Wall Thickness Optimization of GRP Process Pipes

River Plast Oy manufactures high-pressure glass fiber reinforced process pipes by filament winding technology. The company wants to minimize the wall thickness of their pipes with respect to the nominal pressure. According to standards, the pipe PN10 DN300 has to with-stand six times the nominal pressure 10 bar, i.e. 60 bar without failing. Also, the minimum wall thickness allowed for the pipe is 5.0 mm. The pipe consists of three functional layers: a corrosion barrier, a structural layer and a surface layer. There is no model for the strength calculations – only for the moduli. If a maximal allowable strain is assumed, the required moduli can be calculated. Thickness minimizing strategy for pressure loaded pipes is that the strains in the hoop and axial directions are equal, indicating that the hoop modulus is approximately double the axial modulus. Three different material combinations were selected to test the calculation model. It was found out that the suggested combinations gave non-optimal moduli and therefore unequal strains: The first combination resulted in 24.5 GPa and 10.3 GPa in the hoop and axial directions, respectively. The second combination gave 25.3 GPa and 11.2 GPa and the third 28.2 GPa and 8.3 GPa, respectively. Each combination resulted in different wall thicknesses: 5.3 mm, 4.9 mm and 4.9 mm, respectively. There are limitations in the calculation model. It neglects the mass and the ends of the pipe, where the stress-strain behavior is different so it considers the middle section only. Also, it assumes the laminate to be balanced and having a constant thickness, which in terms gives higher moduli than if the laminate had variation within the layers. It was found out that there are variations within the layers, hence it will affect the laminate performance. To fix these variations, suggestions were given to improve the winding strategy. Regarding further studies, it was recommended to inspect the displacement of the pipe at different points around the circumference as a function of pressure.River Plast Oy tillverkar tryckbelastade processrör med filamentlindningsteknik. Bolaget vill minimera rörens väggtjocklek med avseende på nominellt tryck. Enligt standarder bör rörmodellen PN10 DN300 hålla sex gånger så mycket som det nominella trycket 10 bar, det vill säga 60 bar, utan att brytas. Den minimala väggtjockleken för röret är 5.0 mm. Röret består av tre olika lager: korrosionsbarriären, det förstärkande lagret och ytlagret. Det finns ingen modell för hållfasthetsberäkning – bara för modulberäkning. Om en maximal, tillåten brottgräns är given kan man räkna ut de elasticitetsmoduler som krävs för röret. Strategin för att uppnå den minimala väggtjockleken är att töjningarna i båda huvudriktningarna är lika, vilket innebär att modulen i radialriktningen är ungefär dubbelt så stor som modulen i axialriktningen. Tre olika materialkombinationer förslogs för att testa kalkylmodellen. Det visade sig att modulförhållandena blev inte optimala: den första kombinationen gav 24.5 GPa i radial- och 10.3 GPa i axialriktningen. Det andra och tredje förslaget gav 25.3 GPa och 11.2 GPa samt 28.2 GPa och 8.3 GPa i respektive riktningar. Väggtjocklekarna för varsin kombination blev 5.3 mm, 4.9 mm och 4.9 mm, respektive. Det finns brister i kalkylmodellen. Den antar att röret har ingen massa och tar i beaktande endast mittsektionen på röret, såvida ignorerar ändorna där förhållandet mellan spänning och töjning är annorlunda. Enligt modellen är laminatet balanserat och har konstant väggtjocklek. Eventuella tjockleksvariationer mellan och inuti skikten i laminatet skulle inverka negativt på modulerna. Av ett provrör framgick det att variationer existerar mellan tjockleken. För att minimera variationerna gavs förlsag för utveckling av lindningsstrategin. Rekommendationer för vidare studier skulle innebära att undersöka rörets förskjutning vid olika punkter kring omkretsen som funktion av tryckbelastning