复合材料管道设计.

课程设计实验报告

课题题目：纤维缠绕式复合管道的设计工艺与性能测试

目 录

一 课程设计的目的………………………………………………………………

二 课题背景…………………………………………………………………

三 课题的设计过程………………………………………………………………

四 实验过程………………………………………………………………

五 结果与讨论………………………………………………………………

六 实验结论及改进………………………………………………………………

课程设计实验报告

七 体会……………………………………………………………………

一 课程设计的目的

1. 了解缠绕法制备玻璃钢管道的工艺流程。

2. 知道玻璃钢管道的一些参数以及主要用途和优缺点。

二 课题背景

管道是现代工业中流体（气体或液体）输送的重要材料，传统的管道有钢管、混凝土管和铸铁管，但由于其易锈蚀、质量大，已不能满足现代工业的需要，又由于玻璃钢的诸多优势，使得玻璃钢管道（简称FRP 管）应运而生本次实验是采用 缠绕的方法制备玻璃钢管 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。本次实验采用纤维缠绕的方法，以玻璃纤维为原料，pvb 的乙醇溶液作为胶黏剂，制作玻璃钢管。和一般的金属材质的管道相比，玻璃钢管道有如下特性：

（一） 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。

（二）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。

（三）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。

（四）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。

（五）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。

（六）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：1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；2可对管壁厚进行设计，以便管可以承受不同的内外压；3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；4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。

（七）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。

三 课题设计过程

根据使用压力可分为高压管（5~30MPa ）、中压管（1.6~4 MPa）和低压管（0.1~4 MPa）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、工艺设计及性能检验。

（一）造型设计

本次试验打算制作直型玻璃钢管道，直线型造型简单，易于设计工艺参数和制造

（二）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。

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。

（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：

①耐热性：大多数不饱和聚酯树脂热变形温度在50~60℃；

②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；

③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：

①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％）；

②力学性能：固化后环氧树脂体系具有优良的力学性能；

③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。

（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。

（三） 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。

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

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

270⎡⎤σ=⎣y ⎦10=27MPa （4.1）

再由公式

t =P w D =2[σy ]-Pw 1. 2⨯250=5. 7mm 2702⨯-1. 210 （4.2）

初选玻璃钢管壁厚为5.7mm 。

(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100MPa 。又由安全系数为10得许用应力

t =[σx ]=P (D +t ) 100=10MPa [σx ]=W 104t 。按，将其变换为 PwD

4[σX ]-Pw （4.3） t =1. 2⨯250=7. 5mm 4⨯10-1. 2 带入数值得出

按轴向允许应力求得玻璃钢管壁厚度为7.5mm ，大于按环形应力求得的壁厚，故管的厚度应取7.5mm 方可靠。

3刚度校核

当管壁厚度为7.5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。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

q =π⎡2(D +2t )-D 2⎤ρm 4⎣⎦ (4.4)

带入数值得

q =π[(0. 25+0. 0150) 2-0. 252]⨯1. 8⨯103=11N /m 3

4

玻璃钢管截面惯性矩I 0 由下式求出：

π4π(D -d 4) =(0. 26504-0. 254) =-44I ⨯10440 =8.05269m （4.5）

qL 4

δ=384E x I 0 （4.6）

11⨯3. 64

δ=m =6. 638⨯8-710-4384⨯0. 9⨯10⨯8. 05269⨯10 10m ＜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，本次实验预设管壁厚度为10mm

（四）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]。 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。 2纤维缠绕制管工艺

（1）纤维缠绕制管的优点

a 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。 b 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。

c 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。

d 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。

e 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。

(2)具体生产过程：

a 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；

b 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；

c 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；

d 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。

（五）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]。 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。 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。

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。

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。

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(m 1) 及把试件放入坩埚时的质量(m 2) ；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30min ，把加热后的质量(m 3) 准确称至1mg ，计算出每个试样的玻璃纤维含量，求出平均值。

（六） 小结

本课程设计的任务是设计内径为250mm ，工作压力为1.2MPa ，输送介质为Cl 2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，本设计采用弯管连接，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UV 9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250mm ，工作压力P w =1.2MPa ，经计算管壁厚为7.5mm ，经刚度校核满足使用要求。

4. 工艺设计

玻璃钢管道制造方法有手糊成型法、纤维缠绕成型法、拉挤缠绕成型法等，本设计采用纤维缠绕成型，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。

5. 性能检验

可采用轴向拉伸试验、轴向压缩试验及水压试验等对玻璃钢管道进行检验。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。进行性能检验可保证玻璃钢管道的质量。

通过复这次课程设计，强化了课堂上学习到的复合材料产品设计的知识，加深对复合材料设计思路的理解。最后对老师的指导表示衷心的感谢！

四 实验过程

（一）实验仪器设备和实验原料

1. 实验仪器设备：

纤维缠绕设备 烘干机 玻璃钢管道拉出设备电子天平 电动搅拌机 烧杯 钥匙 称量纸等

2. 实验药品：

乙醇 PVB 玻璃纤维

（二）实验过程

五．结果与讨论

相关实验数据：

（一）设备参数

在实验开始时，必须要设置仪器设备的工艺参数，以大致确定实验样品的大小尺寸。

但是实际上，纤维缠绕仪器设备是很难得到我们预设数据的样品的，实际生产的样品的各项工艺参数和理论之间存在一定误差。

（二）原料配料比

在配制不饱和树脂基体胶黏剂时，乙醇和PVB 的质量比约为100:8。若PVB 用量较少，则配置的胶液可能粘度不够，玻璃纤维丝不能很好的粘合在一起，容易拔出或脱粘，影响玻璃钢管道的性能。若PVB 的用量较多，会使PVB 在乙醇中的溶解时间过长，胶液的粘度太大，流动性不好，影响玻璃纤维的浸胶过程以及后续的相关工艺程序。

六．实验结论及改进

在第一天的预实验中，理论角度设置为45°，管长设为25mm 。但是在缠绕工艺完成之后，由于玻璃纤维管的长度太短，织物的角度偏小，同时，玻璃纤维未经过浸胶这一道工艺程序就直接进行缠绕编织，使得绕成的管道的外观性能上不好。因此，在第二天的实验中，将管长的理论参数改为50mm ，缠绕角度改为55度。实验完成后，玻璃钢管道的表面光滑平整，在外观性能上有了很大改善。但是由于预留空隙太小，玻璃纤维在转轴上缠绕得太过紧密，以至于玻璃钢管道很难从转轴上被拉出，因此，只能用剪刀剪开再取下成品。

取下玻璃钢管道以后，我们可以感觉到，边缘部分的管壁的厚度要比中间部分的管壁厚度稍微大一些。这是因为仪器在进行缠绕编织时，转向时由于惯性的作用，速度要比一般速度稍微慢一些，停留时间更长一些，所以导致边缘部分的管壁厚度变大。

在以后的实验中，纤维的缠绕力度是需要改进的一个方面。怎样改进纤维的缠绕力度，才能使玻璃钢管道紧致密实，同时又方便拔脱。第二个需要改进的地方，就是机器的转向速度。我们要尽可能地找出影响机器转向速度的因素，尽量解决这些问题，让编织出的玻璃钢管道壁厚更均匀。

管道正确取下方法是先在模具上涂覆一层脱模剂，待树脂固化后由脱模装置顶出，一边顶，一边拉。

七. 体会

通过这次的实验，我了解到玻璃钢优异的性能以及它采用缠绕法制备成管道的工

艺流程和管道产品的优异性能及广泛应用。玻璃钢材料以不饱和聚酯PVB 为基体，玻璃纤维为增强材料复合得到的。我们可以选取不同的基体材料，如环氧树脂，酚醛树脂等来进行材料的复合，然后进行性能检测。通过对不同实验结果的比对，更好的掌握不同玻璃钢的性能优缺点，更好的应用到实际生产生活中。而且我们也了解到缠绕法制备玻璃钢管道的优缺点，今后为实际生产中的工艺生产方法的选择提供了经念。只有把理论与实际相结合，理论与实践相互促进，才能更好的掌握好专业技能，更好的掌握专业知识。这次课程设计是真正的一次专业的锻炼，自己独立生产的学习，对以后步入社会，参加工作意义重大。

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