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 河北龙飞腾沼气设备有限公司地址:河北阜城县码头镇运河大桥西首电话0318486865013903286845   15222712213     15532794568qq625883862阿里巴巴旺铺:www.fczqqc.cn网址:www.lftzq.com网址:www.fczqqc.com
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软体沼气设备材料承压性能试验

孙英平1,代允闯2 (1. 河北龙飞腾沼气设备有限公司,河北衡水,053700;
2. 清华大学,北京,100084)

摘要:红泥塑料夹网布制品密封性能优良、重量轻、可折叠、便于工厂化生产和运输,近几年来,被广泛用于软体沼气池、储气袋、双膜沼气柜的制作。本文从实验和理论推导两个方面对红泥塑料夹网布的承压性能进行了总结,以成都远见复合材料有限公司生产的红泥塑料材料为例,对厚度为0.7mm、0.9mm、1.2mm的红泥塑料夹网布制成的圆柱形软体沼气储气袋进行充气爆破,证实储气袋的承压能力与直径成反比、与材料厚度成正比,同时发现,随储气袋长度增加,其承压能力会略有降低。通过与相应厚度的红泥塑料薄膜制品进行对比,发现红泥塑料夹网布的承压能力是红泥塑料薄膜的8~10倍。
关键词:承压能力,软体沼气池材料,红泥塑料夹网布,红泥塑料膜,圆柱形沼气储气袋
第一作者:孙英平(1946—),男,工程师,研究方向为沼气发酵设备生产技术,zhaoqiguan@126.com
通讯作者:孙英平(1946—),男,工程师,研究方向为沼气发酵设备生产技术,zhaoqiguan@126.com

0 引言

    多年来,笔者从事软体沼气设备研制生产,为全国各地和国外部分地区制作了不少软体沼气池及储气袋。红泥塑料夹网布制品具有密封性能优良、重量轻、可折叠等特点,便于工业化生产和运输,因此,是一种很好的软体沼气设备材料,近年来被广泛用于软体沼气池、储气袋、双膜沼气柜等的制作。本文以成都远见复合材料有限公司生产的红泥塑料夹网布为例,对其承压性能进行了总结,证实该公司此类产品的剥离强度和撕裂强度较以前产品有了较大的提高。

1 承压性能试验


    实验用的储气袋用相同的工艺进行粘合和密封,均制作为圆柱形(如图1-a所示)。储气袋制好后,用充气泵缓慢均匀地向其中充入气体,直至储气袋破裂、脱层或发生不可恢复的形变(如图1-b所示),认为达到该储气袋所能承受的最大压强。
2013年5月至7月间,我们分五次对红泥塑料夹网布制成的储气袋进行了爆破实验,测试其承压能力。实验结果如下。 1.1 不同厚度夹网布的承压能力
    固定储气袋的直径和长度,但使用不同厚度的红泥塑料夹网布进行实验,结果如表1所示。由表1中的数据可见,储气袋的承压能力与材料厚度之间为正相关关系,随着材料厚度的增加,储气袋所能承受的压强逐渐增加。

直径 (m) 长度 (m) 厚度 (mm) 承受最大压强 (kPa)
0.3 0.3 0.7 160
0.9 230
1.2 310
0.5 0.5 0.7 95
0.9 155
1.2 170
2.31 1.9 0.7 13
0.9 22
1.2 28
表1 固定直径与长度,不同厚度的红泥塑料夹网布储气袋的承压能力

    固定储气袋的形状,即保证直径与长度的比例为1:1,对于相同厚度的材料制作成的储气袋,当储气袋的大小发生变化时,其所能承受的极限压强如表2所示。可见,储气袋的承压能力与储气袋大小(直径)之间为负相关关系,随着储气袋的增大,其所能承受的压强越来越低。
表2 固定储气袋形状(直径:长度=1:1),不同大小的红泥塑料夹网布储气袋的承压能力
图2 固定储气袋形状,极限压强与其大小(直径)之间的关系(以0.7mm厚度为例)
厚度 (mm) 直径 (m) 长度 (m) 承受最大压强 (kPa)
0.7 0.3 0.3 160
0.5 0.5 95
0.8 0.8 65
1 1 47
1.5 1.5 32
0.9 0.3 0.3 230
0.5 0.5 155
1.2 0.3 0.3 310
0.5 0.5 170
0.7mm厚度的实验数据较为丰富,此处以0.7mm厚度的储气袋为例,对储气袋所能承受的极限压强与其大小(直径)之间的关系进行拟合,如图2所示。可见,在储气袋形状(即直径与长度的比例)固定的情况下,其承压能力与直径之间成很好的反比关系。

1.3 不同长度夹网布储气袋的承压能力
固定储气袋的直径,对于相同厚度的材料制作成的储气袋,当储气袋的长度发生变化时,其所能承受的极限压强如表3所示。可见,储气袋的承压能力与储气袋长度之间存在一定程度的负相关性,随着储气袋的增大,其所能承受的压强有降低的趋势,但长度对承压能力的影响较小。
表3 固定储气袋直径,不同长度的红泥塑料夹网布储气袋的承压能力
厚度 (mm) 直径 (m) 长度 (m) 承受最大压强 (kPa)
0.7 0.3 0.3 160  
0.3 0.8 156  
0.3 2 152  
0.9 0.3 0.3 230  
0.3 0.8 220  
0.3 2 210  
1.2 0.3 0.3 310  
0.3 0.8 280  

1.4 与红泥塑料膜对比
    用相应厚度的红泥塑料膜制作相同形状的储气袋,用同样的方法测试其承压性能,当压强达到极限值后,继续充气,压强不再发生变化,但是红泥塑料膜变薄,不可恢复。实验结果如表4所示。可见,相同形状、大小、厚度的储气袋,红泥塑料夹网布的承压性能远远好于红泥塑料膜,前者的极限压强约为后者的8~10倍。
表4 固定直径与长度,不同厚度的红泥塑料夹网布储气袋的承压能力
直径 (m) 长度 (m) 厚度 (mm) 承受最大压强 (kPa)
红泥塑料夹网布制品 红泥塑料膜制品
0.3 0.3 0.7 160 20
0.9 230  
1.0   28
1.2 310 35

1.5新旧材料对比
    同样厚度的红泥塑料夹网布,制作工艺不同,质量指标差距很大。以0.9红泥塑料夹网布为例,成都远见复合材料有限公司旧工艺产品和新工艺产品的对比结果如表5所示。
表5 新工艺和旧工艺的红泥塑料夹网布储气袋的承压能力对比
厚度 (mm) 直径 (m) 长度 (m) 承受最大压强 (kPa)  
0.9 0.3 0.8 220 新产品  
0.3 0.8 145 旧产品  

1.6 最近用成都远见复合材料有限公司一批新生产的0.9红泥塑料夹网布,7月22日又进行了一次试验,产品承压指标提高了很多。进一步验证了气袋承压能力与其直径成反比的关系。实验结果见表6.
表6 最新工艺的红泥塑料夹网布储气袋的承压能力对比
厚度 (mm) 直径 (m) 长度 (m) 承受最大压强 (kPa)
0.9 0.3 0.3 282  
0.5 0.5 170  

1.7 小结
    按试验总结分析,圆柱体储气袋长径比不变的情况下,承压能力与其直径成反比;同时发现,随储气袋长度增加,其承压能力会有所降低。通过与相应厚度的红泥塑料薄膜制品进行对比,发现红泥塑料夹网布的承压能力是红泥塑料薄膜的8~10倍。笔者认为,沼气袋额定承压以爆破压强的30%和20%之间确定为宜。随着气袋的直径和容积增大,所用布料带有缺陷的可能性增大,确定其额定承压数据更应再低些。

2 理论分析


储气袋的形状为圆柱体,充气后,其主体部分为圆柱体,两端则变形为近似半球形。储气袋的直径、长度远大于材料的厚度,因此可以将充气后的储气袋抽象成薄壁球壳和薄壁圆柱体两种结构进行受力分析。
2.1 半球形部分
    储气袋两端的半圆球形堵头为是承受内压的薄壁球壳,对其进行受力分析,如图3所示,图中d为球体的直径,p为球内部的压强,t为球体材料的壁厚, 为球壁材料承受的拉伸应力。由平衡方程可得
 (1)
经过化简,可知球壳承受的拉伸应力 与其内侧承受的净压强p之间的关系为
 (2)
材料的拉伸应力有一个极限值 ,这是由材料的性质决定的。所以,如果不考虑实际的制作工艺、材料本身的尺寸效应造成的缺陷的话,球体所能承受的极限压强 为:
(3)
即:堵头这部分的极限压强与球体的直径成反比,与壁厚成正比,与实验结果相吻合。
2.2 圆柱形部分
储气袋的主体部分为薄壁圆柱体,如图4所示。
    薄壁圆柱体在轴向和周向两个方向上受到的拉应力分别为 和 ,两个应力与承受的压强p之间的关系分别为
(4)
(5)
因此,对于柱体来说,其在轴向和周向上所能承受的极限压强分别为

    (轴向) (6)
    (周向) (7)

    从上式可以看出,在理想情况下,如果不考虑柱体和两端圆柱堵头接合处的应力集中,那么储气袋的最薄弱的环节是其柱体所承受的周向应力,即最容易发生破裂的地方出现在柱体上,发生如图5红色虚线所示的纵向撕裂,通过多次的爆破试验也证明了这一点。



2.2 小结
    通过理论分析发现,圆柱形储气袋所能承受的极限压强与柱体的直径成反比,与材料的壁厚成正比,与长度无关。
然而以上的分析都是在理想情况下进行的。实际上, 材料的强度和韧性参数存在尺寸效应,这个尺寸效应与材料本身关系密切,不同材料类型影响正负不相同,另外,体积大的材料存在的缺陷会更多,这些缺陷对材料性能参数影响明显,尤其是强度参数。最重要的,在实际应用中要考虑应力集中的情况,由于沼气袋使用多块材料拼接而成,在接缝处肯定存在应力集中的情况,然而通过一系列的爆破实验结果表明,绝大多数发生破裂的地方都不是在接缝处,可以认为通过热合工艺连接并没有破坏材料的整体强度,相反起到了局部强化的效果,表明这一工艺还是比较可靠的。

3 总结

    本文以成都远见复合材料有限公司生产的红泥塑料夹网布为例,从实验和理论两个方面分析了红泥塑料夹网布材料制成的沼气储气袋的承压能力,发现圆柱形的储气袋所能承受的最大压强与柱体的直径成反比,与材料的厚度成正比,与柱体的长度关系不大。可以推断,容积相同的圆柱形沼气袋,细长的比粗短的承受的压强更大。因此,在设计生产圆柱形沼气储气袋的过程中,如果要增加容积,在材料厚度相同的情况下,应当优先增加圆柱的长度而非圆柱的直径。笔者认为,沼气袋额定承压以爆破压强的30%和20%之间确定为宜。随着气袋的直径和容积增大,所用布料带有缺陷的可能性增大,确定其额定承压数据更应再低些。
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