玻璃钢管道设计

《玻璃钢产品设计》课程任务报告书

项目四

玻璃钢管道设计

复材141 第 11 组

项目负责人：

项目组成员：

起止时间：2016.4.5--2016.4.15

指导老师：杨娟

绵阳职业技术学院材料工程系

2015-2016 学年第2学期

玻璃钢产品设计课程任务书

班级复材141 部门（组）第11 组任务项目四

一、任务题目：

任务一：根据已知设计条件，合理设计玻璃钢架空管道。

设计条件：管道内径d=200mm；工作压力：p w=0.7Mpa；支撑架距离L=460cm；介质密度：ρL=1.2t/m3；安全系数：K=10

设计内容：1. 合理选择原材料；2. 设计管道生产壁厚； 3. 确定生产工艺方法。

任务二：根据已知条件，设计埋地夹砂管道。

设计条件：管道直径D=1400mm，埋深H=600mm，最大工作内压P=1.0Mpa，要求允

=0.0019kg/ m3；基础支撑角2许通过20t载重汽车。回填土为不紧固砂质粘土，其密度ρ

土

α=120°，在5%挠度下管的最小刚度等级大于2500Pa。管道结构缠绕层的环向弹性模量Eφ=20Gpa，环向强度σb=330Mpa，强度设计安全系数取K f=6，许用应变[ε]=0.5%，容许径向挠度δ=5%。

设计内容：确定管道的生产壁厚。

二、任务内容和要求：

（1）内容及要求：

1. 通过查阅资料选择玻璃钢管道各层所用的原材料；

2. 分析已知条件，初步确定管道壁厚；

3. 选择合适的生产工艺方法，并确定相应参数；

（2）任务报告要求

任务报告内容包括封面、任务书、正文、总结（收获体会）、参考文献。

任务报告统一用A4纸打印，版面边距上空2.5cm，下空2cm，左空2.5cm，右空2cm；正文用宋体小四号字；页码底端居中，小五号字；行间距：固定值19磅。

（3）进度要求：

任务下达日期：2016 年4月 5 日

任务完成日期：2016 年4月15 日

（4）其它要求

各组成员必须服从组长安排，积极配合、认真完成下达任务并按时提交任务报告。

任务一：根据已知设计条件，合理设计玻璃钢架空管道。

设计条件：管道内径d=200mm；工作压力：p

w

=0.7Mpa；支撑架距离L=460cm；介质密

度：ρ

L

=1.2t/m3；安全系数：K=10

设计内容：1. 合理选择原材料；2. 设计管道生产壁厚； 3. 确定生产工艺方法。1. 合理选择原材料

根据价格与性质选择增强材料为E玻纤，基体材料选择不饱和聚酯树脂191井，其内衬层选用乙烯基树脂，以达到耐温，耐酸碱的作用。

2. 设计管道生产壁厚

按环向强度计算管壁厚度由表3-13取环向拉伸强度280MPa则环向许用应力[σy]=280/10。再由式（3-13）可求得管壁厚度。

表3-13 缠绕聚酯玻璃钢管物理力学性能

由内压引起的轴向应力σx=Pw（D+t）/4t （3-4）

δ=qL4/384E

x I

≤6.5mm （3-13）

t=P

w D/（2[σy]−P

w

）=0.72×20/（2[280/10]−0.7）=0.253cm≈2.6mm

初选玻璃钢管壁厚为2.6mm。

校核轴向强度由表3-13查得玻璃钢管轴向拉伸强度为85~160MPa，取100MPa。则安全系数取10时，允许应力为[σx]=100/10=10MPa。按式（3-4）求出管壁厚，当求得管壁厚大于2.5mm时，则应增加管壁厚度。

将 [σx]=Pw（D+t）/4t

变换为 t=PwD/（4[σx]-Pw）

代入数值得出 t

x

=0.7×20/（4×10-0.7）=14/39.3=0.36cm 按轴向允许应力求得玻璃钢管壁厚为3.6mm，大于按环向应力求得的壁厚，故管的厚度应取3.6mm方为可靠。

刚度校核当管壁厚为3.6mm时，按简支梁受均匀荷载计算，按式(3-14)求其最大挠度。管上的均匀荷载q等于玻璃钢管自重(玻璃钢的密度ρm=1.8t/ m3)加输运介质重。即

满足刚度条件。但根据玻璃钢管最小壁厚要求，管壁厚最终确定为4.4mm。

(2)埋地管结构设计

○1埋地管所受荷载埋地管承受的荷载有管道工作内压、回填土静土压和地面活荷载等。因管道内压与架空管相同，故这里只讨论回填土静土压和地面活荷载。

a.回填土引起的静土压回填土对玻璃钢管壁产生的压力如图3-5所示。其压力与回填土的密度r，管道埋设深度Ho及埋管时控沟宽度有关。可用詹森（Janssen)公式计算。即当H≤200cm

q=rH (3-14)

当H＞200cm时，则

q=C

dr B

d

（3-15）

式中 r——回填土的密度，kg/ cm3；

B

d

——标准沟的宽度；

C

d

一一由管沟类型条件决定的载荷系数。

C

d

的计算式如下。

C

d

=√3（1-e-H/√3-Bd）（3-16）

式中 B

d

为标准沟的宽度。基础条件的种类和有效反作用力的支承角2a，如图3-6所示。

表3-15为管径在200～200mm范围标准沟的宽度。

表3-15 标准沟的宽度

当r=0.0018kg /cm3、H=200cm时，回填土的垂直静压力为q=0.0018×200= 0.36kg/cm2≈0.036MP。当H＞200cm，而q的计算值小于0.036MPa时，则仍应取q=0.036MPa。

3. 确定生产工艺方法

生产该管道采用缠绕工艺

(1)内衬层制作；玻璃纤维环向和交叉缠绕，使用乙烯基附脂。

（2）结构层制作：并将纤维进行螺旋、环向组合方式铺设，其螺旋方向缠绕承受轴向应力、环向缠绕则承受环向应力。

(3)外衬层制作：玻璃纤维环向和交叉缠绕。

管道设计为10-12m长，以便运输、安装。每根管道使用法兰连接。

任务二：根据已知条件，设计埋地夹砂管道。

设计条件：管道直径D=1400mm，埋深H=600mm，最大工作内压P=1.0Mpa，要求允

=0.0019kg/ m3；基础支撑角2许通过20t载重汽车。回填土为不紧固砂质粘土，其密度ρ

土

α=120°，在5%挠度下管的最小刚度等级大于2500Pa。管道结构缠绕层的环向弹性模量Eφ=20Gpa，环向强度σb=330Mpa，强度设计安全系数取K f=6，许用应变[ε]=0.5%，容许径向挠度δ=5%。

设计内容：确定管道的生产壁厚。

解：

○1静土压由管的直径，查表3-15可得标准沟宽

= 255cm

B

d

由式(3-14)计算得到垂直静土压

q=0.114kg/cm2≈0.0114MPa

○2动压力由表3-16查得20t载重汽车的后轴压力为13t，则单边双轮组压力为

Pq=6500kg≈65kN

由表3-16查得后轮着地宽度b=0.6m，着地长度a=0.2m；由表3-18查得汽车动力系数K

=1.05。则由式(3-17)计算得到一个双轮组引起的动压力为：

D

=0.592kg/cm2≈0.0592MPa

q

d

○3由静土压和动荷载引起的组合环向弯矩

由式(3-21)、式(3-22)、式(3-23)、式(3-26)可以计算出单位长度管壁沿环向各点的