CN114321515A - 一种预埋法兰连接结构的复合材料管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料管技术领域，涉及一种预埋法兰连接结构的复合材料管。包括：复合材料管体包括自内向外依次紧密包裹设置的内层、中间层、轴向加强层和外层，内层的两端分别插装法兰，法兰连接部的外壁围绕周向间隔设有多个梯形柱销，连接部内壁沿轴向间隔设有多个环绕周向的倒齿，倒齿向安装部一侧倾斜；内层通过倒齿与法兰固定；中间层的两端分别与法兰的连接部抵接；轴向加强层由沿轴向一体绕制的多个环形结构组成，环形结构的两端分别绕过法兰的梯形柱销且由梯形柱销固定，轴向加强层由外层完全覆盖并紧密包裹。本发明的复材管道的环形结构及内外层与法兰形成的三明治结构均可显著增加管材与法兰连接处的抗拉强度，降低分层脱落风险。
Description
技术领域
本发明属于复合材料管技术领域，具体涉及一种预埋法兰连接结构的复合材料管。
背景技术
复合材料管是一种连续复合材料增强热固性或热塑性树脂管道，具有优良的耐腐蚀性能，优异的耐疲劳性能，使用寿命可达30年以上，承压能力高，比重轻，内表面光滑，保温性能好等特点。复合材料管道已经广泛应用于市政工程、水利工程、石油和天然气运输，但是对于耐高压复合材料管道，连接位置无法满足耐压及轴向抗拉性能要求。
目前复合材料管道连接主要有胶接连接、承插式连接、预紧力齿连接、螺纹连接、法兰机械连接、混合连接等几种方式。现有法兰机械连接主要采用后粘接复合材料或金属材质的法兰的方式，这种方式粘接的法兰连接处耐压性能远低于管材本体，轴向抗拉强度低，连接处易分层断裂。
发明内容
本发明针对现有技术中复合材料管连接强度和连接稳定性低的问题，设计一种轴向抗拉强度高，耐压满足管材本体强度的预埋法兰连接结构的复合材料管。
为了实现本发明目的，所采用的技术方案为：
一种预埋法兰连接结构的复合材料管，包括：
2个法兰，所述法兰包括同轴一体成型的安装部和连接部，安装部的外壁围绕周向间隔设有多个梯形柱销，安装部的内壁沿轴向间隔设有多个环绕周向的倒齿，倒齿向安装部一侧倾斜；
复合材料管体，所述复合材料管体包括自内向外依次紧密包裹设置的内层、中间层、轴向加强层和外层，内层、中间层、轴向加强层和外层为预浸纤维束依次绕制预成型后再同时固化而得；内层的两端分别插装在2个所述法兰的连接部内且由倒齿固定；中间层的两端分别与2个所述法兰的连接部抵接；轴向加强层由沿轴向一体绕制的多个环形结构组成，所述环形结构的两端分别绕过2个所述法兰的梯形柱销且由梯形柱销固定，轴向加强层由外层完全覆盖并紧密包裹。
进一步的，内层缠绕方法为：先固定芯模，预浸纤维束内层起始位沿芯模轴线方向匀速往复运动，芯模围绕轴线匀速转动，从而进行内层的多层绕制，缠绕张力逐层增大，预浸纤维束其中一个行进方向的绕制角度为0°＜α＜90°，另一个行进方向的绕制角度为90°＜β＜180°。
进一步的，中间层缠绕方法为：把2个所述法兰分别卡装在芯模两端，同时法兰的连接部紧密套装在内层的两端，预浸纤维束从中间层的起始位开始沿芯模轴线方向匀速运动，芯模围绕轴线匀速转动，从而进行中间层的多层绕制，缠绕张力逐层增大，预浸纤维束的其中一个行进方向的绕制角度为0°＜α＜90°，另一个行进方向的绕制角度为90°＜β＜180°。
进一步的，轴向加强层缠绕方法为：芯模固定不动，预浸纤维束轴向加强层起始位绕过2个法兰中的其中一个法兰的梯形销柱后，再沿轴线行进至另一个法兰的的梯形销柱并绕过该梯形销柱后沿轴线绕回其中一个法兰的梯形销柱，经多次重复缠绕形成设定厚度线宽d的环形结构，然后停止并断开预浸纤维束，再根据梯形销柱的排布数量控制芯模围绕轴线旋转15～30度，重复上述操作进行下一个环形结构的绕制。
进一步的，外层缠绕方法为：预浸纤维束从外层起始位置开始沿芯模轴线方向匀速运动，芯模围绕轴线匀速转动，从而进行外层的多层绕制，缠绕张力逐层增大，预浸纤维束其中一个行进方向的绕制角度为0°＜α＜90°，另一个行进方向的绕制角度为90°＜β＜180°。
进一步的，预浸纤维束采用5～10mm宽幅，其中纤维束材质为碳纤维或玻璃纤维，预浸料为改性热固或热塑性树脂。
进一步的，法兰材质为金属。
根据法兰和所需复材管道的直径适当调整缠绕层数，缠绕张力逐渐增加，确保管道缠绕厚度均匀一致。缠绕结束后使用张紧袋将复材管道全部缠绕包裹，推入烘箱按照设定的工艺参数加热固化，固化结束后剥离张紧袋并抽出芯模即可得到预埋法兰的空心复材管道。
与现有技术相比，本发明取得了如下技术优势：
1、此种复材管道缠绕过程中增加了连续纤维绕制的环形结构，可显著增加管材与法兰连接处的抗拉强度。
2、法兰外部的梯形销柱和法兰内部的倒齿可以增加复材管道与法兰的连接强度。
3、相比于只缠绕法兰外部的预埋方式，内外层缠绕与法兰形成的三明治结构可显著增加复材管道与法兰的连接强度，降低分层脱落风险。
附图说明
图1为本发明实施例中的预埋法兰连接结构的复合材料管的结构示意图；
图2为为图1中A处放大示意图；
图3为本发明实施例中的预埋法兰连接结构的复合材料管的法兰结构示意图；
图4本发明实施例中的预埋法兰连接结构的复合材料管的法兰结构示意图；
图5为本发明实施例中的预埋法兰连接结构的复合材料管的内层、中间层和外层的绕制角度示意图；
图6为本发明实施例中的预埋法兰连接结构的复合材料管的轴向加强层的绕制示意图。
图中附图标记为：1.法兰，2.复合材料管体，1-1.梯形柱销，1-2.倒齿，2-1.内层，2-2.中间层，2-3.轴向加强层，2-4.外层，3.芯模，4.内层起始位5.中间层起位6.轴向加强层起始位7.外层起始位；
d.厚度线宽。
具体实施方式
本发明不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明下面结合实施例作进一步详述：
见图1至图6，一种预埋法兰连接结构的复合材料管，包括：
2个法兰1，所述法兰1包括同轴一体成型的安装部和连接部，安装部的外壁围绕周向间隔设有多个梯形柱销1-1，安装部的内壁沿轴向间隔设有多个环绕周向的倒齿1-2，倒齿1-2向安装部一侧倾斜；
复合材料管体2，所述复合材料管体2包括自内向外依次紧密包裹设置的内层2-1、中间层2-2、轴向加强层2-3和外层2-4，内层2-1、中间层2-2、轴向加强层2-3和外层2-4为预浸纤维束依次绕制预成型后再同时固化而得；内层2-1的两端分别插装在2个所述法兰1的连接部内且由倒齿1-2固定；中间层2-2的两端分别与2个所述法兰1的连接部抵接；轴向加强层2-3由沿轴向一体绕制的多个环形结构组成，所述环形结构的两端分别绕过2个所述法兰1的梯形柱销1-1且由梯形柱销1-1固定，轴向加强层2-3由外层2-4完全覆盖并紧密包裹。
本实施例的预埋法兰连接结构的复合材料管的成型方法包括如下步骤：
1、复合材料管道的内层2-1缠绕：固定金属材质的芯模3，预浸纤维束从芯模3内层起始位4开始沿芯模3轴线方向匀速运动，芯模3围绕轴线均速转动，通过调整预浸纤维束轴向移动速度和芯模3旋转速度，径向缠绕角度α可以调整至0～90°，预浸纤维束缠绕至另一端终止位后调转移动方向并沿芯模3轴线方向均速运动，径向缠饶角度β可调整至90～180°。缠绕张力逐渐增大，缠绕至指定厚度后停止。预浸纤维束采用5～10mm宽幅，其中纤维束材质为碳纤维或玻璃纤维，树脂基体为改性热固或热塑性树脂
2、复合材料管道中间层2-2缠绕：把两个金属材质的法兰1接头分别卡入金属材质的芯模3两端，使用固定工装将芯模3与预埋金属材质的法兰1固定连接，预浸纤维束从中间层起始位开始沿芯模3轴线方向匀速运动，芯模3围绕轴线均速转动，通过调整预浸纤维束轴向移动速度和芯模3旋转速度，径向缠绕角度α可以调整至0～90°，预浸纤维束缠绕至另一预埋金属材质的法兰1端部位置后调转移动方向均速运动，径向缠饶角度β可调整至90～180°。缠绕张力逐渐增大，缠绕至指定厚度后停止。
3、复合材料管道轴向轴向加强层2-3缠绕：步骤1、预浸纤维束从法兰1外部梯形销柱起始位置开始环向缠绕，芯模3固定不动。具体的，芯模3固定不动，预浸纤维束轴向加强层起始位6绕过2个法兰1中的其中一个法兰1的梯形销柱后，再沿轴线行进至另一个法兰1的的梯形销柱并绕过该梯形销柱后沿轴线绕回其中一个法兰1的梯形销柱，经多次重复缠绕形成设定厚度线宽d的环形结构，缠绕路线如图所示，张力逐渐增大，缠绕到指定厚度后停止，断开预浸纱；步骤2、根据梯形销柱排布数量芯模3按自身轴旋转15～30度；重复步骤1和步骤2依次环向缠绕法兰1外部梯形销柱，进行下一个环形结构的绕制。
4、复合材料管道外层2-4缠绕：预浸纤维束从预埋金属材质的法兰1外层起始位7置开始沿芯模3轴线方向匀速运动，芯模3围绕轴线均速转动，通过调整预浸纤维束轴向移动速度和芯模3旋转速度，径向缠绕角度α可以调整至0～90°，预浸纤维束缠绕至另一预埋金属材质的法兰1端部位置后调转移动方向均速运动，径向缠饶角度β可调整至90～180°。缠绕张力逐渐增大，缠绕至指定厚度后停止。
根据法兰1和所需复材管道的直径适当调整缠绕层数，缠绕张力逐渐增加，确保管道缠绕厚度均匀一直。缠绕结束后使用张紧袋将复材管道全部缠绕包裹，推入烘箱按照设定的工艺参数加热固化，固化结束后剥离张紧袋并抽出芯模3即可得到预埋法兰的空心复材管道。
基于上述方法成型的预埋法兰连接结构的复合材料管，法兰1内部的倒齿1-2可以增加复材管道与法兰1的连接强度，相比于只缠绕法兰1外部的预埋方式，内外层2-4缠绕与法兰1形成的三明治结构可显著增加复材管道与法兰1的连接强度，降低分层脱落风险，同时协同梯形柱销1-1和轴向加强层2-3的绕制可最大发挥纤维的抗拉强度，显著提升法兰1和管子的链接强度，传统方式基本是短纤维或其它方向的纤维与法兰1连接，纤维增强作用不明显，大部分还是靠树脂或胶的强度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
Claims (7)
1.一种预埋法兰连接结构的复合材料管，其特征在于：包括：
2个法兰(1)，所述法兰(1)包括同轴一体成型的安装部和连接部，安装部的外壁围绕周向间隔设有多个梯形柱销(1-1)，安装部的内壁沿轴向间隔设有多个环绕周向的倒齿(1-2)，倒齿(1-2)向安装部一侧倾斜；
复合材料管体(2)，所述复合材料管体(2)包括自内向外依次紧密包裹设置的内层(2-1)、中间层(2-2)、轴向加强层(2-3)和外层(2-4)，内层(2-1)、中间层(2-2)、轴向加强层(2-3)和外层(2-4)为预浸纤维束依次绕制预成型后再同时固化而得；内层(2-1)的两端分别插装在2个所述法兰(1)的连接部内且由倒齿(1-2)固定；中间层(2-2)的两端分别与2个所述法兰(1)的连接部抵接；轴向加强层(2-3)由沿轴向一体绕制的多个环形结构组成，所述环形结构的两端分别绕过2个所述法兰(1)的梯形柱销(1-1)且由梯形柱销(1-1)固定，轴向加强层(2-3)由外层(2-4)完全覆盖并紧密包裹。
2.根据权利要求1所述的预埋法兰连接结构的复合材料管，其特征在于：内层(2-1)缠绕方法为：先固定芯模(3)，预浸纤维束内层起始位(4)沿芯模(3)轴线方向匀速往复运动，芯模(3)围绕轴线匀速转动，从而进行内层(2-1)的多层绕制，缠绕张力逐层增大，预浸纤维束其中一个行进方向的绕制角度为0°＜α＜90°，另一个行进方向的绕制角度为90°＜β＜180°。
3.根据权利要求1所述的预埋法兰连接结构的复合材料管，其特征在于：中间层(2-2)缠绕方法为：把2个所述法兰(1)分别卡装在芯模(3)两端，同时法兰(1)的连接部紧密套装在内层(2-1)的两端，预浸纤维束从中间层起始位开始沿芯模(3)轴线方向匀速运动，芯模(3)围绕轴线匀速转动，从而进行中间层(2-2)的多层绕制，缠绕张力逐层增大，预浸纤维束的其中一个行进方向的绕制角度为0°＜α＜90°，另一个行进方向的绕制角度为90°＜β＜180°。
4.根据权利要求1所述的预埋法兰连接结构的复合材料管，其特征在于：轴向加强层(2-3)缠绕方法为：芯模(3)固定不动，预浸纤维束轴向加强层起始位(6)绕过2个法兰(1)中的其中一个法兰(1)的梯形销柱后，再沿轴线行进至另一个法兰(1)的的梯形销柱并绕过该梯形销柱后沿轴线绕回其中一个法兰(1)的梯形销柱，经多次重复缠绕形成设定厚度线宽d的环形结构，然后停止并断开预浸纤维束，再根据梯形销柱的排布数量控制芯模(3)围绕轴线旋转15～30度，重复上述操作进行下一个环形结构的绕制。
5.根据权利要求1所述的预埋法兰连接结构的复合材料管，其特征在于：外层(2-4)缠绕方法为：预浸纤维束从外层起始位(7)置开始沿芯模(3)轴线方向匀速运动，芯模(3)围绕轴线匀速转动，从而进行外层(2-4)的多层绕制，缠绕张力逐层增大，预浸纤维束其中一个行进方向的绕制角度为0°＜α＜90°，另一个行进方向的绕制角度为90°＜β＜180°。
6.根据权利要求1所述的预埋法兰连接结构的复合材料管，其特征在于：预浸纤维束采用5～10mm宽幅，其中纤维束材质为碳纤维或玻璃纤维，预浸料为改性热固或热塑性树脂。
7.根据权利要求1所述的预埋法兰连接结构的复合材料管，其特征在于：法兰(1)材质为金属。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |