Skip to main content
SUPERVISOR
Seyedmadi Hejazi
سیدمهدی حجازی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mehrdad Masoumi
مهرداد معصومی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Investigation of Flexural and Compressive of Composite Pipes Reinforced with Hybrid Fibers Prodused by Filament Winding Method
Underground pipes are used to traort oil, gas, water, sanitation and protection of cables and transmission lines. Reconstruction and repairing of pipelines economically and technically is very important. Disadvantages of conventional pipes which included high weight, high installation costs, lack of resistance to corrosion and so on lead to developing of filament-wound pipes in the market. Quick installation, no need to excavation, possibility of pipe fixing in situ, low maintenance costs and resistance to corrosion are important benefits of filament-wound pipes. However high production costs and relatively brittle fracture behavior are considered as the disadvantages of these pipes. Mainly, composite design includes selection of appropriate materials, definition of a suitable structure and finding a way to produce it. The high number of variables involved in the design of composite materials makes the design process of them to be very complicated. Moreover, by changing the arrangement of reinforcing layers, special effects can be achieved. Therefore, in this study, a new system for the production of filament-wound composite pipes was developed by using a hybrid of polypropylene (pp) and glass filaments. Alignment of filaments relative to each other, the winding angle and production system were the variables affecting the results. So, in the experimental design, three layered samples, two hybrid samples, a sample with epoxy matrix and a glass reinforced sample with matrix of polypropylene/epoxy was produced and analyzed. Results of void content in the composite samples showed that hybrid samples contain 3.5 percent of void layered samples have void content between 9% to 12%. The void of Epoxy/glass sample is estimated to be 7.3%. By adding pp filament, the void content decreases to 2.3%. The results of bending and compression tests showed that sample whit seven layers compared to five and nine layers proposes better performance. In general, layered arrangement is time consuming, but by using a hybrid arrangement, operator convenience and saving time cab be provided. The results also show that by increasing of fiber volume fraction in the hybrid mode, although some mechanical properties such as bending force, bending stress and hardness improves, but on some mechanical properties such as compression had little effect. Consequently samples with less winding angle were found to have superior mechanical properties. By studying and comparing the samples with epoxy and pp/epoxy matrix, it was found that the properties of the hybrid sample at the angle of 55°, were better than the epoxy sample. It is interesting to know that the conventional glass-epoxy pipe is began to break under compressive loading as the micro cracks develop. The delamination of samples can be seen up to 11 mm of compressive deformation, whereas the crack propagation will be started at 20 mm of compressive deflection as the composite pipe is reinforced by pp filaments. On the whole, the results showed that producing of filament-wound pipes by using hybrid orientation and winding angle of 55° is economically and mechanically the most feasible production method. In the final, pipe stiffness parameter was obtained for all samples and it was revealed that some engineered pipes satisfy the requirements to be buried within the soil. Keywords: Filament winding, Composite pipe, Polypropylene and Glass filament, Epoxy resin, Flexural properties, Pipe stiffness.
لوله های زیرزمینی برای انتقال نفت، گاز، آب، فاضلاب و حفاظــت از کابل های مخابراتی و خطوط انتقال نیرو استفاده می‌شوند. بازسازی و تعمیر خطوط لوله از نظر اقتصادی و فنی اهمیت فراوانی دارد. معایبی از جمله وزن بالا، هزینه نصب و راه‌اندازی زیاد، عدم مقاومت به خوردگی و غیره در لوله‌ها سبب عرضه لوله‌های فیلامنت پیچی شده به بازار گردید. نصب سـریع، عدم نیاز بـه حفاری و خارج کردن لوله و همچنین امکان تعمیر لوله در حال سرویس‌دهی، پایین بودن هزینه‌های تعمیر و نگهداری و مقاومت به پدیده خوردگی از مزایـای حـائز اهمیت این لوله هاست. اما، هزینه تولید بالا و رفتار شکست نسبتا تُرد از جمله معایب این لوله ها تلقی می شود. طراحی کامپوزیت ها شامل سه قسمت انتخاب مواد مناسب، تعریف یک ساختار مناسب و یافتن یک روش برای تولید آن است. بالا بودن تعداد متغیرهای درگیر در طراحی کامپوزیت باعث می شود که طراحی آن ها بسیار پیچیده شود. جهت دستیابی به سختی یا استحکام خاص مورد نیاز، نوع الیاف، کسر حجمی الیاف، زاویه الیاف و ترتیب چینش می تواند متفاوت باشد. در نهایت با تغییر ترتیب چینش یا هیبرید، اثرات خاص می تواند به دست آید. بر این مبنا، در این پژوهش، سیستم نوینی جهت تولید لوله‌های کامپوزیتی به روش فیلامنت پیچی با استفاده از ساختارهای هیبرید از فیلامنت های پلی‌پروپیلن و شیشه به کار گرفته شده است. نوع چیدمان فیلامنت ها نسبت به یکدیگر، زاویه پیچش و سیستم تولید، متغیرهای اثر گذار بر روی نتایج می‌باشند. بنابراین در طرح آزمایشات، سه نمونه به‌صورت لایه لایه، دو نوع نمونه به‌صورت تغذیه هم‌زمان(هیبرید)، یک نمونه با ماتریس اپوکسی و یک نمونه با ماتریس پلی‌پروپیلن/اپوکسی تولید شد. همچنین، اثر زاویه پیچش با تولید نمونه‌های هیبرید و نمونه بهینه لایه‌لایه با زاویه‌های مختلف بررسی گردید. نتایج حاصل از میزان فضای خالی موجود در نمونه های کامپوزیتی نشان داد که نمونه های هیبرید 5/3 درصد و نمونه های لایه لایه بین 9 تا حدود 12 درصد فضای خالی دارند. همچنین نمونه اپوکس/شیشه دارای 3/7 درصد فضای خالی است که این مقدار با افزودن پلی پروپیلن به 3/2 درصد کاهش می یابد. نتایج آزمون های خمش و فشار نشان داد که در چینش لایه ای نمونه ها، نمونه هفت لایه نسبت به پنج و نُه لایه، عملکرد بهتری دارد. به‌طورکلی، چینش لایه‌لایه زمان بر است، اما، با استفاده از چینش هیبریدی، راحتی کار اپراتور و صرفه زمانی کار نیز تأمین می شود. نمونه‌های تولیدشده در این روش عملکرد بهتری نسبت به نمونه‌های چندلایه از خود نشان دادند. نتایج نشان می‌دهد که افزایش کسر حجمی الیاف در حالت هیبریدی، اگرچه برخی خواص مکانیکی از جمله حداکثر نیروی خمشی، تنش خمشی و سختی را بهبود می‌بخشد اما بر روی برخی خواص مکانیکی مانند خواص فشاری تاثیر چندانی نداشت. در تولید نمونه‌ها با زاویه های پیچش مختلف دیده شد که کاهش زاویه، تأثیر چشمگیر در بهبود خواص دارد. با بررسی و مقایسه نمونه‌های تولیدشده با نمونه‌های اپوکسی و پلی‌پروپیلن/اپوکسی دیده شد که خواص نمونه هیبریدی در زاویه 55، بهتر از این دو نمونه بوده است. در بخش سختی فشاری، مشاهدات نشان می‌دهد که نمونه‌های چندلایه وهیبرید تا 28 میلی‌متر فشردگی نسبت به قطر داخلی (در انتهای آزمون) هیچ‌گونه انتشار و گسترش ترک را نشان نمی دهند. در حالی که نمونه شیشه/اپوکسی (متداول در صنعت) پس از 5-2 میلی‌متر فشرده شدن با شروع ترک‌های ریز، شروع به شکست می‌کند و پیش از رسیدن به 11 میلی متر فشردگی، جداشدگی لایه ها نیز در آن دیده می‌شود. با افزودن پلی‌پروپیلن به اپوکسی ترک خوردگی کامپوزیت از 20 میلی متر آغاز می‌شود. نتایج نشان داد که تولید لوله فیلامنت پیچی شده با چینش هیبرید در زاویه 55 درجه از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه و از نظر مکانیکی مطلوب می‌باشد. در نهایت با بررسی شاخص سختی لوله مشخص شد که اکثر لوله های تولید شده می توانند به صورت مدفون در خاک نصب شوند. کلمات کلیدی: رشته پیچی، لوله‌های کامپوزیتی، الیاف پلی پروپیلن و شیشه، رزین اپوکسی، خواص خمشی، سختی لوله

ارتقاء امنیت وب با وف بومی