纤维增强热塑性复合管短期爆破强度及热性能分析
2021-09-24周正伟叶益辉陈江慧
周正伟，叶益辉，陈江慧
(浙江伟星新型建材股份有限公司 浙江 临海 317000)
0 引 言
近年来，纤维增强热塑性复合管是行业内越来越受重视的一种复合管，由内外层塑料以及中间增强层组成，内层塑料起着耐腐蚀抗结垢等作用，外层塑料抗刮擦，中间增强层则是增加环刚度及提高耐压强度的作用。根据不同的工况条件，可以把复合管设计为不同的结构，从而达到不同的使用效果。可应用在石油集输、注水、市政供水、深层地热及集中供热等不同领域，前景广阔，国内外设备厂家开发出相关制造设备，由管道厂家进行生产制备，并对制备的复合管进行一系列测试。但从目前的发展状况来看，工业生产厂家很少发表相关研究论文，文献报道主要集中在钢丝复合管以及芳纶增强复合管，还有少数关于涤纶复合管的研究结果[1-3]。本文就是采用玻纤预浸带缠绕增强的热塑性复合管作为研究对象，测试其短期爆破强度及热性能，并采用相关理论方法进行计算。本文的目的就是为复合管短期爆破强度设计提供理论依据，减少试验量，利用更短的时间设计出所需强度的复合管；轴向热膨胀系数对用于热介质输送的复合管是一个重要的结构设计参数，尤其是在复合管安装施工时需要控制其在受热情况下的伸长量，对复合管系统的设计提供参考。
1 试验材料及方法
1.1 试验材料
复合管内外层为高密度聚乙烯PE100(牌号YGH041H)，由上海石化提供，屈服强度为22 MPa。单向玻纤预浸带由青岛中集创赢复合材料科技有限公司提供，玻纤质量含量为65%，轴向拉伸强度为950 MPa，单层厚度为0.3 mm，缠绕角度为±72°，缠绕层数为4层。复合管内径为200 mm，外径为220 mm，复合管内衬层厚度为5.8 mm，中间增强层厚度为1.2 mm，复合管外包覆层厚度为3 mm。其内外层高密度聚乙烯及增强层材料的性能参数见表1和表2。
表1 内外层HDPE及增强层材料性能参数
表2 增强层单层的力学参数
1.2 试验方法
复合管短期爆破强度按照国标GB/T 15560—1995《流体输送用塑料管材液压瞬时爆破和耐压试验方法》进行测试。复合管纵向回缩率按照国标GB/T 6671—2001《热塑性塑料管材纵向回缩率的测定》进行测试。复合管轴向线膨胀系数按照国标GB/T 30086—2013《给水塑料管道轴向线膨胀系数试验方法》进行测试。
2 理论分析
2.1 Knapp计算方法
Knapp对电缆导电层缠绕芯层时的相关力学性能进行了分析，得出了缠绕层对芯层的压力计算公式，本文借鉴参考Knapp的计算方法，得到复合管增强层对内层产生的径向压力为[4-5]：
(1)
式(1)中：r3为增强层外半径，mm；r1为增强层内半径，mm;σc为玻纤预浸带拉伸强度， MPa；θ为缠绕角度。
聚乙烯PE100塑料管的破坏压力与管材的公称直径和公称壁厚的关系为：
(2)
式(2)中：ppe为塑料管的破坏压力， MPa；σs为塑料管的设计应力， MPa；dn为塑料管公称直径，mm；en为塑料管公称壁厚，mm。
2.2 轴向线膨胀系数计算
带材的轴向线膨胀系数计算公式为[6]：
(3)
式(3)中：Ef为玻璃纤维弹性模量，GPa；Em为高密度聚乙烯拉伸强度，GPa；vf为玻璃纤维体积分数；vm为高密度聚乙烯体积分数；αf为玻璃纤维热膨胀系数，℃-1；αm为高密度聚乙烯热膨胀系数，℃-1。
根据表1和表2的参数可以计算出带材的轴向线膨胀系数为8.2×10-6℃-1。
带材的横向线膨胀系数为：
α2=vf(1+vf)αf+vm(1+vm)αm-(vfvf+vmvm)α1
(4)
式(4)中：νf为玻璃纤维泊松比；νm为高密度聚乙烯泊松比。
将数值代入上述公式可计算出带材的横向线膨胀系数为1.45×10-4℃-1。
3 结果和讨论
3.1 微观形貌分析
用场发射扫描电镜观察了复合管增强层的微观形貌，如图1所示。由于单丝玻纤横截面接近圆形，经一定角度缠绕后，其在复合管横截面上的截面呈椭圆形，经过测量单根玻纤椭圆截面的长轴和短轴，就可以分析出玻纤预浸带的缠绕角度。
图1 复合管增强层SEM微观形貌
通过测量单根玻纤斜截面椭圆的长轴和短轴，经反三角函数计算得到增强4层的复合管的缠绕角度为(72°/-72°/72°/-72°)，与试验时的缠绕角度一致，如图2所示。
图2 单根纤维缠绕时缠绕角度与椭圆长轴短轴示意图
3.2 短期爆破强度性能测试
纤维增强热塑性复合管的公称压力依据其短期爆破强度进行计算，采用内密封的形式，爆破测试结果为12.1 MPa，其破坏处发生在复合管体中间部位，破口沿着纤维缠绕方向，如图3所示。由于纤维层缠绕角度过大，管材破坏时发生弯曲。
图3 复合管爆破结果示意图
复合管受内压时，内衬层会向外变形挤压增强层，增强层同样受力变形挤压外层，复合管内中外三层同时受力，发生爆破时，内中外三层都发生破坏，其爆破强度可认为是三层都发生破坏的压力之和。结合公式(1)和公式(2)对复合管的爆破强度进行计算，计算所用的参数如1.1部分所提供，其结果见表3。从表3的结果可见，计算结果与测试结果的数值非常近似，这说明该方法的计算结果是有效和准确的，能用来对复合管的测试结果进行预测。
表3 短期爆破强度值计算值
3.3 纵向回缩率及轴向线膨胀系数测试
根据国标GB/T 6671—2001测试得到复合管的纵向回缩率为0.9，满足一般使用时纵向回缩率小于3这个行业要求。根据国标GB/T 30086—2013测试的复合管轴向线膨胀系数为0.22 mm/(m·℃)。
3.4 轴向线膨胀系数理论计算分析
复合管在受到外力及热应力作用的情况下，其增强层单层正轴向应力应变表达式如下[6]：
(5)
将式(5)进行变形可得：
(6)
式(6)中：
经计算可知：
将式(6)表达为偏轴应力与偏轴应变关系为：
(7)
式(7)中：
m=cosθ,n=sinθ,θ为单层方向角，在本文中缠绕角为±72°。
经计算可知：
Rx|ΔT=1=3.17×10-4
Ry|ΔT=1=3.55×10-4
当复合管外力为零，且温差绝对值为1 ℃时，从式(7)变形就可得到复合管的线膨胀系数，即：
(8)
(9)
其中tk为第k单层厚度。
通过(8)式可以求出复合管的轴向线膨胀系数为：
(10)
在计算的过程中，将内外层高密度聚乙烯层作为玻璃纤维含量为0的各向同性复合层，这样就可以将复合管作为一个从内到外均为复合层的体系。在受热作用下内外层塑料的应力应变关系式为：
(11)
由于其为各向同性，不存在正轴偏轴之分，即有：
(12)
(13)
经计算可知基体的刚度矩阵为：
Rnm|ΔT=1=3.09×10-4
(14)
将以上计算结果代入(9)和(10)中，可得：
(15)
(16)
将式(16)结果代入式(10)中，可计算出在自由状态下复合管的轴向线膨胀系数为：
αx=2.01×10-4
实际测试结果轴向线膨胀系数为2.21×10-4℃-1，比计算结果大10%。将其和高密度聚乙烯的膨胀系数相比，有增强层的复合管的线膨胀系数偏大，说明增强层在受热过程中促进了复合管的伸长，并未起到抑制作用，可能是和纤维层缠绕角度较大有关。
4 结 论
1) 可以采用微观分析方法计算出纤维预浸带的缠绕角度，与实际缠绕角度相吻合。
2) 对于大角度缠绕复合管，计算得到的短期爆破强度与实测结果比较接近。
3) 用理论计算方法计算得到的复合管轴向线膨胀系数与实测结果相差10%。
4) 可以用计算方法先计算出复合管的短期爆破强度和轴向线膨胀系数，从而为复合管的结构设计及施工安装现场应用提供理论依据。
