9 复合材料管道设计解析

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,9,复合材料管道设计,9.1,概述,复合材料管道已有,50,多年的发展历史。离心浇注的玻璃钢管道于,1950,年进入石油工业市场，随后纤维缠绕玻璃钢管和离心浇注夹砂玻璃钢管（,Hobas,管）相继应用。,关于玻璃钢管产品和测试方面的标准已经非常齐全。我国已经颁布了建材行业标准,JC 552-1994,纤维缠绕增强热固性树脂压力管,和城镇建设行业标准,CJ/T3079-1998,玻璃纤维增强塑料夹砂管,。,目前已有不少国家在大规模生产和应用玻璃钢管。我国已有玻璃钢管罐生产线,130,多条，应用领域遍及石油,化工,矿山,军工,城市供水,食品加工,灌溉,消防等行业和部门。,玻璃钢管的分类,按所采用树脂基体不同分为：,环氧管（环氧树脂基体），聚酯管（不饱和聚酯树脂基体），,复合管（玻璃钢,/,热塑性塑料管）等,;,按使用压力不同分为：,高压管，中压管和低压管；,按成型工艺方法不同可以分为：,纤维缠绕管，离心浇注管。,玻璃钢管道公称直径,DN,（,mm,）系列为：,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.,管长（,m,）规格有：,3,，,5,，,6,，,9,，,10,，,12.,压力,等级,PN,（,MPa,）为：,0.25,，,0.6,，,1.0 , 1.6,，,2.5,，,4.0,等。,最高使用压力达,28MPa,。,使用温度一般不超过,110,。,根据使用要求和铺设方式，玻璃钢管可以分为,地上用管（包括架空管）,和,地下铺设管,。,两者的设计方法和控制条件不同，但在管壁结构上都设有,内衬层,、,结构层,和,外表层,等三个结构层次，各个功能层的作用和设计方法与贮罐类似。,内衬层的功能主要有,2,个：,一是满足管道内流通介质所需达到的要求。,例如,，内表面应光滑,、无缺陷、耐磨性好,;,对于输送化学介质管,所选材料必须具备相应的耐腐蚀性和耐热性,;,对于供水管,所选材料必须满足食品卫生标准的要求,。,二是抗渗透，这就要求材料韧性好、不易开裂。,内衬层,是复合材料管的重要组成部分，为防止开裂，应选用,韧性好的树脂,作为内衬基体。,内衬的类型主要有两种：,一种是用表面毡（内表层）和短切毡（次内层）增强热固性树脂；,另一种就是热塑性塑料管。,选择塑料内衬管时应注意满足使用温度、耐化学性及卫生要求，要保证结构层与塑料内衬管之间有可靠的层间粘结强度和必须的粘结面积，充分利用塑料管的韧性、耐腐性和密封性，可大幅度提高玻璃钢,/,热塑性塑料复合管道的承压能力。,复合材料管壁结构主要有,4,种形式：,（,a,）、（,b,）和（,c,）均为连续纤维缠绕复合材料管，,（,d,）采用离心浇铸法生产。,其中（,a,）的内衬为热塑性塑料；（,b,）为表面毡和短切毡（或喷射短纤维）增强的富树脂内衬层；（,c,）为缠绕夹砂玻璃钢管，结构,内、外,两层为承担管内产生压力的连续纤维缠绕复合材料层，中间夹芯层为增强管子刚性以承受外压力的树脂砂浆,层；（,d,）表示内、外两层为短切纤维增强复合材料层，中间为树脂砂浆层。,在承受相同的外压时，（,a,）和（,b,）的纤维增强复合材料的用量明显多于（,c,）和（,d,）。在管道刚度保持不变的前提下，采用（,c,）代替（,a,）和（,b,）。对比,（,c,）和（,d,）的管壁结构，可知当管道的纤维复合材料用量相同时，（,c,）的抗压、抗压能力强于（,d,）。因此，（,c,）用于承受内、外压的地下埋设管道设计是合理的。,玻璃钢管之所以能够得到广泛应用是因为具有以下几个方面的优点：,（,1,）耐腐蚀性好，使用寿命长。,耐腐蚀是玻璃钢管道的突出优点，根据所输送化学介质的性质、浓度和温度，可以选择不同的纤维和树脂制作成满足使用要求的,有复合,结构的耐腐蚀管道。,玻璃钢化工管道的使用寿命一般可达,20,年以上，输水管的使用寿命可达,50,年。玻璃钢内、外表面不必采用涂层，也不需要进行周期性维护，从而可减少因维护停产带来的经济损失。,国内外实践表明，输送温度低于,100150,、压力在,12MPa,的液态和气态的化学腐蚀性介质，从技术和经济的观点，采用,复合材料管是合理,的。,（,2,）性能可设计，产品适用性强。,缠绕玻璃钢管是将浸有树脂的玻璃纤维按照要求的缠绕规律逐层缠到芯模上，并进行适当固化而进行的。因此可以通过改变原材料来调整管道的各项物化性能，以适应不同介质和工作条件的需要；通过结构层厚度、缠绕角和管壁构造设计来调整管道的承载能力和特性，以制成不同压力等级或具有某种特殊性能的玻璃钢管。,（,3,）质轻，安装方便。,纤维缠绕玻璃钢强度高，且相对密度仅为,1.61.9,，玻璃钢管自重只有钢管的,25%,、混凝土的,10%,。单根玻璃钢管的长度较长，整个管线接头数量少，既提高了管线的可靠性，安装也方便。,（,4,）内壁光滑，介质输送阻力小。,玻璃钢管具有非常光滑的内表面，其绝对粗糙度只有,0.0053mm,比钢管小很多，因此比相同直径的传统材料具有更高的介质流通能力。,（,5,）导热系数小，保温性能好，不导电。,玻璃钢的导热系数约为,0.841.25KJ/,（,m,h,）。玻璃钢的电绝缘性能好，可将其埋在腐蚀性土壤中而不怕电化锈蚀，因而被广泛应用于地下管道。,（,6,）玻璃钢能满足,ISO,、,ASTM,、,API,、,AWWA,和,ASME,等标准协会提出的严格的产品标准。,管道是个工程，不是部件，它的设计远比贮罐、容器复杂。玻璃钢管的用途不同，载荷条件差异很大，设计计算方法也不相同。根据不同的使用条件进行制品设计计算，是用好玻璃钢管的基本前提。玻璃钢管作为管线使用时，可分为地上用管和地下用管两大类。这将在下面几节中分别予以介绍。,9.2,地上压力管道设计,地上管道,是指在地面上架设的管道。,地上玻璃钢管道在使用过程中，主要承受,输送介质内压载荷,、,管道自重,和,介质重量,等。此外，还承受由于温度变化而引起的,温度应力,。地上玻璃钢管道设计就是根据上述载荷确定管道壁厚和支承跨距，确保管线安全工作。,9.2.1,管道壁厚计算,管道壁厚一般是根据管内工作压力所引起的周向应力来决定的，并由轴向应力和应变、周向应变来进行校核。,在均匀外压作用下，管道周向应力应小于，许用应力,，即,(9-1),式中,p,管内最大工作压力，,MPa,；,D,管道直径，,mm,；,t,管道结构层的壁厚，,mm,；,tL,管道内衬层的厚度，,mm,；,管道周向应力，,MPa,；,周向许用应力，,MPa,。,关于上式中周向许用应力的确定，国内尚无标准。一般是由实验测定周向的静态破坏强度,j,然后考虑适当的安全系数，即,=,j,/K,（,9-2,）,式中,K,安全系数，一般,K=610,。,若采用,ASTM,标准所定义的长期静压力标准,HDB,，则许用应力为,=,HDB,/n,（,9-3,）,式,中,n,安全系数,，建议取,n=22.5,。,由式（,9-1,）可得到管道结构层壁厚计算公式,（,9-4,）,根据周向应力决定管壁厚度以后，还应根据轴向应力、轴向应变和周向应变进行校核。,（,9-5,）,（,9-6,）,式中,x,管道轴向应力，,Mpa,；,x,轴向许用应力，,Mpa,。,式,中,x,，,分别为管道轴向应变和轴向应变；,x,，,分别为管道轴向许用应变和周向许用应变，其值与树脂的延,伸率有关，一般去,0.1%,；,x,，,分别为管道轴向泊松比和周向泊松比；,E,x,，,E,分别为管道轴向拉伸弹性模量和周向拉伸弹性模量，,MPa,。,9.2.2,管道跨度计算,地上管道是用管架、吊架或托架来支承的，两支点之间的距离称为,管道跨度,。,跨度,计算是地上管道设计中的一个重要组成部分。在确保管道安全的前提下，应尽可能地扩大管道的跨度。现介绍按强度条件确定管道跨度的计算公式。,在管道自重和介质重量作用下，用管架支撑的玻璃钢管道可视为承受均匀分布载荷下的等跨连续梁，对于,5,跨以上的管道，由三弯矩方程可求得在中间支座处有最大弯矩，其值为,M=ql,2,/12,相应的最大轴向弯曲应力为,式中,q,管道单位长度的载荷，包括管道自重、介质重量、各保温层,重，,N/mm,；,l,支座间跨距，,mm,；,w,最大轴向弯曲应力，,Mpa,；,W,管道抗弯截面模量,(mm,3,),，,W=/32D(d,4,-D,4,),；,d,管子外直径，,mm,；,D,管子内直径，,mm,。,设玻璃钢管的周向许用应力为,x,，考虑到内压作用引起的轴向应力，得组合轴向用力作用下的强度条件为,（,9-8,）,则可解得管道支承间最大跨距,l,m,为,（,9-9,）,如果地上管道用于输送介质，管道直而长，这时内压引起的轴向应力只是周向应力泊松效应的作用，即,（,9-10,）,则由总的轴向应力作用下的强度条件可解得 管道最大跨距为,（,9-11,）,连续梁边跨支座的弯矩大于中跨支座处的弯矩，其值为,M=ql,2,/8,则弯曲应力为,按照,类似于求,I,m,的方法，得最大边跨距离,I,e,为,I,e,=0.816I,m,(9-13),在管线铺设中，除管道末端的一端为边跨外，凡是因管线上安装了设备而破坏了管道连续性的地方均应视为边跨。,9.3,地下埋设管道设计,地下玻璃钢管道是在土壤中铺设的，是玻璃钢管道应用中常见的一种铺设形式。它在受到,管内液体内压,的同时，还受到回填土重量引起的,外压力,，车辆的轮压力或地面堆积物重等,活动载荷,、管内流速变化而产生的瞬时压力急剧升高或降低引起的,冲击压力,、管内出现真空时的,负压,等。,地下埋设管道设计就是在初步确定其厚度及埋设深度后，要求应力、应变和挠度在许用值以下，并校核外压屈曲，力求合理使用材料、降低成本，使管道安全工作。,本节介绍的地下玻璃钢管设计方法主要参照,ANSI/AWWA C950-1988,标准规定进行。,9.3.1,地下管载荷设计,（,1,） 管顶垂直净土压,管周净土压是一种很复杂的载荷，包括管顶垂直净土压、管侧水平净土压及管基底部基础反力，它与埋设地基、回填土质、施工方案以及管的刚性等因素有关。,玻璃钢管顶垂直净土压可按下式进行计算,W,c,=,gH(D,1,+ t) 10,-6,(9-14),式中,W,c,管顶垂直净土压 ，,N/mm;,H ,管顶至回填土表面的高度，,m;,回填土密度（,kg/m,3,），在 缺少具体土壤数据是可取,=1900,kg/m,3,g,重力加速度 （,m/s,2,）,g= 9.8 m/s,2,;,D,1,管的平均直径，,m;,t ,管壁厚度，,m,。,（,2,） 地面动载荷引起的动土压,地面,动载荷一般是由汽车行驶时产生的，并同时引起管周动土压。动土压随管道埋设深度的增加而减弱。,管周动土压的计算公式为,W,L,=C,L,P(1+I,f,) (9-15),式中,W,L,管线上单位长度的动土压，,N/m;,C,L,管线,上单位长度的,动载荷系数（,1/m,），,C,L,是管的半径,R,和,高度,H,的函数 ；,I,f,无纲量冲击系数，且有,I,f,=0.766-0.436 H,H ,管顶至回填土表面的高度，,m;,P ,单个车轮的载荷，,N,。,9.3.2,地下玻璃钢管的压力校核,（,1,）,压力等级校核,玻璃钢管的压力等级与管的长期静压强度,HDB,有关，由下式确定,(,应力基准,),（,9-18,）,或,(,应变基准,),式中,P,c,压力等级，,Mpa,；,HDB,静压力设计应力基准,(,Mpa,),，确定方法见,ASTM D2992,；,HDB,静压力设计应变基准；,F,s1,设计系数，取,Fs,=1.8,；,t,管壁结构层厚度,(mm),，表,9-4,列举了玻璃钢管得最小壁厚；,D,1,管子平均直径,(mm),，按下式计算；,当内径,D,为公称直径时,D,1,=D+2t,L,+t,；,当外径,d,为公称直径时,D,1,=d-t,式中,t,L,内衬厚度，,mm,；,D,管内径，,mm,；,d,管外径，,mm,；,E,管壁周向拉伸弹性模量，,Mpa,。,(2),工作压力校核,管系的工作压力,P,W,不应大于所用管材的压力等级，即,P,W,P,C,（,9-20,）,式中,P,W,工作压力，,Mpa,。,(3),冲击压力校核,管系由工作压力和冲击压力叠加后的最大压力不应超过管材压力 等级的,1.4,倍，即,P,W,+ P,S,1.4P,C,（,9-21,）,式中,P,S,冲击压力，,Mpa,。,9.3.3,地下玻璃钢管的弯曲强度和刚度校核,由管的挠曲引起的最大弯曲应力或应变不应大于经设计系数折算过的弯曲强度或限定应变，即,按应力基准,（,9-22,）,按应变标准 （,9-23,）,式中,b,挠曲引起的最大轴向弯曲应力，,Mpa,；,b,因挠曲产生的最大轴向弯曲应变，,mm/mm,；,D,f,无量纲形状系数，见表,9-5,；,E,b,管体的周向弯曲弹性，模量，,Mpa,；,y,a,管体许用长期垂直挠度,(mm),ya0.05D,；,sb,管体周向长期弯曲强度,(MPa),，测定方法见,AWWA C950,；,sb,管体周向长期弯曲限定应变；,F,s2,弯曲设计系数，取,Fs2,1.5,；,t,t,管体总壁厚,(mm),，,t,t,=t+t,L,。,管体周向弯曲强度,sb,、长期弯曲限定应变,sb,乙基前面给出的静压设计应力基准,HDB,和应变基准,HDB,统称为,复合材料管的长期性能,。,长期性,能,是指管道使用到,50,年是具有的性能。,为保证所确定的,50,年后管道性能的可靠性，确定以上长期性能的试验时间不得少于,110,4,h,，且要求不少于,18,个有效实验试件失效的时间分布应符合规定的要求，在此基础上按统计外推得,50,年的管道长期性能值。,玻璃钢管是一种柔性管，在回填土等外载荷作用下，不仅存在弯曲强度问题，而且存在着刚度控制问题。,所谓,刚度控制,，实际上就是对地下管管环的径向变形量的控制，即要使受压变形后的管环的垂直挠度值,y,小于管体最大许用长期垂直挠度值,y,a,。 此处引用变形率,的定义，即,=,y/D,1,y,a,y/D,1,0.05,（,9-24,）,式中,D,1,平均直径，,mm,；,y ,预计的管子垂直挠度值，,mm,。,地下埋设玻璃钢管的挠度取决作用于管上的土压力、管的刚度、管周土壤的反力模量、土壤的时间,-,压实特性和管道底部提供的支承情况等。可以估算出在特定安装条件下由外压引起管道的垂直挠度值。计算公式为,（,9-25,）,式中,DL,变形之后系数,(,无量纲,),，取,DL=1.52.0,；,W,c,单位长度管子上的管顶垂直静土压,(N/mm),，由式,(9-14),确定；,W,L,管线上单位长度的动土压,(N/mm),，由式,(9-15),确定；,K,x,挠度系数,(,无量纲,),，其值与管底部土壤提供的支撑情况有关，,见表,9-6,；,R,管平均半径，,mm,；,E,b,I,单位长度管壁的刚度系数，,Nmm,；,E,土壤反力模量,(MPa),，见表,9-7,。,变形滞后系数,D,L,的作用是把管的即使变形转换成多年后的管的变形。,D,L,因填土性质、覆层深度和压实程度不同而异。,对于较浅的覆土层（,H,1.5m,），具有中高等密实度土层时，取,D,L,=2.0m,；,而对于较浅的覆土层，只有松散的抛填土或轻微压实时，取,D,L,=1.5m,；,当埋设深度大于,1.5m,，且具有适中的或只有很小的松散堆放时，取,D,L,分别,为,1.5m,或,1.25m,较为合适。,这是因为，在回填土被高度压实的情况下，管的初始变形通常是很小的。在,这种情况下，即使是在一段时间内其变形稍微增加一些，尽管这时变形量依,旧很小，但也可能已是初始变形的,2,倍。,而对于松散回填土，由于初始变形大，其后随时间增长而产生的变形与初始,变形的比率反而比前一种情况小，但这绝不意味着可以推荐使用松散密度的,抛填土。,从总的变形量来看，在紧固密实回填土中的管子比在松散回填土中,的同一种管子的变形量要小得多。,加在可挠曲的管上的土压力使直径在垂直方向减少，水平方向增加。水平位移形成一个土壤被动抗力，其作用有利于支撑管道。,管的挠曲程度取决于加在管上的垂直静土压、动土压和管侧的土壤抗力。土壤抗力随土壤类型和管区回填土的压实程度不同而异。,各种不同回填材料和压实程度下的,E,值见表,9-7,。,土壤反力模量,E,是一个很重要而又十分敏感的参数。如果选择过高的,E,值，则会产生实际变形量大大,超过式（,9-25,）的计算值的,情形。即使按照表,9-7,选取,E,，实际变形量低于计算值的概率仅有,50%,。为了使这种概率达到,95%,，将式（,9-25,）进行修正，得,（,9-26,）,式,中，,K,a,和,a,按下列方式选择：,（,1,） 当埋设深度,H,4.88m,时，取,K,a,=0.75,，,a=0,；,（,2,） 当,H,4.88m,时，取,K,a,=1.0,，,0.02D,松散或轻微压实填土,a= 0.01D,中等压实填土,0.005D,高等压实填土,由表,9-7,可见，土壤反力模量,E,受回填土密实度控制。,要降低埋设管的挠度，必须提高回填土的密实度。,刚度系数,E,b,I,是管壁材料的周向弯曲弹性模量与单位管长惯性矩的乘积，惯性矩,I=t,3,/12。,在填土外载荷作用下，若要使管的径向变形控制在允许的范围内，管子必须要有足够的抗弯刚度。,地下玻璃钢管的抗弯刚度系数一般由平行板加载试验确定。在平行板加载试验中，可以实际测得管垂直方向挠度值,y,和载荷,q,，因此，,E,b,I,的值可由下式求得,E,b,I,=0.149R,3,q/,y (9-27),式,中,q,单位长度上的载荷，,N/mm;,y,管垂直方向的挠度值，,mm;,R,管平均直径，,mm;,E,b,I,玻璃钢管周向表观弯曲弹性模量，,Mpa,;,I,单位管长的惯性矩（,mm4/mm,）,对于没有加强肋的直管，,I=t,3,/12,E,b,I=0.149R,3,q/,y (9-27),在式（,9-27,）中，,q/,y,是描述管环刚度的参数，称为试验管刚度。,当载荷,q,一定时，若垂直挠度值,y,较小，表明管环刚度较大；反之。若,y,较大，表明管环刚度较小。,表,9-8,列出在变形率,=,y /D,1,=5%,时，不同管径的最小管环刚度,q/,y,值。,根据表,9-8,给出的,q/,y,值，可求得不同管径的管环最小抗弯刚度系数,E,b,I,。,要求管道的刚度系数应大于最小抗弯刚度系数，否则应增加壁厚或在管道外表面设置加强肋，以提高惯性矩。,表,9-8,最小管环刚度,q/,y,公称直径,DN/mm,25100,250,3003600,q/,y,MPa,0.24,0.14,0.07,9.3.4,组合载荷,由于地下玻璃钢管道同时受到,内压引起的拉伸应力,和,土压引起的弯曲应力,的组合作用，因此，应当适当考虑在这两种应力组合下的最大应力或应变，并进行校核。,组合应力 （,9-28,）,组合应变 （,9-29,）,由内压和弯曲组合作用引起的最大应力或应变应满足以下的应力基准或应变基准表达式，以保证埋设管安全使用。,按应力基准 （,9-30,）,按应变标准 （,9-31,）,式中,内压作用的工作应力,(MPa),，,pr,=p,w,D/(2t),；,pr,内压作用的工作应变，,pr,=p,w,D/(2E,t),；,F,s2,设计系数，,F,s2,=1.5,。,9.3.5,地下玻璃钢管的稳定性校核,回填土时，管内尚无介质流动而无内压力，回填土和地面载荷等外载荷作用在管道上，地下玻璃钢管在土压、地面载荷及管内负压作用下，将可能导致管壁屈曲。,为了确定管壁的弹性稳定，应使各种外部载荷所引起的应力之和小于等于许用屈曲应力，即满足如下条件,(,动载荷和瞬时负压载荷通常可不必同时考虑,),：,9-32,9-32,式中,w,水的密度，,kg/m,3,；,h,w,管顶以上水面高度，,m,；,g,重力加速度，,g=9.8m/s,2,；,W,c,管顶垂直静土压，,N/m,；,W,L,管线上单位长度的动土压，,N/m,；,p,v,管道真空压力，,Pa,；,R,w,水的浮力系数，,R,w,=1-0.33hw/H(0,hw,H),；,H,管顶至回填土表面高度，,m,；,q,a,许用屈曲应力，,Pa,。,式中,F,s3,设计系数，取,2.5,B,弹性支撑经验系数,(,无量纲,),，按下式计算,式中,H,管顶至回填土表面的高度，,m,。,9-32,式,(9-32),在下述条件下有效：,管内无真空压力：,0.61m,H,24.4m,管内有真空压力：,1.22m,H,24.4m,从结构设计上考虑，提高地下玻璃钢管的弹性稳定性，通常采用,4,种方法：,增加玻璃钢管的壁厚；,采用树脂砂浆夹层结构，提高抗弯截面模量；,按一定间距设置加强肋,改变基底和土壤组成，以提高土壤反力模量,E,。,采用玻璃钢夹砂管道用作地下埋设管道，是提高其弹性稳定性的经济、有效的途径,9.3.6,地下玻璃钢管道的轴向应力,地下玻璃钢管道产生轴向应力的因素主要有,3,个。,（,1,）无论管道是否受到轴向约束，内压作用下周向膨胀都会引起轴向拉伸应力。,（,2,）对于受轴向约束的管道，温度引起管道热胀冷缩时可产生轴向热应力,xT,。,xT,=,x,E,x,T,式中,x,玻璃钢管道轴向热膨胀系数，,1/;,T ,管道运行温度与安装温度的差值，,;,E,x,管道轴向弹性模量，,Mpa,。,为了减少热应力，对于采用承插式连接的管道，应合理的根据安装时的气温来调节承插口的空隙。应该根据当地气温资料合理制定安装间隙。此外，还通常在管道轴向设置柔性环节或在直管部分设置圆弧段，以补偿由于温度变化引起的变形。,（,3,）管沟基础不平，沿管子长度方向土壤沉降的差异，使管道产生弯曲变形，从而引起轴向应力。这可以通过合理的安装施工工艺保证地基沉降均匀来加以解决。,9.3.7,设计计算实例,【,例,9-1】,某批玻璃钢管的设计条件为：公称直径,DN=900mm,，管长,L=9m,，工作压力,p,w,=0.80MPa,水锤压力,p,s,=0.40MPa,真空压力,p,v,=0.06MPa,使用温度,037 ,，覆盖层厚度,H=1.22.4m,地下水位,h,w,=0.31.5m,管基土壤为致密粉粒砂，土壤密度,=2000kg/m,3,管压回填材料为粘土砂，压实程度中等，基础支承角,2,=60,，地面上双轮载荷,P=700002N,。现拟采用纤维缠绕成型工艺制作该批管道，初定内衬度厚度,t,L,=1.0mm,结构层壁厚,t=16mm,试验压力等级,p,c,=1.0MPa,实验测得玻璃钢管周向拉伸弹性模量,E,t,=1.24104MPa,周向弯曲弹性模量,E,b,=1.31 104MPa,周向泊松比,=0.30,，轴向泊松比,x,=0.20,，管最小刚度,q/,y =0.25MPa,静压设计应变基准,HDB,=0.64%,，管体周向长度弯曲限定应变,sb,=1.15%,。试根据以上确定的设计条件、管材性能和安装参数，采用应变基准进行设计计算，校核该管道是否满足设计要求，设计方案是否可行？,【,解,】 (1),根据应变基准,HDB,计算压力等级,pc,由式,(9-19) (,应变基准,),D,1,=D+2t,L,+t=900+21+16=1.54MPa,P,c,=1.0MPa,1.54MPa,(2),校核工作压力,pw,和冲击压力,ps,由式,(9-20),，,pw,pc,，,0.80MPa,1.0MPa,由式,(9-20),，,pw+ps,1.4pc,pw+ps,0.80+0.40=1.2MPa,1.4pc=1.41.0=1.4MPa,1.2MPa,1.4MPa,校核标准符合设计要求。,(3),计算许用挠度值,y,a,由式,(9-23),，,根据管刚度,(q/,y=0.25MPa),、回填材料,(,砂,),和密实度,(,中等,),，由表,9-5,查得,D,f,=5.5,；,管道总壁厚,t,t,=,t,L,+t,=16+1=17mm,代入式,(9-23),后得,即,y,a,=min(69.1,，,45.9)=45.9mm,(4),确定外载荷,W,C,和,W,L,由式（,9-14,）得,W,C,=,gH,（,D,1,+t,）,=20009.8H,（,0.918+0.016,）,=18306H,当,H=2.4m,时，,W,C,= 183062.4=43934N/m=43.934N/m,当,H=1.2m,时，,W,C,= 183061.2=21967N/m=21.967N/m,由式（,9-15,） 知,W,L,=C,L,P,（,1+I,f,）,当,H=2.4m,时, I,f,=0.766-0.4362.4=0.766-1.05,，,I,f,=0,，从表,9-3,查得,C,L,=0.1657,，代入式（,9-15,）得,W,L,= 0.165770000,（,1+0,）,=11599N/m=11.599 N/mm,当,H=1.2m,时, I,f,=0.766-0.4361.2=0.243,，从表,9-3,查得,C,L,=0.4252,，代入式（,9-15,）得,W,L,= 0.425270000,（,1+0.243,）,=36997N/m=36.997 N/mm,(5),计算挠度,y,由式（,9-26,）知,因为,H,（,=1.22.4m,）,4.88m,，取,K,=0.75,，,a=0。,取,D,L,= 1.75。,由表,9-6,查得,K,x,=0.102,由表,9-7,查得,E=6.9MPa,，代入式（,9-26,）。,当,H=2.4m,当,H=1.2m,=21.3mm,45.9mm,校核结果均符合设计要求。,(6),校核组合载荷引起的最大应变,c,由于,r,c,=1-p,w,/3=1-0.8/3=0.733,由式,(9-29),：可得,代入式,(9-13),校核符合要求,(7),稳定性校核,当,H=2.4m,时,由式,(9-33),得,由式,(9-32),得,校核结果符合设计要求,当,H=1.2m,时,由式,(9-33),得,由式,(9-32),得,校核结果符合设计要求,故可得结论：各项校核结果均满足设计要求，设计方案可行,9.4,玻璃钢管的制造,为了提高经济效益和设备利用率，在批量生产复合材料管到时，对于不同直径的管道应采用不同结构形式的芯模。,一般来讲，直径小于,800mm,的管道可采用整体式芯模，用碳钢板卷筒焊接制成，也可用无缝钢管精车制成，芯模表面必须抛光，脱模斜度不小于,2/1000;,直径大于,800mm,的管道通常采用开缩式芯模，脱模时，通过液压的机械装置，使芯模收缩并从固化的制品中脱下来，然后把芯模恢复到原始位置。,由于纤维缠绕定长管的生产过程多是间歇式的，为了提高生产率，减少生产占地和缠绕过程的停机时间，可采用与缠绕机配套的多轴芯模装置。,对于直径为,50250mm,、长为,6m,的管道在,MT6,上生产,对于直径为,3001000mm,、长为,12m,的管道在,MT4,上生产,MT6,和,MT4,分别为,6,轴和,4,轴芯模装置，它可以与贮罐缠绕同用一台主机。 多轴芯模装置可以移动，缠绕贮罐时将其移至一边，生产管道时将其移至主机机头处，将其传动轴与机头联接在一起。,现以,MT4,为例说明其工作原理。,MT4,上有,4,根直径相同或不同的管芯模同装在一个大传鼓上。,4,根芯模既可同时随着大传鼓公转，每根芯模又可自转。,该设备有,4,个工作状态：第,1,状态为制作状态，这时制作管道的内衬层、增强层及表面层；第,2,、,3,状态为旋转固化状态；第,4,状态为脱模状态，通过专门的液压装置将已固化的管道脱出。,各状态位置固定，每根芯模的位置更换靠大传鼓的旋转来实现。,玻璃钢管道制作主要包括以下几个步骤：,（,1,）成型内衬层,在制衬机上安装已认真清理过的芯模。,在芯模的圆柱形表面缠绕薄膜脱模剂，薄膜宽度为,20cm,，薄膜搭接宽度约,3cm,左右，在模具的承口（大头）涂石蜡和聚乙烯醇脱模剂。,根据设计要求制作内衬层。,内衬层厚度一般为,0.52.5mm,，增强材料包括表面毡和短切喷射纤维（或短切毡），树脂主要采用乙烯基酯树脂（如,MFE-2,、,W2-1,）或双酚,A,型不饱和聚酯树脂（如,323,号、,197,号,）,。,制作内衬层时，应使毡层都浸透胶液，要特别注意气泡的驱除。待内衬层固化后，应仔细检查内衬缺陷，当气泡直径在,2mm,以上就需要修复。,（,2,）缠绕增强层,预先计算缠绕工艺参数（如缠绕层数、砂片宽度），并输入计算机控制系统。做好缠绕设备各系统的准备工作后，即可进行纤维缠绕（环向缠绕、螺旋缠绕、夹砂缠绕），整个缠绕过程自动控制。,缠绕结构层含胶量一般控制在,25%,左右，胶液粘度通常在,0.350.50Pas,范围内，缠绕纱线速度一般不超过,0.90m/s,小车速度不大于,0.75m/s,。,在纤维缠绕过程中，张力大小、各束纤维间张力的均匀性以及各缠绕层之间的纤维张力均匀性对缠绕成型管道的质量有很大的影响。为了防止管道各缠绕层在缠绕张力作用下出现内松外紧现象，应使张力逐层递减，从而使管道承压后内外层纤维同时承受载荷。,生产大直径地下埋设玻璃钢管时，为提高管刚度，降低成本，缠绕时可加一定量的石英砂，制成树脂砂浆夹芯层。为了提高夹砂管的力学性能，必须对砂进行处理。树脂砂浆夹芯层中树脂含量为,25%,（即树脂：砂,=25:75,）。有时为了提高管道抗剪能力，可加入,5%,左右的短切玻璃纤维。,缠绕完毕，芯模应继续旋转，直至树脂凝胶。当制品巴士硬度达到,35,以上时，即可脱模。,（,3,）加工连接部位,加工连接,部位见,9.5,节介绍。,（,4,）加热固化,用于输送视频的管道（如上水管），为降低管道中的苯乙烯残留量，必须进行加热后固化处理。,（,5,）产品检验,对每,根管道进行外观、厚度、巴氏硬度等项检验，并进行水压渗透试验，以检测结构缺陷及接头密封处的承压情况。,试验压力为设计压力的,1.3,倍，至少保压,1h,，管道不能出现肉眼可见的渗漏和变形。,批量生产的管道每批均要进行内衬破裂和管道爆破试验，试验标准可按,ASTM D1559,进行。,9.5,复合材料管道连接,复合材料管道也像其他材料管道一样，必须将多根有限长度的管道连接在一起，才能组成一条实用的管线。,经验证明，往往管道系统出现问题最多的地方就在连接处。所以对于连接方式的选择、设计、施工必须高度重视。,管道连接方式的选择取决于管道系统的使用条件、安装方法、载荷情况、环境温度及输送介质的特性等因素。,为了保证管道系统安全工作，要求接头应具有足够的强度、刚度，在使用压力下具有良好的气密性。,玻璃钢管道连接方式大致分为两类：不可拆卸连接和可拆卸连接。,不可拆卸连接有：包缠对接；承插粘结。,可拆卸连接有：承接连接；法兰粘结；螺纹连接。,不可拆卸连接主要用于管道与管道、管道与管件之间的固定连接。,承插连接多用于地下管道、管件之间的连接；,法兰连接常见于仪器、设备、泵、阀门的连接，以及维修时必须拆除部分管道的地方；,螺纹连接常应用于管径较小的管路上。,(1),包缠对接,包缠对接形式是复合材料管道固定连接的基本形式。,预先用表面修整机在对接两端磨好坡口，接头区域的外表面须打磨粗糙。,安装时将两端对准、找正，在坡口接缝处制作内衬层，外边用浸透树脂的短切毡和玻纤布包缠，同时用多槽辘压去除气泡。,包缠是应使每层增强材料的两边至少比前层宽,2.5m,，形成内窄外宽的阶梯队排列，确保包缠层与管道有良好的粘接性。,外表面应包缠表面毡并浸透树脂。,一般包缠的总厚度不小于管道的壁厚。包缠长度应经得起剪切载荷，通常可按下式估计,LD,B,=,Kp,d,2,/4,即,2L=,Kpd,/2B,式中,2L,胶接长度，,mm;,p,管道内压，,Mpa,;,d,管道内径，,mm;,K,安全系数，可取,K=6;,B,胶接层的剪切长度，,Mpa,;,包缠至要求的厚度，然后经过固化即成。,包缠对接主要用于直管、弯管、三通或渐深管之间的固定连接。,包缠对接铺层尺寸见图,9-2.,（,2,）带橡胶密封圈的承接连接,每根管子带有,1,个插口和,1,个承口，承口部分与直管段在芯模上整体成型，插口部分在螺旋缠绕结束后家缠环双向层。,管道固化脱模后，用表面修整机将两端切齐，并由专门的磨刀加工插口部的橡胶密封槽。,安装时将橡胶密封圈套入槽内，然后插口插入承口即可（图,9-3,）。,使用单密封圈的优点是安装速度快，适用于中压埋设管路系统；高压管路或管径较大时采用双密封圈。,在承口上两个密封圈之间的位置上开一检查孔，可在接头安装完成后立即用气压或液压检查接头的密封性。,承插连接是玻璃钢管道的主要连接形式之一。,（,3,）,承插粘结,承插粘结类似承插连接，不同之处在于承插口配合间隙较小，结合面之间靠胶粘剂密封。,承插粘结的关键是承插口的加工尺寸和精度。,必须保证,承,插面有良好的解除表面,这样既能保证粘结强度,又可防止渗漏,。,因此,承插口的表面必须按照图纸尺寸及配合公差用机床或专用工具进行加工,加工到内衬层,一定要防止发生出现分层现象,。,安装时在插头外面抹好胶粘剂,插入承口内,然后在外边用包缠对接类似的方法进行包缠增强至要求的厚度,。,(4),法兰连接,法兰结构简单,工作安全可靠,可拆卸,适用性强,是一种良好的接头形式,但造价太高,.,按结构形式,法兰可分为整体法兰和活套法兰,见图,9-4.,整体法兰的直管段和法兰盘面在模具上一次成型制得,其特点是可以有效地解决法兰根部易开裂的,问题,。,活套法兰由于活套可以随意转动，因此，安装非常方便，较适合于非标准件法兰、孔位具有方向性的法兰及设备上的定位法兰。但其整体性、承载能力、密封性能不如整体法兰。,所有尺寸的玻璃钢管都可以采用与管道压力等级匹配的法兰接头。,法兰连接是预先按要求采用模压成型工艺或手糊成型工艺制作好法兰，用表面修整机将管子切成法兰连接所要求的长度，然后将法兰与直管按一定的工艺对接包缠在一起。法兰要与管的轴线对中，法兰盘面要与管的轴线垂直。,法兰不平行是产生泄漏的重要原因，因此螺栓拧紧后法兰与法兰间应密封且应相互平行，不得用强紧螺栓的方法消除歪斜。,法兰螺栓孔中心圆是标准标准尺寸，与金属法兰有互换性。玻璃钢法兰尺寸见表,9-9,（,GB 2555-81,）。玻璃钢法兰的密封面形状既可以是平面，又可以是凸面。,（,5,）螺纹连接,螺纹连接是小直径管道常用的机械连接接头，这种连接形式又分为套管式和承插式两种类型。,管子采用螺纹连接时，螺纹部分可采用纤维缠绕或模压，也可采用金属预埋件。,玻璃钢螺纹形式有锯齿形和梯形两种，设计时螺距（,t,）和齿高（,H,）要取得大些，过小的螺距和齿高对接点强度不利通常可取,t=56mm,，,H=34mm,螺纹牙数,=57,牙。,