《复合材料概论》课程论文 玻璃钢复合材料埋地管结构设计研究 院、部：材料与化学工程学院 学生姓名： 张永煊 扌旨导教师： ____ 朱莉云 _________ 专 业： 无机非金属材料工程 班 级： 材本1103班 完成时间： 2013年5月31日摘要 玻璃钢复合材料管比强度高、重量轻、运输安装方便、摩擦阻力小、输运能 力高、热应力小、耐磨性好、防腐蚀、可设计性强、维修方便、生产效率高、成 本低, 适用于石油输送管。为玻璃钢复合材料石油输送管的使用安全，同时节约 施工开支， 本文根据玻璃钢复合材料石油输送管的性能， 以及地面压力对埋地下 管子的角扩散理论，对受卡车的载荷的埋在地下的玻璃钢石油输送管 , 进行了不 同铺层层数建模， 并进行了强度计算， 设计出了合理的管壁厚度， 有效的减轻了 玻璃钢复合材料埋地管的重量。

关键词 ：输送管；地面压力；角扩散理论；层数建模；重量ABSTRACT Glass fiber reinforced plastic composite pipe is high strength, light weight, easy to transport installation, small frictional resistance, high transport capacity, the thermal stress is small, good abrasion resistance, corrosion resistance, can design sex is strong, easy maintenance, high efficiency, low cost, suitable for oil delivery pipe. For glass fiber reinforced plastic composite material the use of oil pipeline safety, saving construction costs at the same time, in this paper, according to the performance of the oil delivery pipe, glass fiber reinforced plastic composites, and the ground stress of underground pipe Angle of diffusion theory, for the truck load of buried FRP oil pipeline, the different shop number modeling, and the strength calculation and design a reasonable wall thickness, effectively reduce the weight of the glass fiber reinforced plastic composite materials of buried pipe.

Key words: Duct; Ground pressure; Angle of diffusion theory; The layer number of modeling; The weight玻璃钢复合材料埋地管结构设计研究 1. 概述

管道是现代工业中流体输送的重要材料。 传统的金属管、 混凝土管或因易锈 蚀，或因质量大，已不能满足现代工业的需要，复合材料管便应运而生。

1.1 玻璃钢管的优点

与传统的钢管和混凝土管相比，玻璃钢管具有以下优点。 （1）耐久性好。金属和混凝土管的防锈、耐化学腐蚀性很差。当周围环境 恶劣或输送酸、碱介质时，很快就会发生内、外表面腐蚀而遭破坏。玻璃钢管为 三层结构。 其内、外层可以按使用环境和使用条件进行设计， 采用相对应的耐腐 内衬和外表涂层， 防止腐蚀介质对管道的浸蚀破坏。 这样， 玻璃钢管道大大延长 了使用寿命，因而能获得较高的经济效益。 （2）摩擦阻力小、输运能力高。玻璃钢管的内表面光滑，远小于钢管和混 凝管的表面粗糙度，因而流体阻力小，力学特性好。若采用泵输送，在管径和流 量相同时，较其他材料管道可以节能 30%左右。 （3）质量轻、运输、安装方便。玻璃钢管道的自重只有钢管的 1/4 ，混凝土 管的1/10 ，因而运输和安装费用均较低。

（4）比强度高。玻璃钢管的纵向和环向拉伸强度为 160MPa口320MPa比钢 管略低；但由于玻璃钢的密度是钢密度的 1/4，因此，玻璃钢的比强度反而比钢 大很多。 5）可设计性强。可根据玻璃钢管使用情况，对其性能及连接方式进行设

计。通过对玻璃纤维分配设计， 使管在轴向和环向有不同的强度； 对管壁厚度设 计，可使玻璃钢管适用于不同外压或内压工况条件； 通过材料选择设计， 可以使 玻璃钢管适用于各种腐蚀介质环境； 通过对接头方式设计， 适用于不同安装条件。 (6)产品适应性强。玻璃钢管的直径从 25〜3600m均有；更大的直径亦可 另行设计。玻璃钢管的使用压力可从0.1〜30MPa由于其性能可以设计，故能适 应多种使用条件的要求。 ( 7)无污染。玻璃钢管耐腐、耐磨性好，因而管壁无杂质剥离和脱落、无 腐蚀结垢，不会产生微生物，因此在使用中，不会对所输送介质产生污染。 ( 8)维修方便。由于玻璃钢管无锈蚀、不结垢、耐腐蚀，因此一般情况下 无需维修。即便出现损伤，也因其轻巧，使维修十分方便。 (9)经济效益好。玻璃钢管的综合性能优于钢管，特别是用在有腐蚀介质 的条件下，玻璃钢管的使用寿命比钢管长几倍，体现出明显的经济效益。

1.2 玻璃钢管的应用

由于玻璃钢管具有很多优越性能， 因而促使世界各国都在积极研制、 生产和 推广使用。目前年产量已超过 70万吨。在我国，玻璃钢管道已广泛用于石油、化 工、供水、排污、灌溉、供气、污水处理、能源等众多领域。 下面主要来介绍一下玻璃钢管在油田中的应用。 (1)高压管道。油田所用的高压管道主要包括注水管和油井管等，管径较 小，大多在© 50〜© 200m范围内，压力高，一般介于5〜30MP之间，对玻璃钢 而言，条件较苛刻， 国产的玻璃纤维性能上很难满足要求， 生产此类管道所需玻 纤需从国外进口。 目前，哈尔滨史密斯玻璃钢制品有限公司等单位在国内生产此 类管道， 1994年起应用于油田，已先后为大庆油田、中原油田、吉林油田、胜利 油田、长庆油田、辽河油田等提供了几十公里的高压玻璃钢管。 （2）中、低压玻璃钢管道。缠绕成型中低压玻璃钢管道作为钢管替代品， 自20世纪90年代以来，我国油田大批量采用，国内几个大油田，如胜利油田、辽 河油田、中原油田、大庆油田、克拉玛依油田、江汉油田等均大量采用了中低压 缠绕玻璃钢管，青海的孕斯油田、江苏的江都油田、河北的华北油田，青海的格 尔木油田等也不同程度地使用了中低压缠绕玻璃钢管道。青海的孕斯油田仅在 1990年就使用了 20km胜利油田在1991-1992年期间，仅地面应用工程就使用了 近30km中原油田自1993年至今以使用170余km,油田是中低压玻璃钢管道的一 个非常重要的应用市场。 油田目前使用的中低压玻璃钢管道已近千公里， 其选用 的管径大多介于© 50〜© 700m之间，输送的介质温度最高达78°C左右，压力一 般为0.1〜1.6MP&

1.3 玻璃钢复合材料埋地管的设计要点

玻璃钢管复合材料埋地管是在土壤中铺设的， 是玻璃钢管道应用的一种铺设 形式。它在受到管内液体内压作用的同时， 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 高或降低所引起的冲击压力（又称水锤压力） 、管内出现真空时的负压等。进行 玻璃钢管复合材料埋地管的设计时， 首先应充分了解其使用要求， 根据其所输送 的介质的性质选择耐腐蚀层的材料， 根据要求流量来确定管的内径， 根据管的工 作压强和安装条件 （如埋设条件及深度） 来确定管的结构受力层的厚度。 在进行 管的力学性能设计时，应分别考虑其各种载荷情况，以及这些载荷的联合作用， 由这些载荷情况的管壁应力来确定结构受力层的厚度。 玻璃钢管复合材料埋地管 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，力求合理利用材料、降低成本，使管道安全工作 1.4本文主要设计内容

在本文中，主要从力学角度研究埋地管道的设计方法，对玻璃钢复合材料埋 地管进行铺层设计，用ANSY软件对其进行建模，施加载荷（包括工作内压、回 填土压力和地面车辆通过时引起的土压力），进行强度校核。并计算出最先一层 失效强度和极限强度。 2. 玻璃钢复合材料埋地管设计条件

设计大庆某批石油输送管，已知管径 D= 500mm覆土层高H^ 3m最大工作 内压pw = 1.0MPa要求允许通过20t载重汽车。回填土密度r = 0.0018 kg/cm3， 基础支撑角2 一 =

120°。材料用E—玻璃/环氧，强度设计安全系数取n= 2。

3. 埋地管外载计算及壁厚计算

埋地管承受的载荷有管道工作内压、埋土压力和汽车行驶产生的载荷。工作 内压已知Pw = 1.0MPa,下面来计算埋土压力和汽车行驶产生的载荷。

3.1埋土压力