9复合材料管道设计剖析

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1、9 复合材料管道设计,9.1 概述,复合材料管道已有50多年的发展历史。离心浇注的玻璃钢管道于1950年进入石油工业市场，随后纤维缠绕玻璃钢管和离心浇注夹砂玻璃钢管（Hobas管）相继应用。 关于玻璃钢管产品和测试方面的标准已经非常齐全。我国已经颁布了建材行业标准JC 552-1994 纤维缠绕增强热固性树脂压力管和城镇建设行业标准CJ/T3079-1998玻璃纤维增强塑料夹砂管。 目前已有不少国家在大规模生产和应用玻璃钢管。我国已有玻璃钢管罐生产线130多条，应用领域遍及石油化工矿山军工城市供水 食品加工 灌溉 消防等行业和部门。,玻璃钢管的分类 按所采用树脂基体不同分为： 环氧管（环氧树脂

2、基体），聚酯管（不饱和聚酯树脂基体）， 复合管（玻璃钢/热塑性塑料管）等; 按使用压力不同分为： 高压管，中压管和低压管； 按成型工艺方法不同可以分为： 纤维缠绕管，离心浇注管。,玻璃钢管道公称直径DN（mm）系列为： 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 200，250, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400, 2800, 3200, 3600, 4000. 管长（m）规格有： 3， 5， 6， 9， 10， 12. 压力等级PN（MPa）

3、为： 0.25 ， 0.6，1.0 , 1.6，2.5 ，4.0等。 最高使用压力达28MPa。 使用温度一般不超过110。,根据使用要求和铺设方式，玻璃钢管可以分为地上用管（包括架空管）和地下铺设管。 两者的设计方法和控制条件不同，但在管壁结构上都设有内衬层、结构层和外表层等三个结构层次，各个功能层的作用和设计方法与贮罐类似。,内衬层的功能主要有2个： 一是满足管道内流通介质所需达到的要求。 例如，内表面应光滑、无缺陷、耐磨性好; 对于输送化学介质管,所选材料必须具备相应的耐腐蚀性和耐热性; 对于供水管,所选材料必须满足食品卫生标准的要求 。 二是抗渗透，这就要求材料韧性好、不易开裂。 内衬

4、层是复合材料管的重要组成部分，为防止开裂，应选用韧性好的树脂作为内衬基体。,内衬的类型主要有两种： 一种是用表面毡（内表层）和短切毡（次内层）增强热固性树脂； 另一种就是热塑性塑料管。 选择塑料内衬管时应注意满足使用温度、耐化学性及卫生要求，要保证结构层与塑料内衬管之间有可靠的层间粘结强度和必须的粘结面积，充分利用塑料管的韧性、耐腐性和密封性，可大幅度提高玻璃钢/热塑性塑料复合管道的承压能力。,复合材料管壁结构主要有4种形式： （a）、（b）和（c）均为连续纤维缠绕复合材料管， （d）采用离心浇铸法生产。,其中（a）的内衬为热塑性塑料；（b）为表面毡和短切毡（或喷射短纤维）增强的富树脂内衬层；

5、（c）为缠绕夹砂玻璃钢管，结构内、外两层为承担管内产生压力的连续纤维缠绕复合材料层，中间夹芯层为增强管子刚性以承受外压力的树脂砂浆层；（d）表示内、外两层为短切纤维增强复合材料层，中间为树脂砂浆层。 在承受相同的外压时，（a）和（b）的纤维增强复合材料的用量明显多于（c）和（d）。在管道刚度保持不变的前提下，采用（c）代替（a）和（b）。对比（c）和（d）的管壁结构，可知当管道的纤维复合材料用量相同时，（c）的抗压、抗压能力强于（d）。因此，（c）用于承受内、外压的地下埋设管道设计是合理的。,玻璃钢管之所以能够得到广泛应用是因为具有以下几个方面的优点： （1）耐腐蚀性好，使用寿命长。 耐腐蚀是

6、玻璃钢管道的突出优点，根据所输送化学介质的性质、浓度和温度，可以选择不同的纤维和树脂制作成满足使用要求的有复合结构的耐腐蚀管道。 玻璃钢化工管道的使用寿命一般可达20年以上，输水管的使用寿命可达50年。玻璃钢内、外表面不必采用涂层，也不需要进行周期性维护，从而可减少因维护停产带来的经济损失。 国内外实践表明，输送温度低于100150 、压力在12MPa的液态和气态的化学腐蚀性介质，从技术和经济的观点，采用复合材料管是合理的。,（2）性能可设计，产品适用性强。 缠绕玻璃钢管是将浸有树脂的玻璃纤维按照要求的缠绕规律逐层缠到芯模上，并进行适当固化而进行的。因此可以通过改变原材料来调整管道的各项物化性

7、能，以适应不同介质和工作条件的需要；通过结构层厚度、缠绕角和管壁构造设计来调整管道的承载能力和特性，以制成不同压力等级或具有某种特殊性能的玻璃钢管。 （3）质轻，安装方便。 纤维缠绕玻璃钢强度高，且相对密度仅为1.61.9，玻璃钢管自重只有钢管的25%、混凝土的10%。单根玻璃钢管的长度较长，整个管线接头数量少，既提高了管线的可靠性，安装也方便。 （4）内壁光滑，介质输送阻力小。 玻璃钢管具有非常光滑的内表面，其绝对粗糙度只有0.0053mm,比钢管小很多，因此比相同直径的传统材料具有更高的介质流通能力。,（5）导热系数小，保温性能好，不导电。 玻璃钢的导热系数约为0.841.25KJ/（mh

8、）。玻璃钢的电绝缘性能好，可将其埋在腐蚀性土壤中而不怕电化锈蚀，因而被广泛应用于地下管道。 （6）玻璃钢能满足ISO、ASTM、API、AWWA和ASME等标准协会提出的严格的产品标准。 管道是个工程，不是部件，它的设计远比贮罐、容器复杂。玻璃钢管的用途不同，载荷条件差异很大，设计计算方法也不相同。根据不同的使用条件进行制品设计计算，是用好玻璃钢管的基本前提。玻璃钢管作为管线使用时，可分为地上用管和地下用管两大类。这将在下面几节中分别予以介绍。,9.2 地上压力管道设计,地上管道是指在地面上架设的管道。 地上玻璃钢管道在使用过程中，主要承受输送介质内压载荷、管道自重和介质重量等。此外，还承受由

9、于温度变化而引起的温度应力。地上玻璃钢管道设计就是根据上述载荷确定管道壁厚和支承跨距，确保管线安全工作。,9.2.1 管道壁厚计算,管道壁厚一般是根据管内工作压力所引起的周向应力来决定的，并由轴向应力和应变、周向应变来进行校核。 在均匀外压作用下，管道周向应力应小于，许用应力，即 (9-1),式中 p管内最大工作压力，MPa； D管道直径，mm； t管道结构层的壁厚，mm； tL管道内衬层的厚度，mm； 管道周向应力，MPa； 周向许用应力，MPa。,关于上式中周向许用应力的确定，国内尚无标准。一般是由实验测定周向的静态破坏强度j ,然后考虑适当的安全系数，即 = j/K （9-2） 式中 K

10、安全系数，一般K=610。 若采用ASTM标准所定义的长期静压力标准HDB，则许用应力为 = HDB /n （9-3） 式中 n安全系数，建议取n=22.5。,由式（9-1）可得到管道结构层壁厚计算公式 （9-4） 根据周向应力决定管壁厚度以后，还应根据轴向应力、轴向应变和周向应变进行校核。 （9-5） （9-6）,式中 x管道轴向应力，Mpa； x轴向许用应力，Mpa。,式中 x，分别为管道轴向应变和轴向应变； x，分别为管道轴向许用应变和周向许用应变，其值与树脂的延 伸率有关，一般去0.1%； x，分别为管道轴向泊松比和周向泊松比； Ex，E分别为管道轴向拉伸弹性模量和周向拉伸弹性模量，M

11、Pa。,9.2.2 管道跨度计算,地上管道是用管架、吊架或托架来支承的，两支点之间的距离称为管道跨度。 跨度计算是地上管道设计中的一个重要组成部分。在确保管道安全的前提下，应尽可能地扩大管道的跨度。现介绍按强度条件确定管道跨度的计算公式。,在管道自重和介质重量作用下，用管架支撑的玻璃钢管道可视为承受均匀分布载荷下的等跨连续梁，对于5跨以上的管道，由三弯矩方程可求得在中间支座处有最大弯矩，其值为 M=ql2/12 相应的最大轴向弯曲应力为 式中 q管道单位长度的载荷，包括管道自重、介质重量、各保温层 重，N/mm； l支座间跨距，mm； w最大轴向弯曲应力，Mpa； W管道抗弯截面模量(mm3)

12、，W=/32D(d4-D4)； d管子外直径，mm； D管子内直径，mm。,设玻璃钢管的周向许用应力为x，考虑到内压作用引起的轴向应力，得组合轴向用力作用下的强度条件为 （9-8） 则可解得管道支承间最大跨距lm 为 （9-9） 如果地上管道用于输送介质，管道直而长，这时内压引起的轴向应力只是周向应力泊松效应的作用，即 （9-10） 则由总的轴向应力作用下的强度条件可解得 管道最大跨距为 （9-11）,连续梁边跨支座的弯矩大于中跨支座处的弯矩，其值为 M=ql2/8 则弯曲应力为 按照类似于求Im的方法，得最大边跨距离Ie为 Ie=0.816Im (9-13) 在管线铺设中，除管道末端的一端为

13、边跨外，凡是因管线上安装了设备而破坏了管道连续性的地方均应视为边跨。,9.3 地下埋设管道设计,地下玻璃钢管道是在土壤中铺设的，是玻璃钢管道应用中常见的一种铺设形式。它在受到管内液体内压的同时，还受到回填土重量引起的外压力，车辆的轮压力或地面堆积物重等活动载荷、管内流速变化而产生的瞬时压力急剧升高或降低引起的冲击压力、管内出现真空时的负压等。 地下埋设管道设计就是在初步确定其厚度及埋设深度后，要求应力、应变和挠度在许用值以下，并校核外压屈曲，力求合理使用材料、降低成本，使管道安全工作。 本节介绍的地下玻璃钢管设计方法主要参照ANSI/AWWA C950-1988 标准规定进行。,9.3.1 地

14、下管载荷设计,（1） 管顶垂直净土压 管周净土压是一种很复杂的载荷，包括管顶垂直净土压、管侧水平净土压及管基底部基础反力，它与埋设地基、回填土质、施工方案以及管的刚性等因素有关。 玻璃钢管顶垂直净土压可按下式进行计算 Wc = gH(D1 + t) 10-6 (9-14) 式中 Wc 管顶垂直净土压 ，N/mm; H 管顶至回填土表面的高度，m; 回填土密度（kg/m3），在 缺少具体土壤数据是可取 =1900 kg/m3 g 重力加速度 （m/s2）,g= 9.8 m/s2 ; D1 管的平均直径，m; t 管壁厚度，m 。,（2） 地面动载荷引起的动土压 地面动载荷一般是由汽车行驶时产生的

15、，并同时引起管周动土压。动土压随管道埋设深度的增加而减弱。 管周动土压的计算公式为 WL=CLP(1+If) (9-15) 式中 WL 管线上单位长度的动土压，N/m; CL 管线上单位长度的动载荷系数（1/m）， CL 是管的半径R 和 高度H 的函数 ； If 无纲量冲击系数，且有If =0.766-0.436 H H 管顶至回填土表面的高度，m; P 单个车轮的载荷，N 。,9.3.2 地下玻璃钢管的压力校核,（1） 压力等级校核 玻璃钢管的压力等级与管的长期静压强度HDB 有关，由下式确定 (应力基准) （9-18） 或 (应变基准),式中 Pc压力等级，Mpa； HDB静压力设计应力基准(Mpa)，确定方法见ASTM D2992； HDB静压力设计应变基准； Fs1设计系数，取Fs=1.8； t管壁结构层厚度(mm)，表9-4列举了玻璃钢管得最小壁厚； D1管子平均直径(mm)，按下式计算；,当内径D为公称直径时 D1=D+2tL+t； 当外径d为公称直径时 D1 =d-t,式中 tL内衬厚度，mm； D管内径，mm； d管外径，mm； E管壁周向拉伸弹性模量，Mpa。,(2) 工作压力校核 管系的工作压力PW不应大于所