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1、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
2、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OFRP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
3、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FRP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
4、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-40t80C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1.71.9，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
5、，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145150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、
6、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(530MPa)、中压管(1.64 MPa)和低压管(0.14 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
7、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
8、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：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）
9、。材料设计的原则如下：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1.111.20左右，固化时体积
10、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5060C :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。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
11、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：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
12、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
13、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。弓I发剂的选用要考虑以下几个因素:。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、
14、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60C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，
15、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。一般设计可分为以下几个阶段：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27010=27 MPa(4.1)再由公式(4.2)P D1 x 29
