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塑料内衬层在压力膜壳侧水口上的应用


     复合材料的一个显著特征是性能的可设计性,即通过基体组份体系的选择到增强材料的结构设计,来达到设计复合材料性能的目的。纤维材料的方向与数量,可根据受力情况进行调变,以最大程度提高结构的承载能力。如纤维缠绕工艺中,缠绕角设计为54°44″,即可实现轴向与环向的等强度。如此设计的复合材料,因为是根据受力模型设计的,所以复合材料的力学性能具有各向异性的特点(金属材料的力学性能呈现的是各向同性),如果对复合材料进行二次机械加工,如钻孔、开槽等等,所获得的加工表面质量就不尽如人意,主要表现在刃具的切削方向与纤维排布方向对表面质量的获得有着直接的影响,所获得的加工表面如果作为非功能面,则能满足要求;如果将加工获得的表面,例如将钻削获得的表面做密封面,在高压状态下(比如在1000psi压力等级的时候),则密封面的表面质量满足不了功能上的要求。如何既能保持复合材料的高力学性能,又能获得高质量的密封表面呢?FRP/塑料复合管道的结构原理为我们提供了很好的借鉴。FRP/塑料复合管道是利用塑料的高密封性、韧性、高质量的表面状态来做复合管的内衬功能层,利用FRP材料的高比强度、高比模量及性能的可设计性来做复合管的结构承载层。由此获得的FRP/塑料复合管,其高质量的表面、高密封性这部分功能由塑料内衬层来承担,所需的强度、刚度这部分功能由FRP结构承载层来承担,两种材料在性能上取长补短,产生协同效应,将彼此性能上的长处充分发挥出来。塑料内衬层的拉伸强度一般为20-55MPa,远低于FRP拉伸强度150-350MPa,设计时将全部的应力由FRP结构层来承担,塑料内衬层的强度忽略不计,管道内载荷由塑料内衬层传递到FRP结构层,塑料的韧性好,还能起到一定的阻尼作用。

    我公司生产的侧联压力膜壳的侧水口密封面在设计上就借鉴了FRP/塑料复合管道的设计原理。侧开口密封面的获得就是根据复合管道的结构原理设计的,内压是由内衬层传递到结构层。内衬层的强度从理论上讲,在内衬层不失稳的前提下(因内衬层较薄,只有2mm左右壁厚,所以不存在失稳的问题),只要内衬层的弹性模量大于橡胶密封圈的弹性模量,即能满足功能上的需求。事实上橡胶的弹性模量通常为0.0078GPa,塑料的弹性模量通常为2GPa,塑料的弹性模量远远大于橡胶的弹性模量,所以结构的可靠性是不存在问题的。通过在侧联压力膜壳侧水口密封面引入塑料内衬层,有效解决了因FRP机加工表面质量不佳而影响产品密封性能的课题。
                                                          2009年11月26号