復合材料課程設計說明書 - 下載本文

目 錄

1 引言…………………………………………………………………………… 2 2 造型設計……………………………………………………………………… 4 3 性能設計……………………………………………………………………… 5 3.1原材料選擇 ……………………………………………………………………5 3.2管道各層性能設計……………………………………………………………. 7 4 結構設計…………………………………………………………………………8 4.1玻璃鋼管受力分析……………………………………………………………..8 4.2管壁厚計算及校核……………………………………………………………..8 5 工藝設計…………………………………………………………………………10 5.1纖維纏繞制管所用設備………………………………………………………..10 5.2纖維纏繞制管工藝……………………………………………………………..10 6 玻璃鋼管道安裝連接 …………………………………………………………...12 7 管道性能試驗及檢驗 …………………………………………………………...13 7.1玻璃鋼管軸向拉伸試驗………………………………………………………...13 7.2玻璃鋼軸向壓縮試驗……………………………………………………………13 7.3玻璃鋼平行板外載試驗…………………………………………………………13 7.4玻璃鋼管短時水壓失效壓力試驗………………………………………………13 7.5玻璃鋼管外觀質量檢驗…………………………………………………………13 8 小結………………………………………………………………………………..15 參考文獻… ……………………………………………………………………… …16

I

1引 言

管道是現代工業中流體(氣體或液體)輸送的重要材料,傳統的管道有鋼管、混凝土管和鑄鐵管,但由于其易銹蝕、質量大,已不能滿足現代工業的需要,又由于玻璃鋼的諸多優勢,使得玻璃鋼管道(簡稱GRP管)應運而生[1

、2]

玻璃鋼管道玻璃鋼管道簡稱FRP管道。具有耐久性好、摩擦阻力小,輸運能力高,安裝方便、耐化學腐蝕性強、使用壽命長等優點,可降低管道因維護、更換停產帶來的損失,主要應用在石油、電力、化工、造紙、制革、冶金、城市給排水、廢水處理及農業灌溉等。

與鋼管相比,玻璃鋼管道的優點有:

(1)耐腐蝕性。FRP管道能夠抵抗酸、堿、鹽、海水、未經處理的污水、腐蝕性土壤或地下水及眾多化學流體的腐蝕。

(2)耐熱抗凍性好。FRP管的溫度使用范圍一般在-40℃~80℃之間,若先用特殊樹脂其使用溫度可達到更高。

(3)輕質高強,運輸安裝方便。FRP管道的比重為1.7~1.9,與同壓力、同管徑的其他材質管道比較,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,FRP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。

(4)摩擦阻力小,輸送能力高。FRP管道內表面非常光滑,糙率系數小,水利系數可長期保持在145~150范圍內,經測試得到其水流摩阻損失系數為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。

(5)不生銹。由于玻璃鋼管是由非金屬材料樹脂及玻璃纖維復合而成,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。

(6)可設計性強。根據具體使用情況,可對纏繞玻璃鋼管的具體性能及形狀進行設計:①可對纏繞時的纏繞角進行設計,以便管具有不同的縱/環向強度分配;②可對管壁厚進行設計,以便管可以承受不同的內外壓;③可對材料進行設計,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計,適用不同的安裝條件,以提高工程安裝速度。

(7)可修復性強、維護方便。纏繞玻璃鋼管罐不生銹、不結垢、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。

II

根據使用壓力可分為高壓管(5~30MPa)、中壓管(1.6~4 MPa)和低壓管(0.1~4 MPa)三種;按制造方法可分為手糊玻璃鋼管、預浸布卷玻璃鋼管、纏繞玻璃鋼管、離心澆注玻璃鋼管等;根據管道的鋪設方法,可分為架空鋪設、埋地鋪設、地面鋪設三種。除此以外,還有其他的分類方法。

地面鋪設是將管道的地面鋪設到底表面高度的管機上,這種鋪設方法適用于森林、高山或地下水高的地區。地面鋪設管道常用于農業灌溉、工業給水等。

本設計書包括對玻璃鋼管道的造型設計、性能設計、結構設計、工藝設計、管道的安裝連接及檢驗。

在造型設計中根據要求選彎管,彎管與管道的連接選用承插膠結并外包纏,可防止Cl2的泄露;在性能設計中進行了基體材料、增強材料和輔助材料的選擇,根據使用條件選擇不飽和聚酯樹脂和中堿玻璃纖維表面氈、短切氈、無捻粗紗,引發劑選用過氧化甲乙酮,同時選用與之配合的促進劑,為提高防老化性能家入適量UV9紫外線吸收劑;結構設計中經計算的壁厚7.5mm,經校驗符合要求;玻璃鋼管道的成型方法有手糊成型、纖維纏繞成型、拉擠纏繞成型等,選擇纖維纏繞成型;玻璃鋼的安裝連接中,選用膠結連接并外包纏,用鋼架進行支撐;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。

III

2 造型設計

根據管道設計條件,屬于中壓地面鋪設管,選用纏繞成型玻璃鋼管。

地面鋪設是將管道的地面鋪設到地表面高度的管基上,管道由彎管連接,且為限制性連接,因此選擇承插膠結連接并外包纏,可以防止Cl2氣體外漏。

地面鋪設玻璃鋼管的造型如下:

圖2.1 地面鋪設玻璃鋼管的俯視圖

圖2.2 地面鋪設玻璃鋼管的主視圖

IV

3 性能設計

性能設計就是合理地對材料進行選擇、組合,選用原材料時應考慮輸送介質及濃度、使用壓力、使用溫度以及外界環境因素等工藝條件。 3.1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(引發劑、促進劑等)。

材料設計的原則如下[1]:工藝性所選材料體系應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、成批量生產的、質量穩定的產品;適用性材料的機械性能滿足結構的強度和剛度要求,材料的耐環境性能要保證結構在使用環境下能正常工作;經濟性在滿足結構使用性能要求的前提下,盡可能地降低成本。 3.1.1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1.11~1.20左右,固化時體積收縮率較大。其性能特點有:①耐熱性:大多數不飽和聚酯樹脂熱變形溫度在50~60℃;②力學性能:不飽和聚酯樹脂具有較高的拉伸、彎曲、壓縮等強度;③耐化學腐蝕性:不飽和聚酯樹脂稀酸、稀堿性能較好[2]。

環氧樹脂的特性有:①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%);②力學性能:固化后環氧樹脂體系具有優良的力學性能;③化學穩定性:通常情況下固化后的環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。 3.1.2 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。

玻璃纖維紗應具有以下特點:耐化學腐蝕性;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。

無堿玻纖與中堿玻纖性能對比

V





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