1 概述
长期以(yi)来(lai)，在化工(gong)、石油、医药和(he)(he)食品等工(gong)业部门(men)中(zhong)，控制、输送(song)介质管路(lu)上的(de)耐腐(fu)蚀(shi)(shi)一(yi)般(ban)都采用不(bu)锈钢(gang)、搪瓷(ci)、硅(gui)铁(tie)、陶瓷(ci)和(he)(he)聚(ju)四氟乙烯等耐腐(fu)蚀(shi)(shi)材(cai)料(liao)(liao)，玻(bo)(bo)璃(li)(li)钢(gang)是(shi)近 50 多年来(lai)发展迅速的(de)一(yi)种(zhong)复合材(cai)料(liao)(liao)。玻(bo)(bo)璃(li)(li)钢(gang)是(shi)以(yi)玻(bo)(bo)璃(li)(li)纤(xian)维(wei)(wei)作(zuo)(zuo)增强(qiang)材(cai)料(liao)(liao)、合成(cheng)树脂作(zuo)(zuo)粘结(jie)剂的(de)增强(qiang)塑料(liao)(liao)。随(sui)着我国(guo)玻(bo)(bo)璃(li)(li)钢(gang)事业的(de)发展，作(zuo)(zuo)为塑料(liao)(liao)基的(de)增强(qiang)材(cai)料(liao)(liao)，已由玻(bo)(bo)璃(li)(li)纤(xian)维(wei)(wei)扩大到碳纤(xian)维(wei)(wei)、硼纤(xian)维(wei)(wei)、芳(fang)纶纤(xian)维(wei)(wei)、氧化铝纤(xian)维(wei)(wei)和(he)(he)碳化硅(gui)纤(xian)维(wei)(wei)等。由于玻(bo)(bo)璃(li)(li)钢(gang)相对其他材(cai)料(liao)(liao)具有更(geng)加(jia)优良的(de)耐化学(xue)介质腐(fu)蚀(shi)(shi)性(xing)，玻(bo)(bo)璃(li)(li)钢(gang)制管道和(he)(he)阀门(men)已得到广泛应用。一(yi)般(ban)的(de)在高温盐酸(suan)和(he)(he)酸(suan)碱交替条(tiao)件下是(shi)不(bu)能使用的(de)，在价(jia)格上玻(bo)(bo)璃(li)(li)钢(gang)阀门(men)只有相同尺寸不(bu)锈钢(gang)阀门(men)的(de) 1/3 左右。
2 分析
目前国内玻(bo)璃(li)钢(gang)球(qiu)(qiu)阀所用(yong)(yong)材料的(de)(de)(de)基体树脂(zhi)大多采用(yong)(yong)改(gai)性酚醛树脂(zhi)，增(zeng)(zeng)强(qiang)纤维一般都(dou)采用(yong)(yong)短切纤维。这样(yang)的(de)(de)(de)玻(bo)璃(li)钢(gang)球(qiu)(qiu)阀只(zhi)能在 PN6 的(de)(de)(de)工况下使(shi)(shi)用(yong)(yong)，大大限制了(le)应(ying)用(yong)(yong)范围，使(shi)(shi)玻(bo)璃(li)钢(gang)优良的(de)(de)(de)耐腐蚀(shi)性能得不到允(yun)分发挥。为了(le)满(man)足各行业日(ri)益增(zeng)(zeng)长的(de)(de)(de)阀门使(shi)(shi)用(yong)(yong)需(xu)求和(he)各种严(yan)酷苛刻使(shi)(shi)用(yong)(yong)环境的(de)(de)(de)需(xu)要(yao)，必须对现有玻(bo)璃(li)钢(gang)阀门的(de)(de)(de)材料及(ji)制作工艺进行改(gai)进，使(shi)(shi)其适用(yong)(yong)于(yu)更高压力范围。本文首先(xian)对连(lian)续玻(bo)璃(li)纤维增(zeng)(zeng)强(qiang)玻(bo)璃(li)钢(gang)的(de)(de)(de)材料力学性能进行试验研(yan)究，在已知玻(bo)璃(li)钢(gang)材料性能参数的(de)(de)(de)基础上(shang)导出玻(bo)璃(li)钢(gang)球(qiu)(qiu)阀的(de)(de)(de)设计(ji)要(yao)点(dian)。
3 球阀材料选用
目前国(guo)内(nei)用于制造阀门的(de)玻(bo)(bo)(bo)璃(li)钢基(ji)体(ti)材料(liao)主要(yao)以环氧和酚(fen)醛(quan)(quan)(quan)两类树(shu)脂(zhi)（包(bao)括其改(gai)(gai)性品种，如：聚乙烯醇缩(suo)丁醛(quan)(quan)(quan)改(gai)(gai)性酚(fen)醛(quan)(quan)(quan)、二甲苯甲醛(quan)(quan)(quan)树(shu)脂(zhi)改(gai)(gai)性酚(fen)醛(quan)(quan)(quan)、环氧酚(fen)醛(quan)(quan)(quan)等(deng)）为(wei)主，聚醋玻(bo)(bo)(bo)璃(li)钢阀和改(gai)(gai)性峡喃树(shu)脂(zhi)玻(bo)(bo)(bo)璃(li)钢阀也(ye)有(you)少量生产。作(zuo)为(wei)增强(qiang)(qiang)材料(liao)的(de)玻(bo)(bo)(bo)璃(li)纤维也(ye)形式(shi)各异，但(dan)限于模压(ya)(ya)成型(xing)工(gong)(gong)艺，主要(yao)采用短切纤维增强(qiang)(qiang)形式(shi)。短玻(bo)(bo)(bo)纤增强(qiang)(qiang)的(de)复合材料(liao)性能不(bu)高，各种玻(bo)(bo)(bo)璃(li)钢阀的(de)工(gong)(gong)作(zuo)温度上限一般为(wei) 120~140℃，工(gong)(gong)作(zuo)压(ya)(ya)力为(wei) 0.8~1.0MPa。这(zhei)个工(gong)(gong)作(zuo)压(ya)(ya)力范(fan)围仅相当于低压(ya)(ya)区的(de)工(gong)(gong)作(zuo)压(ya)(ya)力范(fan)围。
本文介绍的(de)(de)(de)(de)用(yong)玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)钢(gang)是(shi)采(cai)用(yong)连(lian)续玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)纤维(wei)布作增强(qiang)体(ti)，用(yong)乙(yi)烯基(ji)(ji)醋树脂(zhi)（vinyl Ester Resins）作为基(ji)(ji)体(ti)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)复合材(cai)料(liao)。连(lian)续玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)纤维(wei)布增强(qiang)的(de)(de)(de)(de)玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)钢(gang)具有(you)抗(kang)冲击强(qiang)度好(hao)，蠕变(bian)小，耐(nai)热性(xing)好(hao)，成型收缩(suo)小等优点(dian)。与玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)钢(gang)管道应用(yong)条件(jian)相类似，乙(yi)烯基(ji)(ji)树脂(zhi)的(de)(de)(de)(de)耐(nai)温、耐(nai)腐蚀和(he)加工性(xing)能好(hao)，常应用(yong)于化工设备的(de)(de)(de)(de)防(fang)腐保护。而采(cai)用(yong)连(lian)续玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)纤维(wei)布取代传统的(de)(de)(de)(de)短(duan)切纤维(wei)作为增强(qiang)材(cai)料(liao)可以(yi)大(da)大(da)提高玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)钢(gang)中玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)纤维(wei)的(de)(de)(de)(de)百(bai)分(fen)含(han)量(liang)和(he)增强(qiang)效果。玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)纤维(wei)是(shi)玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)钢(gang)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要承力(li)部(bu)分(fen)，玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)纤维(wei)含(han)量(liang)的(de)(de)(de)(de)提高将(jiang)意(yi)味着(zhe)玻(bo)(bo)璃(li)(li)(li)(li)钢(gang)整体(ti)力(li)学(xue)性(xing)能的(de)(de)(de)(de)提升(sheng)。
4 材料力学性能试验
4.1 试验材(cai)料
试(shi)验(yan)用材料即复(fu)合(he)材料厚板(ban)材由连续玻璃(li)(li)纤维增(zeng)强(qiang)乙(yi)烯基树(shu)脂制(zhi)成(cheng)，纤维结构形式(shi)与(yu)成(cheng)型(xing)工艺过程与(yu)新型(xing)玻璃(li)(li)钢球阀制(zhi)作(zuo)所采用的(de)(de)连续增(zeng)强(qiang)纤维结构和成(cheng)型(xing)工艺条(tiao)件一致，纤维含量也(ye)相同。为了便(bian)于试(shi)验(yan)确定面外（层间）加载条(tiao)件下复(fu)合(he)材料的(de)(de)性能(neng)，制(zhi)作(zuo)的(de)(de)原材料板(ban)材厚度(du)为 60mm。
4.2 试验(yan)过(guo)程
根据(ju)标准要(yao)求(qiu)的(de)试验用(yong)试样的(de)尺寸，制作了 8 组(zu)（每(mei)组(zu) 5 个）试样。
将(jiang)试(shi)样固定在(zai)(zai) CSS 电子(zi)万能试(shi)验(yan)(yan)机(ji)上，与负荷传感器、控制(zhi)器、功(gong)率放大器和计(ji)算机(ji)等连接共同工作。沿着面内和面外两个方向，分别切(qie)(qie)割 5 根(gen)试(shi)样，共切(qie)(qie)割 10 根(gen)试(shi)样。试(shi)验(yan)(yan)在(zai)(zai) 25℃ 环境下进行，每组(zu)试(shi)验(yan)(yan)重复(fu)五次。
（l）拉伸试验
试验加载(zai)速度为 1mm/min，记录相应(ying)(ying)的位移一载(zai)荷曲(qu)(qu)线(xian)，连接感应(ying)(ying)器，同时面内拉(la)伸使用 YJY-13B 引伸计记录对(dui)应(ying)(ying)的载(zai)荷一变形曲(qu)(qu)线(xian)。通过计算将(jiang)记录的载(zai)荷一变形曲(qu)(qu)线(xian)转化(hua)为相应(ying)(ying)的应(ying)(ying)力一应(ying)(ying)变曲(qu)(qu)线(xian)，得到复合材料总体的拉(la)伸弹性模量和拉(la)伸强度。
（2）压(ya)缩试验
试(shi)验加载速度(du)为 0.5mm/min，同时(shi)记录相应的(de)(de)位(wei)移(yi)一载荷(he)(he)曲(qu)线。压缩试(shi)验加力(li)端是一直径(jing)为 80mm 的(de)(de)圆柱(zhu)体，试(shi)样置于圆柱(zhu)体的(de)(de)中心，通过试(shi)验机横梁的(de)(de)上(shang)下移(yi)动实现对试(shi)样加力(li)。将记录的(de)(de)载荷(he)(he)一变形曲(qu)线转化为相应的(de)(de)应力(li)一应变曲(qu)线后，得到复合(he)材料的(de)(de)压缩弹性模量和压缩强(qiang)度(du)。
（3）弯(wan)曲试验
试(shi)验加载速度为 1mm/min，试(shi)样(yang)作为层(ceng)合梁，进行横向三点(dian)弯曲(qu)试(shi)验，同时记录相应(ying)的中(zhong)心位移一(yi)载荷(he)曲(qu)线(xian)。通过计算将记录的载荷(he)一(yi)变(bian)形曲(qu)线(xian)转(zhuan)化为相应(ying)的应(ying)力一(yi)应(ying)变(bian)曲(qu)线(xian)，得到复合材料的弯曲(qu)弹性模量和弯曲(qu)强度。
（4）剪切试验
加(jia)载(zai)速度为 0.5mm/min，同时(shi)记录相应(ying)的位移一(yi)载(zai)荷曲线。通过计(ji)算将记录的载(zai)荷一(yi)变形曲线转化为相应(ying)的应(ying)力一(yi)应(ying)变曲线，得到复合材(cai)料的剪(jian)切(qie)强度。
4.3 试验(yan)结果
从试验(yan)测(ce)得的(de)(de)(de)(de)连(lian)续(xu)纤(xian)(xian)维(wei)(wei)增(zeng)(zeng)强(qiang)(qiang)复合材(cai)料的(de)(de)(de)(de)面内(nei)材(cai)料性能(neng)结果(guo)平均值可以看出，采用连(lian)续(xu)纤(xian)(xian)维(wei)(wei)增(zeng)(zeng)强(qiang)(qiang)的(de)(de)(de)(de)玻(bo)(bo)(bo)璃(li)钢(gang)的(de)(de)(de)(de)力(li)学性能(neng)较(jiao)用短(duan)切纤(xian)(xian)维(wei)(wei)增(zeng)(zeng)强(qiang)(qiang)的(de)(de)(de)(de)玻(bo)(bo)(bo)璃(li)钢(gang)有(you)显著(zhu)的(de)(de)(de)(de)提升(sheng)，面内(nei)拉伸强(qiang)(qiang)度与短(duan)切纤(xian)(xian)维(wei)(wei)增(zeng)(zeng)强(qiang)(qiang)玻(bo)(bo)(bo)璃(li)钢(gang)拉伸强(qiang)(qiang)度相比，提高(gao)两倍之(zhi)多。这是由于作为(wei)玻(bo)(bo)(bo)璃(li)钢(gang)增(zeng)(zeng)强(qiang)(qiang)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)纤(xian)(xian)维(wei)(wei)是玻(bo)(bo)(bo)璃(li)钢(gang)的(de)(de)(de)(de)主要承力(li)部分(fen)，采用连(lian)续(xu)纤(xian)(xian)维(wei)(wei)增(zeng)(zeng)强(qiang)(qiang)以后，纤(xian)(xian)维(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)百分(fen)含(han)量可高(gao)达 70 %，而短(duan)切纤(xian)(xian)维(wei)(wei)增(zeng)(zeng)强(qiang)(qiang)玻(bo)(bo)(bo)璃(li)钢(gang)的(de)(de)(de)(de)纤(xian)(xian)维(wei)(wei)含(han)量仅有(you) 40% 左右。当然(ran)，玻(bo)(bo)(bo)璃(li)钢(gang)的(de)(de)(de)(de)力(li)学性能(neng)还(hai)和(he)其他因素有(you)关(guan)，比如树脂的(de)(de)(de)(de)种(zhong)类等。
5 结语
通过改(gai)进玻(bo)璃(li)钢(gang)的(de)材料(liao)组成和制作工艺，提升了玻(bo)璃(li)钢(gang)的(de)整体力学性(xing)能，克服了短切玻(bo)璃(li)纤维(wei)增强玻(bo)璃(li)钢(gang)脆性(xing)大的(de)缺(que)点(dian)。经壳体试(shi)验，按(an) PN6 设计(ji)的(de)玻(bo)璃(li)钢(gang)球(qiu)阀至少可以在 PN25 的(de)工况(kuang)下安全使用(yong)(yong)。拓宽了玻(bo)璃(li)钢(gang)球(qiu)阀的(de)使用(yong)(yong)范围，使玻(bo)璃(li)钢(gang)球(qiu)阀的(de)耐腐蚀性(xing)能得以充分(fen)发挥。
