李大治，周正偉，馮金茂，陸國強，張明志，金建強

(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)，會導致金屬管道腐蝕、石油泄漏，造成環(huán)境污染和經(jīng)濟損失，因而需要用耐腐蝕且強度高的管道替代金屬管道。部分廠家采用復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塑料管。由于玻璃鋼管脆性大、連接不便，石油中的氣體會慢慢滲透進入鋼絲復合管內(nèi)部從而腐蝕鋼絲，纖維束增強復合管中的纖維未與樹脂浸漬，纖維強度會發(fā)生不可預測的損失，這些復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，故將管道結構設計為粘結型玻纖預浸帶纏繞增強復合管，采用3層結構，內(nèi)層防腐蝕、中間層增強、外層抗刮擦，而且增強層中的玻纖不會被氣體腐蝕，其優(yōu)勢明顯[1-4]。

國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了玻纖預浸帶纏繞增強復合管設備，如昆山吉瑪格、合肥神馬、克勞斯瑪菲等。國內(nèi)也有部分廠家購買了設備進行生產(chǎn)，如勝利新大、海恩橡塑、滄州明珠、江蘇賽爾等。目前玻纖預浸帶增強的復合管用量很小，主要用在溫泉水輸送、集中供熱二級管網(wǎng)、深層地熱、油田集輸油等領域，各廠家按照自己的企標或者參考其他標準對復合管進行測試，在滿足強度、耐溫性能及連接可靠的情況下直接投入了市場。目前各科研院所及高校對該種復合管的理論研究較少，主要是浙江大學白勇教授課題組對增強復合管進行過相關理論研究[5]，但對玻纖預浸帶增強的復合管公開報道的文獻極少。本文主要對單向玻纖預浸帶及自制的復合管進行了相關性能研究。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

單向玻纖預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，采用纏繞工藝纏繞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 試驗方法

三點彎曲強度按GB/T 1449—2005測試，短梁剪切強度按JC/T 773—2010測試，拉伸強度按GB/T 1447—2005測試，環(huán)剛度按GB/T 5352—2005測試，短期爆破強度按GB/T 6111—2003測試。測試設備有承德市金建檢測儀器有限公司的XHG系列環(huán)剛度試驗機、深圳萬測試驗設備有限公司的WANCE微機控制電子萬能試驗機、承德市精密試驗機有限公司的爆破強度試驗機、舜宇光學科技(集團)有限公司的光學顯微鏡。

2 結果與討論

2.1 玻纖預浸帶橫截面形貌

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

圖1 玻纖預浸帶橫觀形貌(X100)

2.2 玻纖/聚乙烯單向帶力學性能

表1為玻纖/聚乙烯單向帶復合材料的三點彎曲、短梁剪切和拉伸測試結果，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為方向3，其單向帶性能與方向2相同。可以看出，對于三種力學測試，都是沿纖維方向得到的強度和模量均比垂直纖維方向大。在做力學分析時，可忽略與纖維垂直方向的拉力，在復合材料的網(wǎng)絡理論中，經(jīng)常不考慮樹脂的影響。

表1 玻纖/聚乙烯單向帶復合材料力學性能 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試時，拉伸強度表現(xiàn)的是玻璃纖維與聚乙烯樹脂的粘結強度，垂直拉伸時，樹脂與纖維容易分離，拉伸強度小。三點彎曲和短梁剪切測試時，由于纖維與樹脂復合后形成剛體，當載荷與纖維垂直時，變形難度比載荷與纖維平行時大，而且載荷與纖維平行時，破壞主要是克服纖維與樹脂之間的結合力，該結合力相對較小。

2.3 管材環(huán)剛度性能

環(huán)剛度是用來表征管材在受到外力作用時抵抗變形的能力。管材在受到外部壓力壓縮時，會向下變形，變形越小，抵抗外力能力越強，變形越大，說明其抵抗外力能力越差。表2給出了管材纏繞增強層前后的環(huán)剛度測試結果，可以看出，塑料管材環(huán)剛度為20 kN/m2,經(jīng)過纏繞增強后的復合管的環(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，說明纏繞增強層具有明顯的增加環(huán)剛度的效果。管材在使用過程中，若用復合管來替代純塑料管，安裝時可以降低挖溝深度，從而降低成本。

表2 管材環(huán)剛度及短期爆破強度測試結果

2.4 管材短期爆破性能

管材短期爆破強度是用來表征管材耐壓能力的一個關鍵參數(shù)，工作壓力不能超過短期爆破強度的三分之一。表2給出了管材在纏繞增強層前后的短期爆破強度測試結果，可以看出，管材纏繞增強層前的短期爆破強度為3.18 MPa,工作壓力可設計為1 MPa。管材經(jīng)過纏繞增強后的短期爆破強度隨著增強層數(shù)的增加一直增大，說明帶材的增強效果明顯，但仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著層數(shù)的增多，額外多纏繞2層的增強效果并沒有前面纏繞2層的增強效果顯著，增加的量是逐漸變小的，主要是因為隨著纏繞層數(shù)的增多，增強層內(nèi)的缺陷增多，而且在外面額外纏繞2層時所在的半徑增大，多方面原因?qū)е铝藦姸仍黾恿康臏p少。

2.5 短期爆破強度力學理論分析

2.5.1 力平衡法模型

玻纖預浸帶纏繞增強復合管在受內(nèi)壓過程中，增強層和內(nèi)襯層同時受力，采用力平衡法來計算復合管的爆破壓力，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]。

復合管的軸向爆破壓力為：

(1)

復合管的環(huán)向爆破壓力為：

(2)

復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)絡理論

聚乙烯PE100塑料管的設計應力為其最小要求靜液壓強度與總體設計系數(shù)的比值，其值為8 MPa。聚乙烯塑料管的破壞壓力與設計應力及管材的公稱直徑和公稱壁厚的關系如下[7]：

(4)

式中，ppe為塑料管的破壞壓力，MPa；σs為塑料管的設計應力，MPa；dn為塑料管公稱直徑，mm；en為塑料管公稱壁厚，mm。

根據(jù)網(wǎng)絡理論[8]可知增強層發(fā)生破壞時提供的壓力為：

(5)

式中，σc為玻纖預浸帶拉伸強度，MPa；t為增強層厚度，mm；D為增強層中面直徑，mm；pc為增強層提供的壓力，MPa。

復合管的破壞壓力為塑料管和增強層破壞時的壓力之和。

2.5.3 Knapp理論

Knapp通過對電纜纏繞理論的相關研究，得到了纏繞層對芯層的壓力計算方法，由于復合管增強層纏繞厚度不大，并結合相關文獻報道[5, 9]，可知復合管在受內(nèi)壓時的增強層產(chǎn)生的徑向壓力為：

(6)

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

復合管的破壞壓力為塑料管道和增強層破壞時產(chǎn)生的壓力之和。

用3種方法計算的短期爆破強度值見表3?？梢钥闯?，采用網(wǎng)絡理論計算的結果與實測結果最接近，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致計算結果偏大的。

表3 不同方法計算的短期爆破強度值 MPa

3 結 論

1)用光學顯微鏡觀察到玻纖預浸帶中纖維與樹脂浸漬良好。

2)單向玻纖預浸帶的力學性能隨施加載荷方向的不同而不同，對于三點彎曲、短梁剪切及拉伸強度測試，沿纖維方向比垂直纖維方向所得到的強度和模量都大。

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

4)用3種不同的方法對復合管的短期爆破強度進行了理論計算，發(fā)現(xiàn)用網(wǎng)絡理論計算的結果與實測結果最為接近，用力平衡法計算結果偏差最大。