一种玻璃钢套管工程寿命的预测方法

摘要

本发明公开了一种玻璃钢套管工程寿命的预测方法，包括如下步骤：1）工况分析：分析工况，确定其主要的受力状态和湿热老化条件；2）安全系数的确定：利用测试样品测定相关力学性能；现场试验测定玻璃钢套管的受力大小；进而确定玻璃钢套管工作安全系数；3）短期湿热老化函数的建立：对测试样品进行为期1000小时的湿热老化试验，建立湿热老化函数。4）工程寿命的预测：按照最小准则选取安全系数；将安全系数和湿热老化函数求积，建立玻璃钢套管工程寿命估算模型；设定剩余安全系数为2，根据估算模型外推至10万小时。本发明可对玻璃钢套管的工程寿命较准确地预测，本发明还具有省时、经济，方法简单的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种玻璃钢套管工程寿命的预测方法。

背景技术

玻璃钢套管工程寿命是指处于合理安装状态下的玻璃钢套管，不经比较重大的维修，就 能按设计规定的运行参数，高可靠性地执行设计功能所持续的时间。玻璃钢套管的工程寿命 是它的一个重要工程参数，对于整个设备工程设计和研究具有重要意义。然而玻璃钢套管无 论从使用条件、使用过程，还是失效过程、失效机理和影响因素等，都显著的不同于金属材 料和一般复合材料等，它的疲劳问题要复杂得多。因此，如何根据玻璃钢套管的特殊使用条 件，研究出一套准确可信的工程寿命预测方法是一项很重要的工作。

国内外没有关于玻璃钢套筒工程寿命估算的标准。与之相似的，玻璃钢管道可供参考。 玻璃钢管道普遍采用下述三种方法进行工程使用寿命的预测，即长期水压试验确定法，安全 系数法和短期型静水压蠕变试验法。

（1）长期水压试验确定法。首先由美国提出并颁布相应标准，且得到世界各国认同。该 法包括循环压力试验法(A法)和静水压疲劳试验法(B法)。把试验数据点以对数型式划在应力 —循环次数或应力—时间座标上。按数理统计方法绘成直线，并据此外推至15000万次(A法) 和10万小时(B法)，以确定长期承受水压的设计基准最大值。但是，该法的缺点是试验周期长、 费用高。

（2）安全系数法。所谓安全系数，就是短时水压爆破强度与长期运行压力之比，这实际 上是确保在长期运行压力下，玻璃钢管壁结构层内的应力水平不高于某一个选定的规定值。 我国和日本等国的玻璃钢管标准规定，根据合理的安全系数，进行管材设计，可以确保玻璃 钢管具有预期的使用寿命。

（3）短期型静水压蠕变实验法。1980年德国颁布了短期型静水压蠕变试验标准，主要是 为质量控制，也用于玻璃钢管寿命设计，是美国长期水压试验法的改进型。两者的主要差别 在于,该法的最长试验周期定为1000小时，而不是10000小时，比较经济和省时，近年来，在 国际上也获得一定认同。同时，判断试验数据点的下限为应力失效周期双对数坐标图上的一 个特定的直线。起始点纵坐标为运行压力的6倍，即安全系数为6，失效周期为105小时，剩余 强度仍为运行压力的2倍，即剩余安全系数为2。在这一点上，吸收了安全系数法的基本原则， 而且与中国标准规定的安全系数相一致。

总之，这些方法的基本依据是，在相同的腐蚀条件下，失效时间与应力水平之间，存在 确定的对应关系，在双对数坐标上展现为一条直线。最终结果都是确定玻璃管的运行应力(压 力)水平，即运动与静强度之比。然而，不同于玻璃钢管道主要用于输运流体介质，玻璃钢套 管主要用于隔绝内外空间，保护管内介质。

玻璃钢套管的工程寿命是指处于合理安装状态下的玻璃钢套管，不经比较重大的维修， 就能按设计规定的运行参数，高可靠性地执行设计功能所持续的时间。玻璃钢套管的工程寿 命是它的一个重要的工程参数，对于整个工程设备的设计和研究具有重要意义。然而玻璃钢 套管无论从使用条件、使用过程，还是失效过程、失效机理和影响因素等考虑，与金属材料 和一般复合材料相比，它的疲劳寿命问题都要复杂得多。现在，国内外尚没有关于玻璃钢套 管工程寿命预测的标准。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种省时、经济，且能比较准确地预测玻璃钢套管 工程寿命的玻璃钢套管工程寿命预测的方法。

本发明包括以下步骤：

1）工况分析：分析玻璃钢套管的使用工况，确定其主要的受力状态和湿热老化条件；

2）安全系数的确定：根据受力状态，在实验室利用测试样品测定相关的力学性能；进行 现场试验，利用动态应变仪，测定玻璃钢套管工作条件下的受力大小；进而确定玻璃钢套管 工作安全系数；

3）短期湿热老化函数的建立：根据玻璃钢套管的湿热老化条件，对测试样品进行为期 1000小时的湿热老化试验，按时间分多批次取出测试样品，每批次取出多个测试样品进行力 学性能测定，计算并确定每批次的安全系数，并在此基础上建立湿热老化函数；

4）工程寿命的预测：按照最小准则，选取安全系数；将选取的安全系数和湿热老化函数 求积，建立玻璃钢套管工程寿命估算模型；设定剩余安全系数为2，根据估算模型外推至10 万小时。

上述玻璃钢套管工程寿命的预测方法中，所述玻璃钢套管的受力状态包括拉伸、压缩、 弯曲、拉-拉疲劳及拉-压疲劳。

上述玻璃钢套管工程寿命的预测方法中，所述玻璃钢套管的湿热老化条件包括高温老化、 高温盐雾老化及盐雾老化。

该发明方法的优点和有益效果是：该发明方法从玻璃钢套管工程使用的特点出发,将力学 性能-材料结构、实验-工程相结合，建立了玻璃钢套管工程寿命预测模型，可以对玻璃钢套 管工程寿命较准确的预测；该发明方法根据玻璃钢套管的实际情况，提出用1000小时左右的 湿热老化试验，比较省时、经济，方法简单。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是实施例1的安全系数老化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

1、工况分析：

某电机使用玻璃钢套管，其各部分受力状态包括拉-拉疲劳和拉-压疲劳；其所在温湿度 环境为盐雾和80-85℃高温。

2、安全系数的确定：

1）玻璃钢套管材料力学性能测试

玻璃钢套管抗拉强度和弯曲强度测试样品分别依据国标《GB/T 1447-2005纤维增强塑料 拉伸性能试验方法》《GB/T 1449-2005-T纤维增强塑料弯曲性能试验方法》来制备，每种至 少10个。

玻璃钢套管根据国标《GB/T 1447-2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法》测试。其抗拉 强度为33.079MPa，弹性模量为10.786GPa。

依据《GB/T 16779-1997纤维增强塑料层合板拉-拉疲劳性能试验方法》设计测试玻璃 钢套管的高温盐雾拉-拉疲劳实验。计算得到的拉-拉临界疲劳强度为30.788MPa。

依据《HB 5439-1989碳纤维树脂基复合材料拉-压和压-压疲劳试验方法》设计测试玻 璃钢套管的高温盐雾拉-压疲劳实验。计算得到的拉-压临界疲劳强度为16.33MPa。

现场试验，利用动态应变仪等，测定玻璃钢套管工作条件下的受力。玻璃钢套管在使用 过程中的最大应力数值范围为：3.496MPa-3.786MPa

因此，可计算得到材料轴向拉-拉疲劳寿命安全系数（F）为8.473；材料轴向拉-压疲劳 寿命安全系数（F）为4.485。按照最小准则，取该玻璃钢套管的安全系数（F1）为4.485。

3）短期湿热老化函数的建立：

根据玻璃钢套管的湿热老化条件，对测试样品进行为期1000小时的湿热老化试验。按国 标《GB/T 2423.17-1993电工电子产品基本环境试验规程试验Ka盐雾试验方法》进行高温 盐雾老化实验。在100h、172h、255h、353h、435h、520h、603h、737h、845h、940h、1007h 时分别取出测试样品进行力学性能测试，每次取五个测试样品，在1049h取剩下的所有试样。 对测试样品进行玻璃钢套管抗拉强度和弯曲强度测试，测试须在测试样品离开试验环境半小 时内完成。根据抗拉强度和弯曲强度力学数据特点，选定老化拟合函数形式如下：

$F\left(t\right)=A+{\mathrm{Be}}^{\left(\frac{-t}{C}\right)}$

依据老化速度最大原则，选定力学性能老化函数为：

$F_2=0.900+0.110e^{\left(\frac{-t}{1843.996}\right)}$

4）工程寿命的预测：

设定剩余安全系数为2，根据估算模型外推至10万小时，进行工程寿命估算。在可预见 的10万小时，玻璃钢套管工程使用寿命预测模型为：

F=F₁×F₂

因此，$F=4.037+0.493e^{\frac{-t}{1843.996}}$

如图2所示，当T=100000小时，F=4.037〉2。说明，玻璃钢套管可以在10万小时内正 常使用。