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。