纤维对玻璃钢管性能的研究-玻复995期

纤维对玻璃钢管性能的影响研究邸超张玉芳邓永容1引言在玻璃钢管的原材料组成中，纤维是最主要的承受载荷部分，它对玻璃钢管的强度和刚度的影响十分巨大。从目前国内玻璃钢管的生产与应用状况看，用于油气田输送水、油或气的多种玻璃钢管道主要是以无碱和中碱玻璃纤维为主。特别是我国所特有的中碱玻璃纤维，因其具有耐酸性好及价格低廉等特点，已成为我国玻璃钢重要增强材料。然而在长期应用过程中，中碱玻璃钢管道有效寿命却远不如其它纤维增强玻璃钢管道寿命长，经常出现管体或接头的渗漏、开裂等问题。鉴于此，本文拟通过对中碱及无碱两种玻璃纤维增强不饱和聚酯管材在某油田污水中的长期浸泡试验研究，对比分析不同纤维材料对聚酯玻璃钢管材的耐温、耐热及抗化学老化性能的影响，初步探讨中碱玻璃纤维增强管道使用寿命较短的原因。2材料及试验方法2.1材料本研究工作选用的材料为国内某厂生产的DN250无碱玻璃钢管，它们分别由无碱纱和中碱纱与196＃不饱和聚酯树脂复合制成。有关这两种管材的性能参数及其增强纤维的性能参数分别见表1及表2表1试验用管性能参数管材名称内径外径壁厚增强层厚度工作压力铺层顺序.树脂质量含量玻璃化转变固化度/mm/mm/mm/mm/MPa角度及层数/%温度/0c/%DN2502012135.9081.6551.0(±58)340.478.091.36DN1501501615.8461.0481.0(±58)338.664.590.57注:树脂质量百分比包含衬里及增强层。表2增强材料性能参数管材名称增强材料单丝直径/um号数/Tex含油率/%含水率/%含碱量/%单丝强度/NDN250无碱纱12.824000.550.0470.81277DN150中碱纱14.124000.630.1221211622.2试样制备及试验方法参照GB2575要求,用于进行浸泡试验的试样是从以上两种管子中截取的条形试样,其尺寸为长160㎜,宽15㎜,厚为管壁厚。用做浸泡试验的介质是一种PH值接近中性.且含有一定量CI-、CO2及溶解氧的较高矿化度油田污水。将表面清洗干净的试样按温度要求分别放入盛有污水的容器中，保持试样彼此不接触，然后将容器放入已设定好温度的恒温箱中。每经过一段时间浸泡后，取出一组试样，测定其浸泡后的重量及硬度，同时按GB1446测定材料的湿态弯度强度。3试验结果与分析3.1外观变化浸泡在同一介质不同温度下的DN250及DN150试样，随着浸泡时间的延长，其外观均发生了不同变化，DN250试样表面逐渐由青绿色转化为黄色，而DN150逐渐由灰黄色转化为黄褐色。当试样的浸泡温度高于60℃时，随着浸泡时间的延长，两种试样表面均开始发生龟裂，表明这时两种材料的基体已不能承受过高的温度，逐渐发生老化分解。3.2吸湿重量变化经过不同时间浸泡后的两种管材，其重量变化结果如表3。表中数据表明：⑴在室温条件下，DN250与DN150材料皆表现为吸湿增重，且相比之下，DN150材料的吸湿量大。随着浸泡时间的延长，这种增重逐渐趋于稳定；⑵当浸泡温度升高时，两种材料逐渐由增重转化为失重。相比较而言，DN150材料由增重转化为失重时的温度偏低（60℃）；⑶在高温浸泡过程中（80℃），两种材料的重量增长率皆出现负值，这表明这两种材料的吸湿增重已远远比不上其基体树脂的分解及纤维中二氧化硅与碱金属氧化物水解所引起的失重。表3不同增强材料聚酯管试样的重量变化结果材料名称试验条件测试项目浸泡时间/d1630597791107室温重量变化率/%3.43.534.547.144.065.14DN25060℃重量变化率/%7.9712.116.815.912.712.580℃重量变化率/%7.881.10-4.63-2.57-10.2-6.42室温重量变化率/%5.356.748.4711.358.128.75DN15060℃重量变化率/%15.610.023.972.74-0.961.4280℃重量变化率/%1.23-4.48-14.03-7.74-22.3-18.33.3表现硬度变化表4不同增强材料聚酯管试样的巴氏硬度变化结果表4为DN250和DN150两种管材在不同浸泡温度及时间的巴氏硬度变化结果,由于试样的表现巴氏硬度数值离散性较大,故该表在给出试样浸泡后硬度平均值的同时,也给出了浸泡前的硬度平均值。从该表中可以看出：⑴两种材料的表观硬度受时间的影响主要表现为：在浸泡试验初期（大约16d），其硬度保留率下降较大，之后逐渐趋于平稳；⑵两种材料的表观硬度值随着浸泡温度的材料名称试验条件测试项目浸泡时间/d1630597791107DN250初始硬度58.255.859.355.157.056.1室温终了硬度49.347.953.742.852.153.4硬度保留率/%84.785.890.677.791.495.2初始硬度57.658.056.957.957.659.160℃终了硬度32.934.335.525.732.835.5硬度保留率/%57.159.162.444.456.960.1初始硬度51.060.858.456.057.455.680℃终了硬度22.027.234.722.229.426.7硬度保留率/%43.144.759.439.651.248.0DN150初始硬度54.350.551.850.150.550.9室温终了硬度29.627.236.628.331.137.3硬度保留率/%54.553.970.756.561.673.3初始硬度49.049.047.046.044.846.760℃终了硬度14.018.930.717.931.526.2硬度保留率/%28.638.665.338.948.056.1初始硬度45.448.045.746.846.344.580℃终了硬度16.813.422.010.311.114.7硬度保留率/%37.027.948.122.024.033.0升高皆呈下降趋势，温度越高，下降值约大；但两者相比，在相同的试验时间内DN150材料的硬度保留率下降较大。表明玻璃钢材料的表观巴氏硬度除受基体树脂.温度.介质影响外，纤维材料的质量也影响着这一性能。3.4湿度强度变化结果经过不同温度.不同时间浸泡的DN250及DN150材料,其湿态弯曲强度主要表现为以下两个特点:⑴在两种材料的初始弯度强度基本相同的情况下,其性能随温度变化主要表现为:在室温条件下,随着浸泡时间的延长,两者的弯曲强度保留率皆基本不变,当浸泡时间升高时,随着浸泡的时间延长,其弯曲强度保留率开始呈下降趋势,且温度越高,下降趋势越大;⑵就DN250与DN150比较而言,在较低温度下,两种材料的弯曲强度保留率变化趋势基本相同,但当浸泡温度较高时,DN150的材料弯度保留率下降趋势明显比DN250大。以80℃为例，在经过91d浸泡后，DN150材料的弯曲强度已低于DN250的16％。结果见表5。表5不同增强材料聚酯管试样的湿态弯度强度变化结果材料名称试验条件测试项目浸泡时间/d01630597791107室温弯度强度/MPa112.6589.5102.1122.4113.412090强度保留率/%10079.490.6108.8100.7106.579.9DN25060℃弯度强度/MPa112.6596.791.089.673.3573.568.4强度保留率/%10085.880.879.565.165.260.780℃弯度强度/MPa112.6586.382.967.137.161.737.2强度保留率/%10076.673.659.632.954.833.0室温弯度强度/MPa117.8111.1120.6121.389.0123.4116.0强度保留率/%10094.3102.410375.6104.898.5DN15060℃弯度强度/MPa117.8100.49085.982.4104.685.5强度保留率/%10085.276.472.969.988.872.680℃弯度强度/MPa117.886.190.964.852.951.930.9强度保留率/%10073.177.255.044.94426.24讨论4.1纤维对玻璃钢管材吸湿重量的影响分析玻璃钢的吸湿重量反映的是材料对含水介质抗扩散及抗渗透的能力,其大小直接影响着玻璃钢的力学性能和化学稳定性。通常玻璃钢的吸湿量主要与纤维种类、基体种类、含量、界面粘结强度、介质种类及环境温度等因素有关。就本研究而言，由于DN250与DN150两种管材的基体树脂同为196＃不饱和聚酯，而且它们的固化程度基本相同，因此，在此我们暂且将基体种类、含量等视为不变因素，重点考虑增强纤维的影响。玻璃纤维与含水介质的作用机理包括物理吸附与化学作用两个方面。通常玻璃纤维的表面是一系列不连续的玻璃结构平面，该平面在与水接触时，由于水中H＋的作用，使得纤维表面得SiONa生成SiO－，并进一步水合成SIOH（硅醇），此时玻璃纤维的表面被硅醇覆盖，其中的OH基因氢键作用进一步吸附水层。当体系温度升高时，玻璃纤维中的碱金属氧化物进一步水解而进入溶液中。DN250与DN150材料相比，由于DN150材料所选用的中碱纱比无碱纱含有较多的碱金属氧化物，且中碱纱中的高含油率使得树脂与纤维界面之间的结合力相对较弱，因此在低温试验条件下，由物理吸附占主导的材料吸湿重量变化，势必导致DN150的吸水量比DN250大。然而，当试验温度升高时，由于温度变化使得碱金属氧化物的水解加剧，纤维中的Na+、K+、Mg2+等离子不断溶入水介质中，因此DN150的失重也就明显高于DN250。4·2纤维对表现硬度及湿态弯曲强度的影响在基体树脂组成相同的情况下，两种玻璃钢管材浸泡后的硬度保留率变化不同可能由以下两方面原因引起：（1）材料的吸水量不同。组成DN150材料的中碱纱与组成DN250材料的无碱纱相比，其含有的Na、K等碱金属氧化物较高，它在与油田污水介质接触时，势必接触较多的水分子而使纤维表面过分溶胀，因此材料的硬度保留率下降也就较大；（2）材料界面的粘结力不同。通常中间玻璃纤维纱的含油率高于无碱纱，它在树脂复合时，由于过多的含油量使得树脂与纤维界面间的粘结力下降，致使中碱纱与树脂复合结构较为松散。当有外部介质作用时，这种松散结构极易破坏，因而两者相比，DN150的硬度下降较快。关于纤维组成对材料湿态弯曲强度的影响，我们可以从纤维的微裂纹假说中得到一些解释。浸泡在油田污水中的两种材料，随着介质的不断渗入，其玻璃纤维表面的Na、K、AI、Mg等碱金属氧化物不断以离子形式被溶解出来，形成纤维晶格中的高应力区，导致微裂纹产生，引起纤维表面破坏。中碱纱与无碱纱相比，因其表面可被溶解的金属氧化物含量较高，所以其表面破坏也就严重，相对而言，它的弯曲强度下降也就较大。另外，中碱纱与树脂界面的粘结力较小，也是促进DN150材料弯曲强度下降较大的原因之一。4·3温度变化对不同增强材料的性能影响分析温度是输送介质中不可缺少的环境条件之一，它的高低通常影响着管材的使用寿命。我们从上述的外观，吸湿重量，表观硬度及湿态弯曲温度等性能变化分析中不难看出，温度升高以引起了材料的逐渐老化。特别是在温度达到60。C以上时，两种材料的性能急剧下降，相比之下，DN150材料的性能下降更大。这可能主要由两个因素引起：（1）构成两种管材的196＃不饱和聚酯树脂在较高温度下逐渐发生老化降解，引起管材表面龟裂，当浸泡时间较长时，这种龟裂面势必导致更多的水介质进入增强纤维内部，造成纤维表面破坏；（2）温度升高，使得水介质与纤维表面化学作用的活化能发生改变，纤维中的碱金属氧化物水解作用加速，因而引起性能急剧下降。DN150与DN250相比，由于DN150材料中特殊的纤维构成，所以其性能下降更大。综上所述，油田选用玻璃钢管材时，除考虑基体树脂影响产品性能外，增强材料的选用也应重视。5结论（1）两种管材在某油田污水介质中的长期浸泡试验结果表明：中碱纱的长期耐热性、耐渗透性及化学稳定性等综合性能比无碱纤维差。（2）DN25O和DN150聚