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中北大学2011届毕业设计说明书第I页第Ⅱ页目录1绪论………………………………………………………………………………11.1复合管道的原材料……………………………………………………………21.1.1内衬层材料…………………………………………………………………21.1.2基体材料……………………………………………………………………31.1.3增强材料………………………………………………………………………61.1.4辅助材料……………………………………………………………………71.2玻璃钢复合管道的应用与展望………………………………………………71.3管道气力输送物料技术的研究进展及趋势…………………………………72颗粒物料输送复合管道的结构设计……………………………………………92.1本课题要研究或解决的问题…………………………………………………92.2复合材料复合管道的设计……………………………………………………92.2.1设计参数……………………………………………………………………92.2.2结构形式及材料的选择……………………………………………………92.2.3管道壁厚计算………………………………………………………………102.2.4管道的校核…………………………………………………………………143复合管道成型工艺……………………………………………………………193.1界面处理………………………………………………………………………203.2纤维缠绕制管工艺……………………………………………………………203.2.1缠绕规律的内容和分类……………………………………………………213.2.2缠绕成型工艺参数…………………………………………………………223.2.3缠绕成型工艺设计…………………………………………………………243.3管道铺层设计…………………………………………………………………273.4外表面层制备…………………………………………………………………283.5机械控制缠绕机的选择………………………………………………………284安装、连接工艺…………………………………………………………………294.1管道的连接……………………………………………………………………29中北大学2011届毕业设计说明书第II页第Ⅱ页4.2管道的安装……………………………………………………………………315零件设计…………………………………………………………………………325.1弯管成型工艺…………………………………………………………………325.1.1铺层糊制……………………………………………………………………335.2铺层设计………………………………………………………………………336玻璃钢复合管道性能试验及检验方法………………………………………356.1复合管外观质量检测…………………………………………………………356.2轴向拉伸试验…………………………………………………………………366.3轴向压缩试验…………………………………………………………………366.4平行板外载试验………………………………………………………………366.5松弛校核………………………………………………………………………366.6水压压力试验…………………………………………………………………377表面涂装技术……………………………………………………………………387.1玻璃钢管道的表面处理………………………………………………………387.2涂料的选择……………………………………………………………………387.3涂装技术………………………………………………………………………397.4涂层的抛光……………………………………………………………………398结论………………………………………………………………………………40参考文献……………………………………………………………………………41致谢…………………………………………………………………………………43中北大学2011届毕业设计说明书第1页共43页1绪论在电力、矿山、煤炭等行业中，物料的输送都是采用远距离管道输送，管道承受着相当大的压力，并经受很严重的磨损。输送管道一般由直管和不同角度的弯管组成，当夹带固体粉料的高速粉粒物料流过管道时，固体颗粒对管道产生严重的磨损，特别是流过弯管时，在离心力的作用下，对弯管外侧内壁的磨损速度远大于直管部位，所以管道磨损是物料管道输送过程中存在的严重问题之一，每年因磨损损耗的费用就高达几十亿元[1]。火电厂中输煤、输渣、输灰管路需要大量耐磨管材，其中输灰管道尽管其工作温度不高，但磨损却很严重。这些管路事故较多，应急抢修不断，影响了安全运行，增加了维修费用，且常常造成环境污染。灰渣管道首先要解决管材问题，不但要求管材质量好、耐磨，而且价格要便宜，维修方便[2]。鉴于这些情况，近年来，设计人员在设计管材选型中采用复合管道克服了传统设计中存在的许多问题。复合管道内衬材料有铝、不锈钢、橡胶、塑料等。铝内衬气密性高，变形小，但焊接技术要求高，制造复杂，不耐腐蚀；不锈钢内衬耐腐蚀，但密度大，两种金属内衬制造都比较复杂；塑料、橡胶气密性好，耐化学腐蚀，制造工艺简单，成本低，弹性好。橡胶内衬属弹性材料，无刚度，不能满足成型过程中的芯模承载作用，必须加支承结构；塑料有一定的强度和刚度，可起到内衬和芯模作用。FRP/塑料复合管道是利用复合材料、防护结构性能可设计性，采用纤维缠绕或卷制工艺将纤维增强塑料(FRP)缠绕于热塑性塑料内衬管外部而制成的一种新型复合结构压力管道[3]。它既能有效发挥塑料内衬管的耐腐蚀、耐磨损、密封性好等性能，又具有玻璃钢的密度低、强度高、耐腐蚀、耐低温、抗疲劳、抗振动、抗老化，使用寿命可达50年以上的各种性能，这二者优势互补，扬长避短，能充分发挥复合材料性能具有可设计性的优势，可使复合材料管道兼具抗电性、阻燃、耐腐蚀、耐磨损、不结垢、节能降耗、公称压力高达30MPa以上、经济合理、安全可靠等特点，适用于流体、介质输送、尾砂、颗粒物料输送等多种用途，应用前景极其广阔。中北大学2011届毕业设计说明书第2页共43页1.1复合管道的原材料材料工业是一切工业的基础，新型材料工业又是发展现代科学技术所必不可少的。随着现代科技的发展，单一的材料性能已无法满足生产和社会发展的需要。利用复合技术将不同特性的物质结合在一起，制成具有优异综合性能的复合材料应运而生。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。FRP/塑料复合管道的原材料包括：塑料、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)。1.1.1内衬层材料复合管道塑料内衬层常用的塑料有高密度聚乙烯(UHMW-PE)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、硬聚氯乙烯(PVC)、尼龙(PA)等。(1)聚丙烯(PP)PP是比较完美的一种中高档的耐腐蚀材料，它具有质轻、气密性好、无毒、无污染等特点，工作温度-45～100℃，耐腐蚀性好，除盐酸、氯磺酸等几种强氧化性酸外，几乎能耐大多数酸碱盐类的腐蚀，特别是盐水、盐酸和浓碱。PP的缺陷是强度低、刚性差，以无机物填充改性，用作泵阀贮罐是完全可取的，但如用作管路，因其本身质轻不胜负荷而下垂变形，填充过量会脆裂不安全[4]。(2)硬聚氯乙烯(PVC)PVC具有阻燃(阻燃值为40以上)、耐化学药品性高(耐浓盐酸、浓度为90%的硫酸、浓度为60%的硝酸和浓度20%的氢氧化钠)、机械强度及电绝缘性良好的优点。但其耐热性较差，软化点为80℃，于130℃开始分解变色，并析出HCl。具有稳定的物理化学性质，不溶于水、酒精、汽油，气体、水汽渗漏性低；在常温下可耐任何浓度的盐酸、90%以下的硫酸、50～60%的硝酸和20%以下的烧碱溶液，具有一定的抗化学腐蚀性；对盐类相当稳定，但能够溶解于醚、酮、氯化脂肪烃和芳香烃等有机溶剂。此外，PVC的光、热稳定性较差，在100℃以上或经长时间阳光暴晒，就会分解产生氯化氢，并进一步自中北大学2011届毕业设计说明书第3页共43页动催化分解、变色，物理机械性能迅速下降，因此在实际应用中必须加入稳定剂以提高对热和光的稳定性[5]。(3)尼龙(PA)PA具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，有一定的阻燃性，易于加工，适于用玻璃纤维和其它填料填充增强改性，提高性能和扩大应用范围。PA的品种繁多，有PA6、PA66、PA11、PAl2、PA46、PA610、PA612、PA1010等，以及近几年开发的半芳香族尼龙PA6T和特种尼龙等很多新品种。PA6塑料制品可采用金属钠、氢氧化钠等为主催化剂，N-乙酰基己内酰胺为助催化剂，使δ-己内酰胺直接在模型中通过负离子开环聚合而制得。用这种方法便于制造大型塑料制件[6]。(4)超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)UHMW-PE是由乙烯在齐格勒-纳塔催化体系作用下，采取低压聚合技术制得的分子量在100万以上的线性高密度聚乙烯，是乳白色粉状物，结构单元为(-CH2-CH2-)n。分子链截面积S为0.193nm2，大分子间的作用力以色散力为主，它的内聚能密度为259J/cm3，结构规整，易结晶，晶体强度理论值σc为31GPa，其结晶模量理论值为316GPa，晶格中分子链超高分子量聚乙烯内衬特性呈平面锯齿形。分子链中不含极性基团，平均分子量高，分子量分布窄，支链短面少，密度较高，为0.96～0.98g/cm3，结晶度高[4]。UHMW-PE具有突出的高模量、高韧性、高耐磨性、优良的自润滑性。UHMW-PE的耐磨性在已知的高聚物中名列第一，比聚四氟乙烯高6倍，耐冲击性能比聚甲醛高14倍，比ABS高4倍，消音性能好，吸水率在0.01%以下，耐化学药品性能、抗粘结性能良好，耐低温性能优良，电绝缘性能好，它熔融时具极高的粘弹性，临界剪切速率极低，需要在很高的压力下才能使其融合。由于它耐热性能较差，一般使用温度在100℃以下。由UHMW-PE为原料(矾106)加工的UHMW-PE纤维可以作为PE的自增强材料或其它树脂基体的增强材料[7-10]。1.1.2基体材料中北大学2011届毕业设计说明书第4页共43页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。(1)不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂是不饱和二元羧酸(或酸酐)或它们与饱和二元羧酸(或酸酐)组成的混合酸与多元醇缩聚而成的，具有酯键和不饱和双键的线型高分子化合物。通常，聚醇化缩聚反应是在190～220℃进行，直至达到预期的酸值(或粘度)。在聚醇化缩聚反应结束后，趁热加入一定量的乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂[11]。不饱和聚酯树脂的相对密度在1.11～1.20g/cm3，固化时体积收缩率较大，固化树脂的一些物理性质如下：①耐热性绝大多数不饱和聚酯树脂的热变形温度都在50～60℃；一些耐热性好的树脂则可选120℃；线热膨胀系数α1为(130～150)×10-6℃。②力学性能不饱和聚酯树脂具有较高的拉伸、弯曲、压缩等强度见表1.1[12]。表1.1通用刚性不饱和聚酯树脂的力学性能性能数值拉伸强度(MPa)42～71拉伸弹性模量(MPa)(2.1～4.5)×103伸长率(%)1.3压缩强度(MPa)弯曲强度(MPa)92～19060～120③耐化学腐蚀性能不饱和聚醇树脂耐水、稀酸、稀喊的性能较好，耐有机溶剂的性能差，同时，树脂的耐化学腐蚀性能随其化学结构和几何形状的不同，可以有很大的差异。④介