呂廣普，劉洪上，杜相榮

(西安向陽航天材料股份有限公司，西安 710025)

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大直徑纖維纏繞水容器封頭增強研究

呂廣普，劉洪上，杜相榮

(西安向陽航天材料股份有限公司，西安 710025)

本文對橢球封頭受內(nèi)壓時的應(yīng)力進行了分析，針對塑料內(nèi)膽纖維纏繞水容器采取了兩種封頭增強措施，并進行了爆破試驗。試驗結(jié)果表明，采用糊布增強和擴孔纏繞能夠有效提高封頭的環(huán)向強度，采用兩縱五環(huán)工藝纏繞補強后6386容器的爆破強度達到了4.4 MPa，較改進前的2 MPa有了大幅提高，超過設(shè)計強度。

纖維纏繞成型；封頭增強；爆破試驗；水容器

1　引 言

1.1大直徑纖維纏繞水容器簡介

水處理容器大多以PE、ABS塑料為內(nèi)襯，殼體采用不飽和聚酯樹脂或環(huán)氧/玻璃纖維由螺旋、環(huán)向纏繞而成，產(chǎn)品直徑一般在150～600 mm，大多用于軟水或凈水處理。隨著環(huán)保形勢的日益嚴峻，為了使水處理容器用于污水處理，針對污水量較大的特點，通過滾塑成型工藝，研制出了直徑750～1 600 mm的大直徑纖維纏繞水容器，使水處理容器在污水處理領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

1.2大直徑纖維纏繞水容器改進前狀態(tài)

西安向陽航天材料股份有限公司環(huán)保事業(yè)部，主要生產(chǎn)塑料內(nèi)膽的纖維纏繞水容器，直徑從200 mm到1 600 mm不等。直徑750 mm以上帶法蘭容器開始，采用滾塑成型工藝生產(chǎn)內(nèi)膽，然后進行纖維纏繞成型。生產(chǎn)的大直徑塑料內(nèi)膽纖維纏繞水容器，纏繞層設(shè)計強度遵循網(wǎng)格理論，對于不同的內(nèi)膽，根據(jù)其直徑和爆破壓力，結(jié)合纖維的強度，設(shè)計纏繞參數(shù)，經(jīng)爆破試驗測試，爆破壓力能達到3.0 MPa，未對封頭采取任何增強措施。經(jīng)疲勞強度測試試驗，在30 000次時，容器的封頭出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

通過解剖容器，我們發(fā)現(xiàn)是上封頭漏水，漏水部位在肩部，大約是產(chǎn)品半徑0.6～0.8倍的位置，此區(qū)域塑料內(nèi)膽出現(xiàn)裂紋，且裂紋呈縱向分布，而纖維厚度在此區(qū)域僅1.5～2 mm。這說明封頭內(nèi)膽在該處的環(huán)向強度不足，因而造成縱向裂紋。經(jīng)分析，我們認為纖維層厚度偏低是導(dǎo)致封頭纏繞層提供的環(huán)向強度不足，因此，需要對封頭進行增強研究。

1.3封頭增強方法簡介

在實際生產(chǎn)工作中， 封頭增強是一項難以實施的工藝技術(shù)，目前，封頭增強的方法主要有以下幾種：(1)鋪放布增強；(2)鋪放無緯帶增強；(3)增強物件在模具上先制成預(yù)定的形狀， 固化后脫模修整， 再貼在封頭處， 此方法工藝比較繁雜， 兩個面貼合度不是很好；(4)和常規(guī)纏繞一樣， 在縱向循環(huán)纏完后， 將筒身段纖維剪掉， 剩下兩封頭的纖維即為增強層， 其增強厚度可根據(jù)計算確定， 這種方法容易實現(xiàn)且效果較好， 但生產(chǎn)時浪費過大，成本高；(5)其它局部小范圍封頭增強法。

1987年James D.Erickson[1]對碳纖維環(huán)氧壓力容器封頭增強方法進行研究。文中采用環(huán)向纏繞的復(fù)合材料墊片對封頭進行局部增強。試驗結(jié)果表明，采用環(huán)向加強片增強方法，封頭強度能夠比未進行增強的提高約17 % 。

劉炳禹等[2]對封頭增強技術(shù)進行了系統(tǒng)研究，并采用了兩種增強方法。(1)在金屬件邊緣用無緯帶進行鋪層： 在殼體完成一個縱、環(huán)向循環(huán)后， 在后封頭金屬法蘭件邊緣一定的寬度范圍內(nèi)鋪放一層無緯帶， 鋪完后再纏繞剩余的纏繞層。這樣就實現(xiàn)了金屬法蘭件邊緣的加強層在纏繞層的中間， 確保加強層和纏繞層粘接較好。(2)采用全封頭增強：第二個縱向循環(huán)纏完后剪去筒身段纖維，保留封頭纖維， 再纏繞剩余的纏繞層， 使封頭增強層在兩個縱向?qū)又g， 使之粘接較好，整體度高。

胡俊等[3]研究了螺旋纏繞厚壁壓力容器封頭段的線型調(diào)整，提高封頭的整體強度。螺旋纏繞厚壁壓力容器封頭的線型調(diào)整方案為： 首先，計算封頭區(qū)域各緯度圓處強度設(shè)計要求的纖維層厚度， 調(diào)整極孔直徑大小以及測地線方程，確保纖維纏繞時既紗帶整齊排布又滿足封頭處各緯度圓的強度要求。

王東對某纏繞殼體增強工藝做了研究，采用了三種增強方法：(1)玻璃纖維縱向纏繞增強：在碳纖維纏繞鋪層之前，采用高強玻璃纖維浸漬基體樹脂，按照后開孔直徑尺寸，進行等開孔縱向纏繞。殼體整體增強主要部位為前封頭肩部、后封頭整個型面、筒身段；(2)裁剪條形碳布增強：將碳布裁剪成條狀，浸透增強用樹脂后鋪放到殼體前、后封頭部位，考慮到后封頭的條狀布較寬，與封頭型面不吻合，需要在布的環(huán)向上剪多處切口，確保布能夠完全貼敷在封頭型面上；(3)裁剪環(huán)形碳布增強：將后封頭增強用碳布裁剪成環(huán)形，前封頭增強用碳布按要求裁剪成條形，浸透樹脂后鋪放到殼體前、后封頭部位，并對鋪放到后封頭拐點部位的布邊緣剪少量切口以確保貼敷在封頭型面上[4]。

2　封頭增強的理論分析

2.1橢球封頭受內(nèi)壓時的應(yīng)力分析

橢球封頭的薄膜應(yīng)力：

2.4.2 【指南建議】 由于測序可以揭示胎兒的遺傳信息，這些信息可能會影響父母一方或雙方以及整個家庭，因此理想情況下，生物學(xué)父母雙方(如果可能的話)都應(yīng)該同意對胎兒進行測序。然而，對于所有產(chǎn)前檢查，只有孕婦才能同意對其進行獲取胎兒遺傳物質(zhì)的侵入性手術(shù)。

(1)

(2)

a，b：分別為橢球殼的長、短軸半徑，mm ；

x：橢球殼上任意點距橢球殼中心軸的距離mm。

(3)

圖1　不同橢球比封頭的應(yīng)力分布Fig.1 The stress distribution of different ellipsoidal heads

橢球封頭上各點應(yīng)力是不相等的，與點的位置(x，y)有關(guān)。

在封頭頂點處(x=0，y=b)：

(4)

經(jīng)向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力相等，均為拉應(yīng)力。

在殼體赤道處(x=a，y=0 )：

(5)

(6)

σm是常量，σθ是a/b的函數(shù)，即受橢球殼形狀影響。當a/b=1時，橢球殼成為球殼，這時殼體受力最為有利。當a/b增加時，橢球頂點應(yīng)力會增加，受力情況變差，赤道處會出現(xiàn)壓縮應(yīng)力(a/b>1.414) ，可能將橢球壓扁。

標準橢圓形封頭的應(yīng)力分布，規(guī)定a/b=2時的橢球封頭為標準橢圓形封頭。

根據(jù)上述的分析，對封頭增強，采取以下兩種方法：

第一種，內(nèi)膽封頭進行糊布增強。

根據(jù)理論公式推導(dǎo)，要降低應(yīng)力，可以增大封頭的厚度。但因為水容器的內(nèi)膽由塑料制成，基本不能承受應(yīng)力，因此要增大封頭的厚度，就必須對封頭進行糊布增強。

圖2　標準橢球封頭受內(nèi)壓時的應(yīng)力分布Fig.2 The stress distribution of standard ellipsoidal heads under internal pressure

圖3　標準橢球封頭帶圓柱筒段殼體的應(yīng)力分布Fig.3 The stress distribution of the cylindrical shell with a standard ellipsoidal head

第二種，纏繞層進行調(diào)整，多層纏繞，增大纏繞角度，增加纖維在封頭的分布比例，以此提高纖維在封頭環(huán)向的分力，進而提高封頭抵抗環(huán)向應(yīng)力的能力。

3　增強方法

3.1封頭糊布增強

針對6386等型號的內(nèi)膽進行了糊布增強。6386型號的封頭基本上是標準封頭。封頭上糊制玻璃布4層，浸漬環(huán)氧樹脂。4層布錯開鋪放，糊布范圍到距離赤道線約100 mm位置，基本上是整個封頭都糊了四層布。

3.2纏繞層次及纏繞線型調(diào)整

根據(jù)先前的分析，決定在保留原來設(shè)計壓力的條件下，將纏繞分成兩層完成。第1層，將極孔直徑放大，纏繞紗落到封頭上，大約是產(chǎn)品半徑0.6～0.8的位置上，即擴孔纏繞。第二層，完全貼著產(chǎn)品極孔纏繞，覆蓋第1層留下的空白部分，即正常纏繞。這是因為如果第一層緊貼產(chǎn)品極孔纏繞而第二層擴孔纏繞的話，會在封頭形成一個未填滿的圓圈，影響產(chǎn)品封頭的外觀。

4　試驗驗證及分析

4.1纏繞參數(shù)

根據(jù)網(wǎng)格理論，進行了纏繞參數(shù)計算。以6386型號(直徑1 600 mm)為例，最后確定縱向纏繞2層，第一層采用擴孔纏繞，紗帶落在封頭肩部，形成直徑1 050 mm的圓周。第二層采用正常纏繞，紗帶落在法蘭根部。環(huán)向纏繞5層。具體的紗帶寬度、紗團數(shù)量等工藝參數(shù)略去。

圖4　擴孔纏繞的容器Fig.4 The vessel with chambering winding

4.2爆破試驗

按照封頭補強的新纏繞工藝與舊生產(chǎn)工藝分別纏繞6386容器，進行了爆破試驗。爆破分析情況見表1，圖5-6分別為新舊工藝爆破試驗情況。

表1　爆破試驗分析

圖5　新工藝生產(chǎn)的6386容器爆破試驗結(jié)果Fig.5 The vessel 6386 bursting test results of new process

圖6　舊工藝生產(chǎn)的6386容器爆破試驗結(jié)果Fig.6 The vessel 6386 bursting test results of old process

4.3結(jié)果分析

按照新工藝纖維纏繞的6386容器，爆破壓力比設(shè)計壓力還高，這有兩方面的原因。第一，封頭糊布，提供了一部分強度。第二，擴孔纏繞，提高了封頭的環(huán)向強度，避免了封頭環(huán)向壓應(yīng)力對產(chǎn)品的過早破壞，使得纏繞纖維強度得到真正的發(fā)揮。產(chǎn)品最后是以法蘭整體脫出的形式破壞的，且纖維呈現(xiàn)典型的爆炸形狀，都證明纖維強度發(fā)揮很好。

反觀舊工藝生產(chǎn)的纖維纏繞6386容器，爆破壓力沒有達到設(shè)計壓力，從封頭肩部撕裂，且肩部位置一圈出現(xiàn)多條凹陷的裂紋，證明封頭肩部確實產(chǎn)生了很大的壓應(yīng)力，而纖維承受壓應(yīng)力的能力較弱，因此纖維過早破壞，造成爆破壓力偏低。

5　結(jié) 語

采用擴孔纏繞與正常纏繞相結(jié)合的工藝，對纖維纏繞的塑料內(nèi)膽水容器的封頭進行糊布增強，可以提高水容器封頭的環(huán)向強度，提高水容器的爆破壓力，實驗發(fā)現(xiàn)采用兩縱五環(huán)工藝纏繞補強后6386容器的爆破強度達到了4.4 MPa，較改進前的2 MPa有了大幅提高，超過設(shè)計強度。

[1]James D Erickson.碳纖維環(huán)氧壓力容器封頭加強研究[J] .國外固體火箭技術(shù)，1987(4)：19-24.

[2]劉炳禹，張煒，王曉潔.封頭增強技術(shù)研究[J] .固體火箭技術(shù)，1996(4)：57-61.

[3]胡俊，李鵬，吳耀楚.螺旋纏繞厚壁壓力容器封頭段的線型調(diào)整[J].化工機械，2003(1)：26-28.

[4]王東，某纏繞殼體增強工藝研究[J].航天制造技術(shù)，2007(2)：36-37.

Study on the Reinforcement of the end Closure of Large Diameter Filament Winding Water Treatment Vessels

LV Guangpu,LIU Hongshang,DU Xiangrong

(Xi'an Sunward Aeromat Co.,Ltd，Xi'an 710025)

This article has analyzed the stress when bearing the inner pressure on the ellipsoid end enclosure.In allusion to the plastic inner shell filament winding water treatment vessels,two kinds of end enclosure strengthen measures have been adopted and the bursting test has been done.The test result proves that adopting the pasting strengthen by hand-molding and chambering winding could improve the circular strengthen on the end closure efficiently.

filament winding；end closure strengthen； bursting test；water treatment vessel

2015-08-03)

呂廣普(1984-)，男，河北人，碩士，工程師。研究方向：復(fù)合材料纏繞工藝技術(shù)。E-mail：hhlgpy@163.com.