钢丝缠绕增强塑料复合管力学性能的试验研究

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1、钢丝缠绕增强塑料复合管力学性能的试验研究钢骨架增强塑料复合管可分为钢板网骨架增强塑料复合管和钢丝网骨架增强塑料复合管。按制造工艺的不同，钢丝网骨架增强塑料复合管又可分为钢丝点焊成网增强塑料复合管和钢丝缠绕增强塑料复合管。钢板网骨架增强塑料复合管所能生产的管材尺寸小，而钢丝点焊成网增强塑料复合管的制造工艺复杂，生产效率低。   钢丝缠绕增强塑料复合管（见图1，以下简称为复合管）是以聚乙烯（PE）为基体，以高强度钢丝倾角错绕成型的网状骨架为增强体，钢丝与塑料之间采用高性能树脂黏结。骨架镶嵌复合在管壁中间，内外层塑料

2、则通过钢丝间隙中的塑料连在一起，使得两种材料互相交织，浑然一体；一根钢丝与塑料的接触面与另一根钢丝和塑料的接触面间断，形成间断的钢丝塑料界面，其界面面积比连续钢塑界面面积大，因而具有更优良的复合效果。使得钢丝缠绕增强塑料复合管集钢、塑两种管材的优点于一体，具有十分优越的综合性能：承载能力强、耐腐蚀性好、耐磨性能优良等。      针对钢骨架增强塑料复合管力学性能的研究已有一定的积累。程小平等人对钢丝点焊成网增强塑料复合管进行了静液压爆破试验并针对静液压条件下管材的应力分布及变形情况进行了有限元分析，得到了压力一

3、周长变形量曲线和失效形式以及变形和应力分布；任志敏等人针对钢丝点焊成网嘈强塑料复合管和钢板网骨架增强塑料复合管采用有限元法模拟了爆破的全过程，并用近似理论解析法给出了它们的爆破压力计算公式，最后用试验数据对有限元模型和近似理论解析法的正确性及合理性进行了验证。   但是，对于钢丝缠绕增强塑料复合管力学性能的研究，尚未见国内外有文献报导。本研究建立了复合管的试验装置，通过内压试验、压扁试验、外压试验等一系列试验，首次系统研究了复合管的短期爆破压力、应变分布、环向刚度、临界失稳压力等力学性能。这些试验结果可为复合管

4、的力学模型建构、有限元数值模拟、结构优化等奠定基础，为指导和规范同类结构的设计制造提供基础数据。   1试验研究   1.1主要设备   应变数据采集仪，BX120-IAA，北京康泰电子；   预调平衡箱，P20R-5A，北京康泰电子；   静态电阻应变仪，YJR-5，北京康泰电子；   管材耐压爆破试验机，ZNY1307，深圳市新三思材料检测有限公司；   万能实验机，WDW工，科大创新股份有限公司。   1.1不同温度下的短期爆破试验   采用图2所示装置进行25℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、

5、60℃下复合管的短期爆破试验，所需载荷由往复式电动试压泵施加。试验装置放在温度调节范围为20℃~95℃、温度波动范围为±1℃的恒温箱内保温。保温结束后迅速启动加压系统，对试样开始加压直至破坏。并在25℃时对PE管进行了爆破试验。25℃时取5个复合管试样，取2个PE管试样；其他温度时各取1个复合管试样。试样参数见表1。         1.2轴向变形率、径向膨胀率和应变   复合管仅受径向内压时，其轴向会发生收缩；在仅受轴向力时，它将伸长。为了比较不同工况下复合管的轴向变形率、径向膨胀率和应变，笔者对两种典型载荷

6、工况进行研究：工况1是仅受径向内压作用而轴向不受力；工况2是径向和轴向同时受到内压作用。   1.2.1测点布置   考虑到复合管的复合层为各向异性，本次试验按如下方案布置应变片：单向片（1＃~16＃测点）沿周向等间隔布置两组，每组为八个片，四个用来测轴向应变，分布在一周的0°、90°、180°、270°四个位置，另外四个用来测周向应变，分布在同一周的45°、135°、225°、315°四个位置；三向片（17＃~24＃测点）沿周向等间隔布置两组，各4片。   为了测量各级载荷作用下复合管的轴向间距和直径，在试样

7、上选择具有代表性的位置设置6条基准线(0°、45°、90°、135°、270°、315°线)作为轴向间距测量基准，采用游标卡尺测量；同样将1-1、2-2、3-3圆周作为直径测量基准，采用π尺测量。各测点的布置方位见图3，所有测点均设置在复合管外壁。两种工况各取1个试样，试样参数见表1。      试验中，应变数据采集仪器为BX120-IAA和BX120-2CA电阻应变片、P20R-5A型预调平衡箱和YJR-5型静态电阻应变仪。   1.2.2加载方案   利用管材耐压爆破试验机施加内压载荷。该试验机的恒压精度为

8、-1％~2％，试验装置见图4。从0开始逐级加压至复合管公称压力1.0MPa后，再逐级降压至0（循环3次）；然后从0开始逐级加压至1.6MPa后，再逐级降压至0（循环3次）；从0开始逐级加压至接近爆破压力的估算值后再逐级降压至。（循环1次）；最后从0开始逐级加压，直至复合管丧失承载能力，则停止加压。压力变化幅度为0.2MPa，并在各级载荷下保压30min左右。      1.3压扁试验