CN1285851C - 多层结构纤维增强弹性体管道补偿器及其成型方法 - Google Patents

多层结构纤维增强弹性体管道补偿器及其成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多层结构纤维增强弹性体管道补偿器及其成型方法，属复合材料制造工艺技术领域。本发明的一种多层结构纤维增强弹性体管道补偿器，由补偿管段、与补偿管段两端固定连接的两个法兰、以及一端与两个法兰之一固定连接而安装在补偿管段内的导流套构成，补偿管段的管壁结构为：外层为纤维增强弹性体复合材料(FEC)，该材料的具体形式是非石棉纤维与钢丝混合编织的纤维布增强橡胶；第二层是由聚四氟乙烯(PTFE)漆布构成的防腐层；第三层是由两层玻璃纤维布之间包覆的块状玻璃棉或陶瓷棉构成的隔热层；内层是经表面处理的玻璃纤维膨体纱编织布构成的防尘层。该新型结构的管道补偿器，具有环境友好、高强度、耐屈扰、密封性能良好、耐固体微粒磨损和较长的疲劳寿命。

Description

多层结构纤维增强弹性体管道补偿器 及其成型方法
技术领域
本发明涉及一种多层结构纤维增强弹性体管道补偿器及其成型方法，属复合材料制造工艺技术领域。
背景技术
管道补偿器是管路系统中必不可少的作为补偿温度变化引起管道变形的附件，对管路系统的安全运行起着至关重要的作用。常见的管道补偿器有四类：①采用П型连续弯管来吸收热变形后的方形补偿器；②利用可以自由伸缩的套管来补偿温差变形的套管补偿器；③借助波纹管上波纹的弹性变形来调节管道热变形的波形补偿器；④依据高性能复合材料的超弹性变形吸收管道位移的纤维增强弹性体管道补偿器，该补偿器因具有多维方向、补偿量大、消声隔震、防腐蚀、无反推力、重量轻及安装维修方便等许多独特的优点，而广泛运用于石油化工、钢铁冶金、电力和水泥建材等行业，在有些领域(如煤气—蒸汽联合循环机组和大型火电机组的烟风管道中)已完全代替其它三类补偿器。
自上世纪五十年代诞生以来，纤维增强弹性体管道补偿器的研发与应用遍及工业化国家。增强基体由最初的石棉纤维发展为玻璃纤维和芳香族聚酰胺纤维。
尽管玻璃纤维增强弹性体补偿器在近十余年发展迅速，但其综合性能，尤其是断裂韧性和疲劳寿命与石棉类产品比较，仍然存在明显的差距。采用玻璃纤维与耐温有机纤维混杂增强的弹性体管道补偿器的在役寿命能够获得一定的提高，但材料的耐高温性能大幅降低且制造成本显著增加，阻碍了该类补偿元件的拓宽使用。因此石棉类管道补偿器在许多工况下仍在大量使用，对环境造成危害。目前，无论增强基为石棉纤维或玻璃纤维，现有的纤维增强弹性体管道补偿器产品用于含尘气体输送管道时，因固体微粒的磨损导致其实际寿命均低于设计值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的多层结构纤维增强弹性体管道补偿器，使其对环境无污染，并且具有优良性能，延长使用寿命。
本发明的一种多层结构纤维增强弹性体管道补偿器，由补偿管段、与补偿管段两端固定连接得两个法兰、以及一端与两个法兰之一固定连接而安装在补偿管段内的导流套构成，其特征在于，补偿管段的管壁结构为：外层为纤维增强弹性体复合材料(FEC)，该材料的具体形式是非石棉纤维与钢丝混合编织的纤维布增强橡胶；第二层是由聚四氟乙烯(PTFE)漆布构成的防腐层；第三层是由两层玻璃纤维布之间包覆的块状玻璃棉或陶瓷棉构成的隔热层；内层是经表面处理的玻璃纤维膨体纱编织布构成的防尘层。
上述的非石棉纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维、或碳纤维的一种或其混合物；所述的弹性体橡胶可以是三元乙丙橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶、硅橡胶或氟橡胶的一种或其混合物；所述的钢丝可以是不锈钢或其他合金钢丝的一种，且钢丝在纤维布中的体积百分含量为5-35％。
上述的同轴环形圈带两端开口处还可包覆有玻璃纤维膨体纱编织布作为包边材料。
根据权利要求1所述的一种多层结构纤维增强弹性体管道补偿器的成型方法，其特征在于该方法具有以下工艺程序和步骤
a.按传统常规工艺制备连续纤维增强弹性体复合材料，即将玻璃纤维与钢丝混合编织成纤维布，对该编织布进行表面处理，并在其表面刷涂一层厚度约为0.01-0.05mm的PAPI增粘剂，以压延粘胶成型方式，将预定使用的橡胶在纤维编织布双面压延覆盖橡胶，再经辊压硫化，即可制成纤维增强弹性体复合材料(FEC)；
b.将上述的FEC按设计尺寸裁成条带形；将胶带一端长L＝100mm的正面橡胶A完整与基布剥离，露出基布C，将胶带另一端相同长度的正面胶D与基布剥离，并将该段橡胶D去除，割线平齐，同样露出胶底下的基布B；将B与C搭接齐，B在下面，用玻璃纤维线横向均匀逢接15mm×5道；
最后用耐高温粘合剂将A与C重新胶合。
c.将0.1-0.3mm厚度的聚四氟乙烯(PTFE)漆布防腐层裁成条带形；将该条带两端搭接部分用金相砂纸打磨，而后用丙酮洗涤凉干；在上下搭接层处加入与搭接斜边等长，宽度为10mm的特种焊条，即聚偏氟乙烯薄膜热熔胶；通过平板硫化机热压，温度为190℃，搭接面至焊条熔化后，迅速冷却为室温，PTFE漆布即搭接成一定直径的环形圈带；
d.将经硅烷偶联剂处理、聚四氟乙烯悬浮液浸渍、石墨涂层三元处理的玻璃纤维膨体纱编织布构成防尘层；再将两层玻璃纤维布之间包覆块状玻璃棉或陶瓷棉构成隔热层；同样也将他们搭接成一定直径的环形圈带；
e.将上述的FEC、聚四氟乙烯(PTFE)漆布防腐层、隔热层和防尘层同轴套接在一起，其各搭接头位置相互错开90°，构成含有四层组合的环形圈带；
f.用两块宽为100mm的经三元处理膨体纱玻璃布分别对组合圈带两端进行包边，并用玻璃纤维聚四氟乙烯线缝合固定；
g.将上述环形圈带成品安装连接在含过渡圆弧的金属支撑法兰上，用金属压板和螺栓固定，然后再焊上导流套，即成为在安装使用状态下的多层结构纤维增强弹性体管道补偿器。
本发明方法制成的多层结构纤维增强弹性体管道补偿器，因纤维增强弹性体复合材料增强相采用混织了一定数量的钢丝非石棉纤维，故无环境污染问题，其拉伸强度、耐屈扰次数、疲劳寿命均有明显的提高。由于添加了三元处理玻璃纤维布防尘层和聚四氟乙烯漆布防腐材料，特别是对含固体微粒和腐蚀介质的烟道气，此种多层结构的管道补偿器更显示出其长寿命、耐固体微粒磨损与环保的优点。
附图说明
图1为图2中A向视图
图2为本发明的一个实施例的多层结构纤维增强弹性体方形管道补偿器的局部纵剖面图
图3为图4中B向视图
图4为本发明的另一个实施例的多层结构纤维增强弹性体圆形管道补偿器的局部纵剖面图
图5为本发明多层结构纤维增强弹性体复合材料迭层结构形式示意图。其中：
Figure C20041001795000061
—三元处理玻璃布(包边)；
Figure C20041001795000062
—纤维增强弹性体复合材料FEC—PTFE漆布(防腐层)； —普通玻璃布(固定保温材料)
Figure C20041001795000065
—保温材料； —三元处理玻璃布；
Figure C20041001795000067
—缝合用玻璃纤维线
图6为本发明多层纤维复合材料中FEC搭接成圈带的方法示意图。
图7为本发明多层纤维复合材料中防腐层PTFE漆布搭接成圈带的搭接前的示意图。
图8为本发明多层纤维复合材料中防腐层PTFE漆布搭接成圈带的搭接成圈带后的示意图。
图9为本发明多层纤维复合材料同轴套接且两端包边缝合固定前的示意图。
FEC
防腐层
隔热层
........防尘层
Figure C20041001795000074
搭接位置
图10为本发明多层纤维复合材料同轴套接且两端包边缝合固定形成的组合环形圈带后的示意图。
Figure C20041001795000075
包边用三元玻璃布
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后：
实施例一：该补偿器的工作介质为烟气，其内径为430mm×1980mm，轴向安装长度为400mm，补偿量≤10mm；设计压力P≤1000Pa，温度t≤150℃。参见图2，本实施例的多层结构纤维增强弹性体管道补偿器，由补偿管段2、与补偿管段2两端固定连接得两个法兰1、6、以及一端与两个法兰之一1固定连接而安装在补偿管段2内的导流套3构成，补偿管段2的管壁结构为：外层为纤维增强弹性体复合材料(FEC)，该材料的具体形式是非石棉纤维与钢丝混合编织的纤维布增强橡胶；第二层是由聚四氟乙烯(PTFE)漆布构成的防腐层；第三层是由两层玻璃纤维布之间包覆的块状玻璃棉或陶瓷棉构成的隔热层；内层是经表面处理的玻璃纤维膨体纱编织布构成的防尘层。补偿管段2为方形管，管段2通过螺栓5与法兰1、6连接，参见图1，补偿管段2采用的多层纤维复合材料设有四层，其四层分别为：(1)无碱玻璃纤维与不锈钢丝混合编织的玻璃纤维布增强三元乙丙橡胶的复合材料的外表层，(2)聚四氟乙烯漆布防腐层；(3)玻璃纤维布包覆玻璃棉块体隔热层；(4)三元处理的玻璃纤维膨体纱编织布防尘层，最终构成经搭接并同轴叠合形成的环形圈带，本实施例的具体制备工艺步骤如下：
a.按传统常规工艺制备纤维增强橡胶复合材料，具体为：将100份三元乙丙橡胶在开炼机中塑炼6-8分钟，依次加入0.5份促进剂M、1.5份促进剂TMTD、2.0份防老剂D、2.0份硬脂酸、5.0份氧化锌高耐磨碳黑、2.0份硬脂酸、5.0份邻苯二甲酸二丁酯、40.0份硅藻土和2.0份硫磺混炼均匀，压片并停放24小时后在热炼机上充分热炼；同时将无碱玻璃纤维与SUS304不锈钢丝混杂编织成的厚度为3.0mm的夹钢丝玻璃纤维布(钢丝体积含量10％)导开，在其表面刷涂一层厚度约0.01-0.05mm的PAPI增粘剂，通过压延机将热炼完毕的三元乙丙橡胶覆盖在纤维布表面，分两次在纤维表层双面贴胶，随后将覆胶纤维布导入160℃的辊压硫化机硫化10分钟，即形成本发明的管道补偿器的主要部分—纤维增强橡胶复合材料(FEC)；
b.分别将上述FEC层、聚四氟乙烯(PTFE)漆布防腐层、隔热层和防尘层搭接成环形圈带并同轴套接，用玻璃纤维布在其两端开口处包边并缝合固定后的成品，其中FEC与PTFE的搭接方法分别见图6图与7和图8，各层圈带的套接与端口包边的结构形状如图9和图10所示。将上述成品，即多层纤维复合材料补偿管段2安装在含圆弧过渡的方形低碳钢金属支撑法兰1、6上，用金属压板4和螺栓5固定，然后再焊上导流套3，即成为本发明的多层结构纤维增强橡胶复合材料的管道补偿器，参见图2。
根据相关标准，对上述多层结构纤维增强橡胶复合材料管道补偿器试样的主要性能进行检测，并与单一石棉纤维增强三元乙丙橡胶(A1)和玻璃纤维增强三元乙丙橡胶复合材料(B1)的技术性能参数进行对比，其结构如表1所示：
表1  实施例一研制复合材料及其管道补偿器的主要能测试结果
  测试参数   测试标准   实施例一   A1   B1
  FEC   拉伸强度(kN/m)   轴向 GB 5572-1985   6.35   5.56   5.07
  横向   5.12   4.43   4.26
  耐屈挠次数(×106)   GB/T12586-2003   7.07   7.15   5.32
  FECPC   气密试验   GB 16749-1997   无泄漏   无泄漏   无泄漏
  疲劳寿命(×106)   模拟在役工况   1.75   1.38   1.03
上表中，FEC—纤维增强橡胶复合材料；FECPC—纤维增强橡胶复合材料管道补偿器
从表中可看出，本实施例中的复合材料及其补偿器比另两种材料(A1、B1)及其管道补偿器显示出有较好的性能参数。
实施例二：参见图3和图4，本实施例与上述实施例基本相同，所不同的是，补偿管段2为圆形管，本实施例的制造工艺与上述实施例基本相同，多层结构复合材料也基本相同，参见图9和图10。本实施例的补偿器的工作介质为烟气，内径为2200mm，轴向安装长度为400mm，补偿量≤10mm，设计压力P≤1000Pa，温度t≤300℃。
多层结构纤维增强橡胶复合材料中，其橡胶采用氟橡胶，增强体还是玻璃纤维加上不锈钢丝(10％体积含量)的编织布。按传统工艺制备纤维增强氟橡胶复合材料。氟橡胶的配方及硫化条件见表2所示：
表2  氟橡胶配方与硫化条件
  氟橡胶(26B)   100   氢氧化钙   2.5
  活性氧化镁   4.5   3号硫化剂   2.75
  普通氧化镁   3.5   喷雾碳黑   15.0
  硬脂酸锌   1.0   硅藻土   3.0
  硫化条件   一段辊压硫化：150℃×30min；二段平板硫化：250℃×16h，含升温4h
根据与实施例一相同的方法测试，并与单一石棉(A2)和玻璃纤维基(B2)的氟橡胶FECPC的技术参数对比，结果如表3。
表3  实施例二研制复合材料及其管道补偿器的主要能测试结果
  测试参数   测试标准   实施例一   A1   B1
  FEC   拉伸强度(kN/m)   轴向 GB 5572-1985   6.03   5.55   4.87
  横向   4.62   4.34   3.92
 耐屈挠次数(×106)   GB/T12586-2003   6.10   6.45   5.02
FECPC  气密试验   GB 16749-1997   无泄漏   无泄漏   无泄漏
 疲劳寿命(×106)   模拟在役工况   1.62   1.33   0.96
上表中，FEC—纤维增强橡胶复合材料
        FECPC—纤维增强橡胶复合材料管道补偿器
从表中可看出，本实施例中的复合材料及其补偿器比另两种材料(A2、B2)及其管道补偿器显示出有较好的性能参数。

Claims (4)

1.一种多层结构纤维增强弹性体管道补偿器，由补偿管段(2)、与补偿管段(2)两端固定连接的两个法兰(1、6)、以及一端与两个法兰(1、6)之一固定连接而安装在补偿管段(2)内的导流套(3)构成，其特征在于，补偿管段(2)的管壁结构为：外层为纤维增强弹性体复合材料，该材料的具体形式是非石棉纤维与钢丝混合编织的纤维布增强橡胶；第二层是由聚四氟乙烯漆布构成的防腐层；第三层是由两层玻璃纤维布之间包覆的块状玻璃棉或陶瓷棉构成的隔热层；内层是经表面处理的玻璃纤维膨体纱编织布构成的防尘层。
2.根据权利要求1所述的多层结构纤维增强弹性体管道补偿器，其特征在于所述的非石棉纤维可以是玻璃纤维、芳纶纤维、或碳纤维的一种；所述的弹性体橡胶可以是三元乙丙橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶、硅橡胶或氟橡胶的一种；所述的钢丝可以是不锈钢或合金钢丝的一种，且钢丝在纤维布中的体积百分含量为5-35％。
3.根据权利要求1所述的多层结构纤维增强弹性体管道补偿器，其特征在于所述的同轴环形圈带两端开口处还可包覆有玻璃纤维膨体纱编织布作为包边材料。
4.一种根据权利要求1所述的多层结构纤维增强弹性体管道补偿器的成型方法，其特征在于该方法具有以下工艺程序和步骤
a.按传统常规工艺制备连续纤维增强弹性体复合材料，即将玻璃纤维与钢丝混合编织成纤维布，对该编织布进行表面处理，并在其表面刷涂一层厚度约为0.01-0.05mm的PAPI增粘剂，以压延粘胶成型方式，将预定使用的橡胶在纤维编织布双面压延覆盖橡胶，再经辊压硫化，即可制成纤维增强弹性体复合材料；
b.将上述的纤维增强弹性体复合材料按设计尺寸裁成条带形；将胶带一端长L＝100mm的正面橡胶A完整与基布剥离，露出基布C，将胶带另一端相同长度的正面胶D与基布剥离，并将该段橡胶D去除，割线平齐，同样露出胶底下的基布B；将B与C搭接齐，B在下面，用玻璃纤维线横向均匀逢接15mmx5道；最后用耐高温粘合剂将A与C重新胶合；
c.将0.1-0.3mm厚度的聚四氟乙烯漆布防腐层裁成条带形；将该条带两端搭接部分用金相砂纸打磨，而后用丙酮洗涤凉干；在上下搭接层处加入与搭接斜边等长，宽度为10mm的特种焊条，即聚偏氟乙烯薄膜热熔胶；通过平板硫化机热压，温度为190℃，搭接面至焊条熔化后，迅速冷却为室温，聚四氟乙烯漆布即搭接成一定直径的环形圈带；
d.将经硅烷偶联剂处理、聚四氟乙烯悬浮液浸渍、石墨涂层三元处理的玻璃纤维膨体纱编织布构成防尘层；再将两层玻璃纤维布之间包覆块状玻璃棉或陶瓷棉构成隔热层；同样也将他们搭接成一定直径的环形圈带；
e.将上述的纤维增强弹性体复合材料、聚四氟乙烯漆布防腐层、隔热层和防尘层同轴套接在一起，其各搭接头位置相互错开90°，构成含有四层组合的环形圈带；
f.用两块宽为100mm经三元处理膨体纱玻璃布分别对组合圈带两端进行包边，并用玻璃纤维聚四氟乙烯线缝合固定；
g.将上述环形圈带成品安装连接在含过渡圆弧的金属支撑法兰上，用金属压板和螺栓固定，然后再焊上导流套，即成为在安装使用状态下的多层结构纤维增强弹性体管道补偿器。
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