复合材料说明书要点.docx

1、复合材料说明书要点 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性 能RPMP钢管铸铁管混凝土管环 向 拉 伸 强 度 （MPa）3604801502.1轴 向 拉 伸 强 度 （MPa）5504801352.1比 强 度 （MPa）20061.520.80.8热 导 系

2、 数 （kcal / mh）0.2527.215.02.1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

3、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Pw=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Pw=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Pw=0.5 MPa，使用内压：0-1.6 MPa低压

4、管、1.6 MPa -4 MPa中压管、5 MPa -30 MPa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

5、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60120，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

6、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

7、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。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0.52。b金属钴盐类，如：环烷酸钴，它的苯乙烯溶液

8、为紫色，与过氧化环己酮或过氧化甲乙酮并用，用量14。它可通过不同的用量来调节树脂固化速度；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；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；填料的加入可以降低成本，改善树脂基体性能；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

9、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 结构层材料选择结构层用来承受管的环向和轴向应力，根据受力分析采用螺旋缠绕，其铺层角控制在30；由连续纤维缠绕成型或由纤维织物手糊成型，含胶量均为3040，选择通用型不饱和聚酯树脂，中碱玻璃纤维无捻粗纱。3.3.3 外表层材料选择外表层（耐腐、耐

10、候、防老化）：主要作用是防护作用，是富树脂层。 196不饱和聚酯树脂，树脂本身耐雨水性好，但为了防止光老化，需要在树脂中加入20%UV9紫外线吸收剂，表面毡，或中碱玻璃纤维短切毡。综上所述，在管内径d=370mm,输送介质为H2S气体，使用温度为80的管道设计中，原材料中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，厚度为2mm；结构层选用通用型不饱和聚酯树脂，中碱玻璃纤维无捻粗纱；外保护层选择196不饱和聚酯树脂，树脂本身耐雨水性好，但为了防止光老化，需要在树脂中加入20%UV9紫外线吸收剂，表面毡，或中碱玻璃纤维短切毡。4 结构设计4.1 按环向强度计算壁厚由表4.1知环向拉伸

11、强度的范围为230MPa300MPa,取环向强度为280 MPa，则环向许用应力=28 MPa。由可求得管壁厚：MPa初选玻璃钢管壁厚为3.4mm。表4.1 缠绕聚酯玻璃钢管物理力学性能6项目数值项目数值密度（g/3）1.61.9轴向弯曲模量/MPa（0.81.1）104环向拉伸强度/ MPa230300水压失效压力/MPa120230环向拉伸模量/ MPa（1.72.6）104冲击强度（J/2）19.0轴向拉伸强度/ MPa85160热膨胀系数/()（11.219.6）10-4轴向拉伸模量/ MPa(0.81.3) 104导热系数/W/(m)0.267环向弯曲强度/ MPa130230吸水率

12、/%0.2环向弯曲模量/ MPa(0.91.3) 104巴氏硬度40轴向弯曲强度/ MPa1001504.2 校核轴向强度由表4.1知玻璃钢轴向拉伸强度为85 MPa160 MPa，取轴向拉伸强度为120 MPa，则许用应力为x= =12 MPa由公式可得： 管的壁厚： MPa当求得的壁厚大于3.6mm时，应增加管壁厚度。按轴向允许应力求得玻璃钢管壁厚为3.9mm，大于按环向应力取得的厚度，故管的厚度应取3.9mm方为可靠。4.3 刚度校核当壁厚为3.9mm时，按简支梁受均匀荷载计算，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m=1.8t/m3)，当管道为输气或输热时，输送介

13、质L =0 t/m50N/m玻璃钢管截面惯性矩由下式求出cm代入mm6.5 mm架空管道的弯曲变形要求有一定限制。玻璃钢管或其他塑料管的挠度，在满载的情况下不允许大于6.5mm，否则应增加壁厚或缩短支撑点距离以降低挠度。该设计条件满足刚度条件按国标规定。表4.2 玻璃钢管的最小壁厚公称直径/mm最小壁厚/mm公称直径/mm最小壁厚/mm2005004.4180013.76004.8200015.27005.4210016.08006.3240018.510007.6260019.812009.3300023.0140010.8330025.2150011.5360027.5160012.340

14、0030.5 但根据查表4.2要求6，管壁厚度最终确定为4.4mm。总厚度为： t=2.0+4.4+0.8=7.2mm4.4 强度稳定性校核玻璃钢管道的强度校核需考虑管的轴向应力、环向应力。玻璃钢架空管道的平均半径为mm单层的纵向为圆筒的环向，圆管在工作压力为pw=0.5MPa时，近似按薄壁圆筒计算环向应力，为MPa轴向应力为MPa由表4.1，环向拉伸强度=230MPa300MPa，轴向拉伸强度=85 MPa 160MPa，用最大应力失效准则校核得：所以该玻璃钢管道设计是安全的。4.5 总层数的确定各层层数按下式计算： 式中：A制品的厚度(mm)；mf增强纤维单位面积质量 (kg/m2)；kr

15、树脂基体的厚度常数 mm/(kgm-2)；kf增强纤维的厚度常数 mm/(kgm-2)；c树脂与增强材料的质量比。按上式计算内表层的层数：内衬层取结构层外表层 故取层总层数层5 工艺设计5.1 成型工艺的选择玻璃钢管道成型工艺很多，成熟的制造方法有手糊成型、预浸布卷管成型、纤维缠绕成型、拉挤-缠绕成型、PVC-玻璃钢复合管成型和离心浇铸成型等等10。手糊成型生产效率低，质量不易控制，因此一般不采用；又由于预浸布卷管成型工艺复杂，且只能生产小直径（直径200mm以下）玻璃钢管，故也不能选用。此外，拉挤缠绕工艺生产出来的玻璃钢管道，其管壁不具有多功能层断面，一般只用作结构型材；而离心浇铸玻璃钢管工

16、艺设备投资大，不适合小口径管生产，也不宜采用。比较上述各种成型方法之后可知，其中，玻璃纤维粗纱增强树脂缠绕成型工艺最常用。纤维缠绕成型是在控制张力和预定线型的条件下，以浸有树脂胶液的连续玻璃纤维纱缠绕到芯模或模具上固化成型、脱模成为增强塑料制品的一种方法11。对于一般工业生产的缠绕玻璃钢管，常采用单螺旋（54.7）缠绕成型。5.2 缠绕成型连续缠绕成型，其主要设备为自动连续缠绕机，如图5.1所示。图5.1 缠绕机俯视图12该设备的模具为钢带组合式芯轴，随着管道的成型、固化，芯轴会自动解体并与管道分离，钢带返回另一端重新组合成芯轴，管道则连续不断地被生产出来，形成理论上可以无限长的连续缠绕管道。

17、由于运输条件的限制，事实上不会去生产无限长的管道，因此管体达到一定长度时自动切割系统会将管道切成设定的长度。本设计采用6m18定长切断。切割下来的管道经过管端修整和倒角后被送到水压试验机上进行水压试验。本设计条件由于是输气管道设计，故可以选择定长缠绕以便统一标准、便于安装。为减少模具装卸时间，大型缠绕机常采用组合模具。即4根或6根芯模同装在一个大转鼓上，随转鼓公转或自转。以4根组合模为例，它分四个工作状态；第一状态为在芯模上制造内衬和缠绕结构层；第二和第三状态为旋转固化；第四状态为脱模，即由油压装置将已固化的管从芯模脱下20。每根芯模的位置和该位置上的停留时间，由大转鼓根据工艺要求定时转动决定

18、。缠绕成型用的玻璃纤维纱一般为Tex1200、Tex2400、Tex4800缠绕工艺专用纱。使用前应烘干处理，其烘干温度控制住110左右13。胶液配制可根据管壁各层的用量和种类用小型搅拌器配制。胶液要均匀；凝胶固化速度要适当。在缠绕机上主要完成结构层的缠绕成型，内衬层和外保护层可以采用手糊成型。成型内表层：首先在制衬机上安装已认真清理过的芯模，然后在芯模的圆柱形表面缠绕一层聚酯薄膜，薄膜宽带为20 cm，薄膜搭接宽度约3cm左右，在模具的乘口（大头）涂石蜡和聚乙烯醇脱模剂。再根据设计的要求制作内衬层，内衬层的厚度一般为2mm，增强材料包括表面毡和短切毡，树脂采用双酚A型不饱和聚酯树脂（如323

19、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，气泡直径在2mm以上就需要修复。在内衬层的成型中主要采用手糊工艺。结构层：主要用来承受管的环向和轴向应力，根据受力分析可知适合采用缠绕工艺，做好缠绕设备各系统的准备工作后，即可进行纤维缠绕，整个缠绕过程自动控制。缠绕结构层的含胶量一般控制在25左右，胶液粘度通常0.35Pas0.50 Pas范围内，缠绕纱线速度一般不超过0.90m/s，小车速度不大于0.75 m/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纤维张力均匀性对缠绕成型管道的质量有很大影响。为了防止管

20、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。单螺旋缠绕的缠绕角一般大于70单螺旋缠绕角大约在50左右，在本设计中取54。含胶量为203011。外保护层：外保护层的主要作用是保护玻璃钢加砂管道不被周围环境所腐蚀。考虑到本设计的实际情况，我们决定采用手糊成型。这样操作简便，而且也能有效的节约成本。芯模是缠绕设备的一个重要组成部分，是成型中空制品的内模。生产中要生产一定形状和结构尺寸的纤维缠绕制品，必须采用外形和制品内腔、形状、尺寸一致的芯模。固化后，既能把芯模脱下来，又不损坏缠好的制品。芯模的设计需要满足下列几个要求：具有足够的强度和刚度；

21、满足制品形状和尺寸精度要求；易于脱模；制造简单，造价便宜且取材方便。6 安装、连接设计6.1 安装架空管道( elevated pipeline) , 顾名思义, 就是指架设在地面或水面上空的用于输送气体、液体或松散固体的管道6。玻璃钢管道由于具有质轻、高强、耐腐蚀、水利性能优异、安装方便等优点，应用越来越广。但玻璃钢管道的应用是一个工程系统，不是单一的部件，在该系统中，安装也是非常重要的一环，如果安装不合格，生产出的产品再优质，也会功亏一篑。玻璃钢架空管的安装，是管-支架体系，其原则是避免管线因不合理支撑和锚固造成管体承受过大的应力或应变，保证长期挠度保持在可接受的限度内。支撑、导向、锚固应

22、避免线接触和点荷载，其最小支撑面角度应不小于1200。支撑带宽度不少于公称直径的1/3，支架不能出现沉降，所有较重的部件(如阀门、泵)均应单独设立支承，凡可能遭受机械损伤的部位，都应采取保护措施，其最大水平支撑间距应按计算或制造厂的建议设置14。在有冻害地区地面铺设及架空安装玻璃钢管道时，应加保温层。为了减少吊装工作量，利用玻璃钢管轻质、高强的特点，应尽可能根据吊装设备能力，将管子预先连接成尽可能长的长度，以加快安装进度。管子吊装时尽可能用尼龙绳绑扎，如用钢丝绳时，则需在钢丝绳和玻璃钢管的接触处加垫柔性衬垫，防止损伤管道。玻璃钢管道安装过程中不能使用电焊，要注意防火。管道安装的水平偏差要保持在

23、小于2%3%，垂直偏差小于2%5%，坡度可取3%。6.2 连接玻璃钢管道连接分为限制性连接（包缠对接、承插黏结和法兰连接）、非限制性连接（承插式O形橡胶圈密封连接和套筒承插式唇形橡胶圈密封连接）。一般情况下，玻璃钢管采用包缠对接连接，可保证快捷、准确、省时、省力。此外，也可采用法兰连接等其他连接方式。15图6.1 限制性连接形式由于设计条件为管道连接处不允许产生相对位移，所以应采用限制性连接。玻璃钢管道与弯头的连接采用包缠对接，这样操作比较简便，且密封性也比较好。采用外包缠之后，可以承受较大内压，易于安装，连接管件为弯管(90弯管)，所以总结以上种种原因，该管道可以选择包缠对接形式9，保证其密

24、封性。其性能同样具有轻质、高强、耐温、耐腐蚀的特性。7 零部件该玻璃钢架空管道的设计中，零部件比较简单，下面简单介绍一下。在管道的安装过程中需要一些配件的配定，定型管配件常见的主要有四种：弯头、三通、法兰、异径管等16。另外，在管道安装的过程中，往往根据实际情况需要现场制作管配件。这种常见的管道配件也如上几种，而与定型配件所不同的是，配件的有关具体尺寸是根据现场管线的相对位置测量出来的。这种现场制作出来的管配件安装起来更方便、更迅速17。玻璃钢管道选用的支架一般为钢结构，分为滑动支架、固定支架、导向支架和悬吊支架4种。选用哪种支架形式，主要考虑管道的强度、刚度、输送介质温度、工作压力、管材的膨

25、胀系数、管道运行后的受力状态及安装现场环境条件等因素。从各方面综合考虑，固定支架更为安全、可靠，故在本设计中选用固定支架，支撑架间距为400cm。固定管道用的管卡同样也为钢结构。8 玻璃钢管道的检测 玻璃钢管因其结构的复杂性，且性能依成型工艺、成型条件、人员素质等因素的差异离散性较大，工程量大、投资大，制品的性能将在一定范围内直接影响国计民生，因而对制品的要求比较严格，对产品的性能检测也是必不可少的。玻璃钢管道性能试验及检测主要是根据 GB1443-83 纤维增强塑料性能试验方法总则来测试的，在这里，我们简要介绍一下其检测方法。8.1 轴向拉伸试验玻璃钢管轴向拉伸性能试验方法是将试样安装在上、

26、下夹持装置上，然后将夹持装置放在试验机的两夹头中间，使试样受轴向拉伸，荷载逐渐增加，直至破坏。根据测量的破坏荷载（或最大荷载）及试样的变形值计算管轴向拉伸强度、拉伸弹性模量和破坏伸长率。记录管道开始出现裂纹以及拉断时的数值，作为极限拉伸应力，并要求安装、使用时不得超过此应力值。8.2 轴向压缩试验玻璃钢管轴向压缩性能试验方法是将试样放在试验机两压头中心，使试样受轴线方向的压缩荷载作用。根据测量所得的压缩荷载及试样的变形值计算其压缩强度和压缩弹性模量。记录数据管道开始出现裂纹以及压断时的数值，作为极限压缩应力19，并要求安装、使用时不得超过此应力值。8.3 平行板外载试验 方法：把管试样平放在两

27、平行加载板中间，在试验机上对管试样施加径向荷载作用。根据测量的荷载及变形，计算管试样的刚度、刚度因子、荷载-变形曲线以及出现显著性事件的荷载和变形。试样的处理：长度、端面、加压部位的特殊处理每组试样至少3根6。记录管道开始出现裂纹、开始压扁以及完全变形或者断裂时的数值，作为极限压缩应力，并要求使用时不得超过此应力值。8.4 松弛校核 同其它许多工程材料一样，RPM管也有松弛性，它是由长期实验得出的。松弛性是用来确定安全工作载荷，例如刚度比(SRA)：SRA = 长期刚度/短期刚度。增强的和非增强的塑料制品，标准的制定是以这种材料在应力作用下发生蠕变为前提，由于有蠕变发生，就导致这种材料的物理性

28、能将随时间的增加有所变化。因此，通常是以50年的强度为产品制造设计基础16。表8.1 不同管的松弛要求10 年50 年非 压 力 管0.750.4压 力 管0.750.4-0.58.5 水压压力试验为了使产品合格，玻璃钢管出厂前必须经过1.5倍额定工作压力8的水压测试，方法：用压力泵以一定的加压时间将清水打入两端密封的管试样里，均匀、连续加压，直至试样失效。试样失效包括下述内容：主要失效形式为爆破即瞬时或快速泄压现象；在打压过程中，管体出现渗漏现象。可观察管壁漏水现象和引起均匀连续加压过程中断的降压现象。记录微渗漏、大量渗漏以及完全爆裂时的数值，作为短时水压失效压力试验的极限压力值21，要求输

29、水时的水压不得超过此值。8.6 外观质量检测外观检验的方法的是目视检验尺寸检验主要包括管的厚度、管的平均内径、平均外径、耐腐蚀衬里层的厚度和管的直线度。巴柯尔硬度检验：主要测试制件的强度和刚度是否满足设计要求15。将所得结果与GB1446-83 纤维增强塑料性能试验方法总则的要求进行对比，若不符合标准要求，要进行重新设计试验，一定要使制品在设计上没有失误，以保证最终应用时能胜任要求。9 小结综上，在管内径d=370mm,输送介质为H2S气体，工作压力Pw=0.5MPa，使用温度为80的管道设计中，原材料中内衬层选用耐腐蚀的乙烯基聚酯树脂，无碱玻璃纤维表面毡或短切毡，厚度为2mm；结构层选用通用

30、型不饱和聚酯树脂，中碱玻璃纤维无捻粗纱，厚度为4.4 mm；外保护层选择196不饱和聚酯树脂，树脂本身耐雨水性好，但为了防止光老化，需要在树脂中加入20%UV9紫外线吸收剂, 表面毡，或中碱玻璃纤维短切毡，厚度为0.8 mm。总壁厚为7.2 mm。玻璃钢管道成型工艺采用玻璃纤维缠绕成型和手糊成型，在管道安装中选用固定支架，钢结构，支撑架间距为400cm。因为连接处不允许出现相对位移，故采用限制性连接。为了使设计操作起来更加简便，连接采用包缠对接形式，统一采用6m定长切断，与90弯管对接。再经过包缠，使气密性提高，防渗漏。经过拉伸、压缩、平行板外载、松弛校核、短时水压失效压力、外观质量检测实验并正确安装、检测合格后，即可投入使用。为期两周的复合材料制品课程设计，让我了解到复合材料的现状，发展历史以及未来的发展趋势，让我学会了如何设计