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： PR σfθ=------------(2-tg[2]α)…………………(1) 2tG[θ] β 　　　　　　　　　　　　　　　　tGθ=-------×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： PR σfα=-----------------…………………………(3) 2×fGα·cos[2] β 　　　　　　　　　　　　　　　tGα=--------×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： PR σcθ=------………………………………………………(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： PR σcα=-----…………………………………………………(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取。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。