复合材料说明书

1引言

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GRP管）应运而生[1、2]。

玻璃钢管是玻璃纤维增强塑料管道的简称，它广泛应用于石油、化工、供水、排污、灌溉、供气、污水处理、能源、采矿、海洋开发等诸多领域。

表1.1 各种材质管道的性能[3]

环向拉伸强度（MPa）360 480 150 2.1

轴向拉伸强度（MPa）550 480 135 2.1 比强度（MPa）200 61.5 20.8 0.8 热导系数（kcal / m·h·℃）0.25 27.2 15.0 2.1

与传统管道相比，玻璃钢管道具有很多优点：

①耐久性好金属和混凝土管的防锈、耐化学腐蚀性差，容易生锈；

②比强度高比钢管略低，但密度仅为钢管的四分之一，因此，比强度高；

③质量轻玻璃钢管的密度较小，质量较轻；

④造价低、寿命长玻璃钢管的原材料较便宜，寿命一般在50年之上；

⑤无污染关闭无杂质剥离和脱落、无腐蚀结垢，不会产生微生物；

⑥电绝缘性好玻璃钢为非导体，其电绝缘性优异；

⑦可设计性强可根据玻璃钢管使用情况，对其性能及连接方式进行设计。

综上所述，玻璃钢管的综合性能优于其他材料管道，特别是用在有腐蚀介质的条件下，玻璃钢管的使用寿命比钢管长几倍，体现出明显的经济效益。

该设计内容是内径d=370mm，工作压力P w=0.5 MPa，支撑架距离L=400cm，介质为H2S气体的架空管道，利用玻璃钢管道耐腐蚀、寿命长、可设计性强等优点，可以分别对其造型、性能、结构、工艺、连接、安装和检测等方面进行设计，下面介绍一下各个设计方法。

2造型设计

设计条件：玻璃钢架空管设计，设计任务：内径d=370mm，工作压力P w=0.5MPa，支撑架距离L=400cm，介质为H2S气体，使用温度为80℃，安全系数K=10，管道连接处不允许产生相对位移，连接管件为弯管。

因为设计条件中工作压力P w=0.5 MPa，使用内压：0-1.6MPa低压管、1.6 MPa -4 MPa 中压管、5MPa -30MPa高压管，所以选用低压管。

图2.1 管道造型主视图

图2.2 管道造型俯视图

如图2.1、2.2所示，设计选取6米定长玻璃钢管道，根据所给设计条件可将管道连接设计成玻璃钢管道与90°弯管对接包缠连接，这样可以使连接更为方便，且气密性也比较好。包缠高度和宽度应根据实际情况决定。该设计中架空管道可以采用固定支架。

3 性能设计

玻璃钢的性能主要取决于原材料的种类和用量。原材料又可分为两个部分：树脂原料和增强材料。

3.1 树脂基体

树脂是玻璃钢的基体材料，树脂在玻璃钢中，一方面将玻璃纤维粘结成一个整体，起着传递载荷的作用，另一方面又赋于玻璃钢各种优异的性能，其中包括耐蚀性能[4、7]。玻璃钢所用的树脂原料主要有:聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂及其相关改性树脂，依据树脂的分子结构不同，其性质也各不相同。

3.1.1 聚酯树脂

主要是指不饱和聚酯树脂，由线型不饱和聚酯与有聚合能力的单体混溶而成。聚酯树脂耐酸、耐水性好，耐热温度为60～120℃，机械性能、电气性能和工艺性好，固化时无挥发物，并且价格低廉。

3.1.2 环氧树脂

典型的环氧树脂是指在聚合物分子链中含有反应活性环氧基的一类聚合物。环氧树脂是线型结构，呈热塑性。由于在分子结构中含有活泼的环氧基以及轻基、醚键等，故可与多种类型的环氧树脂固化剂发生交联固化反应，生成体型网状结构高聚物。其中用于玻璃钢行业的环氧树脂多为E型环氧树脂及双酚A型环氧树脂。环氧树脂具有优良的粘接性，优异的力学性能，收缩率和吸水性小，耐化学腐蚀性，电绝缘性以及耐热性良好(热变形温度高)[1]。

3.1.3 酚醛、呋喃树脂

酚醛树脂常用的有苯酚甲醛树脂及其改性树脂，常用于玻璃钢行业的为热固性酚醛树脂。呋喃树脂是由糠醛或糠醇本身进行均聚、或者与其他单体进行共缩聚而得的缩聚产物。酚醛玻璃钢具有优良的力学性能、耐烧蚀性、耐水性、耐化学腐蚀性。

3.2 纤维

玻璃钢所用纤维主要是玻璃纤维。玻璃纤维是玻璃中的承力部分，它不仅能够提供玻璃钢的强度和弹性模量，而且能够减少收缩变形，提高变形温度和低温冲击强度等。

玻璃纤维主要分为无碱玻璃纤维(E玻璃纤维)、中碱玻璃(C玻璃纤维)纤维和高碱玻璃纤维(A玻璃纤维)。高碱玻纤已很少使用。而常用无碱和中碱纤维是存在一定的性

能差别，见表3.1。

表3.1无碱和中碱玻瑞纤维性能对比

种类耐酸性耐水性机械强度防老化性电绝缘性成本树脂适用条件

无碱纤维一般好高较好好较高好用于强度高的场合中碱纤维好差低差低低差用于强度低的场合

另外，在树脂中加入一些助剂，如促进剂、固化剂、引发剂、填料、着色剂等。

①促进剂的作用是使固化剂低温分解，产生游离基，达到树脂引发固化的效果。

常用的为两类：a叔胺类，如：二甲基苯胺，常配成10％的苯乙烯溶液，与过氧化苯甲酰并用，用量为0.5％～2％。b金属钴盐类，如：环烷酸钴，它的苯乙烯溶液为紫色，与过氧化环己酮或过氧化甲乙酮并用，用量1％～4％。它可通过不同的用量来调节树脂固化速度；

②固化剂的作用是促使环氧树脂固化，用量视固化剂种类而定。分为反应固化剂和催化型固化剂；

③引发剂（不饱和聚酯树脂）加入树脂中使树脂固化，但不参加反应，只起引发作用，真正固化剂是苯乙烯，它与树脂交联而达到固化；

④填料的加入可以降低成本，改善树脂基体性能；

⑤着色剂可以改变制品的颜色，获得美丽的外观。

3.3玻璃钢的各结构层材料选择

玻璃钢管与一般均质材料（如钢管、混凝土管、塑料管等）的构造不同，主要以玻璃纤维纱作为增强材料和树脂作为基体制成，它分成三层结构，即内衬层、结构层和外保护层

3.3.1内衬层材料的选择

内衬层的功能主要有两个，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，所选原材料必须具有相应的耐腐蚀性和耐热性；另一功能是抗渗漏，这就要求材料韧性好、不易开裂。

内衬层选用耐腐蚀的乙烯基树脂，无碱玻璃纤维表面毡或短切毡。为了提高使用可靠性和寿命，内衬层厚度一般在2mm左右，含胶量达到65%～95%左右[5、18]。

3.3.2 结构层材料选择