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大庆石油学院工程硕士专业学位论文 玻璃钢管道与钢管及钢管件胶接技术研究 摘要 随着玻璃钢管道的广泛应用，玻璃钢管线施工及维修、抢修的工程会越来越多。针 对玻璃钢管道与钢管及钢管件之间法兰连接方式在实际应用中的不足之处，考虑到胶接 连接的独特优势，提出如用钢法兰代替玻璃钢法兰与玻璃钢管道胶接后，再与配套的钢 管及钢管件进行连接，或玻璃钢管道直接与钢管( 件) 进行胶接连接，则可减少玻璃钢 管道在应用过程中与钢管( 件) 连接后因沉降速度及冻胀系数均不同而产生的应力集中 问题，减少管道的损坏次数及维护成本，有很大的实际应用价值。 本文介绍了玻璃钢管道胶接连接和机械连接的种类、优缺点、设计原则及其连接的 破坏特性，进行了玻璃钢管本体、玻璃钢管法兰、玻璃钢管与玻璃钢管法兰连接处的强 度测试试验，并进行了试验结果分析，提出进行玻璃钢管与钢管及钢管件胶接技术研究 的必要性。 通过对各种胶接接头形式的分析，针对玻璃钢管与钢管及钢管件在实际应用中的具 体情况，选择应用内、外增强型对接接头进行玻璃钢管与钢管( 件) 的胶接连接，并建立 了一种玻璃钢管与钢管( 件) 胶接管接头在拉伸和扭转载荷作用下胶层内应力分析模型。 该模型利用管接头结构中缠绕法成形的管和套管材料、几何形状和所承受载荷的轴对称 性，采用一阶层合板理论分析管壁的应力和变形。通过管接头中管、套管和它们之间胶 层的位移协调性确定胶层内的应变和应力，从而建立了管接头结构的平衡方程。本模型 计算了缠绕角为5 4 。和2 6 。管接头胶层内剥离应力、轴向剪切应力和切向剪切应力，计 算结果与实际现象相吻合。 针对胶接接头的不同材质及不同表面处理方式对胶接强度的影响，我们通过分析选 择了在胶接时应用喷砂除锈+ 环氧预涂的表面处理方式。在对不同胶粘剂的组分及性能 进行分析、研究后，我们选择了不饱和聚脂类胶粘剂进行试验，取得了胶接时的胶粘剂 配方。同时为了更好地指导现场施工操作，我们制定了生产工艺，并进行了现场工艺性 试验，取得了较好的结果。 本课题解决了玻璃钢管道与钢管及钢管件的胶接技术问题，可应用于现场维修、抢 修及玻璃钢管道的生产预制，具有一定的现场应用价值及可操作性，有利于玻璃钢管道 的推广应用，具有较好的发展前景。 关键词：玻璃钢管道；连接；胶接接头；胶接技术 摘要 t h ea d h e s i v eb o n d e d t e c h n i q u e s t u d yo ft h e j o i n tb e t w e e nt h ef r pp i p ea n dt h es t e e lo r t 眦s t e e lp a r t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no ft h ef r pp i p e ，t h ee n g i n e e r i n go f t h ef r pp i p et h a tc o n s t r u c t i o n ，m a i n t a i n ，r u s ht or e p a i rw o u l db em o r ea n dm o r e a i ma tt h es h o r t a g ei na c t u a la p p l i c a t i o nt h a tt h ef r pp i p ef l a n g ej o i n tw i t h t h es t e e lp i p ea n ds t e e lp a r t s ，i nc o n s i d e r a t i o no ft h es p e c i a la d v a n t a g eo f t h ea d h e s i v eb o n e dj o i n t ，p u tf o r w a r dt h em e t h o dt h a tt h es t e e lf l a n g ea d h e s i v e b o n e ds t e e lp i p eo rs t e e lp a r ta f t e rt h es t e e lf l a n g ei n s t e a dt h ef r pp i p ef l a n g e ， o rt h ef r pp i p ea d h e s i v eb o n e dd i r e c tw i t ht h es t e e la n ds t e e lp a r t ，i tc a nr e d u c e t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o np r o b l e mt h a tc a u s ef r o mt h ed i f f e r e n to ft h ed e s c e n d s p e e da n dt h eh o tb u l g eo rf r e e z ec o e f f i c i e n ti nt h ea p p l i e dp r o c e s s t h u sr e d u c e t h ed a m a g en u m b e ra n dt h em a i n t e n a n c ec o s t so ft h ep i p i n g ，s ot h ism e t h o dc a n h a v et h eg r e a t l ya c t u a la p p l i c a t i o nv a l u e t h i sp a p e ri n t r o d u c e sk i n d s ，a d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s ，d e s i g n i n g p r i n c i p l e s ，a n di t sf a i l u r ep r o p e r t i e so fa d h e s i v eb o n d e dj o i n t sa n dm e c h a n i c a l f a s t e n e dj o i n t so ff r pp i p e c a r r yt e c h n i q u er e s e a r c ho ft h ef r pp i p ea n ds t e e l p i p eo rs t e e ls p a r ep a r t s p a s st h ea n a l y s i st ov a r i o u sa d h e s i v e b o n d e dj o i n t ，a i ma tt h ea c t u a l a p p l i c a t i o no fa d h e s i v e b o n d e dj o i n tw i t h i nf r pp i p ea n ds t e e lp i p eo rs p a r e p a r t sc h o i c es t r e n g t h e na d h e s i v e b o n d e dj o i n ti n s i d ea n do u t s i d et oa p p l y a n a n a l y t i c a lm o d e lw a sd e v e l o p e du s i n gt h ef i r s t o r d e rl a m i n a t e da n i s o t r o p i c p l a t et h e o r yt od e t e r m i n et h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n sw i t h i nf r pa n d s t e e l p i p ej o i n tu n d e rc o m b i n e dt o r s i o n a la n dt e n s i l el o a d i n g t a k i n g a d v a n t a g eo ft h ea x i s y mm e t r i cn a t u r eo ft o r s i o n a la n dt e n s i l el o a d sa b o u tt h e p i p ec e n t r a l a x i s ，t h ee q u i l i b r i u me q u a t i o n sf o rt h et h r e e c o m p o n e n t sj o i n t s y s t e mc o n s i s t i n go fc o u p l i n g ，a d h e s i v ea n dp i p ew e r es e t u pb a s e do nt h ed i s p l a c e m e n t r e l a t i o n t h ea d h e s i v ep e e ls t r e s sa n ds h e a r st r e s sw e r ec a l c u l a t e du s i n g t h em o d e l sf o r5 4 。a n d2 6 。 f i l a m e n t w o u n d p i p e s a n dg o o dc o r r e l a t i o n sw e r e f o u n dw h e nc o m p a r i n gt h e s er e s u l t sw i t ha c t u a lr e s u l t s a i ma tt h ei n f l u e n c et h a td i f f e r e n tm a t e r i a lo ft h ea d h e s i v eb o n e dj 0 i n t a n dt h ed i f f e r e n ts u r f a c ep r o c e s s i n gm e t h o dc o n n e c tt h es t r e n g t h ，w ec h o s et h e s u r f a c ep r o c e s s i n gm e t h o dt h a ts p r a ys a n dt or e m o v et h er u s ta d dw r e a t ho x y g e n t op r e p a r ed r a wt h ep a i n tw h e nc o n s t r u c t i o no p e r a t i o n w ec h o s et h ea d h e s i v e t h a tb e l o n gt on o ts a t u r a t e dr e s i nt ot e s ta f t e rw ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ht h e 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 c e n ga n dt h ef u n c t i o nt h a tt h ea d h e s i v eo w n e d ，w eo b t a i n e dt h ef o r m u l a t i o no f a d h e s i v e a tt h es a m et i m e ，f o rg u i d i n gt h eo p e r a t i o no fa d h e s i v eb o n e d ，w e h a v ed r e wu pt h ec o n s t r u c t i o nc r a f tf o ra d h e s i v eb o n e dj o i n t ，w eh a v ec a r r i e d o nt h et e s ti ns p o tc r a f ta l s o ，a n dw eo b t a i n e dc o m p a r eg o o do ft e s tr e s u l t t h i st o p i cs o l v e dt h ea d h e s i v et e c h n i q u ep r o b l e mo ft h ej o i n tw i t h i nt h e f r pp i p ea n ds t e e lp i p eo rs t e e lp a r t s t h i st e c h n i q u ec a nb ea p p l yi nt h ep r o c e s s o fm a i n t a i n ，r u s ht or e p a i ra n dt h ep r o d u c t i o no ff r pp i p ei nf r pf a c t o r y t h i s t e c h n i q u eh a st h ec e r t a i ns p o ta p p l i c a t i o nv a l u ea n dm a n e u v e r a b i l i t i e s ，a n di t i sa d v a n t a g e o u st ot h ee x p a n s i o na p p i c a t i o no ft h ef r pp i p e ，a n di th a v eag o o d o fd e v e l o p m e n tf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：f r pp i p e ；j o i n t ；a d h e s i v e b o n d e dj o i n t ：a d h e s i v e b o n d e dt e c h n i q u e 3 第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题研究的目的和意义 玻璃钢( f r p ) 管道又称“不饱和聚酯树脂夹砂管”，是近十几年来发展起来的管材， 由于该种管材具有轻质高强、耐酸碱、耐腐蚀、内外表面光滑、不结垢、无二次污染、 抗老化、安装方便、使用寿命长等优点而得到很快发展，被广泛应用于石油、化工、给 排水等各个领域，尤其是在城镇给排水领域有独特的优势，得到迅猛发展。 随着玻璃钢管道的广泛应用，玻璃钢管与钢管及钢管件之间的连接工程也越来越 多。目前玻璃钢管道与钢管及钢管件之间的连接均采用法兰连接的方式，该方式具有玻 璃钢法兰可以在玻璃钢厂内预制的优点，但由于玻璃钢法兰在玻璃钢厂内的生产方式 是：采用已经制作好的玻璃钢管管体，经打磨后，在其上缠绕制作法兰。这种生产方式 导致玻璃钢法兰连接方式具有以下缺点： ( 1 ) 法兰过厚，大型法兰一次成型较困难，生产率低。 ( 2 ) 玻璃钢法兰由于受到与之配套连接的钢法兰的尺寸限制，强度达不到设计要 求，容易引起开裂、渗漏等现象。 ( 3 ) 对于大口径管道( d n 7 0 0 m m 以上) ，法兰过厚，无标准螺栓、需要加工连接螺栓， 延长工期。 ( 4 ) 玻璃钢管道与钢管及钢管件( 阀门等) 因在土壤中的沉降速度及冻胀系数均不 同，应力集中在法兰根部，每年春冬季节法兰抢修比较频繁，而且修复方式复杂，施工 工期较长。 ( 5 ) 玻璃钢管道使用法兰连接方式与老管线连接，使接头部位质量增大，成本提高。 胶接连接方法与传统的连接方法相比，有其独特的优点，是其他连接方法所无法代 替的，它的优点主要表现在以下几个方面“1 ： ( 1 ) 胶接连接能最充分地利用被粘材料的强度。 由于胶接不需要铆接和螺栓连接中的过孔，因此不会减小材料的有效横截面积；胶 接操作温度低，可避免焊接时，高温引起的结构热变形和金相组织的变化，或者涂层、 退火状态的破坏。因此，胶接能充分利用板材，尤其是高强度材料的全部强度。 ( 2 ) 胶接连接能提高接头的疲劳寿命。 胶接时胶粘剂均匀分布于胶接面上，无螺孔和焊缝，不会形成局部应力集中，提高 了接头的疲劳寿命，而且胶接构件中，疲劳裂纹的扩展速度很慢。 ( 3 ) 胶接构件有效地减轻了接头的重量。 ( 4 ) 胶接接头可根据使用要求，选取相应的胶粘剂，赋于胶粘接头以特定的功能。 ( 5 ) 胶接适用的材料范围广，它可用于金属材料之间或非金属材料之间的连接。 ( 6 ) 胶接接头的耐环境能力强。 由几种金属材料构成的接头，采用胶接连接可避免金属接触电偶产生的电化学腐 蚀；胶接本身也不存在化学腐蚀，胶接连接对水、空气及其他介质有良好的密封性能， 减小了介质对接头的腐蚀，从而提高了接头的耐环境应力。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 ( 7 ) 胶接工艺简单，对操作的熟练程度要求低，生产易于自动化，生产效率高，成 本低。 针对上述玻璃钢管道与钢管及钢管件之间法兰连接方式在实际应用中的不足之 处，考虑到胶接连接的独特优势，提出如果用钢法兰代替玻璃钢法兰与玻璃钢管道胶接 后，再与配套的钢管及钢管件进行连接，或在不需要拆卸、更换的部位，玻璃钢管道直 接与钢管及钢管件进行胶接连接，则可解决玻璃钢法兰由于尺寸受限导致强度不足的问 题，减少玻璃钢管道在应用过程中与钢管及钢管件连接后因沉降速度及冻胀系数均不同 而产生的应力集中问题，减少管道的损坏次数，降低维护成本，节省操作时间，并且胶 接后的接头更方便与配套的钢管及钢管件的进行连接。 随着玻璃钢管道的广泛应用，玻璃钢管线施工及维修、抢修的工程会越来越多，采 用胶接法进行玻璃钢管道与钢管及钢管件之间的连接，会降低成本、减化工艺、提高生 产效率，有利于玻璃钢管道的推广应用，具有较好的发展前景。因此玻璃钢管道与钢管 及钢管件的胶接技术研究有很大的实际应用价值。 1 2目前玻璃钢管道、钢管及钢管件之间的连接方式现状、研究水平 及发展趋势 目前国内玻璃钢管道之间的连接方式主要有胶接连接和机械连接两大类。 钢管与钢管之间的连接以焊接为主，钢管与钢管件之间的连接多采用法兰连接。 玻璃钢管道与钢管及钢管件之间的连接均采用法兰连接的方式，并且有相应的施工 规范。 胶接法可应用于相同基体的玻璃钢管道连接，也可应用于相同基体的钢管与钢管之 间的连接。 国内对玻璃钢管道与钢管及钢管件之间的胶接连接技术研究，目前还未见系统报 道，对这方面技术研究较少的原因主要有以下几个方面： ( 1 ) 由于玻璃钢复合材料方面的专业人员，以研究材料为主，对施工过程接触及 了解的较少。 ( 2 ) 受限于玻璃钢复合材料生产厂家的技术装备及设施，单独完成这方面的研究 有困难。 ( 3 ) 玻璃钢管道是近十几年来发展起来的新型管材，处于推广应用状态，应用范围 小，玻璃钢管道与钢管及钢管件之间的连接也少。 ( 4 ) 国内南方由于气候温暖，玻璃钢管线与钢管及钢管件之间因沉降速度及冻胀系 数均不同而产生应力集中，导致管线渗漏的问题较少。 ( 5 ) 对于大口径管道( d n 7 0 0 m m 以上) ，应用量少，问题不明显。 研究玻璃钢管道与钢管及钢管件之间的胶接技术，可减化工艺，方便生产及维修， 具有可操作性，适合玻璃钢管道的推广及应用。 1 3 课题研究的主要内容 由于玻璃钢管线主要应用于城市给排水领域，并且管径大多为口3 0 0 m m 以上，因此 7 第l 章前言 本课题主要针对大口径玻璃钢管线连接时存在的问题，研究口3 0 0 r a m 以上玻璃钢管线与 钢管及钢管件之间的胶接连接技术，研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 玻璃钢( f r p ) 管的连接形式及破坏特性 分析玻璃钢( f r p ) 管不同连接形式的优缺点及破坏特性，研究玻璃钢法兰连接的受 力状况，对玻璃钢管本体及玻璃钢法兰进行强度测试，分析玻璃钢法兰强度较低并引起 破坏的原因，为胶接技术的研究提供试验数据及理论依据。 ( 2 ) 胶接连接形式的选择 系统研究各种胶接连接方式的适用性，选择确定玻璃钢管道与钢管及钢管件之间的 最佳胶接连接方式，并对此种胶接接头建立数学模型，分析受力情况，确定胶接法连接 时的一些基本技术参数。 ( 3 ) 试验研究不同表面处理方式对粘接强度的影响 研究分析不同表面处理方法及处理效果对粘接强度的影响和适用性，根据试验结果 确定适合的表面处理方式。 ( 4 ) 胶粘剂的选择与配方设计 研究常用胶粘剂对玻璃钢管道与钢管及钢管件的粘接强度的影响及适用性，选择合 适的胶粘剂进行试验，对配方进行优化设计，确定胶接时的胶粘剂配方。 ( 5 ) 胶接工艺的确定 结合现场施工状况，研究确定玻璃钢管道与钢管及钢管件胶接连接时的生产工艺及 技术要求，指导现场施工操作。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第2 章玻璃钢( f r p ) 管的连接形式及破坏特性 2 1 玻璃钢( f r p ) 管的连接形式及其特点 2 1 1 玻璃钢( f r p ) 管的连接形式 玻璃钢( f r p ) 管道的连接形式有多种，但一般可分为两大类，即胶接连接和机械 连接，我国通常采用的玻璃钢管的连接形式主要有以下几种 1 ，见图2 1 。 玻璃钢管的连接形式 图2 - 1 玻璃钢管的连接形式 f i g 2 - 1 t h ec o n j u n c t i o nf o r m so f t h ef r pp i p e 2 1 2 玻璃钢管的胶接连接和机械连接的优缺点 一般来说，对于受力不大的薄壁玻璃钢管应采用胶接连接，而对于管壁较厚且受力 较大的玻璃钢管多采用机械连接。这两类连接形式的原理不同，各有优缺点。 2 1 2 1 玻璃钢管胶接连接的优、缺点 玻璃钢管胶接连接主要有以下几方面的优点。3 ： ( 1 ) 被连接的玻璃钢管，因为没有在管体上开槽、开孔而切断纤维，故不会产生由 此引起的应力集中，降低管的承载力，并保存了管体良好的防渗能力； ( 2 ) 在一般条件下，被连接的玻璃钢管因不需要金属紧固件，故减少了机械加工的 工作量与材料的消耗，接头轻，费用低； 9 接接臌 连连面 接 女 妾 默籼躺 删 搬 搬 雠雠睇 ：晋 缆 琏 舶撒舭 舭 拦 骸 椭粼醐 翮 法 壤 rjl厂jll，v，ll 第2 章玻璃钢( f r p ) 管的连接方式及破坏特性 ( 3 ) 由于在两根管的接头处进行了去油污、除杂质处理，并对机加部位或裸露纤维 的地方涂敷了与内衬层相同的材料，使这个区域的耐腐蚀性能与管体相同； ( 4 ) 由于各种胶接连接均用毡、带包缠接头部位的外管体，使接头具有一定的树脂 层，故密封性好； ( 5 ) 永久变形小； ( 6 ) 零件数量少，便于安装。 玻璃钢管胶接连接主要有以下几方面的缺点： ( 1 ) 需要进行专门的表面清洁处理； ( 2 ) 因胶粘剂存在老化和受环境因素( 温、湿度) 的影响，在高温、湿度作用下， 其胶接强度会下降； ( 3 ) 胶接质量的检验困难，可靠性差； ( 4 ) 不可拆卸，管线难于回收再利用。 2 1 2 2 玻璃钢管机械连接的优、缺点 玻璃钢管机械连接主要有以下几方面的优点： ( 1 ) 受环境因素( 温、湿度) 的影响小； ( 2 ) 可在不使管体受损伤的情况下进行拆卸和再装配，属于可拆卸连接形式，管道 可更换； ( 3 ) 表面不需要进行专门仔细清洁处理即可获得较大的连接强度； ( 4 ) 具有有效的检测方法，保证连接质量，故具有高度的安全可靠性。 玻璃钢管机械连接主要有以下几方面缺点： ( 1 ) 由于在开孔、开槽或内外螺纹( 螺纹连接) 处产生应力集中，故该处易发生损伤 和裂纹，降低管体的防渗能力； ( 2 ) 因采用了法兰、螺栓、尼龙键等紧固件、密封件，故使接头部位质量增大，成 本提高； ( 3 ) 法兰与螺栓之间的连接会产生较大的内应力； ( 4 ) 由于玻璃钢材料模量低，产生的永久性变形较大，故易发生泄漏问题。 2 2 玻璃钢管连接接头的破坏特性 上述是玻璃钢管道之间的连接形式及其特点，玻璃钢管道与钢管及钢管件之间的胶 接连接方式，目前国内未见有系统报道，需要进行研究及试验分析。 在许多领域，胶接作为结构构件的连接方式日益广泛地被采用( 尤其是在航空航天 等高端领域) ，这就要求对它的力学性能有深刻的了解，可是作为胶粘剂主体的高聚物， 它的力学性质至今仍被划为专门学科还在进行研究，而胶接接头的力学问题涉及面更为 广泛，所以虽然人们对此也进行了广泛而深入的研究，但至今理论的发展远达不到实际 应用的需要。因此：要想判断一个接头是否可靠合用，目前破坏性强度测试的结果几乎 是唯一的依据。 在多种多样的接头形式中，从胶层受力的情况来分析主要是图2 - 2 那样的几种典型 方式“3 。实践证明，胶层的抗剪切及抗拉伸能力强，而抗剥离和抗扯离的能力弱。 1 0 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 p ( 2 ) ( 1 ) 正拉( 2 ) 剪切( 3 ) 剥离 ( 4 ) 扯离 图2 2 胶接接头中胶层的几种典型受力情况 f i g 2 - 2 af e wt y p i c a lm o d e l so f t h e $ f l e s si n 由于加工玻璃钢夹砂管管法兰短接时，采用的是已经制作好的玻璃钢夹砂管管体， 经打磨后在其上制作法兰，从某种程度上讲，可以看成是在玻璃钢夹砂管管体上胶接一 个玻璃钢法兰，因此在使用过程中，其胶层受力的情况同样主要是图2 2 那样的几种典 型受力方式，我们可以用这些典型受力的接头形式来研究玻璃钢管管法兰及胶接接头的 力学行为。 内应力是影响玻璃钢管接头强度和耐久性的重要因素之一，所以，分析研究玻璃 钢管接头处的内应力是十分必要的。 2 2 1玻璃钢管胶接连接的破坏特性 在玻璃钢管胶接接头处产生内应力的主要原因是： ( 1 ) 胶粘剂在固化过程中，因体积收缩引起收缩应力； ( 2 ) 因胶粘剂与玻璃钢管具有不同的热膨胀系数，故温度变化时接头处产生了热 应力； ( 3 ) 在接头内因存在诸如气泡、裂纹、针眼等缺陷，故在外载荷和内应力共同作 用下会使这些缺陷逐渐扩展，最终导致接头破坏。 在外力作用下，胶接处产生的这些内应力是非均匀分布的，见图2 3 。 一 p - 争挚 第2 章玻璃钢( f r p ) 管的连接形式及破坏特性 。拉一 二 i f 一一。1i ii o 。 图2 - 3 胶接处内应力分布图 f i g 2 3 t h es t r e s s e sd i s t r i b u t i o n si nt h e a d h e s i v e - b o n d e di o i n t 在管体上有平行外力的拉应力on ：在胶层中存在平行外力的剪应力t ；在胶粘剂 与管体界面处存在垂直于胶接面的正应力o 。和剪应力。胶接接头在这些外力和内应力 的共同作用下将会发生如下破坏：接头处的管体破坏；胶粘剂层内破坏；界面破坏，即 胶粘层与管体之间的粘附破坏；以上三种形式的混合破坏。 2 2 2 玻璃钢管法兰与钢管法兰机械连接的破坏特性 玻璃钢管法兰与钢管法兰的机械连接，因在管壁和法兰上分别开有凹槽和孔，使 截面和法兰面都受到削弱，并在槽、孔处产生应力集中。由于玻璃钢管和钢管及钢管件 之间的连接主要是法兰连接，所以下面我们主要分析法兰连接的破坏特性。 以整体法兰为研究对象，其应力分布如图2 4 口1 所示。 实线一环向应力；虚线一纵向应力 图2 - 4 整体法兰应力分布图 f i g 2 4 t h es t r e s s e sd i s t r i b u t i o n si nt h ew h o l er i n g 从该图中可以得知： ( 1 ) 在法兰根部的纵向应力为最大值 ( 2 ) 法兰环中的环向应力为最大值。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 由此可见，玻璃钢管法兰的主要破坏形式是： ( 1 ) 在法兰根部，因其强度、刚度不够而破坏； ( 2 ) 因法兰端面的不平度超出允许值范围，故此处在外力和内力的共同作用下发生 破坏： ( 3 ) 因法兰面上有划痕、分层、汽泡、针孔、杂质及缺胶等缺陷造成法兰破坏。 由上述分析可知，为了减少法兰的破坏，除在制造时保证制造精度及减少法兰的 初始缺陷外，还应在法兰与管体之间设置一个过渡锥颈，使其随应力增加壁厚增大，应 力减小壁厚减薄，或者在法兰根部加大半径尺寸，以便降低局部应力过大，变形过大， 从而提高法兰强度、刚度，并降低法兰环的挠度，使垫片受压均匀，提高法兰的密封性。 但在实际应用中，由于受到空间、管线布置形式及现场连接尺寸的限制，玻璃钢法兰在 加工时过渡锥颈过小或根本就没有过渡锥颈，这直接影响了玻璃钢法兰的强度和刚度， 并且玻璃钢法兰与钢管及钢管件连接时，由于受到钢法兰的尺寸限制，玻璃钢法兰也不 能制作的过大过厚，也影响了玻璃钢法兰强度。 综上所述，在实际应用中，玻璃钢法兰往往存在受空间及尺寸限制，强度达不到 设计要求的不足之处，因此如果将钢法兰代替玻璃钢法兰直接与玻璃钢管胶接连接在一 起，则可解决玻璃钢法兰过大过厚，加工繁琐、强度不足的问题，并且胶接后的接头更 方便与钢管及钢管件的配套连接。 2 2 3 玻璃钢管试件拉伸强度及剪切强度测试试验 为了验证以上分析的正确性，并且准确地了解玻璃钢管体、玻璃钢管法兰本体、玻 璃钢管与玻璃钢管法兰连接处的受力情况，按照g b t 1 4 4 6 2 0 0 5 玻璃纤维增强塑料性 能试验方法总则中规定，分别制作试样，进行强度测试。试验在黑龙江省工程质量 第三检测中心第二检测站中进行，试验设备用电子万能试验机，试验标准环境条件及试 验状态调节符合g b t 1 4 4 6 2 0 0 5 中规定，设备加载速度为2 r a m r a i n “3 。 2 2 3 ，1 玻璃钢管体拉伸强度测试试验 按照g b t 1 4 4 7 - - 2 0 0 5 玻璃纤维增强塑料拉伸性能试验方法”3 ，分别选取口 6 0 0 m m 、口8 0 0 m m 、口9 0 0 r a m 玻璃钢管体，沿管体轴向取样，试样厚度采用玻璃钢管体厚 度，总试样数量9 个，试验结果见表一。 第2 章玻璃钢( f r p ) 管的连接方式及破坏特性 表2 - 1 玻璃钢管体拉伸强度测试结果 t a b l e2 - lt h et e n s i l es t r e n g t ht e s tr e s u l to f t h ef r pp i p e 公称直径试样宽度试样厚度破坏载荷抗拉强度 批号组号 备注 d n ( m m )b ( m m )h ( m m )p ( k n ) ot ( m p a ) 1 116 0 02 1 1 38 1 63 4 0 51 9 7 5 1 216 0 02 0 0 98 2 73 3 4 92 0 1 6 l 一3l6 0 02 0 0 28 2 2 3 2 7 8 1 9 9 2 l 一429 0 02 0 0 71 4 8 36 2 5 02 1 0 0 1 52 9 0 0 2 0 9 8 1 4 9 96 5 5 42 0 8 4 1 62 9 0 0 1 9 3 0 1 5 0 55 8 3 52 0 0 9 1 7 38 0 02 0 1 12 5 11 0 5 0 92 0 8 2 1 838 0 02 0 0 62 5 7 71 0 8 7 72 1 0 4 1 - 938 0 02 0 8 92 5 4 51 1 1 4 32 0 9 6 2 2 3 2 玻璃钢管法兰本体剪切强度测试试验 按照g b t1 4 5 0 卜2 0 0 5 玻璃纤维增强塑料层间剪切强度试验方法”1 ，分别选取口 6 0 0 m m 、口8 0 0 m m 、口9 0 0 m m 玻璃钢管法兰，沿法兰轴向取样，总试样数量为9 个，测试 结果见表2 2 。 1 4 表2 - 2 玻璃钢法兰剪切强度测试结果 t a b l e2 - 2t h es h e a rs t r e n g t ht e s tr e s u l to f t h ef r pr i n gf l a n g 公称直径试样宽度试样厚度破坏载荷剪切强度 批号组号备注 d n ( l l )b ( m m )h ( m m )p ( k n ) t ( m p a ) 2 - 146 0 02 0 1 34 8 92 6 6 02 7 0 2 2 246 0 02 1 0 95 0 32 9 0 02 7 3 4 2 - 346 0 02 0 0 64 8 22 7 1 32 8 0 6 2 - 459 0 02 0 2 74 。8 32 7 6 52 8 2 4 2 - 559 0 01 9 9 84 9 92 8 5 42 8 6 3 2 - 659 0 01 9 9 45 0 52 8 1 82 7 9 8 2 768 0 01 9 8 55 12 9 o o2 8 6 5 2 868 0 02 0 0 75 7 73 3 6 12 9 0 2 2 968 0 02 0 3 85 4 53 1 6 22 8 4 7 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 从表2 1 、2 2 测试结果可以看出： ( 1 ) 玻璃钢管与玻璃钢法兰力学指标达到国家标准。 ( 2 ) 所选试样具有实际意义。 2 2 3 3 玻璃钢管与玻璃钢法兰连接处剪切强度测试试验 层问剪切强度的测试，对于了解结构性能，合理设计层间结构，提高层间剪切强度， 扩大其应用范围和确保其使用安全性是非常重要的。 1 。为了测试玻璃钢管与玻璃钢法 兰连接处的层间剪切强度，我们采用双切口拉伸压缩式层间剪切试验法进行试验“。 按照g b t1 4 5 0 1 - 2 0 0 5 玻璃纤维增强塑料层间剪切强度试验方法，分别选取c 6 0 0 皿m 、口8 0 0 m m 、口9 0 0 m m 玻璃钢管法兰管段，沿管体轴向取样，层间剪切测试位置确 定在玻璃钢管与法兰连接处“，总试样数量为9 个，测试结果见表2 3 。 表2 3 玻璃钢法兰与管体连接处剪切强度测试结果 t a b l e2 - 3t h es h e a rs t r e n g t ht e s tr e s u l ti nt h ec o n e c t i o no f t h ef r pr i n gf l a n ga n df r yp i p e 公称直径试样宽度 试样厚度破坏载荷剪切强度 批号组号备注 d n ( )b ( m m )h ( m m )p ( k n ) 1 ( m p a ) 3 - 176 0 01 8 1 37 9 6 3 26 5 5 4 54 5 4 3 - 276 0 02 1 0 98 2 5 6 37 4 1 7 74 2 6 3 - 376 0 01 6 0 66 1 7 9 24 2 8 7 14 3 2 3 - 489 0 02 3 2 78 7 0 7 89 0 3 7 34 4 6 3 - 58 9 0 02 2 9 8 8 4 6 2 39 0 4 2 64 6 5 3 68 9 0 02 1 3 4 7 7 6 1 87 9 1 7 44 7 8 3 - 79 8 0 01 6 9 5 7 0 3 5 55 7 7 1 84 8 4 3 - 898 0 01 7 5 68 1 2 9 16 7 9 4 84 7 6 3 998 0 01 7 4 16 8 3 1 75 5 7 8 34 6 9 2 2 3 4 玻璃钢管与玻璃钢法兰连接处拉伸强度测试试验 按照g b t 1 4 4 7 - - 2 0 0 5 玻璃纤维增强塑料拉伸性能试验方法，分别选取口6 0 0 m m 、口 8 0 0 r a m 、口9 0 0 m m 玻璃钢管法兰，沿法兰轴向取样，制作试样，试样距玻璃钢管端长度 1 5 0 m m ，玻璃钢管法兰端采用法兰厚度，保留一个螺栓孔，测试时，将螺栓穿入螺栓孔 中，模拟实际使用状态测试，总试样数量为9 个，试验结果见表2 - 4 。 第2 章玻璃钢( f r p ) 管的连接方式及破坏特性 表2 - 4 玻璃钢法兰与管体拉伸强度测试结果 t a b l e2 - 4 t h et e n s i l es t r e n g t ht e s tr e s u l ti nt h ec o n e c t i o no f t h ef r pr i n gf l a n ga n df r pp i p e 公称直径试样宽度试样厚度破坏载荷抗拉强度 批号组号备注 d n ( r f l m )b ( m m )h ( m m )p ( k n ) ot ( m p a ) 4 - 11 06 0 01 8 1 37 9 6 3 23 0 0 3 02 0 8 4 21 0 6 0 0 2 1 0 9 8 2 5 6 33 4 1 2 9 1 9 6 4 - 31 06 0 01 6 0 66 1 7 9 2 1 8 3 5 9 1 8 5 4 - 41 19 0 02 3 2 78 7 0 7 83 3 8 3 91 6 7 4 51 l 9 0 0 2 2 9 8 8 4 6 2 33 5 3 9 2 1 8 2 4 61 19 0 02 1 3 4 7 7 6 1 82 8 6 5 5 1 7 3 4 - 71 28 0 01 6 9 57 0 3 5 5 2 1 3 4 6 1 7 9 4 - 81 28 0 01 7 5 68 1 2 9 12 3 9 8 11 6 8 4 - 91 28 0 01 7 4 16 8 3 1 7 2 9 4 5 8 1 7 2 2 2 4 试验结果分析 试验结果表明：玻璃钢夹砂管管法兰的剪切强度最高，玻璃钢管体自身的拉伸强 度虽低于管法兰自身的强度，但也远远高于玻璃钢管法兰与管体之间连接处剪切强度， 玻璃钢管法兰与管体之间连接处拉伸强度则远低于管体拉伸强度。实验数据与实际现象 相吻合。 造成玻璃钢管法兰与玻璃钢管体之间连接处拉伸强度远低于管体拉伸强度的原因 分析如下： 玻璃钢夹砂管管法兰、法兰本体及玻璃钢夹砂管管体都是一次加工成型的产品， 具有整体性，而玻璃钢管法兰在加工时，采用的是已经制作好的玻璃钢管体，经打磨后 在其上制作法兰，因此法兰与管体之间连接处界面比较明显，造成强度较低。 法兰加工时，转角比较明显。由于是手工操作，无法使用外力减少此处的胶量， 形成高含胶量区，造成剪切强度降低。 后加工的法兰厚度较大，固化时产生的收缩力较大，产生较大的应力，其结果 是在法兰与夹砂管管体之间形成应力集中，大大降低了抗拉强度。因此其剪切强度较理 论剪切强度低。 实际测试法兰拉伸强度及法兰使用时，法兰在受拉伸力时，法兰与管体之间除 受剪切力之外，还存在剥离力，而玻璃钢的剥离强度远低于剪切强度，因此玻璃钢管法 兰与管体之间连接处拉伸强度则远低于管体拉伸强度。 以往在实际操作过程中，为了增加玻璃钢管法兰与夹砂管道管体之间连接处拉伸强 度，主要通过两个方面的途径：一是加长法兰与管体之间连接处长度，另一是加大过渡 段厚度。但由于玻璃钢管法兰的加工特点决定了法兰与管体之间连接处长度不可能太 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 长，过渡段厚度也不可能太大，因此效果不是太好。 通过分析认为：采用钢管与玻璃钢夹砂管道胶结连接方式，可以尽量消除法兰加工 时产生的应力及使用时所受的剥离力，因此，本项目选用钢制法兰短管与玻璃钢夹砂管 道胶接，代替玻璃钢夹砂管道法兰短管。即研究玻璃钢管与钢管及钢管件之间的胶接连 接技术。 第3 章玻璃钢管与钢管及钢管件胶接接头的形式选择 第3 章玻璃钢管与钢管及钢管件胶接接头的形式选择 在通常使用的胶接技术中，胶接强度与以下几方面因素有关“： ( 1 ) 胶粘剂主体高聚物的结构、性质和胶粘剂的配方； ( 2 ) 被粘物的性质与表面处理； ( 3 ) 胶接时涂胶、胶接、固化工艺； ( 4 ) 胶接接头的形式、几何尺寸和加工质量 3 1 胶接接头的设计原则 3 1 1 接头设计的基本原则 胶接连接首先要确定钢管与玻璃钢夹砂管道胶结连接方式，力求达到产生的应力及 使用时所受的剥离力最小，得到的强度最高。 胶接接头的设计与正确选择胶粘剂和固化工艺有关，也与被粘材料的表面持性及其 处理方法有关，同时与环境应力有关。因此，接头设计是一个复杂的问题。对受力接头 的设计，应当遵循如下的基本原则：“4 “” ( 1 ) 力求胶层受力均匀，避免或减少集中。 ( 2 ) 使用时，避免或减少冲击载荷。 ( 3 ) 对层状制品，防止层间剥离。 ( 4 ) 接头受力方向应与胶接强度最大的方向一致，最大受力点应在胶层最大强度 处。 ( 5 ) 尽可能使接头承受剪切力、压缩力，避免受拉或剥离。 ( 6 ) 合理地增大胶接面积。 ( 7 ) 所选胶粘剂的线膨胀系数应与f r p 部件材料一致或接近，必要时可加填料改性。 ( 8 ) 保证接头强度高于被胶件最小强度，或为同一数量级。 ( 9 ) 当强度和韧性不能同时满足时，则应分清主次，并在接头结构设计方面下功夫。 ( 1 0 ) 应充分考虑胶粘剂拉伸、压缩、剪切强度高，而剥离、冲击强度低等特点。 ( 1 1 ) 此外，从接头的工艺性、经济性、环境性等出发，可考虑混合连接。 3 1 2 胶接接头尺寸的确定原则 胶接连接的性能分散性大一般的分散度在2 0 左右。接头破坏类型间也会因接 头内外条件变化而发生转化。标准接头的破坏性强度测试结果，指标重复性较差。在设 计中，不能根据标准的胶接强度测试数据来推算实际接头的强度，这给设计带来一定的 1 8 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 困难。胶粘剂的种类繁多，接头型式也各不相同，难有普遍适用的计算公式，因此，必 须进行实际接头的强度测试。 3 2 胶接接头形式选择 3 2 1 管材接头形式分析 常见的管材接头形式如图3 1 所示 豳肇率四圈脚吻砀烽 忽茏砻趔匾斛躅暖哦酗 一i + _ 一。1 。t 一一_ t _