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玻璃钢管道设计中若干技术问题探讨南昌南昌南昌南昌2013201320132013年年年年4444月月月月18181818日日日日-21-21-21-21日日日日王磊王磊王磊王磊新疆鹏远新材料股份有限公司新疆鹏远新材料股份有限公司新疆鹏远新材料股份有限公司新疆鹏远新材料股份有限公司内容1.玻璃钢管道的水力计算2.玻璃钢三通的设计和构造3.玻璃钢法兰的设计计算4.纤维缠绕管道失效包络线的形状及其工程应用玻璃钢管道的水力计算管道的水力计算1、水力计算常用公式：–达西公式（Darcy-WeisbachEquation）包含克列布鲁克公式（Colebrookequation）gdvlhf22∗∗=λ)Re51.27.3lg(21λλ+∆∗−=d•对于介质为水的情况，发展和总结了很多经验公式，最常用的为：•曼宁公式（ManningEquation）•哈森威廉公式（Hazen-WilliamsEquation）。5.0667.01JRnv=333.122Rvnhf=87.485.15.10dLCQhf⋅⎟⎠⎞⎜⎝⎛⋅=2、水力计算当前的问题：曼宁公式的范围外应用曼宁公式的范围外应用曼宁公式的范围外应用曼宁公式的范围外应用已有已有已有已有一些项目出现达不到设计流量或者必须加压或者加大水力坡降的一些项目出现达不到设计流量或者必须加压或者加大水力坡降的一些项目出现达不到设计流量或者必须加压或者加大水力坡降的一些项目出现达不到设计流量或者必须加压或者加大水力坡降的办法才能满足项目要求的情况办法才能满足项目要求的情况办法才能满足项目要求的情况办法才能满足项目要求的情况曼宁公式的优点：曼宁公式的优点：曼宁公式的优点：曼宁公式的优点：公式简单，易于做不同管材的比较适用范围：适用范围：适用范围：适用范围：粗糙管或处于阻力平方区的流态，或重力非满流态管道的水力学状态•管的粗糙峰很小或近似为零，粘性底层大于粗糙凸起高度，沿程阻力系数只与雷诺数有关的一种现象称为水力光滑。粗糙凸起高度远大于粘性底层厚度，阻力系数只依粗糙程度而变化的一种现象称为水力粗糙区或叫阻力平方区莫迪图玻璃钢管道水力学状态：玻璃钢管道水力学状态：玻璃钢管道水力学状态：玻璃钢管道水力学状态：在满流的情况下，内壁光滑，当量绝对粗糙度为0.00518-0.01mm，流态属于水力光滑管。设计建议：设计建议：设计建议：设计建议：除非是重力非满流流态可采用manning公式，在满流的流态下应采用达西公式（包含克列布鲁克公式）或哈森威廉公式进行水力计算。计算比较•选取不同管径300，500，800，1000，1500，2000，3000•不同的流速1.2m/s1.5m/s2m/s•分别用达西公式（包含克列布鲁克公式当量绝对粗糙度为0.01mm）、哈森威廉公式（C=150）以及曼宁公式（n=0.009）计算沿程摩阻直径直径直径直径300300300300流速流速流速流速m/sm/sm/sm/s1.21.21.21.21.51.51.51.52222沿程摩阻沿程摩阻沿程摩阻沿程摩阻m/1kmm/1kmm/1kmm/1km达西公式达西公式达西公式达西公式3.67733.67733.67733.67735.53175.53175.53175.53179.38569.38569.38569.3856哈森威廉公式哈森威廉公式哈森威廉公式哈森威廉公式3.64933.64933.64933.64935.51435.51435.51435.51439.38919.38919.38919.3891曼宁公式曼宁公式曼宁公式曼宁公式3.67323.67323.67323.67325.73935.73935.73935.739310.203210.203210.203210.2032直径直径直径直径500500500500流速流速流速流速m/sm/sm/sm/s1.21.21.21.21.51.51.51.52222沿程摩阻沿程摩阻沿程摩阻沿程摩阻m/1kmm/1kmm/1kmm/1km达西公式达西公式达西公式达西公式2.00212.00212.00212.00213.01613.01613.01613.01615.12635.12635.12635.1263哈森威廉公式哈森威廉公式哈森威廉公式哈森威廉公式2.00232.00232.00232.00233.02563.02563.02563.02565.15175.15175.15175.1517曼宁公式曼宁公式曼宁公式曼宁公式1.8621.8621.8621.8622.90942.90942.90942.90945.17225.17225.17225.1722直径直径直径直径1000100010001000流速流速流速流速m/sm/sm/sm/s1.21.21.21.21.51.51.51.52222沿程摩阻沿程摩阻沿程摩阻沿程摩阻m/1kmm/1kmm/1kmm/1km达西公式达西公式达西公式达西公式0.88330.88330.88330.88331.3331.3331.3331.3332.27052.27052.27052.2705哈森威廉公式哈森威廉公式哈森威廉公式哈森威廉公式0.88680.88680.88680.88681.341.341.341.342.28162.28162.28162.2816曼宁公式曼宁公式曼宁公式曼宁公式0.74060.74060.74060.74061.15731.15731.15731.15732.05742.05742.05742.0574直径直径直径直径2000200020002000流速流速流速流速m/sm/sm/sm/s1.21.21.21.21.51.51.51.52222沿程摩阻沿程摩阻沿程摩阻沿程摩阻m/1kmm/1kmm/1kmm/1km达西公式达西公式达西公式达西公式0.39230.39230.39230.39230.59310.59310.59310.59311.01221.01221.01221.0122哈森威廉公式哈森威廉公式哈森威廉公式哈森威廉公式0.39270.39270.39270.39270.59350.59350.59350.59351.01051.01051.01051.0105曼宁公式曼宁公式曼宁公式曼宁公式0.29460.29460.29460.29460.46030.46030.46030.46030.81830.81830.81830.8183直径直径直径直径3000300030003000流速流速流速流速m/sm/sm/sm/s1.21.21.21.21.51.51.51.52222沿程摩阻沿程摩阻沿程摩阻沿程摩阻m/1kmm/1kmm/1kmm/1km达西公式达西公式达西公式达西公式0.24480.24480.24480.24480.37040.37040.37040.37040.63270.63270.63270.6327哈森威廉公式哈森威廉公式哈森威廉公式哈森威廉公式0.24390.24390.24390.24390.36850.36850.36850.36850.62750.62750.62750.6275曼宁公式曼宁公式曼宁公式曼宁公式0.17180.17180.17180.17180.26840.26840.26840.26840.47720.47720.47720.4772•计算比较的结果：•随着管径的加大和流速的加大，曼宁公式的计算值与其他两个公式的计算值之间的差距越显著，特别是直径在500mm以上，最大差距可达20%。•这个现象可能与国内外进行水力试验测量曼宁系数时，采用的试样的形态有关，一般都是小于等于500mm口径。玻璃钢三通的设计和构造玻璃钢三通的设计和构造•现象：现象：现象：现象：•大口径管道国内外一个主要的失效点是玻璃钢三大口径管道国内外一个主要的失效点是玻璃钢三大口径管道国内外一个主要的失效点是玻璃钢三大口径管道国内外一个主要的失效点是玻璃钢三通（特别是大开孔率三通）和玻璃钢法兰通（特别是大开孔率三通）和玻璃钢法兰通（特别是大开孔率三通）和玻璃钢法兰通（特别是大开孔率三通）和玻璃钢法兰•主要问题之一：三通的设计问题•主管的补强面积不够，主管（层间粘接强度）和支管（轴向）的强度不足。•还有补强与主管和支管的粘接质量不良•影响巨大，特别是检修孔，进人孔（直径大DN500-700），泄水孔等，均在主管直径的20%以上。当前的设计问题：•绝大多数为马鞍式补强，较少采用整体包缠补强，或不知道在何种状态下进行整体包缠补强；•大开孔率三通很少采用纯缠绕玻璃钢管道，管道缠绕层与夹砂层的层间粘接强度低，造成撕裂失效；•大开孔率支管仍采用普通夹砂管制作，轴向强度不足。BS7159标准•三通构造有限元模拟计算•选取主管直径为1000mm，厚度为20mm，支管厚度12mm，补强厚度20mm，马鞍及整体包缠补强宽度单侧均为支管直径。•计算结果表明：•对于开孔率小于25%的情况，马鞍式补强与整体全包式补强的应力水平区别不大，但大于25%以后有较显著的差别，包括层间剥离的径向应变。20%25%开孔率30%40%开孔率施加内压荷载计算结果三通主管三通主管三通主管三通主管单位单位单位单位10101010-6-6-6-6支管直径径向应变环向应变轴向应变200-全宽7203156806200-马鞍7183609718250-全宽6513443984250-马鞍88333581004300-全宽4823328976300-马鞍106936091278400-全宽86142831686400-马鞍152963352167三通设计选材建议•大口径（DN1200以上）及大开口（大于50%）的压力管道三通在可能的情况下采用钢制管件防腐的办法，与主管的连接方式采用钢制承插口。•对于斜三通或叉管建议采用钢制管件三通设计构造建议•玻璃钢三通构造按照BS7159的要求进行，并对开孔率大于25%的三通主管采用纯缠绕玻璃钢管道。•支管的轴向强度应按照管道承受内压产生的轴向力进行设计。•在大开孔三通上花多大的成本也不为过。在大开孔三通上花多大的成本也不为过。在大开孔三通上花多大的成本也不为过。在大开孔三通上花多大的成本也不为过。因为这是管线上最大的质量风险。因为这是管线上最大的质量风险。因为这是管线上最大的质量风险。因为这是管线上最大的质量风险。玻璃钢法兰的设计计算玻璃钢法兰设计•玻璃钢法兰破坏也是当前一个主要问题•设计问题设计问题设计问题设计问题：许多厂家生产法兰无设计计算，凭着感觉来或直接借用别的厂家技术资料。小口径DN500以下，问题不大，大口径特别是1000以上问题多多。主要集中在法兰盘厚度以及补强高度的计算确定上。•玻璃钢法兰的问题主要是玻璃钢制品弹性模量低以及粘接强度低的特点。•制造问题制造问题制造问题制造问题：树脂含量控制以及铺层设计法兰的设计计算•目前主要为三个标准：•即ASMERTP-1或X，BS4994，DIN2105•核心是：两个工况，安装工况（螺栓预紧、垫片预压缩）和工作工况（内水压作用）•计算输出：法兰盘厚度、法兰根部补强厚度及法兰补强高度ASMERTP-1或X•ASMERTP-1或SECTIONX图表系数较多，繁杂,不宜应用或公式化。BS4994•缺少对补强高度和法兰根部厚度的计算以及补强高度对整个法兰结构的影响，只是在法兰构造中对补强高度和根部厚度做了规定。•法兰根部厚度受限于法兰螺栓孔连接尺寸，不可能都能按照构造要求进行。BS4994DIN2505•计算比较全面，共有A-A、B-B、C-C三个截面的应力计算，并可通过调整法兰盘厚度、法兰根部补强厚度及法兰补强高度等参数使三个截面的应力水平小于设计值。•该标准也我国钢法兰的计算标准之一，见GB/T17186-1997钢制管法兰连接强度计算方法DIN2505玻璃钢法兰剪切计算•推荐DIN2505，但无论采用哪个标准，均要增加剪切计算，即：•1、玻璃钢法兰盘厚度须满足螺栓力下的垂直剪切；•2、玻璃钢法兰补强高度须满足螺栓力下的层间粘接