（化工过程机械专业论文）新型pvcfrppe复合管的成型工艺及外压承载能力有限元分析.pdf

学位论文数据集 中图分类号t q 3 2 0 7 2 学科分类号 5 6 0 3 5 6 0 论文编号 10 0 10 2 0 1 2 0 6 8 8 密级 公开 学位授予单位代码 10 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名陈国富学号 2 0 0 9 0 0 0 6 8 8 获学位专业名称 化工过程机械 获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源自选课题研究方向 复合管成型工艺及性能 论文题目新型p v c f r p p e 复合管的成型工艺及外压承载能力有限元分析 关键词 复合管，成型工艺，承载能力，有限元 论文答辩日期 2 0 1 2 0 6 0 1t 论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位 学科专长 指导教师刘广建高工北：京化工大学聚合物加工 评阅人1任冬云副教授北京化工大学聚合物加工 评阅人2 王克俭副教授北京化工大学聚合物加工 答辩委员会主席钱才富教授 北京化工大学化工过程机械 答辩委员1 杨卫民教授 北京化工大学 聚合物工程 答辩委员2 江波教授 北京化工大学 橡塑机械 答辩委员3 张有忱教授 北京化工大学 机械设计及原理 答辩委员4 薛平 教授 北京化工大学聚合物加工 答辩委员5 周俊良教授 北京化工大学工业设计 答辩委员6 张亚军教授 北京化工大学 聚合物加工 答辩委员7 王华庆教授 北京化工大学 故障诊断 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研- 究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 新型p v c i f r p i p e 复合管的成型工艺 及外压承载能力有限元分析 摘要 新型p v c f r p p e 复合管是一种煤矿瓦斯抽放工程专用管道，具有质 量轻、刚度大、成本低等优点，应用前景广阔。本课题主要对该新型复合 管成型工艺、外压承载能力进行了研究，实现了该多层复合管的加工生产， 并利用有限元技术和试验方法对其外压承载能力进行研究，对该复合管的 设计及实际工程应用有一定价值。 首先，研究新型复合管的成型工艺，采用挤出工艺、缠绕工艺组合生 产加工出该新型复合管。其次，提出若干假设，建立了简化的复合管模型， 利用有限元软件a n s y s 对复合管进行了外压失稳分析，得到复合管的失 稳模态形状和临界失稳压力。分析了复合管长度、增强层厚度对临界失稳 压力的影响，得到满足瓦斯管承载能力要求的合理长度和增强层厚度。以 直径4 0 0 m m 复合管为例，用非线性法进行失稳分析，得到临界失稳压力 o 0 8 5 m p a ，比特征值法小0 0 0 6 m p a ，复合管在0 0 5 m p a 负压工作载荷下 的最大径向变形量为2 1 2 r a m 。最后，对新型复合管进行了真空试验，测 得复合管的临界失稳压力和工作载荷下的最大径向变形量，结果表明有限 元模拟结果与实验结果基本吻合。非线性法因为考虑了复合管初始缺陷的 影响，计算结果与试验结果更接近。， 北京化工大学硕士学位论文 关键词：瓦斯管，复合管，成型工艺，承载能力，外压失稳，屈曲分析 i i a b s t r a c t f o r m i n gp r o c e s so ft h en e wt y p eo fp v c f r p p ec o m p o s i t ep i p ea n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o fe x t e r n a lp r e s s u r ec a r r y i n gc a p a c i t y a b s t r a ct t h en e wt y p eo fp v c f i 冲p ec o m p o s i t ep i p ei sas p e c i a lp i p e l i n e a p p l i e dt om i n eg a sd r a i n a g ee n g i n e e r i n g ，w i t ht h ea d v a n t a g e so fl i g h tw e i g h t ， s t i f f n e s s ，l o wc o s t ，w i d ep r o s p e c to fa p p l i c a t i o n t h i ss u b j e c tm a i n l ys t u d i e d a b o u tt h ef o r m i n gp r o c e s s ，t h ee x t e r n a lp r e s s u r ec a r r y i n gc a p a c i t yo ft h e c o m p o s i t et u b e t h em u l t i l a y e rc o m p o s i t ep i p ew a sp r o d u c e d ，a n dt h ef i n i t e e l e m e n tt e c h n o l o g ya n dt e s tm e t h o d sw e r eu s e dt os t u d yt h ec a r r y i n gc a p a c i t y o fc o m p o s i t et u b ei nt h ee x t e m a lp r e s s u r e i t ss i g n i f i c a n tt ot h ed e s i g na n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ec o m p o s i t et u b e f i r s to fa l l ，t h ef o r m i n gp r o c e s so ft h ec o m p o s i t ep i p ew a ss t u d i e d t h e n e w c o m p o s i t ep i p ew a sp r o d u c e du s i n gt h ee x t r u s i o np r o c e s sa n dw i n d i n g p r o c e s s s e c o n d ，as i m p l i f i e dc o m p o s i t et u b em o d e lw h i c hw a sb a s e do na n u m b e ro fa s s u m p t i o n sw a se s t a b l i s h e da n dw a su s e di nt h eb u c k l i n ga n a l y s i s o fc o m p o s i t et u b e su n d e re x t e r n a lp r e s s u r eu s i n gt h ea n s y s s o f t t h e n ，t h e b u c k l i n gm o d es h a p ea n dt h ec r i t i c a lb u c k l i n gp r e s s u r ew a sg o t a tt h es a m e t i m e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r i t i c a lb u c k l i n gp r e s s u r ea n dp i p el e n g t h ，t h e e n h a n c e m e n tl a y e rt h i c k n e s sw a se s t a b l i s h e d t a k et h ec o m p o s i t et u b ea t i i i 北京化工大学硕士学位论文 4 0 0 m md i a m e t e rf o re x a m p l e ，t h ec r i t i c a lb u c k l i n gp r e s s u r ew a sc a l c u l a t e d u s i n gt h en o n l i n e a rm e t h o d ，t h ev a l u ei so 0 8 5 m p a ，l o w e ro 0 0 6 m p at h a nt h e e i g e n v a l u em e t h o d a n dt h em a x i m u mr a d i a ld e f o r m a t i o no ft h ec o m p o s i t e p i p ea tt h ew o r kl o a d 一0 0 5 m p ai sa b o u t2 12 m m f i n a l l y , t h ec r i t i c a lb u c k l i n g p r e s s u r ea n d t h em a x i m u mr a d i a ld e f o r m a t i o no ft h ec o m p o s i t et u b ew e r eb o t h g o tb ye x p e r i m e n t t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t so fe i g e n v a l u em e t h o da n d n o n 1 i n e a rm e t h o di ns o m ee x t e n tw e r ec o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a l v a l u e s n o n l i n e a rm e t h o dr e s u l tw a sm o r ec o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，b e c a u s eo ft h ei m p a c to fi n i t i a ld e f e c t so ft h ec o m p o s i t e t u b e k e y w o r d s ：g a sp i p e ，c o m p o s i t ep i p e ，f o r m i n gp r o c e s s ，c a r r y i n gc a p a c i t y , e x t e r n a lp r e s s u r eb u c k l i n g ，b u c k l i n ga n a l y s i s i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 几种瓦斯管的结构和工艺1 1 2 1 钢管- 1 1 2 2 聚乙烯管2 1 2 3 玻璃钢管3 1 2 4 聚氯乙烯管4 1 2 5 孔网钢带增强塑料复合管4 1 2 6 钢丝网增强塑料复合管4 1 3 新型p v c f r p p e 复合管简介6 1 4 课题背景和研究意义7 1 5 主要研究内容8 第二章复合管成型工艺9 2 1 复合管的结构和特点9 2 2 生产工艺流程1o 2 3 安装连接工艺1 2 本章小结1 3 第三章复合管外压承载有限元分析1 5 3 1 管道失稳理论及模型一1 5 3 1 1 单层薄壁管的失稳1 5 3 1 2 复合管的失稳1 6 3 1 3 复合管模型的简化1 7 3 1 4f r p 增强层基本模型1 9 3 2 复合管的有限元模型2 1 3 2 1 计算条件2 1 3 2 2 建立有限元模型一2 3 3 3 特征值法失稳分析2 5 3 3 1 特征值法求解步骤2 5 v 北京化工大学硕士学位论文 3 3 。2 计算结果和分析2 6 3 3 3 管道长度对临界失稳压力的影响2 7 3 3 4 增强层厚度对临界失稳压力的影响3 2 3 3 5 复合管与p v c 管和p e 管的比较3 6 3 4 非线性法失稳分析3 7 3 4 1 非线性法求解步骤3 7 3 4 2 计算结果和分析3 8 3 5 长纤维缠绕增强复合管的失稳分析3 9 本章小结4 2 第四章复合管真空试验4 5 4 1 试验说明4 5 4 2 试验装置及原理4 5 4 3 试验步骤4 6 4 4 试验结果及分析4 7 本章小结4 9 第五章结论与展望5 1 5 1 结论5 1 5 2 展望5 2 参考文献5 3 致谢5 7 研究成果及发表的学术论文5 9 作者和导师简介6 1 v i q 望! ! 望! ! 一一 一一 c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n ，。- 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2s t r u c t u r ea n dp r o c e s so fs e v e r a lt y p e so f p i p e s 1 1 2 1s t e e lp i p e 1 1 2 2p ep i p e 2 1 2 3f r pp i p e 3 1 2 4p v cp i p e 4 1 2 5p o r o u ss t e e ls t r i pr e i n f o r c e dp l a s t i cc o m p o s i t ep i p e 4 1 2 6t h es t e e lm e s hr e i n f o r c e dp l a s t i cc o m p o s i t ep i p e 4 1 3i n t r o d u c t i o nt oan e wt y p eo f p v c f r p p ec o m p o s i t ep i p e 6 1 4b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h es u b j e c t 7 1 5m a i nr e s e a r c hc o n t e n to f t h es u b j e c t 8 c h a p t e r 2f o r m i n gp r o c e s so fc o m p o s i t ep i p e - - 9 2 1s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f c o m p o s i t ep i p e 9 2 2t h ep r o d u c t i o np r o c e s s - 10 2 3p r o c e s so f i n s t a l l a t i o na n dc o n n e c t i o n 1 2 s u m m a r y 13 c h a p t e r3f i n r e e l e m e n ta n a l y s i so fc o m p o s i t ep i p eu n d e re x t e r n a l p r e s s u r e - - 15 3 1i n s t a b i l i t yt h e o r ya n dm o d e lo f p i p e 1 5 3 1 1i n s t a b i l i t yo fs i n g l e - l a y e rt h i n - w a l l e dp i p e 15 3 1 2i n s t a b i l i t yo fc o m p o s i t ep i p e ”16 3 1 3s i m p l i f i e dc o m p o s i t ep i p em o d e l 1 7 3 1 4f r pr e i n f o r c e dl a y e rm o d e l 19 3 2f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc o m p o s i t ep i p e 2 1 3 2 1c a l c u l a t i o nc o n d i t i o n s 一2 1 3 2 2e s t a b l i s h m e n to f t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l 2 3 v 北京化工大学硕士学位论文 3 3e i g e n v a l u eb u c k l i n ga n a l y s i s 2 5 3 3 1s o l v i n g s t e p so f e i g e n v a l u em e t h o d 2 5 3 3 2r e s u l t sa n da n a l y s i s 2 6 3 3 3p i p el e n g t hi n f l u e n c eo nt h ec r i t i c a lb u c k l i n gp r e s s u r e 2 7 3 3 4r e i n f o r c e dl a y e rt h i c k n e s si n f l u e n c eo nt h ec r i t i c a lb u c k l i n gp r e s s u r e 3 2 3 3 5c o m p a r eo f c o m p o s i t ep i p e ，p v cp i p ea n dp ep i p e 3 6 3 4n o n - l i n e a rb u c k l i n ga n a l y s i s 3 7 3 4 1s o l v i n gs t e p so f t h en o n - l i n e a rm e t h o d 3 7 3 4 2r e s u l t sa n da n a l y s i s 3 8 3 5b u c k l i n ga n a l y s i so f l o n g - f i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t ep i p e 3 9 s u m m a r y 4 2 c h a p t e r 4v a c u u m e x p e r i m e n to fc o m p o s i t ep i p e - 4 5 4 1d e s c r i p t i o no f e x p e r i m e n t 4 5 4 2e x p e r i m e n t a ld e v i c ea n dp r i n c i p l e - 4 5 4 3e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e s 4 6 4 4e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d a n a l y s i s 一4 7 s u m m a r y 4 9 c h a p t e r5c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t - 51 5 1c o n c l u s i o n 51 5 2p r o s p e c t _ _ 5 2 r e f e r e n c e s 5 3 a c k n o w l e d g m e n t s - - 5 7 r e s e a r c hr e s u l t sa n dp u b l i s h e dp a p e r s 5 9 a u t h o ra n dt u t o ri n t r o d u c t i o n 6 1 符号说明 符号说明 临界失稳压力，m p a 波纹数 杨氏模量，m p a 泊松比 剪切模量，m p a 体积模量，m p a 时间，s 体积分数 管道直径，m m 管道厚度，m m 管道长度，m 管道半径，m i l l 应力，m p a 应变 位移，m m 环刚度，m p a 圆周周长，m m i x 圪 疗 e g k f 矿 d ， l r 盯 s u s c 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着中国经济的持续快速发展，能源需求不断增加，以石油、天然气、煤炭为代 表的传统能源的开采、运输等过程对管道需求量增加，因此，管道工业也获得了前所 未有的发展，管道的品种、规格不断丰富，某些研究和应用相对成熟的管道已经形成 国家和行业标准。但和发达国家相比，我国管道尤其是复合管道方面的研究应用仍有 一定的差距。在煤矿领域，因煤层中含有大量瓦斯气体，给采矿安全带来很大危险， 是引发煤矿安全事故的重要因素之一。一般在采煤前，先把瓦斯气体通过泵和瓦斯管 道从井下抽放出来，瓦斯抽放工程使用的管道因载荷状况特殊、使用环境恶劣而对管 道性能有着特殊的要求，煤矿井下和巷道内环境潮湿，瓦斯气体含量大，须严格禁止 一切火源，井下地面高低不平且煤块石块较多，巷道内空间较小且有拐弯，瓦斯管是 薄壁管道，须具备足够的刚度承受工作压：匀( 外压) 。所以抽放瓦斯管道应该具有耐 腐蚀、阻燃、抗静电、强度刚度大、韧性好、抗冲击等性能。煤矿抽放瓦斯工程使用 的管道最初主要是钢管、聚乙烯管、玻璃钢管、聚氯乙烯管等【l j ，它们各自都有着优 良的性能，但也有不可忽略的缺点，难以满足实际应用中的综合要求。因此复合瓦斯 管应运而出【2 】，复合瓦斯管往往有两种以上材料复合而成，主要有钢塑复合、塑塑复 合，它集合了组成材料各自的优点，能发挥更好的综合性能，因而得到很快发展和应 用【3 1 。下面就常用的一些瓦斯管道从结构、生产工艺、性能特点等方面加以介绍。 1 2 几种瓦斯管的结构和工艺 1 2 1 钢管 煤矿抽放瓦斯工程最初选用的管道是钢管，因为它强度大、刚度大、生产工艺比 较简单且成熟。根据焊缝形式不同，可将钢管分为直缝焊管和螺旋焊管两种，直缝焊 管是将钢板直接对接挤压卷成管然后焊接成型的，一般适用于小口径管道；螺旋钢管 是将带钢头尾对接在常温下挤压卷成管然后焊接成型的，一般适用于大口径管道。 钢管本身钢材质密度大，导致管材重量较大，给运输和安装带来很大不便，增加 了安装运输成本。钢管耐腐蚀性也比较差，矿井巷道内环境潮湿复杂，容易导致钢管 腐蚀破坏，减少使用寿命，一般钢管在矿井下的使用寿命只有数年。为了改善钢管耐 腐蚀性能，有厂家研制生产了涂塑钢管，即在钢管内外表面均匀的涂覆一层很薄具有 北京化工大学硕士学位论文 耐腐蚀性质的塑料，耐腐塑料固化成型后即形成防腐层，所以本质上涂塑钢管是一种 钢塑复合管道。虽然涂塑钢管改善了普通钢管的耐腐蚀性能，但增加了耐腐蚀塑料和 制造工艺，所以管道生产成本也增加。综合考虑以上各方面因素，煤矿抽放瓦斯工程 不适合使用钢管，事实也证明钢管在抽放瓦斯领域逐渐遭到淘汰。 1 2 2 聚乙烯管 煤矿井下用聚乙烯管道是由聚乙烯材料成型的管道，聚乙烯材料有高密度聚乙 烯、中密度聚乙烯、低密度聚乙烯之分，国际上把聚乙烯管分为五个等级，即p e 3 2 、 p e 4 0 、p e 6 3 、p e 8 0 、p e l0 0 4 1 。 ( 1 ) 聚乙烯管( 2 ) 玻璃钢管 ( 3 ) 聚氯乙烯管 图1 - 1 常用塑料瓦斯管 f i g 1 1p l a s t i cg a sp i p e s 目前聚乙烯管的生产工艺【5 ，6 】主要是挤出成型，生产流程如图1 2 所示。矿用聚乙 烯管材各项性能指标应遵守m t 5 5 8 1 2 0 0 5 煤矿井下用塑料管材第1 部分：聚乙烯管 材。 网f ：阿 e 掣 1 厂丽- 叫( 型号、规格等) 图1 - 2 聚乙烯管生产工艺流程图 f 蟾1 2t h ef l o wd i a g r a mo fp ep i p ep r o d u c t i o np r o c e s s 聚乙烯管性能优良，首先它具有耐腐蚀性质，所以不需要像钢管那样涂覆防腐层。 添加阻燃剂以后改善了聚乙烯管的阻燃性能。聚乙烯管韧性好、耐老化，聚乙烯断裂 伸长率达3 5 0 以上r 7 1 ，即使管道有微小裂纹也可以抵抗快速开裂，矿井下使用受地 面沉降影响小，安装使用时还能有效地防磕碰刮伤，使用寿命长。聚乙烯管低温抗冲 击性能好，即使冬季施工安装，管道也不会发生脆性断裂。聚乙烯管柔性好，若巷道 走向弯曲或管道需要绕过障碍物，可将聚乙烯管适当弯曲，减少了管件用量，节省安 装成本。聚乙烯管连接性好、采用热熔性连接接口稳定可靠。聚乙烯管壁钢管重量轻， 2 第一章绪论 安装运输也方便。聚乙烯管明显的的缺点是刚度太小，大口径管道若要保有较高的刚 度必然要增加壁厚，从而导致重量增加，成本增大。有些厂家为了解决刚度和壁厚之 间的矛盾，将聚乙烯管管壁改进为空心壁结构，在一定程度上改善了实壁聚乙烯管的 缺点。 1 2 3 玻璃钢管 玻璃钢又称纤维增强塑料，主要成分是基体树脂和增强纤维瞵j 。根据玻璃钢基体 材料使用的树脂品种不同，可将玻璃钢分为聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢等。 常用增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维及其制品( 如玻璃纤维布、纱、毡、带) 【9 l 。 玻璃钢质量轻、硬度大、强度高、耐腐蚀，应用广泛。 玻璃钢的力学性能表现出明显的方向性，属于各向异性材料，其强度和弹性模量 随方向不同而变化，比如沿纤维方向的强度和弹性模量就比垂直于纤维方向上的要高 得多。但是我们可以通过改变纤维的方向和数量来达到某种特定的强度要求，例如采 用1 ：1 玻璃布( 指经向纤维和纬向纤维含量为1 ：1 ) 制造的玻璃钢，其经向和纬向 强度几乎是相等的，但在其它方向上强度仍然较低【l o ，】。 煤矿用玻璃钢管性能指标应遵守m t 5 5 8 3 2 0 0 5 煤矿井下用塑料管材第3 部分： 玻璃钢管材。 玻璃钢管【1 2 15 】工艺性很好，成型比较方便，世界上多采用往复式纤维缠绕工艺生 产玻璃钢管。成型工艺中，芯模一边转动一边往复运动，长玻璃纤维相对于芯模轴以 一定的角度( 即缠绕角) 辅放，缠绕角以移动速度和转速来控制，缠绕层数逐渐增加， 直到达到管道设计壁厚，缠绕完成后使树脂固化，然后从玻璃钢管中脱出芯模。 磨具整理爿 惮 。树脂，凳篡曩篓葬维纱，； 一丁 脱模el 检验j 图l - 3 玻璃钢管生产工艺流程 f i g 1 3t h ef l o wd i a g r a mo ff r pp i p e p r o d u c t i o np r o c e s s 玻璃钢管具有重量轻、刚度大、耐腐蚀等优点，但在韧性、抗冲击、耐高温等方 面的性能比较差，用作煤矿抽放瓦斯管道时在巷道内高低不平或水平弯曲处易产生开 裂现象，运输安装时也容易磕碰刮伤或撞击断裂，影响管道性能。 北京化工大学硕士学位论文 1 2 4 聚氯乙烯管 聚氯乙烯管【l6 ，1 。7 】的原料多为硬聚氯乙烯，阻燃性能好，耐腐蚀，有较好的抗拉、 抗弯能力，可单独用做结构材料 1 8 】。但性脆、热稳定性差，不易加工。煤矿井下很少 使用实壁管做瓦斯管，转而开发了空心壁管道，p v c 空心缠绕管就是常用的一种，即 在管壁剖面上分布空心结构( 一般是方孔) ，并有加强筋，它不仅减少了实壁管的重 量，而且使管道保有较大的强度和刚度。煤矿用聚氯乙烯管性能指标应遵守 m t 5 5 8 2 2 0 0 5 煤矿井下用塑料管材第2 部分：聚氯乙烯管材。 p v c 空心缠绕管【l9 】的生产流程一般是，先挤出空心结构的板材，然后将板材送入 缠绕机进行缠绕，缠绕同时涂抹增强树脂和纤维。管段之间的连接采用中间插接管芯 加外侧包覆的方式，以保证连接处的可靠性。 1 2 5 子l 网钢带增强塑料复合管 孔网钢带增强塑料复合管( p s s c p ) 【2 0 1 有三层构成，中间层为带有许多均布小孔的 薄壁钢管，也是增强体，内外两层为高密度聚乙烯，其结构见图1 4 。生产工艺中， 薄壁光管的制作是先把钢带冲孔，然后挤压卷成管，再把对接面用氩弧焊焊接形成直 焊缝，焊接完成后还需对薄壁钢管进行校圆和热处理，消除焊接应力【2 1 1 。内外层聚乙 烯采用挤出成型工艺复合在涂有热熔胶( 一种胶黏剂聚酯) 的钢管内壁和外壁上。 图1 - 4 孔网钢带增强塑料复合管 f i g 1 - 4p s s c p 孔网钢带增强塑料复合管的强度、刚性和抗冲击性都比较大，远远超过塑料管， 线膨胀系数较低，抗蠕变性能好，耐腐蚀、耐磨损，使用寿命较长。但其生产工艺复 杂，生产流水线价格较高，管件较贵。钢作为增强体大大增加了承载能力，可用于给 排水管道，如用作瓦斯管这种工作压力较小的管道，不免有些大材小用，造成资源浪 费。 1 2 6 钢丝网增强塑料复合管 4 第一章绪论 钢丝网增强塑料复合管 2 2 , 2 3 】增强相是优质低碳钢丝，与孔网钢带增强塑料复合管 相比，节约了钢材用量。内外两层仍然是高密度聚乙烯( h o p e ) 为基体。 常用的钢丝网增强塑料复合管有两种，一种是钢丝点焊成网增强塑料复合管 ( s p e ) ，即钢丝沿轴向和周向的垂直正交排布方式，钢丝交点处通过电焊焊接在一起， 形成钢丝网，然后内外复合聚乙烯层，生产工艺中钢丝电焊成网与塑料挤出拉模成型 同步进行。这种管道有较好的强度、刚度，但生产工艺复杂，焊接量大，生产速度较 低，钢材用量相对也比较大，成本高。另一种是钢丝缠绕增强塑料复合管( p s p ) ，即 钢丝仅通过缠绕成型形成钢丝网，或螺旋定向缠绕，或螺旋交错缠绕，不需焊接，减 少了工艺复杂程度。两种典型钢丝网增强塑料复合管的结构如图1 5 所示。 ( a ) 钢丝点焊成网增强塑料复合管 ( b ) 钢丝缠绕增强塑料复合管 图1 - 5 钢丝增强塑料复合管 f i g 1 5t h ec o m p o s i t ep i p eo fs t e e lm e s hr e i n f o r c e dp l a s t i c 钢丝缠绕增强塑料复合管 2 4 - 2 7 1 的生产工艺流程如图1 - 6 所示，钢丝以一定的角度 螺旋交错缠绕成网，钢丝网与高密度聚乙烯基体采用胶黏树脂黏结，钢丝不需焊接， 减少了工艺程序，提高了生产效率。钢丝与塑料相互交织成一整体，复合效果好，特 殊的结构使它具备较高的承载能力。同时它具有耐腐蚀、耐磨、使用寿命长、质量轻 而强度大等优良性能，性价比高，且电热熔焊接性能优良，安装连接方便，特别适用 于埋地用管和给排水管道，而在煤矿抽放瓦斯领域只有少量应用。 北京化工大学硕士学位论文 图1 - 6 p s p 生产工艺流程图 f i g 1 - 6t h e f l o wd i a g r a mo fp s pp r o d u c t i o np r o c e s s 1 3 新型p v c f r p 伊e 复合管简介 新型p v c f r p p e 复合管( 以下简称复合管) 2 8 , 2 9 1 是北京化工大学刘广建副教授 针对煤矿抽放瓦斯领域开发研制的一种抽放瓦斯专用管道，它由三层结构缠绕粘结复 合而成，从内到外依次为空心层( p v c ) 、加强层( f r p ) 、韧性层( p e ) ，其结构示 意图如图1 7 所示。 加强层 韧性层 空心层 图1 - 7p v c f r p p e 复合管结构示意图 f i g 1 - 7t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fp v c f r p p ec o m p o s i t ep i p e 空心层是由聚氯乙烯材料先挤出成型空心板材，然后将空心板缠绕粘结形成的薄 壁管。p v c 空心板是一种仿竹节结构，做成空心结构是为减轻管道重量节约成本，空 心每隔一定的跨度( 较小) 有一个加强筋，这样可以在减少管道重量的情况下，仍能 保有较大的刚度。由于空心层较薄，难以保证该瓦斯管道的刚度，且缠绕生产过程和 使用过程中难免不产生开裂漏气现象，也影响了使用过程中的安全性，为解决此问题， 在空心层外侧设置一层增强层，以提高管道整体的刚度和安全性能。玻璃钢质量轻、 6 第一章绪论 硬度大、刚度大，将其用作增强层既能填补管道生产过程中可能出现的微观气孔和裂 纹，增强管道质量和安全性能，又可以提高管道整体的的刚度和承压能力。韧性层由 聚乙烯( p e ) 材料制成。由于瓦斯管在运输安装和矿井下使用时，难免发生碰撞，导 致管道表面刮伤甚至开裂，影响管道使用寿命。聚乙烯材料韧性大、抗冲击的优良性 能很好地解决了这一问题，既能抵抗外界磕碰等冲击，又很好的保护了内部的加强层 和空心层，使管道整体性能得以提高。 1 4 课题背景和研究意义 本课题所研究的新型复合管是煤矿抽放瓦斯工程专用管，由北京化工大学刘广建 副教授研发并授权获得专利，目前正处于推广应用的初级阶段。长期以来，中国很多 煤矿尤其中小型煤矿生产安全问题严重，瓦斯爆炸事故不断，其中很大一部分煤矿事 故是由瓦斯爆炸引起的。煤矿瓦斯爆炸事故不仅造成煤矿人员伤亡，也给煤矿企业和 国家带来损失，因此国家安全生产部门和煤矿企业越来越重视煤矿生产安全问题。煤 矿瓦斯气体的主要成分是甲烷等烷类气体，如果与氧气含量比例达到一定范围，并有 高温火源就很容易发生爆炸，而且爆炸伴随着高温高压，危险性极大。目前煤矿生产 对瓦斯气体的治理，主要是加强通风和把瓦斯抽放出来，实际上瓦斯气体可以作为一 种很好的能源，把煤层瓦斯抽放出来用于能源开发是非常可行的，我国开发利用煤矿 瓦斯总量呈逐渐增多趋势。抽放瓦斯工程主要设备就是泵和瓦斯管，而且对瓦斯管道 要求比较严格，这是由瓦斯管使用场合的特殊性决定的。煤矿井下环境潮湿，空间狭 小且不平整，须严格禁火，要求瓦斯管具备阻燃、抗静电、耐腐蚀、抗冲击等性能， 尤其煤矿抽放瓦斯操作中管道压力为负压( 约o 0 5 m p a ) ，所以瓦斯管道必须具备足 够的刚度和稳定性，使其外压承载能力达到工作压力的要求并有一定的安全储备，防 止在抽放瓦斯时管道被抽瘪。 目前，瓦斯管的种类主要有聚乙烯管、聚氯乙烯管、玻璃钢管以及这几种管的复 合管，钢管或钢骨架管道则应用很少。钢管或以钢骨架复合管用于瓦斯管的缺点在于 钢不耐腐蚀而且钢的成本较高，所以煤矿较多的还是使用塑料管或塑料复合管，对复 合瓦斯管开发也越来越多，新型p v c f r p p e 复合管就是专为抽放瓦斯开发的一种复 合管，集聚氯乙烯、玻璃钢、聚乙烯三种材料优点于一身，和纯塑料管材相比具有刚 度大、重量轻、安装运输方便、耐冲击、成本低且长度、口径可根据煤矿要求灵活调 节等优点，因此是瓦斯抽放管的优良品种。但目前对该新型p v c f r p p e 复合管的研 究尤其外压承载能力的研究尚不完善，设计中很多是依据经验和试验，缺乏理论设计 计算方面的数据支持。而且，目前国内外对复合管道的外压稳定性研究也不成熟，承 载能力方面也没有计算临界失稳压力的可靠的理论计算公式，所以本课题决定利用有 7 北京化工大学硕士学位论文 限元分析软件对复合管的外压承载能力进行计算。本课题从该新型复合管的结构和工 艺入手，建立简化的复合管模型，利用有限元分析软件a n s y s 就复合管的外压承载 能力问题进行失稳分析，预测复合管失稳模态形状，得到临界失稳压力，并建立临界 失稳压力与长度、厚度等相关因素的关系。最后用复合管的外压试验验证有限元方法 计算结果，确