复合材料说明书正文

复合材料说明书正文复合材料说明书正文 前言玻璃钢管道玻璃钢管道简称FRP管道 具有耐久性好 摩擦阻力小 输运能力高 安装方便 耐化学腐蚀 性强 使用寿命长等优点 可降低管道因维护 更换停产带来的损 失 主要应用在石油 电力 化工 造纸 制革 冶金 城市给排 水 废水处理及农业灌溉等 力学性能和特点 1 抗拉强度 抗拉强度高 FRP的抗拉强度均明显高于钢筋 与高强钢丝抗拉强度差 不多 一般是钢筋的2倍甚至达10倍 但FRP材料在达到抗拉强度前 几乎没有塑性变形产生 受拉时应力 应变呈线弹性上升直至脆断 因此FRP复合材料在与混凝土结构共同 作用的过程中 往往不是由于FRP材料被拉断破坏 而是由于FRP 混凝土界面强度不足导致混凝土结构界面被剥离破坏 所以 FRP 混凝土界面粘结性能问题成为今后工程应用的一个重点和难点 2 热膨胀系数 FRP复合材料热膨胀系数与混凝土相近 这样当环境温度发生变化时 FRP与混凝土协调工作 两者间不会产生大的温度应力 3 弹性模量 与钢材相比 大部分FRP产品弹性模量小 约为普通钢筋的25 75 因此 FRP结构的设计通常由变形控制 4 抗剪强度 FRP的抗剪强度低 其强度仅为抗拉强度的5 20 这使得FRP构件在 连接过程中需要研制专门的锚具 夹具 这也使得FRP构件的适度成为研究突出的问题 5 抗腐蚀 抗疲劳性能 FRP材料抗腐蚀 抗疲劳性能好 可以在酸 碱 氯盐和潮湿的环境 中长期使用 因而可提高结构的使用寿命 这是结构材料难以比拟的 但同时 与一般混凝土相比较 FRP复合材料的防火性能偏差 这也制 约了该类结构产品的推广应用 成为今后要解决的问题之一 6 重量 比强度很高 即通常所说的轻质高强 因此采用FRP材料可减轻结构 自重 施工方便 其重量一般为钢材的20 7 良好的可设计性 FRP属于人工材料可根据工程需要采用不同纤维材料纤维含量和铺陈 方式等不同工艺设计出不同强度指标 弹性模量及特殊性能要求的F RP产品 且FRP铲平形状可灵活设计 8 工厂化生产 现场安装 有利于保证工程质量提高劳动效率和建 筑工业化 9 其他优势 绝缘 隔热及透电磁波等 因此可用于一些特殊场合如雷达站地磁 观测站医疗核磁共振设备结构等 与钢管相比 玻璃钢管道的优点有 1 耐腐蚀性 FRP管道能够抵抗酸 碱 盐 海水 未经处理的污水 腐蚀性土壤 或地下水及众多化学流体的腐蚀 2 耐热抗冻性好 FRP管的温度使用范围一般在 40 80 之间 若先用特殊树脂其使用温度可达到更高 3 轻质高强 运输安装方便 FRP管道的比重为1 7 1 9 与同压力 同管径的其他材质管道比较 FRP管道单位长度 重量约等于钢管的30 因此运输安装十分方 便 FRP管道每根长度可达12m 安装快速简便 另外可免除安装钢管所需的焊接和防锈 防腐处理等工序 4 摩擦阻力小 输送能力高 FRP管道内表面非常光滑 糙率系数小 水利系数可长期保持在145 150范围内 经测试得到其水流摩阻损失系数为0 000915 能显著 减少沿程的流体压力损失 提高输送能力20 以上 5 不生锈 由于玻璃钢管是由非金属材料树脂及玻璃纤维复合而成 所以 它 们不论在使用过程还是在闲置过程中 均不会生锈 因而也就无需 进行防锈 除锈处理 6 可设计性强 根据具体使用情况 可对缠绕玻璃钢管的具体性能及形状进行设计 可对缠绕时的缠绕角进行设计 以便管具有不同的纵 环向强度分 配 可对管壁厚进行设计 以便管可以承受不同的内外压 可 对材料进行设计 以达到不同的耐腐蚀目的 阻燃目的 介电目的 等 可对授头方式进行设计 适用不同的安装条件 以提高工程 安装速度 7 可修复性强 维护方便 缠绕玻璃钢管罐不生锈 不结垢 耐腐蚀性能好 一般情况下无需 维护 即使需要维护 由于其重量轻 可维修性强 所以 维修起 来也是十分方便的 根据使用压力可分为高压管 5 30MPa 中压管 1 6 4MPa 和低 压管 0 1 4MPa 三种 按制造方法可分为手糊玻璃钢管 预浸布 卷玻璃钢管 缠绕玻璃钢管 离心浇注玻璃钢管等 根据管道的铺 设方法 可分为架空铺设 埋地铺设 地面铺设三种 除此以外 还有其他的分类方法 地面铺设是将管道的地面铺设到底表面高度的管机上 这种铺设方 法适用于森林 高山或地下水高的地区 地面铺设管道常用于农业灌溉 工业给水等 本设计书包括对玻璃钢管道的造型设计 性能设计 结构设计 工 艺设计 管道的安装连接及检验 在造型设计中根据要求选三通管 三通管与管道的连接选用承插胶 结并外包缠 可防止Cl2的泄露 在性能设计中进行了基体材料 增 强材料和辅助材料的选择 根据使用条件选择不饱和聚酯树脂和中 碱玻璃纤维表面毡 短切毡 无捻粗纱 引发剂选用过氧化甲乙酮 同时选用与之配合的促进剂 为提高防老化性能家入适量UV9紫外 线吸收剂 结构设计中经计算的壁厚8 0mm 经校验符合要求 玻璃 钢管道的成型方法有手糊成型 纤维缠绕成型 拉挤缠绕成型等 选择纤维缠绕成型 玻璃钢的安装连接中 选用胶结连接并外包缠 用钢架进行支撑 采用轴向拉伸试验 轴向压缩试验及水压试验 等对玻璃钢管道进行检验 2造型设计根据管道设计条件 属于中压地面铺设管 选用缠绕成型 玻璃钢管 地面铺设是将管道的地面铺设到地表面高度的管基上 管道由三通 管连接 且为限制性连接 因此选择承插胶结连接并外包缠 可以 防止Cl2气体外漏 地面铺设玻璃钢管的造型如下图2 1地面铺设玻璃钢管的造型3性能 设计性能设计就是合理地对材料进行选择 组合 选用原材料时应 考虑输送介质及浓度 使用压力 使用温度以及外界环境因素等工 艺条件 3 1原材料的选择管道的原材料包括基体材料 树脂体系 增强材料 玻璃纤维 辅助材料 引发剂 促进剂等 材料设计的原则如下 1 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 3 1 1基体材料选择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 不饱和聚酯树脂相对密度在1 11 1 20左右 固化时体积收缩率较大 其性能特点有 耐热性大多数不饱和聚酯树脂热变形温度在50 60 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 耐化学腐蚀性不饱和聚酯树脂稀酸 稀碱性能较好 2 环氧树脂的特性有 收缩性低和不饱和聚酯树脂 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 环氧树脂体系具有优良的力学性能 化学稳定性通常情况下固化 后的环氧树脂体系具有耐碱性 耐酸性和耐溶剂性 综合考虑以上因素 选择不饱和聚酯树脂作为基体材料 3 1 2增强材料选择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 无碱玻纤与中碱玻纤 3 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 中碱玻纤耐酸性能非常好 价格比无碱玻纤便宜 因此选用中碱玻璃纤维 各种纤维及织物的特点有 1 无捻纤维无捻纤维各股纱之间张力均匀 不起毛 不断头 成带 性好 对树脂浸润性好 所制玻璃钢管道强度也比有捻纤维要高 2 表面毡表面毡应用最早 使表面产生富树脂层而光滑有弹性 减 少摩擦阻力 提高耐磨性 耐腐蚀性 耐水性 耐老化性和抗冲击 性 是制作玻璃钢内衬耐腐蚀层的首选材料 3 玻璃纤维毡常用于缠绕成型制品的富树脂层 包括内衬层和外表 层 一般采用短切毡 1 缠绕工艺对玻璃纤维毡的要求 毡片浸透 性要好 消泡性要好 3 1 3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 固化剂也称引发剂 它能使树脂固化 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醋树脂 乙烯基酷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 引发剂的选用要考虑以下几个因素 1 a 树脂活性 所选固化剂与 树脂的反应性相匹配 树脂反应性强 选用的引发剂活性要高 树 脂反应性弱 选用的引发剂的活性要较低以免游离基产生较快 到 固化后期缺乏引发剂 b 适用期 配制好的胶液必须保证有效地浸 渍增强材料 其胶液的存放时间为适用期 不同配方的适用期是不 同的 c 成型温度 按成型产物温度可分为低温 中温 高温三种 固化类型 必须选择适合于该温度范围的有氧化物 缠绕成型法在 中温固化范围内 d 固化速度 树脂的固化速度与引发剂的活性 加入量和成型温度有关 引发剂的用量一般为1 2 成型温度确定 就可了解引发剂的活性与固化时间的关系 以达到放热峰温度来 计算固化时间 引发剂的选用必须考虑填料 颜料及其他添加剂对固化工艺的影响 目前固化不饱和聚酷树脂用的有机过氧化物的临界温度都在60 以上 对于固化温度要求在室温时 这些有机过氧化物就不能满足 要求 必须设法使过氧化物的临界温度降低 当有机过氧化物在叔 胺作用下 就可在较低温度下产生游离基 考虑以上因素 选择过氧化甲乙酮作为引发剂 其价格低 性能好 使用极其方便 和树脂混合容易 选择促进剂时应注意选择活性好 用量少 胶凝时间快 应与引发 剂相配合 放热峰适当 毒性小的促进剂 3 2管道各层性能设计管壁可分为三层结构 即内衬层 结构层和外 表层 其功能各为内衬层主要起防腐 防渗作用 结构层承受荷载引起的 各种应力 外保护层则用于防自然老化和摩擦碰撞 内表层为富树脂层 厚2 0mm 树脂选双酚A型不饱和聚酯树脂 增 强材料选中碱玻璃纤维表面毡和短切毡 结构层选用双酚A型不饱和 聚酯树脂 增强材料选中碱玻璃纤维无捻粗纱 外保护层选用通用 型不饱和聚酯树脂 增强材料选中碱玻璃纤维短切毡 加入适量UV9 紫外线吸收剂 防止老化 图3 1玻璃钢管管壁结构4结构设计结构设计主要是对管道进行强度 刚度 稳定性等方画的设计与计算 包括管道的结构层的壁厚 铺层方式 管接头的形式等 4 一般设计可分为以下几个阶段 5 分析管道的技术条件和工作条件 提出计算要求 根据技术条件进行荷载分解 然后组一合校核 进 行管道设计计算 进行管道刚度及稳定性设计计算 进行管件连接 设计 4 1玻璃钢管受力分析输气管工作压力只有均匀内压 工作压力在管 截面上的分布如下图所示图4 1玻璃钢管道压力分布4 2管壁厚计算 及校核 1 按环向强度计算管壁厚度查表取环向拉伸强度270MPa则环向许用 应力2702710yMPa 4 1 再由公式 mmpDPtWyW47 5127229 012 4 2 初选玻璃钢管壁厚为5 5mm 2 校核轴向强度由表查得玻璃钢管轴向拉伸强度为85 160MPa取10 0MPa 又由安全系数为10得许用应力 1001010 xMPa 按 4WxP Dtt 将其变换为 4WWP DtP 4 3 带入数值得出mmt4 711042901 按轴向允许应 力求得玻璃钢管壁厚度为7 4mm 大于按环形应力求得的壁厚 故管 的厚度应取7 4mm方可靠 3 刚度校核当管壁厚度为时 按简支梁受均匀载荷计算 按式求其 最大挠度 因为管输送气体 所以介质密度为零 6 则管上的均匀载荷等于玻璃钢管自重 玻璃钢管的密度为1 8t m3 即 2224mqDtD 4 4 带入数值得 14 MNqqtDtqm4 1210108 1 44 7 4 7 2904 34446322 玻璃钢管截面惯性矩I0由下式求出 4444044外0m105 72904 297414 3 4 IRRI内 4 5 40384xqLE I 4 6 m641041022 1105 7 109 0 38444 12 0 00122mm 6 5mm满足刚度条件 考虑到玻璃钢管在运输 制造和使用中的复杂情况 壁厚应比计算 值稍大 所以管壁厚度最终确定为8 0mm 5工艺设计玻璃钢管得制造方法很多 成熟的制造方法有手糊成型法 预浸布卷管成型法 纤维缠绕成型 法 拉挤缠绕成型法 PVC 玻璃钢复合成型法和离心浇注成型法等 根据管道的压力和运行情况 采用缠绕成型制管工艺 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 7 5 1纤维缠绕制管所用设备纤维缠绕成型用的模具一般为钢模 也可 以用玻璃钢材料制模 管径在800以下的芯模采用整体式钢模 管径在800以下的采用开缩 式模具 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 随转鼓公转或自传 5 2纤维缠绕制管工艺5 2 1纤维缠绕制管的优点 1 能按管的受力状况设计缠绕规律 满足环向和轴向受力要求 充 分发挥纤维强度 2 可靠性高缠绕制管采用缠绕机生产 易实现自动化和机械化 工艺条件确定后 缠出来的管材尺寸精确 质量稳定 3 生产效率高采用机械化或自动化缠绕机生产管 缠绕速度快 需 要工人少 劳动生产率高 4 比强度高缠绕制管结构层得纤维含量可达80 其比强度不仅高于钢和钛 而且高于手糊和卷制玻璃钢 5 成本低缠绕制管可合理配置内衬层 结构层和外保护层材料 能降低材料成本 同时由于生产率高 还能降低加工费用 故可使缠绕管达到最佳的经济效益 5 2 2纤维缠绕制管工艺流程图5 1纤维缠绕制管工艺流程5 2 3具体 生产过程 1 胶液配制在生产过程中 当配方确定之后 配制环节应严格把关 从管理角度来说 此环节出错将导致产品的彻底失败 因此应加 强此环节的质量控制 不能配错 搅拌要均匀 2 浸胶要控制纱线均匀展开 均匀浸渍 要控制浸渍量的多少 一 般浸胶方式采用擦胶 不提倡完全浸渍 树脂含量过多会造成不必 要的浪费 还会影响强度的发挥 但是树脂过少又会产生白纱现象 严重影响性能 因此 浸胶应合理 3 工艺控制展纱必须均匀 尽可能地减少滑线 控制纱线张力 控 制展纱宽度 尽可能地控制纱线既要展开 又要不产生缝隙 展纱 宽度要与缠绕的前进量相协调 缠绕切线不宜过多造成过多的孔隙 也不宜过少造成局部架空严重 4 固化树脂必须达到一定的固化程度 否则将严重降低产品性能 8 因此必须掌握树脂的工艺性能并根据产品的性能要求制定合理的工 艺制度 在整个产品制造过程中 玻璃纤维并没有发生物理化学变化 发生 变化的是树脂 树脂在固化过程中 由粘度较低的液态 转化为粘 度较高的粘流态 随着粘度的加大逐步胶凝 固化成固态 树脂的固化过程需要一定的条件 如化学条件为加入一定的固化剂 加入固化剂后的树脂有的还有适用期 有试用期要求的树脂 根 据其工艺特点要掌握配胶量 避免树脂迅速发生化学反应 物理条 件为加热促进固化 要根据树脂的反应特征峰值 选择加热周期 大多数树脂在固化过程中还要释放出一定量的热量和气体 固化后 体积还有一定量的收缩 只有掌握了这些变化规律 才能制定出合 理的工艺制度和固化制度 进而制造出质量稳定的产品 9 12 6玻璃钢管道安装连接地面铺设是将管道的底面铺设到地表面高度的 管基上 因此必须先将管基铺好 然后由三通管将管道连接起来 为防止漏气应再外包缠 玻璃钢管道连接分为限制性连接和非限制性连接两类 因设计条件为连接处不允许产生相对位移 所以选择限制性连接 限制性连接包括包缠对接 法兰连接和承插胶黏连接 此设计选用承插胶黏连接中的承插粘结 承插粘结的优点是安装速度高 能大大地降低安装成本 减少施工 工作量 提高工作效率 对于输气管还能保证连接的气密性和强度 适用于一般外负荷的地下管路系统和中小口径管线连接 任何管道即使工艺上能够制造出无限长度的产品 也必须要连接 连接必不可少 连接十分重要 连接的好坏直接影响着管道能否正 常工作 为了满足管道在制造 安装 运输 检修等方面的要求 需要各种 连接方式 也需要各种管件将管道连接成各种形式 通常管件应满足以下条件 13 15 1 确保管道在整个工作过程中连接处不泄漏 2 管件连接处要有足够的强度和刚度 与管体强度和变形相协调 3 管件连接处不会造成管道内部流体的阻力或增加管体内部压力 4 安装方便 快捷 便于维修 5 价格合理 适合于大批量生产 使用寿命长 性价比优越 三通管如图6 1所示图6 1三通管示意图7管道性能试验及检验玻璃钢 管道通常工程量大 投资大 制品的性能将在一定范围内直接影响 国计民生 因而对制品的要求更加严格 对产品性能检测也就成为 必不可少的重要环节 16 7 1玻璃钢管轴向拉伸试验玻璃钢轴向拉伸性能试验方法是将试样安 装在上 下夹持装置上 然后将夹持装置放置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 根据测量的破坏载荷 或最大载荷 及试样的变形值计算管轴向拉 伸强度 拉伸模量和破坏伸长率 7 2玻璃钢轴向压缩试验玻璃钢轴向压缩性能试验方法是将试样放在 试样机两压头中心 使试样受轴线方向的压缩载荷作用 根据测量所得的压缩载荷及试样的变形值计算其压缩强度和压缩弹 性模量 7 3玻璃钢平行板外载试验玻璃钢平行板外载试验方法是把管试样平 放在两平行加载板中间 在试验机上对管试样施加径向载荷作用 根据测量的荷载及变形 计算管试样的刚度 刚度因子 载荷 变形曲线以及出现显著性事件的载荷和变形 7 4玻璃钢管短时水压失效压力试验玻璃钢短时水压失效压力试验是 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 直到试样失效 失效包括以下内容 1 主要失效形式为爆破即瞬时或快速泄压现象 2 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 但密封部位漏水或试样破坏在密封段内等现象不为失效 7 5玻璃钢管外观质量检验玻璃钢外观质量检验包括对管的外观 尺 寸 硬度 玻璃纤维含量等的检验 1 外观检验方法为目视检验 可以容许有一定的缺陷 2 尺寸检验包括对管的厚度 平均内经检验 3 巴柯尔硬度检测测定部位必须在离开试样边缘3mm以上进行 每 个测点间隔必须在3mm以上 测定避开做硬度试验以外的地方 4 玻璃纤维含量检测把坩埚放在625 左右的电马弗炉里干燥至恒 重 在干燥器里冷却 正确称量坩埚质量 m1 及把试件放入坩埚时 的质量 m2 用再生灯加热放入试件的坩埚 利用试件持续燃烧的温度加热 燃烧停止时 移到干燥器里冷却30m in 把加热后的质量 m3 准确称至1mg 计算出每个试样的玻璃纤维 含量 求出平均值 8小结本课程设计的任务是设计内径为290mm 工作压力为1MPa 输 送介质为Cl2气体的底面铺设管道 可分为造型设计 性能设计 结构设计 工艺设计 安装连接和质 量检验等几部分 1 造型设计地面铺设管道是将管道的底面铺设到地表面高度的管 基上 本设计采用三通管连接 应要求管道连接处不允许产生相对 位移 采用承插胶结连接并外包缠 2 性能设计根据输送的介质及使用条件 进行基体材料 增强材 料 辅助材料的选择 管壁分内表层 结构层和外表层 内表层选择不饱和聚酯树脂 增强材料选无碱玻璃纤维表面毡和短 切毡 结构层选用不饱和聚酯树脂 增强材料选用无捻玻璃纤维粗 纱 外表层选用不饱和聚酯树脂和玻璃纤维表面毡 为增强管道的 抗老化性能 加入20 的UV9紫外线吸收剂 3 结构设计结构设计分为玻璃钢管应力分析 管道壁厚计算和刚 度校核 管道内径为290mm 工作压力Pw 1MPa 经计算管壁厚为8 0mm 经刚