顆粒物料輸送復合管道設計畢業(yè)論文

1、目 錄1 緒論11.1 復合管道的原材料21.1.1 內襯層材料21.1.2 基體材料31.1.3 增強材料61.1.4 輔助材料71.2 玻璃鋼復合管道的應用與展望71.3 管道氣力輸送物料技術的研究進展及趨勢72 顆粒物料輸送復合管道的結構設計92.1 本課題要研究或解決的問題92.2 復合材料復合管道的設計92.2.1 設計參數(shù)92.2.2 結構形式及材料的選擇92.2.3 管道壁厚計算102.2.4 管道的校核143 復合管道成型工藝193.1 界面處理203.2 纖維纏繞制管工藝203.2.1 纏繞規(guī)律的內容和分類213.2.2 纏繞成型工藝參數(shù)223.2.3 纏繞成型工藝設計243

2、.3 管道鋪層設計273.4 外表面層制備283.5 機械控制纏繞機的選擇284 安裝、連接工藝294.1 管道的連接294.2 管道的安裝315 零件設計325.1 彎管成型工藝325.1.1 鋪層糊制335.2 鋪層設計336 玻璃鋼復合管道性能試驗及檢驗方法 356.1 復合管外觀質量檢測356.2 軸向拉伸試驗366.3 軸向壓縮試驗366.4 平行板外載試驗366.5 松弛校核366.6 水壓壓力試驗377 表面涂裝技術387.1 玻璃鋼管道的表面處理387.2 涂料的選擇387.3 涂裝技術397.4 涂層的拋光398 結論40參考文獻41致 謝431 緒論 在電力、礦山、煤炭等行

3、業(yè)中，物料的輸送都是采用遠距離管道輸送，管道承受著相當大的壓力，并經受很嚴重的磨損。輸送管道一般由直管和不同角度的彎管組成，當夾帶固體粉料的高速粉粒物料流過管道時，固體顆粒對管道產生嚴重的磨損，特別是流過彎管時，在離心力的作用下，對彎管外側內壁的磨損速度遠大于直管部位，所以管道磨損是物料管道輸送過程中存在的嚴重問題之一，每年因磨損損耗的費用就高達幾十億元1。 火電廠中輸煤、輸渣、輸灰管路需要大量耐磨管材，其中輸灰管道盡管其工作溫度不高，但磨損卻很嚴重。這些管路事故較多，應急搶修不斷，影響了安全運行，增加了維修費用，且常常造成環(huán)境污染?；以艿朗紫纫鉀Q管材問題，不但要求管材質量好、耐磨，而且價

4、格要便宜，維修方便2。鑒于這些情況，近年來，設計人員在設計管材選型中采用復合管道克服了傳統(tǒng)設計中存在的許多問題。復合管道內襯材料有鋁、不銹鋼、橡膠、塑料等。鋁內襯氣密性高，變形小，但焊接技術要求高，制造復雜，不耐腐蝕；不銹鋼內襯耐腐蝕，但密度大，兩種金屬內襯制造都比較復雜；塑料、橡膠氣密性好，耐化學腐蝕，制造工藝簡單，成本低，彈性好。橡膠內襯屬彈性材料，無剛度，不能滿足成型過程中的芯模承載作用，必須加支承結構；塑料有一定的強度和剛度，可起到內襯和芯模作用。frp/塑料復合管道是利用復合材料、防護結構性能可設計性，采用纖維纏繞或卷制工藝將纖維增強塑料(frp)纏繞于熱塑性塑料內襯管外部而制成的一

5、種新型復合結構壓力管道3。它既能有效發(fā)揮塑料內襯管的耐腐蝕、耐磨損、密封性好等性能，又具有玻璃鋼的密度低、強度高、耐腐蝕、耐低溫、抗疲勞、抗振動、抗老化，使用壽命可達50年以上的各種性能，這二者優(yōu)勢互補，揚長避短，能充分發(fā)揮復合材料性能具有可設計性的優(yōu)勢，可使復合材料管道兼具抗電性、阻燃、耐腐蝕、耐磨損、不結垢、節(jié)能降耗、 公稱壓力高達30 mpa以上、經濟合理、安全可靠等特點，適用于流體、介質輸送、尾砂、顆粒物料輸送等多種用途，應用前景極其廣闊。1.1 復合管道的原材料材料工業(yè)是一切工業(yè)的基礎，新型材料工業(yè)又是發(fā)展現(xiàn)代科學技術所必不可少的。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，單一的材料性能已無法滿足生產和社

6、會發(fā)展的需要。利用復合技術將不同特性的物質結合在一起，制成具有優(yōu)異綜合性能的復合材料應運而生。材料設計的原則如下：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(wěn)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(huán)境性能要保證結構在使用環(huán)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。frp/塑料復合管道的原材料包括：塑料、基體材料(樹脂體系)、增強材料(玻璃纖維)、輔助材料(引發(fā)劑、促進劑等)。1.1.1 內襯層材料復合管道塑料內襯層常用的塑料有高密度聚乙烯(uhmw-pe)、聚乙烯(pe

7、)、聚丙烯(pp)、硬聚氯乙烯(pvc)、尼龍(pa)等。 (1) 聚丙烯(pp)pp是比較完美的一種中高檔的耐腐蝕材料，它具有質輕、氣密性好、無毒、無污染等特點，工作溫度-45100，耐腐蝕性好，除鹽酸、氯磺酸等幾種強氧化性酸外，幾乎能耐大多數(shù)酸堿鹽類的腐蝕，特別是鹽水、鹽酸和濃堿。pp的缺陷是強度低、剛性差，以無機物填充改性，用作泵閥貯罐是完全可取的，但如用作管路，因其本身質輕不勝負荷而下垂變形，填充過量會脆裂不安全4。(2) 硬聚氯乙烯(pvc)pvc具有阻燃(阻燃值為40以上)、耐化學藥品性高(耐濃鹽酸、濃度為90%的硫酸、濃度為60%的硝酸和濃度20%的氫氧化鈉)、機械強度及電絕緣性

8、良好的優(yōu)點。但其耐熱性較差，軟化點為80，于130開始分解變色，并析出hcl。具有穩(wěn)定的物理化學性質，不溶于水、酒精、汽油，氣體、水汽滲漏性低；在常溫下可耐任何濃度的鹽酸、90%以下的硫酸、5060%的硝酸和20%以下的燒堿溶液，具有一定的抗化學腐蝕性；對鹽類相當穩(wěn)定，但能夠溶解于醚、酮、氯化脂肪烴和芳香烴等有機溶劑。此外，pvc的光、熱穩(wěn)定性較差，在100以上或經長時間陽光暴曬，就會分解產生氯化氫，并進一步自動催化分解、變色，物理機械性能迅速下降，因此在實際應用中必須加入穩(wěn)定劑以提高對熱和光的穩(wěn)定性5。(3) 尼龍(pa)pa具有良好的綜合性能，包括力學性能、耐熱性、耐磨損性、耐化學藥品性和

9、自潤滑性，且摩擦系數(shù)低，有一定的阻燃性，易于加工，適于用玻璃纖維和其它填料填充增強改性，提高性能和擴大應用范圍。pa的品種繁多，有pa6、pa66、pa11、pal2、pa46、pa610、pa612、pa1010等，以及近幾年開發(fā)的半芳香族尼龍pa6t和特種尼龍等很多新品種。pa6塑料制品可采用金屬鈉、氫氧化鈉等為主催化劑，n-乙?；簝弱０窞橹呋瘎?己內酰胺直接在模型中通過負離子開環(huán)聚合而制得。用這種方法便于制造大型塑料制件6。(4) 超高分子量聚乙烯(uhmw-pe) uhmw-pe是由乙烯在齊格勒-納塔催化體系作用下，采取低壓聚合技術制得的分子量在100萬以上的線性高密度聚乙烯，

10、是乳白色粉狀物，結構單元為(-ch2-ch2-)n。分子鏈截面積s為0.193 nm2，大分子間的作用力以色散力為主，它的內聚能密度為259 j/cm3，結構規(guī)整，易結晶，晶體強度理論值c為31 gpa，其結晶模量理論值為316 gpa，晶格中分子鏈超高分子量聚乙烯內襯特性呈平面鋸齒形。分子鏈中不含極性基團，平均分子量高，分子量分布窄，支鏈短面少，密度較高，為0.960.98 g/cm3，結晶度高4。 uhmw-pe具有突出的高模量、高韌性、高耐磨性、優(yōu)良的自潤滑性。uhmw-pe的耐磨性在已知的高聚物中名列第一，比聚四氟乙烯高6倍，耐沖擊性能比聚甲醛高14倍，比abs高4倍，消音性能好，吸水

11、率在0.01%以下，耐化學藥品性能、抗粘結性能良好，耐低溫性能優(yōu)良，電絕緣性能好，它熔融時具極高的粘彈性，臨界剪切速率極低，需要在很高的壓力下才能使其融合。由于它耐熱性能較差，一般使用溫度在100以下。由uhmw-pe為原料(礬106)加工的uhmw-pe纖維可以作為pe的自增強材料或其它樹脂基體的增強材料7-10。1.1.2 基體材料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(huán)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。(1) 不飽和聚酯樹脂不飽和聚酯樹脂是不飽和二元

12、羧酸(或酸酐)或它們與飽和二元羧酸(或酸酐)組成的混合酸與多元醇縮聚而成的，具有酯鍵和不飽和雙鍵的線型高分子化合物。通常，聚醇化縮聚反應是在190220進行，直至達到預期的酸值(或粘度)。在聚醇化縮聚反應結束后，趁熱加入一定量的乙烯基單體，配成粘稠的液體，這樣的聚合物溶液稱之為不飽和聚酯樹脂11。 不飽和聚酯樹脂的相對密度在1.111.20 g/cm3，固化時體積收縮率較大，固化樹脂的一些物理性質如下： 耐熱性絕大多數(shù)不飽和聚酯樹脂的熱變形溫度都在5060；一些耐熱性好的樹脂則可選120；線熱膨脹系數(shù)1為 (130150)10-6。 力學性能不飽和聚酯樹脂具有較高的拉伸、彎曲、壓縮等強度見表1

13、.112。表1.1 通用剛性不飽和聚酯樹脂的力學性能性 能數(shù) 值拉 伸 強 度 (mpa)4271拉 伸 彈性模量 (mpa)(2.14.5)103伸長率 (%)1.3壓縮強度 (mpa)彎曲強度 (mpa)9219060120 耐化學腐蝕性能不飽和聚醇樹脂耐水、稀酸、稀喊的性能較好，耐有機溶劑的性能差，同時，樹脂的耐化學腐蝕性能隨其化學結構和幾何形狀的不同，可以有很大的差異。 介電性能不飽和聚酯樹脂的介電性能良好，見表1.212。表1.2 通用剛性不飽和聚酯樹脂的介電性能性 能數(shù) 值體積電阻 (cm)1014擊穿電壓 (kvmm-1)1520介電常數(shù) (60hz)3.04.4功率因數(shù) (60

14、hz)耐電弧性 (s)0.003125(2) 環(huán)氧樹脂13-16環(huán)氧樹脂是泛指分子中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的有機高分子化合物，除個別外，它們的相對分子質量都不高。環(huán)氧樹脂的分子結構是以分子鏈中含有活潑的環(huán)氧基團為其特征，環(huán)氧基團可以位于分子鏈的末端、中間或成環(huán)狀結構。由于分子結構中含有括潑的環(huán)氧基團，使它們可與多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應而形成不落、不熔的具有三向網狀結構的高聚物。 環(huán)氧樹脂的性能和特性如下： 形式多樣各種樹脂，固化劑、改性劑體系幾乎可以適應各種應用對形式提出的要求，其范圍可以從極低的粘度到高熔點固體。 固化方便選用各種不同的固化劑，環(huán)氧樹脂體系幾乎可以在0180溫度范圍內

15、固化。 粘附力強環(huán)氧樹脂分子鏈中固有的極性羥基和醚鍵的存在，使其對各種物質具有很高的粘附力。環(huán)氧樹脂固化時的收縮性低，產生的內應力小，這也有助于提高粘附強度。 收縮性低環(huán)氧樹脂和所用的固化劑的反應是通過直接加成反應或樹脂分子中環(huán)氧基的開環(huán)聚合反應來進行的，沒有水或其它揮發(fā)性副產物放出。它們和不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂相比，在固化過程中顯示出很低的收縮性(小于2%)。 力學性能固化后的環(huán)氧樹脂體系具有優(yōu)良的力學性能。 電性能固化后的環(huán)氧樹脂體系是一種具有高介電性能、耐表面漏電、耐電弧的優(yōu)良絕緣材料。(3) 酚醛樹脂17-18酚醛樹脂是由酚類(苯酚、甲酚、二甲酚等)和醛類(甲醛、糠醛等)在酸或堿催化

16、劑作用下合成的縮聚物。為了能形成體型結構的高聚物，兩種原料單體的官能度總數(shù)應不少于5。一般苯酚為三官能度的單體，甲醛為二官能度的單體。碳鏈較長的甲醛同系物較難與酚類合成熱固性樹脂，但不飽和醛(如糠醛)除外。合成酚醛樹脂因選用催化劑的不同，可分為熱固性和熱塑性兩類。酚醛樹脂具有良好的耐酸性能、力學性能、耐熱性能，廣泛應用于防腐蝕工程、膠粘劑、阻燃材料、砂輪片制造等行業(yè)。1.1.3 增強材料 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

17、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。常用的有無堿和中堿玻璃纖維，其性能對比見表1.3。表1.3 無堿和中堿玻瑞纖維性能對比種類耐酸性耐水性機械強度防老化性電絕緣性成本樹脂適用條件無堿纖維一般好高較好好較高好用于強度高的場合中堿纖維好差低差低低差用于強度低的場合無堿玻纖對水、弱堿介質的化學穩(wěn)定性較高，電性能好，老化性能好，適用于接觸水的制品與電器絕緣制品，它的缺點是易被稀無機酸侵蝕。中堿玻纖價格比無堿玻纖便宜19。1.1.4 輔助材料為使樹脂按工藝要求固化，以及改進樹脂的理化性能或固化后制品的某些性能，如阻燃抗靜電、耐磨等性能，通常在樹脂配方中加入某些助劑，如

18、固化劑、引發(fā)劑、促進劑、阻燃劑、脫模劑、低收縮劑等。固化劑能使樹脂固化，是樹脂配方中不可缺少的組成部分，并且對樹脂性能有極大影響，不同樹脂的固化體系不一，即使同一種樹脂，使用環(huán)境不同，固化劑加入的量也不盡相同，需要在使用前充分試驗，確定配方后方可正式使用。在玻璃鋼中使用的不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂等溶解在乙烯基單體中，它們進行共聚反應，是要由引發(fā)劑分解產生的游離基來引發(fā)，常用的引發(fā)劑有兩種，有機過氧化物和偶氮化合物21。1.2 玻璃鋼復合管道的應用與展望隨著復合材料的迅速發(fā)展，纖維增強塑料管道在石油、化工、造紙、冶金、城市供水等工業(yè)領域得以廣泛應用。世界上一些先進國家如美國使用玻璃鋼復合管道

19、有近50年的歷史，具有較為成熟的設計、應用經驗，制訂了一系列產品標準和檢驗方法，在原材料選擇和管道安裝、施工方面也制訂了相應的規(guī)范，形成較為完善的體系。我國近10年來玻璃鋼復合管道的發(fā)展很快，先后從美國、意大利、日本等國家引進纖維纏繞玻璃鋼管道生產線及加砂管道生產線，在合成樹脂、纖維等原材料方面引進國外先進生產技術，促進了材料工業(yè)的發(fā)展，有多種牌號樹脂、纖維制品供設計選用，使之逐步配套。同時，國內制造的復合管道成型設備在生產中發(fā)揮著越來越大的作用。目前，我國已經頒布了玻璃鋼管道行業(yè)標準和產品檢驗方法，使玻璃鋼管道生產向著標準化、規(guī)范化方向發(fā)展。玻璃鋼管道在工業(yè)、海水處理、三次采油等方面的成功應

20、用增強了使用玻璃鋼管道的信心，擴大了玻璃鋼管道的應用領域。1.3 管道氣力輸送物料技術的研究進展及趨勢管道氣力輸送技術已有百余年歷史，曾在相當長的一段時間里研究和解決耗能大、物料的破碎、管道等部件的磨損以及管道的堵塞等系統(tǒng)在實際使用中出現(xiàn)的問題。在20世紀后期20余年中，低速密相氣力輸送技術的研究開發(fā)成功使氣力輸送技術從基理應用上均有一個新的質的突破，由于計算機技術的飛速發(fā)展，使以往感到棘手的氣力輸送過程管道中的復雜流態(tài)可以通過流動機構模型的建立，用數(shù)值統(tǒng)計計算法使研究不斷深化和定量化，同時由于制造技術材料工程的飛躍發(fā)展、控制技術和傳感技術的長足進步及引用使低速密相氣力輸送技術在眾多的產業(yè)領域

21、成功地應用，從而解決了以往物料破碎管道磨損高耗能等問題，并提高了系統(tǒng)的可靠性和工程的經濟性。管道氣力輸送是利用空氣為輸送介質，以系統(tǒng)內和外界的壓力差為推動力，在封閉的管線和裝置內實現(xiàn)粉狀物料的輸送。管路布置靈活，可在復雜線路上運輸(水平、垂直、傾斜、拐彎)；可用于各種不同的輸送距離，可以實現(xiàn)集中、分散、大高度(可達40 m)、長距離(可達2000 m)的各種地形輸送，不受空間條件限制；系統(tǒng)封閉，避免揚塵污染和物料損失；可以實現(xiàn)自動化，提高勞動生產率；相對來講，管道氣力輸送要較為合適一些22。管道氣力輸送系統(tǒng)有很多不同的分類，也有不同的使用范圍23-25。按空氣在輸料管道中的壓力狀態(tài)來分可分為抽

22、吸式、壓送式和混合式。抽吸式是在系統(tǒng)尾部利用真空泵使整個系統(tǒng)處于負壓，對散裝物料進行抽吸輸送?；旌鲜綒饬斔涂諝夂臀锪系幕旌衔镆ㄟ^鼓風機，磨損嚴重，故障率高，工作條件差，難于維護，因而也不適合輸送磨削性很強的粉煤灰物料。壓送式氣力輸送正壓運行，空氣壓強可以很高，可以輸送很遠的距離，并有很大的輸送能力，適合長距離大高差輸送作業(yè)。管道氣力輸送、管道水力輸送和集裝物容器式管道輸送技術均是方興未艾的新學科和邊緣學科。這三種管道技術對我國來說也是一門年輕而極具有光廣闊營運前景的有待研究開發(fā)和應用的技術。直到現(xiàn)在，不管是在理論方面還是在實際應用方面，許多問題遠未得到很好地解決。2 顆粒物料輸送復合管道的

23、結構設計2.1 本課題要研究或解決的問題本課題要設計一復合材料復合管道用于輸送粉煤灰。要求將發(fā)電廠鍋爐電除塵系統(tǒng)收集下來的粉煤灰，通過正壓氣力輸送系統(tǒng)把收集下來的粉煤灰從發(fā)電廠輸送到粉煤灰綜合利用堆場處。通過對復合管道的使用環(huán)境及所承受載荷進行分析，優(yōu)選出復合管道的基體材料、增強材料及管道的結構。要求管道的內壓為0.8 mpa，輸送距離3 m(水平)+18 m(爬高)+100 m(水平)，內徑120 mm-160 mm-180 mm。2.2 復合材料復合管道的設計2.2.1 設計參數(shù)要求設計參數(shù)：管道的內壓0.8 mpa，輸送距離3 m(水平)+18 m(爬高)+100 m(水平)，內徑120

24、 mm-160 mm-180 mm。2.2.2 結構形式及材料的選擇frp/塑料復合管道的截面結構26見圖2.1。1-塑料內襯層 2-界面層 3-結構層 4-外表層圖2.1 frp/塑料復合管道截面結構塑料內襯層1為該管道的功能層，充分利用其良好的韌性和密封性可有效地解決frp在壓力作用下的透氣性問題，大幅度地提高復合管道的承壓能力，并發(fā)揮其耐腐蝕、耐磨損等特性，使復合管道具有比強度高、承壓范圍大、輸送效率高、耐腐蝕、耐磨損等多種功能。該層選用超高分子量聚乙烯。界面層2是用適當?shù)娜軇┗蚧旌弦?如硅有機化合物、鈦酸酯、絡合物等)對塑料管表面進行處理，其作用是保證frp與塑料之間有可靠的層間粘結強

25、度和良好的界面狀態(tài)，以滿足管道在交變溫度、脈動載荷作用下穩(wěn)定工作的要求，界面處理常用的方法有機械處理法和化學處理法，其厚度以0.5 mm為宜。結構層3為frp，管道的結構力學性能取決于該層，它既要保證管道輸送過程中在1.5倍公稱壓力下不滲漏，又要不產生超出許用應變范圍的環(huán)向變形27，該層選用通用型不飽和聚酯樹脂191#，為淺黃透明液體，適于室溫成型，凝膠時間短，性能優(yōu)越。外表面層4為frp富樹脂層，根據(jù)技術要求，可設計得具有抗靜電、耐腐蝕、耐老化、耐磨等功能，該層的作用是延長復合管使用壽命。通常使用膠衣樹脂，具有良好的耐水、耐化學、耐腐蝕、耐磨、耐沖擊等性能，其力學強度高，有韌性和回彈性，固化

26、后具有良好的光澤，并可著色，達到美觀效果。 應注意的是，此種復合管道綜合技術性能的優(yōu)化和提高絕不是簡單地將frp和塑料二者性能迭加就能實現(xiàn)的，由于塑料內襯層與frp的線膨脹系數(shù)和彈性模量有較大差異。在交變溫度和脈動載荷作用下，frp與塑料內襯之間容易出現(xiàn)分層、剝離等現(xiàn)象。因此，在纏繞frp結構層時必須對塑料管進行界面處理，經合理地結構設計、材料設計，采用最佳制備工藝獲得良好的界面性能才能奏效。其中，合理控制管道的最大環(huán)向直變是設計中最為有效的技術措施。 所謂限定環(huán)向應變設計準則28，就是指在設計過程中限定frp/塑料復合管道在設計壓力條件下其最大環(huán)向應變maxl%。具體講，就是要保證復合管道的

27、塑料內襯層在零壓力初始狀態(tài)和負壓工況條件下不失穩(wěn)；在正常情況下，塑料內襯層處于低應變狀態(tài)，frp結構層處于合理的許用應變范圍內，在1.5倍設計壓力條件下，復合管壁無滴漏、滲透。2.2.3 管道壁厚計算對于纏繞管道，結構設計中采用的參數(shù)只有管壁厚度和鋪設角度。一般工業(yè)化生產的纏繞玻璃鋼管道，常采用螺旋(54.7o)纏繞成型，因此管道的設計主要是管壁厚度設計。2.2.3.1 塑料內襯層在限定環(huán)向應變設計準則中，將塑料內襯層作為一個無限長筒體處理，這樣會偏于安全，其壁厚 tp 按式(2.1)、式(2.2)計算。 (式2.1) (式2.2)式中： r塑料內襯管半徑，mm； 內襯塑料的泊松比，取=0.3

28、5；ep 內襯塑料的壓縮彈性模量，mpa；tp 塑料內襯管壁厚，mm；pcr 臨界外壓值，mpa。tp 值是以保證塑料內襯管在零壓力的初始狀態(tài)下承受來自纏繞纖維的張力和frp結構層面化收縮的應力聯(lián)合作用的均勻外壓不失穩(wěn)為界條件求出的。一般纖維纏繞張力施加于塑料內襯的外壓約為管道爆破壓力的10%，即pcf =0.01p。如僅考慮這一種均勻外壓，則pcr =pcf =0.01p，即：pcr =0.01p=0.010.81.5 mpa=0.012 mpa由曲英鴻主編的塑料手冊查得，內襯層塑料uhmw-pe的彈性模量ep為0.411.0 gpa，取ep=0.5 gpa，則由式(2.2)可求的不同內徑塑

29、料內襯管壁厚分別為： =1204(10.352)0.012/（0.5103）-3= 2.1 mm=1604(10.352)0.012/（0.5103）-3=2.9 mm=1804(10.352)0.012/（0.5103）-3=3.2 mm則三種管的塑料內襯層的外徑分別為：d1=120+2.142 mm=124.2 mmd2=160+2.852 mm=165.7 mmd3=180+3.212 mm=186.4 mm2.2.3.2 frp結構層frp/塑料復合管道結構層壁厚tf 按式(2.3)計算； tf =kpd/2 (式2.3)式中： 環(huán)向許用應力，mpa，取=0.01e；d公稱直徑，mm，

30、計算中取d等于塑料內襯管外徑值；p設計壓力，mpa；efrp拉伸彈性模量，mpa，取e=1.6104 mpa；k安全系數(shù)，一般k取值為610。有時也可按式(2.4)計算。 k=k1k2 (式2.4)式中： k1溫度影響系數(shù)，取12.5； k2使用期限系數(shù)，取1.52。復合管道在基準溫度20下的耐壓等級，稱為公稱壓力。由于frp力學性能隨溫度的升高而降低，所以應按管道輸送升質溫度和frp彈性模量與溫度的關系來選取相應的溫度影響系數(shù)。在-5080范圍內，溫度影響系數(shù)的取值為：當t25，k1 =1；t=45，k1=l.3；t=60，k1=l.5；t=80，k1=2，即k1=l2。面對使用溫度8018

31、0的復合管道結構層，則選用耐溫性好的酚醛樹脂或其它耐溫樹脂作為基體材料，一般取k1=22.5。復合管道的最高使用年限按20年計，根據(jù)纖維增強聚酯復合材料大氣暴曬10年，其拉仲彈性模量保留率為68%72%，20年其保留率約為60%，且10年后其性能趨于穩(wěn)定。因此，當復合管道設計使用期10年時，取k2=2.0。選取k1時之所以未考慮溫度對塑料內襯的影響，原因是：(1) 塑料內襯管的種類是根據(jù)其耐溫性選定的；(2) frp與塑料復合后可有效地提高塑料管的熱穩(wěn)定性并提高其許用溫度值1020；(3) 設計中復合管道的力學性能由frp結構層提供，未計入塑料管提供的強度。在同一溫度范圍內由frp熱膨脹所產生

32、的熱變形、熱應力要比由溫度上升引起的材料彈性模量、強度降低值低得多，因此暫不考慮，在有特殊要求時再行計算。由以上分析可知，取k1=2，k2=2，則k= k1k2=22=4在式(2.3)中，中堿玻璃纖維纏繞層的環(huán)向強度取值為160 mpa，見表2.1。且結構層計算中未計入塑料內襯層作用，因此，其實際安全系數(shù)值為計算所得安全系數(shù)值的兩倍以上，為k=4.59.0，則計算時取k=8。表2.1 纏繞聚酯玻璃鋼管物理力學性能7項目數(shù)值項目數(shù)值密度(g/cm3)1.61.9軸向彎曲模量/mpa(0.81.1)104環(huán)向拉伸強度/mpa130230水壓失效壓力/mpa120230環(huán)向拉伸模量/mpa(1.72

33、.6)104沖擊強度(j/cm2)19.0軸向拉伸強度/mpa85160熱膨脹系數(shù)/cm/(cm)(11.219.6)10-4軸向拉伸模量/mpa(0.81.3) 104導熱系數(shù)/w/(m)0.267環(huán)向彎曲強度/mpa130230吸水率/%0.2環(huán)向彎曲模量/mpa(0.91.3) 104巴氏硬度40軸向彎曲強度/mpa100150由式(2.3)可求的三種不同frp/塑料復合管道結構層壁厚tf1、tf2、tf3分別為： tf1=kpd1/2=80.81.5124.28/(20.011.6104) mm=3.8 mm tf2=kpd2/2=80.81.5165.70/(20.011.6104)

34、 mm=5.0 mm tf3=kpd3/2=80.81.5186.42/(20.011.6104) mm=5.6 mm經計算和工程實踐表明，用超高分子量聚乙烯內襯管，常溫使用，設計壓力10 mpa，按輕工部sg78-75標準選用輕型管即可。由以上論述，便可得frp/塑料復合管壁厚表達式：t=tf +tp+c (式2.5)式中：cfrp外表面層厚度，一般取c=0.5 mm。則三種不同內徑的frp/塑料復合管壁厚t1、t2、t3分別為：t1 = tf1+tp1+c=(3.8+2.1+0.5+0.5) mm =6.9 mmt2 = tf2+tp2+c=(5.0+2.9+0.5+0.5) mm =8.

35、9 mmt3= tf3+tp3+c=(5.6+3.2+0.5+0.5) mm =9.8 mm2.2.4 管道的校核2.2.4.1 塑料內襯層的穩(wěn)定性校核據(jù)測試，當結構層固化收縮后一般會使塑料內襯管產生0.2%的收縮率，這是frp層固化收縮對塑料內襯管產生均勻徑向外壓力的結果。按照式(2.1)進行簡化計算可推導出固化收縮所形成的外壓pc0.010.02p。因此，臨界壓力pcr=pc+pcf 0. 020.03p。以此徑向外壓力作為臨界壓力計算內襯管壁厚，計算公式為： pc=fep(tp /d)3 (式2.6)式中：pc固化收縮臨界壓力，mpa；tp塑料內襯管壁厚，mm；d塑料內襯管外徑，mm；f

36、管的失穩(wěn)系數(shù)。式（2.6）可校核塑料內襯層的穩(wěn)定性。三種不同內徑的pc分別為：=80.5103(2.14/124.28)3 mpa=0.0204 mpa=80.5103(2.85/165.70)3 mpa=0.0203 mpa=80.5103(3.21/186.42)3 mpa=0.0203 mpa而臨界壓力0. 020.03p0.020.024 mpa，未超過臨界壓力，滿足其設計要求。2.2.4.2 管道的強度校核玻璃鋼管道的強度校核需考慮管的軸向應力、環(huán)向應力。架空管可簡化成在支撐兩端固定，受均布荷載的梁來處理。此時管道上的均布荷載q由管壁自重(玻璃鋼的密度)和所輸送介質重(粉煤灰的密度為

37、0.5311.261g/cm3，取0.78 g/cm3)之和組成?？捎墒?2.7)計算。 (式2.7)式中： q均布荷載，n/m； d管道內徑，m； t管道壁厚，m。即： = (0.12+20.0069)2-0.122 1.8+ 0.1220.78 =0.0144 t/m=144 n/m =(0.16+20.0089)2-0.162 1.8+ 0.1620.78 =0.024 t/m=240 n/m=(0.18+20.0098)2-0.182 1.8+ 0.1820.78 =0.03 t/m=300 n/m當風壓不可忽略時，q中應選加風荷。風載荷qf可利用當?shù)刈畲箫L速v，根據(jù)建筑荷載設計規(guī)范，

38、由式(2.8)計算。 (式2.8) 式中： g重力加速度，取9.8 m/s2； r空氣密度，0.8 mpa，25時為9.35 kg/m3。 由風力等級表知，9級風速為20.8 m/s24.4 m/s，則：=2029.35/（29.8）=190.8 pa玻璃鋼架空管道的平均半徑為r1、r2、r3，其值分別為67 mm，89 mm，100 mm。單層的縱向為圓筒的環(huán)向，圓管在工作壓力為時，近似按薄壁圓筒計算環(huán)向應力，表達式為式(2.9)。 (式2.9)式中： 應力，mpa； t 管道壁厚，mm；分別代入數(shù)據(jù)得： 16.3 mpa 17.3 mpa軸向應力分別為： 7.5 mpa8.2 mpa8.7

39、 mpa由表2.1知：軸向拉伸強度85 mpa160 mpa，環(huán)向拉伸強度在式(2.3)取值為160 mpa。則用最大應力失效準則式(2.10）校核： ， (式2.10)得： ，所以，該玻璃鋼復合管道設計是安全的。2.2.4.3 管道的剛度校核架空管道是用管架、吊架或托架來支承的，兩支承點之間的距離稱為管道跨距。在確保管道安全的情況下，應盡可能地擴大管道的跨度，現(xiàn)按照強度條件確定管道跨度的計算公式。設玻璃鋼管的軸向許應力由式(2.11)可求得：= (式2.11)式中：n 軸向安全系數(shù)。代入數(shù)據(jù)得：1=3.8 mpa ； 2=4.1 mpa ； 3=4.4 mpa?？紤]到內壓作用引起的軸向應力，

40、得組合軸向應力作用下的強度條件為： (式2.12) 則可解得管道支承間最大跨距l(xiāng)m為： (式2.13) 式中： w 管道抗彎截面模量，mm3，w= ； d管道外徑，mm； d 管道內徑，mm； q 管道單位長度的載荷，包括管道自重，介質重量，n/m； p 管內最大工作壓力，mpa； t 管道結構層壁厚，mm； tl管道內襯層壁厚，mm。代入數(shù)據(jù)得： w1=8.4104 mm3 lm1=2.1103 mmw3=2.7105 mm3 lm3=5.2103 mm按類似于求lm的方法，得最大邊跨距離le為le=0.816lm即： le1=1.7 103 mm le2=4.2 103 mm則應分別取值為

41、2.0 103 mm和4.6 103 mm。不同管徑玻璃鋼管截面慣性矩io分別為： =(6.694-64)=555 cm4=(8.894-84)=1578 cm4=(9.984-94)=2482 cm4將io代入下式，檢驗其撓度是否小于6.5 mm，如大于6.5 mm，則應增加壁厚。=(0.144+0.191)4604/(3849000555)=6.1 mm6.5 mm =(0.240+0.191)4604/(38490001578)=3.5 mm6.5 mm =(0.300+0.191)4604/(38490002482)=2.6 mm6.5 mm經計算均滿足剛度要求。綜上計算結果，不同內徑

42、的復合管道內襯層厚度分別為2.1 mm、2.9 mm、3.2 mm；界面層厚度為0.5 mm；結構層厚度分別為3.8 mm、5.0 mm、5.6 mm；外保護層厚度為0.5 mm，總壁厚分別為6.9 mm、8.9 mm、9.8 mm。3 復合管道成型工藝(1) 成型工藝選擇原則 組織復合材料制品生產時，成型方法的選擇必須同時滿足材料性能、產品質量和經濟效益等基本要求，具體應考慮如下方面： 產品外形構造及尺寸大??； 滿足材料性能和產品質量要求，如材料的物理化學性能要求，產品強度及表面質量要求； 產品生產批量大小，供貨時間； 工廠設備條件，流動資金及技術水平等； 經濟效益，要綜合考慮生產條件，保證

43、企業(yè)盈利。(2) 成型方法選擇 一般來講，產品尺寸精度和外觀質量要求高的大批量、中小型產品，應選擇模壓成型工藝；大型產品，如漁船、雷達罩等，則常采用手糊工藝；壓力容器及管道，可采用纏繞成型工藝。本設計主要采用纖維纏繞制管工藝。(3) 工藝技術要求復合管道具有優(yōu)異的綜合技術性能，但絕不是簡單地將frp和塑料二者性能進行迭加就能實現(xiàn)的，必須經過合理的結構設計、材料設計和工藝設計才能實現(xiàn)。為達到規(guī)定的技術指標，必須滿足下述要求： 工藝流程合理(工藝流程圖如圖3.1所示)，各工序間相互配合協(xié)調，工藝參數(shù)合理，可行； 界面層處理方法得當，尤其要注意管端接頭部位界面質量，確保其粘結可靠、不滲透； 配方合理

44、，注意選材，以保證表面層的技術功能達到相應的技術指標。圖3.1 frp/塑料復合管道工藝流程圖3.1 界面處理由于常用塑料內襯層為非極性材料，加之塑料與frp的線膨脹系數(shù)和彈性模量有較大差異，如處理不當，在交變溫度和脈動載荷作用下將會導致frp與塑料內襯之間粘接不牢，出現(xiàn)脫粘、分層、剝離等現(xiàn)象。因此，在纏繞frp結構層之前必須對塑料管進行界面處理。常用的方法有機械處理法和化學處理法。機械法是對塑料管外表面進行磨削打毛或噴砂處理。在離管端面1 m距離內，塑料管表面必須100%打毛，其余部位的表面磨削打毛率不能低于80%。對聚乙烯、聚丙烯等非極性塑料管在打毛的同時應參照車削螺紋的方法磨削出深度不小

45、0.3 mm的連續(xù)螺旋溝槽，尤其在管端其溝槽間的“螺距”不大于5 mm，也只有這樣才能確保復合管的界面壓剪強度大于5.0 mpa?；瘜W處理法是用適當?shù)娜軇┗蚧旌弦?如硅有機化合物、鈦酸酯、絡合物等)對塑料管表面進行處理，使其成為極性分子表面。表面經化學處理、水洗、干燥后，再在其表面涂界面粘合劑，其厚度以0.5 mm為宜，待粘合劑干燥或成膜后便可進行常溫模壓和纏繞成型。3.2 纖維纏繞制管工藝復合材料管道的成型工藝很多，成熟的制造方法有手糊成型、預浸布卷管成型、纖維纏繞成型、拉擠-纏繞成型、pvc-玻璃鋼復合管成型和離心澆鑄成型等等。本設計主要采用纖維纏繞制管工藝。纖維纏繞制管工藝是將連續(xù)玻璃纖

46、維，浸漬樹脂膠液后，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經固化、脫模、獲得管材。根據(jù)纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學狀態(tài)不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。 (1) 干法纏繞 干法纏繞是采用經過預浸膠處理(樹脂處于b階段)的預浸紗或帶，在纏繞機上經加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。由于預浸紗(或帶)是專業(yè)生產，能嚴格控制樹脂含量(精確到2%以內)和兩浸紗質量。因此，干法纏繞能夠準確地控制產品質量。(2)濕法纏繞 濕法纏繞是將纖維集束(紗式帶)浸膠后，在張力控制下直接纏繞到芯模上。(3)半干法纏繞 半干法纏繞是纖維浸膠后，到纏繞至芯模的途中，增加一套烘干設備。將浸膠紗中的溶劑除去，與干法相比：

47、省去了預浸膠工序和設備；與濕法相比，可使制品中的氣泡含量降低。三種纏繞方法中，以濕法纏繞應用最普遍，干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術領域。本設計采用濕法纏繞。3.2.1 纏繞規(guī)律的內容和分類任何一種纏繞類型，都是由芯模與繞絲頭做相對運動完成的。如果任意地將纖維纏到芯模上去，那是非常容易的，但是這樣繞出來的制品有的地方堆積得很厚。有的地方沒有纖維，有的地方架空。顯然，這樣的纏繞不能滿足制品的設計要求。纖維成型的目的是要把纖維按一定的規(guī)律均勻地布滿在整個芯模表面上，這種規(guī)律就是纏繞規(guī)律。研究纏繞規(guī)律的目的，是要找出制品的結構尺寸與線型、芯模與繞絲頭之間的定量關系。關鍵問題是纏繞的線型。就筒形

48、壓力容器而言，可分為環(huán)向纏繞、縱向纏繞和螺旋纏繞三種類型，而環(huán)向纏繞和縱向纏繞廣義上就是螺旋纏繞，只是螺旋纏繞特殊的纏繞角度。(1) 環(huán)向纏繞纏繞時，芯模繞自己軸線作勻速轉動，繞絲頭在平行與芯模軸線方向均勻緩慢地移動，芯模每轉一周，繞絲頭向前移動一個紗片寬度，如此循環(huán)直至紗片均勻布滿芯模筒身段為止。環(huán)向纏繞只在筒身段進行，不能纏封頭，鄰近紗片之間相接而不相交。纏繞角度一般為 8590。環(huán)向纏繞的纖維方向即為筒體的一個主應力方向，較好地利用了纖維的單向強度。所以一般內壓容器的成型都是采用環(huán)向纏繞和縱向纏繞結合的方式。(2) 縱向纏繞縱向纏繞又稱平面纏繞。這種纏繞規(guī)律的特點是繞絲頭在固定平面內做圓

49、周運動，芯模繞自己的軸線做慢速間隙轉動，繞絲頭每轉一周，芯模轉過一個微小角度反映在芯模表面上是一個紗片寬度。紗片和芯模軸線之間成 025的交角，纖維軌跡是一條單圓平面封閉曲線。(3) 螺旋纏繞螺旋纏繞又稱測地線纏繞。纏繞時，芯模繞自己軸線勻速轉動，繞絲頭按特定速度沿芯模軸線方向往復運動，于是在芯模的筒身和封頭上就實現(xiàn)了螺旋纏繞，其纏繞角約為 1585。螺旋纏繞的特點是每條纖維都對應極孔圓周上的一個切點；相同方向鄰近紗片之間相接而不相交。因此，當纖維均勻纏滿芯模表面時，就形成了雙纖維層。3.2.2 纏繞成型工藝參數(shù) 纏繞成型的主要工藝參數(shù)是：纖維烘干溫度和時間、浸膠方式和含膠量、膠紗烘干溫度及時間、纏繞張力、纏繞規(guī)律、固化制度、脫模方式等。3.2.2.1 纖維處理 纏繞成型用的玻璃纖維一般都選用tex1200、2400和4800纏繞專用紗，這種纏繞用玻璃纖維粗紗都是采用增強型浸潤劑，但使用前應進行烘干，除去存放中纖維表面吸附的水分。芳綸纖維的烘干處理時間應更長些。 纖維烘干處理制度視其含水量和紗筒大小而定，一般用的玻璃纖維無捻粗紗是在6080下烘干24 h，用烘干紗纏繞的制品強度比未經烘干紗的強度高4%。3.2.2.2 浸膠和含膠量 含膠量對制品的性能影響很大，表現(xiàn)在： (1) 影響制品的質量和厚度； (2) 含膠量過高能使制品強度降低，氣密性提高； (3)