纤维增强塑料设备的设计准则和安全系数浅析

2020-08-26俞群

化工设备与管道 2020年3期

俞群

（中石化南京工程有限公司，南京 211100）

纤维增强塑料是一种特殊的纤维制品，因早期的纤维增强材料多为玻璃纤维，行业内称为玻璃钢，基于其高强度、足够的刚度以及优良的耐腐蚀特性，已经在化工、石化、冶金、电力、医药及生物工程等行业得到广泛的应用。尽管上述众多领域的腐蚀环境越来越复杂，但近几年国内引进的大量机械缠绕装备，以及树脂和纤维生产的质量和品种取得长足的进步，纤维增强塑料制作工艺和技术装备的水平得到快速提升，纤维增强塑料制品的质量已经有了大幅度的提升，进而推动了纤维增强塑料制作的耐腐蚀设备的越来越广泛的应用和发展。随着我国国民经济的快速增长，安全生产和节能环保越发得到重视，与纤维增强塑料设备设计的相关标准规范要求不断修订更新，标准的水平也在不断提高，具体体现在对原材料的质量要求更加严格，对设备制造厂商的装备能力和制造工艺水平要求更加具体，对设备设计的安全系数选择确定更加科学、量化。

1 纤维增强材料的特性

纤维增强塑料制品综合了增强纤维和合成树脂的特性，具有以下特性：

（1）与常用耐腐蚀不锈钢材料相比，纤维增强塑料的密度小，相同体积下质量通常是不锈钢材料的1/4～1/3，其原材料的生产能耗低，通常约为不锈钢的1/3。

（2）在常压和中低压设备的应用环境下，纤维增强塑料具有足够的强度和刚度，满足各种结构、几何形状设备的制作需求。

（3）纤维增强塑料的主要原材料为各类增强纤维和热固性树脂。增强纤维包括玻璃纤维、碳纤维等各种合成纤维，树脂有不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂、呋喃树脂、酚醛树脂等。纤维增强塑料强化了增强纤维材料和树脂的特性，具有优良的耐化学腐蚀特性。

（4）除碳纤维类增强塑料外，各类玻璃纤维增强塑料均具有良好的电绝缘性。

（5）纤维增强塑料因其主要原材料增强纤维在各铺层内方向相互交叉，具有不同的方向，使得其制成品具有与钢材截然不同的各向异性的特点，铺层板在经向和纬向具有不同的弹性模量；在计算纤维增强塑料设备的环向应力和经（轴向）向应力时，需要特别注意采用各自方向的弹性模量。

（6）纤维增强塑料在外载荷作用下发生断裂破坏之前，可能已经产生明显的变形。对于其制品，无论是树脂浇铸体还是单层板或者是层合板，均没有明显的、像钢材那样的屈服强度，纤维增强塑料制设备设计时除了腐蚀渗漏破坏失效和环境应力开裂失效外，还需要更多地关注刚度失效模式。

2 纤维增强塑料的力学性能

在进行纤维增强塑料设备设计时，必须要首先明确其层合板的力学性能。事实上，影响纤维增强塑料力学性能的因素有很多。这些因素包括：制成纤维增强塑料化工设备的原材料品种众多；设备成型技术各异，如手糊成型工艺、喷射成型工艺、纤维缠绕成型工艺、模压成型工艺等；设计条件（如压力、温度、介质腐蚀特性等）涵盖范围宽；设备运行环境（日晒、雨雪、低温等）变化不一等。这些因素均会对纤维增强塑料力学性能乃至整个设备的运行安全带来重要影响。

纤维增强塑料单层板的力学性能指标主要包括拉伸强度、拉伸弹性模量、搭接剪切强度。纤维增强塑料层合板的力学性能指标主要包括拉伸强度、弯曲强度、拉伸弹性模量、弯曲弹性模量、搭接剪切强度、层间剪切强度、泊松比等。由于其材料各向异性的特点，这些力学性能指标应区分为轴向和环向两个方向的值。在具体的设备设计强度和刚度计算时，需要仔细予以选择相应的指标来进行许用判别。

纤维增强塑料的力学性能参数可以由铺层实测法或者铺层计算法求得。铺层实测法应优先采用。当缺少实测数据或者历史经验数据时，可以采用铺层计算法求取。

3 纤维增强塑料设备的设计计算准则

由于纤维增强塑料具有易变形、无明显屈服点等特性，对于纤维增强塑料制设备设计，计算准则有应力控制和应变控制两种。国内外相关标准通常按照“许用应变设计准则”的要求。ASME X[1]中控制许用应变为0.001；ASME RTP-1—2011[2]对接触模塑成型类设备采用应力控制，对缠绕成型类设备的环向厚度允许采用应力控制或应变控制；BS EN 13121-3—2008[3]则采用应力控制和应变控制两种方式共同控制；GB 51160—2016[4]和HG/T 20696—2018[5]均主要参考了BS EN 13121-3—2008，采用应变控制并且限定了层合板的许用设计应变不得大于0.001。

许用应变设计准则的一般形式可以表示为：

式中 εmax—— 设计载荷下设备的最大应变，或者称为极限应变；

[ε]—— 设计载荷下纤维增强塑料的最大允许应变，或者称为许用应变。

在HG/T 20696—1999[6]中[ε] 规定取为0.1%，但在该标准各章节的计算公式中，采取的是玻璃钢材料在设计温度下的环向抗拉强度除以安全系数的表达方式。该标准中仅对机械缠绕玻璃钢设备、玻璃钢储罐和受外压载荷的圆筒和凸形封头等三种情况提出了相应的安全系数的规定值。

经过近二十年，HG/T 20696—1999 修订为HG/T 20696—2018，对许用应变[ε]则给出了更为详细的规定。不仅规定了用于制作纤维增强塑料化工设备树脂的[ε]（在该标准中表达为εar，规定εar=0.1 εr，其中εr为树脂浇铸体的断裂伸长率），而且规定了构成纤维增强塑料化工设备的层合板的许用应变，取为层合板的轴向极限应变εa、环向极限应变εh和树脂的许用应变εar三者中的小值，且不应大于0.001。但在该标准的4.4.5 条中给出的层合板的轴向极限应变εa和环向极限应变εh计算公式中已经除以了安全系数K，故由计算公式4.4.5-2 和4.4.5-3 得到的εa、εh实际上应该是“层合板的轴向许用应变”和“层合板的轴向许用应变”。

标准中还给出了层合板的许用试验应变εtest，规定了εtest≤0.11%。这是基于压力试验过程的载荷为瞬时载荷，而且压力试验的目的之一就是对设备产品的超压安全强度验证，应允许设备产品在压力试验时的应变在保证安全的前提下适当加大。由于试验压力为设计压力的1.1 倍，故试验许用应变也相应放宽，由0.1%增大到0.11%。

该标准应用应力-应变虎克定律公式由“许用应变”[ε]导出了层合板的“许用应力” [σ]。其后的计算公式主要参照GB/T 150—2011《压力容器》[7]中的相关设计内容，以许用应力的形式进行表达，方便熟悉压力容器和储罐设备设计的人员进行纤维增强塑料化工设备的设计计算。当然，对于在TSG 21—2016[8]管辖范围内的承压设备，还需满足其中的相关技术规定。设备在进行强度计算时，不应计入耐化学腐蚀层和外保护层的厚度，在进行刚度计算屈曲失稳时，可以选择设备的总厚度。

4 纤维增强塑料设备设计安全系数选择

层合板的轴向许用应变和环向许用应变，可以由纤维增强材料的轴向和环向极限应变除以适当的设计安全系数求得。对于纤维增强塑料设备，其设计安全系数的确定是比较复杂的。目前，国内外纤维增强塑料设备设计标准中，在确定设计安全系数的条款中考虑的因素基本一致，包括材料性能验证方式、设备的应用化学环境、设计温度和树脂热变形温度（HDT）影响、设备在运行过程中的压力和/或温度的波动循环以及材料在载荷作用下的长期蠕变性能的影响等。各标准在具体个别条款的表达上略有差异。

一般地，设备的设计安全系数的表达式为[3-5，9]：

其中，K 为设备承受内压、层合板承载截面内为拉应力时的安全系数，在HG/T 20696—2018 中称为内压安全系数，在GB 51160—2016 中称为设计安全系数，在BS EN 13121-3 中称为“overall design factor”，意指总体安全系数。

F 为承受外压或者压缩载荷、层合板内承载截面内为压缩应力或弯曲应力时的安全系数。在HG/T 20696—2018 中称为外压安全系数，笔者认为这个提法不太准确。在GB 51160—2016 表述为屈曲安全系数，与BS EN 13121-3 中的“buckling design factor”的意思一致，表达更为准确。这是由于设备除在承受外压载荷、设备壁厚界面内为拉伸应力状态的情况外，如果在沿壁厚方向产生弯曲应力时，内/外壁面必有一侧为压缩应力状态，此时的设计安全系数应该取为F，而不应取为K。

S0为基本安全系数，该系数与材料的性能无关。在GB 51160—2016 和BS EN 13121-3 中均统一取为2。在HG/T 20696—2018 中则更为细致地规定为：对于常压设备或者采用声发射检测进行检验的压力容器取为2，对于不采用声发射检测进行检验的压力容器取为2.3。这样的规定是出于对压力容器安全的特别重视。

K1为材料性能的试验验证的分项安全系数。当设计所用层合板的力学性能采用的是相关设备（GB 51160—2016 或HG/T 20696—2018）设计标准中给出的数值（下称为标准给定值），并且该参数通过制造商的同类层合板设计的产品业绩的有效验证不超过18 个月，则K1取为2；如该参数为标准给定值且通过制造商的同类层合板设计的产品业绩的有效验证不超过12 个月，则K1取为1.5；如该参数为标准给定值且通过了相关设计标准中规定的层合板性能试验的验证，则K1取为1.3；如该参数为标准给定值且通过了相关设计标准中规定的设备实际试样的试验验证，则K1取为1.2；如该参数不是标准给定值而是按相关设计标准中规定的方法通过单层板性能实测或者试验验证取得，则K1取为1.1；如该参数不是标准给定值而是按相关设计标准中规定的方法通过设备的实际层合板性能试验确定取得，则K1取为1.0；BS EN 13121-3 中规定的K1取值还与设计方法（Advanced design/basic design）相关联，但实质内容与上述国内标准的规定基本相同，表述上略有差异，在此不再赘述，有兴趣的读者可以查阅原文。

K2为与化学环境相关的分项安全系数。GB 51160—2016 的附录A 给出了确定K2的三种具体方法，分别是：① 根据制造商提供的耐腐蚀树脂数据；②根据具体的应用经验，此时设计应采用与该“应用经验”相同树脂、纤维组成的内衬层结构、固化体系、固化及后固化条件；③实验室试验或现场挂片验证。当采用不同的方法得到的K2值不同时，设计中应取其中的最小值。HG/T 20696—2018 则给出了确定K2的五种具体方法，除GB 51160—2016 给出的上述三种方法外，还有根据介质分类的方法（详见该标准的附录A）和根据热塑性塑料衬里制造商提供的数据确定的方法。GB 51160—2016 和HG/T 20696—2018 对K2的取值规定均主要参照了BS EN 13121-2—2003[9]中的相关规定。

K3为设计温度和树脂热变形温度（HDT）影响的分项安全系数。国内外标准对此项安全系数的计算取值是一致的，即：

式中 Td——设备设计温度，℃；

HDT—— 树脂热变形温度，℃。

K4为动载荷分项安全系数。在HG/T 20696—2018 中规定了设备不受动载荷时，K4取为1.0；设备承受动载荷时，K4取为1.1；在其条文说明中注明了该动载荷参照了BS EN 13923—2005[10]中的定义，为容器使用寿命期内压力循环次数超过1 万次，但这两个标准里均没有明确其压力循环的波动范围。在BS EN 13121-3 中，K4的定义为“与操作循环相关的分项系数”，此处的操作循环为“压力循环，或者温度循环，或者压力与温度的循环”，该标准中统一取为1.0，即不考虑设备在运行过程中的压力和/或温度的波动。同样，GB 51160—2016 中也将K4取为1.0，表明该标准不适用于压力和/或温度有波动的工况。

K5为材料长期性能的分项安全系数。在HG/T 20696—2018 中规定了K5宜按照其附录N.3 长期弯曲蠕变试验确定。当缺乏试验数据时，该标准给出了采用短切原丝毡、机织物/无捻粗纱布、缠绕纱制造层合板时的相应于设计寿命下的K5取值。GB 51160—2016 和BS EN 13121-3 的规定基本与上述内容相同，不同之处是GB 51160—2016 给出的短期拉伸载荷作用下的K5均为1.0，没有给出短期弯曲载荷作用下的K5；HG/T 20696—2018 则分别给出拉伸和弯曲长期载荷作用下的K5。HG/T 20696—2018 和BS EN 13121-3 均将长期载荷分为10 年和50 年，使用年限介于10 ～ 50 年之间者可采用插值的方法求取。BS EN 13121-3 则给出了短期（无论拉伸或弯曲）载荷作用下的K5均为1.0，且将短期载荷的时限明确为不超过30 min。值得注意的是短期（无论拉伸或弯曲）载荷作用下的K5仅可用于早期设计阶段的技术经济估算。除轴向纤维缠绕时10 年使用期在弯曲载荷作用下的K5取1.60（HG/T 20696—2018 中取为1.30，此处可能有误）外，其余各种情况下的K5取值与HG/T 20696—2018 完全一致。BS EN 13121-3 还规定K5取值不得小于1.20，无论是由长期弯曲蠕变试验方法获得还是由标准附表查取获得。需要指出的是，当载荷性质为拉伸和弯曲组合作用时，计算安全系数K 的公式中的K5应取拉伸载荷作用下的取值。不同类型的荷载对应于不同的K5取值，也将导致安全系数K 和/或F 的变化和设计许用应变、许用应力的不同。

另外，各相关设计/建造标准还对设计安全系数的最小值做了相应的规定。比如：HG/T 20696—2018中规定，当采用规则设计时，设备设计最小安全系数K ≥6.0，F ≥5.0，对于法兰设计则取K ≥8.0；当采用分析设计的方法设计时，应满足按照该标准中的附录F 的要求；当采用试验的方法时，设备失效压力不得小于6 倍的设计压力。

GB 51160—2016 中规定，K ≥6.0，F ≥4.0。如果无法确定各分项安全系数，则设计安全系数K ≥10.0，屈曲安全系数≥5.0。

BS EN 13121-3 则给出了与设计方法（Advanced design/basic design）相关联的K 和F 的最小值的规定，见表1。