李大治，周正偉，馮金茂，陸國(guó)強(qiáng)，張明志，金建強(qiáng)

(浙江偉星新型建材股份有限公司 浙江 臨海 317000)

0 引 言

石油集輸管線采用的管道大多是金屬管道，但由于石油中含有Cl-、H2S、CO2等腐蝕性物質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致金屬管道腐蝕、石油泄漏，造成環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失，因而需要用耐腐蝕且強(qiáng)度高的管道替代金屬管道。部分廠家采用復(fù)合管道替代金屬管道，如玻璃鋼管道。高密度聚乙烯管道具有較好的耐腐蝕抗結(jié)垢性能，但承壓能力低，因此有人提出用鋼絲或纖維束纏繞增強(qiáng)塑料管。由于玻璃鋼管脆性大、連接不便，石油中的氣體會(huì)慢慢滲透進(jìn)入鋼絲復(fù)合管內(nèi)部從而腐蝕鋼絲，纖維束增強(qiáng)復(fù)合管中的纖維未與樹(shù)脂浸漬，纖維強(qiáng)度會(huì)發(fā)生不可預(yù)測(cè)的損失，這些復(fù)合管都存在安全隱患。為了提高管道的安全性能，方便安裝施工，故將管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為粘結(jié)型玻纖預(yù)浸帶纏繞增強(qiáng)復(fù)合管，采用3層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層防腐蝕、中間層增強(qiáng)、外層抗刮擦，而且增強(qiáng)層中的玻纖不會(huì)被氣體腐蝕，其優(yōu)勢(shì)明顯[1-4]。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)了玻纖預(yù)浸帶纏繞增強(qiáng)復(fù)合管設(shè)備，如昆山吉瑪格、合肥神馬、克勞斯瑪菲等。國(guó)內(nèi)也有部分廠家購(gòu)買(mǎi)了設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，如勝利新大、海恩橡塑、滄州明珠、江蘇賽爾等。目前玻纖預(yù)浸帶增強(qiáng)的復(fù)合管用量很小，主要用在溫泉水輸送、集中供熱二級(jí)管網(wǎng)、深層地?zé)?、油田集輸油等領(lǐng)域，各廠家按照自己的企標(biāo)或者參考其他標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合管進(jìn)行測(cè)試，在滿(mǎn)足強(qiáng)度、耐溫性能及連接可靠的情況下直接投入了市場(chǎng)。目前各科研院所及高校對(duì)該種復(fù)合管的理論研究較少，主要是浙江大學(xué)白勇教授課題組對(duì)增強(qiáng)復(fù)合管進(jìn)行過(guò)相關(guān)理論研究[5]，但對(duì)玻纖預(yù)浸帶增強(qiáng)的復(fù)合管公開(kāi)報(bào)道的文獻(xiàn)極少。本文主要對(duì)單向玻纖預(yù)浸帶及自制的復(fù)合管進(jìn)行了相關(guān)性能研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

單向玻纖預(yù)浸帶由中廣核俊爾新材料有限公司提供，其采用E玻纖，玻纖質(zhì)量含量為65%，基體樹(shù)脂為高密度聚乙烯。聚乙烯內(nèi)襯管由浙江偉星新型建材股份有限公司自制。

1.2 制備工藝

復(fù)合管采用內(nèi)徑110 mm、外徑125 mm塑料管作為內(nèi)襯，采用纏繞工藝?yán)p繞2/4/6/8層，纏繞角度為±57°，纏繞速度9 mm/s，加熱溫度為150 ℃。

1.3 試驗(yàn)方法

三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度按GB/T 1449—2005測(cè)試，短梁剪切強(qiáng)度按JC/T 773—2010測(cè)試，拉伸強(qiáng)度按GB/T 1447—2005測(cè)試，環(huán)剛度按GB/T 5352—2005測(cè)試，短期爆破強(qiáng)度按GB/T 6111—2003測(cè)試。測(cè)試設(shè)備有承德市金建檢測(cè)儀器有限公司的XHG系列環(huán)剛度試驗(yàn)機(jī)、深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司的WANCE微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、承德市精密試驗(yàn)機(jī)有限公司的爆破強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)、舜宇光學(xué)科技(集團(tuán))有限公司的光學(xué)顯微鏡。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻纖預(yù)浸帶橫截面形貌

圖1為用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)玻纖預(yù)浸帶進(jìn)行澆注，然后經(jīng)過(guò)拋光得到玻纖預(yù)浸帶橫截面。通過(guò)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，玻纖預(yù)浸帶的厚度約為0.3 mm，樹(shù)脂和纖維明顯分為2層，上層是樹(shù)脂，下層是玻纖。樹(shù)脂層的厚度約為帶材厚度的1/4，說(shuō)明帶材在生產(chǎn)過(guò)程中由于玻纖是處于張緊狀態(tài)，而樹(shù)脂基體處于熔融流動(dòng)狀態(tài)，所以樹(shù)脂會(huì)在張緊的玻纖層內(nèi)往外流動(dòng)，從而造成分層。在玻纖層，每一根纖維清晰可見(jiàn)，并未堆積，與樹(shù)脂浸漬充分。

圖1 玻纖預(yù)浸帶橫觀形貌(X100)

2.2 玻纖/聚乙烯單向帶力學(xué)性能

表1為玻纖/聚乙烯單向帶復(fù)合材料的三點(diǎn)彎曲、短梁剪切和拉伸測(cè)試結(jié)果，表中數(shù)字1、2分別表示單向帶沿纖維方向和垂直纖維方向。如圖2所示，垂直纖維的另一方向?yàn)榉较?，其單向帶性能與方向2相同。可以看出，對(duì)于三種力學(xué)測(cè)試，都是沿纖維方向得到的強(qiáng)度和模量均比垂直纖維方向大。在做力學(xué)分析時(shí)，可忽略與纖維垂直方向的拉力，在復(fù)合材料的網(wǎng)絡(luò)理論中，經(jīng)常不考慮樹(shù)脂的影響。

表1 玻纖/聚乙烯單向帶復(fù)合材料力學(xué)性能 MPa

(1—沿著纖維方向;2/3—垂直纖維方向)圖2 玻纖/聚乙烯單向帶示意圖

在做與纖維垂直的拉伸測(cè)試時(shí)，拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)的是玻璃纖維與聚乙烯樹(shù)脂的粘結(jié)強(qiáng)度，垂直拉伸時(shí)，樹(shù)脂與纖維容易分離，拉伸強(qiáng)度小。三點(diǎn)彎曲和短梁剪切測(cè)試時(shí)，由于纖維與樹(shù)脂復(fù)合后形成剛體，當(dāng)載荷與纖維垂直時(shí)，變形難度比載荷與纖維平行時(shí)大，而且載荷與纖維平行時(shí)，破壞主要是克服纖維與樹(shù)脂之間的結(jié)合力，該結(jié)合力相對(duì)較小。

2.3 管材環(huán)剛度性能

環(huán)剛度是用來(lái)表征管材在受到外力作用時(shí)抵抗變形的能力。管材在受到外部壓力壓縮時(shí)，會(huì)向下變形，變形越小，抵抗外力能力越強(qiáng)，變形越大，說(shuō)明其抵抗外力能力越差。表2給出了管材纏繞增強(qiáng)層前后的環(huán)剛度測(cè)試結(jié)果，可以看出，塑料管材環(huán)剛度為20 kN/m2,經(jīng)過(guò)纏繞增強(qiáng)后的復(fù)合管的環(huán)剛度隨著纏繞層數(shù)的增加一直增大，纏繞2層后，環(huán)剛度增加1.7倍，環(huán)剛度增加明顯，說(shuō)明纏繞增強(qiáng)層具有明顯的增加環(huán)剛度的效果。管材在使用過(guò)程中，若用復(fù)合管來(lái)替代純塑料管，安裝時(shí)可以降低挖溝深度，從而降低成本。

表2 管材環(huán)剛度及短期爆破強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.4 管材短期爆破性能

管材短期爆破強(qiáng)度是用來(lái)表征管材耐壓能力的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，工作壓力不能超過(guò)短期爆破強(qiáng)度的三分之一。表2給出了管材在纏繞增強(qiáng)層前后的短期爆破強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，可以看出，管材纏繞增強(qiáng)層前的短期爆破強(qiáng)度為3.18 MPa,工作壓力可設(shè)計(jì)為1 MPa。管材經(jīng)過(guò)纏繞增強(qiáng)后的短期爆破強(qiáng)度隨著增強(qiáng)層數(shù)的增加一直增大，說(shuō)明帶材的增強(qiáng)效果明顯，但仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著層數(shù)的增多，額外多纏繞2層的增強(qiáng)效果并沒(méi)有前面纏繞2層的增強(qiáng)效果顯著，增加的量是逐漸變小的，主要是因?yàn)殡S著纏繞層數(shù)的增多，增強(qiáng)層內(nèi)的缺陷增多，而且在外面額外纏繞2層時(shí)所在的半徑增大，多方面原因?qū)е铝藦?qiáng)度增加量的減少。

2.5 短期爆破強(qiáng)度力學(xué)理論分析

2.5.1 力平衡法模型

玻纖預(yù)浸帶纏繞增強(qiáng)復(fù)合管在受內(nèi)壓過(guò)程中，增強(qiáng)層和內(nèi)襯層同時(shí)受力，采用力平衡法來(lái)計(jì)算復(fù)合管的爆破壓力，爆破壓力為環(huán)向爆破壓力和軸向爆破壓力中的較小值[6]。

復(fù)合管的軸向爆破壓力為：

(1)

復(fù)合管的環(huán)向爆破壓力為：

(2)

復(fù)合管短期爆破壓力為軸向爆破壓力和環(huán)向爆破壓力的最小值，即：

(3)

2.5.2 網(wǎng)絡(luò)理論

聚乙烯PE100塑料管的設(shè)計(jì)應(yīng)力為其最小要求靜液壓強(qiáng)度與總體設(shè)計(jì)系數(shù)的比值，其值為8 MPa。聚乙烯塑料管的破壞壓力與設(shè)計(jì)應(yīng)力及管材的公稱(chēng)直徑和公稱(chēng)壁厚的關(guān)系如下[7]：

(4)

式中，ppe為塑料管的破壞壓力，MPa；σs為塑料管的設(shè)計(jì)應(yīng)力，MPa；dn為塑料管公稱(chēng)直徑，mm；en為塑料管公稱(chēng)壁厚，mm。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)理論[8]可知增強(qiáng)層發(fā)生破壞時(shí)提供的壓力為：

(5)

式中，σc為玻纖預(yù)浸帶拉伸強(qiáng)度，MPa；t為增強(qiáng)層厚度，mm；D為增強(qiáng)層中面直徑，mm；pc為增強(qiáng)層提供的壓力，MPa。

復(fù)合管的破壞壓力為塑料管和增強(qiáng)層破壞時(shí)的壓力之和。

2.5.3 Knapp理論

Knapp通過(guò)對(duì)電纜纏繞理論的相關(guān)研究，得到了纏繞層對(duì)芯層的壓力計(jì)算方法，由于復(fù)合管增強(qiáng)層纏繞厚度不大，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[5, 9]，可知復(fù)合管在受內(nèi)壓時(shí)的增強(qiáng)層產(chǎn)生的徑向壓力為：

(6)

式中，rn+1為第n層增強(qiáng)層外半徑，mm；r1為第1層增強(qiáng)層內(nèi)半徑，mm。

復(fù)合管的破壞壓力為塑料管道和增強(qiáng)層破壞時(shí)產(chǎn)生的壓力之和。

用3種方法計(jì)算的短期爆破強(qiáng)度值見(jiàn)表3。可以看出，采用網(wǎng)絡(luò)理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果最接近，其次是用Knapp方法，偏差最大的是采用力平衡法，力平衡法是將管材看作剛性物體，忽略了塑料的粘彈性從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大的。

表3 不同方法計(jì)算的短期爆破強(qiáng)度值 MPa

3 結(jié) 論

1)用光學(xué)顯微鏡觀察到玻纖預(yù)浸帶中纖維與樹(shù)脂浸漬良好。

2)單向玻纖預(yù)浸帶的力學(xué)性能隨施加載荷方向的不同而不同，對(duì)于三點(diǎn)彎曲、短梁剪切及拉伸強(qiáng)度測(cè)試，沿纖維方向比垂直纖維方向所得到的強(qiáng)度和模量都大。

3)管材纏繞增強(qiáng)層后，環(huán)剛度及短期爆破強(qiáng)度都顯著增大，隨著層數(shù)的增多，環(huán)剛度及短期爆破強(qiáng)度一直增加。

4)用3種不同的方法對(duì)復(fù)合管的短期爆破強(qiáng)度進(jìn)行了理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)用網(wǎng)絡(luò)理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果最為接近，用力平衡法計(jì)算結(jié)果偏差最大。