复合材料课程设计说明书

目 录

1 引言…………………………………………………………………………… 2 2 造型设计……………………………………………………………………… 4 3 性能设计……………………………………………………………………… 5 3.1原材料选择 ……………………………………………………………………5 3.2管道各层性能设计……………………………………………………………. 7 4 结构设计…………………………………………………………………………8 4.1玻璃钢管受力分析……………………………………………………………..8 4.2管壁厚计算及校核……………………………………………………………..8 5 工艺设计…………………………………………………………………………10 5.1纤维缠绕制管所用设备………………………………………………………..10 5.2纤维缠绕制管工艺……………………………………………………………..10 6 玻璃钢管道安装连接 …………………………………………………………...12 7 管道性能试验及检验 …………………………………………………………...13 7.1玻璃钢管轴向拉伸试验………………………………………………………...13 7.2玻璃钢轴向压缩试验……………………………………………………………13 7.3玻璃钢平行板外载试验…………………………………………………………13 7.4玻璃钢管短时水压失效压力试验………………………………………………13 7.5玻璃钢管外观质量检验…………………………………………………………13 8 小结………………………………………………………………………………..15 参考文献… ……………………………………………………………………… …16

I

1引 言

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GRP管）应运而生[1

、2]

。

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。

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：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。

(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。

II

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、管道的安装连接及检验。

在造型设计中根据要求选弯管，弯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7.5mm，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。

III

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，管道由弯管连接，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俯视图

图2.2 地面铺设玻璃钢管的主视图

IV

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：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。 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性能对比

V

表3.1无碱和中碱玻瑞纤维性能对比

种类

耐酸性 耐水性 机械强度 防老化性 电绝缘性 成本 树脂 适用条件

好 差

高 低

较好 差

好 低

较高 好 低

差

用于强度高的场合 用于强度低的场合

无碱纤维 一般 中碱纤维 好

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。

VI

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

VII

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

270??y???27MPa??10 （4.1）

再由公式

t?PwD2[σy]-Pw?1.2?2502?27010?1.2?5.7mm （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

VIII

许用应力??x??t?PwD4[?X10010?10MPa。按??x??PW(D?t)4t，将其变换为

]?Pw （4.3）

?7.5mm带入数值得出t?1.2?2504?10?1.2

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

q???2?D?2t??D2??m (4.4)

4??带入数值得

q?π4[(0.25?0.0150)?0.25]?1.8?10223?11N/m3

玻璃钢管截面惯性矩I0 由下式求出：

I0=(D4?d4)?4ππ4(0.26504?0.25)?48.05269?10?4m4 （4.5）

??qL4384ExI0 （4.6）

11?3.64?4 ??384?0.9?1010?8.05269?10m?6.6388?10

?7m＜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7.5mm。

IX

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

胶液配制 模具准备 纤维准备 浸胶 张力控制 纵向缠绕 表面处理 脱模 固化 图5.1纤维缠绕制管工艺流程

X

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]。

XI

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，然后由弯管将管道连接起来，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。

XII

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

XIII

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(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。

XIV

8 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。 8.1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。 8.2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。 8.3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Pw=1.2MPa，经计算管壁厚为7.5mm，经刚度校核满足使用要求。 8.4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。 8.5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，然后由弯管将管道连接起来，为防止漏气应再外包缠。 8.6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。最后对两位老师的指导表示衷心的感谢！

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参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gf1g.html