CN105181455B - 一种用于检测竹复合压力管环刚度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于检测竹复合压力管环刚度的方法，其包括如下步骤：将竹复合压力管沿其径向切割出多个试样，分别测量并计算每个试样的平均长度、平均壁厚、平均内径和计算直径；将用于测试环刚度的试验机以及试样置于常温下进行状态调节，并将试样放置于试验机中进行加载试验，获得初始环刚度及力值F，将试样旋转90°后继续进行加载测试，获得试样径向变形量为3％D时对应的力值F’，然后进行环刚度判定，若初始环刚度不小于环刚度等级值时，且述F’不小于90％F，判断竹复合压力管的环刚度合格，本发明还增加了应用于低温环境时竹复合压力管环刚度的检测。本发明可实现竹复合压力管环刚度的快速测量与检测，检测结果准确可靠，效率高。
Description
技术领域
本发明属于管道环刚度测量技术领域，更具体地，涉及一种用于检测竹复合压力管环刚度的方法。
背景技术
竹复合压力管为一种新型的压力管道，其沿管径方向，由内到外依次为内衬层、增强层和外防护层，其中，内衬层为内壁涂有防腐树脂的竹纤维无纺布；增强层为竹片缠绕在内衬层上形成的竹片层，竹片之间采用粘结剂粘结；外防护层为外壁涂有防水防腐树脂的竹纤维无纺布或棉质网格布，该新型压力管道有耐压强度高、刚度好、绝缘、耐腐、水流性能佳、重量轻、安装方便、成本低廉、使用寿命长等特性，可广泛应用于城市给排水、水利、农田灌溉、石油污水处理、工业循环水等领域。
环刚度是竹复合压力管抗外压负载能力的综合参数，为了保证竹复合压力管在外压负载下安全工作，环刚度的选择是设计中的关键之一，如果管材的环刚度太小，管材可能发生过大变形或出现压屈失稳破坏，反之，如果环刚度太高，需采用过大的截面惯性矩，将造成材料用料太多，成本过高，因此，竹复合压力管的环刚度是否合适对其具体应用具有至关重要的影响。而由于竹复合压力管的材料组成与其他种类管道不同，现有技术中并没有一种用于测试竹复合压力管环刚度，并检测竹复合压力管环刚度是否满足抗压性能要求的方法，因此，无法对室温环境下，尤其是低温环境下的竹复合压力管的环刚度以及环刚度变化规律进行有效的测试与分析，无法对竹复合压力管在低温环境下的应用提供数据支撑。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的实施例提供了一种用于检测竹复合压力管环刚度的方法，其中结合竹复合压力管自身的特点，相应的设计了适用于测量其环刚度，并检测其环刚度是否满足抗压性能要求的方法，同时对其关键工艺参数如加载变形量、取样方式等进行研究和设计，相应的可有效的实现竹复合压力管在低温环境下环刚度的快速测量，同时，还针对竹复合压力管的应用环境，设计了与其应用环境相符的状态调节环境，以对试验机进行状态调节，从而获得符合实际环境要求的竹复合压力管的环刚度，具有测量和检测结果准确，效率高等优点，为竹复合压力管在低温环境的应用提供参考。
为实现上述目的，本发明的实施例提出了一种用于检测竹复合压力管环刚度的方法，其包括如下步骤：
(1)制备试样：将待检测的竹复合压力管沿其径向切割出多个轴向长度不同的试样，其中，所述试样的轴向长度均不小于150mm；分别在上述每个试样的不同位置处测量其轴向长度、管壁厚度和内径，从而计算获得所述每个试样各自的平均长度L、平均壁厚t、平均内径Dn和计算直径D；
(2)环刚度的测试与判定：
(2.1)常温状态调节：将用于测试竹复合压力管环刚度的试验机以及上述每个试样置于20℃～25℃的环境下进行24h～48h的状态调节；
(2.2)常温加载测试：分别将所述每个试样放置于上述状态调节后的试验机中，并使其轴向与所述试验机中的上、下压板平行；所述上、下压板用于夹持住所述试样，并且上述上、下压板沿着所述试样轴向的边长不小于该试样的轴向长度；所述试验机以恒定加载速度V对试样进行加载测试，直到所述试样径向的变形量Δy达到3％D，记录该变形量Δy对应的力值F；根据公式计算所述每个试样各自的环刚度S，并取上述多个试样环刚度的算术平均值作为竹复合压力管的初始环刚度；然后将所述每个试样以其轴线为旋转轴旋转90°后继续置于所述试验机上进行上述加载测试，当所述试样径向的变形量Δy达到3％D时，记录该变形量Δy对应的力值F’；
(2.3)环刚度的判定：当所述初始环刚度不小于该竹复合压力管的环刚度等级值时，且所述F’不小于90％F时，判定该竹复合压力管的环刚度合格，否则不合格。
作为进一步优选的，当所述待检测的竹复合压力管应用于低温环境时，所述步骤(2.3)由如下步骤代替：
(2.4)低温下状态调节与加载测试：将上述试验机和每个试样置于-30℃～-18℃的环境下进行24h～48h的状态调节；然后在上述低温环境下重复所述步骤(2.2)的操作；
(2.5)再次常温状态调节与加载测试：再次将经过步骤(2.4)后的所述试验机和每个试样放置于20℃～25℃环境下进行状态调节；然后再在常温环境下重复步骤(2.2)的操作；
(2.6)环刚度的判定：若所述步骤(2.4)中获得的低温环境下的初始环刚度大于步骤(2.2)中得到的初始环刚度，且所述步骤(2.5)得到的初始环刚度不小于所述竹复合压力管的环刚度等级值，且所述步骤(2.2)中的F和F’、步骤(2.4)中的F和F’、步骤(2.5)中的F和F’均满足F’不小于90％F时，判定该竹复合压力管的环刚度合格。
作为进一步优选的，所述环刚度S由式(1)确定：
式中：S是与Δy相对应的管的环刚度，单位为N/m2；
F是与Δy相对应的力值，单位为N；
L是试样的轴向长度，单位为m；
Δy是管的计算直径D的变化量，单位为m；
D是管的计算直径，单位为m，D＝Dn+t，Dn是管的平均内径，t是管的平均壁厚。
作为进一步优选的，所述加载速度V由式(2)确定：
V＝0.35×D2/t (2)；
式中：V是加载速度，取整数，单位为mm/min；
D是管的计算直径，单位为m；
t是管的平均壁厚，单位为m。
作为进一步优选的，测量长度时，根据所述试样的公称直径沿其圆周方向等分测量多个长度，然后取平均值作为平均长度。
作为进一步优选的，长度的测量个数采用如下方式确定：当试样公称直径DN≤200mm，长度测量个数为3个；当试样公称直径200mm＜DN＜500mm，长度测量个数为4个；当试样公称直径DN≥500mm，长度测量个数为6个。
作为进一步优选的，测量壁厚时，任取试样一端面的至少八等分间隔测量，然后取平均值作为其平均壁厚。
作为进一步优选的，测试过程中，所述试样的变形量通过测量所述压板的位置得到，当管壁厚度变化超过10％时，则直接测量试样的内径变化得到。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明结合竹复合压力管以竹材为基体材料、以热固性树脂为胶黏剂、采用缠绕工艺制成的特点，相应的设计了适用于测量具有该结构的竹复合压力管的环刚度，尤其是在低温环境下的环刚度，并对其环刚度是否满足抗压性能的要求进行检测与判断，为竹复合压力管在低温环境下的应用提供数据支撑，具有检测效果好，判断速度快，效率高等优点。
2.本发明还对测试中的关键工艺参数如取样方式、加载变形量进行研究和设计，充分结合竹复合压力管的结构特点，设计符合其结构要求的取样方式和加载变形量，以实现竹复合压力管在低温环境下环刚度的快速测量，同时，本发明还针对竹复合压力管的应用环境(如深季节性冻土)，设计了与其应用环境相符的状态调节环境，以对试验机等设备进行长达24小时以上的状态调节，使得测试环境与竹复合压力管的实际应用环境接近，从而获得符合实际环境要求的竹复合压力管的环刚度，测量结果准确可靠，为竹复合压力管在低温环境下的应用提供参考。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的测试原理是通过对一定公称直径(例如DN300、DN600、DN1000等)的竹复合压力管在常温与低温环境下的环刚度的测定，分析常温与低温环境下竹复合压力管的物理力学性能，为实际应用提供可靠而准确的数据，首先将管材试样水平放置，用两个互相平行的压板垂直方向对试样施加压力，在变形时产生反作用力，管径变化量ΔY相对应的线载荷除以管径变化量，并乘以系数即为相对应的环刚度。
本发明采用的测试仪器由DYE-300电液式压力试验机、TLJ-4型荷载传感器、差动式位移传感器和Data taker数据采集装置组成，DYE-300电液式压力试验机满足试验规定的压缩速率，能够通过两个互相平行的压板对试验时间足够的力和产生规定的环向变形，配备的TLJ-4型荷载传感器、差动式位移传感器测变形，其力和位移的数据由Data taker每隔0.2s实时采集。
实施例1：
本实施例针对的是常温下竹复合压力管环刚度的检测，具体包括如下步骤：
(1)测试前准备
(1.1)试样制备
本实施例以公称直径DN300mm、压力等级0.4MPa、环刚度等级7500N/m2的竹复合压力管为例，在公称直径DN300的竹复合压力管的外表面每隔90°沿管材长度方向划线并做好标记，将管材按规定长度切割成多个试样，本实施例以3个试样为例，实际操作中不局限于上述数量，试样截面垂直于管材的轴线，每个试样的最小长度应不小于150mm，在切样时，应垂直切割样的端部，其切割面应无毛刺和锯齿边缘，为防止沿试样长度方向载荷分布不均匀，在不损伤增强材料下，若试样与加载板接触部位不平整应打磨，只有在不损伤增强材料时才允许用喷砂打光，应注意只沿上下压板接触线进行喷砂。
(1.2)外观检测
测试前，试样需经外观检测，如有缺陷和不符合尺寸及制备要求者，应予以作废。
(1.3)测量
测量DN300竹复合压力管的平均内径Dn、平均壁厚t和平均长度L，测量平均长度时，每个试样按表1的规定沿圆周方向等分测量4个长度，计算其算数平均值，精确到1mm，对于每个试样，在所有的测量中最小值不应小于最大值的0.9倍；测量平均壁厚时，任取一端面至少八等分间隔测量，分别取平均值；测量试样平均内径时，测量试样每一端面相互垂直的两个方向的内径，取平均值；壁厚、和内径的测量精度为0.02mm，测量结果见表2。
表1长度测量个数
| 管材公称直径DN/mm | 长度测量个数i/个 |
| DN≤200 | 3 |
| 200＜DN＜500 | 4 |
| DN≥500 | 6 |
表2试样测量结果
(2)环刚度测试与判定
(2.1)状态调节
在本测试中，将用于测试竹复合压力管环刚度的测试仪器以及待测试的每个试样置于20℃～25℃的环境下进行24h～48h的状态调节，整个测试在常温测试室中进行，状态调节后的试样应在与状态调节相同的环境或温度下进行测试。
(2.2)常温环境下环刚度测试
状态调节后，将竹复合压力管试样放置DYE-300电液式压力测试机上，使其轴向平行于测试机的上下压板，然后放置DYE-300电液式压力测试机上的中央位置，上下压板沿着试样轴向的边长不小于试样的轴向长度，使上压板和试样恰好接触且能夹持住试样，以恒定的加载速度压缩试样直到试样径向的变形量Δy达到3％D，加载速度按照公式(2)计算得出，其中D为管的计算直径，记录每个试样在变形量Δy对应的力值F；根据公式(1)计算每个试样各自的环刚度S，并取三个试样环刚度的算术平均值作为竹复合压力管的初始环刚度；将试样以其轴线为旋转轴旋转90°后继续利用试验机进行加载测试，则此时压板所压位置是之前测试后形变最大的位置，当试样径向的变形量Δy达到3％D时，记录每个试样的在变形量Δy时对应的力值F’，测试结果见表3。
表3常温环境下环刚度测试结果
整个测试数据由计算机采集，通常变形量是通过测量一个压板的位置得到，但如果在测试过程中，管壁厚度的变化超过10％，则应通过直接测量试样的内径变化来得到。其中，环刚度S采用式(1)计算获得：
式中：S是与Δy相对应的管的环刚度，单位为N/m2；
F是与Δy相对应的力值，单位为N；
L是试样的轴向长度，单位为m；
Δy是管的计算直径D的变化量，单位为m；
D是管的计算直径，单位为m，D＝Dn+t，Dn是管的平均内径，t是管的平均壁厚。
加载速度V采用式(2)计算获得：
V＝0.35×D2/t (2)；
式中：V是加载速度，取整数，单位为mm/min；
D是管的计算直径，单位为m；
t是管的平均壁厚，单位为m。
由式(2)计算出三个试样的加载速度取整数各为3mm/min、4mm/min、4mm/min，由式(1)计算环刚度，其平均环刚度为公称直径所对应的3个试样的平均值，公式见(3)，环刚度测试结果见表3。
(2.3)环刚度的判定
判断20℃～25℃环境下测试的初始环刚度是否不小于该竹复合压力管的环刚度等级值，并判断F’是否不小于90％F。根据表3可知，初始环刚度为7811.1N/m2，大于该竹复合压力管的环刚度等级值7500N/m2，并根据F’与F的比较，F’均不小于90％F，则判断该竹复合压力管的环刚度合格。经过大量竹复合压力管环刚度的试验发现，绝大部分试样旋转90度后测得的3％D形变量对应的力值F’不小于旋转前的环刚度测试的3％D形变量对应的力值F，或F’如果变小，不会小于90％F，个别F’小于90％F的试样，后来经检查发现试样内衬层与增强层之间已经有部分脱开，由此得出的判定数据，由于90度位置处是形变量最大的位置，通过在这个位置的再次环刚度测试，可以验证该试样整体的抗压强度，判定该竹复合压力管的环刚度是否合格。
实施例2：
本实施例针对的是常温低温交替环境下使用的竹复合压力环刚度的检测，具体包括如下步骤：(1)测试前准备和(2)环刚度测试与判定，其中步骤(1)与实施例1中的步骤(1)相同，在此不再赘述，本实施例以公称直径DN600mm、压力等级1.2MPa、环刚度等级30000N/m2的竹复合压力管为例，测量结果见表4。
表4试样测量结果
步骤(2)环刚度测试包括如下步骤(测试结果见表5)：
(2.1)常温环刚度测试
将用于测试竹复合压力管环刚度的测试仪器以及待测试的每个试样置于20℃～25℃的环境下进行24h～48h的状态调节，状态调节后，将竹复合压力管试样放置DYE-300电液式压力测试机上，使其轴向平行于测试机的上下压板，然后放置DYE-300电液式压力测试机上的中央位置，使上压板和试样恰好接触且能夹持住试样，以恒定的加载速度V(通过计算得出，三个试样的加载速度取整数均为4mm/min)压缩试样直到试样径向的变形量Δy达到3％D，记录该变形量Δy对应的力值F，将试样以其轴线为旋转轴旋转90°后继续利用试验机进行加载测试，当试样径向的变形量Δy达到3％D时，记录每个试样的在变形量Δy时对应的力值F’；计算每个试样各自的环刚度S，并取三个试样环刚度的算术平均值作为竹复合压力管的初始环刚度，根据表5结果可知，初始环刚度为33992.1N/m2。
(2.2)低温环境下环刚度测试
在20℃～25℃环境下测试之后，将上述试验机和试样再置于-30℃～-18℃的环境下进行24h～48h的状态调节，然后重复环刚度测试步骤进行低温环刚度测试，获得竹复合压力管在低温条件下的初始环刚度，同样获得试样径向变形量Δy达到3％D时对应的力值F，以及试样旋转90°后径向变形量Δy达到3％D时对应的力值F’。
(2.3)再次常温环刚度测试
再次将经过步骤(2.2)后的试验机和每个试样放置于20℃～25℃环境下进行状态调节，然后再在常温环境下重复环刚度测试步骤进行常温环刚度测试，获得竹复合压力管在常温条件下的初始环刚度，同样获得试样径向变形量Δy达到3％D时对应的力值F，以及试样旋转90°后径向变形量Δy达到3％D时对应的力值F’。
(2.4)环刚度的判定
判断步骤(2.2)中获得的低温环境下的初始环刚度是否不小于步骤(2.1)中初始环刚度，且步骤(2.3)得到的初始环刚度是否不小于竹复合压力管的环刚度等级值，且步骤(2.1)中的F和F’、步骤(2.2)中的F和F’、步骤(2.3)中的F和F’是否均满足F’不小于90％F。根据表5的结果可知，低温条件下的初始环刚度为47951.5N/m2大于步骤(2.1)中的初始环刚度33992.1N/m2，常温条件下的初始环刚度为33977.8N/m2，大于竹复合压力管的环刚度等级值30000N/m2，且每组F’均不小于90％F，判定该竹复合压力管的环刚度合格。
表5常低温交替环境下使用的竹复合压力管环刚度的测试结果
本发明采用上述方法，实现了竹复合压力管环刚度的快速准确测量与检测，为竹复合压力管环刚度的测量提供了有力的检测手段，为其在深季节性冻土中的应用提供了有效参考。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于检测竹复合压力管环刚度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备试样：将待检测的竹复合压力管沿其径向切割出多个轴向长度不同的试样，其中，所述试样的轴向长度均不小于150mm；分别在上述每个试样的不同位置处测量其轴向长度、管壁厚度和内径，从而计算获得所述每个试样各自的平均长度L、平均壁厚t、平均内径Dn和计算直径D；
(2)环刚度的测试与判定：
(2.1)常温状态调节：将用于测试竹复合压力管环刚度的试验机以及上述每个试样置于20℃～25℃的环境下进行24h～48h的状态调节；
(2.2)常温加载测试：分别将所述每个试样放置于上述状态调节后的试验机中，并使其轴向与所述试验机中的上、下压板平行；所述上、下压板用于夹持住所述试样，并且上述上、下压板沿着所述试样轴向的边长不小于该试样的轴向长度；所述试验机以恒定加载速度V对试样进行加载测试，直到所述试样径向的变形量Δy达到3％D，记录该变形量Δy对应的力值F；根据公式计算所述每个试样各自的环刚度S，并取上述多个试样环刚度的算术平均值作为竹复合压力管的初始环刚度；然后将所述每个试样以其轴线为旋转轴旋转90°后继续置于所述试验机上进行上述加载测试，当所述试样径向的变形量Δy达到3％D时，记录该变形量Δy对应的力值F’；
(2.3)环刚度的判定：当所述初始环刚度不小于该竹复合压力管的环刚度等级值时，且所述F’不小于90％F时，判定该竹复合压力管的环刚度合格，否则不合格。
2.如权利要求1所述的用于检测竹复合压力管环刚度的方法，其特征在于，当所述待检测的竹复合压力管应用于低温环境时，所述步骤(2.3)由如下步骤代替：
(2.4)低温下状态调节与加载测试：将上述试验机和每个试样置于-30℃～-18℃的环境下进行24h～48h的状态调节；然后在上述低温环境下重复所述步骤(2.2)的操作；
(2.5)再次常温状态调节与加载测试：再次将经过步骤(2.4)后的所述试验机和每个试样放置于20℃～25℃环境下进行状态调节；然后再在常温环境下重复步骤(2.2)的操作；
(2.6)环刚度的判定：若所述步骤(2.4)中获得的低温环境下的初始环刚度大于步骤(2.2)中得到的初始环刚度，且所述步骤(2.5)得到的初始环刚度不小于所述竹复合压力管的环刚度等级值，且所述步骤(2.2)中的F和F’、步骤(2.4)中的F和F’、步骤(2.5)中的F和F’均满足F’不小于90％F时，判定该竹复合压力管的环刚度合格。
3.如权利要求1或2所述的用于检测竹复合压力管环刚度的方法，其特征在于，所述环刚度S由式(1)确定：
<mrow>
<mi>S</mi>
<mo>=</mo>
<mn>0.01935</mn>
<mo>&times;</mo>
<mfrac>
<mi>F</mi>
<mrow>
<mi>L</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>y</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
式中：S是与Δy相对应的管的环刚度，单位为N/m2；
F是与Δy相对应的力值，单位为N；
L是试样的轴向长度，单位为m；
Δy是管的计算直径D的变化量，单位为m；
D是管的计算直径，单位为m，D＝Dn+t，Dn是管的平均内径，t是管的平均壁厚。
4.如权利要求3所述的用于检测竹复合压力管环刚度的方法，其特征在于，测量长度时，根据所述试样的公称直径沿其圆周方向等分测量多个长度，然后取平均值作为平均长度。
5.如权利要求4所述的用于检测竹复合压力管环刚度的方法，其特征在于，长度的测量个数采用如下方式确定：当试样公称直径DN≤200mm，长度测量个数为3个；当试样公称直径200mm＜DN＜500mm，长度测量个数为4个；当试样公称直径DN≥500mm，长度测量个数为6个。
6.如权利要求5所述的用于检测竹复合压力管环刚度的方法，其特征在于，测量壁厚时，任取试样一端面的至少八等分间隔测量，然后取平均值作为其平均壁厚。
7.如权利要求6所述的用于检测竹复合压力管环刚度的方法，其特征在于，测试过程中，所述试样的变形量通过测量压板的位置得到，当管壁厚度变化超过10％时，则直接测量试样的内径变化得到。
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