4.3　單層板和層合板性能

4.3.1　纖維增強塑料設備和管道的纖維增強塑料單層板力學性能宜通過鋪層實測法確定。當采用鋪層計算法時，玻璃纖維增強塑料單層板性能應符合下列規定：

1　單層板材料的力學性能應按表4.3.1-1取值。

2　纏繞角度與纖維纏繞層環向和軸向單元拉伸模量宜按表4.3.1-2取值。

3　纏繞角度與纖維纏繞層泊松比宜按表4.3.1-3取值。

4　單層板的玻璃纖維質量含量應符合下列規定：

1）短切原絲氈宜為25%～35%；

2）纖維布宜為45%～55%；

3）纖維纏繞紗宜為60%～75%。

4.3.2　纖維增強塑料層合板的力學性能參數可按層合板理論的鋪層計算法或鋪層實測法進行計算，并應符合下列規定：

1　當缺少實測參數或歷史數據時，應采用下列鋪層計算法計算：

1）層合板的單元拉伸剛度和單元拉伸強力應分別按下列公式計算：

式中：Xlam——層合板的單元拉伸剛度（N/mm）；

Ulam——層合板的單元拉伸強力（N/mm）；

ni——第i單層板的層數；

Wi——第i單層板的纖維單位面積質量（kg/m2）；

Xi——第i單層板的單元拉伸模量［N/（mm·kg/m2）］；采用纖維纏繞層，當纏繞角小于15°、計算環向拉伸模量時，應取值為0；當纏繞角大于75°、計算軸向拉伸模量時，應取值為0；

Ui——第i單層板的單元拉伸強度［N/（mm·kg/m2）］。

2）層合板的拉伸模量應按下列公式計算：

式中：Elam——層合板的拉伸模量（MPa）；

td——層合板的結構層計算厚度（mm）；

ti——第i層單層板的結構計算厚度（mm）；

mg——第i層單層板的纖維質量百分含量值；

Wi——第i單層板的纖維單位面積質量（kg/m2）；

ρr——樹脂固化后的密度（kg/m3）；

ρg——纖維的密度（kg/m3）。

3）層合板的彎曲模量應按下列公式計算：

式中：Eb——層合板的彎曲模量（MPa）；

Wi——第i單層板的纖維單位面積質量（kg/m2）；

Xi——第i單層板的單元拉伸模量［N/（mm·kg/m2）］；

hi——第i層單層板的中心與層合板中心（圖4.3.2）的距離（mm）；

h0——層合板的中性面與層合板中心的距離（mm）。

2　當采用鋪層實測法時，單層板和層合板性能檢測應符合下列規定：

1）試驗樣板應按設計鋪層制作，每個檢測項目的加工試樣不應少于15個；

2）單層板和層合板性能檢測項目應符合表4.3.2-1的規定；

3）試樣數據的置信度應按下列公式計算：

式中：Jlam——預設鋪層性能的典型值；

—預設鋪層實測性能的平均值；

t——t分布臨界值，可按表4.3.2-2取值；

s——標準偏差；

J——實測數值；

N——試樣數量。

Ⅰ　設備設計安全系數與許用應變

4.3.3　設備力學性能的設計安全系數確定應符合下列規定：

1　設計安全系數應按下列公式計算：

式中：K——設計安全系數，不得小于6.0；

F——屈曲安全系數，不得小于4.0；

K1——材料性能的試驗和驗證分項設計系數；

K2——化學環境的分項設計系數；

K3——設計溫度和樹脂熱變形溫度（HDT）影響的分項設計系數；

K4——層合板長期性能的分項設計系數。

2　當無法確定分項設計系數時，設計安全系數不得低于10.0，屈曲安全系數不得低于5.0。

4.3.4　材料性能的試驗和驗證分項設計系數K1的取值應符合下列規定：

1　當設計所用層合板力學性能值采用鋪層計算法確定、單層板性能采用本規范表4.3.1-1中的性能值時，K1的取值應符合下列規定：

1）當有18個月內制造同類層合板設計的產品業績，并有可接受的該產品性能的歷史數據時，K1應取2.0；

2）當有12個月內制造同類層合板設計的產品業績，并有可接受的該產品性能的歷史數據時，K1應取1.5；

3）當有12個月內制造同類層合板設計的產品業績，并對單層板性能采用5個數據一組的試驗驗證，獲得5個試樣的平均值和去掉5個試樣中最大值、最小值后的3個試樣的平均值，兩個平均值的小者應大于本規范表4.3.1-1中的性能值時，K1應取1.3；

4）當有12個月內制造同類層合板設計的產品業績，并對設計所用層合板力學性能采用5個數據一組的試驗驗證，獲得5個試樣的平均值和去掉5個試樣中最大值和最小值后的3個試樣的平均值，兩個平均值的小者應大于設計所用層合板力學性能值時，K1應取1.2。

2　當設計所用層合板力學性能值采用鋪層計算法確定、單層板性能采用鋪層實測法確定或單層板性能采用原有的鋪層實測法數據，但對該單層板性能采用5個數據一組的試驗驗證，獲得5個試樣的平均值和去掉5個試樣中最大值和最小值后的3個試樣的平均值，兩個平均值的小者應大于該單層板性能數據時，K1應取1.1。

3　當設計所用層合板力學性能值采用鋪層實測法，并從試驗室模擬試樣上取樣，每項性能檢測數據不應少于15個進行試驗驗證時，K1應取1.1。

4　當設計所用層合板力學性能值采用鋪層實測法，并從設備樣品上取樣，每項性能檢測數據不應少于15個進行試驗驗證時，K1應取1.0。

4.3.5　化學環境的分項設計系數K2的取值應符合本規范附錄A的規定。

4.3.6　設計溫度和樹脂熱變形溫度HDT影響的分項設計系數K3應按下式計算，且K3取值范圍應為1.0～1.4：

式中：Td——設計溫度；

HDT——樹脂的熱變形溫度。

4.3.7　層合板長期性能的分項設計系數K4應按表4.3.7取值，并應符合下列規定：

1　當同時采用短切原絲氈、纖維布、纖維纏繞紗制造層合板時，K4值應按主要纖維成分取值；

2　當計算屈曲安全系數F時，K4值應采用彎曲值；

3　當計算設計安全系數K，載荷中同時有拉伸和彎曲時，K4值應取拉伸值。

4.3.8　設備層合板許用應變和許用單元載荷的確定應符合下列規定：

1　樹脂的許用應變值εar應按下式計算，且不得大于表4.3.8-1中的規定值：

式中：εar——樹脂的許用應變值（%）；

εr——樹脂澆鑄體的斷裂延伸率（%）。

2　層合板的許用應變值應按下式計算：

式中：εlam——層合板的許用應變值；

Xlam——層合板的單元拉伸剛度（N/mm），應按本規范式（4.3.2-1）確定；

K——設計安全系數，應按本規范式（4.3.3-1）確定；

Ulam——層合板的單元拉伸強力（N/mm），應按本規范式（4.3.2-2）確定。

3　設備層合板的許用應變εd應取式（4.3.8-1）和式（4.3.8-2）計算值中的小值。當無法確定式（4.3.8-1）和式（4.3.8-2）計算值時，許用應變應按0.001取值。

4　當設備試壓時，樹脂的測試應變值εtest不得大于表4.3.8-2的規定值：

5　設備層合板的許用單元載荷應按下式計算：

式中：［q］——設備層合板的許用單元載荷（N/mm）。

6　設備層合板的許用剪切應力應按下式計算：

式中：［τ］——設備層合板的許用剪切應力（MPa）；

τ——設備層合板的剪切強度（MPa），可按現行國家標準《纖維增強塑料沖壓式剪切強度試驗方法》GB/T 1450.2的規定檢測獲取；當無檢測值時，可取50；

K——設計安全系數，應按本規范第4.3.3條的規定取值。

Ⅱ　管道許用應力與許用應變

4.3.9　管道的層合板許用應力應為層合板的彈性模量乘以許用應變，層合板的彈性模量應按本規范第4.3.2條的規定取值，層合板的許用應變應按指定值法或長期性能測試法確定。許用應力值的確定應符合下列規定：

1　當采用指定值法確定許用應變時，在不包括水壓試驗載荷的偶然短時載荷和包括熱膨脹載荷的持續載荷工況下，應取本條計算的許用應力值；

2　當采用長期性能測試法確定許用應變時，在不包括熱膨脹載荷的持續載荷工況下，應取本條計算的許用應力值；

3　當采用長期性能測試法確定許用應變時，在包括熱膨脹載荷的持續載荷工況下，應按本條計算許用應力值的125%確定；

4　當采用長期性能測試法確定許用應變時，在偶然短時載荷和不包括熱膨脹載荷的持續載荷工況下，應按本條計算許用應力值的133%確定。

4.3.10　當采用指定值法時，在腐蝕環境和溫度條件下管道層合板許用應變的確定應符合下列規定：

1　腐蝕環境的劃分應按設定化學環境下浸泡非受力試樣的彎曲強度損失率確定，并應符合下列規定：

1）試樣厚度應為4mm～6mm，應按模擬制品的流程進行固化，并應在設計溫度下整體浸泡6個月；

2）腐蝕環境Ⅰ時，相對于初始彎曲強度，其強度損失應小于或等于20%；

3）腐蝕環境Ⅱ時，相對于初始彎曲強度，其強度損失應大于20%，并應小于或等于50%；

4）當試樣彎曲強度損失大于50%時，應更換樹脂或纖維。

2　溫度條件的劃分應由樹脂的熱變形溫度HDT與設計溫度之間的差值確定，并應符合下列規定：

1）溫度條件Ⅰ時，設計溫度應小于或等于（HDT-40）℃；

2）溫度條件Ⅱ時，設計溫度應小于或等于（HDT-20）℃，并應大于（HDT-40）℃。

3　當腐蝕環境和溫度條件確定后，腐蝕環境和溫度條件與應變等級應按表4.3.10-1的規定選用：

4　當應變等級確定后，應變等級與許用應變值應按表4.3.10-2的規定選用：

5　當采用多層纖維纏繞結構、纏繞角度在±15°和±75°之間時，應進行各向異性彈性計算，層合板的應變值不得大于許用應變值。當不進行各向異性彈性計算時，許用應變值不應大于0.0009。

4.3.11　當采用長期性能測試法時，試驗應符合現行國家標準《玻璃纖維增強塑料夾砂管》GB/T 21238的有關規定，試樣端部應為自由端密封，其環向許用應變值應按下式計算：

式中：εd——設計壽命下的許用應變值；

Di——進行長期性能測試的管道試樣內徑（mm）；

p97.5——設計壽命下97.5%置信下限的失效內壓（MPa）；

Xlam——試樣的層合板單元拉伸剛度（N/mm）。當無此值時，可按現行國家標準《玻璃纖維增強塑料樹脂含量試驗方法》GB/T 2577對試樣進行燒蝕試驗，得到每一個試樣的纖維單位面積質量和鋪層結構，其平均值再按本規范式（4.3.2-1）計算；

K——設計安全系數，不應小于1.5。

4.3.12　當疲勞載荷的循環次數大于1000次或應力波動范圍大于20%的許用應力時，按本規范表4.3.10-2選用的許用應變值或按本規范式（4.3.11）計算的許用應變值還應再除以疲勞修正系數Kn，Kn應按下式計算：

式中：Kn——疲勞修正系數；

n——設計壽命期內的應力循環次數；

Aσ——在一個疲勞循環內的應力波動范圍；

σn——在一個疲勞循環內的最大應力。

4.3.13　管道層合板的許用應變值應小于樹脂斷裂延伸率的10%。

4.3.14　當采用長期性能測試法確定層合板的許用應變值并計算得到許用應力值時，應進行管道和管件的簡化失效包絡線計算和判定，并應符合下列規定：

1　長期性能測試法得到短期環向失效應力σsh及長期保留率R，且按現行國家標準《纖維增強熱固性塑料管軸向拉伸性能試驗方法》GB/T 5349得到的軸向拉伸強度值σsa、雙軸應力比r應分別按下列公式計算：

式中：　σsh——長期性能測試法得到短期環向失效應力（MPa）；

σsa——短期軸向拉伸強度值（MPa），可按現行國家標準《纖維增強熱固性塑料管軸向拉伸性能試驗方法》GB/T 5349檢測取值；

t——進行長期性能測試的管道試樣結構層壁厚（mm）；

R——長期保留率（%）；

pL，97.5%LCL——設計壽命L時97.5%置信下限的失效內壓（MPa）；

p6，97.5%LCL——外推曲線回退到6min時97.5%置信下限的失效內壓（MPa）；

r——雙軸應力比，可按式（4.3.14-3）計算，當無數據時，部件的缺省雙軸應力比值可按表4.3.14選擇。

2　簡化失效包絡線的數據計算應包括純內水壓作用狀態（2∶1）的許用環向應力σah（2∶1）、許用軸向應力σal（2∶1）、純軸向拉伸狀態（0∶1）的許用軸向應力σal（0∶1），并應分別按下列公式計算：

式中：σah（2∶1）——純內水壓作用狀態（2∶1）的許用環向應力（MPa）；

σal（2∶1）——純內水壓作用狀態（2∶1）的許用軸向應力（MPa）；

σal（0∶1）——純軸向拉伸狀態（0∶1）的許用軸向應力（MPa）；

K——設計安全系數，不應小于1.5。

3　由式（4.3.14-4）～式（4.3.14-6）計算的三個應力值連接成的折線應為簡化失效包絡線（圖4.3.14），管道的安全性應根據軸向和環向應力計算值在簡化失效包絡線內來確定。