； WL管線上單位長度的動土壓(N/mm)，由式(9-15)確定； Kx撓度系數(shù)(無量綱)，其值與管底部土壤提供的支撐情況有關(guān)， 見表9-6； R管平均半徑，mm； EbI單位長度管壁的剛度系數(shù)，Nmm； E土壤反力模量(MPa)，見表9-7。l 變形滯后系數(shù)DL 的作用是把管的即使變形轉(zhuǎn)換成多年后的管的變形。 D

21、L 因填土性質(zhì)、覆層深度和壓實程度不同而異。 l 對于較淺的覆土層（H1.5m），具有中高等密實度土層時，取DL =2.0m； 而對于較淺的覆土層，只有松散的拋填土或輕微壓實時，取DL =1.5m； 當埋設(shè)深度大于1.5m，且具有適中的或只有很小的松散堆放時，取DL 分別 為1.5m或1.25m較為合適。l 這是因為，在回填土被高度壓實的情況下，管的初始變形通常是很小的。在 這種情況下，即使是在一段時間內(nèi)其變形稍微增加一些，盡管這時變形量依 舊很小，但也可能已是初始變形的2倍。 而對于松散回填土，由于初始變形大，其后隨時間增長而產(chǎn)生的變形與初始 變形的比率反而比前一種情況小，但這絕不意味著可以

22、推薦使用松散密度的 拋填土。 從總的變形量來看，在緊固密實回填土中的管子比在松散回填土中 的同一種管子的變形量要小得多。l加在可撓曲的管上的土壓力使直徑在垂直方向減少，水平方向增加。水平位移形成一個土壤被動抗力，其作用有利于支撐管道。l管的撓曲程度取決于加在管上的垂直靜土壓、動土壓和管側(cè)的土壤抗力。土壤抗力隨土壤類型和管區(qū)回填土的壓實程度不同而異。l各種不同回填材料和壓實程度下的E值見表9-7 。l土壤反力模量E是一個很重要而又十分敏感的參數(shù)。如果選擇過高的E值，則會產(chǎn)生實際變形量大大超過式（9-25）的計算值的情形。即使按照表9-7選取E，實際變形量低于計算值的概率僅有50%。為了使這種概率

23、達到95%，將式（9-25）進行修正，得（9-26）l式中，Ka和 a按下列方式選擇：（1） 當埋設(shè)深度H4.88m時，取Ka =0.75， a=0；（2） 當H4.88m時，取Ka =1.0， 0.02D 松散或輕微壓實填土 a= 0.01D 中等壓實填土 0.005D 高等壓實填土l由表9-7可見，土壤反力模量E受回填土密實度控制。要降低埋設(shè)管的撓度，必須提高回填土的密實度。330.061 LcLxbD WWK RyaE IE R l剛度系數(shù)EbI 是管壁材料的周向彎曲彈性模量與單位管長慣性矩的乘積，慣性矩I=t3/12。 l在填土外載荷作用下，若要使管的徑向變形控制在允許的范圍內(nèi)，管子必

24、須要有足夠的抗彎剛度。l地下玻璃鋼管的抗彎剛度系數(shù)一般由平行板加載試驗確定。在平行板加載試驗中，可以實際測得管垂直方向撓度值y和載荷q，因此， EbI的值可由下式求得 EbI=0.149R3q/ y (9-27)l式中 q單位長度上的載荷，N/mm; y管垂直方向的撓度值，mm; R管平均直徑，mm; EbI玻璃鋼管周向表觀彎曲彈性模量，Mpa; I單位管長的慣性矩（mm4/mm）,對于沒有加強肋的直管，I=t3/12 EbI=0.149R3q/ y (9-27) 在式（9-27）中，q/ y 是描述管環(huán)剛度的參數(shù)，稱為試驗管剛度。當載荷q一定時，若垂直撓度值y 較小，表明管環(huán)剛度較大；反之。

25、若y 較大，表明管環(huán)剛度較小。表9-8列出在變形率= y /D1=5%時，不同管徑的最小管環(huán)剛度q/ y值。根據(jù)表9-8給出的q/ y值，可求得不同管徑的管環(huán)最小抗彎剛度系數(shù)EbI。要求管道的剛度系數(shù)應(yīng)大于最小抗彎剛度系數(shù)，否則應(yīng)增加壁厚或在管道外表面設(shè)置加強肋，以提高慣性矩。 表9-8 最小管環(huán)剛度 q/ y 公稱直徑 DN/mm 25100 250 3003600q/ y MPa 0.24 0.14 0.079.3.4 組合載荷由于地下玻璃鋼管道同時受到內(nèi)壓引起的拉伸應(yīng)力和土壓引起的彎曲應(yīng)力的組合作用，因此，應(yīng)當適當考慮在這兩種應(yīng)力組合下的最大應(yīng)力或應(yīng)變，并進行校核。組合應(yīng)力 （9-28）

26、組合應(yīng)變 （9-29）1112watccfbp Dytr D EtDD1112watccfp Dytr DE tDD由內(nèi)壓和彎曲組合作用引起的最大應(yīng)力或應(yīng)變應(yīng)滿足以下的應(yīng)力基準或應(yīng)變基準表達式，以保證埋設(shè)管安全使用。按應(yīng)力基準 （9-30） 按應(yīng)變標準 （9-31） prcprHDBsbs2-1F prcprHDBsbs2-1F 式中 內(nèi)壓作用的工作應(yīng)力(MPa)，pr=pwD/(2t)； pr內(nèi)壓作用的工作應(yīng)變，pr=pwD/(2Et)； Fs2設(shè)計系數(shù)，F(xiàn)s2=1.5。9.3.5 地下玻璃鋼管的穩(wěn)定性校核回填土?xí)r，管內(nèi)尚無介質(zhì)流動而無內(nèi)壓力，回填土和地面載荷等外載荷作用在管道上，地下玻璃鋼

27、管在土壓、地面載荷及管內(nèi)負壓作用下，將可能導(dǎo)致管壁屈曲。為了確定管壁的彈性穩(wěn)定，應(yīng)使各種外部載荷所引起的應(yīng)力之和小于等于許用屈曲應(yīng)力，即滿足如下條件(動載荷和瞬時負壓載荷通?？刹槐赝瑫r考慮)：cwwwva1cLwwwa11Wgh +R+pqDWWgh +R+qDD9-32cwwwva1cLwwwa11Wgh +R+pqDWWgh +R+qDD9-32式中 w水的密度，kg/m3；hw管頂以上水面高度，m；g重力加速度，g=9.8m/s2；Wc管頂垂直靜土壓，N/m；WL管線上單位長度的動土壓，N/m；pv管道真空壓力，Pa；Rw水的浮力系數(shù)，Rw=1-0.33hw/H(0hwH)；H管頂至回填

28、土表面高度，m；qa許用屈曲應(yīng)力，Pa。1/2baw3s3I1q =32R BEF1ED式中 Fs3設(shè)計系數(shù)，取2.5B彈性支撐經(jīng)驗系數(shù)(無量綱)，按下式計算0.213H1B=1+4e式中 H管頂至回填土表面的高度，m。cwwwva1cLwwwa11Wgh +R+pqDWWgh +R+qDD9-32式(9-32)在下述條件下有效：管內(nèi)無真空壓力：0.61mH24.4m管內(nèi)有真空壓力：1.22mH24.4m從結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮，提高地下玻璃鋼管的彈性穩(wěn)定性，通常采用4種方法： 增加玻璃鋼管的壁厚； 采用樹脂砂漿夾層結(jié)構(gòu)，提高抗彎截面模量； 按一定間距設(shè)置加強肋 改變基底和土壤組成，以提高土壤反力模量

29、E。采用玻璃鋼夾砂管道用作地下埋設(shè)管道，是提高其彈性穩(wěn)定性的經(jīng)濟、有效的途徑9.3.6 地下玻璃鋼管道的軸向應(yīng)力地下玻璃鋼管道產(chǎn)生軸向應(yīng)力的因素主要有3個。（1）無論管道是否受到軸向約束，內(nèi)壓作用下周向膨脹都會引起軸向拉伸應(yīng)力。（2）對于受軸向約束的管道，溫度引起管道熱脹冷縮時可產(chǎn)生軸向熱應(yīng)力xT 。 xT = xEx T式中 x 玻璃鋼管道軸向熱膨脹系數(shù)，1/; T 管道運行溫度與安裝溫度的差值， ; Ex 管道軸向彈性模量，Mpa 。為了減少熱應(yīng)力，對于采用承插式連接的管道，應(yīng)合理的根據(jù)安裝時的氣溫來調(diào)節(jié)承插口的空隙。應(yīng)該根據(jù)當?shù)貧鉁刭Y料合理制定安裝間隙。此外，還通常在管道軸向設(shè)置柔性環(huán)節(jié)

30、或在直管部分設(shè)置圓弧段，以補償由于溫度變化引起的變形。（3）管溝基礎(chǔ)不平，沿管子長度方向土壤沉降的差異，使管道產(chǎn)生彎曲變形，從而引起軸向應(yīng)力。這可以通過合理的安裝施工工藝保證地基沉降均勻來加以解決。9.3.7 設(shè)計計算實例【例9-1】某批玻璃鋼管的設(shè)計條件為：公稱直徑DN=900mm，管長L=9m，工作壓力pw=0.80MPa,水錘壓力ps=0.40MPa,真空壓力pv=0.06MPa,使用溫度037 ，覆蓋層厚度H=1.22.4m,地下水位hw=0.31.5m,管基土壤為致密粉粒砂，土壤密度=2000kg/m3,管壓回填材料為粘土砂，壓實程度中等，基礎(chǔ)支承角2=60，地面上雙輪載荷P=700

31、002N ?，F(xiàn)擬采用纖維纏繞成型工藝制作該批管道，初定內(nèi)襯度厚度tL=1.0mm,結(jié)構(gòu)層壁厚t=16mm,試驗壓力等級pc=1.0MPa,實驗測得玻璃鋼管周向拉伸彈性模量Et=1.24104MPa, 周向彎曲彈性模量Eb=1.31 104MPa, 周向泊松比=0.30，軸向泊松比x=0.20，管最小剛度q/y =0.25MPa,靜壓設(shè)計應(yīng)變基準HDB=0.64%，管體周向長度彎曲限定應(yīng)變sb=1.15%。試根據(jù)以上確定的設(shè)計條件、管材性能和安裝參數(shù)，采用應(yīng)變基準進行設(shè)計計算，校核該管道是否滿足設(shè)計要求，設(shè)計方案是否可行？【解】 (1)根據(jù)應(yīng)變基準HDB計算壓力等級pc由式(9-19) (應(yīng)變基

32、準) D1=D+2tL+t=900+21+16=1.54MPaPc=1.0MPa1.54MPa(2)校核工作壓力pw和沖擊壓力ps由式(9-20)，pwpc，0.80MPa1.0MPa由式(9-20)，pw+ps1.4pcpw+ps0.80+0.40=1.2MPa1.4pc=1.41.0=1.4MPa1.2MPa1.4MPa校核標準符合設(shè)計要求。HDBs112E t()FDcP4HDBs112E t0.00642 1.24 1016()=()=1.54MPaFD1.8918(3)計算許用撓度值ya 由式(9-23)， 根據(jù)管剛度(q/y=0.25MPa)、回填材料(砂)和密實度(中等)，由表9

33、-5查得Df=5.5； 管道總壁厚tt=tL+t=16+1=17mm代入式(9-23)后得即ya=min(69.1，45.9)=45.9mmatsbbf11s2yt=DDDFya 170.01155.5918 9181.5(4) 確定外載荷WC和WL 由式（9-14）得 WC = gH（D1+t） =20009.8H（0.918+0.016） =18306H 當H=2.4m時， WC = 183062.4=43934N/m=43.934N/m當H=1.2m時， WC = 183061.2=21967N/m=21.967N/m由式（9-15） 知 WL =CLP（1+If） 當H=2.4m時,

34、If =0.766-0.4362.4=0.766-1.05，If =0，從表9-3查得CL =0.1657，代入式（9-15）得 WL = 0.165770000（1+0） =11599N/m=11.599 N/mm當H=1.2m時, If =0.766-0.4361.2=0.243，從表9-3查得CL =0.4252，代入式（9-15）得 WL = 0.425270000（1+0.243） =36997N/m=36.997 N/mm(5) 計算撓度y 由式（9-26）知因為H（=1.22.4m）4.88m，取K=0.75，a=0。取DL= 1.75。 由表9-6查得Kx=0.102,由表9-

35、7查得E=6.9MPa，代入式（9-26）。當H=2.4m 當H=1.2m =21.3mm 45.9mm校核結(jié)果均符合設(shè)計要求。 3LcLx3b(W )K Ry=E I0.061K ERD Wa3433(1.7543.93411.599)0.1024591.31 1016 /120.061 0.756.945924.9mm45.9mmy 3433(1.75 21.96736.997) 0.102 459y=1.31 1016 /120.061 0.75 6.9 459(6)校核組合載荷引起的最大應(yīng)變c由于 rc=1-pw/3=1-0.8/3=0.733由式(9-29)：可得w1atccf114

36、p Dyt=r D2E tDD0.8 91845.917=0.733 5.52 1.24 1016918918=0.00558w1pr4p D0.8 918=0.001852E t2 1.24 1016prcprHDBsbs20.001850.005580.00185=0.6130.00640.011511=0.6670.613F1.5代入式(9-13)校核符合要求(7)穩(wěn)定性校核當H=2.4m時由式(9-33)得由式(9-32)得wwR -1 0.33h/ H=1 0.33 1.5/ 2.4=0.7940.213H0.213 2.411B=0.2941 e1 e校核結(jié)果符合設(shè)計要求1b2aw

37、3s31433E I1q =(32R BE)FD11.31 1016=(32 0.794 0.294 6.9)2.512 918=0.218MPacwwwv16acLwww116aWghRpD46.934=2000 9.8 1.5 100.7940.6918=0.127q =0.218MPaWWghRDD46.93411.599=2000 9.8 1.5 100.794918918=0.080q當H=1.2m時wwR -1 0.33h/ H=1 0.33 0.3/ 2.4=0.9180.213H0.213 1.211B=0.2441 e1 e1b2aw3s31433E I1q =(32R BE

38、)FD11.31 1016=(32 0.918 0.244 6.9)2.512 918=0.214MPacwwwv16acLwww116aWghRpD21.967=2000 9.8 0.3 100.9180.6918=0.0878q =0.217MPaWWghRDD21.96736.997=2000 9.8 0.3 100.918918918=0.0681q由式(9-33)得由式(9-32)得校核結(jié)果符合設(shè)計要求故可得結(jié)論：各項校核結(jié)果均滿足設(shè)計要求，設(shè)計方案可行9.4 玻璃鋼管的制造玻璃鋼管的制造l為了提高經(jīng)濟效益和設(shè)備利用率，在批量生產(chǎn)復(fù)合材料管到時，對于不同直徑的管道應(yīng)采用不同結(jié)構(gòu)形式的

39、芯模。l一般來講，直徑小于800mm的管道可采用整體式芯模，用碳鋼板卷筒焊接制成，也可用無縫鋼管精車制成，芯模表面必須拋光，脫模斜度不小于2/1000;l直徑大于800mm的管道通常采用開縮式芯模，脫模時，通過液壓的機械裝置，使芯模收縮并從固化的制品中脫下來，然后把芯模恢復(fù)到原始位置。l由于纖維纏繞定長管的生產(chǎn)過程多是間歇式的，為了提高生產(chǎn)率，減少生產(chǎn)占地和纏繞過程的停機時間，可采用與纏繞機配套的多軸芯模裝置。l對于直徑為50250mm、長為6m的管道在MT6上生產(chǎn) 對于直徑為3001000mm、長為12m的管道在MT4上生產(chǎn)lMT6和MT4分別為6軸和4軸芯模裝置，它可以與貯罐纏繞同用一臺主

40、機。 多軸芯模裝置可以移動，纏繞貯罐時將其移至一邊，生產(chǎn)管道時將其移至主機機頭處，將其傳動軸與機頭聯(lián)接在一起。l現(xiàn)以MT4為例說明其工作原理。MT4上有4根直徑相同或不同的管芯模同裝在一個大傳鼓上。4根芯模既可同時隨著大傳鼓公轉(zhuǎn)，每根芯模又可自轉(zhuǎn)。該設(shè)備有4個工作狀態(tài)：第1狀態(tài)為制作狀態(tài)，這時制作管道的內(nèi)襯層、增強層及表面層；第2、3狀態(tài)為旋轉(zhuǎn)固化狀態(tài)；第4狀態(tài)為脫模狀態(tài)，通過專門的液壓裝置將已固化的管道脫出。各狀態(tài)位置固定，每根芯模的位置更換靠大傳鼓的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。玻璃鋼管道制作主要包括以下幾個步驟：（1）成型內(nèi)襯層 在制襯機上安裝已認真清理過的芯模。在芯模的圓柱形表面纏繞薄膜脫模劑，薄膜寬度

41、為20cm，薄膜搭接寬度約3cm左右，在模具的承口（大頭）涂石蠟和聚乙烯醇脫模劑。根據(jù)設(shè)計要求制作內(nèi)襯層。l內(nèi)襯層厚度一般為0.52.5mm，增強材料包括表面氈和短切噴射纖維（或短切氈），樹脂主要采用乙烯基酯樹脂（如MFE-2、W2-1）或雙酚A型不飽和聚酯樹脂（如323號、197號）。l制作內(nèi)襯層時，應(yīng)使氈層都浸透膠液，要特別注意氣泡的驅(qū)除。待內(nèi)襯層固化后，應(yīng)仔細檢查內(nèi)襯缺陷，當氣泡直徑在2mm以上就需要修復(fù)。（2）纏繞增強層l預(yù)先計算纏繞工藝參數(shù)（如纏繞層數(shù)、砂片寬度），并輸入計算機控制系統(tǒng)。做好纏繞設(shè)備各系統(tǒng)的準備工作后，即可進行纖維纏繞（環(huán)向纏繞、螺旋纏繞、夾砂纏繞），整個纏繞過程自動

42、控制。l纏繞結(jié)構(gòu)層含膠量一般控制在25%左右，膠液粘度通常在0.350.50Pas范圍內(nèi)，纏繞紗線速度一般不超過0.90m/s,小車速度不大于0.75m/s。l在纖維纏繞過程中，張力大小、各束纖維間張力的均勻性以及各纏繞層之間的纖維張力均勻性對纏繞成型管道的質(zhì)量有很大的影響。為了防止管道各纏繞層在纏繞張力作用下出現(xiàn)內(nèi)松外緊現(xiàn)象，應(yīng)使張力逐層遞減，從而使管道承壓后內(nèi)外層纖維同時承受載荷。l生產(chǎn)大直徑地下埋設(shè)玻璃鋼管時，為提高管剛度，降低成本，纏繞時可加一定量的石英砂，制成樹脂砂漿夾芯層。為了提高夾砂管的力學(xué)性能，必須對砂進行處理。樹脂砂漿夾芯層中樹脂含量為25%（即樹脂：砂=25:75）。有時為

43、了提高管道抗剪能力，可加入5%左右的短切玻璃纖維。l纏繞完畢，芯模應(yīng)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直至樹脂凝膠。當制品巴士硬度達到35以上時，即可脫模。（3）加工連接部位加工連接部位見9.5節(jié)介紹。（4）加熱固化用于輸送視頻的管道（如上水管），為降低管道中的苯乙烯殘留量，必須進行加熱后固化處理。（5）產(chǎn)品檢驗l對每根管道進行外觀、厚度、巴氏硬度等項檢驗，并進行水壓滲透試驗，以檢測結(jié)構(gòu)缺陷及接頭密封處的承壓情況。l試驗壓力為設(shè)計壓力的1.3倍，至少保壓1h，管道不能出現(xiàn)肉眼可見的滲漏和變形。l批量生產(chǎn)的管道每批均要進行內(nèi)襯破裂和管道爆破試驗，試驗標準可按ASTM D1559進行。9.5 9.5 復(fù)合材料管道連接復(fù)合

44、材料管道連接l復(fù)合材料管道也像其他材料管道一樣，必須將多根有限長度的管道連接在一起，才能組成一條實用的管線。l經(jīng)驗證明，往往管道系統(tǒng)出現(xiàn)問題最多的地方就在連接處。所以對于連接方式的選擇、設(shè)計、施工必須高度重視。l管道連接方式的選擇取決于管道系統(tǒng)的使用條件、安裝方法、載荷情況、環(huán)境溫度及輸送介質(zhì)的特性等因素。l為了保證管道系統(tǒng)安全工作，要求接頭應(yīng)具有足夠的強度、剛度，在使用壓力下具有良好的氣密性。l玻璃鋼管道連接方式大致分為兩類：不可拆卸連接和可拆卸連接。不可拆卸連接有：包纏對接；承插粘結(jié)?？刹鹦哆B接有：承接連接；法蘭粘結(jié)；螺紋連接。l不可拆卸連接主要用于管道與管道、管道與管件之間的固定連接。 承插連接多用于地下管道、管件之間的連接； 法蘭連接常見于儀器、設(shè)備、泵、閥門的連接，以及維修時必須拆除部分管道的地方； 螺紋連接常應(yīng)