复合材料管道设计

课程设计实验报告

课题题目：纤维缠绕式复合管道的设计工艺与性能测试

目录

一课程设计的目的………………………………………………………………二课题背景…………………………………………………………………

三课题的设计过程………………………………………………………………四实验过程………………………………………………………………

五结果与讨论………………………………………………………………

六实验结论及改进………………………………………………………………

七体会……………………………………………………………………

一课程设计的目的

1.了解缠绕法制备玻璃钢管道的工艺流程。

2.知道玻璃钢管道的一些参数以及主要用途和优缺点。

二课题背景

管道是现代工业中流体（气体或液体）输送的重要材料，传统的管道有钢管、混凝土管和铸铁管，但由于其易锈蚀、质量大，已不能满足现代工业的需要，又由于玻璃钢的诸多优势，使得玻璃钢管道（简称FRP管）应运而生本次实验是采用缠绕的方法制备玻璃钢管玻璃钢管道玻璃钢管道简称FRP管道。具有耐久性好、摩擦阻力小，输运能力高，安装方便、耐化学腐蚀性强、使用寿命长等优点，可降低管道因维护、更换停产带来的损失，主要应用在石油、电力、化工、造纸、制革、冶金、城市给排水、废水处理及农业灌溉等。本次实验采用纤维缠绕的方法，以玻璃纤维为原料，pvb的乙醇溶液作为胶黏剂，制作玻璃钢管。和一般的金属材质的管道相比，玻璃钢管道有如下特性：

（一）耐腐蚀性。

FRP管道能够抵抗酸、碱、盐、海水、未经处理的污水、腐蚀性土壤或地下水及众多化学流体的腐蚀。

（二）耐热抗冻性好。

FRP管的温度使用围一般在-40℃~80℃之间，若先用特殊树脂其使用温度可达到更高。

（三）轻质高强，运输安装方便。

FRP管道的比重为1.7~1.9，与同压力、同管径的其他材质管道比较，FRP管道单位长度、重量约等于钢管的30％，因此运输安装十分方便，FRP管道每根长度可达12m，安装快速简便。另外可免除安装钢管所需的焊接和防锈、防腐处理等工序。

（四）摩擦阻力小，输送能力高。

FRP管道表面非常光滑，糙率系数小，水利系数可长期保持在145～150围，经测试得到其水流摩阻损失系数为0.000915，能显著减少沿程的流体压力损失，提高输送能力20％以上。

（五）不生锈。

由于玻璃钢管是由非金属材料树脂及玻璃纤维复合而成，所以，它们不论在使用过程还是在闲置过程中，均不会生锈，因而也就无需进行防锈、除锈处理。

（六）可设计性强。

根据具体使用情况，可对缠绕玻璃钢管的具体性能及形状进行设计：1可对缠绕时的缠绕角进行设计，以便管具有不同的纵/环向强度分配；2可对管壁厚进行设计，以便管可以承受不同的外压；3可对材料进行设计，以达到不同的耐腐蚀目的、阻燃目的、介电目的等；4可对授头方式进行设计，适用不同的安装条件，以提高工程安装速度。

（七）可修复性强、维护方便。

缠绕玻璃钢管罐不生锈、不结垢、耐腐蚀性能好，一般情况下无需维护；即使需要维护，由于其重量轻，可维修性强，所以，维修起来也是十分方便的。

三课题设计过程

根据使用压力可分为高压管（5~30MPa）、中压管（1.6~4 MPa）和低压管（0.1~4 MPa）三种；按制造方法可分为手糊玻璃钢管、预浸布卷玻璃钢管、缠绕玻璃钢管、离心浇注玻璃钢管等；根据管道的铺设方法，可分为架空铺设、埋地铺设、地面铺设三种。除此以外，还有其他的分类方法。

地面铺设是将管道的地面铺设到底表面高度的管机上，这种铺设方法适用于森林、高山或地下水高的地区。地面铺设管道常用于农业灌溉、工业给水等。

本设计书包括对玻璃钢管道的造型设计、性能设计、结构设计、工艺设计及性能检验。（一）造型设计

本次试验打算制作直型玻璃钢管道，直线型造型简单，易于设计工艺参数和制造

（二）性能设计

性能设计就是合理地对材料进行选择、组合，选用原材料时应考虑输送介质及浓度、使用压力、使用温度以及外界环境因素等工艺条件。

1原材料的选择

管道的原材料包括：基体材料(树脂体系)、增强材料(玻璃纤维)、辅助材料（引发剂、促进剂等)。

材料设计的原则如下[1]：工艺性所选材料体系应适合拟采用的工艺成型方法；可靠性对所选材料体系有把握，尽可能选用已定型的、成批量生产的、质量稳定的产品；适用性材料的机械性能满足结构的强度和刚度要求，材料的耐环境性能要保证结构在使用环境下能正常工作；经济性在满足结构使用性能要求的前提下，尽可能地降低成本。

（1）基体材料选择

树脂是玻璃钢管道的基体材料，其作用是传递载荷，并使载荷平衡，基体材料的性能，如耐腐蚀、耐热性等，直接决定玻璃钢管道的性能。常用的树脂包括：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂三大类，其中以不饱和聚酯树脂使用最为广泛。

不饱和聚酯树脂相对密度在1.11~1.20左右，固化时体积收缩率较大。其性能特点有：

①耐热性：大多数不饱和聚酯树脂热变形温度在50~60℃；

②力学性能：不饱和聚酯树脂具有较高的拉伸、弯曲、压缩等强度；

③耐化学腐蚀性：不饱和聚酯树脂稀酸、稀碱性能较好[2]。

环氧树脂的特性有：

①收缩性低：和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性（小于2％）；

②力学性能：固化后环氧树脂体系具有优良的力学性能；

③化学稳定性：通常情况下固化后的环氧树脂体系具有耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。

综合考虑以上因素，选择不饱和聚酯树脂作为基体材料。

（2）增强材料选择

作为增强材料的玻璃纤维及其织物是玻璃钢主要的承载组分材料，对玻璃钢管道的强度和刚度有着直接的影响。常用的缠绕用增强材料包括：各种无捻粗纱、表面毡、针织毡、短切毡、方格布等。

玻璃纤维纱应具有以下特点：耐化学腐蚀性；工艺性与所用树脂有良好的相容性；可靠性线密度要有保证，悬垂性要小等。

（三）结构设计

结构设计主要是对管道进行强度、刚度、稳定性等方画的设计与计算，包括管道的结构层的壁厚、铺层方式、管接头的形式等[4]。一般设计可分为以下几个阶段[5]：分析管道的技术条件和工作条件，提出计算要求；根据技术条件进行荷载分解，然后组一合校核；进行管道设计计算；进行管道刚度及稳定性设计计算；进行管件连接设计。

1玻璃钢管受力分析

输气管工作压力只有均匀压，工作压力在管截面上的分布如下图所示：

图4.1 玻璃钢管道压力分布

2管壁厚计算及校核