復(fù)合材料管道設(shè)計(jì)解析(課堂PPT)

1、9 復(fù)合材料管道設(shè)計(jì),1,2020/8/25,9.1 概述,復(fù)合材料管道已有50多年的發(fā)展歷史。離心澆注的玻璃鋼管道于1950年進(jìn)入石油工業(yè)市場(chǎng)，隨后纖維纏繞玻璃鋼管和離心澆注夾砂玻璃鋼管（Hobas管）相繼應(yīng)用。 關(guān)于玻璃鋼管產(chǎn)品和測(cè)試方面的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)非常齊全。我國(guó)已經(jīng)頒布了建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC 552-1994 纖維纏繞增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂壓力管和城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T3079-1998玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管。 目前已有不少?lài)?guó)家在大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用玻璃鋼管。我國(guó)已有玻璃鋼管罐生產(chǎn)線(xiàn)130多條，應(yīng)用領(lǐng)域遍及石油化工礦山軍工城市供水 食品加工 灌溉 消防等行業(yè)和部門(mén)。,2,2020/8/25,玻璃鋼管的分

2、類(lèi) 按所采用樹(shù)脂基體不同分為： 環(huán)氧管（環(huán)氧樹(shù)脂基體），聚酯管（不飽和聚酯樹(shù)脂基體）， 復(fù)合管（玻璃鋼/熱塑性塑料管）等; 按使用壓力不同分為： 高壓管，中壓管和低壓管； 按成型工藝方法不同可以分為： 纖維纏繞管，離心澆注管。,3,2020/8/25,玻璃鋼管道公稱(chēng)直徑DN（mm）系列為： 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. 管長(zhǎng)（m）

3、規(guī)格有： 3， 5， 6， 9， 10， 12. 壓力等級(jí)PN（MPa）為： 0.25 ， 0.6，1.0 , 1.6，2.5 ，4.0等。 最高使用壓力達(dá)28MPa。 使用溫度一般不超過(guò)110。,4,2020/8/25,根據(jù)使用要求和鋪設(shè)方式，玻璃鋼管可以分為地上用管（包括架空管）和地下鋪設(shè)管。 兩者的設(shè)計(jì)方法和控制條件不同，但在管壁結(jié)構(gòu)上都設(shè)有內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層和外表層等三個(gè)結(jié)構(gòu)層次，各個(gè)功能層的作用和設(shè)計(jì)方法與貯罐類(lèi)似。,5,2020/8/25,內(nèi)襯層的功能主要有2個(gè)： 一是滿(mǎn)足管道內(nèi)流通介質(zhì)所需達(dá)到的要求。 例如，內(nèi)表面應(yīng)光滑、無(wú)缺陷、耐磨性好; 對(duì)于輸送化學(xué)介質(zhì)管,所選材料必須具備相應(yīng)的

4、耐腐蝕性和耐熱性; 對(duì)于供水管,所選材料必須滿(mǎn)足食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求 。 二是抗?jié)B透，這就要求材料韌性好、不易開(kāi)裂。 內(nèi)襯層是復(fù)合材料管的重要組成部分，為防止開(kāi)裂，應(yīng)選用韌性好的樹(shù)脂作為內(nèi)襯基體。,6,2020/8/25,內(nèi)襯的類(lèi)型主要有兩種： 一種是用表面氈（內(nèi)表層）和短切氈（次內(nèi)層）增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂； 另一種就是熱塑性塑料管。 選擇塑料內(nèi)襯管時(shí)應(yīng)注意滿(mǎn)足使用溫度、耐化學(xué)性及衛(wèi)生要求，要保證結(jié)構(gòu)層與塑料內(nèi)襯管之間有可靠的層間粘結(jié)強(qiáng)度和必須的粘結(jié)面積，充分利用塑料管的韌性、耐腐性和密封性，可大幅度提高玻璃鋼/熱塑性塑料復(fù)合管道的承壓能力。,7,2020/8/25,復(fù)合材料管壁結(jié)構(gòu)主要有4種形式：

5、（a）、（b）和（c）均為連續(xù)纖維纏繞復(fù)合材料管， （d）采用離心澆鑄法生產(chǎn)。,8,2020/8/25,其中（a）的內(nèi)襯為熱塑性塑料；（b）為表面氈和短切氈（或噴射短纖維）增強(qiáng)的富樹(shù)脂內(nèi)襯層；（c）為纏繞夾砂玻璃鋼管，結(jié)構(gòu)內(nèi)、外兩層為承擔(dān)管內(nèi)產(chǎn)生壓力的連續(xù)纖維纏繞復(fù)合材料層，中間夾芯層為增強(qiáng)管子剛性以承受外壓力的樹(shù)脂砂漿層；（d）表示內(nèi)、外兩層為短切纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層，中間為樹(shù)脂砂漿層。 在承受相同的外壓時(shí)，（a）和（b）的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的用量明顯多于（c）和（d）。在管道剛度保持不變的前提下，采用（c）代替（a）和（b）。對(duì)比（c）和（d）的管壁結(jié)構(gòu)，可知當(dāng)管道的纖維復(fù)合材料用量相同時(shí)，（

6、c）的抗壓、抗壓能力強(qiáng)于（d）。因此，（c）用于承受內(nèi)、外壓的地下埋設(shè)管道設(shè)計(jì)是合理的。,9,2020/8/25,玻璃鋼管之所以能夠得到廣泛應(yīng)用是因?yàn)榫哂幸韵聨讉€(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)： （1）耐腐蝕性好，使用壽命長(zhǎng)。 耐腐蝕是玻璃鋼管道的突出優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)所輸送化學(xué)介質(zhì)的性質(zhì)、濃度和溫度，可以選擇不同的纖維和樹(shù)脂制作成滿(mǎn)足使用要求的有復(fù)合結(jié)構(gòu)的耐腐蝕管道。 玻璃鋼化工管道的使用壽命一般可達(dá)20年以上，輸水管的使用壽命可達(dá)50年。玻璃鋼內(nèi)、外表面不必采用涂層，也不需要進(jìn)行周期性維護(hù)，從而可減少因維護(hù)停產(chǎn)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。 國(guó)內(nèi)外實(shí)踐表明，輸送溫度低于100150 、壓力在12MPa的液態(tài)和氣態(tài)的化學(xué)腐蝕性介質(zhì)，

7、從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的觀(guān)點(diǎn)，采用復(fù)合材料管是合理的。,10,2020/8/25,（2）性能可設(shè)計(jì)，產(chǎn)品適用性強(qiáng)。 纏繞玻璃鋼管是將浸有樹(shù)脂的玻璃纖維按照要求的纏繞規(guī)律逐層纏到芯模上，并進(jìn)行適當(dāng)固化而進(jìn)行的。因此可以通過(guò)改變?cè)牧蟻?lái)調(diào)整管道的各項(xiàng)物化性能，以適應(yīng)不同介質(zhì)和工作條件的需要；通過(guò)結(jié)構(gòu)層厚度、纏繞角和管壁構(gòu)造設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整管道的承載能力和特性，以制成不同壓力等級(jí)或具有某種特殊性能的玻璃鋼管。 （3）質(zhì)輕，安裝方便。 纖維纏繞玻璃鋼強(qiáng)度高，且相對(duì)密度僅為1.61.9，玻璃鋼管自重只有鋼管的25%、混凝土的10%。單根玻璃鋼管的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，整個(gè)管線(xiàn)接頭數(shù)量少，既提高了管線(xiàn)的可靠性，安裝也方便。 （4）內(nèi)

8、壁光滑，介質(zhì)輸送阻力小。 玻璃鋼管具有非常光滑的內(nèi)表面，其絕對(duì)粗糙度只有0.0053mm,比鋼管小很多，因此比相同直徑的傳統(tǒng)材料具有更高的介質(zhì)流通能力。,11,2020/8/25,（5）導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫性能好，不導(dǎo)電。 玻璃鋼的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.841.25KJ/（mh）。玻璃鋼的電絕緣性能好，可將其埋在腐蝕性土壤中而不怕電化銹蝕，因而被廣泛應(yīng)用于地下管道。 （6）玻璃鋼能滿(mǎn)足ISO、ASTM、API、AWWA和ASME等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)提出的嚴(yán)格的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。 管道是個(gè)工程，不是部件，它的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比貯罐、容器復(fù)雜。玻璃鋼管的用途不同，載荷條件差異很大，設(shè)計(jì)計(jì)算方法也不相同。根據(jù)不同的使用條件進(jìn)行制品設(shè)計(jì)計(jì)

9、算，是用好玻璃鋼管的基本前提。玻璃鋼管作為管線(xiàn)使用時(shí)，可分為地上用管和地下用管兩大類(lèi)。這將在下面幾節(jié)中分別予以介紹。,12,2020/8/25,9.2 地上壓力管道設(shè)計(jì),地上管道是指在地面上架設(shè)的管道。 地上玻璃鋼管道在使用過(guò)程中，主要承受輸送介質(zhì)內(nèi)壓載荷、管道自重和介質(zhì)重量等。此外，還承受由于溫度變化而引起的溫度應(yīng)力。地上玻璃鋼管道設(shè)計(jì)就是根據(jù)上述載荷確定管道壁厚和支承跨距，確保管線(xiàn)安全工作。,13,2020/8/25,9.2.1 管道壁厚計(jì)算,管道壁厚一般是根據(jù)管內(nèi)工作壓力所引起的周向應(yīng)力來(lái)決定的，并由軸向應(yīng)力和應(yīng)變、周向應(yīng)變來(lái)進(jìn)行校核。 在均勻外壓作用下，管道周向應(yīng)力應(yīng)小于，許用應(yīng)力，即

10、 (9-1),式中p管內(nèi)最大工作壓力，MPa； D管道直徑，mm； t管道結(jié)構(gòu)層的壁厚，mm； tL管道內(nèi)襯層的厚度，mm； 管道周向應(yīng)力，MPa； 周向許用應(yīng)力，MPa。,14,2020/8/25,關(guān)于上式中周向許用應(yīng)力的確定，國(guó)內(nèi)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)。一般是由實(shí)驗(yàn)測(cè)定周向的靜態(tài)破壞強(qiáng)度j ,然后考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，即 = j/K （9-2） 式中 K安全系數(shù)，一般K=610。 若采用ASTM標(biāo)準(zhǔn)所定義的長(zhǎng)期靜壓力標(biāo)準(zhǔn)HDB，則許用應(yīng)力為 = HDB /n （9-3） 式中 n安全系數(shù)，建議取n=22.5。,15,2020/8/25,由式（9-1）可得到管道結(jié)構(gòu)層壁厚計(jì)算公式 （9-4） 根據(jù)周向應(yīng)力決

11、定管壁厚度以后，還應(yīng)根據(jù)軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變和周向應(yīng)變進(jìn)行校核。 （9-5） （9-6）,式中x管道軸向應(yīng)力，Mpa； x軸向許用應(yīng)力，Mpa。,式中 x，分別為管道軸向應(yīng)變和軸向應(yīng)變； x，分別為管道軸向許用應(yīng)變和周向許用應(yīng)變，其值與樹(shù)脂的延 伸率有關(guān)，一般去0.1%； x，分別為管道軸向泊松比和周向泊松比； Ex，E分別為管道軸向拉伸彈性模量和周向拉伸彈性模量，MPa。,16,2020/8/25,9.2.2 管道跨度計(jì)算,地上管道是用管架、吊架或托架來(lái)支承的，兩支點(diǎn)之間的距離稱(chēng)為管道跨度。 跨度計(jì)算是地上管道設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分。在確保管道安全的前提下，應(yīng)盡可能地?cái)U(kuò)大管道的跨度?，F(xiàn)介紹按

12、強(qiáng)度條件確定管道跨度的計(jì)算公式。,17,2020/8/25,在管道自重和介質(zhì)重量作用下，用管架支撐的玻璃鋼管道可視為承受均勻分布載荷下的等跨連續(xù)梁，對(duì)于5跨以上的管道，由三彎矩方程可求得在中間支座處有最大彎矩，其值為 M=ql2/12 相應(yīng)的最大軸向彎曲應(yīng)力為 式中 q管道單位長(zhǎng)度的載荷，包括管道自重、介質(zhì)重量、各保溫層 重，N/mm； l支座間跨距，mm； w最大軸向彎曲應(yīng)力，Mpa； W管道抗彎截面模量(mm3)，W=/32D(d4-D4)； d管子外直徑，mm； D管子內(nèi)直徑，mm。,18,2020/8/25,設(shè)玻璃鋼管的周向許用應(yīng)力為x，考慮到內(nèi)壓作用引起的軸向應(yīng)力，得組合軸向用力作用

13、下的強(qiáng)度條件為 （9-8） 則可解得管道支承間最大跨距l(xiāng)m 為 （9-9） 如果地上管道用于輸送介質(zhì)，管道直而長(zhǎng)，這時(shí)內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力只是周向應(yīng)力泊松效應(yīng)的作用，即 （9-10） 則由總的軸向應(yīng)力作用下的強(qiáng)度條件可解得 管道最大跨距為 （9-11）,19,2020/8/25,連續(xù)梁邊跨支座的彎矩大于中跨支座處的彎矩，其值為 M=ql2/8 則彎曲應(yīng)力為 按照類(lèi)似于求Im的方法，得最大邊跨距離Ie為 Ie=0.816Im (9-13) 在管線(xiàn)鋪設(shè)中，除管道末端的一端為邊跨外，凡是因管線(xiàn)上安裝了設(shè)備而破壞了管道連續(xù)性的地方均應(yīng)視為邊跨。,20,2020/8/25,9.3 地下埋設(shè)管道設(shè)計(jì),地下玻

14、璃鋼管道是在土壤中鋪設(shè)的，是玻璃鋼管道應(yīng)用中常見(jiàn)的一種鋪設(shè)形式。它在受到管內(nèi)液體內(nèi)壓的同時(shí)，還受到回填土重量引起的外壓力，車(chē)輛的輪壓力或地面堆積物重等活動(dòng)載荷、管內(nèi)流速變化而產(chǎn)生的瞬時(shí)壓力急劇升高或降低引起的沖擊壓力、管內(nèi)出現(xiàn)真空時(shí)的負(fù)壓等。 地下埋設(shè)管道設(shè)計(jì)就是在初步確定其厚度及埋設(shè)深度后，要求應(yīng)力、應(yīng)變和撓度在許用值以下，并校核外壓屈曲，力求合理使用材料、降低成本，使管道安全工作。 本節(jié)介紹的地下玻璃鋼管設(shè)計(jì)方法主要參照ANSI/AWWA C950-1988 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行。,21,2020/8/25,9.3.1 地下管載荷設(shè)計(jì),（1） 管頂垂直凈土壓 管周凈土壓是一種很復(fù)雜的載荷，包括管頂

15、垂直凈土壓、管側(cè)水平凈土壓及管基底部基礎(chǔ)反力，它與埋設(shè)地基、回填土質(zhì)、施工方案以及管的剛性等因素有關(guān)。 玻璃鋼管頂垂直凈土壓可按下式進(jìn)行計(jì)算 Wc = gH(D1 + t) 10-6 (9-14) 式中 Wc 管頂垂直凈土壓 ，N/mm; H 管頂至回填土表面的高度，m; 回填土密度（kg/m3），在 缺少具體土壤數(shù)據(jù)是可取 =1900 kg/m3 g 重力加速度 （m/s2）,g= 9.8 m/s2 ; D1 管的平均直徑，m; t 管壁厚度，m 。,22,2020/8/25,（2） 地面動(dòng)載荷引起的動(dòng)土壓 地面動(dòng)載荷一般是由汽車(chē)行駛時(shí)產(chǎn)生的，并同時(shí)引起管周動(dòng)土壓。動(dòng)土壓隨管道埋設(shè)深度的增加

16、而減弱。 管周動(dòng)土壓的計(jì)算公式為 WL=CLP(1+If) (9-15) 式中 WL 管線(xiàn)上單位長(zhǎng)度的動(dòng)土壓，N/m; CL 管線(xiàn)上單位長(zhǎng)度的動(dòng)載荷系數(shù)（1/m）， CL 是管的半徑R 和 高度H 的函數(shù) ； If 無(wú)綱量沖擊系數(shù)，且有If =0.766-0.436 H H 管頂至回填土表面的高度，m; P 單個(gè)車(chē)輪的載荷，N 。,23,2020/8/25,9.3.2 地下玻璃鋼管的壓力校核,（1） 壓力等級(jí)校核 玻璃鋼管的壓力等級(jí)與管的長(zhǎng)期靜壓強(qiáng)度HDB 有關(guān)，由下式確定 (應(yīng)力基準(zhǔn)) （9-18） 或 (應(yīng)變基準(zhǔn)),式中 Pc壓力等級(jí)，Mpa； HDB靜壓力設(shè)計(jì)應(yīng)力基準(zhǔn)(Mpa)，確定方法

17、見(jiàn)ASTM D2992； HDB靜壓力設(shè)計(jì)應(yīng)變基準(zhǔn)； Fs1設(shè)計(jì)系數(shù)，取Fs=1.8； t管壁結(jié)構(gòu)層厚度(mm)，表9-4列舉了玻璃鋼管得最小壁厚； D1管子平均直徑(mm)，按下式計(jì)算；,24,2020/8/25,當(dāng)內(nèi)徑D為公稱(chēng)直徑時(shí) D1=D+2tL+t； 當(dāng)外徑d為公稱(chēng)直徑時(shí) D1 =d-t,式中 tL內(nèi)襯厚度，mm； D管內(nèi)徑，mm； d管外徑，mm； E管壁周向拉伸彈性模量，Mpa。,25,2020/8/25,(2) 工作壓力校核 管系的工作壓力PW不應(yīng)大于所用管材的壓力等級(jí)，即 PW PC （9-20） 式中 PW 工作壓力，Mpa 。 (3)沖擊壓力校核 管系由工作壓力和沖擊壓力

18、疊加后的最大壓力不應(yīng)超過(guò)管材壓力 等級(jí)的1.4倍，即 PW + PS 1.4PC （9-21） 式中 PS 沖擊壓力，Mpa 。,26,2020/8/25,9.3.3 地下玻璃鋼管的彎曲強(qiáng)度和剛度校核,由管的撓曲引起的最大彎曲應(yīng)力或應(yīng)變不應(yīng)大于經(jīng)設(shè)計(jì)系數(shù)折算過(guò)的彎曲強(qiáng)度或限定應(yīng)變，即 按應(yīng)力基準(zhǔn) （9-22） 按應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn) （9-23）,式中 b撓曲引起的最大軸向彎曲應(yīng)力，Mpa； b因撓曲產(chǎn)生的最大軸向彎曲應(yīng)變，mm/mm； Df無(wú)量綱形狀系數(shù)，見(jiàn)表9-5； Eb管體的周向彎曲彈性，模量，Mpa； ya管體許用長(zhǎng)期垂直撓度(mm),ya0.05D； sb管體周向長(zhǎng)期彎曲強(qiáng)度(MPa)，測(cè)定方法

19、見(jiàn)AWWA C950； sb管體周向長(zhǎng)期彎曲限定應(yīng)變； Fs2彎曲設(shè)計(jì)系數(shù)，取Fs21.5； tt管體總壁厚(mm)，tt=t+tL。,27,2020/8/25,管體周向彎曲強(qiáng)度sb、長(zhǎng)期彎曲限定應(yīng)變sb乙基前面給出的靜壓設(shè)計(jì)應(yīng)力基準(zhǔn)HDB和應(yīng)變基準(zhǔn)HDB統(tǒng)稱(chēng)為復(fù)合材料管的長(zhǎng)期性能。 長(zhǎng)期性能是指管道使用到50年是具有的性能。 為保證所確定的50年后管道性能的可靠性，確定以上長(zhǎng)期性能的試驗(yàn)時(shí)間不得少于1104h，且要求不少于18個(gè)有效實(shí)驗(yàn)試件失效的時(shí)間分布應(yīng)符合規(guī)定的要求，在此基礎(chǔ)上按統(tǒng)計(jì)外推得50年的管道長(zhǎng)期性能值。,28,2020/8/25,玻璃鋼管是一種柔性管，在回填土等外載荷作用下，不

20、僅存在彎曲強(qiáng)度問(wèn)題，而且存在著剛度控制問(wèn)題。 所謂剛度控制，實(shí)際上就是對(duì)地下管管環(huán)的徑向變形量的控制，即要使受壓變形后的管環(huán)的垂直撓度值y小于管體最大許用長(zhǎng)期垂直撓度值ya 。 此處引用變形率的定義，即 = y/D1 ya y/D10.05 （9-24） 式中 D1 平均直徑，mm； y 預(yù)計(jì)的管子垂直撓度值，mm 。,29,2020/8/25,地下埋設(shè)玻璃鋼管的撓度取決作用于管上的土壓力、管的剛度、管周土壤的反力模量、土壤的時(shí)間-壓實(shí)特性和管道底部提供的支承情況等?？梢怨浪愠鲈谔囟ò惭b條件下由外壓引起管道的垂直撓度值。計(jì)算公式為 （9-25）,式中 DL變形之后系數(shù)(無(wú)量綱)，取DL=1.5

21、2.0； Wc單位長(zhǎng)度管子上的管頂垂直靜土壓(N/mm)，由式(9-14)確定； WL管線(xiàn)上單位長(zhǎng)度的動(dòng)土壓(N/mm)，由式(9-15)確定； Kx撓度系數(shù)(無(wú)量綱)，其值與管底部土壤提供的支撐情況有關(guān)， 見(jiàn)表9-6； R管平均半徑，mm； EbI單位長(zhǎng)度管壁的剛度系數(shù)，Nmm； E土壤反力模量(MPa)，見(jiàn)表9-7。,30,2020/8/25,變形滯后系數(shù)DL 的作用是把管的即使變形轉(zhuǎn)換成多年后的管的變形。 DL 因填土性質(zhì)、覆層深度和壓實(shí)程度不同而異。 對(duì)于較淺的覆土層（H1.5m），具有中高等密實(shí)度土層時(shí)，取DL =2.0m； 而對(duì)于較淺的覆土層，只有松散的拋填土或輕微壓實(shí)時(shí)，取DL

22、=1.5m； 當(dāng)埋設(shè)深度大于1.5m，且具有適中的或只有很小的松散堆放時(shí)，取DL 分別 為1.5m或1.25m較為合適。 這是因?yàn)?，在回填土被高度壓?shí)的情況下，管的初始變形通常是很小的。在 這種情況下，即使是在一段時(shí)間內(nèi)其變形稍微增加一些，盡管這時(shí)變形量依 舊很小，但也可能已是初始變形的2倍。 而對(duì)于松散回填土，由于初始變形大，其后隨時(shí)間增長(zhǎng)而產(chǎn)生的變形與初始 變形的比率反而比前一種情況小，但這絕不意味著可以推薦使用松散密度的 拋填土。 從總的變形量來(lái)看，在緊固密實(shí)回填土中的管子比在松散回填土中 的同一種管子的變形量要小得多。,31,2020/8/25,加在可撓曲的管上的土壓力使直徑在垂直方向

23、減少，水平方向增加。水平位移形成一個(gè)土壤被動(dòng)抗力，其作用有利于支撐管道。 管的撓曲程度取決于加在管上的垂直靜土壓、動(dòng)土壓和管側(cè)的土壤抗力。土壤抗力隨土壤類(lèi)型和管區(qū)回填土的壓實(shí)程度不同而異。 各種不同回填材料和壓實(shí)程度下的E值見(jiàn)表9-7 。 土壤反力模量E是一個(gè)很重要而又十分敏感的參數(shù)。如果選擇過(guò)高的E值，則會(huì)產(chǎn)生實(shí)際變形量大大超過(guò)式（9-25）的計(jì)算值的情形。即使按照表9-7選取E，實(shí)際變形量低于計(jì)算值的概率僅有50%。為了使這種概率達(dá)到95%，將式（9-25）進(jìn)行修正，得 （9-26） 式中，Ka和 a按下列方式選擇： （1） 當(dāng)埋設(shè)深度H4.88m時(shí)，取Ka =0.75， a=0； （2）

24、 當(dāng)H4.88m時(shí)，取Ka =1.0， 0.02D 松散或輕微壓實(shí)填土 a= 0.01D 中等壓實(shí)填土 0.005D 高等壓實(shí)填土 由表9-7可見(jiàn)，土壤反力模量E受回填土密實(shí)度控制。要降低埋設(shè)管的撓度，必須提高回填土的密實(shí)度。,32,2020/8/25,剛度系數(shù)EbI 是管壁材料的周向彎曲彈性模量與單位管長(zhǎng)慣性矩的乘積，慣性矩I=t3/12。 在填土外載荷作用下，若要使管的徑向變形控制在允許的范圍內(nèi)，管子必須要有足夠的抗彎剛度。 地下玻璃鋼管的抗彎剛度系數(shù)一般由平行板加載試驗(yàn)確定。在平行板加載試驗(yàn)中，可以實(shí)際測(cè)得管垂直方向撓度值y和載荷q，因此， EbI的值可由下式求得 EbI=0.149R3

25、q/ y (9-27) 式中 q單位長(zhǎng)度上的載荷，N/mm; y管垂直方向的撓度值，mm; R管平均直徑，mm; EbI玻璃鋼管周向表觀(guān)彎曲彈性模量，Mpa; I單位管長(zhǎng)的慣性矩（mm4/mm）,對(duì)于沒(méi)有加強(qiáng)肋的直管，I=t3/12,33,2020/8/25,EbI=0.149R3q/ y (9-27) 在式（9-27）中，q/ y 是描述管環(huán)剛度的參數(shù)，稱(chēng)為試驗(yàn)管剛度。 當(dāng)載荷q一定時(shí)，若垂直撓度值y 較小，表明管環(huán)剛度較大；反之。若y 較大，表明管環(huán)剛度較小。 表9-8列出在變形率= y /D1=5%時(shí)，不同管徑的最小管環(huán)剛度q/ y值。 根據(jù)表9-8給出的q/ y值，可求得不同管徑的管環(huán)

26、最小抗彎剛度系數(shù)EbI。 要求管道的剛度系數(shù)應(yīng)大于最小抗彎剛度系數(shù)，否則應(yīng)增加壁厚或在管道外表面設(shè)置加強(qiáng)肋，以提高慣性矩。 表9-8 最小管環(huán)剛度 q/ y,34,2020/8/25,9.3.4 組合載荷,由于地下玻璃鋼管道同時(shí)受到內(nèi)壓引起的拉伸應(yīng)力和土壓引起的彎曲應(yīng)力的組合作用，因此，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)考慮在這兩種應(yīng)力組合下的最大應(yīng)力或應(yīng)變，并進(jìn)行校核。 組合應(yīng)力 （9-28） 組合應(yīng)變 （9-29）,35,2020/8/25,由內(nèi)壓和彎曲組合作用引起的最大應(yīng)力或應(yīng)變應(yīng)滿(mǎn)足以下的應(yīng)力基準(zhǔn)或應(yīng)變基準(zhǔn)表達(dá)式，以保證埋設(shè)管安全使用。 按應(yīng)力基準(zhǔn) （9-30） 按應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn) （9-31）,式中 內(nèi)壓作用的工作應(yīng)

27、力(MPa)，pr=pwD/(2t)； pr內(nèi)壓作用的工作應(yīng)變，pr=pwD/(2Et)； Fs2設(shè)計(jì)系數(shù)，F(xiàn)s2=1.5。,36,2020/8/25,9.3.5 地下玻璃鋼管的穩(wěn)定性校核,回填土?xí)r，管內(nèi)尚無(wú)介質(zhì)流動(dòng)而無(wú)內(nèi)壓力，回填土和地面載荷等外載荷作用在管道上，地下玻璃鋼管在土壓、地面載荷及管內(nèi)負(fù)壓作用下，將可能導(dǎo)致管壁屈曲。 為了確定管壁的彈性穩(wěn)定，應(yīng)使各種外部載荷所引起的應(yīng)力之和小于等于許用屈曲應(yīng)力，即滿(mǎn)足如下條件(動(dòng)載荷和瞬時(shí)負(fù)壓載荷通?？刹槐赝瑫r(shí)考慮)：,9-32,37,2020/8/25,9-32,式中 w水的密度，kg/m3； hw管頂以上水面高度，m； g重力加速度，g=9.

28、8m/s2； Wc管頂垂直靜土壓，N/m； WL管線(xiàn)上單位長(zhǎng)度的動(dòng)土壓，N/m； pv管道真空壓力，Pa； Rw水的浮力系數(shù)，Rw=1-0.33hw/H(0hwH)； H管頂至回填土表面高度，m； qa許用屈曲應(yīng)力，Pa。,式中 Fs3設(shè)計(jì)系數(shù)，取2.5 B彈性支撐經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(無(wú)量綱)，按下式計(jì)算,式中 H管頂至回填土表面的高度，m。,38,2020/8/25,9-32,式(9-32)在下述條件下有效： 管內(nèi)無(wú)真空壓力：0.61mH24.4m 管內(nèi)有真空壓力：1.22mH24.4m,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮，提高地下玻璃鋼管的彈性穩(wěn)定性，通常采用4種方法： 增加玻璃鋼管的壁厚； 采用樹(shù)脂砂漿夾層結(jié)構(gòu)，提

29、高抗彎截面模量； 按一定間距設(shè)置加強(qiáng)肋 改變基底和土壤組成，以提高土壤反力模量E。 采用玻璃鋼夾砂管道用作地下埋設(shè)管道，是提高其彈性穩(wěn)定性的經(jīng)濟(jì)、有效的途徑,39,2020/8/25,9.3.6 地下玻璃鋼管道的軸向應(yīng)力,地下玻璃鋼管道產(chǎn)生軸向應(yīng)力的因素主要有3個(gè)。 （1）無(wú)論管道是否受到軸向約束，內(nèi)壓作用下周向膨脹都會(huì)引起軸向拉伸應(yīng)力。 （2）對(duì)于受軸向約束的管道，溫度引起管道熱脹冷縮時(shí)可產(chǎn)生軸向熱應(yīng)力xT 。 xT = xEx T 式中 x 玻璃鋼管道軸向熱膨脹系數(shù)，1/; T 管道運(yùn)行溫度與安裝溫度的差值， ; Ex 管道軸向彈性模量，Mpa 。 為了減少熱應(yīng)力，對(duì)于采用承插式連接的管道

30、，應(yīng)合理的根據(jù)安裝時(shí)的氣溫來(lái)調(diào)節(jié)承插口的空隙。應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁刭Y料合理制定安裝間隙。此外，還通常在管道軸向設(shè)置柔性環(huán)節(jié)或在直管部分設(shè)置圓弧段，以補(bǔ)償由于溫度變化引起的變形。 （3）管溝基礎(chǔ)不平，沿管子長(zhǎng)度方向土壤沉降的差異，使管道產(chǎn)生彎曲變形，從而引起軸向應(yīng)力。這可以通過(guò)合理的安裝施工工藝保證地基沉降均勻來(lái)加以解決。,40,2020/8/25,9.3.7 設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例,【例9-1】某批玻璃鋼管的設(shè)計(jì)條件為：公稱(chēng)直徑DN=900mm，管長(zhǎng)L=9m，工作壓力pw=0.80MPa,水錘壓力ps=0.40MPa,真空壓力pv=0.06MPa,使用溫度037 ，覆蓋層厚度H=1.22.4m,地下水位hw

31、=0.31.5m,管基土壤為致密粉粒砂，土壤密度=2000kg/m3,管壓回填材料為粘土砂，壓實(shí)程度中等，基礎(chǔ)支承角2=60，地面上雙輪載荷P=700002N ?，F(xiàn)擬采用纖維纏繞成型工藝制作該批管道，初定內(nèi)襯度厚度tL=1.0mm,結(jié)構(gòu)層壁厚t=16mm,試驗(yàn)壓力等級(jí)pc=1.0MPa,實(shí)驗(yàn)測(cè)得玻璃鋼管周向拉伸彈性模量Et=1.24104MPa, 周向彎曲彈性模量Eb=1.31 104MPa, 周向泊松比=0.30，軸向泊松比x=0.20，管最小剛度q/y =0.25MPa,靜壓設(shè)計(jì)應(yīng)變基準(zhǔn)HDB=0.64%，管體周向長(zhǎng)度彎曲限定應(yīng)變sb=1.15%。試根據(jù)以上確定的設(shè)計(jì)條件、管材性能和安裝參

32、數(shù)，采用應(yīng)變基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，校核該管道是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)方案是否可行？,41,2020/8/25,【解】 (1)根據(jù)應(yīng)變基準(zhǔn)HDB計(jì)算壓力等級(jí)pc 由式(9-19) (應(yīng)變基準(zhǔn)) D1=D+2tL+t=900+21+16=1.54MPa Pc=1.0MPa1.54MPa (2)校核工作壓力pw和沖擊壓力ps 由式(9-20)，pwpc，0.80MPa1.0MPa 由式(9-20)，pw+ps1.4pc pw+ps0.80+0.40=1.2MPa 1.4pc=1.41.0=1.4MPa 1.2MPa1.4MPa 校核標(biāo)準(zhǔn)符合設(shè)計(jì)要求。,42,2020/8/25,(3)計(jì)算許用撓度值ya 由

33、式(9-23)， 根據(jù)管剛度(q/y=0.25MPa)、回填材料(砂)和密實(shí)度(中等)，由表9-5查得Df=5.5； 管道總壁厚tt=tL+t=16+1=17mm 代入式(9-23)后得 即ya=min(69.1，45.9)=45.9mm,43,2020/8/25,(4) 確定外載荷WC和WL 由式（9-14）得 WC = gH（D1+t） =20009.8H（0.918+0.016） =18306H 當(dāng)H=2.4m時(shí)， WC = 183062.4=43934N/m=43.934N/m 當(dāng)H=1.2m時(shí)， WC = 183061.2=21967N/m=21.967N/m 由式（9-15） 知

34、WL =CLP（1+If） 當(dāng)H=2.4m時(shí), If =0.766-0.4362.4=0.766-1.05，If =0，從表9-3查得CL =0.1657，代入式（9-15）得 WL = 0.165770000（1+0） =11599N/m=11.599 N/mm 當(dāng)H=1.2m時(shí), If =0.766-0.4361.2=0.243，從表9-3查得CL =0.4252，代入式（9-15）得 WL = 0.425270000（1+0.243） =36997N/m=36.997 N/mm,44,2020/8/25,(5) 計(jì)算撓度y 由式（9-26）知 因?yàn)镠（=1.22.4m）4.88m，取K=

35、0.75，a=0。取DL= 1.75。 由表9-6查得Kx=0.102,由表9-7查得E=6.9MPa，代入式（9-26）。 當(dāng)H=2.4m 當(dāng)H=1.2m =21.3mm 45.9mm 校核結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求。,45,2020/8/25,(6)校核組合載荷引起的最大應(yīng)變c由于 rc=1-pw/3=1-0.8/3=0.733 由式(9-29)：可得,代入式(9-13),校核符合要求,46,2020/8/25,47,2020/8/25,48,2020/8/25,9.4 玻璃鋼管的制造,為了提高經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備利用率，在批量生產(chǎn)復(fù)合材料管到時(shí)，對(duì)于不同直徑的管道應(yīng)采用不同結(jié)構(gòu)形式的芯模。 一般來(lái)講，

36、直徑小于800mm的管道可采用整體式芯模，用碳鋼板卷筒焊接制成，也可用無(wú)縫鋼管精車(chē)制成，芯模表面必須拋光，脫模斜度不小于2/1000; 直徑大于800mm的管道通常采用開(kāi)縮式芯模，脫模時(shí)，通過(guò)液壓的機(jī)械裝置，使芯模收縮并從固化的制品中脫下來(lái)，然后把芯?；謴?fù)到原始位置。 由于纖維纏繞定長(zhǎng)管的生產(chǎn)過(guò)程多是間歇式的，為了提高生產(chǎn)率，減少生產(chǎn)占地和纏繞過(guò)程的停機(jī)時(shí)間，可采用與纏繞機(jī)配套的多軸芯模裝置。,49,2020/8/25,對(duì)于直徑為50250mm、長(zhǎng)為6m的管道在MT6上生產(chǎn) 對(duì)于直徑為3001000mm、長(zhǎng)為12m的管道在MT4上生產(chǎn) MT6和MT4分別為6軸和4軸芯模裝置，它可以與貯罐纏繞同

37、用一臺(tái)主機(jī)。 多軸芯模裝置可以移動(dòng)，纏繞貯罐時(shí)將其移至一邊，生產(chǎn)管道時(shí)將其移至主機(jī)機(jī)頭處，將其傳動(dòng)軸與機(jī)頭聯(lián)接在一起。 現(xiàn)以MT4為例說(shuō)明其工作原理。 MT4上有4根直徑相同或不同的管芯模同裝在一個(gè)大傳鼓上。 4根芯模既可同時(shí)隨著大傳鼓公轉(zhuǎn)，每根芯模又可自轉(zhuǎn)。 該設(shè)備有4個(gè)工作狀態(tài)：第1狀態(tài)為制作狀態(tài)，這時(shí)制作管道的內(nèi)襯層、增強(qiáng)層及表面層；第2、3狀態(tài)為旋轉(zhuǎn)固化狀態(tài)；第4狀態(tài)為脫模狀態(tài)，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的液壓裝置將已固化的管道脫出。 各狀態(tài)位置固定，每根芯模的位置更換靠大傳鼓的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。,50,2020/8/25,玻璃鋼管道制作主要包括以下幾個(gè)步驟： （1）成型內(nèi)襯層 在制襯機(jī)上安裝已認(rèn)真清理過(guò)的芯

38、模。 在芯模的圓柱形表面纏繞薄膜脫模劑，薄膜寬度為20cm，薄膜搭接寬度約3cm左右，在模具的承口（大頭）涂石蠟和聚乙烯醇脫模劑。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求制作內(nèi)襯層。 內(nèi)襯層厚度一般為0.52.5mm，增強(qiáng)材料包括表面氈和短切噴射纖維（或短切氈），樹(shù)脂主要采用乙烯基酯樹(shù)脂（如MFE-2、W2-1）或雙酚A型不飽和聚酯樹(shù)脂（如323號(hào)、197號(hào)）。 制作內(nèi)襯層時(shí)，應(yīng)使氈層都浸透膠液，要特別注意氣泡的驅(qū)除。待內(nèi)襯層固化后，應(yīng)仔細(xì)檢查內(nèi)襯缺陷，當(dāng)氣泡直徑在2mm以上就需要修復(fù)。,51,2020/8/25,（2）纏繞增強(qiáng)層 預(yù)先計(jì)算纏繞工藝參數(shù)（如纏繞層數(shù)、砂片寬度），并輸入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。做好纏繞設(shè)備各系統(tǒng)的

39、準(zhǔn)備工作后，即可進(jìn)行纖維纏繞（環(huán)向纏繞、螺旋纏繞、夾砂纏繞），整個(gè)纏繞過(guò)程自動(dòng)控制。 纏繞結(jié)構(gòu)層含膠量一般控制在25%左右，膠液粘度通常在0.350.50Pas范圍內(nèi)，纏繞紗線(xiàn)速度一般不超過(guò)0.90m/s,小車(chē)速度不大于0.75m/s。 在纖維纏繞過(guò)程中，張力大小、各束纖維間張力的均勻性以及各纏繞層之間的纖維張力均勻性對(duì)纏繞成型管道的質(zhì)量有很大的影響。為了防止管道各纏繞層在纏繞張力作用下出現(xiàn)內(nèi)松外緊現(xiàn)象，應(yīng)使張力逐層遞減，從而使管道承壓后內(nèi)外層纖維同時(shí)承受載荷。 生產(chǎn)大直徑地下埋設(shè)玻璃鋼管時(shí)，為提高管剛度，降低成本，纏繞時(shí)可加一定量的石英砂，制成樹(shù)脂砂漿夾芯層。為了提高夾砂管的力學(xué)性能，必須對(duì)

40、砂進(jìn)行處理。樹(shù)脂砂漿夾芯層中樹(shù)脂含量為25%（即樹(shù)脂：砂=25:75）。有時(shí)為了提高管道抗剪能力，可加入5%左右的短切玻璃纖維。 纏繞完畢，芯模應(yīng)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直至樹(shù)脂凝膠。當(dāng)制品巴士硬度達(dá)到35以上時(shí)，即可脫模。,52,2020/8/25,（3）加工連接部位 加工連接部位見(jiàn)9.5節(jié)介紹。 （4）加熱固化 用于輸送視頻的管道（如上水管），為降低管道中的苯乙烯殘留量，必須進(jìn)行加熱后固化處理。 （5）產(chǎn)品檢驗(yàn) 對(duì)每根管道進(jìn)行外觀(guān)、厚度、巴氏硬度等項(xiàng)檢驗(yàn)，并進(jìn)行水壓滲透試驗(yàn)，以檢測(cè)結(jié)構(gòu)缺陷及接頭密封處的承壓情況。 試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.3倍，至少保壓1h，管道不能出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的滲漏和變形。 批量生產(chǎn)的

41、管道每批均要進(jìn)行內(nèi)襯破裂和管道爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可按ASTM D1559進(jìn)行。,53,2020/8/25,9.5 復(fù)合材料管道連接,復(fù)合材料管道也像其他材料管道一樣，必須將多根有限長(zhǎng)度的管道連接在一起，才能組成一條實(shí)用的管線(xiàn)。 經(jīng)驗(yàn)證明，往往管道系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題最多的地方就在連接處。所以對(duì)于連接方式的選擇、設(shè)計(jì)、施工必須高度重視。 管道連接方式的選擇取決于管道系統(tǒng)的使用條件、安裝方法、載荷情況、環(huán)境溫度及輸送介質(zhì)的特性等因素。 為了保證管道系統(tǒng)安全工作，要求接頭應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度，在使用壓力下具有良好的氣密性。,54,2020/8/25,玻璃鋼管道連接方式大致分為兩類(lèi)：不可拆卸連接和可拆卸連接

42、。 不可拆卸連接有：包纏對(duì)接；承插粘結(jié)。 可拆卸連接有：承接連接；法蘭粘結(jié)；螺紋連接。 不可拆卸連接主要用于管道與管道、管道與管件之間的固定連接。 承插連接多用于地下管道、管件之間的連接； 法蘭連接常見(jiàn)于儀器、設(shè)備、泵、閥門(mén)的連接，以及維修時(shí)必須拆除部分管道的地方； 螺紋連接常應(yīng)用于管徑較小的管路上。,55,2020/8/25,(1)包纏對(duì)接 包纏對(duì)接形式是復(fù)合材料管道固定連接的基本形式。 預(yù)先用表面修整機(jī)在對(duì)接兩端磨好坡口，接頭區(qū)域的外表面須打磨粗糙。 安裝時(shí)將兩端對(duì)準(zhǔn)、找正，在坡口接縫處制作內(nèi)襯層，外邊用浸透樹(shù)脂的短切氈和玻纖布包纏，同時(shí)用多槽轆壓去除氣泡。 包纏是應(yīng)使每層增強(qiáng)材料的兩邊至少比前層寬2.5m，形成內(nèi)窄外寬的階梯隊(duì)排列，確保包纏層與管道有良好的粘接性。 外表面應(yīng)包纏表面氈并浸透樹(shù)脂