Filaman sarım CTP borularda çap farkının mekanik özelliklere etkisinin araştırılması

Bu çalışma, basınçlı akışkanların taşınmasında, kimyasal madde ve endüstriyel sıvıların iletimi ile, petrol ve doğalgaz hatlarında kullanılan cam elyaf takviyeli plastik (CTP) kompozit boruların farklı çaplardaki mekanik davranışlarını deneysel olarak incelemiş ve karşılaştırmıştır. CTP kompozit borular, düşük ağırlık, yüksek korozyon direnci ve kolay montaj gibi avantajları sayesinde geniş kullanım alanına sahiptir. Kullanım ömürleri boyunca CTP kompozit borular yüksek basınç ve çevresel yükler gibi iç ve dış etkiler nedeniyle hasara uğrayabilir. Bu yüklerin etkisiyle borularda; matris çatlağı, elyaf hasarı ve delaminasyon gibi farklı hasar tipleri oluşabilir. Bu tür hasarların neden olduğu mukavemet kaybı, boruların beklenen mukavemet değerlerini sağlayamamasına ve sistem hasarıyla birlikte önemli maddi kayıplara yol açabilir. Bu olumsuz durumları önlemek amacıyla, yapıların iç basınç ve radyal yükler altındaki davranışlarının, çap/et kalınlığı oranı (D/t) ve sarım açılarının etkileriyle birlikte incelenmesi gerekmektedir. Farklı çaplara ve aynı et kalınlığına sahip boruların patlama, deformasyon ve hasar davranışlarının belirlenmesi bu anlamda büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla; 54, 72 ve 96 mm çaplarında, aynı et kalınlığında (2,4 mm), filaman sarımlı ve ±55° sarım açısına sahip CTP boru numuneleri üretilmiştir. Üretilen numunelere yakma, iç basınç, halka çekme ve yanal basma testleri uygulanmıştır. Yakma testleri ASTM-D2584-18 standartlarına göre yapılarak numunelerin elyaf hacim oranları belirlenmiştir. Statik iç basınç patlatma testleri ASTM D1599-14 standardına göre yapılarak, çap farkının patlama basınçlarına olan etkisi ortaya konulmuş ve maksimum gerilme ile mekanik dayanıma etkisi tespit edilmiştir. Halka çekme deneyleri ASTM D2290-16 standardına göre yapılarak, maksimum gerilme değerleri elde edilmiş ve patlatma testi ile karşılaştırılmıştır. Yanal basma testi ASTM D2412-21 standardına göre yapılarak çap farkının etkisi incelenmiştir. Deneylerin sonrasında CTP borular, görüntüleme yöntemleri ve optik mikroskop ile incelenerek makro/mikro hasar analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen veriler, teğetsel gerilme ve Poisson oranı değerleriyle birlikte değerlendirilmiş, çap farkının mukavemete etkisi karşılaştırmalı olarak detaylı biçimde gösterilmiştir. Boru tasarımında çap/et kalınlığı oranının kritik bir parametre olduğu bu çalışma ile ortaya konulmuştur.

This study experimentally investigated and compared the mechanical behavior of Glass Fiber Reinforced Plastic (GFRP) composite pipes with varying diameters, which are widely utilized in oil and natural gas pipelines and for the transport of pressurized fluids, chemical substances, and industrial liquids. GFRP composite pipes maintain a broad application scope due to superior advantages such as low weight, high corrosion resistance, and simplified installation. However, during their service life, these pipes are susceptible to damage (including matrix cracking, fiber damage, and delamination) caused by high internal pressure and external environmental loads, leading to a loss of strength and potential system failures. To address this, it is essential to examine the structural performance under internal pressure and radial loads, particularly the effects of the diameter-to-thickness ratio (D/t) and winding angles, making the determination of burst, deformation, and damage behaviors for pipes with different diameters but the same wall thickness critically important. For this purpose, GFRP pipe specimens with nominal diameters of 54, 72, and 96 mm, all having a 2,4 mm wall thickness and a ±55° filament winding angle, were produced and subjected to burn-off (ASTM-D2584-18), static internal pressure burst (ASTM D1599-14), ring tensile (ASTM D2290-16), and lateral compression (ASTM D2412-21) tests. The tests quantified the effect of diameter variation on burst pressures and maximum stress values, while post-experiment macro/micro damage analyses were conducted using optical microscopy and imaging techniques. The collected data, evaluated against hoop stress and Poisson's ratio values, demonstrated the effect of the diameter difference on ultimate strength, conclusively revealing that the diameter-to-thickness ratio is a critical parameter in GFRP pipe design.