4.3 单层板和层合板性能
4.3.1 纤维增强塑料设备和管道的纤维增强塑料单层板力学性能宜通过铺层实测法确定。当采用铺层计算法时，玻璃纤维增强塑料单层板性能应符合下列规定：
1 单层板材料的力学性能应按表4.3.1-1取值。
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。
2 缠绕角度与纤维缠绕层环向和轴向单元拉伸模量宜按表4.3.1-2取值。
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
续表4.3.1-2
3 缠绕角度与纤维缠绕层泊松比宜按表4.3.1-3取值。
表4.3.1-3 缠绕角度与纤维缠绕层泊松比
续表4.3.1-3
注：1 x为筒体或管道轴向，y为筒体或管道环向；
2 泊松比vyx是计算由y方向应力引起的x方向应变，泊松比vxy是计算由x方向应力引起的y方向应变。
4 单层板的玻璃纤维质量含量应符合下列规定：
1）短切原丝毡宜为25%～35%；
2）纤维布宜为45%～55%；
3）纤维缠绕纱宜为60%～75%。
4.3.2 纤维增强塑料层合板的力学性能参数可按层合板理论的铺层计算法或铺层实测法进行计算，并应符合下列规定：
1 当缺少实测参数或历史数据时，应采用下列铺层计算法计算：
1）层合板的单元拉伸刚度和单元拉伸强力应分别按下列公式计算：
式中：Xlam——层合板的单元拉伸刚度（N/mm）；
Ulam——层合板的单元拉伸强力（N/mm）；
ni——第i单层板的层数；
Wi——第i单层板的纤维单位面积质量（kg/m2）；
Xi——第i单层板的单元拉伸模量［N/（mm·kg/m2）］；采用纤维缠绕层，当缠绕角小于15°、计算环向拉伸模量时，应取值为0；当缠绕角大于75°、计算轴向拉伸模量时，应取值为0；
Ui——第i单层板的单元拉伸强度［N/（mm·kg/m2）］。
2）层合板的拉伸模量应按下列公式计算：
式中：Elam——层合板的拉伸模量（MPa）；
td——层合板的结构层计算厚度（mm）；
ti——第i层单层板的结构计算厚度（mm）；
mg——第i层单层板的纤维质量百分含量值；
Wi——第i单层板的纤维单位面积质量（kg/m2）；
ρr——树脂固化后的密度（kg/m3）；
ρg——纤维的密度（kg/m3）。
3）层合板的弯曲模量应按下列公式计算：
式中：Eb——层合板的弯曲模量（MPa）；
Wi——第i单层板的纤维单位面积质量（kg/m2）；
Xi——第i单层板的单元拉伸模量［N/（mm·kg/m2）］；
hi——第i层单层板的中心与层合板中心（图4.3.2）的距离（mm）；
h0——层合板的中性面与层合板中心的距离（mm）。
图4.3.2 第i层单层板的中心与层合板中心的距离hi示意图
2 当采用铺层实测法时，单层板和层合板性能检测应符合下列规定：
1）试验样板应按设计铺层制作，每个检测项目的加工试样不应少于15个；
2）单层板和层合板性能检测项目应符合表4.3.2-1的规定；
表4.3.2-1 单层板和层合板性能检测项目
注：“√”表示应检项目，“O”表示宜检项目，“―”表示无需检测项目。
3）试样数据的置信度应按下列公式计算：
式中：Jlam——预设铺层性能的典型值；
—预设铺层实测性能的平均值；
t——t分布临界值，可按表4.3.2-2取值；
s——标准偏差；
J——实测数值；
N——试样数量。
表4.3.2-2 t分布临界值
Ⅰ 设备设计安全系数与许用应变
4.3.3 设备力学性能的设计安全系数确定应符合下列规定：
1 设计安全系数应按下列公式计算：
式中：K——设计安全系数，不得小于6.0；
F——屈曲安全系数，不得小于4.0；
K1——材料性能的试验和验证分项设计系数；
K2——化学环境的分项设计系数；
K3——设计温度和树脂热变形温度（HDT）影响的分项设计系数；
K4——层合板长期性能的分项设计系数。
2 当无法确定分项设计系数时，设计安全系数不得低于10.0，屈曲安全系数不得低于5.0。
4.3.4 材料性能的试验和验证分项设计系数K1的取值应符合下列规定：
1 当设计所用层合板力学性能值采用铺层计算法确定、单层板性能采用本规范表4.3.1-1中的性能值时，K1的取值应符合下列规定：
1）当有18个月内制造同类层合板设计的产品业绩，并有可接受的该产品性能的历史数据时，K1应取2.0；
2）当有12个月内制造同类层合板设计的产品业绩，并有可接受的该产品性能的历史数据时，K1应取1.5；
3）当有12个月内制造同类层合板设计的产品业绩，并对单层板性能采用5个数据一组的试验验证，获得5个试样的平均值和去掉5个试样中最大值、最小值后的3个试样的平均值，两个平均值的小者应大于本规范表4.3.1-1中的性能值时，K1应取1.3；
4）当有12个月内制造同类层合板设计的产品业绩，并对设计所用层合板力学性能采用5个数据一组的试验验证，获得5个试样的平均值和去掉5个试样中最大值和最小值后的3个试样的平均值，两个平均值的小者应大于设计所用层合板力学性能值时，K1应取1.2。
2 当设计所用层合板力学性能值采用铺层计算法确定、单层板性能采用铺层实测法确定或单层板性能采用原有的铺层实测法数据，但对该单层板性能采用5个数据一组的试验验证，获得5个试样的平均值和去掉5个试样中最大值和最小值后的3个试样的平均值，两个平均值的小者应大于该单层板性能数据时，K1应取1.1。
3 当设计所用层合板力学性能值采用铺层实测法，并从试验室模拟试样上取样，每项性能检测数据不应少于15个进行试验验证时，K1应取1.1。
4 当设计所用层合板力学性能值采用铺层实测法，并从设备样品上取样，每项性能检测数据不应少于15个进行试验验证时，K1应取1.0。
4.3.5 化学环境的分项设计系数K2的取值应符合本规范附录A的规定。
4.3.6 设计温度和树脂热变形温度HDT影响的分项设计系数K3应按下式计算，且K3取值范围应为1.0～1.4：
式中：Td——设计温度；
HDT——树脂的热变形温度。
4.3.7 层合板长期性能的分项设计系数K4应按表4.3.7取值，并应符合下列规定：
1 当同时采用短切原丝毡、纤维布、纤维缠绕纱制造层合板时，K4值应按主要纤维成分取值；
2 当计算屈曲安全系数F时，K4值应采用弯曲值；
3 当计算设计安全系数K，载荷中同时有拉伸和弯曲时，K4值应取拉伸值。
表4.3.7 层合板长期性能的分项设计系数K4
4.3.8 设备层合板许用应变和许用单元载荷的确定应符合下列规定：
1 树脂的许用应变值εar应按下式计算，且不得大于表4.3.8-1中的规定值：
式中：εar——树脂的许用应变值（%）；
εr——树脂浇铸体的断裂延伸率（%）。
表4.3.8-1 树脂的许用应变值
2 层合板的许用应变值应按下式计算：
式中：εlam——层合板的许用应变值；
Xlam——层合板的单元拉伸刚度（N/mm），应按本规范式（4.3.2-1）确定；
K——设计安全系数，应按本规范式（4.3.3-1）确定；
Ulam——层合板的单元拉伸强力（N/mm），应按本规范式（4.3.2-2）确定。
3 设备层合板的许用应变εd应取式（4.3.8-1）和式（4.3.8-2）计算值中的小值。当无法确定式（4.3.8-1）和式（4.3.8-2）计算值时，许用应变应按0.001取值。
4 当设备试压时，树脂的测试应变值εtest不得大于表4.3.8-2的规定值：
表4.3.8-2 树脂的测试应变值
5 设备层合板的许用单元载荷应按下式计算：
式中：［q］——设备层合板的许用单元载荷（N/mm）。
6 设备层合板的许用剪切应力应按下式计算：
式中：［τ］——设备层合板的许用剪切应力（MPa）；
τ——设备层合板的剪切强度（MPa），可按现行国家标准《纤维增强塑料冲压式剪切强度试验方法》GB/T 1450.2的规定检测获取；当无检测值时，可取50；
K——设计安全系数，应按本规范第4.3.3条的规定取值。
Ⅱ 管道许用应力与许用应变
4.3.9 管道的层合板许用应力应为层合板的弹性模量乘以许用应变，层合板的弹性模量应按本规范第4.3.2条的规定取值，层合板的许用应变应按指定值法或长期性能测试法确定。许用应力值的确定应符合下列规定：
1 当采用指定值法确定许用应变时，在不包括水压试验载荷的偶然短时载荷和包括热膨胀载荷的持续载荷工况下，应取本条计算的许用应力值；
2 当采用长期性能测试法确定许用应变时，在不包括热膨胀载荷的持续载荷工况下，应取本条计算的许用应力值；
3 当采用长期性能测试法确定许用应变时，在包括热膨胀载荷的持续载荷工况下，应按本条计算许用应力值的125%确定；
4 当采用长期性能测试法确定许用应变时，在偶然短时载荷和不包括热膨胀载荷的持续载荷工况下，应按本条计算许用应力值的133%确定。
4.3.10 当采用指定值法时，在腐蚀环境和温度条件下管道层合板许用应变的确定应符合下列规定：
1 腐蚀环境的划分应按设定化学环境下浸泡非受力试样的弯曲强度损失率确定，并应符合下列规定：
1）试样厚度应为4mm～6mm，应按模拟制品的流程进行固化，并应在设计温度下整体浸泡6个月；
2）腐蚀环境Ⅰ时，相对于初始弯曲强度，其强度损失应小于或等于20%；
3）腐蚀环境Ⅱ时，相对于初始弯曲强度，其强度损失应大于20%，并应小于或等于50%；
4）当试样弯曲强度损失大于50%时，应更换树脂或纤维。
2 温度条件的划分应由树脂的热变形温度HDT与设计温度之间的差值确定，并应符合下列规定：
1）温度条件Ⅰ时，设计温度应小于或等于（HDT-40）℃；
2）温度条件Ⅱ时，设计温度应小于或等于（HDT-20）℃，并应大于（HDT-40）℃。
3 当腐蚀环境和温度条件确定后，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
4 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
5 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0.0009。
4.3.11 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 21238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：
式中：εd——设计寿命下的许用应变值；
Di——进行长期性能测试的管道试样内径（mm）；
p97.5——设计寿命下97.5%置信下限的失效内压（MPa）；
Xlam——试样的层合板单元拉伸刚度（N/mm）。当无此值时，可按现行国家标准《玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法》GB/T 2577对试样进行烧蚀试验，得到每一个试样的纤维单位面积质量和铺层结构，其平均值再按本规范式（4.3.2-1）计算；
K——设计安全系数，不应小于1.5。
4.3.12 当疲劳载荷的循环次数大于1000次或应力波动范围大于20%的许用应力时，按本规范表4.3.10-2选用的许用应变值或按本规范式（4.3.11）计算的许用应变值还应再除以疲劳修正系数Kn，Kn应按下式计算：
式中：Kn——疲劳修正系数；
n——设计寿命期内的应力循环次数；
Aσ——在一个疲劳循环内的应力波动范围；
σn——在一个疲劳循环内的最大应力。
4.3.13 管道层合板的许用应变值应小于树脂断裂延伸率的10%。
4.3.14 当采用长期性能测试法确定层合板的许用应变值并计算得到许用应力值时，应进行管道和管件的简化失效包络线计算和判定，并应符合下列规定：
1 长期性能测试法得到短期环向失效应力σsh及长期保留率R，且按现行国家标准《纤维增强热固性塑料管轴向拉伸性能试验方法》GB/T 5349得到的轴向拉伸强度值σsa、双轴应力比r应分别按下列公式计算：
式中： σsh——长期性能测试法得到短期环向失效应力（MPa）；
σsa——短期轴向拉伸强度值（MPa），可按现行国家标准《纤维增强热固性塑料管轴向拉伸性能试验方法》GB/T 5349检测取值；
t——进行长期性能测试的管道试样结构层壁厚（mm）；
R——长期保留率（%）；
pL，97.5%LCL——设计寿命L时97.5%置信下限的失效内压（MPa）；
p6，97.5%LCL——外推曲线回退到6min时97.5%置信下限的失效内压（MPa）；
r——双轴应力比，可按式（4.3.14-3）计算，当无数据时，部件的缺省双轴应力比值可按表4.3.14选择。
表4.3.14 缺省双轴应力比值
2 简化失效包络线的数据计算应包括纯内水压作用状态（2∶1）的许用环向应力σah（2∶1）、许用轴向应力σal（2∶1）、纯轴向拉伸状态（0∶1）的许用轴向应力σal（0∶1），并应分别按下列公式计算：
式中：σah（2∶1）——纯内水压作用状态（2∶1）的许用环向应力（MPa）；
σal（2∶1）——纯内水压作用状态（2∶1）的许用轴向应力（MPa）；
σal（0∶1）——纯轴向拉伸状态（0∶1）的许用轴向应力（MPa）；
K——设计安全系数，不应小于1.5。
3 由式（4.3.14-4）～式（4.3.14-6）计算的三个应力值连接成的折线应为简化失效包络线（图4.3.14），管道的安全性应根据轴向和环向应力计算值在简化失效包络线内来确定。
图4.3.14 简化失效包络线示意图
1—简化失效包络线