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論文中文名稱:高溫管線預製式隔熱與補強理論與實驗之研究 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Prefabricated Insulation and Strengthening Methods for High Temperature Pipelines - Theoretical and Experimental Studies [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:土木工程系土木與防災碩士班
畢業學年度:104
畢業學期:第二學期
中文姓名:邱盛宏
英文姓名:Shemg-Hung Chu
研究生學號:103428023
學位類別:碩士
口試日期:2016/07/04
指導教授中文名:李有豐
指導教授英文名:Yeou-Fong Li
口試委員中文名:李有豐;陳清泉;徐增興;黃中和
口試委員英文名:Yeou-Fong Li
中文關鍵詞:碳纖維夾克、隔熱、補強、珍珠岩
英文關鍵詞:CFRP Jacket, Insulation, Strengthening, Perlite
論文中文摘要:本論文針對溫度介於150~250℃間的高溫金屬管線,提出預製式隔熱與補強工法,並透過理論與實驗驗證工法之有效性。選用隔熱材料─珍珠岩與水泥進行材料配比試驗,探討不同溫度下抗壓強度之影響與熱傳導係數之關係。試驗結果發現,試體抗壓強度與熱傳導係數隨珍珠岩之比例增加而下降。接著選出3種珍珠岩配比進行碳纖維圍束試驗,將試驗結果與理論解進行比較,發現圍束理論可以準確預測本試驗材料圍束後之破壞強度。最後進行預製式高溫隔熱補強實驗,係分為隔熱效果及熱膨脹變形與應變量測,由隔熱效果實驗結果選出較佳配比與厚度之搭配後,進行熱膨脹變形與應變量測,並探討熱膨脹對於CFRP碳纖維夾克之影響。將實驗量測之數據與理論公式驗證比較,發現理論解能保守預測實驗結果。透過實驗結果與理論驗證,提出一套應用於高溫金屬管線之隔熱與補強之有效工法。
論文英文摘要:In this thesis, the prefabricated insulation and strengthening method for high temperature pipelines (temperature range from 150~250℃) was proposed. High temperature pipeline was wrapped by the precast insulation materials, and then the precast insulation materials was confined by the CFRP jacket. The insulation material includes cement (as matrix) and different portions of perlite (as additive). Using thermal conductive test to obtain the thermal conductivity coefficient of the insulation materials, and using compressive test to obtain the compressive strength of the insulation materials (low compressive strength) under different temperatures. The results showed that compressive strength decreased with increasing temperature and thermal conductivity decreased with increasing the percentages of added perlite. Three different percentages of added perlite were selected for the CFRP confinement experiments, after comparing the experimental results and theoretical solution based on theoretical model, it was discovered that the theory can accurately predict post-confinement stress of the test material. Then, using CFRP to confine the insulation materials to obtain the confined constitutive model for the low-strength insulation material. The deformations and strains of the CFRP jacket were measured to understand the coupling effect between thermal and stress of this method. Comparing the experimental and the theoretical results of the preferred insulation material with suitable thickness at different temperatures, the theoretical result can conservatively forecast the experimental results. This prefabricated insulation and strengthening methods for high temperature pipelines was proven to be effective.
論文目次:摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 IV
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 3
1.3 研究目的及內容 5
第二章 文獻回顧 7
2.1 水泥材料與隔熱材相關研究 7
2.2 CFRP圍束相關研究 14
2.3 CFRP管線修補相關研究 15
2.4 小結 19
第三章 實驗規劃 20
3.1 實驗材料 20
3.2 實驗設備與方法 24
3.2.1 實驗設備 24
3.2.2 實驗方法 28
3.3 材料配比試驗 31
3.3.1 材料7天、28天齡期抗壓試驗 33
3.3.2 材料熱傳導係數試驗 34
3.4 材料熱膨脹係數試驗 35
3.5 CFRP圍束隔熱材試驗 36
3.5.1 圓柱(無圍束、圍束)試體製作 37
3.5.2 無圍束抗壓試驗 40
3.5.3 CFRP圍束抗壓試驗 40
3.6高溫管線預製式隔熱補強工法實驗 41
3.6.1 隔熱效果之實驗操作 43
3.6.2 隔熱構材熱膨脹變形量及應變量測操作 46
第四章 實驗觀察與結果比較 50
4.1 材料配比試驗 50
4.1.1材料7天、28天齡期抗壓試驗結果 50
4.1.2材料熱傳導係數試驗 57
4.2無圍束抗壓試驗 59
4.3 CFRP圍束抗壓試驗 64
4.3.1 添加25%之珍珠岩無圍束組 65
4.3.2 添加25%之珍珠岩圍束一層CFRP組 67
4.3.3 添加30%之珍珠岩無圍束組 69
4.3.4 添加30%之珍珠岩圍束一層CFRP組 71
4.3.5 添加35%之珍珠岩無圍束組 74
4.3.6 添加35%之珍珠岩圍束一層CFRP組 76
4.4高溫管線預製式隔熱補強工法 79
4.4.1隔熱效果之實驗結果 80
4.5 隔熱構材熱膨脹變形量及應變量量測結果 83
4.5.1 隔熱構材無束制軸向膨脹組 86
4.5.2 隔熱構材束制軸向膨脹組 90
4.6 小結 96
第五章 實驗值與理論值之比較 97
5.1 CFRP圍束組成律 97
5.2 隔熱構材熱傳導理論 99
5.2.1三維軸對稱圓柱座標系統簡化成一維型式 99
5.2.2 由穩態熱傳遞方程式推導出傳導熱阻 101
5.2.3 以能量守恆進行計算與實驗結果驗證 102
5.3熱膨脹變形量與應變量理論驗證 104
5.4 以現有管線為例計算驗證 108
第六章 結論 114
6.1 結論 114
參考文獻 116
附錄 121
步驟一 單元組裝與儀器連接 121
步驟二 軟體介面操作設定 123
步驟2.1 數據資料儲存位置與命名 123
步驟2.2 儀器參數設定 124
步驟2.3 測量顯示 126
步驟2.4 測量 128;表3.1 實驗用材料 20
表3.2 環氧樹脂配比及性質 21
表3.3 環氧樹脂材料測試方法 22
表3.4 試驗用碳纖維布性質 23
表3.5 碳纖維布材料測試方法 24
表3.6 實驗用儀器與量測設備 24
表3.7 抗壓及熱傳導試驗之方塊試體編號 32
表3.9 熱膨脹試體編號 36
表3.10 無圍束抗壓試體編號 37
表3.11 CFRP圍束試體編號 41
表3.12 預製式實驗試體編號 42
表3.13 隔熱構材熱膨脹變形及熱應變試體編號 46
表4.1 水泥-珍珠岩各配比常溫中方塊7天齡期之抗壓強度 51
表4.2 水泥-珍珠岩各配比於常溫中方塊28天齡期之抗壓強度 52
表4.3 水泥-珍珠岩各配比於150℃中方塊28天齡期之抗壓強度 53
表4.4 水泥-珍珠岩各配比於250℃中28天齡期之方塊抗壓強度 54
表4.5 水泥-珍珠岩各配比於各高溫中28天齡期之方塊抗壓強度 55
表4.6 水泥-珍珠岩試體之熱傳導係數 58
表4.7 水泥-珍珠岩各材料配比7天抗壓強度 61
表4.8 水泥-珍珠岩各材料配比28天抗壓強度 62
表4.9 無圍束圓柱試體CPC-NC25組之抗壓強度 66
表4.10 圍束一層CFRP圓柱試體CPC-C25組之抗壓強度 69
表4.11 無圍束圓柱試體CPC-NC30組之抗壓強度 71
表4.12 圍束一層CFRP圓柱試體CPC-C30組之抗壓強度 73
表4.13 無圍束圓柱試體CPC-NC35組之抗壓強度 76
表4.14 圍束一層CFRP圓柱試體CPC-C35組之抗壓強度 78
表4.15 各配比預製式隔熱構材搭配不同厚度之隔熱效果 82
表4.16 CPE35組之熱膨脹係數 85
表4.17 無束制ICP35-P25組之熱膨脹變形量數據 87
表4.18 無束制ICP35-P25組之熱膨脹應變量數據 88
表4.19 無束制ICP35-P35組之熱膨脹變形量數據 89
表4.20 無束制ICP35-P35組之熱膨脹應變量數據 90
表4.21 束制 ICP35-P25組之熱膨脹變形量數據 92
表4.22 束制 ICP35-P25組之熱膨脹應變量數據 93
表4.23 束制 ICP35-P35組之熱膨脹變形量數據 94
表4.24 束制 ICP35-P35組之熱膨脹應變量數據 95
表5.1 圍束一層CFRP圓柱抗壓強度理論值與實驗值比較 98
表5.2 隔熱效果實驗理論值與實驗值之比較 103
表5.3 隔熱構材熱膨脹變形量與應變量實驗值與理論值之比較 107
表5.4 管直徑為6英吋(152 mm)於不同隔熱材厚度及管線表面溫度 110
表5.5 管直徑為8英吋(203 mm)於不同隔熱材厚度及管線表面溫度 111
表5.6 管直徑為12英吋(305 mm)於不同隔熱材厚度及管線表面溫度 112;圖1.1 六輕大火停工估損2.16億報導 2
圖1.2 六輕汰換管線材料與人力成本報導 2
圖1.3 各國禁止使用生產石棉報導 4
圖1.4 研究流程圖 6
圖2.2 抗壓強度試驗及氯離子滲透率試驗結果柱狀圖 8
圖2.3 試驗加熱時間與殘餘強度試驗之曲線 9
圖2.4 各水膠比經不同冷卻方式之殘餘強度 10
圖2.5 抗壓強度與熱傳導係數試驗結果柱狀圖 11
圖2.6 各型號水泥用量與膨脹珍珠岩取代比率之強度變化 12
圖2.7 各水泥細度之抗壓強度曲線 13
圖2.8 珍珠岩-黏土壁磚之抗壓強度及熱傳導係數 13
圖2.9 試驗溫度與時間曲線及高溫後強度變化比率 14
圖2.10 三種不同斷面之FRP圍束試體 15
圖2.11 五種利用高分子複合材料修復既有損毀管線之安裝型式 17
圖2.12 玻璃轉換溫度試驗與鹽霧試驗之結果 18
圖2.13 CFRP夾套套於管線之安裝過程 18
圖2.14 FRP開口套管技術分層圖與不同FRP修補效果比較 19
圖3.1 高溫抗壓試驗前置作業 33
圖3.2 熱傳導係數試驗試體製作及架設流程 35
圖3.3 熱膨脹試體示意圖 36
圖3.4 無圍束圓柱試體製作流程 38
圖3.5 CFRP圍束試體貼附流程 40
圖3.6 預製式C型隔熱材夾套 44
圖3.7 隔熱構材實驗量測記錄點位 44
圖3.8 預製式隔熱補強工法施作流程 45
圖3.9 隔熱構材軸向量測之前置作業 47
圖3.10 隔熱構材熱變形量測架設示意圖 48
圖3.11 隔熱構材熱膨脹應變量量測架設示意圖 48
圖3.12 束制隔熱構材軸向之試驗架設示意圖 49
圖4.1 各配比於7天、28天齡期之抗壓強度變化曲線 56
圖4.2 各配比28天齡期不同溫度中抗壓強度變化曲線 56
圖4.3 隔熱材試體加熱時間曲線 57
圖4.4 各配比之熱傳導係數變化曲線 59
圖4.5 各配比之無圍束圓柱試體架設照片 60
圖4.6 水泥添加不同配比珍珠岩抗壓強度之變化曲線 63
圖4.7 各配比無圍束抗壓試體之破壞情形 64
圖4.8 無圍束圓柱試體CPC-NC25組試驗架設照片 65
圖4.9 無圍束圓柱試體CPC-NC25組之應力-應變圖 66
圖4.10 無圍束圓柱試體CPC-NC25組之破壞情形 67
圖4.11 圍束一層CFRP圓柱試體CPC-C25組試驗架設照片 68
圖4.12 圍束一層CFRP圓柱試體CPC-C25組之應力應變圖 68
圖4.13 圍束一層CFRP圓柱試體CPC-C25組之破壞情形 69
圖4.14 無圍束圓柱試體CPC-NC30組試驗架設照片 70
圖4.15 無圍束圓柱試體CPC-NC30組之應力-應變圖 70
圖4.16 無圍束圓柱試體CPC-NC30組之破壞情形 71
圖4.17 圍束一層CFRP圓柱試體CPC-C30組試驗架設照片 72
圖4.18 圍束一層CFRP圓柱試體CPC-C30組之應力應變圖 73
圖4.19 圍束一層CFRP圓柱試體CPC-C30組之破壞情形 74
圖4.20 無圍束圓柱試體CPC-NC35組試驗架設照片 75
圖4.21 無圍束圓柱試體CPC-NC35之應力-應變圖 75
圖4.22 無圍束圓柱試體CPC-NC35組之破壞情形 76
圖4.23 圍束一層CFRP圓柱試體CPC-C35組試驗架設照片 77
圖4.24 圍束一層CFRP圓柱試體CPC-C35組之應力應變圖 78
圖4.25 CFRP圍束圓柱試體CPC-C35組之破壞情形 79
圖4.26 各配比隔熱構材搭配不同厚度之表面溫度 81
圖4.27 各配比隔熱構材搭配不同厚度之隔熱效果 81
圖4.28 添加35%之珍珠岩組搭配不同厚度之隔熱效果 83
圖4.29 無束制隔熱構材軸向熱膨脹量及應變量實驗架設照片 84
圖4.30 熱膨脹分析儀 85
圖4.31 CPE35組之熱膨脹係數 86
圖4.32 無束制ICP35-P25組之熱膨脹變形量 87
圖4.33 無束制ICP35-P25組之熱膨脹應變量 88
圖4.34 無束制ICP35-P35組之熱膨脹變形量量 89
圖4.35 無束制 ICP35-P35組之熱膨脹應變量 90
圖4.36 束制隔熱構材軸向熱膨脹量及應變量實驗架設照片 91
圖4.37 束制 ICP35-P25組之熱膨脹變形量 92
圖4.38 束制 ICP35-P25組之熱膨脹應變量 93
圖4.39 束制 ICP35-P35組之熱膨脹變形量 94
圖4.40 束制 ICP35-P35組之熱膨脹應變量 95
圖5.1 圍束一層CFRP圓柱抗壓強度試驗值與理論值之比較 99
圖5.2 隔熱效果實驗架設型式之示意圖 100
圖5.3 溫度分布之邊界條件示意圖 101
圖5.4 隔熱實驗之傳導熱阻示意圖 102
圖5.5 隔熱構材受熱膨脹後示意圖 105
圖5.6 隔熱構材熱應力示意圖 106
附圖1 單元組裝與儀器連接完成圖 122
附圖2 連接成功畫面 122
附圖3 確認測量單元(EDX-11A)連接筆記型電腦之組數 123
附圖4 數據資料儲存位置與命名 124
附圖5 設定數據資料儲存格式 124
附圖6 儀器相關參數設定 125
附圖7 測量儀器參數表 125
附圖8 儀器相關參數輸入完成畫面 126
附圖9 測量數據記錄頻率設定 127
附圖10 本附錄選擇2 Graph / 8 CH之顯示型式 127
附圖11 畫面顯示設定調整 128
附圖12 軟體操作介面之位移與應變量顯示畫面 129
附圖13 歸零完成顯示畫面 130
附圖14 開始測量記錄 130
附圖15 記錄儲存成功畫面 131
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論文全文使用權限:同意授權於2021-08-02起公開