基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的高溫固化環(huán)氧玻璃鋼管軸向收縮規(guī)律研究

康春慧 孫言 張麗娜

摘 要 高溫固化的環(huán)氧玻璃鋼管在固化成型過程中會產(chǎn)生一定的軸向收縮，由于多種工藝因素對收縮量的影響，導(dǎo)致玻璃鋼管的軸向尺寸產(chǎn)生一定的離散。本文從工程實踐出發(fā)，基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法對批量生產(chǎn)過程中玻璃鋼管軸向尺寸的離散規(guī)律進(jìn)行研究，討論了一定規(guī)格的厚壁玻璃鋼管軸向固化收縮量的基本分布規(guī)律，以及纏繞張力、基體粘度、脫模劑種類等因素對產(chǎn)品軸向固化收縮量的影響，對批量生產(chǎn)的玻璃鋼管的軸向尺寸控制具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 玻璃鋼管；數(shù)據(jù)統(tǒng)計；軸向收縮；規(guī)律研究

ABSTRACT? High temperature cured epoxy FRP pipe will produce certain axial shrinkage in the curing process. Due to the influence of various process factors on the shrinkage， the axial size of FRP pipe will produce certain dispersion. In this paper， based on the engineering practice and the method of data statistics， the dispersion law of the axial dimension of the glass fiber reinforced plastic pipe in the batch production process is studied. The basic distribution law of the axial curing shrinkage of thick wall glass fiber reinforced plastic pipe of a certain specification is discussed， as well as the influence of winding tension， matrix viscosity， release agent type and other factors on the axial curing shrinkage of the product， It has certain guiding significance for the axial size control of batch production of FRP pipes.

KEYWORDS? FRP pipe; data statistics; axial shrinkage; law research

1 引言

玻璃鋼管因具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐化學(xué)腐蝕、耐疲勞、耐電熱性、可設(shè)計性強(qiáng)、使用壽命長等優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于原油輸送、市政給排水、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)污水以及軍事工業(yè)等各個領(lǐng)域。我國從20世紀(jì)50年代開始玻璃鋼管的工業(yè)化生產(chǎn)，主要成型工藝有手糊、離心澆鑄、纖維纏繞等，應(yīng)用的樹脂基體主要有不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。相比其它成型方法，利用纖維纏繞工藝成型的玻璃鋼管具有纖維絲帶排列整齊、準(zhǔn)確率高等特點，比強(qiáng)度和比剛度均比較高。因此對于耐壓要求較高的玻璃鋼管，如小直徑高壓力的玻璃鋼原油管、應(yīng)用于膜組件的玻璃鋼壓力容器外殼等，多采用纏繞工藝形成厚壁的玻璃鋼管狀結(jié)構(gòu)。且此類產(chǎn)品通常以環(huán)氧樹脂為基體并在高溫下進(jìn)行固化，從而滿足高壓玻璃鋼管道的耐壓、防腐蝕等性能需求[1-3]。

由于玻璃鋼中纖維和樹脂基體間的物理性能差異，樹脂基體高溫固化時的化學(xué)收縮，各層材料的鋪層角度不一致，與模具間的相互作用等因素，在玻璃鋼內(nèi)部形成殘余應(yīng)力，導(dǎo)致固化后變形的產(chǎn)生[4，5]，而對于高壓玻璃鋼管，其軸向尺寸通常遠(yuǎn)大于徑向尺寸，且徑向尺寸有纏繞模具約束，因此，固化變形通常體現(xiàn)在玻璃鋼管在軸向上的尺寸收縮。

應(yīng)用于高壓容器或者軍事工業(yè)等特殊領(lǐng)域中的玻璃鋼管通常對產(chǎn)品的尺寸精度要求較高，因此一般采用在圓柱模具表面進(jìn)行定長纏繞的成型工藝，成型過程中的纏繞張力、樹脂粘度、脫模劑種類等工藝條件都會影響玻璃鋼管在軸向上的固化收縮量，導(dǎo)致產(chǎn)品軸向尺寸呈現(xiàn)出一定的離散性，給產(chǎn)品尺寸精度控制帶來困難。

過去的研究多采用數(shù)值計算[6-8]、在線監(jiān)測[9-11]、簡化模型的實驗方法[12]，上述方法或為不適用于批量生產(chǎn)過程中的在線監(jiān)測或為破壞性測試方法，而基于對理論模型的簡化分析，與實際生產(chǎn)工藝情況偏離較大。特別是對于厚壁復(fù)合材料，在其成型過程中從表面到內(nèi)部存在著溫度場、固化度場、內(nèi)部缺陷的不均勻分布[13]，使得基于微觀層面上的分析方法十分困難且難以得到準(zhǔn)確結(jié)果。若利用足量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)統(tǒng)計工具，基于宏觀的工藝參數(shù)進(jìn)行分析，則得到的結(jié)論能夠更好的與實際生產(chǎn)過程緊密結(jié)合[14]，因此本文對于高溫固化玻璃鋼管固化后軸向尺寸收縮規(guī)律的研究是基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法開展的。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

2.1 統(tǒng)計產(chǎn)品的型號規(guī)格要求

以一種內(nèi)徑尺寸200mm的玻璃鋼高壓管產(chǎn)品作為統(tǒng)計對象，其壁厚最大處約54mm，屬于厚壁復(fù)合材料產(chǎn)品，產(chǎn)品長度規(guī)格為1.5m～8.5m。

2.2 統(tǒng)計產(chǎn)品的工藝控制要求

除產(chǎn)品總長外，玻璃鋼管在軸向上固化收縮量主要受纏繞張力（纏繞設(shè)備上調(diào)節(jié)）、樹脂粘度（受季節(jié)影響明顯）、脫模劑類型（水性、油性）等條件影響。進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計時，每次固定其余工藝條件相同，僅研究單一工藝條件改變下的情況。

2.3 統(tǒng)計原則

選取規(guī)定型號及尺寸的玻璃鋼管，測量其固化前的纏繞長度與固化后實際長度，計算兩者之差即為產(chǎn)品軸向上的收縮量。

每一組數(shù)據(jù)的有效樣本統(tǒng)計量在150～200個之間，對玻璃鋼管軸向尺寸的測量精度為mm。

2.4 依據(jù)的數(shù)學(xué)方法

設(shè)一組數(shù)據(jù)為X1，X2，...，Xn，其算數(shù)平均值為：

此外，對自變量（工藝變量）于因變量（軸向尺寸收縮量）呈現(xiàn)單調(diào)線性相關(guān)的，可按線性回歸方程進(jìn)行分析：

3 統(tǒng)計結(jié)果分析

3.1 玻璃鋼管軸向收縮基本規(guī)律

3.1.1 固定產(chǎn)品總長下的軸向收縮規(guī)律分析

將總長為7.5m的一組玻璃鋼管軸向長度收縮量數(shù)據(jù)，按照軸向收縮量對應(yīng)的頻數(shù)繪制統(tǒng)計直方圖，如圖1所示。

在總長7.5m玻璃鋼管的一組數(shù)據(jù)中，軸向固化收縮量的平均值μ約為14mm，標(biāo)準(zhǔn)差σ約為1.5mm，其頻率分布呈兩邊低中間高的“鐘型曲線”，符合“正態(tài)分布”特征。對該組數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布擬合，可得如圖1中的正態(tài)分布曲線，全部的數(shù)據(jù)都落在μ±3σ的范圍內(nèi)。

本組數(shù)據(jù)中軸向收縮量最大值為18mm，最小值為10mm，極差R為8mm。在實際生產(chǎn)過程中，對于規(guī)定型號總長7.5米的玻璃鋼管，將產(chǎn)品的設(shè)計長度放大約14mm，給產(chǎn)品在軸向上的固化收縮留出余量，這樣玻璃鋼管固化后，可基本保證實際得到的產(chǎn)品軸向長度落在8mm的公差帶范圍內(nèi)。

3.1.2 產(chǎn)品軸向收縮量隨總長變化規(guī)律分析

不難推測，隨著玻璃鋼管軸向長度的增加，其軸向上的固化收縮量也會隨之增加。對于規(guī)定型號下總長1.5m～8.5m玻璃鋼管（長度間隔1m）的軸向固化收縮量進(jìn)行統(tǒng)計，其相關(guān)曲線如圖2所示。

由圖2可知，玻璃鋼管的軸向收縮量整體上隨著產(chǎn)品軸向長度的增加而線性增加。產(chǎn)品軸向長度每變化1m，軸向收縮量收縮量約變化2mm。用該組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可得。

可利用此式對規(guī)定型號玻璃鋼管固化后在軸向上的長度收縮量進(jìn)行預(yù)測，并在實際生產(chǎn)時根據(jù)玻璃鋼管不同的軸向長度，預(yù)留出不同的固化收縮量，能進(jìn)一步保證不同長度產(chǎn)品成型后的尺寸精度滿足要求。

3.2 工藝參數(shù)對玻璃鋼管軸向收縮的影響

3.2.1 纏繞張力對軸向收縮的影響

本文中玻璃鋼管的纏繞張力根據(jù)ASME要求需控制在76kg～134kg之間，在實際生產(chǎn)過程中，由于不同纏繞設(shè)備紗架擺放、走紗路徑磨損、張力桿松緊度等的不同，纏繞張力也有所不同。分別統(tǒng)計規(guī)定型號7.5m產(chǎn)品在不同纏繞張力區(qū)間下的軸向收縮量情況（低張力≥76kg、<95kg，中張力≥5kg、<115kg，高張力≥115kg、<134kg），如圖3所示。

由圖3可知，隨著纏繞張力增加，軸向收縮量有增大的趨勢，這可能是因為隨著纏繞張力的增加，玻璃鋼管的內(nèi)應(yīng)力也隨之增加，從而導(dǎo)致固化時收縮量增大。各組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差在1.5mm～1.7mm之間，說明在一定的纏繞張力區(qū)間內(nèi)，玻璃鋼管軸向收縮量的分布曲線是基本一致的，僅受到纏繞張力的影響整體向高或低的方向偏移，同時也說明控制纏繞張力的相對穩(wěn)定，對于產(chǎn)品質(zhì)量控制具有較大的意義。

3.4 基體粘度對軸向收縮量的影響

由于濕法纏繞成型時樹脂基體通常處于開放式環(huán)境中，對于環(huán)氧體系的樹脂基體，其粘度隨溫度變化顯著，因此季節(jié)對基體粘度有較大的影響。本文所統(tǒng)計產(chǎn)品的生產(chǎn)基地位于中國山東省，冬季與夏季溫差可達(dá)30℃，冬季生產(chǎn)過程中基體粘度高、夏季生產(chǎn)過程中基體粘度低，對最終形成的產(chǎn)品軸向尺寸收縮量帶來影響。因此對冬季（12月、1月、2月）和夏季（6月、7月、8月）所生產(chǎn)產(chǎn)品的軸向收縮量情況進(jìn)行統(tǒng)計，如圖4所示。

由圖4可知，對同一規(guī)格的玻璃鋼管，其冬季的軸向收縮量平均值明顯高于夏季，在本組統(tǒng)計數(shù)據(jù)中冬季相較夏季的平均軸向收縮量約高2mm，導(dǎo)致這一現(xiàn)象可能的原因有：（1）冬季氣溫低，導(dǎo)致以環(huán)氧樹脂為主材料的基體粘度大，而基體粘度大使得纏繞張力隨之增大，固化內(nèi)應(yīng)力也隨之加大；（2）為適應(yīng)冬季氣溫低，通常會增大樹脂基體中的促進(jìn)劑用量，從而導(dǎo)致固化反應(yīng)過程中的內(nèi)應(yīng)力增大；（3）冬季和夏季環(huán)境濕度的差異較大，而纖維、酸酐等原材料的吸水也導(dǎo)致纏繞工藝以及固化反應(yīng)過程的變化，從而導(dǎo)致固化內(nèi)應(yīng)力的差異。由此，應(yīng)根據(jù)季節(jié)的變化合理調(diào)整玻璃鋼管軸向收縮預(yù)留量，從而保證批量生產(chǎn)時的尺寸穩(wěn)定性。

3.5 脫模劑種類對軸向收縮量的影響

為保證玻璃鋼管脫模，纏繞模具表面通常涂覆有脫模劑，常用的有水性和油性兩類，不同種類脫模劑的脫模效果、耐久度、形成制品內(nèi)表面質(zhì)量均有所不同。仍然以7.5m產(chǎn)品為例統(tǒng)計應(yīng)用水性脫模劑以及油性脫模劑時的玻璃鋼管的軸向收縮量，如圖5所示。

由圖5可知，應(yīng)用油性脫模劑時，平均軸向收縮量比水性脫模劑大約5mm，造成這一結(jié)果可能的原因是：油性脫模劑使模具和產(chǎn)品間更加潤滑，產(chǎn)品在固化內(nèi)應(yīng)力的作用下發(fā)生收縮時的阻力較小，因此產(chǎn)生了較高的固化收縮量。從控制玻璃鋼管軸向固化收縮量的角度，更適宜采用水性脫模劑。

4 結(jié)語

（1）本文基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法，應(yīng)用批量生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)，對玻璃鋼管固化后軸向尺寸收縮量的影響規(guī)律進(jìn)行分析，更加貼近實際的工藝條件，對產(chǎn)品批量生產(chǎn)過程中的軸向尺寸控制具有一定指導(dǎo)意義。

（2）高壓厚壁環(huán)氧玻璃鋼管道固化后的軸向尺寸收縮量呈現(xiàn)出正態(tài)分布的基本規(guī)律，并且隨著產(chǎn)品尺寸的增加，軸向固化收縮量也隨之線性增加。

（3）各類工藝因素中，對玻璃鋼管固化后軸向收縮量影響最顯著的是脫模劑種類。在批量生產(chǎn)中，應(yīng)固定脫模劑種類，控制纏繞張力的變化，并根據(jù)季節(jié)變化在纏繞前預(yù)留不同的軸向收縮量，從而提高產(chǎn)品軸向尺寸的穩(wěn)定性。

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