颗粒物料输送复合管道设计 毕业论文.doc

目 录1 绪论11.1 复合管道的原材料21.1.1 内衬层材料21.1.2 基体材料31.1.3 增强材料61.1.4 辅助材料71.2 玻璃钢复合管道的应用与展望71.3 管道气力输送物料技术的研究进展及趋势72 颗粒物料输送复合管道的结构设计92.1 本课题要研究或解决的问题92.2 复合材料复合管道的设计92.2.1 设计参数92.2.2 结构形式及材料的选择92.2.3 管道壁厚计算102.2.4 管道的校核143 复合管道成型工艺193.1 界面处理203.2 纤维缠绕制管工艺203.2.1 缠绕规律的内容和分类213.2.2 缠绕成型工艺参数223.2.3 缠绕成型工艺设计243.3 管道铺层设计273.4 外表面层制备283.5 机械控制缠绕机的选择284 安装、连接工艺294.1 管道的连接294.2 管道的安装315 零件设计325.1 弯管成型工艺325.1.1 铺层糊制335.2 铺层设计336 玻璃钢复合管道性能试验及检验方法 356.1 复合管外观质量检测356.2 轴向拉伸试验366.3 轴向压缩试验366.4 平行板外载试验366.5 松弛校核366.6 水压压力试验377 表面涂装技术387.1 玻璃钢管道的表面处理387.2 涂料的选择387.3 涂装技术397.4 涂层的抛光398 结论40参考文献41致 谢43第ii页 第页中北大学2011届毕业设计说明书1 绪论 在电力、矿山、煤炭等行业中，物料的输送都是采用远距离管道输送，管道承受着相当大的压力，并经受很严重的磨损。输送管道一般由直管和不同角度的弯管组成，当夹带固体粉料的高速粉粒物料流过管道时，固体颗粒对管道产生严重的磨损，特别是流过弯管时，在离心力的作用下，对弯管外侧内壁的磨损速度远大于直管部位，所以管道磨损是物料管道输送过程中存在的严重问题之一，每年因磨损损耗的费用就高达几十亿元1。 火电厂中输煤、输渣、输灰管路需要大量耐磨管材，其中输灰管道尽管其工作温度不高，但磨损却很严重。这些管路事故较多，应急抢修不断，影响了安全运行，增加了维修费用，且常常造成环境污染。灰渣管道首先要解决管材问题，不但要求管材质量好、耐磨，而且价格要便宜，维修方便2。鉴于这些情况，近年来，设计人员在设计管材选型中采用复合管道克服了传统设计中存在的许多问题。复合管道内衬材料有铝、不锈钢、橡胶、塑料等。铝内衬气密性高，变形小，但焊接技术要求高，制造复杂，不耐腐蚀；不锈钢内衬耐腐蚀，但密度大，两种金属内衬制造都比较复杂；塑料、橡胶气密性好，耐化学腐蚀，制造工艺简单，成本低，弹性好。橡胶内衬属弹性材料，无刚度，不能满足成型过程中的芯模承载作用，必须加支承结构；塑料有一定的强度和刚度，可起到内衬和芯模作用。frp/塑料复合管道是利用复合材料、防护结构性能可设计性，采用纤维缠绕或卷制工艺将纤维增强塑料(frp)缠绕于热塑性塑料内衬管外部而制成的一种新型复合结构压力管道3。它既能有效发挥塑料内衬管的耐腐蚀、耐磨损、密封性好等性能，又具有玻璃钢的密度低、强度高、耐腐蚀、耐低温、抗疲劳、抗振动、抗老化，使用寿命可达50年以上的各种性能，这二者优势互补，扬长避短，能充分发挥复合材料性能具有可设计性的优势，可使复合材料管道兼具抗电性、阻燃、耐腐蚀、耐磨损、不结垢、节能降耗、 公称压力高达30 mpa以上、经济合理、安全可靠等特点，适用于流体、介质输送、尾砂、颗粒物料输送等多种用途，应用前景极其广阔。1.1 复合管道的原材料材料工业是一切工业的基础，新型材料工业又是发展现代科学技术所必不可少的。随着现代科技的发展，单一的材料性能已无法满足生产和社会发展的需要。利用复合技术将不同特性的物质结合在一起，制成具有优异综合性能的复合材料应运而生。材料设计的原则如下：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。frp/塑料复合管道的原材料包括：塑料、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)。1.1.1 内衬层材料复合管道塑料内衬层常用的塑料有高密度聚乙烯(uhmw-pe)、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、硬聚氯乙烯(pvc)、尼龙(pa)等。 (1) 聚丙烯(pp)pp是比较完美的一种中高档的耐腐蚀材料，它具有质轻、气密性好、无毒、无污染等特点，工作温度-45100，耐腐蚀性好，除盐酸、氯磺酸等几种强氧化性酸外，几乎能耐大多数酸碱盐类的腐蚀，特别是盐水、盐酸和浓碱。pp的缺陷是强度低、刚性差，以无机物填充改性，用作泵阀贮罐是完全可取的，但如用作管路，因其本身质轻不胜负荷而下垂变形，填充过量会脆裂不安全4。(2) 硬聚氯乙烯(pvc)pvc具有阻燃(阻燃值为40以上)、耐化学药品性高(耐浓盐酸、浓度为90%的硫酸、浓度为60%的硝酸和浓度20%的氢氧化钠)、机械强度及电绝缘性良好的优点。但其耐热性较差，软化点为80，于130开始分解变色，并析出hcl。具有稳定的物理化学性质，不溶于水、酒精、汽油，气体、水汽渗漏性低；在常温下可耐任何浓度的盐酸、90%以下的硫酸、5060%的硝酸和20%以下的烧碱溶液，具有一定的抗化学腐蚀性；对盐类相当稳定，但能够溶解于醚、酮、氯化脂肪烃和芳香烃等有机溶剂。此外，pvc的光、热稳定性较差，在100以上或经长时间阳光暴晒，就会分解产生氯化氢，并进一步自动催化分解、变色，物理机械性能迅速下降，因此在实际应用中必须加入稳定剂以提高对热和光的稳定性5。(3) 尼龙(pa)pa具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，有一定的阻燃性，易于加工，适于用玻璃纤维和其它填料填充增强改性，提高性能和扩大应用范围。pa的品种繁多，有pa6、pa66、pa11、pal2、pa46、pa610、pa612、pa1010等，以及近几年开发的半芳香族尼龙pa6t和特种尼龙等很多新品种。pa6塑料制品可采用金属钠、氢氧化钠等为主催化剂，n-乙酰基己内酰胺为助催化剂，使-己内酰胺直接在模型中通过负离子开环聚合而制得。用这种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是由乙烯在齐格勒-纳塔催化体系作用下，采取低压聚合技术制得的分子量在100万以上的线性高密度聚乙烯，是乳白色粉状物，结构单元为(-ch2-ch2-)n。分子链截面积s为0.193 nm2，大分子间的作用力以色散力为主，它的内聚能密度为259 j/cm3，结构规整，易结晶，晶体强度理论值c为31 gpa，其结晶模量理论值为316 gpa，晶格中分子链超高分子量聚乙烯内衬特性呈平面锯齿形。分子链中不含极性基团，平均分子量高，分子量分布窄，支链短面少，密度较高，为0.960.98 g/cm3，结晶度高4。 uhmw-pe具有突出的高模量、高韧性、高耐磨性、优良的自润滑性。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，耐冲击性能比聚甲醛高14倍，比abs高4倍，消音性能好，吸水率在0.01%以下，耐化学药品性能、抗粘结性能良好，耐低温性能优良，电绝缘性能好，它熔融时具极高的粘弹性，临界剪切速率极低，需要在很高的压力下才能使其融合。由于它耐热性能较差，一般使用温度在100以下。由uhmw-pe为原料(矾106)加工的uhmw-pe纤维可以作为pe的自增强材料或其它树脂基体的增强材料7-10。1.1.2 基体材料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。(1) 不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂是不饱和二元羧酸(或酸酐)或它们与饱和二元羧酸(或酸酐)组成的混合酸与多元醇缩聚而成的，具有酯键和不饱和双键的线型高分子化合物。通常，聚醇化缩聚反应是在190220进行，直至达到预期的酸值(或粘度)。在聚醇化缩聚反应结束后，趁热加入一定量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂11。 不饱和聚酯树脂的相对密度在1.111.20 g/cm3，固化时体积收缩率较大，固化树脂的一些物理性质如下： 耐热性绝大多数不饱和聚酯树脂的热变形温度都在5060；一些耐热性好的树脂则可选120；线热膨胀系数1为 (130150)10-6。 力学性能不饱和聚酯树脂具有较高的拉伸、弯曲、压缩等强度见表1.112。表1.1 通用刚性不饱和聚酯树脂的力学性能性 能数 值拉 伸 强 度 (mpa)4271拉 伸 弹性模量 (mpa)(2.14.5)103伸长率 (%)1.3压缩强度 (mpa)弯曲强度 (mpa)9219060120 耐化学腐蚀性能不饱和聚醇树脂耐水、稀酸、稀喊的性能较好，耐有机溶剂的性能差，同时，树脂的耐化学腐蚀性能随其化学结构和几何形状的不同，可以有很大的差异。 介电性能不饱和聚酯树脂的介电性能良好，见表1.212。表1.2 通用刚性不饱和聚酯树脂的介电性能性 能数 值体积电阻 (cm)1014击穿电压 (kvmm-1)1520介电常数 (60hz)3.04.4功率因数 (60hz)耐电弧性 (s)0.003125(2) 环氧树脂13-16环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有括泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不落、不熔的具有三向网状结构的高聚物。 环氧树脂的性能和特性如下： 形式多样各种树脂，固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种应用对形式提出的要求，其范围可以从极低的粘度到高熔点固体。 固化方便选用各种不同的固化剂，环氧树脂体系几乎可以在0180温度范围内固化。 粘附力强环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度。 收缩性低环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出。它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性(小于2%)。 力学性能固化后的环氧树脂体系具有优良的力学性能。 电性能固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料。(3) 酚醛树脂17-18酚醛树脂是由酚类(苯酚、甲酚、二甲酚等)和醛类(甲醛、糠醛等)在酸或碱催化剂作用下合成的缩聚物。为了能形成体型结构的高聚物，两种原料单体的官能度总数应不少于5。一般苯酚为三官能度的单体，甲醛为二官能度的单体。碳链较长的甲醛同系物较难与酚类合成热固性树脂，但不饱和醛(如糠醛)除外。合成酚醛树脂因选用催化剂的不同，可分为热固性和热塑性两类。酚醛树脂具有良好的耐酸性能、力学性能、耐热性能，广泛应用于防腐蚀工程、胶粘剂、阻燃材料、砂轮片制造等行业。1.1.3 增强材料 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。常用的有无碱和中碱玻璃纤维，其性能对比见表1.3。表1.3 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无碱玻纤对水、弱碱介质的化学稳定性较高，电性能好，老化性能好，适用于接触水的制品与电器绝缘制品，它的缺点是易被稀无机酸侵蚀。中碱玻纤价格比无碱玻纤便宜19。1.1.4 辅助材料为使树脂按工艺要求固化，以及改进树脂的理化性能或固化后制品的某些性能，如阻燃抗静电、耐磨等性能，通常在树脂配方中加入某些助剂，如固化剂、引发剂、促进剂、阻燃剂、脱模剂、低收缩剂等。固化剂能使树脂固化，是树脂配方中不可缺少的组成部分，并且对树脂性能有极大影响，不同树脂的固化体系不一，即使同一种树脂，使用环境不同，固化剂加入的量也不尽相同，需要在使用前充分试验，确定配方后方可正式使用。在玻璃钢中使用的不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂等溶解在乙烯基单体中，它们进行共聚反应，是要由引发剂分解产生的游离基来引发，常用的引发剂有两种，有机过氧化物和偶氮化合物21。1.2 玻璃钢复合管道的应用与展望随着复合材料的迅速发展，纤维增强塑料管道在石油、化工、造纸、冶金、城市供水等工业领域得以广泛应用。世界上一些先进国家如美国使用玻璃钢复合管道有近50年的历史，具有较为成熟的设计、应用经验，制订了一系列产品标准和检验方法，在原材料选择和管道安装、施工方面也制订了相应的规范，形成较为完善的体系。我国近10年来玻璃钢复合管道的发展很快，先后从美国、意大利、日本等国家引进纤维缠绕玻璃钢管道生产线及加砂管道生产线，在合成树脂、纤维等原材料方面引进国外先进生产技术，促进了材料工业的发展，有多种牌号树脂、纤维制品供设计选用，使之逐步配套。同时，国内制造的复合管道成型设备在生产中发挥着越来越大的作用。目前，我国已经颁布了玻璃钢管道行业标准和产品检验方法，使玻璃钢管道生产向着标准化、规范化方向发展。玻璃钢管道在工业、海水处理、三次采油等方面的成功应用增强了使用玻璃钢管道的信心，扩大了玻璃钢管道的应用领域。1.3 管道气力输送物料技术的研究进展及趋势管道气力输送技术已有百余年历史，曾在相当长的一段时间里研究和解决耗能大、物料的破碎、管道等部件的磨损以及管道的堵塞等系统在实际使用中出现的问题。在20世纪后期20余年中，低速密相气力输送技术的研究开发成功使气力输送技术从基理应用上均有一个新的质的突破，由于计算机技术的飞速发展，使以往感到棘手的气力输送过程管道中的复杂流态可以通过流动机构模型的建立，用数值统计计算法使研究不断深化和定量化，同时由于制造技术材料工程的飞跃发展、控制技术和传感技术的长足进步及引用使低速密相气力输送技术在众多的产业领域成功地应用，从而解决了以往物料破碎管道磨损高耗能等问题，并提高了系统的可靠性和工程的经济性。管道气力输送是利用空气为输送介质，以系统内和外界的压力差为推动力，在封闭的管线和装置内实现粉状物料的输送。管路布置灵活，可在复杂线路上运输(水平、垂直、倾斜、拐弯)；可用于各种不同的输送距离，可以实现集中、分散、大高度(可达40 m)、长距离(可达2000 m)的各种地形输送，不受空间条件限制；系统封闭，避免扬尘污染和物料损失；可以实现自动化，提高劳动生产率；相对来讲，管道气力输送要较为合适一些22。管道气力输送系统有很多不同的分类，也有不同的使用范围23-25。按空气在输料管道中的压力状态来分可分为抽吸式、压送式和混合式。抽吸式是在系统尾部利用真空泵使整个系统处于负压，对散装物料进行抽吸输送。混合式气力输送空气和物料的混合物要通过鼓风机，磨损严重，故障率高，工作条件差，难于维护，因而也不适合输送磨削性很强的粉煤灰物料。压送式气力输送正压运行，空气压强可以很高，可以输送很远的距离，并有很大的输送能力，适合长距离大高差输送作业。管道气力输送、管道水力输送和集装物容器式管道输送技术均是方兴未艾的新学科和边缘学科。这三种管道技术对我国来说也是一门年轻而极具有光广阔营运前景的有待研究开发和应用的技术。直到现在，不管是在理论方面还是在实际应用方面，许多问题远未得到很好地解决。2 颗粒物料输送复合管道的结构设计2.1 本课题要研究或解决的问题本课题要设计一复合材料复合管道用于输送粉煤灰。要求将发电厂锅炉电除尘系统收集下来的粉煤灰，通过正压气力输送系统把收集下来的粉煤灰从发电厂输送到粉煤灰综合利用堆场处。通过对复合管道的使用环境及所承受载荷进行分析，优选出复合管道的基体材料、增强材料及管道的结构。要求管道的内压为0.8 mpa，输送距离3 m(水平)+18 m(爬高)+100 m(水平)，内径120 mm-160 mm-180 mm。2.2 复合材料复合管道的设计2.2.1 设计参数要求设计参数：管道的内压0.8 mpa，输送距离3 m(水平)+18 m(爬高)+100 m(水平)，内径120 mm-160 mm-180 mm。2.2.2 结构形式及材料的选择frp/塑料复合管道的截面结构26见图2.1。1-塑料内衬层 2-界面层 3-结构层 4-外表层图2.1 frp/塑料复合管道截面结构塑料内衬层1为该管道的功能层，充分利用其良好的韧性和密封性可有效地解决frp在压力作用下的透气性问题，大幅度地提高复合管道的承压能力，并发挥其耐腐蚀、耐磨损等特性，使复合管道具有比强度高、承压范围大、输送效率高、耐腐蚀、耐磨损等多种功能。该层选用超高分子量聚乙烯。界面层2是用适当的溶剂或混合液(如硅有机化合物、钛酸酯、络合物等)对塑料管表面进行处理，其作用是保证frp与塑料之间有可靠的层间粘结强度和良好的界面状态，以满足管道在交变温度、脉动载荷作用下稳定工作的要求，界面处理常用的方法有机械处理法和化学处理法，其厚度以0.5 mm为宜。结构层3为frp，管道的结构力学性能取决于该层，它既要保证管道输送过程中在1.5倍公称压力下不渗漏，又要不产生超出许用应变范围的环向变形27，该层选用通用型不饱和聚酯树脂191#，为浅黄透明液体，适于室温成型，凝胶时间短，性能优越。外表面层4为frp富树脂层，根据技术要求，可设计得具有抗静电、耐腐蚀、耐老化、耐磨等功能，该层的作用是延长复合管使用寿命。通常使用胶衣树脂，具有良好的耐水、耐化学、耐腐蚀、耐磨、耐冲击等性能，其力学强度高，有韧性和回弹性，固化后具有良好的光泽，并可着色，达到美观效果。 应注意的是，此种复合管道综合技术性能的优化和提高绝不是简单地将frp和塑料二者性能迭加就能实现的，由于塑料内衬层与frp的线膨胀系数和弹性模量有较大差异。在交变温度和脉动载荷作用下，frp与塑料内衬之间容易出现分层、剥离等现象。因此，在缠绕frp结构层时必须对塑料管进行界面处理，经合理地结构设计、材料设计，采用最佳制备工艺获得良好的界面性能才能奏效。其中，合理控制管道的最大环向直变是设计中最为有效的技术措施。 所谓限定环向应变设计准则28，就是指在设计过程中限定frp/塑料复合管道在设计压力条件下其最大环向应变maxl%。具体讲，就是要保证复合管道的塑料内衬层在零压力初始状态和负压工况条件下不失稳；在正常情况下，塑料内衬层处于低应变状态，frp结构层处于合理的许用应变范围内，在1.5倍设计压力条件下，复合管壁无滴漏、渗透。2.2.3 管道壁厚计算对于缠绕管道，结构设计中采用的参数只有管壁厚度和铺设角度。一般工业化生产的缠绕玻璃钢管道，常采用螺旋(54.7o)缠绕成型，因此管道的设计主要是管壁厚度设计。2.2.3.1 塑料内衬层在限定环向应变设计准则中，将塑料内衬层作为一个无限长筒体处理，这样会偏于安全，其壁厚 tp 按式(2.1)、式(2.2)计算。 (式2.1) (式2.2)式中： r塑料内衬管半径，mm； 内衬塑料的泊松比，取=0.35；ep 内衬塑料的压缩弹性模量，mpa；tp 塑料内衬管壁厚，mm；pcr 临界外压值，mpa。tp 值是以保证塑料内衬管在零压力的初始状态下承受来自缠绕纤维的张力和frp结构层面化收缩的应力联合作用的均匀外压不失稳为界条件求出的。一般纤维缠绕张力施加于塑料内衬的外压约为管道爆破压力的10%，即pcf =0.01p。如仅考虑这一种均匀外压，则pcr =pcf =0.01p，即：pcr =0.01p=0.010.81.5 mpa=0.012 mpa由曲英鸿主编的塑料手册查得，内衬层塑料uhmw-pe的弹性模量ep为0.411.0 gpa，取ep=0.5 gpa，则由式(2.2)可求的不同内径塑料内衬管壁厚分别为： =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则三种管的塑料内衬层的外径分别为：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结构层frp/塑料复合管道结构层壁厚tf 按式(2.3)计算； tf =kpd/2 (式2.3)式中： 环向许用应力，mpa，取=0.01e；d公称直径，mm，计算中取d等于塑料内衬管外径值；p设计压力，mpa；efrp拉伸弹性模量，mpa，取e=1.6104 mpa；k安全系数，一般k取值为610。有时也可按式(2.4)计算。 k=k1k2 (式2.4)式中： k1温度影响系数，取12.5； k2使用期限系数，取1.52。复合管道在基准温度20下的耐压等级，称为公称压力。由于frp力学性能随温度的升高而降低，所以应按管道输送升质温度和frp弹性模量与温度的关系来选取相应的温度影响系数。在-5080范围内，温度影响系数的取值为：当t25，k1 =1；t=45，k1=l.3；t=60，k1=l.5；t=80，k1=2，即k1=l2。面对使用温度80180的复合管道结构层，则选用耐温性好的酚醛树脂或其它耐温树脂作为基体材料，一般取k1=22.5。复合管道的最高使用年限按20年计，根据纤维增强聚酯复合材料大气暴晒10年，其拉仲弹性模量保留率为68%72%，20年其保留率约为60%，且10年后其性能趋于稳定。因此，当复合管道设计使用期10年时，取k2=2.0。选取k1时之所以未考虑温度对塑料内衬的影响，原因是：(1) 塑料内衬管的种类是根据其耐温性选定的；(2) frp与塑料复合后可有效地提高塑料管的热稳定性并提高其许用温度值1020；(3) 设计中复合管道的力学性能由frp结构层提供，未计入塑料管提供的强度。在同一温度范围内由frp热膨胀所产生的热变形、热应力要比由温度上升引起的材料弹性模量、强度降低值低得多，因此暂不考虑，在有特殊要求时再行计算。由以上分析可知，取k1=2，k2=2，则k= k1k2=22=4在式(2.3)中，中碱玻璃纤维缠绕层的环向强度取值为160 mpa，见表2.1。且结构层计算中未计入塑料内衬层作用，因此，其实际安全系数值为计算所得安全系数值的两倍以上，为k=4.59.0，则计算时取k=8。表2.1 缠绕聚酯玻璃钢管物理力学性能7项目数值项目数值密度(g/cm3)1.61.9轴向弯曲模量/mpa(0.81.1)104环向拉伸强度/mpa130230水压失效压力/mpa120230环向拉伸模量/mpa(1.72.6)104冲击强度(j/cm2)19.0轴向拉伸强度/mpa85160热膨胀系数/cm/(cm)(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/%0.2环向弯曲模量/mpa(0.91.3) 104巴氏硬度40轴向弯曲强度/mpa100150由式(2.3)可求的三种不同frp/塑料复合管道结构层壁厚tf1、tf2、tf3分别为： tf1=kpd1/2=80.81.5124.28/(20.011.6104) mm=3.8 mm tf2=kpd2/2=80.81.5165.70/(20.011.6104) mm=5.0 mm tf3=kpd3/2=80.81.5186.42/(20.011.6104) mm=5.6 mm经计算和工程实践表明，用超高分子量聚乙烯内衬管，常温使用，设计压力10 mpa，按轻工部sg78-75标准选用轻型管即可。由以上论述，便可得frp/塑料复合管壁厚表达式：t=tf +tp+c (式2.5)式中：cfrp外表面层厚度，一般取c=0.5 mm。则三种不同内径的frp/塑料复合管壁厚t1、t2、t3分别为：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 =8.9 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 塑料内衬层的稳定性校核据测试，当结构层固化收缩后一般会使塑料内衬管产生0.2%的收缩率，这是frp层固化收缩对塑料内衬管产生均匀径向外压力的结果。按照式(2.1)进行简化计算可推导出固化收缩所形成的外压pc0.010.02p。因此，临界压力pcr=pc+pcf 0. 020.03p。以此径向外压力作为临界压力计算内衬管壁厚，计算公式为： pc=fep(tp /d)3 (式2.6)式中：pc固化收缩临界压力，mpa；tp塑料内衬管壁厚，mm；d塑料内衬管外径，mm；f管的失稳系数。式（2.6）可校核塑料内衬层的稳定性。三种不同内径的pc分别为：=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而临界压力0. 020.03p0.020.024 mpa，未超过临界压力，满足其设计要求。2.2.4.2 管道的强度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。架空管可简化成在支撑两端固定，受均布荷载的梁来处理。此时管道上的均布荷载q由管壁自重(玻璃钢的密度)和所输送介质重(粉煤灰的密度为0.5311.261g/cm3，取0.78 g/cm3)之和组成。可由式(2.7)计算。 (式2.7)式中： q均布荷载，n/m； d管道内径，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当风压不可忽略时，q中应选加风荷。风载荷qf可利用当地最大风速v，根据建筑荷载设计规范，由式(2.8)计算。 (式2.8) 式中： g重力加速度，取9.8 m/s2； r空气密度，0.8 mpa，25时为9.35 kg/m3。 由风力等级表知，9级风速为20.8 m/s24.4 m/s，则：=2029.35/（29.8）=190.8 pa玻璃钢架空管道的平均半径为r1、r2、r3，其值分别为67 mm，89 mm，100 mm。单层的纵向为圆筒的环向，圆管在工作压力为时，近似按薄壁圆筒计算环向应力，表达式为式(2.9)。 (式2.9)式中： 应力，mpa； t 管道壁厚，mm；分别代入数据得： 16.3 mpa 17.3 mpa轴向应力分别为： 7.5 mpa8.2 mpa8.7 mpa由表2.1知：轴向拉伸强度85 mpa160 mpa，环向拉伸强度在式(2.3)取值为160 mpa。则用最大应力失效准则式(2.10）校核： ， (式2.10)得： ，所以，该玻璃钢复合管道设计是安全的。2.2.4.3 管道的刚度校核架空管道是用管架、吊架或托架来支承的，两支承点之间的距离称为管道跨距。在确保管道安全的情况下，应尽可能地扩大管道的跨度，现按照强度条件确定管道跨度的计算公式。设玻璃钢管的轴向许应力由式(2.11)可求得：= (式2.11)式中：n 轴向安全系数。代入数据得：1=3.8 mpa ； 2=4.1 mpa ； 3=4.4 mpa。考虑到内压作用引起的轴向应力，得组合轴向应力作用下的强度条件为： (式2.12) 则可解得管道支承间最大跨距lm为： (式2.13) 式中： w 管道抗弯截面模量，mm3，w= ； d管道外径，mm； d 管道内径，mm； q 管道单位长度的载荷，包括管道自重，介质重量，n/m； p 管内最大工作压力，mpa； t 管道结构层壁厚，mm； tl管道内衬层壁厚，mm。代入数据得： w1=8.4104 mm3 lm1=2.1103 mmw3=2.7105 mm3 lm3=5.2103 mm按类似于求lm的方法，得最大边跨距离le为le=0.816lm即： le1=1.7 103 mm le2=4.2 103 mm则应分别取值为2.0 103 mm和4.6 103 mm。不同管径玻璃钢管截面惯性矩io分别为： =(6.694-64)=555 cm4=(8.894-84)=1578 cm4=(9.984-94)=2482 cm4将io代入下式，检验其挠度是否小于6.5 mm，如大于6.5 mm，则应增加壁厚。=(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经计算均满足刚度要求。综上计算结果，不同内径的复合管道内衬层厚度分别为2.1 mm、2.9 mm、3.2 mm；界面层厚度为0.5 mm；结构层厚度分别为3.8 mm、5.0 mm、5.6 mm；外保护层厚度为0.5 mm，总壁厚分别为6.9 mm、8.9 mm、9.8 mm。3 复合管道成型工艺(1) 成型工艺选择原则 组织复合材料制品生产时，成型方法的选择必须同时满足材料性能、产品质量和经济效益等基本要求，具体应考虑如下方面： 产品外形构造及尺寸大小； 满足材料性能和产品质量要求，如材料的物理化学性能要求，产品强度及表面质量要求； 产品生产批量大小，供货时间； 工厂设备条件，流动资金及技术水平等； 经济效益，要综合考虑生产条件，保证企业盈利。(2) 成型方法选择 一般来讲，产品尺寸精度和外观质量要求高的大批量、中小型产品，应选择模压成型工艺；大型产品，如渔船、雷达罩等，则常采用手糊工艺；压力容器及管道，可采用缠绕成型工艺。本设计主要采用纤维缠绕制管工艺。(3) 工艺技术要求复合管道具有优异的综合技术性能，但绝不是简单地将frp和塑料二者性能进行迭加就能实现的，必须经过合理的结构设计、材料设计和工艺设计才能实现。为达到规定的技术指标，必须满足下述要求： 工艺流程合理(工艺流程图如图3.1所示)，各工序间相互配合协调，工艺参数合理，可行； 界面层处理方法得当，尤其要注意管端接头部位界面质量，确保其粘结可靠、不渗透； 配方合理，注意选材，以保证表面层的技术功能达到相应的技术指标。图3.1 frp/塑料复合管道工艺流程图3.1 界面处理由于常用塑料内衬层为非极性材料，加之塑料与frp的线膨胀系数和弹性模量有较大差异，如处理不当，在交变温度和脉动载荷作用下将会导致frp与塑料内衬之间粘接不牢，出现脱粘、分层、剥离等现象。因此，在缠绕frp结构层之前必须对塑料管进行界面处理。常用的方法有机械处理法和化学处理法。机械法是对塑料管外表面进行磨削打毛或喷砂处理。在离管端面1 m距离内，塑料管表面必须100%打毛，其余部位的表面磨削打毛率不能低于80%。对聚乙烯、聚丙烯等非极性塑料管在打毛的同时应参照车削螺纹的方法磨削出深度不小0.3 mm的连续螺旋沟槽，尤其在管端其沟槽间的“螺距”不大于5 mm，也只有这样才能确保复合管的界面压剪强度大于5.0 mpa。化学处理法是用适当的溶剂或混合液(如硅有机化合物、钛酸酯、络合物等)对塑料管表面进行处理，使其成为极性分子表面。表面经化学处理、水洗、干燥后，再在其表面涂界面粘合剂，其厚度以0.5 mm为宜，待粘合剂干燥或成膜后便可进行常温模压和缠绕成型。3.2 纤维缠绕制管工艺复合材料管道的成型工艺很多，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。本设计主要采用纤维缠绕制管工艺。纤维缠绕制管工艺是将连续玻璃纤维，浸渍树脂胶液后，按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模、获得管材。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。 (1) 干法缠绕 干法缠绕是采用经过预浸胶处理(树脂处于b阶段)的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。由于预浸纱(或带)是专业生产，能严格控制树脂含量(精确到2%以内)和两浸纱质量。因此，干法缠绕能够准确地控制产品质量。(2)湿法缠绕 湿法缠绕是将纤维集束(纱式带)浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。(3)半干法缠绕 半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，增加一套烘干设备。将浸胶纱中的溶剂除去，与干法相比：省去了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最普遍，干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。本设计采用湿法缠绕。3.2.1 缠绕规律的内容和分类任何一种缠绕类型，都是由芯模与绕丝头做相对运动完成的。如果任意地将纤维缠到芯模上去，那是非常容易的，但是这样绕出来的制品有的地方堆积得很厚。有的地方没有纤维，有的地方架空。显然，这样的缠绕不能满足制品的设计要求。纤维成型的目的是要把纤维按一定的规律均匀地布满在整个芯模表面上，这种规律就是缠绕规律。研究缠绕规律的目的，是要找出制品的结构尺寸与线型、芯模与绕丝头之间的定量关系。关键问题是缠绕的线型。就筒形压力容器而言，可分为环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕三种类型，而环向缠绕和纵向缠绕广义上就是螺旋缠绕，只是螺旋缠绕特殊的缠绕角度。(1) 环向缠绕缠绕时，芯模绕自己轴线作匀速转动，绕丝头在平行与芯模轴线方向均匀缓慢地移动，芯模每转一周，绕丝头向前移动一个纱片宽度，如此循环直至纱片均匀布满芯模筒身段为止。环向缠绕只在筒身段进行，不能缠封头，邻近纱片之间相接而不相交。缠绕角度一般为 8590。环向缠绕的纤维方向即为筒体的一个主应力方向，较好地利用了纤维的单向强度。所以一般内压容器的成型都是采用环向缠绕和纵向缠绕结合的方式。(2) 纵向缠绕纵向缠绕又称平面缠绕。这种缠绕规律的特点是绕丝头在固定平面内做圆周运动，芯模绕自己的轴线做慢速间隙转动，绕丝头每转一周，芯模转过一个微小角度反映在芯模表面上是一个纱片宽度。纱片和芯模轴线之间成 025的交角，纤维轨迹是一条单圆平面封闭曲线。(3) 螺旋缠绕螺旋缠绕又称测地线缠绕。缠绕时，芯模绕自己轴线匀速转动，绕丝头按特定速度沿芯模轴线方向往复运动，于是在芯模的筒身和封头上就实现了螺旋缠绕，其缠绕角约为 1585。螺旋缠绕的特点是每条纤维都对应极孔圆周上的一个切点；相同方向邻近纱片之间相接而不相交。因此，当纤维均匀缠满芯模表面时，就形成了双纤维层。3.2.2 缠绕成型工艺参数 缠绕成型的主要工艺参数是：纤维烘干温度和时间、浸胶方式和含胶量、胶纱烘干温度及时间、缠绕张力、缠绕规律、固化制度、脱模方式等。3.2.2.1 纤维处理 缠绕成型用的玻璃纤维一般都选用tex1200、2400和4800缠绕专用纱，这种缠绕用玻璃纤维粗纱都是采用增强型浸润剂，但使用前应进行烘干，除去存放中纤维表面吸附的水分。芳纶纤维的烘干处理时间应更长些。 纤维烘干处理制度视其含水量和纱筒大小而定，一般用的玻璃纤维无捻粗纱是在6080下烘干24 h，用烘干纱缠绕的制品强度比未经烘干纱的强度高4%。3.2.2.2 浸胶和含胶量 含胶量对制品的性能影响很大，表现在： (1) 影响制品的质量和厚度