玻璃纤维增强塑料夹砂管国标条文的说明

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2021年2月7日00:47:11 评论 27
摘要

1范围1.1本规范应用于玻璃纤维(fibre)加强塑料夹砂管,但当管材中石英砂或别的填料的量很小靠近于零时的纯玻璃纤维(fibre)加强塑料管(纯玻璃钢管)也是适用的。FRP(玻璃钢)M管可在市政、化工、电力、石油、农业等领域用作引水管、饮用水管、排污管等,FRP(玻璃钢)M管可铺设在地面和地下,其

1范围

1.1本规范应用于玻璃纤维(fibre)加强塑料夹砂管,但当管材中石英砂或别的填料的量很小靠近于零时的纯玻璃纤维(fibre)加强塑料管(纯玻璃钢管)也是适用的。FRP(玻璃钢)M管可在市政、化工、电力、石油、农业等领域用作引水管、饮用水管、排污管等,FRP(玻璃钢)M管可铺设在地面和地下,其中地下埋管又包括开挖式和非开挖式(如顶管)两种。

纯玻璃钢管若使用(Use)在无内压发生的轴向力要求的状况下,依照JC/T 552要求设计管材分歧理。若按本规范,在管道承受内压发生的轴向力要求的状况下,管材轴向强度(Strength)要求提高了。

1.2、现在世界上生产(production)FRP(玻璃钢)M管较为成熟的并且其产品(product)应用(application)有数万千米的,所采应用(application)的生产(production)工艺(Technology)也仅三种,即定长缠绕工艺(Technology)、连续缠绕工艺(Technology)和离心浇铸工艺(Technology),这三种工艺(Technology)现在都可采用计算机控制进行机械化生产(production),产品(product)性能和质量(quality)稳定可靠。

1.3、工程理论表明,尽管采用定长缠绕工艺(Technology)、连续缠绕工艺(Technology)和离心浇铸工艺(Technology)生产(production)的FRP(玻璃钢)M管各有其特点(Characteristic),但只需达到了一个统一的技能要求,则这三种工艺(Technology)生产(production)的FRP(玻璃钢)M管完全可以(Sure)满意工程使用(Use)要求,如此也便于对FRP(玻璃钢)M管进行工程设计和建立单位的项目治理。因而本规范把三种不同工艺(Technology)生产(production)的FRP(玻璃钢)M管都统一起来纳入本规范。

在咱们参与的福建福清等地的工程,关于不同工艺(Technology)生产(production)的管的初试环向拉伸强度(Strength)要求相同(6倍),工程状况较好。

1.4现在在我国工程中应用(application)的FRP(玻璃钢)M管最大直径为3 100mm,最大压力为2.0MPa,埋地管最高刚度等级达到10 000N/m2。潜在的工程需要直径更大的FRP(玻璃钢)M管,而已有厂家(Manufactor)生产(production)出公称直径为4000mm的FRP(玻璃钢)M管并经过了管材性能检测,故本规范中FRP(玻璃钢)M管的公称直径范围肯定为100mm~4 000mm,压力为0.1MPa~2.5MPa--------------,管刚度在1250N/m2~10 000N/m2。而且,公称直径和压力等级、管刚度等级不在本规范规定范围内的FRP(玻璃钢)M管,也可参照本规范。

2规范性引用文件

引用规范中,除GB/T 1634.2-2004和ISO 10928:1997外,其余规范都可考虑该规范的最新版本。

3术语和定义

3.1玻璃纤维(fibre)加强塑料夹砂管

以玻璃纤维(fibre)、树脂(resin)、石英砂、碳酸钙等为主要原料(raw material)按一定工艺(Technology)办法制成的管的名称,在国外相对较多的称为Reinforced Plastic Mortar Pipe,简写成FRP(玻璃钢)MP,在国内叫法较多,玻璃钢管、玻璃钢复合管、加砂管等,从英文直译则叫成玻璃纤维(fibre)加强塑料砂浆管。在FRP(玻璃钢)M管中,砂是按要求仅加在管壁构造中间成为一个树脂(resin)砂浆芯层,这一层与上下玻璃纤维(fibre)加强塑料层构成一个夹层构造来承受管道内外荷载的,这是这一构造的特点(Characteristic),因此在此称FRP(玻璃钢)M管为玻璃纤维(fibre)加强塑料夹砂管更加贴切。

3.2环刚度

环刚度又叫为管刚度(pipe stiffness),在国内塑料管中多称为环刚度。现在环刚度有三种不同的定义办法。第一种定义办法,可见于国际规范(ISO)及英国规范(BS)等。

SN1=EI/D3

式中:E——管壁周向弯曲性模量,N/m3;

I——管壁沿轴向单位宽度内向截面惯性矩,m4/m;

D----——管道平均直径。

管刚度SN用N/m2作单位。第二种定义可见于德国规范(DIN)及ATV规范中:

SN2=EI/R3

式中:R——管道平均半径。显然有下述干系;

SN2=8SNI

管刚度的第三种定义办法主要可见于美国规范(AWWA,ASTM)中,从实验角度动身作出下述定义:

SN3=F/△y

式中:F——为平行板对径压缩实验中,沿管轴方向单位长度对应于△y所施加的(线)荷载,磅力/英寸;

△y——为管道加载方向直径的变化量,英寸。一般(commonly)取△y=0.05Dmo

SN3用Psi作单位,经过分析比较可发现, SNI或SN2与SN3间除单位不统一外,其余也仅差一个常数,即

SN2= 8SNI=8 K1K2SN3

式中:K1——单位置换系数,6.90X103,

K2——常数 通常(usually)取0.0186,也可采用经改正的系数。

K2=0.0186+0.025△y/D------或K2=0.0186(1+△y/D/2)3------

考虑到国内的行业规范和大多数FRP(玻璃钢)M管生产(production)厂都采用第一种管刚度定义办法,并且这一意义已被很多使用(Use)单位所接受,因此在此引荐使用(Use)第一种定义办法。

3.3

定长缠绕工艺(Technology)filament winding process

这是咱们国内最多见的一种生产(production)工艺(Technology)。

3.8

长期弯曲应变Sblong-term ring-bending strain

应是环向弯曲应变。

4分类和标记

4.1分类

表征FRP(玻璃钢)M管基本性能的参数主如果管的直径,抗内压能力和抗外力能力,因而在FRP(玻璃钢)M管的分类中考虑除公称直径外的压力等级和管刚度这两个基本参数,同时不同工艺(Technology)生产(production)的FRP(玻璃钢)M管具有不同特点(Characteristic),也具有不同的最好使用(Use)场合,故在产品(product)分类中把生产(production)工艺(Technology)也作为一个基本参数加于考虑。

如离心浇铸工艺(Technology)、连续缠绕工艺(Technology)生产(production)的管砂浆层更加密实,其极限挠曲水平值较高。又如定长缠绕工艺(Technology)生产(production)的管内衬层开裂应变更高些。

4.1.1工艺(Technology)办法

在我国,定长缠绕工艺(Technology)生产(production)线最为普遍,而在国外,后两种工艺(Technology)生产(production)线要多于前者。

4.1.2公称直径DN

与国际规范及、美国、欧洲国家的相应规范相同。

4.1.3压力等级PN

较密压力等级分级主如果考虑到已公布实施的中国工程建立规范化协会组织起草的《给排水工程埋地玻璃纤维(fibre)加强塑料夹砂管道构造设计规程》(CECS 190:2005)的相应需要。

由于依照CECS 190:2005的要求,管材的压力等级必须大于管道工作压力,压力等级加密后可按较低压力等级规格要求管道的轴向强度(Strength)。

4.1.4环刚度等级SN

国内外相应规范经常使用的管刚度等级。

关于地下埋设的管,其环刚度不宜太低,不然会引起管道“方化”而失效,现在环刚度等级2500 N/m2及以下的管已很少作为地埋管,但可用作地面管道。而高刚度管,如环刚度等级超越10000 N/m2,用作开槽埋设用的地下管,在同样控制其长期变形为5%时,并不更安全。

5原材料(Material Science)

5.1加强材料(Material Science)

为保证(ensure)FRP(玻璃钢)M管的长期使用(Use)(如50年),必须采用长期强度(Strength)保存率高的无碱玻璃纤维(fibre)。无碱玻璃纤维(fibre)复合材料(Material Science)的耐水性、长期强度(Strength)保存率明显高于中碱的。

在允许用中碱玻璃纤维(fibre)的状况下,个别企业为降低生产(production)成本(cost),竟使用(Use)国家已在多年前就明令禁止使用(Use)(于受力构造)的高碱玻璃纤维(fibre),不只使用(Use)在排水管道,并且还使用(Use)在国家重点项目标引水工程中。

针对如此的状况,规范起草组经过认真商讨,作出本条规定。

5.2树脂(resin)

通常(usually),为满意期望的FRP(玻璃钢)M管的使用(Use)寿命(Life)达到50年,构造层树脂(resin)必须具有较好品质,因而树脂(resin)拉伸强度(Strength)达到60MPa及拉伸弹性模量抵达3.0GPa,可排除通用树脂(resin)。

通用树脂(resin)的固化收缩率高、放热峰温度高,强度(Strength)较低,制造管材轻易呈现裂纹。

另外,为更大程度地发挥玻璃纤维(fibre)的强度(Strength),树脂(resin)的断裂伸长率宜大于玻璃纤维(fibre)的断裂伸长率;通常(usually)无碱玻璃纤维(fibre)的单丝拉伸强度(Strength)为1600MPa--------,拉伸弹性模量为70G---Pa,则断裂伸长率为2.29%,故作构造层树脂(resin)其断裂伸长率取为2.5%。参考国际规范规范(ISO)的相应规定及国内树脂(resin)性能热老化实验的一些结果,为保证(ensure)FRP(玻璃钢)M管的使用(Use)寿命(Life),有必要增加热变形温度不小于70OC的要求。

关于内衬层树脂(resin)的性能,为充分地发挥内衬层的抗渗作用,内衬层树脂(resin)的断裂伸长率应明显高于构造层树脂(resin),在此取为3.5%;相应的其拉伸弹性模量恰当降低,但是考虑到内衬层树脂(resin)总采用间苯型树脂(resin),故其强度(Strength)值不宜降低,而关于乙烯基树脂(resin)或双酚A型树脂(resin)等因为其长期性能稳定性好,故对其初始强度(Strength)要求可恰当降低。

关于离心浇铸工艺(Technology)所使用(Use)的内衬层树脂(resin),其断裂伸长率更高,因而对其技能指标要求另作规定。

国内能生产(production)出达到上述指标要求树脂(resin)的厂家(Manufactor)有十多家(咱们实验室测试过的),他们生产(production)出相应牌号的树脂(resin),只不过该类树脂(resin)的生产(production)成本(cost)会稍高于通用树脂(resin),其中一些树脂(resin)生产(production)厂家(Manufactor)长期以来就不断在生产(production)牌号固定、性能稳定的管道用树脂(resin)。

5.3颗粒材料(Material Science)

参考ISO 10639-2004,对颗粒材料(Material Science)的粒径(不得大于2.5mm和1/5管壁厚度之间的较小者)进行限制,以保证(ensure)管壁的密实度和均匀度。含水量高会影响树脂(resin)的固化以及界面性能,规定含水量不大于0.2%。

6要求

现在还难于对管材外观质量(quality)要求进行量化。相关于城镇建立行业规范或建材行业规范,增加了无纤维(fibre)浸润不良的状况,主要针对在使用(Use)缝编毡轻易呈现内衬层发白的现象(phenomenon),这主要与缝编毡的质量(quality)有关。

6.2尺寸

管材的直径与长度与ISO 10639-2004、AWWA C950-2001的基本系列相同。其中,外径系列是对应离心浇铸工艺(Technology)及连续缠绕工艺(Technology)生产(production)的管,而内径系列是对应定长缠绕工艺(Technology)的。

值得留意的是规范中的表2中的注,即:管两头内直径的设计值应在本表的内直径范围内,两头内直径偏差应在本表规定的偏差范围以内。以DN100为例,内直径范围(最小97,最大103),偏差±1.5。即管子小头内直径设计值最小为97,偏差±1.5;大头内直径设计值最大为103,偏差±1.5。

6.2.3管壁厚度

不同工艺(Technology)对某一公称直径的相同压力等级和管刚度等级的FRP(玻璃钢)M管达到相同技能指标要求所需要玻璃纤维(fibre)、树脂(resin)、石英砂等原材料(Material Science)的量不同,故管壁厚度也不同。实际上,即使采用了相同的生产(production)工艺(Technology)、生产(production)商在采用的材料(Material Science)性能及数量也有差异,因此其管壁厚度也不相同,因而在本产品(product)规范中将不对管壁厚度进行明确规定。但针对每一特定的工程,在进行工程设计时应明确FRRPM管的管材规格,明确管壁厚度,特别是在签署供需合同时作为技能资料应包含有FRP(玻璃钢)M管的图样(应包括管壁厚度、管道名义长度、管道总长度、连接(Connect)方式、接口细部)及对主要原材料(Material Science)的种类、规格作出规定,以至双方可协议主要原材料(Material Science)的若干供给商,如此产品(product)质量(quality)易于得到保证(ensure)。

6.2.4管壁构造

明确管材除构造层之外,还必须有内衬层和外保护层。因为缺少内衬层水流磨耗的数据,因而仅规定了一个最小厚度,建议管材口径增大时恰当增加内衬层的厚度。

6.2.5管端面垂直度

这是保证(ensure)连接(Connect)后接口性能的需要。

6.3巴氏硬度

这是一个最低要求值,由于纯树脂(resin)固化后基本可以(Sure)达到此值。

6.4树脂(resin)不可(Must not)溶分含量

树脂(resin)不可(Must not)溶分含量也称固化度。达到卫生要求国标《食物容器及包装材料(Material Science)用不饱和聚酯树脂(resin)及其玻璃钢制品卫生规范》(GB 13115)必须满意的条件(condition)。

6.5直管段管壁组分含量

因为各企业生产(production)技能水平不尽相同,产品(product)设计指导思想也存在差异,因而各企业生产(production)的管材中各类原材料(Material Science)的组分含量不尽相同,但各企业在正式生产(production)前应依据各自的状况肯定出将进行生产(production)的管材的最后设计方案,这时候管材中各组分含量应是明确的。为避免用材偏差过大而影响产品(product)性能,故通常(usually)要求控制管材的组分含量。

其实是为保证(ensure)管材主要材料(Material Science)的用量而设立的。已在一些工程中进行了该项目标控制,如新疆库尔勒引水工程,DN1100,管线长度超越100千米;新疆引额济乌工程,DN3100,管线长度超越10.8千米。

6.6初始力学性能

6.6.2初始环向拉伸强力Fth

《给排水工程埋地玻璃纤维(fibre)加强塑料夹砂管道构造设计规程》(CECS 190:2005)关于管壁构造强度(Strength)的设计要求,特别是满意组合应力的控制条件(condition),不同的工程完全可能呈现需要不同的初始环向拉伸强力(度),而选择采用固定压力等级不变但初始环向拉伸强力(度)依据工程设计来确度这一方案优于固定初始环向拉伸强力(度)的安全系数(初始环向拉伸强力与压力等级发生的环向拉伸应力的比值)选用更高压力等级的管的方案。由于一旦压力等级提高,管材的水压渗漏实验及管道铺设后的单口打压查验,分段水压实验等查验压力都有可能被要求提高,轴向强度(Strength)的要求也要相应提高。

规范中给出的管壁初始环向拉伸强力fth的最小值是考虑到FRP(玻璃钢)M管的环向拉伸强度(Strength)在达到设计寿命(Life)时(一般(commonly)指50年后)有一定的安全储备(安全系数见规范文本中的表8系数C3)。肯定。依据国外的实验结果,长期环向拉伸强度(Strength)的保存率通常(usually)在0.4~0.6之间,故在此列出了保存率在三分之一~2/3间状况,另外规定初始最小安全系数不小于4。

参考ISO10639-2004,引入了考虑材料(Material Science)离散程度的改正系数项0.8236/(1-1.96CV),CV为离散系数。

因为我国建立工程所触及的规范规范均采用基于几率统计的极限状态设计办法,关于离散系数大的材料(Material Science)强度(Strength)应加大安全系数。在本规范,对最重要的指标——环向拉伸强度(Strength),咱们考虑了这一影响。关于复合材料(Material Science)的强度(Strength),其离散系数一般(commonly)均在9%以内,因而,关于离散系数大于9%的状况,应进行改正。

同国际规范ISO 10639。

请参编的企业单位进行了环向拉伸强度(Strength)的测试,测试状况是:同一规格试样数量越多,离散系数越小。如:天联对20根DN1400PN0.8SN5000的环向拉伸试样的测试结果为:

环向拉伸强度(Strength):5109kN/m;

离散系数:1.7%。

其余单位测试结果中,离散系数最大为7.4%(5根试样)。

当无长期静水压设计基准实验结果时,初始环向拉伸强度(Strength)的最小安全系数取为表4系数C1中的最大值(=6.3)。

6.6.3初始轴向拉伸强力及拉伸断裂应变

初始轴向拉伸强度(Strength)依照ISO10639-2004要求取值,同样对轴向拉伸断裂应变值作了规定。

规定轴向拉伸断裂应变值试图避免使用(Use)少量的轴向纤维(fibre)而不用交叉纤维(fibre)而造成管道脆性折断。

这类状况已在工程中多次发生,造成不好的影响。

关于承受内压发生的轴向力的管材,在工程中常常会碰到,处理(Handle)不妥会造成工程事故。

主要有排气三通、排泥三通、人孔、及与发兰连接(Connect)的管等。内压发生的轴向力是环向力的一半,因而此时轴向强度(Strength)应为环向强度(Strength)的一半。

6.6.4水压渗漏

一些企业在水压抗渗漏查验时采用2倍压力等级内压,保持30秒进行,综合后肯定按现要求进行。

6.6.5短时失效水压

短时失效水压作为一个产品(product)的性能项目依然保存,但在出厂查验时不作要求。

另外,短时失效水压是环向强度(Strength)测试的几个办法中测试值最高的办法,假如可按本办法实施,则测试结果最为可靠。

6.6.6初始挠曲性

挠曲水平的要求与从前的行业规范、国外规范一致。其意义是各类规格的管材均具有相同的极限弯曲应变。因为咱们国内的FRP(玻璃钢)MP的夹砂量大于以往的国外产品(product),也即同规格管的管壁厚度后,按规范要求达到的极限弯曲应变就大,要求就高。

如环刚度等级为5000N/m2的管,当公称直径壁厚比从70降到60,弯曲应变则增加16.7%。夹砂量越高,管壁越厚,达到挠曲水平B时的弯曲应变值越高。

现在夹砂管在达到挠曲水平B时的弯曲应变值在1.3%左右。

因为关于管刚度等级为1 250N/m2和10 000 N/m2的管对应的挠曲水平B在表7中给出的值及表8附注中给出的公式计算值是一致的,但关于管刚度等级为2 500 N/m2和5 000 N/m2的管对应的挠曲水平B在表8中给出的值是整数值,比表8附注中给出的公式计算值略大,故要求管刚度为1 250N/m2和10 000 N/m2的管对应的挠曲水平B按插值办法肯定,如此可防止呈现矛盾。

6.6.7初始环向弯曲强度(Strength)

针对《给排水工程埋地玻璃纤维(fibre)加强塑料夹砂管道构造设计规程》中需要管材弯曲强度(Strength)作为管道构造设计的一个指标值,为更好地反映管材的实际弯曲性能,故在本产品(product)规范中引入了初始环向弯曲强度(Strength)这一项作为产品(product)的技能要求。

初始环向弯曲强度(Strength)可由管环的平行板对径加载实验测定,而初始环向弯曲强度(Strength)的最小值是由管环挠曲性查验达到B水平常管壁最大弯曲应变与弯曲弹性模量的乘积。

把CECS190中对管材初始环向弯曲强度(Strength)的最低要求作为管材这一性能项目标指标值。

关于定长缠绕工艺(Technology)生产(production)的管,经过对448个管环的测试结果的分析发现,409个管环毁坏时推算得到的初始环向弯曲强度(Strength)大于相应的指标值,达到这项性能要求的占91.3%,最大富裕量为261%(即实测值是指标值的361%),平均富裕量为47.3%;有39个管环的初始环向弯曲强度(Strength)小于相应的指标值,最大差12.4%,平均差4.1%。在初始环向弯曲强度(Strength)达不到指标值的管环中,大部分是管环毁坏时的变形量刚达到或超越挠曲水平B规定的指标值,也存在有5个管环,其毁坏时变形超越挠曲水平B规定的值10%以上的状况。

整体状况是,关于定长缠绕工艺(Technology)生产(production)的管,正常状况下其初始环向弯曲强度(Strength)应可以(Sure)达到规定的指标值,但如果管环毁坏时的变形量刚达到挠曲水平B规定的指标值,则初始环向弯曲强度(Strength)可能会达不到规定的要求。

关于离心浇铸工艺(Technology)生产(production)的管,其中初始环向弯曲强度(Strength)按挠曲水平3%时载荷计算出的Ep值计算环向弯曲强度(Strength)最小值时,初始环向弯曲强度(Strength)不契合要求,按挠曲水平A时载荷计算出的Ep值计算环向弯曲强度(Strength)最小值时,初始环向弯曲强度(Strength)契合要求。

因而对离心浇铸玻璃钢夹砂管,初始环向弯曲强度(Strength)最小值按挠曲水平A时载荷计算出的Ep值计算。

6.7长期性能

6.7.1长期静水压设计压力基准HDP

若要安全而有经济地使用(Use)FRP(玻璃钢)MP,必须肯定本性能指标。在国外的产品(product)规范中都有如此的性能项目。

6.7.2长期弯曲应变Sb

关于管材长期弯曲应变的最小值是参照ISO 10 639-2004中规定的最极限状况选取的,该值远小于国外有关实验结果。

按式(6)计算时,取SN5 000,D/t=60~70,则Sb,分钟=0.76~0.65%;

取SN10 000,D/t=45~55, 则Sb,分钟=0.78~0.64%;

当无长期弯曲应变Sb的实验结果时,△S取管材初始挠曲性查验达到挠曲水平B时径向压变形量的50%,则按式(6)计算所得的SO值为:

取SN5 000,D/t=60~70,则Sb,分钟=0.65~0.55%;

取SN10 000,D/t=45~55, 则Sb,分钟=0.66~0.54%;

△S取管材初始挠曲性查验达到挠曲水平B时径向压变形量的33%,则按式(6)计算所得的SO值为:

取SN5 000,D/t=60~70,则Sb,分钟=0.44~0.38%;

取SN10 000,D/t=45~55, 则Sb,分钟=0.45~0.37%。

考虑到腐蚀(corrosion)性介质对长期弯曲应变Sb的不利影响,关于一般(commonly)的供水管道,△S取管材初始挠曲性查验达到挠曲水平B时径向压变形量的50%,关于输送含有腐蚀(corrosion)性介质污水(sewage)管道,△S取管材初始挠曲性查验达到挠曲水平B时径向压变形量的33%。

据了解,国内一些企业开始进行无长期弯曲应变Sb的实验,关于SN5000的管,其Sb在1%左右,其失效形式(form)主如果玻璃纤维(fibre)加强层的毁坏;而关于高刚度管,如SN10000的管,其Sb会明显减小,其毁坏形式(form)主要为砂浆层的毁坏或砂浆层与加强层结合面的毁坏。

由此可以(Sure)看出,在无长期弯曲应变Sb的实验结果的状况下,所取的值留有一定余量。

因而不同规格的管,长期弯曲应变Sb也是变化的。

7卫生性能

满意国家对于卫生安全的要求。

8实验办法

8.2.4管端面垂直度

直角尺一边靠在管道内表面(尽管内径系列的管带有锥度,但带来偏差较小,可不计),直角尺另外一边缘直径方向涉及对边管壁处,利用钢板尺测定管端面垂直偏差。

8.3巴氏硬度

按要求测量管材表面面的巴氏硬度。

8.4树脂(resin)不可(Must not)溶分含量

取内衬及内加强层或外加强层及外保护层,不从砂浆层中取样。

8.5直管段管壁组分含量

取样时,试样厚度应为全部管壁厚度,试样长度及宽度按规范要求取25mm,称重及测量坩埚重量(weight)后置入马福炉进行烧失。烧失的重量(weight)作为树脂(resin)的重量(weight)(其中包含了纤维(fibre)表面有机物重量(weight)及可能使用(Use)的棉布重量(weight),但不进行计除处理(Handle)),在烧剩物中分离出玻璃纤维(fibre),并称重即得纤维(fibre)的重量(weight),并最后得到石英砂的重量(weight),经过计算得到各组分的含量。

8.6初始力学性能

8.6.1初始环刚度

此处有2个或许说3个变化,一是加载速度,二是按径向变形3%测试计算环刚度(CJ/T 3079、JC/T 838本来均按5%),三是计及了改正系数(相关于CJ/T 3079)。

一、加载速度

初始管刚度测试时特别是挠曲性实验时加载速度对其是有一定影响的,加载速度过快或过慢对挠曲性的测试结果均有不利影响,在国际规范或国外规范中,关于挠曲性能实验时的加载速度的规定各不相同,有的规范规定以恒定的加载速度进行管刚度和挠曲性查验,现行的CJ/T 3 079-1998和JC/T 838-1998均是如斯,加载速度恒定取为10mm~12mm,这个速度关于小口径高刚度管而言速度偏快,而关于大口径管又是显得太慢,如对DN3100管进行挠曲性查验时,关于SN7500的FRP(玻璃钢)M管,变形量达540mm以上,如此加载时间超越45分钟。较为合理的肯定加载速度的办法是保持恒定的应变率,如在国家规范中玻璃纤维(fibre)加强塑料弯曲性能和单向纤维(fibre)加强塑料弯曲性能实验时取应变率Sr=1%/分钟。

因为玻璃钢夹砂管在管刚度、挠曲性查验时其管壁最大弯曲应变ef可近似地表示为:

ef=4.28Dt/D2 (8.6.1a)

式中:—为平行压缩实验时加载压缩方向上直径的变化量,mm;

t—为管壁厚度,mm;

D—为管道直径,mm;

若要保持应变不度,则加载速度V应为:

V=D/T=D2Sr/(4.28t) (8.6.1b)

式中:T—为加载时间,分钟;

Sr=ef/T,为应变率,%/分钟。

式(8.6.1b)表明,同不断径的FRP(玻璃钢)M管的管壁厚度加大,则加载速度宜变慢;直径增加,加载速度也宜于提高。因为FRP(玻璃钢)M管中石英砂层表现出较为明显的脆性,且其极限剪切应度值较低,故应变率Sr=0.15~0.20%分钟较为适宜,即式(8.6.1b)可定成:

V=(3.50~4.67)×10-4D2/t(8.6.1c)

考虑到现在管径较大的管较多,测试单位已较习惯于较低的加载速度,故在规范中取式(8.6.1c)的下限值。依据规范中的式(6),下面选择几种典型直径的管,肯定其加载速度:

DN600; SN5000; t=10mm;V=15mm/ 分钟;△=122 mm;T=8.1分钟

D1N600;SN10000;t=13 mm; V=10 mm/分钟;△=92mm;T=9.2分钟

DN1200;SN5000; t=19.5mm;V=10mm/分钟;△=244mm; T=9.8分钟

DN1200;SN10000;t=25mm;V=20mm/分钟;△=184mm; T=9.2分钟

DN2200;SN5000; t=35mm;V=50mm/分钟;△=447mm; T=8.9分钟

DN2200;SN10000;t=45mm;V=40mm/分钟;△=337mm; T=8.4分钟

DN3100;SN7500; t=58mm;V=60mm/分钟;△=553mm; T=9.2分钟

实际上,应变率恒定,因为达到挠曲水平B时不同规格的FRP(玻璃钢)M管管壁的最大弯曲应变值基本靠近,因而加载至挠曲水平B时所需要的时间也基本相同。

二、环刚度测试

依据参与起草的有关单位的要求,把测试环刚度时原CJ/T 3079、JC/T 838均按5%变形时测读载荷用于计算环刚度的,现改成按3%变形时测读载荷进行环刚度计算,如此关于高刚度管会稍微提高一点环刚度的测试值。

三、对于改正系数

在CJ/T 3079中直接依照下式计算环刚度:

S0= 0.0186F/△Y(8.6.1d)

在JC/T 838中依照下式计算环刚度:

(8.6.1e)

现依照下式计算环刚度:

(8.6.1f)

式(8.6.1f)中,考虑到(△y/D)=0.03,因而得到规范文本的计算公式:

S0= 0.01935F/△Y(8.6.1h)

这公式与塑料管的环刚度计算公式一致。

8.6.2初始环向拉伸强力

一、三种办法的比较

初始环向拉伸强度(Strength)的三种测试办法,即内水压法(办法C)、分离盘法(办法A)和板条法(办法B)。因为内水压法所需的试样用料较多,测试的周期较长,实验办法较复杂,要做到两头完全密封(Seal up)较为艰难,在管材直径较大时,实验装置需要承受几百吨(ton T)以至1000吨(ton T)以上的荷载,实验有一定的危险性,故较少采用。虽然分离盘法较内水压法用料少,但其取样较为费事,同时需要一系列的分离盘,并且管径较大时分离盘质量(quality)较大,因此测试过程较板条法复杂。板条法实施过程当中制样和测试均较为方便因此最为经常使用,但当管道直径较小时(hour),采用板条法所测出的环向拉伸强度(Strength)明显小于别的两种办法的测试结果,因此板条法也存在明显的缺乏。

二、板条法改良研究

希望板条法能得到更普遍的使用(Use),因而进行了专门(specialized)的研究。

因为对从管壁沿环向取出的板条状试样两头施加反向拉力的作用线常常不经过试样毁坏截面中心,因而在板条拉伸试样的毁坏面上存在弯曲应力造成试样双侧不是同时而是先后被拉坏,而按σt=Ft/(bt)( Ft为拉伸毁坏载荷,b、t为试样毁坏截面宽度和厚度)计算肯定环向拉伸强度(Strength)偏小。

如图8.6.2-1所示,设在测试时夹持面在试样正面,其所受的使试样发生拉伸的切向力是均布的,如此可把夹持面的这类力简化为一作用在试样宽度和厚度中间层交线与圆心角(α-α0)的角等分线交点上的集中载荷,设该点载荷的大小为Ft。

图8.6.2-1 受力分析模型

因为力的作用点与试样的毁坏面即对称面的中心点(截面形心)有偏心距为e,故对称面上的应力由两部分组成(Form)。一部分为由轴向力N引起的应力,另外一部分有偏心引起的弯矩M所发生的应力。

若定义毁坏截面上最大弯曲应力σf与由轴力引起的毁坏截面拉应力σt之比为应力偏差Δ,则应力偏差Δ越小,说明毁坏面上的拉应力散布越均匀,则试样最可能全截面材料(Material Science)同时被拉坏,测出的结果也就最可能靠近真实结果。

依照国家建材行业规范《玻璃纤维(fibre)缠绕加强塑料夹砂压力管》(JC/T 838-1998)中的相干规定制取试样(假定试样为均质材料(Material Science)),可以(Sure)预算出应力偏差Δ。当R/t=35时,若R从100mm变化到2000mm,相应的Δ=(539~14.0)%;当R/t=25时,若R从100mm变化到2000mm,相应的Δ=(387~10.1)%。依照国家城镇建立行业规范《玻璃加强塑料夹砂管》(CJ/T 3079-1998)中的相干规定制取试样,其应力偏差Δ会更大些。

经过上述计算可知,当管道的公称直径较小时(hour),应力偏差Δ很大,即毁坏截面上最大弯曲应力远大于轴力发生的拉应力,因而试样在拉伸时常常都是内侧先被拉坏,而后再是外侧被拉坏;只有当管道的公称直径很大时,应力偏差Δ较小,即毁坏截面上最大应力与平均拉应力才比较靠近,且试样厚度越大,最大应力与平均拉应力越靠近。

关于FRP(玻璃钢)M管管壁,通常(usually)是由非均质材料(Material Science)组成(Form)。经过分析可得到:在形状、尺寸和受载状况完全相同时,均质材料(Material Science)组成(Form)的试样其应力偏差Δ明显大于夹层构造形式(form)的试样。在FRP(玻璃钢)M管壁中,玻璃纤维(fibre)加强塑料层与树脂(resin)砂浆层拉伸弹性模量之比通常(usually)约为5,当内(或外)玻璃纤维(fibre)加强塑料层厚度为总壁厚的7.5%到15%时, 应力偏差Δ为由均质材料(Material Science)组成(Form)试样应力偏差的62.9%到60.6%。并且应力偏差Δ随着玻璃纤维(fibre)加强树脂(resin)层厚度的相对增加而减小。

因为开口宽度w和试样总长度越大,试样毁坏面上的应力偏差Δ就越大,因而在考虑试样尺寸时尽量减小开口宽度w和试样夹持长度;但同时应留意到若开口宽度越小,毁坏面上的应力集中就越严重,另外试样夹持段长度太短,则会造成夹持段被压碎;试样的毁坏面厚度应取为管壁厚度,而宽度获得稍宽些,则拉伸毁坏载荷较大就轻易引起夹持段被压碎的状况发生,若获得过窄,则层间应力会发生较大影响。

经过分析和实验研究,得到以下一些建议。因为只要要测试拉伸强度(Strength),因而环向拉伸试样中间开口尺寸不用太大,取在5-20mm范围较为适宜;试样的夹持长度应考虑到试样拉伸毁坏的最大载荷,应能使试样在拉伸过程当中不发生夹持段被压碎毁坏的状况,试样夹持长度一般(commonly)宜取为35-60mm;当然应留意到夹持长度达到一定长度后再加长时也不会明显提高夹持段压缩毁坏载荷,因而该当控制试样拉伸毁坏的最大载荷,也即应肯定恰当的开口处试样宽度,试样宽度可取为5-10mm。

一些实测结果如下图。

(a)DN1200

(b)DN600

图8.6.2-2 按现行规范制造试样的Ft-δ曲线

图8.6.2-2是按行业规范制造试样的Ft-δ曲线,从图中可以(Sure)看出,试样在拉伸过程当中有两次毁坏、以至多次毁坏的状况,这说明这种试样在拉伸过程当中其内侧首先被拉坏或部分拉坏,承载能力下降,随变形持续增加,持续承载,但最大载荷增加不大。

(a) 第1批第3组

(b) 第1批第7组

图8.6.2-3DN1200管试样的Ft-δ曲线

图8.6.2-4DN600管试样的Ft-δ曲线(第2批第10组)

图8.6.2-3和图8.6.2-4是小开口的板条试样的拉伸载荷变形曲线。从图中可以(Sure)看出,试样基本上没有两次毁坏的状况。这说明,当其内侧被拉坏时试样的外侧应力水平也已较高,随着内侧的拉坏外侧也很快被拉坏。

经过减小板条试样的中间开口,可改进测试结果。

若夹持面为管材的内表面面,则在相同尺寸状况下毁坏面弯曲应力会更大。不宜使用(Use)。

三、三种测试办法对应测试结果的比较

河北昊华满意采用定长缠绕工艺(Technology)制造的DN500PN0.6SN5000短时失效试样,进行的管的短时失效实验,其结果表明:

1.该类管道的内水压失效形式(form)为管体渗漏,随内水压力的增加,管壁的应力(应变)水平增高,内衬层发生裂纹,造成管体渗漏失效。

2.由管道的内水压失效实验压力计算得到的管壁环向拉伸强度(Strength)为1427.1kN/m,采用分离盘法测得的管壁环向拉伸强度(Strength)为1191.4kN/m,而采用直条法试样(按本规范要求制样)测得的管壁环向拉伸强度(Strength)为854kN/m。

3.管道的内水压实验管体渗漏时,测得其环向拉伸应变水平大于2%。尽管没有呈现管壁纤维(fibre)拉断的状况,但是该拉伸应变水平水平已很靠近玻璃纤维(fibre)加强塑料的拉伸毁坏应变。因而,为能充分发挥出玻璃纤维(fibre)的强度(Strength),管道的内衬层树脂(resin)应具有一定的断裂伸长率。

短时失效实验的现场(scene)照片

DN500的管的内水压实验、分离盘法及本规范的直条状实验的测试结果表明,内水压测试得到的环向拉伸强度(Strength)比分离盘法高16.5%,而直条状的测试结果仅为内水压测试结果的60%。

内水压实验测定的环向拉伸强度(Strength)最高,也反映了实际状况,是真实的强度(Strength)值,而其余两种办法因受测试办法的限制,其测试结果总会小于实际值,但因为测试方便而经常被采用。比较后两种测试办法,分离盘法的测试结果更靠近真实值。

因而在不采用内水压办法测定环向拉伸强度(Strength)时,关于口径较小的管应采用分离盘办法,口径较大时采用直条状试样进行测试。

四、对于仲裁实验

尽管采用内水压进行短时失效实验测定管的环向拉伸强度(Strength)其结果最为理想,但考虑到可操作(manipulate)性,仍是依照JC/T 838的做法规定了本规范的仲裁实验。

8.6.3初始轴向拉伸强力及拉伸断裂应力

关于办法A,按GB/T 5349进行测试,是选用整管作为试样进行轴向拉伸强度(Strength)测试,因为试样是整管,试样耗材特别大,因而试样数量就肯定1个。

关于办法B,因为在GB/T1447中规定试样宽度为10mm,考虑到FRP(玻璃钢)M管中,特别是定长缠绕工艺(Technology)生产(production)的FRP(玻璃钢)M管,其轴向拉伸强度(Strength)主要取决于螺旋缠绕层,而螺旋缠绕层单层厚度一般(commonly)均在0.5mm左右,因而为减小试样边沿层间应力的影响,恰当提高试样宽度到20 mm。

测试轴向断裂应变,不管对整管试样,仍是轴向板条试样,都可采用贴应变片的办法测试;关于轴向板条试样,还可以(Sure)采用引伸计进行测量。

8.6.4水压渗漏

采用整管作为试样,该管是成品中抽样出来的,带有承插口或连接(Connect)套筒的,或其余形式(form)的接头的。

实验过程当中应留意排净管道内部的空气,不然会增加实验的危险性。关于口径较大的管,水压渗漏实验机宜设置有注水系统和加油系统,如此可以(Sure)提高实验效率。

8.6.5短时失效水压

因为管材短时失效压力很高,因而进行管材的短时失效实验有较大的危险性,特别是随着管道直径的增加,实验装置通常(usually)需要承受内压发生的轴向力十分大,为了降低危险性,同时又验证生产(production)工艺(Technology),另外考虑到管材还进行水压渗漏实验,因而本规范规定可采用缩比试样进行短时失效实验。

8.6.6初始挠曲性

初始挠曲性时的加载速度整体来讲比从前要加快了,新规范总的加载时间(包括环刚度测试加载的时间)在9分钟(min)上下。

参与本规范起草的大部分单位安本规范要求均进行了验证实验,典型的SN5000和SN10000的管均能经过挠曲性查验。

留意到环刚度等级在SN1250到SN10000的管的挠曲水平A和B均按规范中表7进行线性插值肯定,不可以依照公式计算肯定。

8.6.7初始环向弯曲强度(Strength)

初始环向弯曲强度(Strength)实验可采用两种办法,一种是采用圆弧段的曲梁三点弯曲实验办法(办法A),另外一种是采用整环的平行板压缩实验的办法(办法B)。前一种办法试样用材量小便于操作(manipulate),但加载中试样轻易构成层间或加强层与砂浆层结合面的毁坏,大多数毁坏形式(form)都是如斯。

9查验规则

9.2出厂查验

9.2.1查验项目

查验项目不包括短时失效水压和长期性能实验。

9.2.2查验方案

9.2.2.1

本条的查验项目是非毁坏性查验项目,且对每一根管均有这些项目标要求,内衬层厚度的查验放置毁坏性查验中。

9.2.2.2

本条的查验项目是毁坏性查验项目,采用抽检的办法进行。

9.2.2.3

是非毁坏性查验项目,采用抽检的办法进行。

9.2.3断定规则

9.2.3.1

每一根管均应达到本条规定项目标相应的技能要求,达不到技能要求就被认定为分歧格。

9.2.3.2

抽检的管水压渗漏必须达到相应的要求。如抽检的管水压渗漏查验分歧格,则该批管逐根进行水压渗漏查验,经过的判该根管该项目合格(qualified)。别的毁坏性查验项目允许至多有2个分歧格项目,但对该项目加倍抽检必须合格(qualified)。

9.3型式查验

9.3.1查验条件(condition)

以上的规定要求是国家作出的相应规定。

9.3.2查验项目

与出厂查验项目比较,增加了短时失效水压项目。

9.3.3查验方案

9.3.3.1外观质量(quality)、尺寸(除内衬层厚度)、巴氏硬度

非毁坏项目标查验也采用抽检的形式(form),抽样数量为6。

9.3.3.2水压渗漏、内衬层厚度、树脂(resin)不可(Must not)溶分含量、直管段管壁组分含量、初始力学性能

相比于原行业规范,减少了抽样数量,原样本为4,现减少一半。另外,增加了短时失效水压的可操作(manipulate)性。

9.3.5长期性能实验

同原城镇建立行业规范。现在国内多个企业在进行这方面的工作。

10标志、包装、运输(transport)和储存

10.1标志

按有关国标要求作出的规定。

10.2包装

进行包装后可减少管两头的损伤,另外用户(user)会对此引起重视。

10.3运输(transport)及起吊

因为FRP(玻璃钢)M管不同于传统材质的管道,因此在起吊、运输(transport)及寄存中作出有关规定。

10.4储存

依据国外资料的介绍的要求和国内工程理论的总结作出的规定。

10.5出厂证明书

依照有关国标要求对出厂证明书的内容所作的规定。

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