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玻璃钢/复合材料增刊玻璃钢夹砂管道铺层设计张振华１ꎬ司九旭２(１河北成达玻璃钢有限公司ꎬ河北０５３１００ꎻ２中材矿业有限公司ꎬ北京１００１０２)摘要:玻璃钢夹砂管道的铺层设计没有统一的规范ꎮ通过对内压铺层设计方法进行分析ꎬ介绍了一种简便可行的当量厚度设计方法ꎬ并通过短时水压失效测试ꎬ验证了当量厚度铺层设计方法的设计系数满足国家标准要求ꎮ对环刚度进行了铺层设计ꎬ并通过刚度测试验证了砂浆层弹性模量的合理取值ꎮ关键词:玻璃钢ꎻ管道ꎻ铺层设计中图分类号:ＴＢ３３２ 文献标识码:Ａ收稿日期:２０１６￣０３￣２１作者简介:张振华(１９６６￣)ꎬ男高级工程师ꎬ主要从事玻璃钢缠绕管道、容器、反渗透压力壳体的研究开发与检验测试工作ꎮ１ 引 言玻璃纤维增强塑料夹砂管(以下简称“ＦＲＰＭ管”或“玻璃钢管”)ꎬ是以玻璃纤维及其制品为增强材料ꎬ以不饱和聚酯树脂为基体材料ꎬ以石英砂或碳酸钙等无机非金属颗粒材料为填料制成的管道ꎮ本文中的铺层设计是指采用定长缠绕工艺方法制成的管道的铺层设计ꎮ因玻璃钢管道具有可设计性强、重量轻、耐腐蚀、运输安装方便、内壁光滑、能耗低、使用寿命长和维护费用低等特点ꎬ可被广泛应用于大型引水工程、污水处理、农林灌溉、海水淡化以及城市给排水、明渠改管和老管网改造等项目ꎮ玻璃钢管道有两个重要指标:一是反应管道承受内水压能力的参数压力等级ꎬ二是反应管道承受外压能力的参数环刚度ꎮ玻璃钢夹砂管道在国内已有２２年的生产历史ꎬ生产厂家越来越多ꎬ并在国民经济和本行业占有一席之地ꎮ但是ꎬ也常有产品主要指标检测不合格的情况发生ꎬ在对产品进行水压爆破试验或长期值测试用样品铺层设计时也存在很大盲目性ꎮ因此有必要结合笔者多年检测经验重新探讨其铺层设计ꎬ以指导中小企业的设计和生产工作ꎬ使其少走弯路ꎮ在玻璃钢管壁结构中起承受内压作用的是纤维缠绕层ꎬ国外玻璃钢管道标准(如ＡＮＳＩ/ＡＷＷＡＣ９５０[１]、ＡＷＷＡＭＡＮＵＡＬＭ４５[２])多采用长期静水压设计基准值和设计系数的方法来计算管壁缠绕层的厚度ꎮＨＤＢ值的获得按规范ＡＳＴＭＤ２９９２执行ꎬ需要进行大约３年的静水压试验ꎬ成本很高ꎬ大多数国内生产企业都没有该设计值ꎮ为此ꎬ玻璃钢管道产品标准———玻璃纤维增强塑料夹砂管ＧＢ/Ｔ２１２３８[３]对管壁的短期环向拉伸强力做了明确规定ꎬ生产企业的强度测试值必须满足国标要求ꎮ玻璃纤维缠绕层的ＨＤＢ值或短期强度值与纤维的缠绕角度、树脂含量、原材料的性能等有关ꎬ在国内国际的玻璃钢管道设计规范中没有明确的铺层设计规定ꎮ本文参考ＡＳＭＥＸＦｉｂｅｒ￣ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌｓ[４]标准ꎬ从原材料玻璃纤维缠绕纱和树脂的基本力学性能入手ꎬ来设计管道的缠绕角度、铺层层数和树脂含量ꎬ并通过短期的内压渗漏和爆破试验来验证设计结果ꎬ指导产品的铺层设计ꎮ满足内压要求的玻璃钢管道具备了一定的环刚度ꎬ但作为地埋使用ꎬ为了满足抗外压的作用ꎬ其刚度可能不满足要求ꎬ为此需要通过加入一定厚度的树脂砂浆来提高刚度ꎬ本文还对玻璃钢夹砂管道的环刚度进行了铺层计算ꎮ２ 选材和内衬铺层玻璃钢管道的力学性能与玻璃纤维纱、树脂的力学性能有很大的关系ꎬ所以玻璃钢管道的选材对于铺层设计来说是非常重要的ꎮ玻璃钢夹砂管道原材料的选择首先应该满足供需双方约定的产品标准要求ꎮ树脂的选材有时还要考虑其耐热性、耐磨性、阻燃性、抗静电性、抗老化性、抗水生物的依附性和抗结垢性能等ꎮ玻璃钢夹砂管道内衬的选材和铺层除满足相关标准外ꎬ建议参考«地下压力玻璃钢输水管道»[５]第八章———玻７４１２０１６年玻璃钢夹砂管道铺层设计璃钢管道的渗漏机理和防渗漏措施里的方法进行选材和铺层设计ꎮ３ 内压作用下的铺层设计３１ ＨＤＢ值和设计系数方法为了更好地延长管道的使用寿命ꎬ国外产品标准大多采用ＨＤＢ值和设计系数来进行产品的内压设计ꎮ为了确保达到预期设计寿命后的管道在工作压力下的应力或应变值仍不超过其ＨＤＢ值ꎬ引入长期值设计系数ＦＳ值ꎬＡＮＳＩ/ＡＷＷＡＣ９５０«玻璃钢压力管道»标准规定ＦＳ值至少为１８ꎬＧＢ/Ｔ２１２３８«玻璃纤维增强塑料夹砂管»标准中所体现的设计系数ＦＳ值为１６~２４ꎮ管壁缠绕层的厚度:ｔ＝ＰｃＤｍＦＳ２(ＨＤＢ)(ｍｍ) (１)式中ꎬＰｃ为管道的压力等级ꎬＭＰａꎻＤｍ为管道缠绕层的平均直径ꎬｍｍꎮＤｍ＝Ｄ＋２ｔ１＋ｔ (２)式中ꎬＤ为管道的公称直径ꎻｔ１为内衬层厚度ꎻｔ为缠绕层总厚度ꎮ若采用ＨＤＢ应变值进行设计ꎬ关系式如下:ｔ≥ＰｃＤｍＦＳ２(ＨＤＢ)Ｅｈ(ｍｍ) (３)式中ꎬＥｈ为缠绕层的环向拉伸弹性模量ꎮ缠绕层环向拉伸弹性模量与缠绕纱的铺层角度、铺层层数、纤维含量以及玻璃纤维和树脂的拉伸弹性模量有关ꎬ所以只能通过调整缠绕纱的铺层角度、铺层层数来使上式成立ꎬ从而确定满足压力要求时的铺层设计ꎬ确定Ｅｈ的过程也是铺层厚度的设计过程ꎮ单向纤维纱在浸渍基体树脂后沿纤维方向的拉伸弹性模量用下式表示:Ｅ＝ＥＲＶＲ＋ＥＦＶＦ(ＭＰａ) (４)式中ꎬＥＲ为树脂浇铸体的拉伸弹性模量ꎬＭＰａꎻＥＦ为玻璃纤维的拉伸弹性模量ꎬＭＰａꎻＶＲ为树脂浇铸体的体积含量ꎬ％ꎻＶＦ为玻璃纤维的体积含量ꎬ％ꎻＶＲ、ＶＦ可用重量、密度与体积的关系计算ꎮ各缠绕层的环向弹性模量为:Ｅｈｉ＝Ｅ(ｓｉｎαｉ)２(ＭＰａ) (５)纤维缠绕层的平均环向弹性模量为各缠绕层环向弹性模量的加权平均值:Ｅｈ＝∑Ｅｈｉｔｉ∑ｔｉ(ＭＰａ) (６)可根据标准对环向拉伸强力(Ｆｔｈ)进行测试来验证压力等级是否满足要求:Ｆｔｈ＝ＣＰＣＤ/２(ｋＮ/ｍ) (７)式中ꎬＣ为短期安全系数ꎮ该设计方法能充分说明管道的设计寿命依据ꎬ但在日常产品设计中ꎬ所遇到的设计条件五花八门ꎬＨＤＢ值与原辅材料、铺层工艺、树脂含量、使用温度均有关系ꎬ该值的获得需要依次进行至少四组的长期静水压测试ꎬ最长一组的测试时间为１００００ｈꎬ虽然ＡＳＴＭＤ２９９２规定了不同工况下的修正方法ꎬ但修正方法自身也得至少进行１０００ｈ的静水压测试ꎬ在确保产品安全程度一样的情况下ꎬ可操作性并不理想ꎮ３２ 根据短时内压失效应力和短时安全系数进行初步设计环向拉伸强力还可以表示为:Ｆｔｈ＝ｔσｂ＝ｔεｂＥｈ＝ＣＰＣＤ/２ (８)因此ꎬ要通过铺层设计满足等式要求ꎬ必须测试管道在内压作用下的环向破坏应力σｂ或应变值εｂꎬ该值又与铺层有关ꎬ同样需要多次反复的强度测试ꎮ３３ 根据当量厚度铺层设计方法进行初步设计该设计方法参考ＡＳＭＥ锅炉和压力容器规范ꎬ第Ⅹ部分«纤维增强塑料压力容器»附录———ＡＡ￣２纤维缠绕增强内压回转壳体的铺层设计ꎮ以玻璃纤维和树脂的基本力学性能为基础ꎬ结合实验样品制作工艺条件ꎬ依据规范性的理论计算和强制性的实验验证进行内压铺层设计ꎮ当量厚度是在设计理论中把玻璃纤维纱看作是和平板玻璃一样的材料ꎬ通过强度和安全系数计算出玻璃纤维纱折合成平板玻璃一样的厚度ꎬ然后再引入树脂含量ꎬ计算出缠绕层的铺层厚度与圆整后的铺层层数ꎮ３３１ 内压铺层设计方法以自由端密封为例ꎬ轴向应力是环向应力的一半ꎮ管公称直径Ｄꎬｍｍꎻ管内半径Ｒꎬｍｍꎻ管设计压８４１玻璃钢/复合材料增刊力等级ＰＣꎬＭＰａꎻ玻璃纤维纱拉伸强度σꎬＭＰａꎻ交叉缠绕纤维力学性能保留系数ｍ＝７０％(ＡＳＭＥⅩ的取值)ꎻ环向缠绕纤维力学性能保留系数ｎ＝９０％(ＡＳＭＥⅩ的取值)ꎻ设计安全系数Ｋ＝６３(ＧＢ/Ｔ２１２３８—２００７的取值)ꎮ交叉缠绕纤维单向许用设计应力:Ｓα＝σｍ/Ｋ(ＭＰａ) (９)环向缠绕纤维单向许用设计应力:Ｓｈ＝σｎ/Ｋ(ＭＰａ) (１０)玻璃纤维密度γＦꎬｇ/ｃｍ３ꎻ树脂浇铸体密度γＲꎬｇ/ｃｍ３ꎻ玻璃纤维重量含量ＣＷꎬ％ꎻ玻璃纤维缠绕纱线密度ＬｄꎬＴＥＸꎻ缠绕机导丝头宽度Ｗꎬｍｍꎻ纱片纱团数Ｎꎬ个ꎻ导丝头距芯模中心的距离ｄ(适用于可摆动的导丝头缠绕机)ꎬｍｍꎻ交叉缠绕角度αꎬ°ꎮ环向缠绕角度:β＝ａｔａｎ(Ｄπ/Ｗ)(°) (１１)环向缠绕纱片宽度:Ｗｈ＝Ｗ×ｓｉｎβ(ｍｍ) (１２)可摆动的导丝头交叉缠绕纱片宽度:Ｗ２＝Ｗｓｉｎ２α＋２ＲａｒｃｔａｎＷｃｏｓα２ｄæèçöø÷ｃｏｓα(ｍｍ) (１３)固定导丝头的交叉缠绕纱片宽度:Ｗ２＝Ｗｓｉｎα(ｍｍ) (１４)一层交叉缠绕单位纱片宽度的当量厚度:ｔα′＝２ＬｄＮＷ２γＦ１０００(ｍｍ) (１５)一层环向缠绕纤维单位纱片宽度的当量厚度:ｔＨ′＝ＬｄＮＷ１γＦ１０００(ｍｍ) (１６)因为在设计中轴向力仅由交叉纤维提供ꎬ所以由轴向力计算的交叉纤维总铺层层数为:Ｎαｔα′＝ＰＤ４Ｓαｘ＝ＰＤ４Ｓαｃｏｓ２α即:Ｎα＝ＰＤ４ｔα′Ｓαｃｏｓ２α＝ＰＲ２ｔα′Ｓαｃｏｓ２α(层)(１７)计算值应向上圆整为整数ꎮ交叉纤维提供的环向力为: Ｎαｔα′Ｓαｙ/Ｒ＝Ｎαｔα′Ｓαｓｉｎ２α/Ｒ(１８)式中ꎬＳαｘ和Ｓαｙ分别为单向交叉缠绕纤维在轴向和环向的许用应力ꎮ剩余的环向力由纯环向缠绕纤维提供ꎬ即:Ｐ－Ｎαｔα′Ｓαｓｉｎ２αＲ＝Ｐ－ＰＲ２Ｓαｃｏｓ２α Ｓαｓｉｎ２αＲ＝Ｐ１－ｔａｎ２α２æèçöø÷(１９)需要补充的纯环向缠绕层数为:ＮＨ＝ＰＲｔＨ′ＳＨ１－ｔａｎ２α２æèçöø÷(层) (２０)计算值向上圆整为整数ꎮ玻璃纤维的体积含量分数(即体积含量)为:Ｖα＝ＣＷγＦＣＷγＦ＋１－ＣＷγＲæèçöø÷ (２１)环向缠绕铺层厚度为:ｔＨ＝ＮＨｔＨ′Ｖα(ｍｍ) (２２)交叉缠绕铺层厚度为:ｔα＝Ｎαｔα′Ｖα(ｍｍ) (２３)总的缠绕层铺层厚度为:ｔ＝ｔＨ＋ｔα(ｍｍ) (２４)３３２ 实验用样品环向缠绕示意图如图１所示ꎮ图１ 环向缠绕示意图 交叉缠绕示意图如图２所示ꎮ图２ 交叉缠绕示意图９４１２０１６年玻璃钢夹砂管道铺层设计 为便于制作和检验ꎬ样品管道没有夹砂ꎮ公称直径ＤＮ为２００ｍｍ、ＰＮ为２０ＭＰａ、长为１５００ｍｍ的纯玻璃钢管道ꎬ端部密封采用ＡＳＭＥⅩＲＤ７００１(ａ)形式设计ꎮ缠绕机纱片宽度为１３８ｍｍꎬ纱团数为３０ꎬ交叉缠绕角度为５１°ꎬ缠绕纱的拉伸强度取武汉理工大学实测值０７３Ｎ/ＴＥＸ的换算值１７００ＭＰａ(缠绕纱浸树脂后所作的拉伸测试)ꎬ根据当量厚度设计方法所计算的交叉缠绕层数为３层ꎬ环向缠绕层数为１层ꎬ在树脂含量为３１％时ꎬ结构层设计厚度为３１８８ｍｍꎮ内衬层采用一层表面毡、一层针织毡及一层网格布ꎬ厚度为１５０ｍｍꎮ总管壁厚度为４６９ｍｍꎮ３３３ 水压试验验证结果有效的压力实验试样为６根ꎬ前三个样品在发生渗漏时的内水压分别为８４ＭＰａ、８１ＭＰａ和９１ＭＰａꎬ平均值为８５３ＭＰａꎬ失效时均表现为管壁有细小水柱冒出ꎮ相当于渗漏安全系数为４２６倍ꎬ满足ＡＷＷＡＭＡＮＵＡＬＭ４５中短期渗漏安全系数大于４０的要求ꎬ但管道渗漏时没有达到材料的理论强度极限值ꎮ实验用的后三个样品在制作时并没有增加结构层的缠绕层数ꎬ为了打压时能够让结构层的强度尽可能发挥出来ꎬ在样品制做时ꎬ向管道内表面粘贴了两层胶带纸ꎬ使内衬层的断裂延伸率变得足够大ꎬ并且具有很好的气密性ꎬ其爆破压力测试结果分别为１２９ＭＰａ、１２２ＭＰａ