复合材料细长杆增强复合材料管道接头剪切强度的结构及方法

摘要

本发明涉及一种复合材料细长杆增强复合材料管道接头剪切强度的结构及方法，属于复合材料增强技术领域。一种复合材料细长杆增强复合材料管道接头剪切强度的结构，其特征在于：在复合材料管道接头处，沿圆周方向植入复合材料细长杆。该方法，其特征在于过程如下：首先，将复合材料细长杆垂直插入到泡沫中；其次，将湿法缠绕的复合材料管道加热固化至凝胶状态；第三，将泡沫上的复合材料细长杆采用超声锤插入到处于凝胶状态的复合材料管道；最后，加热使复合材料管道完全固化。本发明可以显著提高复合材料管道接头区域的剪切强度，有效提高复合材料管道质量并延长使用寿命，同时本发明具有设备和工艺简单、成本低、效率高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料细长杆增强复合材料管道接头剪切强度的结构及方法，属于复合材料增强技术领域。

背景技术

复合材料管道多采用湿法缠绕生产，其产品具有面内力学性能优良、成本低、生产效率高和耐腐蚀性能优良的优点，广泛用于各种液体输送领域，尤其是给排水、化工和油田抽油管道领域。目前复合材料管道的连接多采用机械连接，以螺纹连接为主，由于接头处的螺纹加工破坏了原有增强纤维的连续性并且管道径向缺乏增强材料，这使得管道的接头处极易发生剪切破坏，这成为限制复合材料管道进一步应用的重要障碍。三维编织技术和缝纫技术均是三维增强复合材料技术，可以增强复合材料管道接头剪切强度，但其技术复杂、成本高限制了这两项技术的应用。因此，一种增强复合材料管道接头剪切强度的低成本方法亟待发明。

发明内容

本发明的目的，是提供一种复合材料细长杆增强复合材料管道接头剪切强度的结构及方法，用来解决复合材料管道接头处易发生剪切破坏的难题。

一种复合材料细长杆增强复合材料管道接头剪切强度的结构，其特征在于：在复合材料管道接头处，沿圆周方向植入有复合材料细长杆。

一种复合材料细长杆增强复合材料管道接头剪切强度的方法，其特征在于过程如下：首先，将复合材料细长杆垂直插入到泡沫中；其次，将湿法缠绕的复合材料管道加热固化至凝胶状态；第三，将泡沫上的复合材料细长杆采用超声锤插入到处于凝胶状态的复合材料管道；最后，加热使复合材料管道完全固化。

本发明提供的一种复合材料细长杆增强复合材料管道接头剪切强度的结构，其增强原理如下：沿径向插入管道接头区域的复合材料细长杆，使管道接头区域从平面增强模式变为三维增强模式，螺纹区域被破坏连续性的铺层被复合材料细长杆钉扎在一起实现了牢固连接，可以有效抵抗剪切力的破坏。径向复合材料细长杆在提高剪切强度的同时，不可避免的会损伤原有铺层的纤维或使原有纤维绕过复合材料细长杆，这都会削弱原有的管道环向和轴向性能，因此采用的复合材料细长杆的体积分数通常不高于5％。综上所述，提高复合材料细长杆的体积分数有利于提高管道径向性能，同时会损伤轴向和环向性能，因此实际应用时需根据管道的材料性能、缠绕角度以及管道的受力情况得到一个最佳的复合材料细长杆的体积分数。

本发明提供的一种复合材料细长杆增强复合材料管道接头剪切强度的方法，其特点在于采用泡沫制作增强中间体，具有以下优点：(1)泡沫价格便宜，制作成本低；(2)采用泡沫增强中间体，可以方便的适应不同规格的管道(通过分切、拼接和热变形泡沫)；(3)采用泡沫增强中间体，可方便的进行运输、储存。

本发明提供的一种复合材料细长杆增强复合材料管道接头剪切强度的方法，其特点在于将管道加热固化至凝胶状态再插入复合材料细长杆，其优点包括：(1)凝胶状态时树脂已丧失流动性，此时插入复合材料细长杆可以避免将管道上树脂挤出造成局部贫胶，或使管道缠绕铺层发生相对错动影响管道性能；(2)凝胶状态时树脂尚未变成坚硬固体，复合材料细长杆容易插入到管道铺层之中。

本发明提供的一种复合材料细长杆增强复合材料管道接头剪切强度的方法，其特点在于采用超声锤辅助将复合材料细长杆插进管道侧壁，其优点是超声振动可以减小复合材料细长杆插入过程中的阻力并减小对铺层纤维的损伤。

附图说明

图1是未采用复合材料细长杆增强的复合材料管道接头示意图。

图2是采用复合材料细长杆增强的复合材料管道接头示意图。

图中标号名称：1、接头区，2、螺纹，3、不连续的缠绕铺层、4、连续的缠绕铺层，5、径向复合材料细长杆，F、剪切力。

具体实施方式

本发明的技术方案：步骤1：将复合材料细长杆切成所需的长度l₁，l₁等于泡沫厚度h加管道壁厚t。将泡沫切成所需尺寸，泡沫长度l₂略大于管道外周长s，泡沫宽度w略大于复合材料管道接头部分长度l₃；

步骤2：将短切的复合材料细长杆以一定的密度垂直插入泡沫中；

步骤3：将湿法缠绕的复合材料管道加热固化至树脂达到凝胶状态；

步骤4：将条状带有短切复合材料细长杆的泡沫绕在复合材料管道的接头区；

步骤5：采用超声锤将泡沫上的短切复合材料细长杆压入处于凝胶状态的复合材料管道，直到超声锤接触泡沫表面时停止压入；

步骤6：继续加热复合材料管道，使其完全固化；

步骤7：修整管道表面，将泡沫和残留在泡沫中的复合材料细长杆除掉。实施方案

外径500mm、壁厚20mm的复合材料管道的接头部分采用螺纹连接，管道接头区长100mm。采用直径0.5mm复合材料细长杆增强管道接头部位剪切强度，采用泡沫的厚度为10mm。

步骤1：将复合材料细长杆切成长度为30mm的短杆，将泡沫切成两条长1600mm、宽110mm的长方形；

步骤2：将短切的复合材料细长杆垂直插入泡沫之中，复合材料细长杆的行间距为5mm、列间距为3mm；

步骤3：将湿法缠绕好的复合材料管道芯模通过热蒸汽加热，直至树脂处于凝胶状态；

步骤4：将两条插有短切复合材料细长杆的泡沫绕在复合材料管道两端的连接区，泡沫侧壁与管道端口对齐；

步骤5：采用超声锤将泡沫上的复合材料细长杆压入树脂处于凝胶状态的管道中，超声锤接触到泡沫表面时即停止压入，此时短切复合材料细长杆已经贯穿管壁接触到芯模表面，继续压可能会导致短切复合材料细长杆的断裂；

步骤6：将插完短切复合材料细长杆、处于凝胶状态的管道继续通过芯模热蒸汽加热，直至管道上的树脂完全固化；

步骤7：将管道连接区的泡沫和泡沫中的复合材料细长杆除掉，在管道连接区加工所需的内外螺纹