盧衛(wèi)卓，郭龍創(chuàng)，周松林，郭利軍

(1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司　北京　100101; 2.寶鈦集團(tuán)有限公司　陜西　寶雞　721014; 3.連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司　河北　連云港　222006)

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大管徑螺旋纏繞高壓玻璃鋼管纏繞角度對(duì)其強(qiáng)度的影響研究

盧衛(wèi)卓1，郭龍創(chuàng)2，周松林3，郭利軍1

(1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司北京100101; 2.寶鈦集團(tuán)有限公司陜西寶雞721014; 3.連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司河北連云港222006)

摘要:針對(duì)大管徑螺旋纏繞高壓玻璃鋼管在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中因纏繞角度的變化導(dǎo)致其短時(shí)水壓失效強(qiáng)度發(fā)生明顯變化進(jìn)行分析，通過(guò)設(shè)定系列纏繞角度，在確保其它工藝及生產(chǎn)參數(shù)不變的情況下，生產(chǎn)30°、35°、40°、45°、60°、75°、85°纏繞角DN150高壓玻璃鋼管各3根，在相同條件下進(jìn)行短時(shí)水壓失效強(qiáng)度試驗(yàn)及縱向拉伸試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出螺旋纏繞高壓玻璃鋼管纏繞角度對(duì)其強(qiáng)度影響的規(guī)律。

關(guān)鍵詞:大管徑;螺旋纏繞高壓玻璃;纏繞角度;強(qiáng)度

0　引言

玻璃鋼管按所用基體材料不同分為樹(shù)脂基、玻璃鋼塑料、無(wú)機(jī)非金屬基及無(wú)機(jī)/有機(jī)玻璃鋼4種復(fù)合管，目前廣泛應(yīng)用的是樹(shù)脂基玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料管［1］，依據(jù)所使用的樹(shù)脂分為聚酯玻璃鋼管、環(huán)氧玻璃鋼管、酚醛玻璃鋼管。高壓玻璃管一般是指壓力在3.45 ～34.5 MPa之間的環(huán)氧玻璃鋼管［2］，通過(guò)采用無(wú)堿增強(qiáng)纖維為增強(qiáng)材料，環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑為基質(zhì)，經(jīng)過(guò)連續(xù)纏繞成型、固化而成。根據(jù)選用的固化劑分為酸酐固化玻璃鋼管和芳胺固化玻璃鋼管兩種。因其具有優(yōu)良的抗腐蝕性、輕質(zhì)高強(qiáng)性及摩擦系數(shù)小、不結(jié)垢、流阻小等特性，大量用于污水處理、原油、石油化工、海水淡化等管線中，而且維護(hù)成本低使用壽命長(zhǎng)，是鋼管的2～3倍［3］。大多高壓玻璃鋼管管徑都在100 mm以下，近年來(lái)隨著制造設(shè)備更新、樹(shù)脂質(zhì)量的提高、玻璃纖維沙線的精細(xì)化、制造工藝的優(yōu)化及市場(chǎng)需求的刺激，大管徑高壓玻璃鋼管相繼用于各種工程。

1　大管徑螺旋纏繞高壓玻璃鋼管生產(chǎn)中失效壓力的波動(dòng)

大管徑螺旋纏繞高壓玻璃鋼管的生產(chǎn)方式實(shí)質(zhì)上和小管徑的生產(chǎn)方式一樣，只是芯模的大小及纏繞參數(shù)匹配性要求相對(duì)小管徑較高。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)參照生產(chǎn)小管徑的纏繞角度范圍設(shè)定大管徑纏繞角生產(chǎn)時(shí)，在相同工藝、相同原材料及相同時(shí)間段生產(chǎn)的高壓玻璃鋼管，短期失效試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)比小管徑要大。對(duì)此設(shè)計(jì)生產(chǎn)系列纏繞角度的玻璃鋼管通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析找出纏繞角度變化對(duì)大管徑纏繞玻璃鋼管的影響規(guī)律，方便優(yōu)選纏繞角。

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用山東德州銀河機(jī)械四軸微機(jī)控制纏繞機(jī)，在選用同種原材料及控制條件下通過(guò)設(shè)定30°、35°、40°、45°、60°、75°、85°系列纏繞角度，各生產(chǎn)3根4 m長(zhǎng)DN150規(guī)格高壓玻璃管，控制壁厚相同3.5 mm，對(duì)生產(chǎn)的21根玻璃鋼管逐根進(jìn)行短時(shí)水壓失效試驗(yàn)及縱向拉伸試驗(yàn)。為確保試驗(yàn)條件相同在進(jìn)行試驗(yàn)前對(duì)每根玻璃鋼管切取1 m，測(cè)量切口處壁厚，如果壁厚偏差大于0.5 mm重新生產(chǎn)一根補(bǔ)齊3根。

3　試驗(yàn)準(zhǔn)備

玻璃鋼管生產(chǎn):主要原材料選用邢臺(tái)金牛EC22－2000W無(wú)堿玻璃纖維、長(zhǎng)春化工BE186EL環(huán)氧樹(shù)脂、南洋塑料化工ANY－1001酸酐固化劑，原材料主要性能復(fù)檢參數(shù)見(jiàn)表1。固化采用管道蒸汽六段溫度停留微機(jī)控制，纏繞張力由纖維沙線通過(guò)羊眼孔及浸膠纖維沙線股通過(guò)導(dǎo)向金屬頂桿、壓桿、分柵產(chǎn)生的動(dòng)摩擦力提供，環(huán)氧樹(shù)脂、酸酐固化劑及其它樹(shù)脂催化劑、平流劑等按照一定比例配膠，并一次配夠生產(chǎn)30根的量，用專(zhuān)用攪拌設(shè)備攪拌1 h使其配膠充分均勻的反應(yīng)。生產(chǎn)過(guò)程其它參數(shù)鎖定，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)改變纏繞角度進(jìn)行生產(chǎn)如圖1，并在生產(chǎn)時(shí)編號(hào)如30°A、B、C。

表1　主要原材料主要性能復(fù)檢結(jié)果

圖1　40°纏繞角

試驗(yàn)玻璃鋼管檢驗(yàn):對(duì)生產(chǎn)的每根玻璃鋼進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，合格后從對(duì)應(yīng)起始端切取1 m長(zhǎng)管節(jié)，并對(duì)切口處進(jìn)行壁厚測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2　測(cè)量壁厚記錄

4　試驗(yàn)

短時(shí)失效水壓試驗(yàn):按照API 15HR 2001要求進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)從4 MPa開(kāi)始以0.5 MPa依次遞增直至出現(xiàn)失效裂紋且每個(gè)壓力下保壓1分鐘，記錄保壓狀態(tài)失效試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3　記錄保壓狀態(tài)失效

縱向拉伸試驗(yàn):縱向拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)在截下的1 m短節(jié)上取樣，試驗(yàn)執(zhí)行GB/T 1447－2005標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)選用Ⅰ型試樣如圖2，抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)記錄見(jiàn)表4。

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表4　縱向抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)記錄

5　試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

5.1靜水壓短時(shí)失效試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)失效壓力值(圖3)分析:短時(shí)水壓失效壓力隨纏繞角度變化分為兩個(gè)階段，第一段30°～35°、第二段40°～85°，其中第一段失效壓力較小而且跳動(dòng)幅度較大相同纏繞角度變化2 MPa，第二段失效壓力跳動(dòng)相對(duì)第一階段平穩(wěn)基本保持在某一個(gè)壓力，特別是85°纏繞角的3根管失效壓力均在13 MPa，其它相同角度變動(dòng)最大1 MPa。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)失效壓力均值(圖4)分析:隨著纏繞角度的增大短時(shí)失效壓力總體上是增大的，30°～40°之間壓力增加明顯，過(guò)了45°纏繞角后其試驗(yàn)壓增加放緩，值得注意的是45°～75°的纏繞角度變化對(duì)失效壓力影響較為平穩(wěn)，30°～40°及大于75°的纏繞角度變化對(duì)其短時(shí)水壓失效壓力影響較大。

圖3　失效壓力各值統(tǒng)計(jì)

圖4　失效壓力均值統(tǒng)計(jì)

5.2縱向(軸向)拉伸試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析

從縱向抗拉試驗(yàn)記錄統(tǒng)計(jì)的縱向抗拉各值(圖5)分析:30°～65°纏繞角生產(chǎn)的3根玻璃鋼管抗拉強(qiáng)度波動(dòng)，相對(duì)于75°～85°纏繞角玻璃鋼管的抗拉強(qiáng)度波動(dòng)要小得多，相同纏繞角度最大波動(dòng)僅13 MPa，而85°纏繞角玻璃鋼管的抗拉強(qiáng)度波動(dòng)高達(dá)44 MPa;從抗拉強(qiáng)度數(shù)值來(lái)看，其85°纏繞角玻璃鋼管最大抗拉強(qiáng)度值不到30°纏繞角玻璃鋼管抗強(qiáng)度的三分之一;值得注意的是45°纏繞角玻璃鋼管的抗拉強(qiáng)度最平穩(wěn)波動(dòng)僅5 MPa。

對(duì)縱向抗拉試驗(yàn)記錄均值(圖6)分析:表明隨著纏繞角度的增大玻璃鋼管縱向抗拉強(qiáng)度逐漸減小，在30° ～45°和60°～85°范圍的纏繞角玻璃鋼管縱向抗拉強(qiáng)度減小明顯;從抗拉數(shù)值上分析85°纏繞角玻璃鋼管抗拉強(qiáng)度僅77 MPa，不足30°纏繞角玻璃鋼管抗拉強(qiáng)度的四分之一; 45°～60°纏繞角玻璃鋼管的縱向抗強(qiáng)度較為平穩(wěn)。

圖5　縱向抗拉強(qiáng)度各值統(tǒng)計(jì)

圖6　縱向抗拉強(qiáng)度均值統(tǒng)計(jì)

5.3橫向抗拉強(qiáng)度分析

玻璃鋼管屬于脆性材料，沒(méi)有明顯拉伸屈服點(diǎn)，破壞征兆不明顯［4］。本次7組21個(gè)縱向拉伸試驗(yàn)均無(wú)明顯屈服，如特別典型的85°纏繞角A管拉伸曲線(力－位移)圖7，由圖7可以看出玻璃鋼管的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度相同或者說(shuō)無(wú)屈服，因此依據(jù)API 5L中公式P = 2St/ D反推S = PD/2t其中P為短時(shí)水壓失效壓力、D為玻璃鋼管外徑157 mm、t為壁厚3.5 mm，將各纏繞角玻璃鋼管的短時(shí)失效壓力代入S = PD/2t公式，求出對(duì)應(yīng)橫向抗拉強(qiáng)度見(jiàn)抗拉均值(圖8)。由圖可以看出:橫向抗拉強(qiáng)隨著纏繞角度的增大抗拉強(qiáng)度同步增大，45°～75°范圍纏繞角橫向抗拉強(qiáng)度較為平穩(wěn);85°纏繞角玻璃鋼管最大橫向抗拉強(qiáng)度是30°纏繞角玻璃鋼管抗拉強(qiáng)的2.51 倍;相同纏繞角玻璃鋼管的縱向抗強(qiáng)度與橫向抗拉強(qiáng)度比較，小于45°纏繞角的玻璃鋼管縱向抗拉強(qiáng)度大于橫向抗拉強(qiáng)度，大于45°纏繞角玻璃鋼管的縱向抗拉強(qiáng)度小于橫向抗拉強(qiáng)度，且纏繞角的變化對(duì)縱向抗拉強(qiáng)度影響比橫向抗強(qiáng)度要明顯。

圖7　85°纏繞角C管拉伸圖(橫截面面積39 mm2)

圖8　縱向抗拉強(qiáng)度均值表

6　纏繞角度變化的實(shí)質(zhì)影響分析

6.1纏繞角度的變化引起垂直芯模橫向張力的變化

纏繞角度的變化，是通過(guò)分沙柵機(jī)構(gòu)在橫梁上移動(dòng)速度的變化來(lái)調(diào)節(jié)，螺旋纏繞玻璃鋼管生產(chǎn)過(guò)程的張力來(lái)源于纖維紗線通過(guò)羊眼孔及壓桿和浸膠纖維紗線通過(guò)頂桿及分沙柵的動(dòng)摩擦力。由動(dòng)摩擦公式F =μ× FN可知在生產(chǎn)過(guò)程中總的張力是保持不變的，即使纏繞速度因纏繞角度變化發(fā)生變動(dòng)也不會(huì)引起總張力的變。然而纏角度的變化改變了張力的分布，由垂直芯模的橫向張力F1= F×sin θ可知隨著纏繞角度的增大橫向纏繞張力分量也將增大。纏繞張力的大小直接影響玻璃鋼管的形成和力學(xué)性能，張力過(guò)小排布會(huì)出現(xiàn)誤差強(qiáng)度低，張力過(guò)大在纏繞過(guò)程中纖維有可能受損強(qiáng)度降低，在適當(dāng)?shù)膹埩ο码S著張力的增大強(qiáng)度會(huì)增大［5］。

6.2纏繞角度的變化對(duì)玻璃鋼管線型影響

由圖9可以看出螺旋纏繞時(shí)纖維沙分柵完成一個(gè)單程纏繞后的紗線與下一個(gè)單程纏繞的紗線不相切，而留存很大的間隙，要使纖維均勻布滿(mǎn)芯模表面，就必須往返重復(fù)纖維分柵纏繞一定次數(shù)的兩個(gè)單程纏繞，才能填滿(mǎn)這些間隙，往返次數(shù)由螺距及目標(biāo)壁厚決定，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壁厚一定其影響因素只有螺距。由L =πD cosθ(L—螺距、D芯模直徑、θ纏繞角度)可知隨著纏繞角度θ的變化其螺旋纏繞的螺距必將發(fā)生變化，最終影響到玻璃鋼管纖維纏繞線型，如圖9所示。

圖9　浸膠玻璃纖維紗線纏繞分布

由圖10分析，隨著纏繞角度的增大玻璃纖維沙線與玻璃鋼管的縱軸線夾角隨之增大。較大纏繞角度的玻璃鋼管相對(duì)于較小纏繞角度的玻璃鋼管在進(jìn)行水壓失效試驗(yàn)時(shí)，玻璃纖維承擔(dān)的環(huán)向應(yīng)力分量要大，雖然玻璃纖維以均勻網(wǎng)格形式與樹(shù)脂膠液固化為整體，其承受環(huán)向應(yīng)力及縱向應(yīng)力的分量不完全按照sin θ及cosθ分配，但樹(shù)脂相對(duì)與玻璃纖維其強(qiáng)度小的多屬于韌性材料，在玻璃鋼管中主要起連接作用、緩沖和較小的粘接強(qiáng)度，管體主要強(qiáng)度是靠玻璃纖維提供;目前直徑在15.3 μm的強(qiáng)度在2 480 MPa以上，直徑13.6 μm的強(qiáng)度在2 480 MPa以上，直徑10 μm的強(qiáng)度3 000 MPa以上［6］，因此出現(xiàn)隨著纏繞角度的增大水壓失效壓升高的試驗(yàn)現(xiàn)象。相反在進(jìn)行管體縱向拉伸試驗(yàn)時(shí)隨著玻璃鋼管纏繞角度的增加，其玻璃纖維承受應(yīng)力分量cos θ減小，連接樹(shù)脂承受應(yīng)力分量相對(duì)增加，導(dǎo)致整體抗拉強(qiáng)度相對(duì)較小纏繞角度要小，出現(xiàn)縱向抗拉強(qiáng)度隨著纏繞角度的增大相對(duì)降低。

圖10　受力分量示意

7　結(jié)論

通過(guò)DN150壁厚3.5 mm高壓玻璃鋼管30°、35°、40°、45°、60°、75°、85°系列纏繞角度試驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出大管徑螺旋纏繞高壓玻璃鋼管生產(chǎn)纏繞角度變化對(duì)其水壓失效強(qiáng)度及縱向抗拉強(qiáng)度影響的以下結(jié)論:

1)隨著纏繞角度的增大，玻璃鋼管生產(chǎn)過(guò)程中纖維纏繞張力分布及纏繞線型將發(fā)生變化，環(huán)向承受應(yīng)力能力隨之升高，而在水壓試驗(yàn)過(guò)程中管體主要受到較大的環(huán)向應(yīng)力，軸向應(yīng)力很小，因此水壓失效壓力相對(duì)升高。

2)隨著纏繞角度的增大，玻璃鋼管生產(chǎn)過(guò)程中纖維纏繞張力分布及纏繞線型將發(fā)生變化，軸向承受應(yīng)力能力隨之降低，在軸向拉伸試驗(yàn)過(guò)程中管體主要受到較大的軸向應(yīng)力，因此軸向抗拉強(qiáng)度相對(duì)降低。

3)相同纏繞角玻璃鋼管的縱向抗強(qiáng)度與橫向抗拉強(qiáng)度比較，小于45°纏繞角玻璃鋼管的縱向抗拉強(qiáng)度大于橫向抗拉強(qiáng)度，大于45°纏繞角的玻璃鋼管縱向抗拉強(qiáng)度小于橫向抗拉強(qiáng)度;同時(shí)纏繞角的變化對(duì)縱向抗拉強(qiáng)度影響比橫向抗強(qiáng)度要明顯。

4)綜合考慮為確保螺旋纏繞玻璃鋼管的綜合力學(xué)性能，建議選擇45°～65°之間較為穩(wěn)定且環(huán)向及縱向承受應(yīng)力相對(duì)均勻的纏繞角度。

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·失效分析與預(yù)防·

The Influence of Winding Angle on Strength of Large Diameter Spirally Wound High Strength FRP Pipe

LU Weizhuo1，GUO Longchuang2，ZHOU Songling3，GUO Lijun1
(1.Beijing Longshine Petroleum Pipe Technology Co.Ltd.Beijing 100101，China; 2.BaoTi Group Co.Ltd.Baoji，Shaanxi 721014，China; 3.Lianyungang Zhongfu Lianzhong Composites Group CO.，Ltd.Lianyungang，Hebei 222006，China)

Abstract:The failure strength of the hydrostatic test of large diameter spirallywound high strength FRP pipe changed obviously caused by the change of the winding angle was analyzed.Producing 3 each type of DN150 high pressure FRP pipes by set different winding angles of 30° ，35°，40°，45°，60°，75°，85°with producing processes and parameters unchanged.Failure strength tests of short term water pressure and longitudinal tensile tests were carried out under the same conditions.The influence of the winding angle on the strength of spirally wound high pressure FRP pipe was summarized through the analysis of the experimental data.

Key words:large diameter; spirally wound high strength FRP pipe; winding angle; strength

(收稿日期:2015－11－16編輯:屈憶欣)

第一作者簡(jiǎn)介:盧衛(wèi)卓，男，1984年生，工程師，2008年畢業(yè)于陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院焊接專(zhuān)業(yè)，設(shè)備監(jiān)理師、國(guó)際焊接檢驗(yàn)師，現(xiàn)就職于北京隆盛泰科石油管科技有限公司主要從事油氣輸送管線、油氣開(kāi)采用鋼管、彎管、玻璃鋼管、玻璃鋼設(shè)備、法蘭等設(shè)備的生產(chǎn)檢驗(yàn)、檢測(cè)、質(zhì)量監(jiān)督及海底管線安裝施工質(zhì)量監(jiān)督工作。E-mail: 565486360@ qq.com

中圖法分類(lèi)號(hào):TQ327.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):2096－0077(2016)01－0036－04