玻璃钢管道设计

1、玻璃钢产品设计课程任务报告书项目四玻璃钢管道设计复材141 第 11 组 项目负责人： 项目组成员：起止时间 ：2016.4.5-2016.4.15 指导老师 ：杨 娟绵阳职业技术学院材料工程系 2015-2016 学年第 2学期玻璃钢产品设计 课程任务书班级 复材141 部门（组） 第 11 组 任务 项目四 一、任务题目：任务一：根据已知设计条件，合理设计玻璃钢架空管道。设计条件：管道内径d=200mm；工作压力：pw=0.7Mpa；支撑架距离L=460cm；介质密度：L=1.2t/m3；安全系数：K=10设计内容：1. 合理选择原材料；2. 设计管道生产壁厚； 3. 确定生产工艺方法。任

2、务二：根据已知条件，设计埋地夹砂管道。设计条件：管道直径D=1400mm，埋深H=600mm，最大工作内压P=1.0Mpa，要求允许通过20t载重汽车。回填土为不紧固砂质粘土，其密度土=0.0019kg/ m3；基础支撑角2=120°，在5%挠度下管的最小刚度等级大于2500Pa。管道结构缠绕层的环向弹性模量E=20Gpa，环向强度b=330Mpa，强度设计安全系数取Kf=6，许用应变=0.5%，容许径向挠度=5%。设计内容：确定管道的生产壁厚。二、任务内容和要求：（1）内容及要求：1. 通过查阅资料选择玻璃钢管道各层所用的原材料；2. 分析已知条件，初步确定管道壁厚；3. 选择合适

3、的生产工艺方法，并确定相应参数；（2）任务报告要求任务报告内容包括封面、任务书、正文、总结（收获体会）、参考文献。任务报告统一用A4纸打印，版面边距上空2.5cm，下空2cm，左空2.5cm，右空2cm；正文用宋体小四号字；页码底端居中，小五号字；行间距：固定值19磅。（3）进度要求：任务下达日期： 2016 年 4月 5 日任务完成日期： 2016 年 4月 15 日（4）其它要求 各组成员必须服从组长安排，积极配合、认真完成下达任务并按时提交任务报告。任务一：根据已知设计条件，合理设计玻璃钢架空管道。设计条件：管道内径d=200mm；工作压力：pw=0.7Mpa；支撑架距离L=460cm；

4、介质密度：L=1.2t/m3；安全系数：K=10设计内容：1. 合理选择原材料；2. 设计管道生产壁厚； 3. 确定生产工艺方法。1. 合理选择原材料根据价格与性质选择增强材料为E玻纤，基体材料选择不饱和聚酯树脂191井，其内衬层选用乙烯基树脂，以达到耐温，耐酸碱的作用。2. 设计管道生产壁厚按环向强度计算管壁厚度 由表3-13取环向拉伸强度280MPa则环向许用应力y=280/10。再由式（3-13）可求得管壁厚度。表3-13 缠绕聚酯玻璃钢管物理力学性能项 目数 值项 目数 值密度/（g/ cm3）环向拉伸强度/MPa环向拉伸模量/MPa轴向拉伸强度/MPa轴向拉伸模量/MPa环向弯曲强度

5、/MPa环向弯曲模量/MPa轴向弯曲强度/MPa1.61.9230300(1.72.6) ×10485160(0.81.3) ×104130230(0.91.3) ×104100150轴向弯曲模量/MPa水压失效应力/MPa冲击强度（J/ cm2）热膨胀系数/cm/（cm.。C）导热系数/w/（m.。C）吸水率/%巴氏硬度(0.81.1) ×10412023019.0(11.219.6) ×10-40.2670.240由内压引起的轴向应力 x=Pw（D+t）/4t （3-4） =qL4/384ExI06.5mm （3-13）t=PwD/（2yP

6、w）=0.72×20/（2280/100.7）=0.253cm2.6mm初选玻璃钢管壁厚为2.6mm。校核轴向强度 由表3-13查得玻璃钢管轴向拉伸强度为85160MPa，取100MPa。则安全系数取10时，允许应力为x=100/10=10MPa。按式（3-4）求出管壁厚，当求得管壁厚大于2.5mm时，则应增加管壁厚度。将 x=Pw（D+t）/4t变换为 t=PwD/（4x-Pw）代入数值得出 tx=0.7×20/（4×10-0.7）=14/39.3=0.36cm按轴向允许应力求得玻璃钢管壁厚为3.6mm，大于按环向应力求得的壁厚，故管的厚度应取3.6mm方为可靠

7、。刚度校核 当管壁厚为3.6mm时，按简支梁受均匀荷载计算，按式(3-14)求其最大挠度。管上的均匀荷载q等于玻璃钢管自重(玻璃钢的密度m=1.8t/ m3)加输运介质重。即满足刚度条件。但根据玻璃钢管最小壁厚要求，管壁厚最终确定为4.4mm。(2)埋地管结构设计 埋地管所受荷载 埋地管承受的荷载有管道工作内压、回填土静土压和地面活荷载等。因管道内压与架空管相同，故这里只讨论回填土静土压和地面活荷载。a.回填土引起的静土压 回填土对玻璃钢管壁产生的压力如图3-5所示。其压力与回填土的密度r，管道埋设深度Ho及埋管时控沟宽度有关。可用詹森（Janssen)公式计算。即当H200cmq=rH (3

8、-14)当H200cm时，则q=CdrBd （3-15）式中 r回填土的密度，kg/ cm3；Bd标准沟的宽度； Cd一一由管沟类型条件决定的载荷系数。Cd的计算式如下。Cd=3（1-e-H/3-Bd） （3-16）式中 Bd为标准沟的宽度。基础条件的种类和有效反作用力的支承角2a，如图3-6所示。表3-15为管径在200200mm范围标准沟的宽度。表3-15 标准沟的宽度公称直径/mm200250300350400450500600700800标准沟宽度Bd/cm70808590100105110135145160公称直径/mm90010001100120013501500165018002

9、000标准沟宽度Bd/cm175185205220235255270290320当r=0.0018kg /cm3、H=200cm时，回填土的垂直静压力为q=0.0018×200= 0.36kg/cm20.036MP。当H200cm，而q的计算值小于0.036MPa时，则仍应取q=0.036MPa。3. 确定生产工艺方法生产该管道采用缠绕工艺 (1)内衬层制作；玻璃纤维环向和交叉缠绕，使用乙烯基附脂。（2）结构层制作：并将纤维进行螺旋、环向组合方式铺设，其螺旋方向缠绕承受轴向应力、环向缠绕则承受环向应力。 (3)外衬层制作：玻璃纤维环向和交叉缠绕。管道设计为10-12m长，以便运输、安

10、装。每根管道使用法兰连接。任务二：根据已知条件，设计埋地夹砂管道。设计条件：管道直径D=1400mm，埋深H=600mm，最大工作内压P=1.0Mpa，要求允许通过20t载重汽车。回填土为不紧固砂质粘土，其密度土=0.0019kg/ m3；基础支撑角2=120°，在5%挠度下管的最小刚度等级大于2500Pa。管道结构缠绕层的环向弹性模量E=20Gpa，环向强度b=330Mpa，强度设计安全系数取Kf=6，许用应变=0.5%，容许径向挠度=5%。设计内容：确定管道的生产壁厚。解：静土压 由管的直径，查表3-15可得标准沟宽Bd = 255cm由式(3-14)计算得到垂直静土压q=0.1

11、14kg/cm20.0114MPa动压力 由表3-16查得20t载重汽车的后轴压力为13t，则单边双轮组压力为Pq=6500kg65kN由表3-16查得后轮着地宽度b=0.6m，着地长度a=0.2m；由表3-18查得汽车动力系数KD=1.05。则由式(3-17)计算得到一个双轮组引起的动压力为：qd=0.592kg/cm20.0592MPa由静土压和动荷载引起的组合环向弯矩由式(3-21)、式(3-22)、式(3-23)、式(3-26)可以计算出单位长度管壁沿环向各点的弯矩，其最大弯矩为Mmax=261kg.cm/cm2610N·mm/mm 由内压计算强度层的厚度 设夹砂管的缠绕结构

12、层厚度为t1，树脂夹砂层厚度为t0，内衬层厚度取t1=2mm，总壁厚t0=t1+to十ti。计算时不考虑夹砂层和内衬层的强度。y=pdm/2t1b/Kf其中 dm=D+tD。t1=1×1400 × 6/2×330=12.7mm 在内压和静、动荷载组合条件下校核管壁的环向弯曲应变管壁结构如图3-13所示，单位长度管壁的惯性矩I=（t1+t0）3-t03/12组合应变： 代人已知参数，得夹砂层厚度：t0=7mm径向挠度校核查表3-19和表3-20，得出土的被动阻力系数 e=0.4kg/cm3基础系数 K=0. 09取变形滞后系数 F=1. 5 r=D/2=70cm 总壁厚t=t1+t0+ti=12.7+