连续纤维增强玻璃钢球阀研究.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 文章编号 1002258552010 0120001204 作者简介冯伟,男,山西大同人,硕士研究生,从事连续纤维增强玻璃钢阀门设计研究。 连续纤维增强玻璃钢球阀研究 冯 伟,黄争鸣 同济大学 航空航天与力学学院,上海200092 摘要 介绍了由材料性能试验获取的连续玻璃纤维增强复合材料的力学性能,包括沿各个不 同方向的拉伸、 压缩、 剪切、 弯曲等性能参数,并依据这些性能参数,研究连续纤维增强玻璃钢球阀 的设计要点,导出其详细设计公式。通过对材料组成及制备工艺进行改进,使得设计出的玻璃钢球 阀较国内普通的玻璃钢球阀力学性能更为优秀。 关键词 玻璃钢球阀;连续玻璃纤维;力学性能 中图分类号TH134 文献标识码A Research on continuous glass fiber reinforced plastic ball valve FENG W ei, HUANG Zheng2m ing School of Aerospace Engineering continuous glass fibre; m echanical properties 1 概述 长期以来,在化工、 石油、 医药和食品等工业部 门中,控制、 输送介质管路上的耐腐蚀阀门一般都采 用不锈钢、 搪瓷、 硅铁、 陶瓷和聚四氟乙烯等耐腐蚀 材料,玻璃钢是近50多年 〔1〕 来发展迅速的一种复合 材料。玻璃钢是以玻璃纤维作增强材料、 合成树脂 作粘结剂的增强塑料。随着我国玻璃钢事业的发 展,作为塑料基的增强材料,已由玻璃纤维扩大到碳 纤维、 硼纤维、 芳纶纤维、 氧化铝纤维和碳化硅纤维 等。由于玻璃钢相对其他材料具有更加优良的耐化 学介质腐蚀性,玻璃钢制管道和阀门已得到广泛应 用。一般的不锈钢阀门在高温盐酸和酸碱交替条件 下是不能使用的,在价格上玻璃钢阀门只有相同尺 寸不锈钢阀门的1 /3左右。 2 分析 目前国内玻璃钢球阀所用材料的基体树脂大多 采用改性酚醛树脂,增强纤维一般都采用短切纤维。 这样的玻璃钢球阀只能在PN016MPa的工况下使 用,大大限制了应用范围,使玻璃钢优良的耐腐蚀性 能得不到充分发挥。为了满足各行业日益增长的阀 门使用需求和各种严酷苛刻使用环境的需要,必须 对现有玻璃钢阀门的材料及制作工艺进行改进,使 其适用于更高压力范围。本文首先对连续玻璃纤维 增强玻璃钢的材料力学性能进行试验研究,在已知 玻璃钢材料性能参数的基础上导出玻璃钢球阀的设 计要点。 3 球阀材料选用 目前国内用于制造阀门的玻璃钢基体材料主要 以环氧和酚醛两类树脂 〔2〕包括其改性品种 ,如,聚 乙烯醇缩丁醛改性酚醛、 二甲苯甲醛树脂改性酚醛、 环氧酚醛等为主,聚酯玻璃钢阀和改性呋喃树脂 玻璃钢阀也有少量生产。作为增强材料的玻璃纤维 12010年第1期 阀 门 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 也形式各异,但限于模压成型工艺,主要采用短切纤 维增强形式。短玻纤 〔3〕 增强的复合材料性能不高, 各种玻璃钢阀的工作温度上限一般为120～140℃, 工作压力为018～110MPa。这个工作压力范围仅相 当于低压区的工作压力范围 〔4〕 。 本文介绍的球阀用玻璃钢是采用连续玻璃纤维 布作增强体,用乙烯基酯树脂Vinyl Ester Resins 作为基体材料的复合材料。连续玻璃纤维布增强的 玻璃钢具有抗冲击强度好,蠕变小,耐热性好,成型 收缩小等优点。与玻璃钢管道应用条件相类似,乙 烯基树脂的耐温、 耐腐蚀和加工性能好,常应用于化 工设备的防腐保护。而采用连续玻璃纤维布取代传 统的短切纤维作为增强材料可以大大提高玻璃钢中 玻璃纤维的百分含量和增强效果。玻璃纤维是玻璃 钢的主要承力部分,玻璃纤维含量的提高将意味着 玻璃钢整体力学性能的提升。 4 材料力学性能试验 411 试验材料 试验用材料即复合材料厚板材由连续玻璃纤维 增强乙烯基树脂制成,纤维结构形式与成型工艺过 程与新型玻璃钢球阀制作所采用的连续增强纤维结 构和成型工艺条件一致,纤维含量也相同。为了便 于试验确定面外层间加载条件下复合材料的性 能,制作的原材料板材厚度为60mm。 412 试验过程 根据标准要求的试验用试样的尺寸表1、 表 2 ,制作了8组每组5个试样。 将试样固定在CSS电子万能试验机上,与负荷 传感器、 控制器、 功率放大器和计算机等连接共同工 作。沿着面内和面外两个方向,分别切割5根试样, 共切割10根试样。试验在25℃环境下进行,每组 试验重复五次。 表1 标准试样尺寸参考值mm 试样尺寸长宽厚 拉伸2502510215 压缩1402510310 剪切762010415 弯曲801217310 1拉伸试验 试验加载速度为1mm /m in,记录相应的位移 -载荷曲线,同时面内拉伸使用YJY- 13B引伸计 连接感应器,记录对应的载荷-变形曲线。通过计 算将记录的载荷-变形曲线转化为相应的应力-应 变曲线,得到复合材料总体的拉伸弹性模量和拉伸 强度。 表2 实际试样尺寸平均值mm 试样尺寸类型长宽厚 拉伸面外49113010131021770 面内201101425137831100 弯曲面外4719369164021764 面内74194412166821862 剪切面内42182419115281068 42199219117641600 面外65117419143681846 65108019186041128 压缩面外251090151230151410 面内251090151320151300 2压缩试验 试验加载速度为015mm /m in,同时记录相应 的位移-载荷曲线。压缩试验加力端是一直径为 80mm的圆柱体,试样置于圆柱体的中心,通过试 验机横梁的上下移动实现对试样加力。将记录的载 荷-变形曲线转化为相应的应力-应变曲线后,得 到复合材料的压缩弹性模量和压缩强度。 3弯曲试验 试验加载速度为1mm /m in,试样作为层合梁, 进行横向三点弯曲试验,同时记录相应的中心位移 -载荷曲线。通过计算将记录的载荷-变形曲线转 化为相应的应力-应变曲线,得到复合材料的弯曲 弹性模量和弯曲强度。 4剪切试验 加载速度为015mm /m in,同时记录相应的位 移-载荷曲线。通过计算将记录的载荷-变形曲线 转化为相应的应力-应变曲线,得到复合材料的剪 切强度。 413 试验结果 从试验测得的连续纤维增强复合材料的面内材 料性能结果平均值表3可以看出,采用连续纤 维增强的玻璃钢的力学性能较用短切纤维增强的玻 璃钢有显著的提升,面内拉伸强度与短切纤维增强 玻璃钢拉伸强度相比,提高两倍之多 〔5〕。这是由 于作为玻璃钢增强材料的纤维是玻璃钢的主要承力 部分,采用连续纤维增强以后,纤维的百分含量可 高达70 ,而短切纤维增强玻璃钢的纤维含量仅 有40左右。当然,玻璃钢的力学性能还和其他 因素有关,比如树脂的种类等。 2 阀 门 2010年第1期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表3 试验结果平均值 拉伸试验 强度/M Pa模量/GPa 压缩试验 强度/M Pa模量/GPa 弯曲试验 强度/M Pa模量/GPa 剪切试验 强度/M Pa模量/GPa 18113116113362951466161163401721218225125805- 5 球阀设计要点 511 球体设计 以PN316M Pa 按4M Pa ,DN100mm的 球阀图1为例进行设计,球体半径R018 ～0195DN 80～95mm,先 取球 体 直 径 为 159mm。为保证球体表面能完全覆盖阀座密封面, 选定球径后需校核球体最小直径Dm in。 Dm inD2 2 d 2 1 式中 Dm in 球体最小计算直径, mm D2 阀座密封环图2外径 D 2 11218 , mm d 球体通道孔直径 d DN , mm 将各值代入式1 , 则Dm in为15017mm。所 以,取球体直径159mm满足最小直径校核要求。 512 阀座设计 求出介质内压p推动球体压紧密封阀座的比 压,再利用阀座材料的压缩强度条件,求出阀座密 封环的外径D2。 D2 d 4qs p 4qs-p 2 式中 p 介质内压 p PN316 , M Pa qs 聚四氟乙烯阀座许用比压 q s15 , M Pa 将各值代入式2 , 则D2为11218mm。根据 标准FJB061 - 74适用于PN≤410M Pa, DN10～ 200mm的球阀密封圈选取材料为尼龙或聚四氟 乙烯的阀座结构表4。 表4 阀座结构尺寸mm DND1D2D3H 10201416154 152820235 203525286 254232348 32504041 4062485010 5075586012 6595757514 80115909216 10014011011518 125165135140 15020016517520 200250220225 513 阀体设计 阀体设计项目主要是阀体壁厚t,将阀体简化 成受内压的短圆筒,则 t pde 2[σ]-p 3 式中 [σ] 材料的许用应力, M Pa [σ]σL/k σL 材料的抗拉极限σL180 , M Pa k 安全系数 k 6 将各值代入式3 , 则t10134mm。考虑铸 造及锻造偏差、工艺性和流体的腐蚀等因素,最终 选取壁厚T为 Ttc4 式中 c 附加裕量 c 3 , mm 将各值代入式4 , 则T13134mm,取壁厚 为14mm。 514 阀杆设计 阀杆是开闭阀门的主要零件,其主要载荷受扭 矩作用。浮动球与阀杆连接设计时应满足传递足够 的扭矩和保证球体相对于阀杆有一定的活动性这两 32010年第1期 阀 门 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 个基本要求,以利于密封。阀杆与球体采用正方形 头连接,阀杆插入球体的深度h为 h1215 MT1 a 2 [σc] 式中 MT1 球体与阀座的摩擦力矩, Nmm a 阀杆方头的边长, mm [σc] 球体材料许用挤压强度,取抗压 强度的80 , M Pa 部件中a和h尺寸比例应选的适当。最好比例 是当零件受挤压和扭曲时,按等强度条件选取,即 ha 1174[τ N] [σc] 式中 [σc] 球体材料许用挤压应力, M Pa [τ N] 材料的许用扭转应力, M Pa 经试验,阀杆采用钢制内芯外包3mm左右的 玻璃钢,既能减小尺寸满足扭转强度的要求,又可 以保证阀杆不受介质腐蚀,使用效果良好。 6 结语 通过改进玻璃钢的材料组成和制作工艺,提升 了玻璃钢的整体力学性能,克服了短切玻璃纤维增 强玻 璃 钢 脆 性 大 的 缺 点。经 壳 体 试 验,按 PN016M Pa设 计 的 玻 璃 钢 球 阀 至 少 可 以 在 PN215M Pa的工况下安全使用。拓宽了玻璃钢球阀 的使用范围,使玻璃钢球阀的耐腐蚀性能得以充分 发挥。 参考文献 〔1〕 刘鑫昌.玻璃钢复合材料工艺发展趋势 〔J〕.玻璃钢/复合 材抖,19921 33 - 36,42. 〔2〕 吴国贞,贵文伯,于丁,等.塑料在化学工业中的应用 〔M〕.北京化学工业出版社,1985. 〔3〕 赵振铎,刘延利.现代工业玻璃钢复合材料及其成形技术 〔J〕.英才高职论坛,20073 52 - 57. 〔4〕 本书编委会.最新阀门设计制造技术与产品质量检测标准 规范全书 〔M〕.北京电子工业出版社,2003. 〔5〕 崔建伟,宋华,张慧萍,等.短纤维增强PVC的力学性能 研究 〔J〕.玻璃钢/复合材料,20061 31 - 33. 〔6〕 哈尔滨建筑工程学院编,玻璃钢结构分析与设计 〔M〕.中 国建筑工业出版社,1981. 〔7〕 徐灏.安全系数和许用应力 〔M〕.北京机械工业出版 社,1981. 〔8〕 孔庆宝,孔凡旭.玻璃钢管路工程寿命的分析研究中 〔J〕.纤维复合材料,20011 46 - 50. 收稿日期2009109127 书讯 11 阀门产品样本第三版 本书由机械工业出版社2006年8月出版发行,合肥通用机械研 究院与全国阀门标准化技术委员会主编。本书汇集了我国阀门行业主要生产厂家的有代表性的产品,共计 2000多个型号、近4万个规格。包括各类阀门的外观图、结构图、主要性能参数、主要外形和结构尺寸、 重量及主要零件材料,以及生产厂家等,为工程设计、采购、销售人员及阀门用户正确、合理、经济地选 择阀门提供参考资料。书号ISBN7 - 111 - 18960 - 4,定价290100元/上、下册。 21 阀门手册第二版 本书由中国石化出版社2005年出版发行,[美] Philip L.Skousen 著,孙家孔译。本书全面系统地介绍了阀门的基础知识、阀门种类和阀门应用等方面内容。具体内容包 括阀门介绍、阀门选用准则、手动阀门、控制阀、手动控制器和执行机构、灵活阀门及定位器、确定阀 门尺寸、确定执行机构尺寸和常见阀门问题等。本书可作为阀门使用维修人员以及设备管理和工程技术人 员的工具书,也可作为阀门设计人员和从事压力容器、管道设计人员的参考书。书号ISBN7 - 80164 - 896 -X,定价55100元/册。 31 实用阀门设计手册第2版 本书是2002版 实用阀门设计手册 的修订版。在技术内 容上更加充实和实用。本书共10章,主要介绍了阀门的分类、名词术语、型号编制、压力损失及主要参 数、结构要素、配合精度和表面粗糙度标准、材料及选用、设计计算和设计数据、零部件及选用原则、驱 动装置、检验和试验方法等。书中图、表、公式、数据资料齐全,包括我国现行标准规范、国际通用标准 规范以及相关数据和设计方法,查找方便。本书可供从事阀门设计、安装调试、使用与维修工作的技术人 员参考,也可供相关专业院校师生参考。本书由陆培文主编,机械工业出版社出版。书号ISBN978 7111215998,定价188100元/册。 每册加收书价10的邮寄包装费,需要者,请与沈阳经济技术开发区开发大路15号沈阳阀门研究所 科技开发信息中心的尹玉杰联系,邮编110142,电话02425653780。 E-m ailsfskkxzchinavalveinfo1net http/ /www1chinavalveinfo1net 4 阀 门 2010年第1期