纖維增強熱塑性復合管短期爆破強度及熱性能分析

周正偉，葉益輝，陳江慧

(浙江偉星新型建材股份有限公司 浙江 臨海 317000)

0 引 言

近年來，纖維增強熱塑性復合管是行業(yè)內(nèi)越來越受重視的一種復合管，由內(nèi)外層塑料以及中間增強層組成，內(nèi)層塑料起著耐腐蝕抗結垢等作用，外層塑料抗刮擦，中間增強層則是增加環(huán)剛度及提高耐壓強度的作用。根據(jù)不同的工況條件，可以把復合管設計為不同的結構，從而達到不同的使用效果?？蓱迷谑图敗⒆⑺?、市政供水、深層地熱及集中供熱等不同領域，前景廣闊，國內(nèi)外設備廠家開發(fā)出相關制造設備，由管道廠家進行生產(chǎn)制備，并對制備的復合管進行一系列測試。但從目前的發(fā)展狀況來看，工業(yè)生產(chǎn)廠家很少發(fā)表相關研究論文，文獻報道主要集中在鋼絲復合管以及芳綸增強復合管，還有少數(shù)關于滌綸復合管的研究結果[1-3]。本文就是采用玻纖預浸帶纏繞增強的熱塑性復合管作為研究對象，測試其短期爆破強度及熱性能，并采用相關理論方法進行計算。本文的目的就是為復合管短期爆破強度設計提供理論依據(jù)，減少試驗量，利用更短的時間設計出所需強度的復合管；軸向熱膨脹系數(shù)對用于熱介質(zhì)輸送的復合管是一個重要的結構設計參數(shù)，尤其是在復合管安裝施工時需要控制其在受熱情況下的伸長量，對復合管系統(tǒng)的設計提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

復合管內(nèi)外層為高密度聚乙烯PE100(牌號YGH041H)，由上海石化提供，屈服強度為22 MPa。單向玻纖預浸帶由青島中集創(chuàng)贏復合材料科技有限公司提供，玻纖質(zhì)量含量為65%，軸向拉伸強度為950 MPa，單層厚度為0.3 mm，纏繞角度為±72°，纏繞層數(shù)為4層。復合管內(nèi)徑為200 mm，外徑為220 mm，復合管內(nèi)襯層厚度為5.8 mm，中間增強層厚度為1.2 mm，復合管外包覆層厚度為3 mm。其內(nèi)外層高密度聚乙烯及增強層材料的性能參數(shù)見表1和表2。

表1 內(nèi)外層HDPE及增強層材料性能參數(shù)

表2 增強層單層的力學參數(shù)

1.2 試驗方法

復合管短期爆破強度按照國標GB/T 15560—1995《流體輸送用塑料管材液壓瞬時爆破和耐壓試驗方法》進行測試。復合管縱向回縮率按照國標GB/T 6671—2001《熱塑性塑料管材縱向回縮率的測定》進行測試。復合管軸向線膨脹系數(shù)按照國標GB/T 30086—2013《給水塑料管道軸向線膨脹系數(shù)試驗方法》進行測試。

2 理論分析

2.1 Knapp計算方法

Knapp對電纜導電層纏繞芯層時的相關力學性能進行了分析，得出了纏繞層對芯層的壓力計算公式，本文借鑒參考Knapp的計算方法，得到復合管增強層對內(nèi)層產(chǎn)生的徑向壓力為[4-5]：

(1)

式(1)中：r3為增強層外半徑，mm；r1為增強層內(nèi)半徑，mm;σc為玻纖預浸帶拉伸強度， MPa；θ為纏繞角度。

聚乙烯PE100塑料管的破壞壓力與管材的公稱直徑和公稱壁厚的關系為：

(2)

式(2)中：ppe為塑料管的破壞壓力， MPa；σs為塑料管的設計應力， MPa；dn為塑料管公稱直徑，mm；en為塑料管公稱壁厚，mm。

2.2 軸向線膨脹系數(shù)計算

帶材的軸向線膨脹系數(shù)計算公式為[6]：

(3)

式(3)中：Ef為玻璃纖維彈性模量，GPa；Em為高密度聚乙烯拉伸強度，GPa；vf為玻璃纖維體積分數(shù)；vm為高密度聚乙烯體積分數(shù)；αf為玻璃纖維熱膨脹系數(shù)，℃-1；αm為高密度聚乙烯熱膨脹系數(shù)，℃-1。

根據(jù)表1和表2的參數(shù)可以計算出帶材的軸向線膨脹系數(shù)為8.2×10-6℃-1。

帶材的橫向線膨脹系數(shù)為：

α2=vf(1+vf)αf+vm(1+vm)αm-(vfvf+vmvm)α1

(4)

式(4)中：νf為玻璃纖維泊松比；νm為高密度聚乙烯泊松比。

將數(shù)值代入上述公式可計算出帶材的橫向線膨脹系數(shù)為1.45×10-4℃-1。

3 結果和討論

3.1 微觀形貌分析

用場發(fā)射掃描電鏡觀察了復合管增強層的微觀形貌，如圖1所示。由于單絲玻纖橫截面接近圓形，經(jīng)一定角度纏繞后，其在復合管橫截面上的截面呈橢圓形，經(jīng)過測量單根玻纖橢圓截面的長軸和短軸，就可以分析出玻纖預浸帶的纏繞角度。

圖1 復合管增強層SEM微觀形貌

通過測量單根玻纖斜截面橢圓的長軸和短軸，經(jīng)反三角函數(shù)計算得到增強4層的復合管的纏繞角度為(72°/-72°/72°/-72°)，與試驗時的纏繞角度一致，如圖2所示。

圖2 單根纖維纏繞時纏繞角度與橢圓長軸短軸示意圖

3.2 短期爆破強度性能測試

纖維增強熱塑性復合管的公稱壓力依據(jù)其短期爆破強度進行計算，采用內(nèi)密封的形式，爆破測試結果為12.1 MPa，其破壞處發(fā)生在復合管體中間部位，破口沿著纖維纏繞方向，如圖3所示。由于纖維層纏繞角度過大，管材破壞時發(fā)生彎曲。

圖3 復合管爆破結果示意圖

復合管受內(nèi)壓時，內(nèi)襯層會向外變形擠壓增強層，增強層同樣受力變形擠壓外層，復合管內(nèi)中外三層同時受力，發(fā)生爆破時，內(nèi)中外三層都發(fā)生破壞，其爆破強度可認為是三層都發(fā)生破壞的壓力之和。結合公式(1)和公式(2)對復合管的爆破強度進行計算，計算所用的參數(shù)如1.1部分所提供，其結果見表3。從表3的結果可見，計算結果與測試結果的數(shù)值非常近似，這說明該方法的計算結果是有效和準確的，能用來對復合管的測試結果進行預測。

表3 短期爆破強度值計算值

3.3 縱向回縮率及軸向線膨脹系數(shù)測試

根據(jù)國標GB/T 6671—2001測試得到復合管的縱向回縮率為0.9，滿足一般使用時縱向回縮率小于3這個行業(yè)要求。根據(jù)國標GB/T 30086—2013測試的復合管軸向線膨脹系數(shù)為0.22 mm/(m·℃)。

3.4 軸向線膨脹系數(shù)理論計算分析

復合管在受到外力及熱應力作用的情況下，其增強層單層正軸向應力應變表達式如下[6]：

(5)

將式(5)進行變形可得：

(6)

式(6)中：

經(jīng)計算可知：

將式(6)表達為偏軸應力與偏軸應變關系為：

(7)

式(7)中：

m=cosθ,n=sinθ,θ為單層方向角，在本文中纏繞角為±72°。

經(jīng)計算可知：

Rx|ΔT=1=3.17×10-4

Ry|ΔT=1=3.55×10-4

當復合管外力為零，且溫差絕對值為1 ℃時，從式(7)變形就可得到復合管的線膨脹系數(shù)，即：

(8)

(9)

其中tk為第k單層厚度。

通過(8)式可以求出復合管的軸向線膨脹系數(shù)為：

(10)

在計算的過程中，將內(nèi)外層高密度聚乙烯層作為玻璃纖維含量為0的各向同性復合層，這樣就可以將復合管作為一個從內(nèi)到外均為復合層的體系。在受熱作用下內(nèi)外層塑料的應力應變關系式為：

(11)

由于其為各向同性，不存在正軸偏軸之分，即有：

(12)

(13)

經(jīng)計算可知基體的剛度矩陣為：

Rnm|ΔT=1=3.09×10-4

(14)

將以上計算結果代入(9)和(10)中，可得：

(15)

(16)

將式(16)結果代入式(10)中，可計算出在自由狀態(tài)下復合管的軸向線膨脹系數(shù)為：

αx=2.01×10-4

實際測試結果軸向線膨脹系數(shù)為2.21×10-4℃-1，比計算結果大10%。將其和高密度聚乙烯的膨脹系數(shù)相比，有增強層的復合管的線膨脹系數(shù)偏大，說明增強層在受熱過程中促進了復合管的伸長，并未起到抑制作用，可能是和纖維層纏繞角度較大有關。

4 結 論

1) 可以采用微觀分析方法計算出纖維預浸帶的纏繞角度，與實際纏繞角度相吻合。

2) 對于大角度纏繞復合管，計算得到的短期爆破強度與實測結果比較接近。

3) 用理論計算方法計算得到的復合管軸向線膨脹系數(shù)與實測結果相差10%。

4) 可以用計算方法先計算出復合管的短期爆破強度和軸向線膨脹系數(shù)，從而為復合管的結構設計及施工安裝現(xiàn)場應用提供理論依據(jù)。