玻璃纖維增強塑料夾砂管國標條文的說明

1    范圍

1.1 本標準適用于玻璃纖維增強塑料夾砂管，但當管材中石英砂或其它填料的量很小接近于零時的純玻璃纖維增強塑料管（純玻璃鋼管）也是適用的。FRPM管可在市政、化工、電力、石油、農(nóng)業(yè)等領域用作引水管、飲用水管、排污管等，F(xiàn)RPM管可鋪設在地面和地下，其中地下埋管又包括開挖式和非開挖式（如頂管）兩種。

     純玻璃鋼管若使用在無內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力要求的情況下，按照JC/T 552要求設計管材不合理。若按本標準，在管道承受內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力要求的情況下，管材軸向強度要求提高了。

1.2 、目前世界上生產(chǎn)FRPM管較為成熟的而且其產(chǎn)品應用有數(shù)萬公里的，所采應用的生產(chǎn)工藝也僅三種，即定長纏繞工藝、連續(xù)纏繞工藝和離心澆鑄工藝，這三種工藝目前均可采用計算機控制進行機械化生產(chǎn)，產(chǎn)品性能和質量穩(wěn)定可靠。

1.3 、工程實踐表明，盡管采用定長纏繞工藝、連續(xù)纏繞工藝和離心澆鑄工藝生產(chǎn)的FRPM管各有其特點，但只要達到了一個統(tǒng)一的技術要求，則這三種工藝生產(chǎn)的FRPM管完全可以滿足工程使用要求，這樣也便于對FRPM管進行工程設計和建設單位的項目管理。因此本標準把三種不同工藝生產(chǎn)的FRPM管都統(tǒng)一起來納入本標準。

    在我們參與的福建福清等地的工程，對于不同工藝生產(chǎn)的管的初試環(huán)向拉伸強度要求相同（6倍），工程情況較好。

1.4 目前在我國工程中應用的FRPM管最大直徑為3 100mm，最大壓力為2.0MPa，埋地管最高剛度等級達到10 000N/m²。潛在的工程需要直徑更大的FRPM管，而已有廠家生產(chǎn)出公稱直徑為4000mm的FRPM管并通過了管材性能檢測，故本標準中FRPM管的公稱直徑范圍確定為100mm～4 000mm，壓力為0.1MPa～2.5MPa----_-------_---，管剛度在1250N/m²～10 000N/m²。并且，公稱直徑和壓力等級、管剛度等級不在本標準規(guī)定范圍內(nèi)的FRPM管，也可參照本標準。

2    規(guī)范性引用文件

引用標準中，除GB／T 1634.2－2004和ISO 10928:1997外，其余標準均可考慮該標準的最新版本。

3    術語和定義

3.1  玻璃纖維增強塑料夾砂管

以玻璃纖維、樹脂、石英砂、碳酸鈣等為主要原料按一定工藝方法制成的管的名稱，在國外相對較多的稱為Reinforced Plastic Mortar Pipe,簡寫成FRPMP，在國內(nèi)叫法較多，玻璃鋼管、玻璃鋼復合管、加砂管等，從英文直譯則叫成玻璃纖維增強塑料砂漿管。在FRPM管中，砂是按要求僅加在管壁結構中間成為一個樹脂砂漿芯層，這一層與上下玻璃纖維增強塑料層形成一個夾層結構來承受管道內(nèi)外荷載的，這是這一結構的特點，因而在此稱FRPM管為玻璃纖維增強塑料夾砂管更為貼切。

3.2  環(huán)剛度

環(huán)剛度又稱為管剛度（pipe stiffness），在國內(nèi)塑料管中多稱為環(huán)剛度。目前環(huán)剛度有三種不同的定義方法。第一種定義方法，可見于國際標準（ISO）及英國標準（BS）等。

     SN¹=EI/D³

式中：E——管壁周向彎曲性模量，N/m³；

      I ——管壁沿軸向單位寬度內(nèi)向截面慣性矩，m⁴/m；

      D^---- ——管道平均直徑。

管剛度SN用N/m²作單位。第二種定義可見于德國標準（DIN）及ATV標準中：

    SN²=EI/R³

式中：R——管道平均半徑。顯然有下述關系；

      SN²=8SN^I

管剛度的第三種定義方法主要可見于美國標準（AWWA，ASTM）中，從試驗角度出發(fā)作出下述定義：

     SN³=F/ △y

式中：F——為平行板對徑壓縮試驗中，沿管軸方向單位長度對應于△y所施加的（線）荷載，磅力/英寸；

      △y——為管道加載方向直徑的變化量，英寸。一般取△y=0.05D_mo 

SN³ 用Psi作單位,通過分析比較可發(fā)現(xiàn)， SN^I或SN²與SN³間除單位不統(tǒng)一外，其他也僅差一個常數(shù)，即

SN²= 8SN^I=8 K₁ K₂ SN³

式中：K₁——單位置換系數(shù)，6.90X10³,

      K₂ ——常數(shù) 通常取0.0186,也可采用經(jīng)修正的系數(shù)。

      K₂=0.0186+0.025 △y/D^------ 或K₂=0.0186（1+△y/D/2）^3------

     考慮到國內(nèi)的行業(yè)標準和大多數(shù)FRPM管生產(chǎn)廠都采用第一種管剛度定義方法，而且這一意義已被許多使用單位所接受，因而在此推薦使用第一種定義方法。

3.3 

定長纏繞工藝 filament winding process

這是我們國內(nèi)最常見的一種生產(chǎn)工藝。

3.8 

長期彎曲應變S_b    long-term ring-bending strain

應是環(huán)向彎曲應變。

4  分類和標記

4.1  分類

表征FRPM管基本性能的參數(shù)主要是管的直徑，抗內(nèi)壓能力和抗外力能力，因此在FRPM管的分類中考慮除公稱直徑外的壓力等級和管剛度這兩個基本參數(shù)，同時不同工藝生產(chǎn)的FRPM管具有不同特點，也具有不同的最佳使用場合，故在產(chǎn)品分類中把生產(chǎn)工藝也作為一個基本參數(shù)加于考慮。

如離心澆鑄工藝、連續(xù)纏繞工藝生產(chǎn)的管砂漿層更為密實，其極限撓曲水平值較高。又如定長纏繞工藝生產(chǎn)的管內(nèi)襯層開裂應變更高些。

4.1.1   工藝方法

在我國，定長纏繞工藝生產(chǎn)線最為普遍，而在國外，后兩種工藝生產(chǎn)線要多于前者。

4.1.2   公稱直徑DN

與國際標準及、美國、歐洲國家的相應標準相同。

4.1.3   壓力等級PN

較密壓力等級分級主要是考慮到已頒布實施的中國工程建設標準化協(xié)會組織起草的《給排水工程埋地玻璃纖維增強塑料夾砂管道結構設計規(guī)程》（CECS 190:2005）的相應需要。

因為按照CECS 190:2005的要求，管材的壓力等級必須大于管道工作壓力，壓力等級加密后可按較低壓力等級規(guī)格要求管道的軸向強度。

4.1.4   環(huán)剛度等級SN

國內(nèi)外相應標準常用的管剛度等級。

    對于地下埋設的管，其環(huán)剛度不宜太低，否則會引起管道“方化”而失效，目前環(huán)剛度等級2500 N／m²及以下的管已很少作為地埋管，但可用作地面管道。而高剛度管，如環(huán)剛度等級超過10000 N／m²，用作開槽埋設用的地下管，在同樣控制其長期變形為5%時，并不更安全。

5  原材料

5.1  增強材料

為保證FRPM管的長期使用（如50年）,必須采用長期強度保留率高的無堿玻璃纖維。無堿玻璃纖維復合材料的耐水性、長期強度保留率明顯高于中堿的。

在允許用中堿玻璃纖維的情況下，個別企業(yè)為降低生產(chǎn)成本，竟使用國家已在多年前就明令禁止使用（于受力結構）的高堿玻璃纖維，不僅使用在排水管道，而且還使用在國家重點項目的引水工程中。

針對這樣的情況，標準起草組經(jīng)過仔細商討，作出本條規(guī)定。

5.2  樹脂

通常，為滿足期望的FRPM管的使用壽命達到50年，結構層樹脂必須具有較好品質，因此樹脂拉伸強度達到60MPa及拉伸彈性模量到達3.0GPa，可排除通用樹脂。

通用樹脂的固化收縮率高、放熱峰溫度高，強度較低，制造管材容易出現(xiàn)裂紋。

另外，為更大程度地發(fā)揮玻璃纖維的強度，樹脂的斷裂伸長率宜大于玻璃纖維的斷裂伸長率；通常無堿玻璃纖維的單絲拉伸強度為1600MPa--------，拉伸彈性模量為70G---Pa，則斷裂伸長率為2.29%，故作結構層樹脂其斷裂伸長率取為2.5%。參考國際標準標準（ISO）的相應規(guī)定及國內(nèi)樹脂性能熱老化試驗的一些結果，為保證FRPM管的使用壽命，有必要增加熱變形溫度不小于70^OC的要求。

對于內(nèi)襯層樹脂的性能，為充分地發(fā)揮內(nèi)襯層的抗?jié)B作用，內(nèi)襯層樹脂的斷裂伸長率應明顯高于結構層樹脂，在此取為3.5%；相應的其拉伸彈性模量適當降低，然而考慮到內(nèi)襯層樹脂總采用間苯型樹脂，故其強度值不宜降低，而對于乙烯基樹脂或雙酚A型樹脂等由于其長期性能穩(wěn)定性好，故對其初始強度要求可適當降低。

對于離心澆鑄工藝所使用的內(nèi)襯層樹脂，其斷裂伸長率更高，因此對其技術指標要求另作規(guī)定。

    國內(nèi)能生產(chǎn)出達到上述指標要求樹脂的廠家有十多家（我們實驗室測試過的），他們 生產(chǎn)出相應牌號的樹脂，只不過該類樹脂的生產(chǎn)成本會稍高于通用樹脂，其中一些樹脂生產(chǎn)廠家長期以來就一直在生產(chǎn)牌號固定、性能穩(wěn)定的管道用樹脂。

5.3  顆粒材料

     參考ISO 10639-2004，對顆粒材料的粒徑（不得大于2.5mm和五分之一管壁厚度之間的較小者）進行限制，以保證管壁的密實度和均勻度。含水量高會影響樹脂的固化以及界面性能，規(guī)定含水量不大于0.2%。

6  要求

目前還難于對管材外觀質量要求進行量化。相對于城鎮(zhèn)建設行業(yè)標準或建材行業(yè)標準，增加了無纖維浸潤不良的情況，主要針對在使用縫編氈容易出現(xiàn)內(nèi)襯層發(fā)白的現(xiàn)象，這主要與縫編氈的質量有關。

6.2  尺寸

管材的直徑與長度與ISO 10639-2004、AWWA C950-2001的基本系列相同。其中，外徑系列是對應離心澆鑄工藝及連續(xù)纏繞工藝生產(chǎn)的管，而內(nèi)徑系列是對應定長纏繞工藝的。

值得注意的是標準中的表2中的注，即：管兩端內(nèi)直徑的設計值應在本表的內(nèi)直徑范圍內(nèi)，兩端內(nèi)直徑偏差應在本表規(guī)定的偏差范圍之內(nèi)。以DN100為例，內(nèi)直徑范圍（最小97，最大103），偏差±1.5。即管子小頭內(nèi)直徑設計值最小為97，偏差±1.5；大頭內(nèi)直徑設計值最大為103，偏差±1.5。

6.2.3   管壁厚度

不同工藝對某一公稱直徑的相同壓力等級和管剛度等級的FRPM管達到相同技術指標要求所需要玻璃纖維、樹脂、石英砂等原材料的量不同，故管壁厚度也不同。實際上，即使采用了相同的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)商在采用的材料性能及數(shù)量也有差異，因而其管壁厚度也不相同，因此在本產(chǎn)品標準中將不對管壁厚度進行明確規(guī)定。但針對每一特定的工程，在進行工程設計時應明確FRRPM管的管材規(guī)格，明確管壁厚度，特別是在簽訂供需合同時作為技術資料應包含有FRPM管的圖樣（應包括管壁厚度、管道名義長度、管道總長度、連接方式、接口細部）及對主要原材料的品種、規(guī)格作出規(guī)定，甚至雙方可協(xié)定主要原材料的若干供應商，這樣產(chǎn)品質量易于得到保證。

6.2.4   管壁結構

    明確管材除結構層以外，還必須有內(nèi)襯層和外保護層。由于缺少內(nèi)襯層水流磨耗的數(shù)據(jù)，因此僅規(guī)定了一個最小厚度，建議管材口徑增大時適當增加內(nèi)襯層的厚度。

6.2.5   管端面垂直度

   這是保證連接后接口性能的需要。

6.3  巴氏硬度   

這是一個最低要求值，因為純樹脂固化后基本可以達到此值。

6.4 樹脂不可溶分含量

    樹脂不可溶分含量也稱固化度。達到衛(wèi)生要求國標《食品容器及包裝材料用不飽和聚酯樹脂及其玻璃鋼制品衛(wèi)生標準》（GB 13115）必須滿足的條件。

6.5 直管段管壁組分含量

由于各企業(yè)生產(chǎn)技術水平不盡相同，產(chǎn)品設計指導思想也存在差異，因此各企業(yè)生產(chǎn)的管材中各種原材料的組分含量不盡相同，但各企業(yè)在正式生產(chǎn)前應根據(jù)各自的情況確定出將進行生產(chǎn)的管材的最后設計方案，這時管材中各組分含量應是明確的。為防止用材偏差過大而影響產(chǎn)品性能，故通常要求控制管材的組分含量。

實際上是為保證管材主要材料的用量而設立的。已在一些工程中進行了該項目的控制，如新疆庫爾勒引水工程，DN1100，管線長度超過100公里；新疆引額濟烏工程，DN3100，管線長度超過10.8公里。

6.6  初始力學性能

6.6.2   初始環(huán)向拉伸強力F_th

《給排水工程埋地玻璃纖維增強塑料夾砂管道結構設計規(guī)程》(CECS 190:2005)對于管壁結構強度的設計要求，特別是滿足組合應力的控制條件,不同的工程完全可能出現(xiàn)需要不同的初始環(huán)向拉伸強力（度）,而選擇采用固定壓力等級不變但初始環(huán)向拉伸強力(度)根據(jù)工程設計來確度這一方案優(yōu)于固定初始環(huán)向拉伸強力（度）的安全系數(shù)(初始環(huán)向拉伸強力與壓力等級產(chǎn)生的環(huán)向拉伸應力的比值)選用更高壓力等級的管的方案。因為一旦壓力等級提高,管材的水壓滲漏試驗及管道鋪設后的單口打壓檢驗,分段水壓試驗等檢驗壓力都有可能被要求提高，軸向強度的要求也要相應提高。

    標準中給出的管壁初始環(huán)向拉伸強力f_th的最小值是考慮到FRPM管的環(huán)向拉伸強度在達到設計壽命時（一般指50年后)有一定的安全儲備(安全系數(shù)見標準文本中的表8系數(shù)C3)。確定。根據(jù)國外的試驗結果，長期環(huán)向拉伸強度的保留率通常在0.4～0.6之間，故在此列出了保留率在1/3～2/3間情況，另外規(guī)定初始最小安全系數(shù)不小于4。

參考ISO10639-2004，引入了考慮材料離散程度的修正系數(shù)項0.8236/(1-1.96C_V),C_V為離散系數(shù)。

由于我國建設工程所涉及的規(guī)范標準均采用基于概率統(tǒng)計的極限狀態(tài)設計方法，對于離散系數(shù)大的材料強度應加大安全系數(shù)。在本標準，對最重要的指標——環(huán)向拉伸強度，我們考慮了這一影響。對于復合材料的強度，其離散系數(shù)一般均在9%之內(nèi)，因此，對于離散系數(shù)大于9%的情況，應進行修正。

同國際標準ISO 10639。

  請參編的企業(yè)單位進行了環(huán)向拉伸強度的測試，測試情況是：同一規(guī)格試樣數(shù)量越多，離散系數(shù)越小。如：天聯(lián)對20根DN1400PN0.8SN5000的環(huán)向拉伸試樣的測試結果為：

環(huán)向拉伸強度：5109kN/m；

  離散系數(shù)： 1.7%。

其他單位測試結果中，離散系數(shù)最大為7.4%（5根試樣）。

     當無長期靜水壓設計基準試驗結果時，初始環(huán)向拉伸強度的最小安全系數(shù)取為表4系數(shù)C₁中的最大值(=6.3)。

6.6.3   初始軸向拉伸強力及拉伸斷裂應變

初始軸向拉伸強度按照ISO10639-2004要求取值，同樣對軸向拉伸斷裂應變值作了規(guī)定。

規(guī)定軸向拉伸斷裂應變值試圖防止使用少量的軸向纖維而不用交叉纖維而造成管道脆性折斷。

這種情況已在工程中多次發(fā)生，造成不好的影響。

對于承受內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力的管材，在工程中經(jīng)常會碰到，處理不當會造成工程事故。

主要有排氣三通、排泥三通、人孔、及與發(fā)蘭連接的管等。內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力是環(huán)向力的一半，因此此時軸向強度應為環(huán)向強度的一半。

6.6.4 水壓滲漏

一些企業(yè)在水壓抗?jié)B漏檢驗時采用2倍壓力等級內(nèi)壓，保持30秒進行，綜合后確定按現(xiàn)要求進行。

6.6.5 短時失效水壓

短時失效水壓作為一個產(chǎn)品的性能項目仍然保留，但在出廠檢驗時不作要求。

另外，短時失效水壓是環(huán)向強度測試的幾個方法中測試值最高的方法，如果可按本方法實施，則測試結果最為可靠。

6.6.6 初始撓曲性

撓曲水平的要求與以前的行業(yè)標準、國外標準一致。其意義是各種規(guī)格的管材均具有相同的極限彎曲應變。由于我們國內(nèi)的FRPMP的夾砂量大于以往的國外產(chǎn)品，也即同規(guī)格管的管壁厚度后，按標準要求達到的極限彎曲應變就大，要求就高。

如環(huán)剛度等級為5000N/m²的管，當公稱直徑壁厚比從70降到60，彎曲應變則增加16.7%。夾砂量越高，管壁越厚，達到撓曲水平B時的彎曲應變值越高。

目前夾砂管在達到撓曲水平B時的彎曲應變值在1.3%左右。

由于對于管剛度等級為1 250N/m²和10 000 N/m²的管對應的撓曲水平B在表7中給出的值及表8附注中給出的公式計算值是一致的，但對于管剛度等級為2 500 N/m²和5 000 N/m²的管對應的撓曲水平B在表8中給出的值是整數(shù)值，比表8附注中給出的公式計算值略大，故要求管剛度為1 250N/m²和10 000 N/m²的管對應的撓曲水平B按插值方法確定，這樣可避免出現(xiàn)矛盾。

6.6.7 初始環(huán)向彎曲強度

針對《給排水工程埋地玻璃纖維增強塑料夾砂管道結構設計規(guī)程》中需要管材彎曲強度作為管道結構設計的一個指標值，為更好地反映管材的實際彎曲性能，故在本產(chǎn)品標準中引入了初始環(huán)向彎曲強度這一項作為產(chǎn)品的技術要求。

初始環(huán)向彎曲強度可由管環(huán)的平行板對徑加載試驗測定，而初始環(huán)向彎曲強度的最小值是由管環(huán)撓曲性檢驗達到B水平時管壁最大彎曲應變與彎曲彈性模量的乘積。

把CECS190中對管材初始環(huán)向彎曲強度的最低要求作為管材這一性能項目的指標值。

對于定長纏繞工藝生產(chǎn)的管，通過對448個管環(huán)的測試結果的分析發(fā)現(xiàn)，409個管環(huán)破壞時推算得到的初始環(huán)向彎曲強度大于相應的指標值，達到這項性能要求的占91.3%，最大富裕量為261%（即實測值是指標值的361%），平均富裕量為47.3%；有39個管環(huán)的初始環(huán)向彎曲強度小于相應的指標值，最大差12.4%，平均差4.1%。在初始環(huán)向彎曲強度達不到指標值的管環(huán)中，大部分是管環(huán)破壞時的變形量剛達到或超過撓曲水平B規(guī)定的指標值，也存在有5個管環(huán)，其破壞時變形超過撓曲水平B規(guī)定的值10%以上的情況。

總體情況是，對于定長纏繞工藝生產(chǎn)的管，正常情況下其初始環(huán)向彎曲強度應可以達到規(guī)定的指標值，但若管環(huán)破壞時的變形量剛達到撓曲水平B規(guī)定的指標值，則初始環(huán)向彎曲強度可能會達不到規(guī)定的要求。

對于離心澆鑄工藝生產(chǎn)的管，其中初始環(huán)向彎曲強度按撓曲水平3%時載荷計算出的Ep值計算環(huán)向彎曲強度最小值時，初始環(huán)向彎曲強度不符合要求，按撓曲水平A時載荷計算出的Ep值計算環(huán)向彎曲強度最小值時，初始環(huán)向彎曲強度符合要求。

因此對離心澆鑄玻璃鋼夾砂管，初始環(huán)向彎曲強度最小值按撓曲水平A時載荷計算出的Ep值計算。

6.7  長期性能

6.7.1   長期靜水壓設計壓力基準HDP

   若要安全而有經(jīng)濟地使用FRPMP，必須確定本性能指標。在國外的產(chǎn)品標準中都有這樣的性能項目。

6.7.2   長期彎曲應變S_b

。

對于管材長期彎曲應變的最小值是參照ISO 10 639-2004中規(guī)定的最極限情況選取的，該值遠小于國外有關試驗結果。

按式（6）計算時，取SN5 000，D/t=60～70,則S_b,min=0.76～0.65%;

取SN10 000,D/t=45～55, 則S_b,min=0.78～0.64%;

當無長期彎曲應變S_b的試驗結果時，△_S取管材初始撓曲性檢驗達到撓曲水平B時徑向壓變形量的50%，則按式（6）計算所得的S_O值為：

取SN5 000，D/t=60～70,則S_b,min=0.65～0.55%;

取SN10 000,D/t=45～55, 則S_b,min=0.66～0.54%;

△_S取管材初始撓曲性檢驗達到撓曲水平B時徑向壓變形量的33%，則按式（6）計算所得的S_O值為：

取SN5 000，D/t=60～70,則S_b,min=0.44～0.38%;

取SN10 000,D/t=45～55, 則S_b,min=0.45～0.37%。

  考慮到腐蝕性介質對長期彎曲應變S_b的不利影響，對于一般的供水管道，△_S取管材初始撓曲性檢驗達到撓曲水平B時徑向壓變形量的50%，對于輸送含有腐蝕性介質污水管道，△_S取管材初始撓曲性檢驗達到撓曲水平B時徑向壓變形量的33%。

據(jù)了解，國內(nèi)一些企業(yè)開始進行無長期彎曲應變S_b的試驗，對于SN5000的管，其S_b在1%左右，其失效形式主要是玻璃纖維增強層的破壞；而對于高剛度管，如SN10000的管，其S_b會明顯減小，其破壞形式主要為砂漿層的破壞或砂漿層與增強層結合面的破壞。

由此可以看出，在無長期彎曲應變S_b的試驗結果的情況下，所取的值留有一定余量。

因此不同規(guī)格的管，長期彎曲應變S_b也是變化的。

7    衛(wèi)生性能

    滿足國家關于衛(wèi)生安全的要求。

8  試驗方法

8.2.4   管端面垂直度

直角尺一邊靠在管道內(nèi)表面（盡管內(nèi)徑系列的管帶有錐度，但帶來偏差較小，可不計），直角尺另一邊沿直徑方向觸及對邊管壁處，利用鋼板尺測定管端面垂直偏差。

8.3  巴氏硬度

按要求測量管材外表面的巴氏硬度。

8.4  樹脂不可溶分含量

    取內(nèi)襯及內(nèi)增強層或外增強層及外保護層，不從砂漿層中取樣。

8.5  直管段管壁組分含量

取樣時，試樣厚度應為整個管壁厚度，試樣長度及寬度按標準要求取25mm，稱重及測量坩堝重量后置入馬福爐進行燒失。燒失的重量作為樹脂的重量（其中包含了纖維表面有機物重量及可能使用的棉布重量，但不進行計除處理），在燒剩物中分離出玻璃纖維，并稱重即得纖維的重量，并最后得到石英砂的重量，通過計算得到各組分的含量。

8.6  初始力學性能

8.6.1 初始環(huán)剛度

    此處有2個或者說3個變化，一是加載速度，二是按徑向變形3%測試計算環(huán)剛度（CJ/T 3079、JC/T 838原來均按5%），三是計及了修正系數(shù)（相對于CJ/T 3079）。

一、加載速度

初始管剛度測試時特別是撓曲性試驗時加載速度對其是有一定影響的,加載速度過快或過慢對撓曲性的測試結果均有不利影響,在國際標準或國外標準中,對于撓曲性能試驗時的加載速度的規(guī)定各不相同,有的標準規(guī)定以恒定的加載速度進行管剛度和撓曲性檢驗,現(xiàn)行的CJ/T 3 079-1998和JC/T 838-1998均是如此,加載速度恒定取為10mm～12mm,這個速度對于小口徑高剛度管而言速度偏快,而對于大口徑管又是顯得太慢,如對DN3100管進行撓曲性檢驗時,對于SN7500的FRPM管,變形量達540mm以上,這樣加載時間超過45min。較為合理的確定加載速度的方法是保持恒定的應變率，如在國家標準中玻璃纖維增強塑料彎曲性能和單向纖維增強塑料彎曲性能試驗時取應變率S_r=1%/min。

    由于玻璃鋼夾砂管在管剛度、撓曲性檢驗時其管壁最大彎曲應變 e _f 可近似地表示為：

       e _f =4.28 D t/D²                                         (8.6.1a)

式中:—為平行壓縮試驗時加載壓縮方向上直徑的變化量,mm；

t —為管壁厚度，mm；

D —為管道直徑，mm；

若要保持應變不度，則加載速度V應為：

           V= D /T=D²S_r/(4.28t)                               (8.6.1b)

式中：T—為加載時間，min;

Sr= e _f /T ，為應變率，%/min。

式（8.6.1b）表明，同一直徑的FRPM管的管壁厚度加大，則加載速度宜變慢；直徑增加，加載速度也宜于提高。由于FRPM管中石英砂層表現(xiàn)出較為明顯的脆性，且其極限剪切應度值較低，故應變率S_r=0.15～0.20%min較為適宜，即式（8.6.1b）可定成：    

       V= （3.50～4.67）×10^-4D²/t                      （8.6.1c）

考慮到目前管徑較大的管較多，測試單位已較習慣于較低的加載速度，故在標準中取式（8.6.1c）的下限值。根據(jù)標準中的式（6），下面選擇幾種典型直徑的管，確定其加載速度：

DN600 ; SN5000 ; t=10mm ; V=15mm/ min ;   △=122 mm ;T=8.1min

D1N600 ;SN10000 ;t=13 mm ; V=10 mm/min ;   △=92mm ; T=9.2min

DN1200 ;SN5000 ; t=19.5mm ;V=10mm/min ;    △=244mm ; T=9.8min

DN1200 ;SN10000 ;t=25mm ; V=20mm/min ;    △=184mm ; T=9.2min

DN2200 ;SN5000 ; t=35mm ; V=50mm/min ;    △=447mm ; T=8.9min

DN2200 ;SN10000 ;t=45mm ; V=40mm/min ;    △=337mm ; T=8.4min

DN3100 ;SN7500 ; t=58mm ; V=60mm/min ;    △=553mm ; T=9.2min

實際上，應變率恒定，由于達到撓曲水平B時不同規(guī)格的FRPM管管壁的最大彎曲應變值基本接近，因此加載至撓曲水平B時所需要的時間也基本相同。

二、環(huán)剛度測試

根據(jù)參加起草的有關單位的要求，把測試環(huán)剛度時原 CJ/T 3079 、JC/T 838均按5% 變形時測讀載荷用于計算環(huán)剛度的，現(xiàn)改為 按3% 變形時測讀載荷進行環(huán)剛度計算，這樣對于高剛度管會略微提高一點環(huán)剛度的測試值。

三、關于修正系數(shù)

在 CJ/T 3079 中直接按照下式計算環(huán)剛度：

S₀ = 0.0186F/ △_Y                      （8.6.1d）

在 JC/T 838 中按照下式計算環(huán)剛度：

                  （8.6.1e）

   現(xiàn)按照下式計算環(huán)剛度：

             （8.6.1f）

式（8.6.1f）中，考慮到（△y/D）=0.03，因此得到標準文本的計算公式：

S₀ = 0.01935F/ △_Y                      （8.6.1h）

    這公式與塑料管的環(huán)剛度計算公式一致。

8.6.2   初始環(huán)向拉伸強力

一、三種方法的比較

   初始環(huán)向拉伸強度的三種測試方法，即內(nèi)水壓法（方法C）、分離盤法(方法A)和板條法（方法B）。由于內(nèi)水壓法所需的試樣用料較多，測試的周期較長，試驗方法較復雜，要做到兩端完全密封較為困難，在管材直徑較大時，試驗裝置需要承受幾百噸甚至1000噸以上的荷載，試驗有一定的危險性，故較少采用。雖然分離盤法較內(nèi)水壓法用料少，但其取樣較為麻煩，同時需要一系列的分離盤，而且管徑較大時分離盤質量較大，因而測試過程較板條法復雜。板條法實施過程中制樣和測試均較為方便因而最為常用，但當管道直徑較小時，采用 板條法所測出的環(huán)向拉伸強度明顯小于其它兩種方法的測試結果，因而板條法也存在明顯的不足。

二、板條法改進研究

  希望板條法能得到更廣泛的使用，因此進行了專門的研究。

由于對從 管壁沿環(huán)向取出的板條狀試樣兩端施加反向拉力的作用線往往不通過試樣破壞截面中心，因此在板條拉伸試樣的破壞面上存在彎曲應力造成試樣兩側不是同時而是先后被拉壞，而按σ_t=F_t/(bt)( F_t為拉伸破壞載荷，b、t為試樣破壞截面寬度和厚度)計算確定 環(huán)向拉伸強度偏小。

如圖8.6.2-1所示，設在測試時夾持面在試樣側面，其所受的使試樣產(chǎn)生拉伸的切向力是均布的，這樣可把夾持面的這種力簡化為一作用在試樣寬度和厚度中間層交線與圓心角（α-α₀）的角平分線交點上的集中載荷，設該點載荷的大小為F_t。

圖8.6.2-1 受力分析模型

由于力的作用點與試樣的破壞面即對稱面的中心點（截面形心）有偏心距為e，故對稱面上的應力由兩部分組成。一部分為由軸向力N引起的應力，另一部分有偏心引起的彎矩M所產(chǎn)生的應力。

     若定義破壞截面上最大彎曲應力σ_f與由軸力引起的破壞截面拉應力σ_t 之比為應力偏差Δ，則應力偏差Δ越小，說明破壞面上的拉應力分布越均勻，則試樣最可能全截面材料同時被拉壞，測出的結果也就最可能接近真實結果。

按照國家建材行業(yè)標準《玻璃纖維纏繞增強塑料夾砂壓力管》（JC/T 838-1998）中的相關規(guī)定制取試樣（假設試樣為均質材料）,可以估算出應力偏差Δ。當R/t=35時，若R從100mm變化到2000mm，相應的Δ=(539～14.0)%；當R/t=25時，若R從100mm變化到2000mm，相應的Δ=(387～10.1)%。按照國家城鎮(zhèn)建設行業(yè)標準《玻璃增強塑料夾砂管》（CJ/T 3079-1998）中的相關規(guī)定制取試樣，其應力偏差Δ會更大些。

    通過上述計算可知，當管道的公稱直徑較小時，應力偏差Δ很大，即破壞截面上最大彎曲應力遠大于軸力產(chǎn)生的拉應力，因此試樣在拉伸時往往都是內(nèi)側先被拉壞，然后再是外側被拉壞；只有當管道的公稱直徑很大時，應力偏差Δ較小，即破壞截面上最大應力與平均拉應力才比較接近，且試樣厚度越大，最大應力與平均拉應力越接近。

    對于FRPM管管壁，通常是由非均質材料組成。通過分析可得到：在形狀、尺寸和受載情況完全相同時，均質材料組成的試樣其應力偏差Δ明顯大于夾層結構形式的試樣。在FRPM管壁中，玻璃纖維增強塑料層與樹脂砂漿層拉伸彈性模量之比通常約為5，當內(nèi)（或外）玻璃纖維增強塑料層厚度為總壁厚的7.5%到15%時, 應力偏差Δ為由均質材料組成試樣應力偏差的62.9%到60.6%。而且應力偏差Δ隨著玻璃纖維增強樹脂層厚度的相對增加而減小。

由于開口寬度w和試樣總長度越大，試樣破壞面上的 應力偏差Δ就越大，因此在考慮試樣尺寸時盡量減小 開口寬度w和試樣夾持長度；但同時應注意到若開口寬度越小，破壞面上的應力集中就越嚴重，另外試樣夾持段長度過短，則會造成夾持段被壓碎；試樣的破壞面厚度應取為管壁厚度，而寬度取得稍寬些，則拉伸破壞載荷較大就容易引起夾持段被壓碎的情況發(fā)生，若取得過窄，則層間應力會產(chǎn)生較大影響。

通過分析和試驗研究，得到以下一些建議。由于只需要測試拉伸強度，因此環(huán)向拉伸試樣中間開口尺寸不必太大，取在5-20mm范圍較為適宜；試樣的夾持長度應考慮到試樣拉伸破壞的最大載荷，應能使試樣在拉伸過程中不發(fā)生夾持段被壓碎破壞的情況，試樣夾持長度一般宜取為35-60mm；當然應注意到夾持長度達到一定長度后再加長時也不會明顯提高夾持段壓縮破壞載荷，因此應當控制試樣拉伸破壞的最大載荷，也即應確定適當?shù)拈_口處試樣寬度，試樣寬度可取為5-10mm。

一些實測結果如下圖。

（ a ） DN1200

（ b ）  DN600

圖8.6.2-2 按現(xiàn)行標準制作 試樣的F_t-δ曲線

圖8.6.2-2是按行業(yè)標準制作 試樣的F_t-δ曲線，從圖中可以看出，試樣在拉伸過程中有兩次破壞、甚至多次破壞的情況，這說明這類試樣在拉伸過程中其內(nèi)側首先被拉壞或部分拉壞，承載能力下降，隨變形繼續(xù)增加，繼續(xù)承載，但最大載荷增加不大。

（a） 第1批第3組

（b） 第1批第7組

圖8.6.2-3 DN1200管試樣的 F_t- δ 曲線

圖8.6.2-4   DN600 管試樣的 F_t- δ 曲線（第2批第10組）

圖8.6.2-3和圖8.6.2-4是小開口的板條試樣的拉伸載荷變形曲線。從圖中可以看出，試樣基本上沒有兩次破壞的情況。這說明， 當其內(nèi)側被拉壞時試樣的外側應力水平也已較高，隨著內(nèi)側的拉壞外側也很快被拉壞。

    通過減小板條試樣的中間開口，可改善測試結果。

    若夾持面為管材的內(nèi)外表面，則在相同尺寸情況下破壞面彎曲應力會更大。不宜使用。

三、三種測試方法對應測試結果的比較

河北昊華中意采用定長纏繞工藝制作的DN500PN0.6SN5000短時失效試樣，進行的管的短時失效試驗，其結果表明：

1. 該類管道的內(nèi)水壓失效形式為管體滲漏，隨內(nèi)水壓力的增加，管壁的應力（應變）水平增高，內(nèi)襯層產(chǎn)生裂紋，造成管體滲漏失效。

2. 由管道的內(nèi)水壓失效試驗壓力計算得到的管壁環(huán)向拉伸強度為1427.1kN/m，采用分離盤法測得的管壁環(huán)向拉伸強度為1191.4kN/m，而采用直條法試樣（按本標準要求制樣）測得的管壁環(huán)向拉伸強度為854kN/m。

3. 管道的內(nèi)水壓試驗管體滲漏時，測得其環(huán)向拉伸應變水平大于2％。盡管沒有出現(xiàn)管壁纖維拉斷的情況，但是該拉伸應變水平水平已很接近玻璃纖維增強塑料的拉伸破壞應變。因此，為能充分發(fā)揮出玻璃纖維的強度，管道的內(nèi)襯層樹脂應具有一定的斷裂伸長率。

短時失效試驗的現(xiàn)場照片

DN500 的管的內(nèi)水壓試驗、分離盤法及本標準的直條狀試驗的測試結果表明，內(nèi)水壓測試得到的環(huán)向拉伸強度比分離盤法高16.5%，而直條狀的測試結果僅為內(nèi)水壓測試結果的60%。

內(nèi)水壓試驗測定的環(huán)向拉伸強度最高，也反映了實際情況，是真實的強度值，而其他兩種方法因受測試方法的限制，其測試結果總會小于實際值，但由于測試方便而常常被采用。比較后兩種測試方法，分離盤法的測試結果更接近真實值。

因此在不采用內(nèi)水壓方法測定環(huán)向拉伸強度時，對于口徑較小的管應采用分離盤方法，口徑較大時采用直條狀試樣進行測試。

四、關于仲裁試驗

    盡管采用內(nèi)水壓進行短時失效試驗測定管的環(huán)向拉伸強度其結果最為理想，但考慮到可操作性，還是按照JC/T 838的做法規(guī)定了本標準的仲裁試驗。

8.6.3   初始軸向拉伸強力及拉伸斷裂應力  

對于方法A ， 按GB/T 5349進行測試，是選用整管作為試樣進行軸向拉伸強度測試，由于試樣是整管，試樣耗材特別大，因此試樣數(shù)量就確定1個。

對于方法 B ，由于在GB/T1447中規(guī)定試樣寬度為10mm，考慮到FRPM管中，特別是定長纏繞工藝生產(chǎn)的FRPM管，其軸向拉伸強度主要取決于螺旋纏繞層，而螺旋纏繞層單層厚度一般均在0.5mm左右，因此為減小試樣邊緣層間應力的影響，適當提高試樣寬度到20 mm。

  測試軸向斷裂應變，不論對整管試樣，還是軸向板條試樣，均可采用貼應變片的方法測試；對于軸向板條試樣，還可以采用引伸計進行測量。

8.6.4   水壓滲漏

采用整管作為試樣，該管是成品中抽樣出來的，帶有承插口或連接套筒的，或其他形式的接頭的。

試驗過程中應注意排凈管道內(nèi)部的空氣，否則會增加試驗的危險性。對于口徑較大的管，水壓滲漏試驗機宜設置有注水系統(tǒng)和加油系統(tǒng)，這樣可以提高試驗效率。

8.6.5   短時失效水壓

    由于管材短時失效壓力很高，因此進行管材的短時失效試驗有較大的危險性，特別是隨著管道直徑的增加，試驗裝置通常需要承受內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力非常大，為了降低危險性，同時又驗證生產(chǎn)工藝，另外考慮到管材還進行水壓滲漏試驗，因此本標準規(guī)定可采用縮比試樣進行短時失效試驗。

8.6.6   初始撓曲性

初始撓曲性時的加載速度總體來說比以前要加快了，新標準總的加載時間（包括環(huán)剛度測試加載的時間）在9分鐘上下。

參加本標準起草的大部分單位安本標準要求均進行了驗證試驗，典型的SN5000和SN10000的管均能通過撓曲性檢驗。

注意到環(huán)剛度等級在SN1250到SN10000的管的撓曲水平A和B均按標準中表7進行線性插值確定，不能按照公式計算確定。

8.6.7 初始環(huán)向彎曲強度

初始環(huán)向彎曲強度試驗可采用兩種方法，一種是采用圓弧段的曲梁三點彎曲試驗方法（方法A），另一種是采用整環(huán)的平行板壓縮試驗的方法（方法B）。前一種方法試樣用材量小便于操作，但加載中試樣容易形成層間或增強層與砂漿層結合面的破壞，大多數(shù)破壞形式都是如此。

9  檢驗規(guī)則

9.2  出廠檢驗

9.2.1   檢驗項目

     檢驗項目不包括短時失效水壓和長期性能試驗。

9.2.2   檢驗方案

9.2.2 .1 

本條的檢驗項目是非破壞性檢驗項目，且對每一根管均有這些項目的要求，內(nèi)襯層厚度的檢驗放置破壞性檢驗中。

9.2.2 .2 

本條的檢驗項目是破壞性檢驗項目，采用抽檢的方法進行。

9.2.2 .3 

是非破壞性檢驗項目，采用抽檢的方法進行。

9.2.3   判定規(guī)則

9.2.3 .1 

每一根管均應達到本條規(guī)定項目的相應的技術要求，達不到技術要求就被認定為不合格。

9.2.3 .2 

抽檢的管水壓滲漏必須達到相應的要求。如抽檢的管水壓滲漏檢驗不合格，則該批管逐根進行水壓滲漏檢驗，通過的判該根管該項目合格。其它破壞性檢驗項目允許最多有2個不合格項目，但對該項目加倍抽檢必須合格。

9.3  型式檢驗

9.3.1   檢驗條件  

以上的規(guī)定要求是國家作出的相應規(guī)定。

9.3.2   檢驗項目

與出廠檢驗項目比較，增加了短時失效水壓項目。

9.3.3   檢驗方案

9.3.3 .1  外觀質量、尺寸（除內(nèi)襯層厚度）、巴氏硬度

非破壞項目的檢驗也采用抽檢的形式，抽樣數(shù)量為6。

9.3.3 .2  水壓滲漏、內(nèi)襯層厚度、樹脂不可溶分含量、直管段管壁組分含量、初始力學性能

相比于原行業(yè)標準，減少了抽樣數(shù)量，原樣本為4，現(xiàn)減少一半。另外，增加了短時失效水壓的可操作性。

9.3.5 長期性能試驗

    同原城鎮(zhèn)建設行業(yè)標準。目前國內(nèi)多個企業(yè)在進行這方面的工作。

10  標志、包裝、運輸和貯存

10.1  標志

按有關國標要求作出的規(guī)定。

10.2  包裝

進行包裝后可減少管兩端的損傷，另外用戶會對此引起重視。

10.3  運輸及起吊

由于FRPM管不同于傳統(tǒng)材質的管道，因而在起吊、運輸及存放中作出有關規(guī)定。

10.4  貯存

     根據(jù)國外資料的介紹的要求和國內(nèi)工程實踐的總結作出的規(guī)定。

10.5  出廠證明書

     按照有關國標要求對出廠證明書的內(nèi)容所作的規(guī)定。