環氧玻璃鋼管具有耐腐蝕、內壁光滑、保溫性能好和工程造價低等諸多優點，使其成為傳統鋼管的佳替代品，在輸油、輸水、化工和熱電工程中得到廣泛應用…．目前，各國生產玻璃鋼管的主要方法是采用環氧樹脂作為的基體的纖維纏繞成型法，纏繞后的管道需要加熱固化，然后進行脫模．傳統的玻璃鋼管道采用“外加熱固化”工 藝制造，即將纏繞成型的管道置人固化爐中進行 固化．外固化的特點是：加熱時，爐體加熱板的熱 量通過輻射、傳導和對流等方式傳遞給管體．傳熱 方向由外部空間指向管道的中心軸線．由于固化 爐熱慣量大、能耗高，而主要的傳熱介質――空氣 的熱容值小，所以管件升降溫速度慢，對固化溫度的設置與調控困難．這導致了管體固化質量差，且 產品成品率低．
    “內加熱固化”則是將浸漬樹脂的纖維纏繞在可加熱的金屬芯模外面 芯模腔中的熱能通過 較小熱阻的金屬管壁直接傳給待固化的玻璃纖維 層．這種傳熱方式可使制品。陜速升溫，從而迅速引 發環氧樹脂的凝膠和固化反應 在工藝條件沒置 得當時可在數十分鐘內完成樹脂固化的全過程． 而且在升降溫程序上可作較精確的調節與控制， 實現環氧玻璃鋼管的精細化制造  ．
1  工作原理
    機床機械結構如圖 1所示．該設備總長 26 米，可加工長 9，15米的玻璃鋼管，機床裝有四根 主軸。分為兩組，兩組主軸共用一個纏繞小車，纏繞小車由一個伺服電機驅動．因此本機床一次-Ⅱ 以同時纏繞兩根玻璃鋼管．工作時，浸漬樹脂的玻璃纖維通過纏繞機小車上的絲嘴按毆計的線型有規律地纏繞在芯模表面上形成纏繞層，多層纏繞后形成端部帶有陰螺紋的纏繞管件．在管道纏繞過程中或纏繞結束后，通過向芯模內腔通飽和水蒸汽加熱纏繞管體，從而引發樹脂凝膠固化 固化后進入脫模工序．排煙罩用于排出固化時產生的
氣體．旋轉接頭用來連接固定的蒸汽管道和旋轉的芯模 ，是連接蒸汽、壓縮空氣和冷卻水管道的接M．主軸驅動電機及變速機構位于主軸箱內．脫模 小車在纏繞時用于拉緊  模，脫模時通過脫模小車 L的皮爪子將管道抓緊并沿脫模小車軌道在脫模小車電機的驅動下將管體和芯模分離．

    管道制造機床控制系統如圖2所示．纏繞部分由工控機和Trio嵌人式運動控制器來實現線 型設計、工藝設計和小車與主軸的同步運動控制．固化部分由嵌人式工控機和 PLC完成固化曲線設定、溫度壓力信號采集和凋節聞控制．脫模部分由 PLC控制脫模小車、支撐輥和擋膠帽等協調運動實現芯模和管體的分離．該系統的兩組主軸需要共用一個小車進行纏繞，因此兩組主軸不能同時進行纏繞，但可以同時進行固化和脫模．在進行大口徑厚壁管道纏繞時可同時啟動固化系統，以提高生產效率．

 
2 纏繞控制系統
    證纏繞過程中．主軸和小車電機在運行時要根據工藝要求不斷進行加減速，而且小車和主軸負載隨著纏繞膠量和管體纏繞厚度的變化而變化．因此，該系統是一個慣量變化很大的非線性時變速度同步隨動控制系統．因此．采用基于電子齒輪的位置跟蹤控制方式以確保紗片搭接良好．該控制方式不把主軸作為運動控制對象，而是通過電子齒輪完成小車跟蹤主軸的運動．系統采用多任務的嵌入式同步運動控制器，將所有運動控制都集成在運動控制器內，工控機僅作為人機交互的接口．從而提高纏繞機控制系統的可靠性和實時性
2．1 纏繞運動控制模型
    根據管道結構及尺寸不同，纖維在芯模表面上的排布規律(線型)也不同，因此導絲頭與芯模相對運動電不同．纏繞線型是保證纏繞管道質量 的重要前提，也決定管道結構在不同方向上的強 度比．文獻[3]給出了精確纏繞線型設計模型．該 系統進行大口徑管道纏繞時采用單切點、多紗條纏繞，端部停留角的控制公式為：

2．2 纏繞控制 系統設計
纏繞控制系統硬件結構如圖3所示．工控機 和MC206通過 FtS一232串口基于 MODBUS協議 完成工藝參數下載和機床狀態參數上傳顯示．工控機實現人機界面管理、運動狀態顯示、遠程監 控、工藝文件存儲和線型設計．MC206負責實時運動控制和邏輯控制．纏繞機主軸電機用變頻器驅動，運動控制器軸 1和 2接口的模擬量輸出作為變頻器速度控制輸入信號．安裝于變速箱輸入軸上的旋轉編碼器完成主軸轉角和速度的檢測。變頻器的PG―X2速度卡把編碼器采樣的信號一路作為變頻器輸入實現速度閉環控制，一路作為速度和位置信號輸入到控制器的編碼器接口，實現了由一個編碼器完成速度閉環控制和主軸轉角位置采樣的功能．MC206的軸 0接口工作于伺服模式，完成小車伺服電機的閉環控制．兩主軸編碼器反饋分別接到 MC206軸 1和2的編碼器接口， 為小車跟蹤運動提供位置指令輸入脈沖．

    纏繞控制系統上位機程序用 VC++6．0基 于 Windows 2000平臺開發，控制軟件主要由工藝設計、串口通訊、運行狀態顯示和遠程通訊等模塊組成．工藝設計模塊根據玻璃鋼管道的幾何參數和設計工藝要求計算出玻璃鋼管加工工藝參數，如紗片寬度、纏繞角、每層小車往返次數和端部加減速長度等，后生成加工工藝文件．上位機具有 機床運行狀態顯示和遠程通訊功能，可實現遠程工藝文件修改和下載，方便了管理MC206的運動控制程序共建立了四個任務，其中任務 7用于纏繞機電機運動控制和機床邏輯控制，任務 6用于管理機床與纏繞相關的I／O信號和主軸轉速控制，任務2完成串口通訊功能，任務 1實現輸膠控制．其中任務 7和6的優先級高，每個伺服周期 (1ms)都分配時間片，任務 1、2和 Command Line (C／L)優先級相同，在每個伺服周期輪流為其分 配時間片．
3  固化控制
    內加熱成型工藝中的熱傳遞、化學流變和化學動力學過程，都是在芯模外表面完成的．玻璃鋼管固化時在模具內高溫的作用下，樹脂體系發生放熱性化學反應，釋放出大量的熱能，釋放的熱量又進一步提升復合材料的溫度，促進樹脂固化，從而釋放出更多的熱量．經過幾個階段加熱后樹脂基體固化完成．在不同的固化工藝參數(模具初始溫度，加熱溫度，加熱時間等)下，管體內溫度和固化度分布不同，獲得的產品質量也不同．固化反應完成后，再輸送冷卻水使芯模迅速冷卻，管道與模具因冷卻收縮不同步而產生間隙，該特性有利于管道脫模，后向管道內通入壓縮空氣，將殘留的冷卻水排出．利用數值模擬 I9 可以兼顧確保溫度均勻和節省固化時間這兩方而來調整升溫和恒溫，還能準確地判斷到達凝膠點的時間和固化結束時間，避免固化不足和過度固化，從而優化固化工藝參 數，提高制品固化質量．玻璃鋼管熱傳遞和固化模型是建立玻璃鋼管體內溫度和固化度分布的數學模型，是計算機數值模擬的核心．
3．1 熱傳導和固化反應動力學方程
    玻璃鋼管固化過程中，管體內部的溫度分布由向管體傳熱的速率和固化反應生成熱的速率決定．所以對其溫度場的分析本質上是一個具有非線性內熱源的熱傳導問題．其中內熱源由樹脂基體的固化反應放出的熱量確定．假設忽略管道在軸線方向上的熱傳導，可以用傅立葉熱傳導定律 和能量平衡原理建立該問題的數學模型：

式中： Tm (t)是芯模加溫歷程即固化制度；h為 玻璃鋼管外表面熱交換系數；為管道的外表面 處溫度；Tm為環境溫度．
    樹脂 的固化反應是非常復雜的化學現象．因 此大多數有關反應動力學的方程是建立在經驗模 型的基礎上的．其中對環氧樹脂體系來說，使用方程  ：

3．2 固化過程數值模擬
    該問題是一個瞬態熱傳導問題，在數值分析時，必須分別在空間域和時間域中對熱傳導控制方程進行離散，具體離散方法，和離散后得到兩個求解固化階段瞬態溫度場和固化度場的線性方程組的解耦方法請參閱文獻[14]．本文以上述理論為基礎，利用有限元軟件 ANSYS作為平臺分析固化過程中復合材料的各參數變量的變化過程，即選擇若干組加溫歷程分別帶人程序，計算固化體系的各參數變量隨時間的變化．操作過程應確保固化體系內溫度的均勻，即材料的表層與中間層的溫差小于某一界限，使各鋪層的固化進展一致，確保力學等性能的一致．樹脂基體的固化反應不可過于劇烈而導致溫度驟變．另外，體系內的溫度不可超過某一高允許值，以免材料內的殘余應力過大¨ ．以上述分析為依據對輸出計算結果的合理性進行判斷，確定使輸出結果佳的一組操作變量作為實際操作變量的選定參考值，再進行一定的實驗來驗證和修訂工藝參數，后根據實際測定管道性能確定佳操作工藝．根據實驗測出的樹脂凝膠曲線和經數值模擬優化 ，并經實驗修訂的的典型的玻璃鋼管固化曲線如圖4所示．圖中所示固化管道的原料為雙酚 A型環氧樹脂和改性多胺 固化劑 ，其重量為 100比 35．管件參數為：管長 9．15 m，管徑 150 mm，管道壓力 l2 Mpa，管體層數 56層， 頭部和尾部各加厚 4O層．為提高生產效率，在生產時將芯模加熱到 100攝 氏度進行管道纏繞，然后進行三階段加熱固化 ，各階段固化時間和固化溫度如圖4所示．

3．3 內加熱固化系統
    內固化加熱系統工作時，來 自鍋爐的飽和水蒸汽經過流量調節閥進入芯模內腔，經內腔壁上的小孔進入外腔對芯模加熱，從外腔流出的蒸汽和凝結水分別經流量調節閥和開關閥進入熱水箱．安放于芯模出口處的壓力和溫度傳感器實現芯模內蒸汽壓力和溫度的檢測．加熱固化完成后，經軟化處理的冷卻水進入芯模，從芯模外腔流出的熱水進入散熱器，然后流回冷卻水箱循環利用，完成芯模冷卻工藝．管道冷卻后須將芯模內剩余冷卻水排出，將空氣經氣泵增壓、過濾和干燥處理后通人芯模，壓縮空氣帶動芯模內剩余冷卻水流
出，進行氣水分離后壓縮空氣排氣，完成冷卻后的吹掃工藝．內固化控制系統硬件是北京昆侖通態公司的 TPC105一TC22嵌入式一體化工控機和日本 OM― RON公司的CJ1G PLC．工控機與 PLC采用 RS一 485通訊方式相連．利用工控機嵌入的 MCGS組態軟件進行熱固化控制程序開發．該軟件完成對四個軸的固化工藝控制，分別由四個控制界面和一個主界面構成．主界面用于四個控制界面的切換和與脫摸的聯鎖控制．每個控制界面設置了三 種控制模式，即自動，分段和手動控制．自動運行時，設定好各個階段的加熱時間、預定溫度、冷卻時間和吹掃時間后，程序按照設定參數，按順序控制各氣動閥的開啟順序和調節閥的開度，實現自動固化；分段控制則可以分別進行加熱、冷卻和吹掃階段的控制；手動模式下，人工控制各氣動閥的開閉和調節閥的開度，該模式主要用于調試．
4 管道性能檢測試驗
    為了驗證該玻璃鋼管的各項物理、化學性能指標，對同一批內固化制造的管線進行了為期六個月的性能檢測試驗．
4．1 試驗條件
    大工作壓力 16 MPa；高工作溫度 50℃； 試驗介質高濃度 CO 鹽水；試樣數 12；管道平均內徑為48．7 mm，平均外徑為60．1 mm．
4．2 試驗方法
    試樣 1―6每星期做五次循環壓力試驗，其中試樣 1持續一個月，試樣 2持續兩個月，試樣3持續三個月，試樣4持續四個月，試樣 5持續五個月，試樣 6持續六個月；試樣7每星期做一次循環 壓力試驗，試樣 8每月做一次循環壓力試驗，試樣9每三個月做一次循環壓力試驗，試驗持續六個月；試樣 10、11做靜壓試驗，試樣 10做 CO 氣壓試驗，試樣 1 1做鹽水試驗，試驗持續六個月；試樣 12做對比試樣．
4．3 試驗結果
    經過六個月的循環和靜壓試驗后，每個試樣均截下一段 20厘米管體進行物理評估，其余部分則進行軸向和環向破壞試驗．試驗部分數據見表 1，試驗結果表明：所有的試樣浸入染料滲透劑后，再進行外觀檢查后，沒有肉眼可見的微小裂紋 或脫層；所有試樣在進行掃描對比法評估后，玻璃 化轉變溫度平均值為 108．8~C；所有試樣水力試 驗的彈性極限平均值為26．59MPa；所有試樣水力 試驗的爆破壓力平均值為58．64MPa；所有試樣應 力、應變值變化不大．

5  結  論
    1)6個月的含有高濃度 CO 鹽水循環和靜壓 試驗后，玻璃鋼管線沒有發生任何形式的物理和化學變化，也沒有發生任何形式的物理化學降解， 各項性能指標均在設計值之內；2)采用內加熱固 化工藝可實現環氧玻璃鋼管道快速、高效的工業化制造．