CN108119705A - 一种异径竹缠绕管结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异径竹缠绕管结构及其制备方法，该异径竹缠绕管结构轴向包括一体成型的、且依次相连的大口径端、锥形过渡面和小口径端，其径向由内至外依次包括内衬层、结构层和外防护层，其中，锥形过渡面的内衬层和结构层之间还设置有纤维增强层，该纤维增强层由高强度的纤维丝浸润树脂缠绕而成，其两端分别延伸至所述大口径端和小口径端。本发明制备的异径竹缠绕管结构强度高，加工方便，制备效率高，解决了现有竹缠绕管件拼接处易破裂、强度低、易漏水、加工效率低的问题。

Description

一种异径竹缠绕管结构及其制备方法

技术领域

本发明属于竹缠绕管结构制备领域，更具体地，涉及一种异径竹缠绕管结构及其制备方法。

背景技术

竹缠绕复合管是一种以竹材为基体材料，以热固性树脂为胶粘剂，采用缠绕工艺制成的新型压力管道，与传统管道相比具有节能环保、质轻高强、保温性能好、抗震抗沉降能力强、成本低等突出优势。竹缠绕管件用于连接竹缠绕复合管，包括异径管、弯头、三通等。CN201521095884.X公开了一种用于竹缠绕复合管的管件，该管件由两个或两个以上管配件拼接而成，每个管配件均由竹篾和树脂缠绕而成，且两个管配件的拼接处采用浸有树脂的玻璃纤维织物缠绕固定，所述管件为弯头、三通接头或异径管。该技术方案中所述的异径管是分别制作直管和变径管后拼接而成，该加工方式效率低，尤其是在直管与变径管拼接处应力集中，导致脱模时拼接处因承受巨大推应力而破裂。此外，由于环向竹篾帘缠绕不能贴合斜面，变径管只能用轴向竹篾帘缠绕制成，所以变径管段环向力学强度低，在使用时容易出现漏水的情况。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种异径竹缠绕管结构及其制备方法，本发明制备的竹缠绕管强度高，加工方便，制备效率高，解决了现有竹缠绕管件拼接处易破裂、强度低、易漏水、加工效率低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种异径竹缠绕管结构，该异径竹缠绕管结构的轴向包括一体成型的、且依次相连的大口径端、锥形过渡面和小口径端，其径向由内至外依次包括内衬层、结构层和外防护层，其中，所述锥形过渡面的内衬层和结构层之间还设置有纤维增强层，该纤维增强层由高强度的纤维浸润树脂缠绕而成，其两端分别延伸至所述大口径端和小口径端。

作为进一步优选的，所述纤维增强层的两端分别延伸至所述大口径端和小口径端的100mm以上距离处。

作为进一步优选的，所述高强度的纤维优选为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维。

作为进一步优选的，所述树脂优选为与所述内衬层中采用的树脂相同。

作为进一步优选的，所述高强度的纤维与树脂的重量比优选为30～40:100。

作为进一步优选的，所述纤维增强层位于锥形过渡面处的厚度由如下公式确定：

式中：t为纤维增强层缠绕厚度，mm；

Pw为异径管设计压力，Mpa；

D为大口径端管内径，mm；

σ为内压失效环向应力，Mpa；

K₁为安全系数。

作为进一步优选的，所述纤维增强层两端延伸至大口径端和小口径端的距离L按如下方式确定：当大口径端的公称直径DN满足150mm≤DN＜300mm，L取100mm；300mm≤DN＜600mm，L取200mm；600mm≤DN＜1200mm，L取250mm；1200mm≤DN＜1600mm，L取300mm；1600mm≤DN＜2200mm，L取350mm；2200mm≤DN＜2600mm，L取400mm；2600mm≤DN≤3000mm，L取450mm。

作为进一步优选的，所述纤维增强层位于大口径端和小口径端部分的厚度沿远离锥形过渡面的方向递减；所述异径竹缠绕管结构具体为异径管或管道承口。

作为进一步优选的，所述内衬层、结构层的厚度比优选为1.5～3:10～90，所述内衬层的厚度优选为1.5～2.5mm，所述外防护层的厚度优选为2～5mm。

按照本发明的另一方面，提出了一种异径竹缠绕管结构的制备方法，包括如下步骤：

(1)首先，利用织物和胶黏剂在模具上制作防腐防渗的内衬层；

(2)然后，在制备完内衬层后，制备纤维增强层：根据公式计算获得纤维增强层的厚度t；根据大口径端的公称直径，确定纤维增强层两端延伸至大口径端和小口径端的距离L；根据所述厚度t和长度L，确定纤维增强层延伸至大口径端和小口径端的厚度沿远离锥形过渡面方向的递减量s；根据所述厚度t、长度L和递减量s，将高强度的纤维浸润树脂后，缠绕在所述内衬层上，制成获得纤维增强层；

(3)最后，在所述纤维增强层外缠绕制备获得结构层，并在结构层表面喷涂一层防腐防水的材料，形成外防护层。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明经长期试验研究发现，具有过渡面的竹缠绕管件的过渡面处相对于其他部位，其强度低，易破裂，且易漏水，本发明通过在过渡面处额外制备一纤维增强层，并使纤维增强层的两端延伸至过渡面两端的大、小口径端处，使得过渡面连接处的钝角平滑过渡，有效消除钝角所造成的应力集中，有效解决过渡处由于应力集中造成管道脱模破裂的关键问题。

2.本发明通过设置纤维增强层，可使得具有不同管径的竹缠绕管能够一体成型，且无应力集中，有效的提高了制管效率，克服现有的通过拼接方式制备管件所存在的制备效率低，容易应力集中等问题。

3.本发明不仅仅适用于异径管等管件及管道承口的制备，其适用于任何具有过渡面的竹缠绕管的制备，并且适用于具有多个过渡面的竹缠绕管的制备，其方便实用、适用范围广。

4.本发明还对竹缠绕管的制备工艺进行了研究和设计，如内衬层与结构层的厚度比、纤维丝与树脂的优选配比、纤维增强层的厚度、纤维增强层两端的延伸距离等，使得制备获得的竹缠绕管过渡处无应力集中，使用时不易破裂、不漏水，强度、刚度性能满足使用要求。

附图说明

图1是异径管的结构示意图；

图2是管道承口的结构示意图；

图3是图2的A处的放大图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种异径竹缠绕管结构，该异径竹缠绕管结构的轴向包括依次相连的大口径端、锥形过渡面和小口径端，大口径端、锥形过渡面和小口径端一次性缠绕成型(即一体成型)，该异径管的径向由内至外依次包括内衬层1、结构层3和外防护层，其中，在锥形过渡面的内衬层和结构层之间还设置有纤维增强层2，该纤维增强层2由高强度的纤维浸润树脂后缠绕在锥形过渡面上，该纤维增强层的两端分别延伸至大口径端和小口径端。

具体的，高强度的纤维优选为碳纤维或玻璃纤维或玄武岩纤维或芳纶纤维，通过上述高强度的纤维浸润树脂后以缠绕的方式缠绕在锥形过渡面上，以形成纤维增强层，并且使该纤维增强层延伸至异径管的大口径端和小口径端处，由此可有效增强过渡面与大口径端和小口径端连接处的环向力，使得连接处不易造成应力集中，并且在脱模时连接处也不容易破裂。

具体的，纤维增强层采用如下方式缠绕成型：

按照竹缠绕复合管的制作工艺，在内衬层缠绕完毕之后，即开始缠绕纤维增强层，树脂优选为内衬层树脂，根据树脂的种类、缠绕时环境的温度和湿度调整固化剂、促进剂的比例，配制好树脂胶黏剂后，将高强度纤维丝装设在缠绕机上，设定缠绕参数，将高强度的纤维丝浸润配制好的树脂胶黏剂后，缠绕在内衬层上，制成纤维增强层；同时根据图1中B、C处缠绕距离的长短和厚度确定纤维增强层延伸端的厚度递减量，使得纤维增强层在大口径端和小口径端的延伸端为类三角结构，即纤维增强层延伸端的厚度依次递减，使得整个过渡面均匀，直至纤维增强层缠绕结束。经研究发现，采用上述方式缠绕获得的纤维增强层，可最大程度的保证过渡面与大口径端和小口径端连接处的环向力。

进一步的，树脂优选为与内衬层相同的树脂，高强度的纤维与树脂的重量比优选为30～40:100。

具体的，纤维增强层两端延伸至大口径端和小口径端的长度L按照表1确定：

表1

纤维增强层位于锥形过渡面处的厚度为等厚结构，其由公式(1)确定：

式中：t-纤维增强层缠绕厚度，mm；

Pw-异径管设计压力，Mpa；

D-大口径端管内径，mm；

σ-异径竹缠绕管内压失效环向应力，Mpa；

K₁-安全系数，可事先确定。

进一步的，纤维增强层位于大口径端和小口径端部分的厚度沿远离锥形过渡面的方向递减，这样设置使得结构层缠绕时也是按逐层递减来实现与过渡面接触更紧密，同时提高两者接触处强度，不会形成应力集中的状况。

具体的，内衬层、结构层的厚度比优选为1.5～3:10～90，所述内衬层的厚度优选为1.5～2.5mm，所述外防护层的厚度优选为2～5mm。

本发明的异径竹缠绕管结构具体可以为承口结构、异径管等具有不同口径的管结构，如图2所示，在大口径端与小口径端有一段斜坡式的过渡面，其与大小口径端连接处容易造成应力集中的情况，在脱模时承受巨大的推应力，从而使连接处容易破裂，由于缠绕斜坡式过渡面时结合紧密才能保障强度，在制备过程中需消除角上的应力集中，本发明通过在过渡面缠绕纤维增强层使角平滑过渡，缠绕结构简单，有效解决承口区域由于应力集中造成管道脱模破裂的关键问题。

本发明还提供了一种新型竹缠绕管的制备方法，其包括如下步骤：

(1)首先，利用织物和胶黏剂在模具上制作防腐防渗的内衬层；

(2)然后，在制备完内衬层后，制备纤维增强层：根据公式计算获得纤维增强层的厚度t；根据大口径端的公称直径，确定纤维增强层两端延伸至大口径端和小口径端的距离L；根据所述厚度t和长度L，确定纤维增强层厚度沿远离锥形过渡面方向的递减量s；根据所述厚度t、长度L和递减量s，将高强度的纤维浸润树脂后，缠绕在所述内衬层上，制成获得纤维增强层；

(3)最后，在所述纤维增强层外缠绕制备获得结构层，并在结构层表面喷涂一层防腐防水的材料，形成外防护层。制备结构层具体为：将竹篾卷退卷，退卷后的竹帘带缠绕在所述模具上，缠绕的同时，向所述竹帘带输送胶黏剂，并保证竹帘带上的竹篾被所述胶黏剂完全包覆，然后经固化获得结构层。

制备内衬层之前也可包括竹纤维预处理步骤：将原竹剖成竹片，将竹片去青去黄后切削成竹蔑，将竹篾干燥处理，然后将竹篾平行排列，连接成竹帘带，收卷获得竹蔑卷。竹篾卷可事先备好，可现场制作。

本发明制备的竹缠绕管具体为异径管、承口管，然而，本发明不限于异径管、管道承口，本发明可适用于任意具有过渡面的竹缠绕管件，通过在过渡面缠绕纤维增强层，不仅使得不同管径的两管之间平滑过渡，还可以使得整个管件一体成型，并可有效消除过渡处的应力集中，避免脱模时连接处的断裂。此外，一根管件的多处过渡面均可通过本发明缠绕纤维增强层，以消除各个过渡面处的应力集中。

下面将结合一些具体实施例来更为清楚地解释说明按照本发明的竹缠绕管的制造工艺及其关键工艺参数设计。

实施例1

本实施例以制作公称直径为DN300-DN500mm，公称压力为1.0MPa、刚度等级为10000N/m²的异径管为例，具体说明本发明异径竹缠绕管结构的制备方法，其具体步骤如下：

1)竹纤维预处理：

把新鲜的竹材开成竹片，将竹片去青去黄后切削成1.5m长、1mm厚、5mm宽的竹蔑，将竹篾干燥处理，然后将10根竹篾平行排列整齐为一排，整排竹篾的背面衬上网格布，用缝纫机进行缝合，形成竹帘，每排竹帘的头尾对接，并利用缝纫机缝合，形成一条长达数米甚至数十米以上的不间断的竹帘带，收卷获得竹蔑卷待用。

2)内衬层的制备：

在外径为300～500mm的经抛光的模具上包覆一层0.03mm厚的聚酯薄膜，该聚脂薄膜作为脱模层，用胶黏剂、木纤维无纺布及玻璃纤维针织毡在模具的脱模层上制作厚度达1.5mm的内衬层1，该内衬层具有防渗功能，且内壁光滑；内衬层1沿管径向由内至外依次为木纤维无纺布及玻璃纤维针织毡，木纤维无纺布作为天然纤维织物层，玻璃纤维针织毡作为增强织物层，木纤维无纺布及玻璃纤维针织毡均浸有胶黏剂，该胶黏剂包括树脂和固化剂，本实施例中树脂选用防腐性能优异的环氧树脂。

3)纤维增强层的制备：

根据表1确定B、C处的缠绕长度L为200mm，根据公式(1)计算得出过渡处的缠绕厚度t为5mm，根据厚度t和长度L确定纤维增强层延伸端的厚度递减量s＝0.025mm，根据上述这些参数即可确定纤维增强层的缠绕参数；待内衬层固化后，在锥形过渡面螺旋交叉缠绕浸润环氧树脂的玻璃纤维丝，缠绕完毕后，制备结构层；

4)结构层的制备：

待纤维增强层固化后，将竹帘带退卷，将其平整地缠绕在模具的纤维增强层上，竹帘带在缠绕的过程中，需浸润胶黏剂，缠绕一层或一层以上竹帘带，达到设计厚度，缠绕方式是先环向缠绕14mm厚度，再螺旋交叉缠绕4.5mm厚度，最后环向缠绕3.5mm厚度；缠绕完毕后，对管道加热到90℃固化110分钟，获得结构层，其中，胶黏剂包括树脂和固化剂，树脂具体为氨基树脂。

5)外防护层的制备：

在结构层外面涂刷一层防水防腐较好的乙烯基酯树脂以获得外防护层，厚约5mm。

实施例2

本实施例以制作公称直径为DN1800mm，公称压力为1.0MPa、刚度等级为10000N/m²的竹缠绕复合管承口为例，具体说明本发明异径竹缠绕管结构的制备方法，其具体步骤如下：

1)竹纤维预处理：

把新鲜的竹材开成竹片，将竹片去青去黄后切削成2m长、1.2mm厚、4mm宽的竹蔑，将竹篾干燥处理，然后将12根竹篾平行排列整齐为一排，整排竹篾的背面衬上网格布，用缝纫机进行缝合，形成竹帘，每排竹帘的头尾对接，并利用缝纫机缝合，形成一条长达数米甚至数十米以上的不间断的竹帘带，收卷获得竹蔑卷待用。

2)内衬层的制备：

在外径为1800mm的经抛光的模具上包覆一层0.02mm厚的聚酯薄膜，该聚脂薄膜作为脱模层，用胶黏剂、竹纤维无纺布及玻璃纤维针织毡在模具的脱模层上制作厚度达2.5mm的内衬层1，该内衬层具有防渗功能，且内壁光滑；内衬层1沿管径向由内至外依次为竹纤维无纺布及玻璃纤维针织毡，竹纤维无纺布作为天然纤维织物层，玻璃纤维针织毡作为增强织物层，竹纤维无纺布及玻璃纤维针织毡均浸有胶黏剂，该胶黏剂包括树脂和固化剂，本实施例中树脂选用防腐性能优异的乙烯基酯树脂。

3)纤维增强层的制备

根据表1确定B、C处的缠绕长度L为350mm，根据公式(1)计算得出过渡处的缠绕厚度t，根据厚度t和长度L确定纤维增强层沿远离锥形过渡面方向的延伸端的厚度的递减量，根据t、L和s这些参数即可确定纤维增强层的缠绕参数；待内衬层固化后，在锥形过渡面螺旋交叉缠绕浸润乙烯基酯树脂的玄武岩纤维丝，缠绕完毕后，制备结构层；

4)结构层的制备：

待纤维增强层固化后，将竹帘带退卷，将其平整地缠绕在模具的纤维增强层上，竹帘带在缠绕的过程中，需浸润胶黏剂，缠绕一层或一层以上竹帘带，达到设计厚度，缠绕方式是先环向缠绕20mm厚度，再轴向缠绕8mm厚度，最后环向缠绕6mm厚度；缠绕完毕后，对管道加热到85℃固化115分钟，获得结构层，其中，胶黏剂包括树脂和固化剂，树脂具体为环氧树脂。

5)外防护层的制备：

在结构层外面涂刷一层防水防腐较好的乙烯基酯树脂以获得外防护层，厚约2mm。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种异径竹缠绕管结构，其特征在于，该异径竹缠绕管结构的轴向包括一体成型的、且依次相连的大口径端、锥形过渡面和小口径端，其径向由内至外依次包括内衬层、结构层和外防护层，其中，所述锥形过渡面的内衬层和结构层之间还设置有纤维增强层，该纤维增强层由高强度的纤维浸润树脂缠绕而成，其两端分别延伸至所述大口径端和小口径端。

2.如权利要求1所述的异径竹缠绕管结构，其特征在于，所述纤维增强层的两端分别延伸至所述大口径端和小口径端的100mm以上距离处。

3.如权利要求1所述的异径竹缠绕管结构，其特征在于，所述高强度的纤维优选为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维。

4.如权利要求1或2所述的异径竹缠绕管结构，其特征在于，所述树脂优选为与所述内衬层中采用的树脂相同。

5.如权利要求4所述的异径竹缠绕管结构，其特征在于，所述高强度的纤维与树脂的重量比优选为30～40:100。

6.如权利要求5所述的异径竹缠绕管结构，其特征在于，所述纤维增强层位于锥形过渡面处的厚度由如下公式确定：

<mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>P</mi> <mi>w</mi> <mi>D</mi> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;sigma;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>;</mo> </mrow>

式中：t为纤维增强层缠绕厚度，mm；

Pw为异径管设计压力，Mpa；

D为大口径端管内径，mm；

σ为内压失效环向应力，Mpa；

K₁为安全系数。

7.如权利要求6所述的异径竹缠绕管结构，其特征在于，所述纤维增强层两端延伸至大口径端和小口径端的距离L按如下方式确定：当大口径端的公称直径DN满足150mm≤DN＜300mm，L取100mm；300mm≤DN＜600mm，L取200mm；600mm≤DN＜1200mm，L取250mm；1200mm≤DN＜1600mm，L取300mm；1600mm≤DN＜2200mm，L取350mm；2200mm≤DN＜2600mm，L取400mm；2600mm≤DN≤3000mm，L取450mm。

8.如权利要求7所述的异径竹缠绕管结构，其特征在于，所述纤维增强层位于大口径端和小口径端部分的厚度沿远离锥形过渡面的方向递减；所述异径竹缠绕管结构具体为异径管或管道承口。

9.如权利要求1-8任一项所述的异径竹缠绕管结构，其特征在于，所述内衬层、结构层的厚度比优选为1.5～3:10～90，所述内衬层的厚度优选为1.5～2.5mm，所述外防护层的厚度优选为2～5mm。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的异径竹缠绕管结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)首先，利用织物和胶黏剂在模具上制作防腐防渗的内衬层；

(2)然后，在制备完内衬层后，制备纤维增强层：根据公式计算获得纤维增强层的厚度t；根据大口径端的公称直径，确定纤维增强层两端延伸至大口径端和小口径端的距离L；根据所述厚度t和长度L，确定纤维增强层厚度沿远离锥形过渡面方向的递减量s；根据所述厚度t、长度L和递减量s，将高强度的纤维浸润树脂后，缠绕在所述内衬层上，制成获得纤维增强层；

(3)最后，在所述纤维增强层外缠绕制备获得结构层，并在结构层表面喷涂一层防腐防水的材料形成外防护层。