周正偉，葉益輝，陳江慧

(浙江偉星新型建材股份有限公司 浙江 臨海 317000)

0 引 言

近年來，纖維增強熱塑性復合管是行業(yè)內越來越受重視的一種復合管，由內外層塑料以及中間增強層組成，內層塑料起著耐腐蝕抗結垢等作用，外層塑料抗刮擦，中間增強層則是增加環(huán)剛度及提高耐壓強度的作用。根據不同的工況條件，可以把復合管設計為不同的結構，從而達到不同的使用效果?？蓱迷谑图?、注水、市政供水、深層地熱及集中供熱等不同領域，前景廣闊，國內外設備廠家開發(fā)出相關制造設備，由管道廠家進行生產制備，并對制備的復合管進行一系列測試。但從目前的發(fā)展狀況來看，工業(yè)生產廠家很少發(fā)表相關研究論文，文獻報道主要集中在鋼絲復合管以及芳綸增強復合管，還有少數關于滌綸復合管的研究結果[1-3]。本文就是采用玻纖預浸帶纏繞增強的熱塑性復合管作為研究對象，測試其短期爆破強度及熱性能，并采用相關理論方法進行計算。本文的目的就是為復合管短期爆破強度設計提供理論依據，減少試驗量，利用更短的時間設計出所需強度的復合管；軸向熱膨脹系數對用于熱介質輸送的復合管是一個重要的結構設計參數，尤其是在復合管安裝施工時需要控制其在受熱情況下的伸長量，對復合管系統(tǒng)的設計提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

復合管內外層為高密度聚乙烯PE100(牌號YGH041H)，由上海石化提供，屈服強度為22 MPa。單向玻纖預浸帶由青島中集創(chuàng)贏復合材料科技有限公司提供，玻纖質量含量為65%，軸向拉伸強度為950 MPa，單層厚度為0.3 mm，纏繞角度為±72°，纏繞層數為4層。復合管內徑為200 mm，外徑為220 mm，復合管內襯層厚度為5.8 mm，中間增強層厚度為1.2 mm，復合管外包覆層厚度為3 mm。其內外層高密度聚乙烯及增強層材料的性能參數見表1和表2。

表1 內外層HDPE及增強層材料性能參數

表2 增強層單層的力學參數

1.2 試驗方法

復合管短期爆破強度按照國標GB/T 15560—1995《流體輸送用塑料管材液壓瞬時爆破和耐壓試驗方法》進行測試。復合管縱向回縮率按照國標GB/T 6671—2001《熱塑性塑料管材縱向回縮率的測定》進行測試。復合管軸向線膨脹系數按照國標GB/T 30086—2013《給水塑料管道軸向線膨脹系數試驗方法》進行測試。

2 理論分析

2.1 Knapp計算方法

Knapp對電纜導電層纏繞芯層時的相關力學性能進行了分析，得出了纏繞層對芯層的壓力計算公式，本文借鑒參考Knapp的計算方法，得到復合管增強層對內層產生的徑向壓力為[4-5]：

(1)

式(1)中：r3為增強層外半徑，mm；r1為增強層內半徑，mm;σc為玻纖預浸帶拉伸強度， MPa；θ為纏繞角度。

聚乙烯PE100塑料管的破壞壓力與管材的公稱直徑和公稱壁厚的關系為：

(2)

式(2)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。

2.2 軸向線膨脹系數計算

帶材的軸向線膨脹系數計算公式為[6]：

(3)

式(3)中：Ef為玻璃纖維彈性模量，GPa；Em為高密度聚乙烯拉伸強度，GPa；vf為玻璃纖維體積分數；vm為高密度聚乙烯體積分數；αf為玻璃纖維熱膨脹系數，℃-1；αm為高密度聚乙烯熱膨脹系數，℃-1。

根據表1和表2的參數可以計算出帶材的軸向線膨脹系數為8.2×10-6℃-1。

帶材的橫向線膨脹系數為：

α2=vf(1+vf)αf+vm(1+vm)αm-(vfvf+vmvm)α1

(4)

式(4)中：νf為玻璃纖維泊松比；νm為高密度聚乙烯泊松比。

將數值代入上述公式可計算出帶材的橫向線膨脹系數為1.45×10-4℃-1。

3 結果和討論

3.1 微觀形貌分析

用場發(fā)射掃描電鏡觀察了復合管增強層的微觀形貌，如圖1所示。由于單絲玻纖橫截面接近圓形，經一定角度纏繞后，其在復合管橫截面上的截面呈橢圓形，經過測量單根玻纖橢圓截面的長軸和短軸，就可以分析出玻纖預浸帶的纏繞角度。

圖1 復合管增強層SEM微觀形貌

通過測量單根玻纖斜截面橢圓的長軸和短軸，經反三角函數計算得到增強4層的復合管的纏繞角度為(72°/-72°/72°/-72°)，與試驗時的纏繞角度一致，如圖2所示。

圖2 單根纖維纏繞時纏繞角度與橢圓長軸短軸示意圖

3.2 短期爆破強度性能測試

纖維增強熱塑性復合管的公稱壓力依據其短期爆破強度進行計算，采用內密封的形式，爆破測試結果為12.1 MPa，其破壞處發(fā)生在復合管體中間部位，破口沿著纖維纏繞方向，如圖3所示。由于纖維層纏繞角度過大，管材破壞時發(fā)生彎曲。

圖3 復合管爆破結果示意圖

復合管受內壓時，內襯層會向外變形擠壓增強層，增強層同樣受力變形擠壓外層，復合管內中外三層同時受力，發(fā)生爆破時，內中外三層都發(fā)生破壞，其爆破強度可認為是三層都發(fā)生破壞的壓力之和。結合公式(1)和公式(2)對復合管的爆破強度進行計算，計算所用的參數如1.1部分所提供，其結果見表3。從表3的結果可見，計算結果與測試結果的數值非常近似，這說明該方法的計算結果是有效和準確的，能用來對復合管的測試結果進行預測。

表3 短期爆破強度值計算值

3.3 縱向回縮率及軸向線膨脹系數測試

根據國標GB/T 6671—2001測試得到復合管的縱向回縮率為0.9，滿足一般使用時縱向回縮率小于3這個行業(yè)要求。根據國標GB/T 30086—2013測試的復合管軸向線膨脹系數為0.22 mm/(m·℃)。

3.4 軸向線膨脹系數理論計算分析

復合管在受到外力及熱應力作用的情況下，其增強層單層正軸向應力應變表達式如下[6]：

(5)

將式(5)進行變形可得：

(6)

式(6)中：

經計算可知：

將式(6)表達為偏軸應力與偏軸應變關系為：

(7)

式(7)中：

m=cosθ,n=sinθ,θ為單層方向角，在本文中纏繞角為±72°。

經計算可知：

Rx|ΔT=1=3.17×10-4

Ry|ΔT=1=3.55×10-4

當復合管外力為零，且溫差絕對值為1 ℃時，從式(7)變形就可得到復合管的線膨脹系數，即：

(8)

(9)

其中tk為第k單層厚度。

通過(8)式可以求出復合管的軸向線膨脹系數為：

(10)

在計算的過程中，將內外層高密度聚乙烯層作為玻璃纖維含量為0的各向同性復合層，這樣就可以將復合管作為一個從內到外均為復合層的體系。在受熱作用下內外層塑料的應力應變關系式為：

(11)

由于其為各向同性，不存在正軸偏軸之分，即有：

(12)

(13)

經計算可知基體的剛度矩陣為：

Rnm|ΔT=1=3.09×10-4

(14)

將以上計算結果代入(9)和(10)中，可得：

(15)

(16)

將式(16)結果代入式(10)中，可計算出在自由狀態(tài)下復合管的軸向線膨脹系數為：

αx=2.01×10-4

實際測試結果軸向線膨脹系數為2.21×10-4℃-1，比計算結果大10%。將其和高密度聚乙烯的膨脹系數相比，有增強層的復合管的線膨脹系數偏大，說明增強層在受熱過程中促進了復合管的伸長，并未起到抑制作用，可能是和纖維層纏繞角度較大有關。

4 結 論

1) 可以采用微觀分析方法計算出纖維預浸帶的纏繞角度，與實際纏繞角度相吻合。

2) 對于大角度纏繞復合管，計算得到的短期爆破強度與實測結果比較接近。

3) 用理論計算方法計算得到的復合管軸向線膨脹系數與實測結果相差10%。

4) 可以用計算方法先計算出復合管的短期爆破強度和軸向線膨脹系數，從而為復合管的結構設計及施工安裝現場應用提供理論依據。