纤维缠绕压力容器制备和内压试验方法

本标准用于制备具有规定几何形状的纤维缠绕压力容器试样，并在规定的条件下，进行内压试验，以确定纤维缠绕压力容器的表观拉伸参数。 1方法概述用两种芯模制备压力容器试样： 1.1砂芯模：Y式样是在包覆有橡胶内衬的砂芯模上绕制的。固化后，用水将砂芯模洗出，进行内压试验。 1.2钢芯模：试样是在包覆有橡胶内衬，并钻有许多小孔的钢芯模上绕制的，固化后，同芯模一起进行内压试验。 2试样 2.1试样几何形状和尺寸见纤维缠绕压力容器示意图。 2.2标准试样：平面缠绕时，极孔直径为40mm，筒身段长为100mm；螺旋缠绕时，极孔直径为60mm，筒身段长为20毫米。 3设备 3.1缠绕机缠绕机应能按要求进行环向缠绕和螺旋缠绕，或平面缠绕和环向缠绕。 3.2芯模 3.2.1砂芯模砂芯模是一种水溶性芯模，其制备方法见附录A中A.1。 3.2.2钢芯模制造钢芯模可用不锈钢或普通钢，制备方法见附录A中A.2。在进行内压试验时，钢芯模留在容器内。芯模可重复使用。 3.3固化装置固化装置应具有固化试样时所需的温度范围，并且升温、恒温控制装置。固化温度偏差应能控制在±5℃以内。 3.4试验设备 3.4.1内压试验系统应保证试验容器的加压速度在每分钟80～100kgf/cm[2]。 3.4.2用压力表或压力传感器记录压力，应保证测压精度在±1%范围内。用应变片或引伸计测量变形。 4试样的制备 4.1原材料贮存和条件处理 4.1.1纤维应贮存在干燥的地方。缠绕前按纤维种类进行有关处理。 4.1.2树脂及固化剂按厂方规定的条件存放，超过使用期时，不许使用。 4.2芯模处理 4.2.1砂芯模：在芯模表面涂脱模剂，包覆橡胶内衬。 4.2.2钢芯模：清除芯模表面上的油污，涂脱模剂，包一层玻璃纸，包覆橡胶内衬。 4.3缠绕与固化 4.3.1在处理好的芯模上安好极孔嵌件(见附录A中A.4)。将芯模装在缠绕机上，测量芯模外径，准确到0.05mm，调整缠绕机。 4.3.2按规定的层数和规定的角度进行缠绕。湿法缠绕时，环境温度不得低于18℃，相对湿度50～60%，缠绕张力为纤维断裂强度的5～8%。 4.3.3将绕制完的试样，放入固化装置内，按规定的固化制度固化。固化过程中，试样应不断地转动，防止流胶。如果固化设备没有转动装置，应在放入固化装置之前，用红处加热装置或其它热源将绕好的容器转动加热至不流胶后，再进行固化。 4.3.4固化后，自然冷却至室温。将试样编号。用钢芯模制造的容器试样在拆除接轴之后即可用于内压试验。砂芯模制造的容器试样，用低于80℃的热水，将砂芯模洗出，即可用作内压试验。 5内压试验 5.1对试样进行外观检查。 5.2需要测应变时，粘好应变片。 5.3按GB 1446《纤维增强塑料性能试验方法总则》的规定进行状态调节。 5.4将容器与内压试验系统和记录装置连接，调准加压速度，先加初压10kgf/cm[2]；检查和调整试验装置，使其处于正常工作状态，卸压。 5.5按规定的速度加压。记录压力和所对应的应变，直至容器破坏。记录破坏压力及破坏情况。 5.6每组试样不少于5个。 6强度计算压力容器的环向和纵向纤维强度以网格理论为基础进行计算。理论的基本假定：①在内压容器中，只有纤维承受外载荷作用，而基体的承载能力忽略不计。②纤维只承受轴向载荷、每根纤维的承能力相同。 6.1计算 6.1.1环向纤维的强度按式(1)计算： PRσfθ=------------(2-tg[2]α)…………………(1) 2tG[θ]βtGθ=-------×10[-5]×γθ……………………(2)ρt式中：σfθ——环向纤维强度，kgf/cm[2](MPa)； P——破坏压力，kgf/cm[2]； R——壳体的中半径，cm；α——缠绕角度，度； tGθ——壳体中，环向纤维的厚度，cm；γθ——环向缠绕单位宽度粗纱股数，1/cm；β——粗纱号数，g/km；ρf——纤维密度，g/cm[3]。注：1MPa＝1N/mm[2]≈10.2kgf/cm[2] 6.1.2纵向纤维强度按式(3)计算： PRσfα=-----------------…………………………(3) 2×fGα·cos[2]βtGα=--------×10[-5]×γα………………………(4)ρf式中：σfα——纵向纤维强度，kgf/cm[2](MPa)； tGα——壳体中，纵向纤维的厚度，cm；γα——纵向缠绕单位宽度相纱股数，1/cm。其余符号意义同式(1)、式(2)。 6.1.3环向复合强度按式(5)、式(6)计算： PRσcθ=------………………………………………………(5) tc tGθ+tGα tc=-------------…………………………………………(6) Vt式中：σcθ——环向复合强度，kgf/cm[2](MPa)； tc——壳体圆筒段计算厚度，cm； Vt——纤维体积含量，%。其余符号意义同式(1)、式(3)。 6.1.4纵向复合强度按式(7)计算： PRσcα=-----…………………………………………………(7) 2tc式中：σcα——纵向复合强度，kgf/cm[2](MPa)；其余符号意义同式(1)、式(5)。 6.1.5根据记录的ρ—ε曲线，绘制环向和纵向σ—ε曲线，并取初始直线段计算相应的弹性模量。 7试验结果试验结果按GB 1446的有关规定。 8试验报告试验报告按GB 1446规定。此外，还包括下列内容： a.增强材料类型； b.基体类型及固化制度； c.筒体的尺寸及封头尺寸； d.缠绕张力； e.层次分布； f.环向(纵向)缠绕单位宽度股数和环向(纵向)层数； g.缠绕时的环境条件。附录 A芯模、密封内衬、封头及极孔嵌件说明 (补充件) A.1砂芯模 A.1.1将洗净的细砂、聚乙烯醇(型号为D588)和水按下列比例混合；砂：聚乙烯醇(PVA)：水=100：2：6～7 A.1.2将混合物装填在模具(半个芯模)中，放入烘箱内升温至110℃，保持6h，将水蒸发掉。 A.1.3将硬结的两段芯模粘结起来，粘结剂与制作芯模用的PVA相同，见图A1。 A.2钢芯模 A.2.1钢芯模用不锈钢或普通钢制成，并在芯模上钻孔，孔径为2mm，孔密度为0.44个/ cm[2]。见图A2。 A.3密封内衬 A.3.1钢芯模和砂芯模在容器绕制前必须包覆好密封内衬。内衬材料一般可采用J 03胶片和9621橡胶。当胶片厚度为0.3mm时，要包覆二层，厚度为0.6～1mm时，可包覆一层。 A.4封头及极孔嵌件本标准推荐的封头曲面为扁椭球曲面，其它封头曲面型式可按需要自行选龋封头曲面及金属嵌件见图A3。曲面坐标值 ________________________________________________________________________________ x 0 3.5 18.7 22.5 25.5 28.0 30.0 31.7 33.2 34.4 y 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 ________________________________________________________________________________ _______________________附加说明：本标准由国家建筑材料工业局提出，由纤维增强塑料标准化分技术委员会归口。本标准由国家建筑材料工业局哈尔滨玻璃钢研究所负责起草。本标准主要起草人刘其贤、林国荣。