环氧玻璃钢压力容器的疲劳性能分析

环氧玻璃钢压力容器的疲劳性能分析（哈尔滨乐普实业发展中心，哈尔滨150036）摘要：本文依据美国ASME标准的条件，对国内领先水平的玻璃钢压力容器的疲劳寿命进行了试验测试。从而对其疲劳性能进行了分析，补充了国内领先水平的玻璃钢压力容器性能评价内容。关键词：玻璃钢压力容器；疲劳；疲劳寿命压力容器是反渗透水处理装置中的重要部件之一，压力容器根据所用的材料划分为玻璃钢类、不锈钢类以及工程类等。玻璃钢材料具有优异的耐腐蚀性能及卫生性能，同时制品可设计性强、尺寸精度稳定、表面质量高，目前国际上反渗透水处理用压力容器以玻璃钢类为主，各种大型及重点工程几乎全部采用玻璃钢压力容器。玻璃钢具有力学性能的可设计性。在纤维增强的复合材料中，纤维是主要的承载元件，基体把纤维按—定位置排列固定。将载荷传递到每根纤维，可根据结构受力条件和使用要求，选择性能不同的纤维和基体。以及它们的体积百分比，设计纤维铺设方向、叠层，以及结构约形状和几何尺寸，以使结构在性能、重量和成本等方面的指标达到最优化。环氧玻璃钢材料在纤维方向的拉伸疲劳性能比金属好。环氧玻璃钢材料的疲劳强度为抗拉强度的60～90％，而金属的疲劳强度只为30～50％。金属材料疲劳裂纹出现后，很快引起灾难性的破坏，而没有明显的预兆。环氧玻璃钢材材料在疲劳过程中，裂纹先在纤维或基体薄弱处出现，扩展到结合面，损伤逐渐累积，直至严重分层才导致破坏，环氧玻璃钢具有较好的损伤容限和疲劳寿命。反渗透水处理装置用玻璃钢压力容器承受循环工作压力作用，在长期作用下会逐渐产生疲劳，直至整体破坏。玻璃钢产品疲劳性能用疲劳寿命来衡量，其是玻璃钢制品的主要性能指标。反渗透水处理装置用玻璃钢压力容器在给定循环应力和试验条件下由开始加载到临界设计压力所经受的应力循环数称为疲劳寿命，玻璃钢压力容器的疲劳寿命应与反渗透水处理装置设计寿命相当。目前，国内应用的反渗透水处理装置用玻璃钢压力容器虽以进口为主，但是国产品也呈现出了良好的发展势头，该产品的国内领先水平已接近国际先进水平。为了规范反渗透水处理装置用玻璃钢压力容器的生产，我国规定了行业标准，即JC692-1998《反渗透水处理装置用玻璃纤维增强塑料压力壳体》。标准中对产品的外观、尺寸要求、材质性能、水压爆破压力等内容进行了规定，这些技术指标等效采用了美国ASME标准。但当时考虑到国内整体技术水平，对产品的疲劳性能没有做出相应规定。在美国ASME标准中对反渗透水处理装置用玻璃钢压力容器的疲劳寿命规定为105次，而一些进口产品称可达到疲劳寿命为2.5×105次。为了对国内领先水平的玻璃钢压力容器的疲劳性能进行评价，本文以ROPV系列反渗透水处理装置用环氧玻璃钢压力容器为研究对象，对其疲劳性能进行了测试分析。1试验1.1试件1.1.1试件1从正常生产的ROPV系列反渗透水处理装置用环氧玻璃钢压力容器中随机取样，试件的型号为R2540C100E-1W。图1试件1形状1.1.2试件2从正常生产的ROPV系列反渗透水处理装置用环氧玻璃钢压力容器中随机取样，试件的型号为R8040C30S-1W。图2试件2形状1.2试验设备1.2.1加载设备P960试验机、4DSY800型试压泵。1.2.2恒温设备自动加热恒温箱。1.2.3应变测量设备YJ-22型静态电阻应变仪。1.2.4变形测量设备百分表。1.3试验方法1.3.1疲劳试验等效采用美国ASME标准的要求，由0～工作压力下循环作用，采用P960试验机加载，其压力大小由试验机上的调节阀来调控。试验要求环境温度为66℃，用自动加热恒温箱保证。1.3.2爆破试验等效采用美国ASME标准的要求，由0～失效压力下匀速加压作用，用4DSY800型试压泵加压。试验要求环境温度为66℃，用自动加热恒温箱保证。1.4试验内容1.4.1将试件1在0～6.9MPa压力下循环作用105次，观测有无宏观破坏及液体渗漏。1.4.2测量试件1在6.9MPa压力下壳体轴向变形量△L和周向的变形量△D，估算壳体的体积膨胀量。1.4.3测量试件1从0～破坏压力下的应变，给出对应的内压－－应变曲线。1.4.4将试件2在0～2.1MPa压力下循环作用2.8×105次，观测有无宏观破坏及液体渗漏。1.4.5测量试件2在2.1MPa压力下壳体周向变形量△D和轴向变形量△L，估算壳体的体积膨胀量△V。1.4.6测量试件2从0～破坏压力下的应变，给出对应的内压－－应变曲线。2试验结果2.1疲劳试验2.1.1试件1在0～6.9MPa压力下重复作用105次后，目测未发现宏观破坏部位，也无液体（水）渗漏现象。2.1.2试件2在0～2.1MPa压力下重复作用2.8×105次后，目测未发现宏观破坏部位，也无液体（水）渗漏现象。2.2工作压力下的体积膨胀量表1周向变形、轴向变形测量结果及体积膨胀量估算表※注：试件1内压由0增加到6.9MPa时，其周向增加量△D、轴向伸长量△L非常小，精确测量和计算都比较困难。2.3内压－－应变曲线2.3.1试件1的内压－－应变曲线图3试件1内压－－应变曲线2.3.2试件2的内压－－应变曲线试件△D（mm）△L（mm）△V（mm3）1－－※－－※－－※20.0490.7820.3图4试件2内压－－应变曲线3分析与结论3.1依据美国ASME标准规定的条件，将随机取样的ROPV系列环氧玻璃钢压力容器进行了疲劳寿命测试。其中海水淡化型的R2540C100E-1W试件采用了美国ASME标准规定的105次疲劳指标，通用型的R8040C30S-1W试件采用了高于进口产品宣传的2.8×105次疲劳指标。两试件经过疲劳试验后，宏观上均未发生变化，也未出现液体渗漏现象，说明ROPV系列环氧玻璃钢压力容器具有很高的疲劳性能。3.2试件在工作压力下的周向变形量、轴向变形测量及体积膨胀量都很小，说明试件在工作压力下具有稳定的刚性，有助于其疲劳性能。3.3试件1经过105次疲劳后，爆破压力达到43MPa，即6.23倍的工作压力，可确认试件1的疲劳寿命大于105次；试件2经过2.8×105次疲劳后，爆破压力达到13.5MPa，即6.42倍的工作压力，可确认试件2的疲劳寿命大于2.8×105次。3.4综上所述，国内领先水平的ROPV系列环氧玻璃钢压力容器具有可靠的疲劳性能，其疲劳寿命指标已经达到国际先进水平。