连续纤维增强玻璃钢球阀研究

    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PN 0.6MPa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（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0.8～1.0MPa。这个工作压力范围仅相当于低压区的工作压力范围。
    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
    4.1 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。
    4.2 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。     
    （1）拉伸试验
    试验加载速度为1mm/min，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。
    （2）压缩试验
    试验加载速度为0.5mm/min，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/min，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0.5mm/min，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。
    4.3 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。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。

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    5 球阀设计要点
    5.1 球体设计
    以PN=3.6MPa（按4MPa），DN=100mm的球阀（图1）为例进行设计，球体半径R=（0.8～0.95）DN=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Dmin。
   

    式中
    Dmin——球体最小计算直径，mm
    D2v——阀座密封环（图2）外径（D2=112.8），mm
    d——球体通道孔直径（d=DN），mm
    将各值代入式（1），则Dmin为150.7mm。所以，取球体直径159mm满足最小直径校核要求。

    5.2 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。
  

    式中
    p——介质内压（p=PN=3.6），MPa
    qs——聚四氟乙烯阀座许用比压（qs=15），MPa
    将各值代入式（2），则D2为112.8mm。根据标准FJB 061-74（适用于PN≤4.0 MPa，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
    5.3 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

  
    式中
    [σ]——材料的许用应力，MPa
    [σ]=σL/k
    σL——材料的抗拉极限（σL=180），MPa
    k——安全系数（k=6）
    将各值代入式（3），则t=10.34mm。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
   

    式中
    c——附加裕量（c=3），mm
    将各值代入式（4），则T=13.34mm，取壁厚为14mm。
    5.4 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
  

    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%，MPa
    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
  

    式中
    [σc]——球体材料许用挤压应力，MPa
    [τN]——材料的许用扭转应力，MPa
    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PN 0.6MPa设计的玻璃钢球阀至少可以在PN 2.5MPa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。