白癜风的专科 http://finance.sina.com.cn/chanjing/b/20090930/09073071708.shtml
摘要：本文对新编国家标准《纤维增强塑料设备和管道工程技术规范》的主要技术内容和重点问题进行了解读，以便于纤维增强塑料设备和管道的设计、制造、质量验收等工程技术人员准确把握和使用本规范。关键词：纤维增强塑料，设备和管道工程，技术规范1前言年1月4日住房和城乡建设部发布公告，批准《纤维增强塑料设备和管道工程技术规范》为国家标准，编号为GB-，自年8月1日起实施。该规范由中国石油和化工勘察设计协会、上海富晨化工有限公司为主编单位，会同全国化工，建材、石化、石油、有色，冶金、电力等设计、制造、高校等单位编制而成，历时2年半。在此期间编制组广泛收集国内外资料，总结纤维增强塑料设备和管道工程技术经验，参考和借鉴国际标准和国外先进标准，并对编制过程中涉及到的部分材料力学性能、耐腐蚀性能及评估方法进行了试验和验证，同时采用实地调研、技术研讨、寄发信函、上网公示、电话交流等多种方式广泛征集意见,共征得反馈意见约余条，对收集到的意见进行了研究讨论和归纳处理，并经专家审查而形成本规范。现将规范主要技术内容和几个重点问题解读如下，以便纤维增强塑料设备和管道的设计、制造、质量验收等工程技术人员准确把握和使用本规范。2规范的主要技术内容：根据我国纤维增强塑料设备和管道工程技术在材料、设计、制造、安装、质量检验和工程验收的现状，结合实际并借鉴国际标准和国外先进标准，积极纳入成熟的设计、制造、安装、质量检验和工程验收要求，编制形成本规范，共分11章和11个附录。2.1第1章总则，对规范的制订目的、适用范围和与其他标准的协调作出规定。2.1.1本规范的适用范围是：采用缠绕、喷射和手糊工艺成型的整体纤维增强塑料设备和管道的设计、制造、安装和工程质量验收。解读：就成型工艺而言，目前我国主要以机械缠绕成型工艺为主，同时结合了喷射和手糊成型工艺。如设备筒体和管道的结构层制造绝大多数是采用缠绕成型；而其耐腐蚀内衬层、封头等采用喷射或手糊成型；设备和接管之间连接、管道和管道之间连接基本上采用手糊成型为主。2.1.2本规范不适用的设计范围是：1)运输槽罐、地埋容器、贮罐和双壁罐；2)不规则形状（非回转体）的容器、贮罐和塔器；3)盛装剧毒或放射性化学物质的设备和管道；4)埋地给排水管道5)烟囱和烟道；6)油气田集输管道。解读:本规范主要针对地上用纤维缠绕成型的圆筒体设备进行规定，因为埋地设备的受力分析差异很大，因此不包括在本规范中；同样运输罐、双壁罐和不规则形状（非回转体）设备因其受力分析不同，本规范也未做相应设计规定；盛装剧毒或放射性化学物质的设备因为其安全等级很高，应进行特殊的设计和相应防护，因此也不包括在本规范中；本规范不包括埋地给排水管道，因为在国家标准《给水排水管道工程施工及验收规范》GB-和中国工程建设标准化协会标准《给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程》CECS-中已规范了该类管道的材料参数确定、结构计算以及施工和验收。纤维增强塑料烟囱、烟道在现行国家标准《烟囱设计规范》GB-中已有规定，本规范也不包括在内。油气田集输管道的使用压力等级超过了本规范所规定范围，且已有等效采用国外标准的相关行业标准，故本规范不再涵盖。2.2第2章术语。对纤维增强塑料设备和管道设计中采用的术语如：单元、单元拉伸强度和模量、层合板单元拉伸强力和刚度、简化失效包络线，层合板制造中的缺陷（气泡、纤维外露、干斑等）进行了统一规定。2.2.1本规范采用了“单元（unit）”概念，定义为:单层板的每单位纤维增强材料面积质量（）和单位宽度（mm）乘积的倒数，单位是，或层合板的单位宽度（mm）的倒数，单位是1/mm。解读：这个术语是本规范的基础，层合板的模量和强度等性能数据的表征均建立在此之上。该单位的实质是相当于用增强材料的单位面积质量参数替换了常规的壁厚参数。我们通常接触到材料力学中的应力和弹性模量等概念，都是基于材料的单位截面积（图1），比如应力、强度、弹性模量的单位均为MPa(N/mm2)。但纤维增强塑料由于是层合板复合材料，承载结构为纤维，其大部分的力学性能特别是拉伸性能是与纤维量成正比的，从某种程度上说设计纤维增强塑料的承力结构就是设计纤维的用量多少和形态及铺设顺序。因此采用单位纤维面积质量作为力学性能的变量便于设计计算。

图1应力、单位宽度载荷Nx、壁厚t的关系

从图1可以看出，应力、单位宽度载荷Nx和壁厚t的关系为

采用单位宽度作为力学性能的表征也是基于力学性能主要取决于纤维量的基础，这是因为树脂含量基于环境温度、树脂粘度、操作手法以及其他工艺参数等的变化而变化，造成相同纤维含量下的制品厚度不同，这样在表象上造成制品的强度不同，而实际上其折算成单位宽度承载力是一样的。

2.2.2简化失效包络线，是在以环向应力为横坐标，轴向应力为纵坐标的坐标系中，将若干应力失效点（环向应力，轴向应力）连接所组成的一条曲线，该曲线外的应力状态点均为失效应力状态，其曲线内的应力状态点为安全应力状态。各向同性材料其包络线为一正方形（图2）。而各向异性材料为一不规则图形（图3），其强度特性与应力状态密切相关，单向受力状态和双向受力状态以及双向应力比不同其承载力完全不同，因此不能采用各向同性材料的失效模式进行安全性判断。缠绕管道即属于典型的各向异性结构。图3为典型的55°缠绕角的缠绕管道的简化失效包络线，可以看出其失效应力与其环向及轴向的双向应力比相关。

图2各向同性材料简化失效包络线

图3各向异性材料简化失效包络线

图4简化失效包络线

2.3第三章基本规定，对纤维增强塑料设备与管道设计压力、设计温度范围进行了规定；对纤维增强塑料设备与管道的功能性要求如：阻燃、防静电、耐磨、食品卫生等作了规定；对设计委托方提供的设计条件和制造方应具备的设计文件做了规定；并对设备应采取过压保护措施做了强制性条文规定。2.3.1纤维增强塑料设备的设计压力范围是：1）当直径小于或等于4m时，设计内压不应大于1.0MPa，且设计内压与直径的乘积不应大于2.4MPa·m，设计外压不应大于0.1MPa；2）当直径大于4m时，设计内压不应大于2.0kPa，设计外压不应大于0.5kPa。解读：在《GRPtanksandvesselsforuseaboveground—Part3:Designandworkmanship》EN-3-+A1-(下文采用标准号表示)中设计压力范围是：设计内压不大于1.0MPa，外压不大于0.1MPa。根据国内目前纤维增强塑料设备实际使用情况本规范做了下列分类：厂内制造设备的直径一般不大于4m、设计压力多在1.0MPa以内，且设计内压与直径乘积不大于2.4MPa·m，外压在0.1MPa以内；设备直径大于4m时，受道路运输的限制，通常为现场制作，绝大多数为常压使用，其设计内压不大于2.0kPa，设计外压不大于0.5kPa。2.3.2纤维增强塑料管道的设计压力范围是：1)当直径小于或等于mm时，设计内压不应大于1.0MPa；2)当直径大于mm、小于或等于mm时，设计内压不应大于0.6MPa；3)外压不应大于0.1MPa。解读:纤维增强塑料管道设计压力范围与管道直径的关系参照了《Codeofpracticefordesignandconstructionofglass-reinforcedplastics(GRP)pipingsystemsforindividualplantsorsites》BS-(下文采用标准号表示)有关内容。2.3.3当纤维增强塑料设备、管道的设计压力和直径超出本规范规定的范围时，材料性能应经试验确定。解读:目前由于缺少超出本规范规定设计压力范围的类似项目业绩，所以需要对材料性能和受力分析进行模拟试验验证。通常可以对试加工的产品进行材料性能测试，并在相关受力分析的基础上（如有限元分析等），再对样品进行模拟试验，如管道做内水压，或梁弯曲，容器做内压或应变测试等，经评估采用和确定设计方案。2.3.4纤维增强塑料设备的设计温度范围宜为?40℃～+℃，管道的设计温度范围宜为?30℃～+℃。超出此设计温度范围时，材料的性能应经试验确定。解读:纤维增强塑料设备设计温度范围主要根据国内实际使用情况确定，且与EN-3-+A1-中设计温度范围一致，而在《玻璃钢化工设备设计规定》HG/T-中，按照树脂种类对设计温度作了分类规定，其中乙烯基酯树脂的设计温度范围与本规范相同。纤维增强塑料管道的设计温度范围主要依据管道承压特点和国内使用情况以及BS-规范中的温度范围确定的。2.3.5设备过压的后果是发生化学介质渗漏、设备开裂和破坏，特别严重时可发生设备爆裂，导致人身安全和环境污染事故。因此对设备过压保护列为强制性条文.2.4第四章材料，对树脂和纤维等原材料的性能做了规定；在试验和验证的基础上确定了:1)树脂浇铸体拉伸等性能指标;2)内衬层耐腐蚀性能的评价判定标准和分项系数K2取值方法(将另文阐述)；3)各种玻璃纤维增强材料单层板的力学性能、层间剪切和搭接剪切指标；对层合板力学性能应从层合板理论的铺层计算法或铺层实测法获得进行了规定；4)规定了设备力学性能的设计安全系数确定方法和设计容许应变范围；并对管道层合板设计应力与设计应变范围作了规定。由于增强材料的类型、品种较多，除常规的玻璃纤维之外，还有高强玻璃纤维、碳纤维等，本规范无法全部给出相应单层板的力学性能值，同时影响纤维增强材料性能的因素也非常之多，如温度、湿度、铺层工艺、操作方法等，因此本规范首推采用铺层实测法来确定单层板的性能，这样才能真实反映当时设计、制造等条件下的材料性能。而当采用铺层计算法，同时又选用玻璃纤维增强材料时，则可引用本规范“表4.3.1-1玻璃纤维增强塑料单层板材料的力学性能”、“表4.3.1-2缠绕角度与纤维缠绕层环向和轴向单元拉伸模量”和“图4.3.1-3缠绕角度与纤维缠绕层泊松比”中的数据进行设计。这些数据参照了BS-，同时本规范表4.3.1-1数据在EN-3-+A1-中也有相同的规定。表4.3.1-1玻璃纤维增强塑料单层板材料的力学性能注：1表中ξ为玻璃纤维布的经向占总纤维质量的比例；2表中θ为缠绕角，代表纤维缠绕方向与筒体或管道轴向x的夹角。为验证本规范“表4.3.1-1玻璃纤维增强塑料单层板材料的力学性能”数据，编制组委托有关单位进行了试验，结果表明：本规范表4.3.1-1中的数据较保守，只要采用合格的铺层材料和按照通用要求的工艺进行制造是可以满足该最低性能要求的，除非采用不合格材料或错误的制造工艺。4.3.2设计人员获得层合板的力学性能有二个方法：第一个方法是在缺少实测参数或历史数据时，可根据层合板理论采用铺层计算法，即采用表4.3.1-1单层板数据进行铺层计算获取层合板的计算参数，但该方法的设计数据偏保守，特别是对于交叉缠绕制品；第二个方法是采用铺层实测法获得，即进行相应的实验验证，本规范要求每个检测项目的试样在15件以上，同时试验数据应采用置信度处理。通常理论计算法的设计数据接近于实际铺层的力学性能，在EN-3-+A1-中同时规定了这两个方法，但第二个方法中对置信度临界值的计算找不到出处，本规范按照通用试验数据处理的方法，采用t分布单侧97.5%置信度临界值替代EN-3-+A1-中的k值，这样处理概念清晰，数据也相对EN-3-+A1-的偏保守。4.3.3设备力学性能的设计安全系数确定，参考了EN-3-+A1-的规定，但本规范中略去了其中与运行周期内压力、温度波动相关的分项设计系数(A4)，因为在允许的许用应变水平内，该值取1.0。同时对层合板长期性能的分项设计系数（A5），在本规范表4.3.7中（用K4表示）进行了简化。4.3.4本规范中管道设计的指定值法参照了BS-，即所有载荷组合的最大应力要小于许用应力，其载荷组合中包括持续载荷（内压、外压、自重、支架位移等）、热膨胀载荷以及风，地震、临时检修等偶然短时载荷，但不包括水压试验载荷。在BS-中水压试验的压力为设计压力的1.3倍，且不进行应力校核。管道设计的长期性能测试法参照了《Petroleumandnaturalgasindustries-Glass-reinforcedplastics(GRP)piping》ISO-(下文采用标准号表示)，虽然BS-中也有长期性能测试法，但由于其安全系数的选取较为冒险以及未考虑失效包络线等问题，在国际上应用极少，所以本条规定采用长期性能测试法时应采用ISO-标准中对许用应力和载荷组合的规定。另外采用这样的许用应力取值也可方便在进行详细应力计算阶段采用国际通用的管道应力分析软件（如：CAESARII，BENTLYAUTOPIPE等），即若采用指定值法，则在管道应力分析软件中选择BS-规范，若采用长期性能测试法，则在管道应力分析软件中选择ISO-规范。4.3.5采用指定值法规定了在腐蚀环境和温度条件下管道层合板许用应变：1)腐蚀环境和温度条件与应变等级应按表4.3.10-1的规定选用：表4.3.10-1腐蚀环境和温度条件与应变等级2）当应变等级确定后，应变等级与许用应变值应按表4.3.10-2的规定选用：表4.3.10-2应变等级与许用应变值3）当采用多层纤维缠绕结构、缠绕角度在±15°和±75°之间时，应进行各向异性弹性计算，层合板的应变值不得大于许用应变值。当不进行各向异性弹性计算时，许用应变值不应大于0.。解读：该条文参考了BS-的方法A。而在ISO-和《ProcessPiping》ASMEB31.3-，对于缠绕结构均只规定了长期性能测试法，后者对在本规范第6.1.11条中管道层合板的I型和II型铺层结构分类，规定了10倍安全系数办法的要求，大致相当于本规范管道许用应变的指定值法，按照ASMEB31.3-规定的相关强度和模量参数计算，其许用应变约为0.～0.的水平，而且与应用环境无关。BS-中的指定值法由于综合考虑了温度和化学腐蚀环境的影响，而且应变值在0.～0.之间，比ASME的办法科学，而且两个规范数据相比，BS-的数据并不很高，同时该标准从版以来一直确认有效，在国际上的纤维增强塑料管道工程中广泛应用，说明该取值法是可靠的。对于多层缠绕结构的应变限制，主要是因为该结构具有各向异性和拉剪耦合效应等特点。如果设计者能对该缠绕结构进行详细的各向异性弹性分析，证明在载荷的联合作用下，该层合板结构的主应变和剪切应变均小于许用应变，可以采用指定值法确定的许用应变，否则应采用保守的0.许用应变数据。各向异性弹性分析可以参考复合材料力学相关章节。4.3.6当采用长期性能测试法时，试验应符合现行国家标准《玻璃纤维增强塑料夹砂管》GB/T-的有关规定，试样端部应为自由端密封，其环向许用应变值应按下式计算：(4.3.11)式中：——设计寿命下的许用应变值；——进行长期性能测试的管道试样内径（mm）；——设计寿命下97.5%置信下限的失效内压（MPa）；——试样的层合板单元拉伸刚度(N/mm)。——设计安全系数，不应小于1.5。解读：管道许用应变的长期性能测试法主要参考了ISO-中的办法，该办法将持续和偶然作用载荷以及热膨胀载荷分别做了对应许用值的处理，复合地上管线受力分析的特点，而且ISO-标准也广泛的应用在石油天然气工艺和公用管线，海上平台管线、海水淡化工艺管线、化工管线等领域。在长期性能测试法中对于公式（4.3.11）中设计安全系数的规定，在BS-中为1.3，ISO-中规定为1.5，ASMEB31.3-规定为2.0，该系数的不同取值与各标准的应力计算和安全判定有关：1)BS-中的应力计算均为持续载荷，未考虑短时作用载荷，对应设计压力载荷下的系数为1.3。2)ISO-中要考虑偶然短时作用载荷，其中包括水压试验载荷1.5倍设计压力，若按此载荷计算，反推对应设计压力载荷下的系数应为1.5x1.5/1.33=1.69。3)ASMEB31.3-规定了考虑偶然短时作用载荷，在计算中予以计及，但1.5倍设计压力的水压试验载荷不需要再进行应力计算校核。如果将1.5倍的水压试验载荷做应力计算，相当于设计压力载荷下的系数为2.0/1.5=1.33。因此本规范确定采用ISO-的长期性能测试法和设计安全系数，不仅相对安全，而且概念清晰，同时该ISO-标准也是在国际纤维增强塑料管道的设计计算中大量采用，利于国际交流。4.3.7在本规范公式（4.3.11）涉及到“设计寿命”概念。设计寿命与许用应变、设计安全系数、选用材料、成型工艺、使用工况、维护保养等很多因素相关，依据目前的综合技术水平，很难给出一个统一的设计使用年限：1）当有成熟使用业绩及案例、采用相同材料和制作工艺，制造相同产品时，其设计使用寿命可参考原有业绩或案例的寿命；2）在设计工况、材料和制作工艺相同的情况下，通过加大设计安全系数，降低许用应变，可一定程度上延长设备或管道的使用寿命；3）通过长期性能试验，模拟使用工况进行加速老化试验，根据试验结果采用长期性能测试法来推导设备或管道的预期使用寿命；4）本规范采用设计安全系数法设计的设备和采用指定值法设计的管道，与相关国外先进标准一样，均无法给出有依据的设计寿命，只是当采用该方法进行设计和选材时，可得到一个虽不明确但相关方均可接受的潜在预期使用周期。2.5第五章设备设计，对采用规则设计法、分析设计法、试验验证设计法进行设计时的设计安全系数以及屈曲安全系数取值做了规定；对铺层设计工艺（纤维及制品类型，树脂体系，铺层的次序、方向和层数，树脂或纤维含量及允许偏差等）做了规定；提出了设计时考虑的各种载荷；对圆筒设备、圆锥壳、锥形顶盖、凸形封头进行结构计算给出了计算公式；对二次粘接、开孔及补强计算、接管及其它部件的连接结构、螺栓连接、鞍座及支撑结构形式等做了规定。2.6第六章管道设计，管道设计压力、温度、承受的持续荷载和偶然短时荷载等做了规定；对管道的支吊架、管道连接的构造和结构计算进行了规定；给出了在不同设计应变值下的直管铺层设计要求；规定了直管的许用外压计算要求；对管道压力损失计算、水平管道支撑跨距强度和刚度要求分别作了规定；对管道因压力、热膨胀、自重、其他持续荷载和偶然短时荷载等引起的应力情况，分别按简易应力计算、详细应力计算进行应力计算和柔性分析作出了规定。2.7第七章制造，对设备和管道制造时的环境条件、模具、原材料的存储和使用作了规定，并将“不饱和聚酯树脂和乙烯基酯树脂的促进剂与引发剂严禁直接接触，严禁同时加入到树脂中；引发剂必须单独存放，严禁泄漏”作为强制性条文规定；分别对设备和管道的内衬层、结构层和外表层制造和固化工艺做了规定；对制造过程的质量控制要求和指标、允许的缺陷和修补要求作了规定；对二次粘接工艺及工艺评定要求做了规定。2.8第八章质量检验，对于检测仪器和量具、取样要求、制造方文件等作了规定；对原材料以及单层板的性能检测要求做了规定；对设备和管道产品的质量检验项目、性能要求和指标、试验方法和判定标准分别作了规定。2.9第九章标志、包装、运输、贮存。分别对设备和管道的标志、包装、运输、贮存作出规定。2.10第十章安装。对立式平底、卧式圆型、悬挂立式等设备的安装和与外部的连接要求、以及充水试漏等作出规定；对管道安装和连接以及安装允许的偏差作出规定；对设备和管道的使用和维修要求进行了规定。2.11第十一章工程验收，分别按主控项目和一般项目对设备和管道工程质量验收作了规定；对工程验收的交工文件做了规定。3规范的主要特点：3.1通用性、完整性及与相关标准的协调性本规范在编制过程中吸收了国内纤维增强塑料设备和管道工程主要设计、制造、安装、质量检验等单位的实际应用经验，从纤维增强塑料单层板的基本力学性能出发，依据层合板理论，分别采用铺层计算法和铺层实测法对层合板的力学性能进行设计和验证，并通过控制层合板的许用应变值来确保设计安全性，充分体现了作为复合材料的纤维增强塑料具有可设计性特点，具有较强的通用性。在编排上，从材料性能、设备和管道的设计规定、制造和制造过程控制、、运输、安装、质量检验和工程验收等方面分别作了具体规定，内容完整，定性、定量的规定宽严适度，准确可靠，并与国内相关行业设计规定、产品标准及其他相关标准进行了协调。3.2先进性本规范在编制过程中吸收和借鉴了相关国际标准和国外先进标准内容：引入了单元、单层板单元拉伸强度和模量等概念，改变了我们通常用到的材料单位截面积下的强度、弹性模量（单位均为N/mm2）概念。本规范规定了内衬层耐腐蚀性能的评价判定标准。在迄今为止国内现有标准和规范中，对于纤维增强塑料耐化学性能只有试验方法标准，尚未有耐腐蚀性能的判定标准。评价判定标准的确立可同国外先进标准对接。国内厂家与世界主要发达国家设厂在国内生产的树脂、纤维等原材料的质量和性能已经接近，且品种齐全，为制造符合国内外技术规范要求的纤维增强塑料设备和管道产品提供了基础保障。本规范中一些设计、制造、安装、质量检验等与国外先进标准对接的技术内容已经在国内得到多年的应用，符合当今纤维增强塑料设备和管道工程技术发展的现状和规范编制要求，因此具有一定的先进性。4效益评估：纤维增强塑料设备和管道具有可设计、耐腐蚀、高强轻质等特性，可广泛应用于化工、有色、冶金、石油、石化、建材、电力、市政、环保等行业，是国民经济中一个不可或缺的基础性产品，已形成百千亿级的市场规模。本规范的颁布实行既弥补了国内在纤维增强塑料设备和管道工程技术规范方面的标准缺失，同时其技术内容能与国外先进标准相对接，为更多的纤维增强塑料设备和管道工程跟随国内的项目总承包公司走出国门、扩大市场、消化过剩产能，提供了技术和标准支撑。纤维增强塑料设备和管道工程质量，主要取决于工程设计、材料、制造、安装等要素，缺一不可，而工程质量好坏将直接影响到工程投入使用后的技术经济效果。本规范强化了纤维增强塑料设备和管道工程的过程质量控制、和检查，使工程质量有了进一步的保证。严格执行本规范，对提高纤维增强塑料设备和管道工程质量、节约资源、保证安全生产、提高经济效益和社会效益将起到重要的作用。

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