一种纤维增强复合材料与金属复合管制造技术

本发明专利技术公开了一种纤维增强复合材料与金属复合管，包括金属内衬管，所述金属内衬管两端设有金属接头、且金属内衬管外周设有纤维增强复合材料管，所述金属接头上设有圆锥面，且沿所述金属内衬管的端部向中心方向，所述圆锥面与所述金属内衬管轴心的距离逐渐增加，所述圆锥面上固设有至少一圈固定销，同一圈中固定销的数量为多个并均匀布置，所述纤维增强复合材料管端部缠绕于所述固定销上，所述固定销外周设有用于压紧所述纤维增强复合材料管的外保护套。其中，外保护套优选采用两个半圆形分套并通过紧固件连接为一体。本发明专利技术具有安全可靠性高、能够传递较高的扭矩和轴向受力、易于加工制造等优点。

A fiber reinforced composite and metal composite pipe

【技术实现步骤摘要】
一种纤维增强复合材料与金属复合管
本专利技术涉及复合材料管件，尤其涉及一种纤维增强复合材料与金属复合管。
技术介绍
相比金属材料，纤维增强复合材料具有比强度、比模量等方面的优势，应用也愈来愈广，尤其是在航空航天、车辆等具有减重需求的领域。通常设备和零件存在多种工况应用需求，靠单一材料难以满足复杂工况需求，因此，需采用多种材料组合，形成复合零部件。基于纤维增强复合材料管道的受力和工作环境特点，最适用于拉伸应力、耐腐蚀环境。因此，它与耐腐蚀、耐磨等功能的金属材料管道组合使用，在内部压力、耐腐蚀、耐磨工况下输送气、液、固单相或多相(包括双相)物料输送领域具有广泛性应用前景，例如混凝土泵车的混凝土输送管、钻井系统的钻杆、石油化工行业的耐腐蚀合金管等。混凝土泵车具有施工灵活、效率高等特点，因而备受青睐。对于使用客户来说，比较关注泵车在工地施工时的灵活移动、泵送到达高度和长度、高效施工、安全可靠、行驶通过性。要实现灵活移动，需要减少车辆长度、车桥数量以及支腿长度；要实现泵送达到高度和长度，需要增长泵车臂架的长度；要实现高效施工，需要增加泵送混凝土的压力和管道的直径；要实现安全可靠，需要防止泵车几大高强钢结构件断裂；要实现良好的通过性，需要减少车辆长度、高度、宽度和车桥数量。前述几个方面都离不开一项泵车设计制造关键技术——轻量化技术，这样可以实现在相同重量下，减少车桥数量、增长臂架长度、提高车辆抗倾翻能力。此外，混凝土输送管在一定的压力下，将混凝土以一定的流速输送到相应位置。而混凝土是由粗骨料(鹅卵石、碎石)、细骨料(天然砂、机制砂)、水泥、其他添加物组成。因此，输送管既需要承受压力，又需要承受混凝土骨料的冲刷磨损。纤维增强复合材料管件由于自身固有缺点(例如低剪切强度、低弹性模量、纤维脆性等)，导致其连接方式不如金属管件(例如钢铁、铝及合金、钛及合金等)多样且有效(例如焊接、法兰连接、螺纹连接等)，因此通常采用复合材料管首先与金属接头连接，然后金属接头与金属接头之间采用卡箍连接、螺栓连接、螺纹连接、焊接等方式将复合管连接起来，形成管路系统。中国专利文献CN103115200B公开了一种纤维增强复合材料外层与钢铁内层的双层混凝土输送管，该输送管主要由主管、法兰、以及纤维复合材料层组成，其中法兰由锯齿部分的连接管和端头法兰盘组成，法兰与主管通过点焊形成组焊件，纤维复合材料层通过纤维缠绕在连接管上的锯齿部位连接成为一体。这种接头理论上能承受较大的轴向拉力载荷，但实际上缠绕纤维操作不方便，容易出现脱落，尤其是法兰需要同时承受弯曲、扭曲载荷时。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种安全可靠性高、能够传递较高的扭矩和轴向受力、易于加工制造的纤维增强复合材料与金属复合管。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种纤维增强复合材料与金属复合管，包括金属内衬管，所述金属内衬管两端设有金属接头、且金属内衬管外周设有纤维增强复合材料管，所述金属接头上设有圆锥面，且沿所述金属内衬管的端部向中心方向，所述圆锥面与所述金属内衬管轴心的距离逐渐增加，所述圆锥面上固设有至少一圈固定销，同一圈中固定销的数量为多个并均匀布置，所述纤维增强复合材料管端部缠绕于所述固定销上，所述固定销外周设有用于压紧所述纤维增强复合材料管的外保护套。其中，外保护套优选采用两个半圆形分套并通过紧固件连接为一体。作为上述技术方案的进一步改进：所述纤维增强复合材料管的纤维层数为N1、所述固定销的圈数为N2，则2≤N2≤N1，相邻两圈所述固定销相互错开且错开角度与纤维缠绕角度相差不超过±10°，所述圆锥面与所述金属内衬管轴线的夹角为β1，则2°≤β1≤30°。固定销的圈数应当与纤维层数关联，增加固定销的数量，有利于分担受力，增加固定销的圈数并相互错开一定角度，有利于提高传递扭矩和抗扭曲变形的能力；每一圈中固定销的数量根据单层布丝密度和角度而定，本专利技术优选6～45个；圆锥面与金属内衬管轴线之间特定的夹角β1有利于传递扭矩和轴向拉力，进一步优选值为2°～8°。作为上述技术方案的进一步改进：所述圆锥面上开设有盲孔，所述固定销设于所述盲孔内且与盲孔过盈配合，其中，盲孔可采用标准刀具以数控钻孔方式加工，固定销可采用市购标准件，可采用冷装或机械压装的方式装入盲孔内，该种金属接头结构简单、易于加工，降低了制造成本；或者也可采用将所述固定销直接焊接于所述圆锥面上，实现固定销与金属接头的固定连接。作为上述技术方案的进一步改进：所述纤维增强复合材料管的各层纤维按照沿金属内衬管轴向+45°～60°、90°、-45°～60°、90°交替布丝，或按照沿金属内衬管轴向-45°～60°、90°、+45°～60°、90°交替布丝，各+45°～60°布丝和-45°～60°布丝纤维层厚度之和为t45(总层数x单层厚度)、各90°布丝纤维层的厚度之和为t90(总层数x单层厚度)，则1.5≤t45/t90≤2.0。根据内压管路对管壁的径向载荷大约为轴向载荷的2倍。而在限位增强复合材料中布丝方向对拉伸受力有重要影响，与拉伸应力方向成0度布丝的拉伸强度是90度布丝的拉伸强度的十倍甚至几十倍，45度布丝时两个方向拉应力几乎相等，但0度布丝和90度布丝会带来应力集中问题。基于此，对于承压管道，合理的布丝方向应采用与管体轴向宜近90度和近45度交替布丝，从而最优化地实现管体径向拉伸是轴向拉伸强度的两倍，优化纤维增强复合材料管的厚度。作为上述技术方案的进一步改进：所述金属内衬管包括主管、耐磨管和两件耐磨套，所述耐磨管和所述耐磨套的耐磨性能优于所述主管的耐磨性能，所述耐磨管的出口端与所述主管的入口端采用锥形套接，两件所述耐磨套分别与所述主管的出口端和所述耐磨管的入口端对接，其中一件所述金属接头套设于所述耐磨管和耐磨管入口端的耐磨套外周，另一件所述金属接头套设于所述主管和主管出口端的耐磨套外周，所述金属接头与耐磨管之间、以及金属接头与主管之间采用过盈配合或强力胶粘。对于轻量化耐磨管道需求最大的是高空作业机械，例如泵车。受流动混凝土的冲刷磨损影响，管道入口段200mm范围内磨损更加剧烈，使用寿命更短，因此可采用局部使用更耐磨的材质来提高整管使用寿命，提高性价比。例如超耐磨管采用模具钢或马氏体不锈钢，如Cr12、Cr12MoV、Cr5Mo，4Cr13或9Cr18，主管采用轴承钢，如GCr15，耐磨套采用相对主管更耐磨的高铬铸铁、硬质合金等；可在金属接头上设置连接法兰，作为与其他管道的接口，该接口在混凝土输送管领域符合《JB/T11187建筑施工机械与设备混凝土输送管型式与尺寸》建筑行业标准中的A、B、C型法兰。作为上述技术方案的进一步改进：所述耐磨管和入口端耐磨套的总长度为L1、耐磨管和主管伸入对应的金属接头的长度为L2、锥形套接的套接长度为L3，则60mm≤L1≤200mm、3mm≤L2≤60mm、3mm≤L3≤15mm。进一步优选值为10mm≤L2≤30mm、5mm≤L3≤8mm。作为上述技术方案的进一步改进：所述金属内衬管包括主管和两件耐磨套，两件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纤维增强复合材料与金属复合管，包括金属内衬管(1)，所述金属内衬管(1)两端设有金属接头(2)、且金属内衬管(1)外周设有纤维增强复合材料管(3)，其特征在于：所述金属接头(2)上设有圆锥面(21)，且沿所述金属内衬管(1)的端部向中心方向，所述圆锥面(21)与所述金属内衬管(1)轴心的距离逐渐增加，所述圆锥面(21)上固设有至少一圈固定销(22)，同一圈中固定销(22)的数量为多个并均匀布置，所述纤维增强复合材料管(3)端部缠绕于所述固定销(22)上，所述固定销(22)外周设有用于压紧所述纤维增强复合材料管(3)的外保护套(4)。/n

【技术特征摘要】
1.一种纤维增强复合材料与金属复合管，包括金属内衬管(1)，所述金属内衬管(1)两端设有金属接头(2)、且金属内衬管(1)外周设有纤维增强复合材料管(3)，其特征在于：所述金属接头(2)上设有圆锥面(21)，且沿所述金属内衬管(1)的端部向中心方向，所述圆锥面(21)与所述金属内衬管(1)轴心的距离逐渐增加，所述圆锥面(21)上固设有至少一圈固定销(22)，同一圈中固定销(22)的数量为多个并均匀布置，所述纤维增强复合材料管(3)端部缠绕于所述固定销(22)上，所述固定销(22)外周设有用于压紧所述纤维增强复合材料管(3)的外保护套(4)。


2.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料与金属复合管，其特征在于：所述纤维增强复合材料管(3)的纤维层数为N1、所述固定销(22)的圈数为N2，则2≤N2≤N1，相邻两圈所述固定销(22)相互错开且错开角度与纤维缠绕角度相差不超过±10°，所述圆锥面(21)与所述金属内衬管(1)轴线的夹角为β1，则2°≤β1≤30°。


3.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料与金属复合管，其特征在于：所述圆锥面(21)上开设有盲孔，所述固定销(22)设于所述盲孔内且与盲孔过盈配合；或所述固定销(22)焊接于所述圆锥面(21)上。


4.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料与金属复合管，其特征在于：所述纤维增强复合材料管(3)的各层纤维按照沿金属内衬管(1)轴向+45°～60°、90°、-45°～60、90°交替布丝，或按照沿金属内衬管(1)轴向-45°～60°、90°、+45°～60°、90°交替布丝，各+45°～60°布丝和-45°～60°布丝纤维层厚度之和为t45、各90°布丝纤维层的厚度之和为t90，则1.5≤t45/t90≤2.0。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的纤维增强复合材料与金属复合管，其特征在于：所述金属内衬管(1)包括主管(11)、耐磨管(12)和两件耐磨套(13)，所述耐磨管(12)和所述耐磨套(13)的耐磨性能优于所述主管(11)的耐磨性能，所述耐磨管(12)的出口端与所述主管(11)的入口端采用锥形套接，两件所述耐磨套(13)分别与所述主管(11)的出口端和所述耐磨管(12)的入口端对接，其中一件所述金属接头(2)套设于所述耐磨管(12)和耐磨管(12)入口端的耐磨套(13)外周，另一件所述金属接头(2)套设于所述主管(11)和主管(11)出口端的耐磨套(13)外周，所述金属接...

【专利技术属性】
技术研发人员：荣冉升，荣卫兵，
申请(专利权)人：荣冉升，
类型：发明
国别省市：湖南;43