连续纤维带缠绕增强热塑性复合管短期爆破压力测试及理论分析

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(1.浙江大学高分子科学与工程学系 浙江 杭州 310027；2.浙江伟星新型建材股份有限公司 浙江 临海 317000)

·试验研究·

连续纤维带缠绕增强热塑性复合管短期爆破压力测试及理论分析

周正伟1，2，李俊光2，陈平2，陈宏2，冯济斌2，冯金茂2

(1.浙江大学高分子科学与工程学系 浙江 杭州 310027；2.浙江伟星新型建材股份有限公司 浙江 临海 317000)

对不同层数玻纤带增强的复合管进行了短期爆破压力测试，并采用力平衡法推导出了纤维复合管在不受温度影响下的短期爆破压力计算公式。短期爆破压力随着增强层层数的增加而增大，比较了两张情况下的短期爆破压力计算结果，计算结果说明了玻纤带层数的增加可以导致短期爆破压力增大，同时还发现复合管发生的是轴向破坏，内衬层对复合管的爆破压力不能忽略。

纤维复合管；短期爆破压力；理论计算

0 引 言

目前我国石油行业使用的管材主要是金属管材，这些金属管材在运输石油的时候，由于石油成分复杂，如含有O2、S2-、Cl-及CO2等，极易造成腐蚀，造成管材发生渗漏或者泄露，导致环境污染，经济损失严重。为了减少金属管材的腐蚀、石油泄露及环境污染和经济损失，研究人员开发了一些其它管材来替代金属管材。塑料管材耐腐蚀性强，水力阻力小，但其工作压力不够大，金属管材工作压力大，但耐腐蚀性差，因此就需要将金属管材的高耐压及塑料管材的高耐蚀性结合在一起。纤维增强复合管材就能够很好地将塑料管材和金属管材的优点结合在一起。纤维增强复合管材有热固性的玻璃钢管和热塑性的复合管，玻璃钢管材在使用时脆性大，连接不便，时间长了可能发生泄漏，而热塑性复合管生产时能够采用盘管方式收集并且运输方便，连接接头少，有着良好的应用前景[1]。

浙江大学郑津洋教授课题组[2]对钢丝增强的复合管进行了详细的理论分析，白勇教授课题组[3,4]研究了芳纶纤维增强的热塑性复合管道的力学性能，而玻璃钢管道的结构设计和性能研究报道较多[5-8]。目前，国内有些厂家对纤维带增强的复合管道进行了制备研究，但对其理论分析及实验研究的相关报道较少。作者采用连续单向玻纤带缠绕增强HDPE内衬管制备出复合管材，用爆破压力试验机对其进行了短期爆破压力测试。还根据材料力学的截面法和力平衡法，对复合管进行受力分析，建立了复合管受均匀内压时的力学模型，推导出复合管短期爆破压力的计算公式，并和实验结果进行了对比。

1 实验部分

实验用的内衬管为HDPE管，连续纤维带是玻璃纤维增强HDPE的纤维带，尺寸及材料性能参数见表1。实验方法按照国标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》及城镇建设行业标准CJ/T 189—2007《钢丝网骨架塑料(聚乙烯)复合管材及管件》，使用爆破试验机对复合管进行加压，记录复合管短期爆破压力，每个尺寸的复合管的短期爆破压力测试3个样品，本次实验中玻纤带的缠绕角度为87°。

表1 复合管尺寸及材料性能参数

2 理论分析

采用材料力学截面法和力平衡法对复合管的短期爆破压力进行预测，考虑两种情况；第一种情况是只有增强层受力，忽略内衬层受力；第二种情况是增强层和内衬层同时受力。在进行受力分析时，假设玻纤带在增强前后厚度不变，纤维与树脂基体之间的结合是良好的，不考虑缺陷的存在，玻纤带与内衬层之间的结合也是理想状态。

2.1 只有增强层受力的情况

假设复合管中只有增强层受力，忽略内层HDPE受力，则由复合管轴向载荷平衡条件得：

(1)

式中，σc为纤维带拉伸强度， MPa；r0为内衬层内壁半径，mm;r1为内衬层外壁半径，也即增强层内壁半径，mm;r2为增强层外壁半径，mm;α为玻纤带缠绕方向与管材轴向夹角，°；p0为复合管内均匀压力， MPa；

将复合管的内衬层、增强层的尺寸，玻纤带的拉伸强度、缠绕角度，复合管内压力代入上式可得到复合管的轴向爆破压力为：

(2)

同理可得复合管环向载荷平衡条件为：

(3)

将各参数代入上式可得到复合管的环向爆破压力为：

(4)

式中，

(5)

复合管短期爆破压力为轴向爆破压力和环向爆破压力的最小值，即：

(6)

2.2 增强层和内衬层同时受力的情况

假设复合管中增强层和内衬层同时受力，则由复合管轴向载荷平衡条件得：

(7)

式中，σm为内衬层树脂在玻纤带断裂时相同断裂伸长率下的拉伸强度。

将各种参数代入上式可以得到复合管的轴向爆破压力为：

(8)

同理可得复合管环向载荷平衡条件：

(9)

将各参数代入上式可得到复合管的环向爆破压力为：

(10)

复合管短期爆破压力为轴向爆破压力和环向爆破压力的最小值，即：

(11)

3 结果与讨论

不同层数玻纤带增强层复合管的短期爆破压力实验及两种方法的计算结果见表2所示。从表中可以看出，短期爆破压力对玻纤带的增强效果比较敏感，随着增强层数的增加而增加，但并没有随着层数的增加而无限制增加，这与其缠绕角度有关。从图1中可以看出，在打压的过程中，复合管先发生弯曲，说明轴向力比环向力小，当弯曲到一定程度后才发生爆破破坏，在复合管中间的增强层玻纤带发生脆性断裂，内衬层树脂基体并未发生大变形，而是在玻纤带发生断裂后随即发生破裂，形成一个近似椭圆形的孔洞，同样说明了该复合管轴向强度比环向强度小。

表2 缠绕不同层数的复合管爆破压力实验值与计算值

图1 复合管短期爆破压力测试后的形态

图2、图3分别为玻纤带和HDPE的应力应变曲线。从图中可以看出，玻纤带发生的是脆性断裂，而HDPE发生的是大变形，在拉伸过程的初期阶段，玻纤带和HDPE的应力与应变关系呈线性关系。从图2中可以看出，玻纤带发生断裂时其应变为约6.7%，此变形时的HDPE的应力约为6.3 MPa，而HDPE的断裂拉伸强度约为22 MPa，在利用(2)、(4)、(8)、(10)式进行计算时，考虑了HDPE的拉伸强度两种取值的情况，其计算结果见表2。对比只有增强层受力情况下的轴向和环向短期爆破强度可知，其环向短期爆破强度比轴向短期爆破强度大得多，因此也说明了在给复合管做短期爆破强度试验时，其要先发生弯曲然后再发生爆破，增强层和内衬层同时受力的这种情况也说明了复合管先弯曲后破坏。对比增强层和内衬层受力情况下的轴向短期爆破强度和复合管的实验测试结果可以发现，随着增强层层数的增加，短期爆破压力都是增大的，当取内衬管的受力为6.3 MPa时，所计算得到的结果比实验值小，而取内衬管受力为22 MPa时，其结果与实验值相差小，尤其是在对比未缠绕玻纤带的情况下，用22 MPa取值的计算结果与实验值接近，可以说明在计算时，需要考虑内衬层受力，且当复合管发生爆破时，内衬管和增强层是同时达到最大强度值的，而不是内衬层只达到了与增强层同破坏应变时所对应的强度。

图2 玻纤带应力应变关系曲线

图3 HDPE应力应变关系曲线

同时对比只有增强层受力的情况与增强层和内衬层同时受力的情况可以发现，内衬层的受力不可忽略，这可能与缠绕角度的大小有关，同时也与内衬层的厚度有关。可以通过对内衬层的厚度进行设计，以及对缠绕角度进行调整，以制备出性能更好的复合管。

4 结 论

1)通过短期爆破压力实验，发现玻纤带对HDPE管有很好的增强效果，可通过调整玻纤带的缠绕角度，以获得力学性能更好的复合管。

2)在87°的缠绕角度下，复合管为轴向破坏，其破坏形式为脆性破坏，其轴向短期爆破强度远小于环向短期爆破强度。

3)复合管发生爆破时，内衬层的强度同时也达到了最大值。计算时，不能只考虑增强层的增强效果，需要同时考虑内衬层的受力作用。

4)通过推导的计算公式能够将实验值与计算值进行对比，调整工艺参数制备性能更好的复合管。

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ExperimentalandTheoryAnalysisonShortTermBurstPressureoftheContinuousFiberTapeReinforcedThermoplasticCompositePipes

ZHOUZhengwei1,2,LIJunguang2,CHENPing2,CHENHong2,FENGJibin2,FENGJinmao2

(1.DepartmentofPolymerScienceandEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310027,China;2.ZhejiangWeixingNewBuildingMaterialsCo.Ltd.,Linhai，Zhejiang317000，China)

The short term burst pressures tests for the thermoplastic composite pipes reinforced by glass fiber tape with different plies were conducted, and the short term burst pressure calculating equations for the composite pipes without temperature effect were derived by force balance method. The short term burst pressures were increased with the increment of the plies, and the calculation results were compared for the two conditions. The calculation results showed that the increment of glass fiber tape plies could lead to the increasing of pressures, and that the axial damage was occurred. Finally, the short term burst pressure of the inner affected for the composite pipe cannot be ignored.

fiber composite pipes; short term burst pressure; theory calculation

周正伟，男，1986年生，博士，2015年毕业于上海大学材料学专业，目前主要从事纤维增强热塑性复合管道应用技术研究。E-mail:zhouzhengwei@shu.edu.cn

TQ327

A

2096-0077(2017)06-0047-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.013

2017-03-09

屈忆欣)