復(fù)合材料管道設(shè)計(jì)

1、9 9 復(fù)合材料管道設(shè)計(jì)復(fù)合材料管道設(shè)計(jì)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(jìn)入石油工業(yè)市場(chǎng)，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(cè)試方面的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)非常齊全。我國(guó)已經(jīng)頒布了建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC 552-1994 纖維纏繞增強(qiáng)熱固性樹脂壓力管和城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T3079-1998玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管。l目前已有不少國(guó)家在大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用玻璃鋼管。我國(guó)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(zhǎng)（m）規(guī)格有： 3， 5， 6， 9， 10， 12.

3、l壓力等級(jí)PN（MPa）為： 0.25 ， 0.6，1.0 , 1.6，2.5 ，4.0等。 最高使用壓力達(dá)28MPa。l使用溫度一般不超過(guò)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(jì)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(gè)結(jié)構(gòu)層次，各個(gè)功能層的作用和設(shè)計(jì)方法與貯罐類似。內(nèi)襯層的功能主要有2個(gè)：l一是滿足管道內(nèi)流通介質(zhì)所需達(dá)到的要求。 例如，內(nèi)表面應(yīng)光滑、無(wú)缺陷、耐磨性好; 對(duì)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(duì)于供水管,所選材料必須滿足食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)復(fù)合材料層，中間為樹脂砂漿層。在承受相同的外壓時(shí)，（a）和（b）的纖維增強(qiáng)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(duì)比（c）和（d）的管壁結(jié)構(gòu)，可知當(dāng)管道的纖維復(fù)合材料用量相同時(shí)，（c）的抗壓、抗壓能力強(qiáng)于（d）。因此，（c）用于承受內(nèi)、外壓的地下埋設(shè)管道設(shè)計(jì)是合理的。l玻璃鋼管之所以能夠得到廣泛應(yīng)用是因?yàn)榫哂幸韵聨讉€(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）耐腐蝕性好，使用壽命長(zhǎng)。

6、耐腐蝕是玻璃鋼管道的突出優(yōu)點(diǎn)，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(dá)20年以上，輸水管的使用壽命可達(dá)50年。玻璃鋼內(nèi)、外表面不必采用涂層，也不需要進(jìn)行周期性維護(hù)，從而可減少因維護(hù)停產(chǎn)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)內(nèi)外實(shí)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(jì)的觀點(diǎn)，采用復(fù)合材料管是合理的。（2）性能可設(shè)計(jì)，產(chǎn)品適用性強(qiáng)。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(jìn)行適當(dāng)固化而進(jìn)行的。因此可以通過(guò)改變?cè)牧蟻?lái)調(diào)整管道的各項(xiàng)物化性

7、能，以適應(yīng)不同介質(zhì)和工作條件的需要；通過(guò)結(jié)構(gòu)層厚度、纏繞角和管壁構(gòu)造設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整管道的承載能力和特性，以制成不同壓力等級(jí)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(qiáng)度高，且相對(duì)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(zhǎng)度較長(zhǎng)，整個(gè)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)提出的嚴(yán)格的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。l管道是個(gè)工程，不是部件，它的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)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(jì)計(jì)算方法也不相同。根據(jù)不同的使用條件進(jìn)行制品設(shè)計(jì)計(jì)算，是用好玻璃鋼管的基本前提。玻璃鋼管作為管線使用時(shí)，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(jì)地上壓力管道設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)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(jì)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(lái)決定的，并由軸向應(yīng)力和應(yīng)變、周向應(yīng)變來(lái)進(jìn)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(guó)內(nèi)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)。一般是由實(shí)驗(yàn)測(cè)定周向的靜態(tài)破壞強(qiáng)度j ,然后考慮適當(dāng)?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(biāo)準(zhǔn)所定義的長(zhǎng)期靜壓力標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(jìn)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(jì)算l地上管道是用管架、吊架或托架來(lái)支承的，兩支點(diǎn)之間的距離稱為管道跨度。l跨度計(jì)算是地上管道設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分。在確保管道安全的前提下，應(yīng)盡可能地?cái)U(kuò)大管道的跨度。現(xiàn)介紹按強(qiáng)度條件確定管道跨度的計(jì)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(duì)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(zhǎng)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(qiáng)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(zhǎng)，這時(shí)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(qiáng)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(jì)地下埋設(shè)管道設(shè)計(jì)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(shí)，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(dòng)載荷、管內(nèi)流速變化而產(chǎn)生的瞬時(shí)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(shí)的負(fù)壓等。l地下埋設(shè)管道設(shè)計(jì)

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(jì)方法主要參照ANSI/AWWA C950-1988 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行。9.3.1 地下管載荷設(shè)計(jì)（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(jìn)行計(jì)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(dòng)載荷引起的動(dòng)土壓l地面動(dòng)載荷一般是由汽車行駛時(shí)產(chǎn)生的，并同時(shí)引起管周動(dòng)土壓。動(dòng)土壓隨管道埋設(shè)深度的增加而減弱。管周動(dòng)土壓的計(jì)算公式為 WL=CLP(1+If) (9-15) 式中 WL 管線上單位長(zhǎng)度的動(dòng)土壓，N/m; CL 管線上單位長(zhǎng)度的動(dòng)載荷系數(shù)（1/m）， CL 是管的半徑R 和 高度H 的函數(shù) ； If 無(wú)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(gè)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(jí)校核 玻璃鋼管的壓力等級(jí)與管的長(zhǎng)期靜壓強(qiáng)度HDB 有關(guān)，由下式確定 (應(yīng)力基準(zhǔn)) （9-18） 或 (應(yīng)變基準(zhǔn)) HDB112()cstPFDH D B112 E()cstPFD式中 Pc壓力等級(jí)，Mpa； HDB靜壓力設(shè)計(jì)應(yīng)力基準(zhǔn)(Mpa)，確定方法見ASTM D2992； HDB靜壓力設(shè)計(jì)應(yīng)變基準(zhǔn)； Fs1設(shè)計(jì)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(jì)算；當(dāng)內(nèi)徑D為公稱直徑時(shí) D1=D+2tL+t；當(dāng)外徑d為公稱直徑時(shí) 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(jí)，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(guò)管材壓力 等級(jí)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(qiáng)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(jì)系數(shù)折算過(guò)的彎曲強(qiáng)度或限定應(yīng)變，即 按應(yīng)力基準(zhǔn) （9-22） 按應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn) （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(wú)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(zhǎng)期垂直撓度(mm),ya0.05D； sb管體周向長(zhǎng)期彎曲強(qiáng)度(MPa)，測(cè)定方法見AWWA C950； sb管體周向長(zhǎng)期彎曲限定應(yīng)變； Fs2彎曲設(shè)計(jì)系數(shù)，取Fs21.5； tt管體總壁厚(mm)，tt=t+tL。 l管體周向彎曲強(qiáng)度sb、長(zhǎng)期彎曲限定應(yīng)變sb乙基前面給出的靜壓設(shè)計(jì)應(yīng)力基準(zhǔn)HDB和應(yīng)變基準(zhǔn)HDB統(tǒng)稱為復(fù)合材料管的長(zhǎng)期性能。l長(zhǎng)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(zhǎng)期性能的試驗(yàn)時(shí)間不

19、得少于1104h，且要求不少于18個(gè)有效實(shí)驗(yàn)試件失效的時(shí)間分布應(yīng)符合規(guī)定的要求，在此基礎(chǔ)上按統(tǒng)計(jì)外推得50年的管道長(zhǎng)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(qiáng)度問(wèn)題，而且存在著剛度控制問(wèn)題。l所謂剛度控制，實(shí)際上就是對(duì)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(zhǎng)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(jì)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(shí)間-壓實(shí)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(jì)算公式為 （9-25）LcLx3bD WWK Ry=E0.061 IE R3（）式中 DL變形之后系數(shù)(無(wú)量綱)，取DL=1.52.0； Wc單位長(zhǎng)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(zhǎng)度的動(dòng)土壓(N/mm)，由式(9-15)確定； Kx撓度系數(shù)(無(wú)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(zhǎng)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(shí)程度不同而異。 l 對(duì)于較淺的覆土層（H1.5m），具有中高等密實(shí)度土層時(shí)，取DL =2.0m； 而對(duì)于較淺的覆土層，只有松散的拋填土或輕微壓實(shí)時(shí)，取DL =1.5m； 當(dāng)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(shí)，取DL 分別 為1.5m或1.25m較為合適。l 這是因?yàn)?，在回填土被高度壓?shí)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(shí)間內(nèi)其變形稍微增加一些，盡管這時(shí)變形量依 舊很小，但也可能已是初始變形的2倍。 而對(duì)于松散回填土，由于初始變形大，其后隨時(shí)間增長(zhǎng)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(lái)看，在緊固密實(shí)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(gè)土壤被動(dòng)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(dòng)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(shí)程度不同而異。l各種不同回填材料和壓實(shí)程度下的E值見表9-7 。l土壤反力模量E是一個(gè)很重要而又十分敏感的參數(shù)。如果選擇過(guò)高的E值，則會(huì)產(chǎn)生實(shí)際變形量大大超過(guò)式（9-25）的計(jì)算值的情形。即使按照表9-7選取E，實(shí)際變形量低于計(jì)算值的概率僅有50%。為了使這種概率

23、達(dá)到95%，將式（9-25）進(jìn)行修正，得（9-26）l式中，Ka和 a按下列方式選擇：（1） 當(dāng)埋設(shè)深度H4.88m時(shí)，取Ka =0.75， a=0；（2） 當(dāng)H4.88m時(shí)，取Ka =1.0， 0.02D 松散或輕微壓實(shí)填土 a= 0.01D 中等壓實(shí)填土 0.005D 高等壓實(shí)填土l由表9-7可見，土壤反力模量E受回填土密實(shí)度控制。要降低埋設(shè)管的撓度，必須提高回填土的密實(shí)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(zhǎng)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(yàn)確定。在平行板加載試驗(yàn)中，可以實(shí)際測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)的慣性矩（mm4/mm）,對(duì)于沒(méi)有加強(qiáng)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(yàn)管剛度。當(dāng)載荷q一定時(shí)，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(shí)，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(qiáng)肋，以提高慣性矩。 表9-8 最小管環(huán)剛度 q/ y 9.3.4 組合載荷由于地下玻璃鋼管道同時(shí)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(dāng)適當(dāng)考慮在這兩種應(yīng)力組合下的最大應(yīng)力或應(yīng)變，并進(jìn)行校核。組合應(yīng)力 （9-28）組合應(yīng)變 （9-29）1112watccfbp Dytr D EtDD1112watccfp Dytr

26、 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(zhǔn)或應(yīng)變基準(zhǔn)表達(dá)式，以保證埋設(shè)管安全使用。按應(yīng)力基準(zhǔn) （9-30） 按應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn) （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(jì)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(wú)介質(zhì)流動(dòng)而無(wú)內(nèi)壓力，回填土和地面載荷等外載荷作用在管道上，地下玻璃鋼管在土壓、地面載荷及管內(nèi)負(fù)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

27、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(dòng)載荷和瞬時(shí)負(fù)壓載荷通?？刹槐赝瑫r(shí)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(zhǎng)度的動(dòng)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管頂至回填土表面高度，m；qa許用屈曲應(yīng)力，Pa。1/2baw3s3I1q =32R BEF1ED式中 Fs3設(shè)

28、計(jì)系數(shù)，取2.5B彈性支撐經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(無(wú)量綱)，按下式計(jì)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(wú)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(jì)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(qiáng)肋改變基底和土壤組成，以提高土壤反力模量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(jì)、有效的途徑9.3.6 地下玻璃鋼管道的軸向應(yīng)

29、力地下玻璃鋼管道產(chǎn)生軸向應(yīng)力的因素主要有3個(gè)。（1）無(wú)論管道是否受到軸向約束，內(nèi)壓作用下周向膨脹都會(huì)引起軸向拉伸應(yīng)力。（2）對(duì)于受軸向約束的管道，溫度引起管道熱脹冷縮時(shí)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(yùn)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(duì)于采用承插式連接的管道，應(yīng)合理的根據(jù)安裝時(shí)的氣溫來(lái)調(diào)節(jié)承插口的空隙。應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?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)或在直管部分設(shè)置圓弧段，以補(bǔ)償由于溫度變化引起的變形。（3）管溝基礎(chǔ)不平，沿管子長(zhǎng)度方向土壤沉降的差異，使管道

30、產(chǎn)生彎曲變形，從而引起軸向應(yīng)力。這可以通過(guò)合理的安裝施工工藝保證地基沉降均勻來(lái)加以解決。9.3.7 設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例【例9-1】某批玻璃鋼管的設(shè)計(jì)條件為：公稱直徑DN=900mm，管長(zhǎng)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(shí)程度中等，基礎(chǔ)支承角2=60，地面上雙輪載荷P=700002N 。現(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(yàn)

31、壓力等級(jí)pc=1.0MPa,實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jì)應(yīng)變基準(zhǔn)HDB=0.64%，管體周向長(zhǎng)度彎曲限定應(yīng)變sb=1.15%。試根據(jù)以上確定的設(shè)計(jì)條件、管材性能和安裝參數(shù)，采用應(yīng)變基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，校核該管道是否滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)方案是否可行？【解】 (1)根據(jù)應(yīng)變基準(zhǔn)HDB計(jì)算壓力等級(jí)pc由式(9-19) (應(yīng)變基準(zhǔn)) D1=D+2tL+t=900+21+16=1.54MPaPc=1.0MPa1.54MPa(2)校核工作壓

32、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(biāo)準(zhǔn)符合設(shè)計(jì)要求。HDBs112E t()FDcP4HDBs112E t0.00642 1.24 1016()=()=1.54MPaFD1.8918(3)計(jì)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(shí)度(中等)，由表9-5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

33、.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(dāng)H=2.4m時(shí)， WC = 183062.4=43934N/m=43.934N/m當(dāng)H=1.2m時(shí)， WC = 183061.2=21967N/m=21.967N/m由式（9-15） 知 WL =CLP（1+If） 當(dāng)H=2.4m時(shí), If =0.766-0.4362.4=0.766-1.05，If =0，從表9-3查得CL =0.1657，代

34、入式（9-15）得 WL = 0.165770000（1+0） =11599N/m=11.599 N/mm當(dāng)H=1.2m時(shí), 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(jì)算撓度y 由式（9-26）知因?yàn)镠（=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9-7查得E=6.9MPa，代入式（9-26）。當(dāng)H=2.4m 當(dāng)H=1.2m =21.3mm 45.9mm校核結(jié)

35、果均符合設(shè)計(jì)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w1atccf114p Dyt=r D2E tDD0.8 91845.917=0.733 5.52 1.24 1016918918

36、=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(dāng)H=2.4m時(shí)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=0.2941e1e校核結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求1b2aw3s31433E I1q =(32R BE)FD11.31 1016=(32 0.794 0.294 6.9)2.5

37、12 918=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(dāng)H=1.2m時(shí)wwR -10.33h/ H=10.33 0.3/ 2.4=0.9180.213H0.213 1.211B=0.2441e1e1b2aw3s31433E I1q =(32R BE)FD11.31 1016=(32 0.918 0.244 6.9)2.512 918=0.214MPacwwwv16acL

38、www116aWghRpD21.967=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(jì)要求故可得結(jié)論：各項(xiàng)校核結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)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(jì)效益和設(shè)備利用率，在批量生產(chǎn)復(fù)合材料管到時(shí)，對(duì)于不同直徑的管道應(yīng)采用不同結(jié)構(gòu)形式的芯模。l一般來(lái)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(wú)縫鋼管精車制成，芯模表面必須拋光，

39、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(shí)，通過(guò)液壓的機(jī)械裝置，使芯模收縮并從固化的制品中脫下來(lái)，然后把芯模恢復(fù)到原始位置。l由于纖維纏繞定長(zhǎng)管的生產(chǎn)過(guò)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(guò)程的停機(jī)時(shí)間，可采用與纏繞機(jī)配套的多軸芯模裝置。l對(duì)于直徑為50250mm、長(zhǎng)為6m的管道在MT6上生產(chǎn) 對(duì)于直徑為3001000mm、長(zhǎng)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(tái)主機(jī)。 多軸芯模裝置可以移動(dòng)，纏繞貯罐時(shí)將其移至一邊，生產(chǎn)管道時(shí)將其移至主機(jī)機(jī)頭處，將其傳動(dòng)軸與機(jī)頭聯(lián)接在一起。l現(xiàn)以MT4為

40、例說(shuō)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(gè)大傳鼓上。4根芯模既可同時(shí)隨著大傳鼓公轉(zhuǎn)，每根芯模又可自轉(zhuǎn)。該設(shè)備有4個(gè)工作狀態(tài)：第1狀態(tài)為制作狀態(tài)，這時(shí)制作管道的內(nèi)襯層、增強(qiáng)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。玻璃鋼管道制作主要包括以下幾個(gè)步驟：（1）成型內(nèi)襯層 在制襯機(jī)上安裝已認(rèn)真清理過(guò)的芯模。在芯模的圓柱形表面纏繞薄膜脫模劑，薄膜寬度為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(jì)要求制作內(nèi)襯層。l內(nèi)襯層厚度一般為

41、0.52.5mm，增強(qiáng)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(hào)、197號(hào)）。制作內(nèi)襯層時(shí)，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(xì)檢查內(nèi)襯缺陷，當(dāng)氣泡直徑在2mm以上就需要修復(fù)。（2）纏繞增強(qiáng)層l預(yù)先計(jì)算纏繞工藝參數(shù)（如纏繞層數(shù)、砂片寬度），并輸入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。做好纏繞設(shè)備各系統(tǒng)的準(zhǔn)備工作后，即可進(jìn)行纖維纏繞（環(huán)向纏繞、螺旋纏繞、夾砂纏繞），整個(gè)纏繞過(guò)程自動(dòng)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(guò)0.90m/s

42、,小車速度不大于0.75m/s。l在纖維纏繞過(guò)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(duì)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(shí)承受載荷。l生產(chǎn)大直徑地下埋設(shè)玻璃鋼管時(shí)，為提高管剛度，降低成本，纏繞時(shí)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(duì)砂進(jìn)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(shí)為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(dāng)制品巴士硬度達(dá)到35以上時(shí)，即可

43、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(jìn)行加熱后固化處理。（5）產(chǎn)品檢驗(yàn)l對(duì)每根管道進(jìn)行外觀、厚度、巴氏硬度等項(xiàng)檢驗(yàn)，并進(jìn)行水壓滲透試驗(yàn)，以檢測(cè)結(jié)構(gòu)缺陷及接頭密封處的承壓情況。l試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)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(jìn)行內(nèi)襯破裂和管道爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可按ASTM D1559進(jìn)行。9.5 9.5 復(fù)合材料管道連接復(fù)合材料管道連接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(zhǎng)度的管道連接在一起，才能組成一條實(shí)用的管線。l經(jīng)驗(yàn)證明，往往管

44、道系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題最多的地方就在連接處。所以對(duì)于連接方式的選擇、設(shè)計(jì)、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(qiáng)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(duì)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(shí)必須拆除部分管道的地方； 螺紋連接常應(yīng)用于管徑較小