竹缠绕复合管环刚度测试试验

张淑娴 姜夏云 马建新 孙元平 翁 赟

(1 浙江鑫宙竹基复合材料科技有限公司 杭州311253；2 国家林业和草原局竹缠绕复合材料工程技术研究中心 杭州311253)

竹缠绕复合管是以竹材为基体材料， 以热固性树脂为胶黏剂， 采用缠绕工艺制成的管。 具有原料可再生、 承压能力强、 保温性能突出、 抗震抗沉降能力强、 使用寿命长、 节能低碳、 重量轻、 综合造价低等特点。 近年来， 随着竹缠绕复合管中试完成，进入产业化阶段， 竹缠绕复合管应用范围越来越广，而环刚度是衡量管环在外载荷作用下抗径向变形能力的一个重要性能参数[1]。 如果环刚度太小， 其不能够承受外在的载荷而被压坏； 反之， 如果管材的环刚度太大， 必然采用过大的截面惯性矩， 势必会造成材料的浪费[2]。

本文主要测试竹缠绕复合管母管、 母管承插连接处， 以及母管与束节连接后环刚度来分析竹缠绕复合管环刚度的变化， 基于对应竹缠绕复合管环刚度等级， 对承插口连接处环刚度设计及母管与束节连接时束节环刚度的选择给出合理建议。

1 材料与方法

1.1 原材料

竹缠绕复合管： DN 600-10 kN/m2管段3 件； DN 600-10 kN/m2承、 插口各3 件； DN 600-10 kN/m2插口3 件， DN 600-5 kN/m2束节3 件； DN 1 000-7 kN/m2插口4 件， DN 1 000-5 kN/m2束节4 件。 原材料均由浙江鑫宙竹基复合材料科技有限公司制作。

DN 600 对 应 橡 胶 圈 (线 径20 mm； 内 径568 mm) 12 条， DN 1 000 对应橡胶圈 (线径20 mm； 内径940 mm) 8 条。

1.2 试件制备

1.2.1 管段环刚度样品

试样依据标准LY/T 2905-2017 《竹缠绕复合管》[3]制备。 裁切样品长度300 mm， 在标准条件下进行状态调节4 h， 并在相同的环境下进行测试。 标准条件为： 温度(23±2)℃、 相对湿度(50±10)%。

1.2.2 承插口连接及束节连接环刚度样品

依据LY/T 2905-2017 《竹缠绕复合管》 承插口及相同管径对应束节尺寸制备试样。 承插连接或束节连接后， 裁切样品长度300 mm (承插口连接后取承口平行段， 保证插口完全插入承口中； 束节连接取以连接处为中心， 两边各为150 mm 切割)， 在标准条件下进行状态调节4 h， 并在相同的环境下进行测试。 标准条件为： 温度 (23±2)℃、 相对湿度(50±10)%。

1.3 环刚度测试方法

1.3.1 管段环刚度和承插口连接环刚度测试

按照标准《GB/T 5352-2005 纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验方法》[4]进行测试， 测试试件的长度、 试件内径和外径， 压缩径向变形按试件中径的3%计算， 按式(1) 计算得出以 (10±2)mm/min 的压缩加载速度， 即(10±2) mm/min 进行试验， 记录试件3%变形时的力值， 根据公式(2) 计算出每个试件的环刚度值， 重复3 次， 取其平均值。

式(1) 中： V 为加载速度， 取整数， 管径大于500 mm 时可修约到个位数为0 或5， 单位为mm/min； t 为管壁实际测试厚度， 单位mm； D 为管的计算直径， 单位为mm， D ＝Dn+t。

式(2) 中： S 为环刚度， 单位为N/m2； Δy 为管直径变化量， 取试件计算直径的3%， 单位为m；F 为与Δy 相对应的线载荷， 单位为N/m。

1.3.2 束节连接环刚度样品测试

按照标准《GB/T 5352-2005 纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验方法》 进行测试， 测试试件的长度、 试件内径和试件外径， 压缩径向变形按试件中径的3%计算， DN 600 按公式(1) 计算得出的(10±2) mm/min 的加载速度进行试验， DN 1 000按公式(1) 计算得出的(20±2) mm/min 的加载速度进行试验， 记录试件3%变形时的力值。 根据公式(2) 计算出每个试件的环刚度值， 重复3次， 取其平均值。

2 结果与分析

2.1 管段环刚度

管段环刚度的测试结果见表1。 可以看出， DN 600-10 kN/ m2环刚度平均值为10.69 kN/ m2， 符合标准(LY/T 2905-2017) 对管段环刚度的要求， 即不小于10 kN/ m2。

表1 管段DN 600-10 kN/ m2环刚度测试结果

2.2 承插口连接环刚度

承口、 插口连接后环刚度的测定结果见表2。可以看出， DN 600 管承口、 插口的环刚度均为10 kN/ m2， 承插连接后的环刚度平均为19.46 kN/ m2，是承口与插口两者环刚度之和的97.3%。

2.3 束节连接环刚度

DN 600 和DN 1 000 束节连接后环刚度的测定结果见表3。 可见， DN 600 管束节的环刚度为5 kN/m2， 插口的环刚度均为10 kN/ m2， 束节连接后测试的环刚度平均为17.35 kN/ m2， 是束节和插口两者环刚度之和的116%。 DN 1 000 管束节的环刚度为5 kN/ m2， 插口的环刚度为7 kN/ m2， 束节连接后测试的刚度平均为12.89 kN/ m2， 是束节和插口两者环刚度之和的107%。

表2 DN 600 管承插连接后环刚度测试结果

表3 DN 600 和DN 1 000 束节连接后环刚度测试结果

3 结论

试验结果表明， 竹缠绕复合管不论是采用承插连接还是束节连接， 连接处的管环刚度值均大于管材母体的值， 且基本为两者环刚度之和。 由此可以看出， 若在工程要求刚度条件下， 采用承插连接可以适当降低承口处的环刚度， 采用束节连接也可以采取同样的方法降低束节的环刚度。 在满足工程要求的条件下， 可以在很大程度上降低成本。