关于玻璃钢夹砂管道在供水工程的应用

高分子材料科学与工程第1页共18页关于玻璃钢夹砂管道在供水工程的应用产品简介1、夹砂玻璃钢管道的发展纤维缠绕玻璃钢管（以下简称FRP管），诞生于1948年，1950年第一根聚酯FRP管用于石油工业，并逐步用于化学工业和军用工业。1954年，FRP管实现商品化生产，从此诞生了FRP管道工业。五十年代是FRP管的幼年时期，这个时期的特点是应用领域相继拓宽，化学、石油及各个工业领域都在试验应用FRP管道，应用的结果证明，FRP管道的耐腐蚀性能比传统材料好得多，轻质高强、安装维修费用低、使用寿命长，运行周期内的总成本也比传统材料低，显示出了一系列的突出优点，从而为FRP管道工业的发展打下了良好的基础。七十年代，美国给水工程协会颁布了玻璃钢管标准AWWAC950，从而FRP管道工业进入工业化大规模生产阶段，产业基本形成，其后该标准经过了多次修订和补充，最新的９５年版被认为是世界上最权威的玻璃钢管标准，得到广泛认同和采用。八十年代，ＦＲＰ管道已经是通用的ＦＲＰ制品。其中以ＦＲＰ管为主的防腐市场仅次于汽车工业和建筑，位列第三。ＦＲＰ管的生产和应用已完全成熟。纤维缠绕夹砂玻璃钢管诞生于七十年代，夹砂管的出现，是对玻璃钢管大规模推广应用的一大促进。纯纤维缠绕玻璃钢管的优点是比重小、强度高、耐腐蚀性能优良。但其应用于工程中时，常表现为壁厚薄、强度富裕量大、刚度低、造价高，从而在很多领域的应用受到了限制。夹砂玻璃钢管是在纯玻璃钢管的中间，引入树脂砂浆层，形成新的层合结构体，从而在保留原玻璃钢管道所有优点的基础上，既提高了刚度，又降低了工程造价。在低内压高外压的ＦＲＰ管工程实例中，外压作用下的管壁中心附近区域的正压力很小，由树脂砂浆层承担，而高的应力区则由位于管壁两侧的纯纤维缠绕区承担。充分体现了复合材料的可设高分子材料科学与工程第2页共18页计性和物尽其能的特点。因此在全世界范围内得到了迅速发展，现在在大口径FRP管道中绝大多数为该种结构工艺。2、玻璃钢管道的构造在玻璃钢中，拉伸强度很高的玻璃纤维起着增强作用，而耐压耐磨性较强的合成树脂则作为基体材料粘结纤维，使其起共同的成型和承载作用。玻璃钢管道的管壁结构，通常由两部分组成：结构层――由按设计缠绕角交叉缠绕的连续玻璃纤维粗纱作为增强骨架，以邻苯型或间苯型不饱和聚酯树脂作为粘结基体。其中，玻璃纤维的重量约占65-70％，树脂的重量约占30-35％。为加强结构刚度，在玻璃纤维缠绕层中间，可以增加树脂砂浆层。内衬层――为防腐防渗层，由两部分组成1）内表面层――是跟介质接触的最内层，为耐蚀和第一道防渗层，树脂含量在90％左右。2）次内层――由短切纤维织物增强，耐蚀树脂组成，含胶量可达70%以上，约２mm左右，是防止介质渗透的第二道屏障。玻璃钢管的连接，一般采用承插式或法兰对接，以优质橡胶密封圈作止水防漏。3、纤维缠绕夹砂玻璃钢管的优点与其他材质的管道比较，玻璃钢管道具有以下一些显著的优点：1)耐腐蚀性好，对水质无影响：玻璃钢管道能抵抗酸、碱、盐、海水、未经处理的污水、腐蚀性土壤或地下水及众多化学流体的侵蚀。比传统管材的使用寿命长，其设计使用寿命一般为50年以上。对夹砂玻璃钢管道而言，更多的是在市政、城市输配管网方面的应用，由于其具有无毒、无锈、无味、对水质无二次污染、无需防腐、使用寿命大大延长、安装简便等优点，因此，受到了给排水行业的欢迎。2)防污抗蛀：高分子材料科学与工程第3页共18页不饱和聚酯树脂的表面洁净光滑，不会被海洋或污水中的甲贝、菌类等微生物玷污蛀附，以致增大糙率，减少过水断面，增加维护费用。玻璃钢管道无这些污染，长期使用洁净如初。3)耐热性、抗冻性好：在-30℃状态下，仍具有良好的韧性和极高的强度，可在-50℃－８０℃的范围内长期使用，采用特殊配方的树脂还可在１１０℃以上的温度工作。4)自重轻、强度高，运输安装方便：采用纤维缠绕生产的夹砂玻璃钢管道，其比重在1．65－2．0，只有钢的１／４，但玻璃钢管的环向拉伸强度为180－300ＭＰa，轴向拉伸强度为６０－１５０ＭＰa，近似合金钢。因此，其比强度（强度／比重）是合金钢的２－３倍，这样它就可以按用户的不同要求，设计成满足各类承受内、外压力要求的管道。对于相同管径的单重，ＦＲＰ管只有碳素钢管（钢板卷管）的１／2.５，铸铁管的１／３.5，预应力钢筋水泥管的１／8左右，因此运输安装十分方便。玻璃钢管道每节长度12米，比混凝土管可减少三分之二的接头。它的承插连接方式，安装快捷简便，同时降低了吊装费用，提高了安装速度。5)摩擦阻力小，输送能力高：玻璃钢管内壁非常光滑，糙率和摩阻力很小。糙率系数为0.0084，而混凝土管的n值为0.014，铸铁管为0.013，因此，玻璃钢管能显著减少沿程的流体压力损失，提高输送能力。因此，可带来显著的经济效益：①在输送能力相同时，工程可选用内径较小的玻璃钢管道，从而降低一次性的工程投入；②采用同等内径的管道，玻璃钢管道可比其他材质管道减少压头损失，节省泵送费用。③可缩短泵送时间，减少长期运行费用。６)电、热绝缘性好：玻璃钢是非导体，管道的电绝缘性特优，绝缘电阻在1012－1015Ω.cm，最适应使用于输电、电信线路密集区和多雷区；玻璃钢的传热系数很小，只有高分子材料科学与工程第4页共18页０.23，是钢的５‰，管道的保温性能优异。7)耐磨性好：把含有大量泥浆、沙石的水，装入管子中进行旋转磨损影响对比试验。经300万次旋转后，检测管内壁的磨损深度如下：用焦油和瓷釉涂层的钢管为0.53mm，用环氧树脂和焦油涂层的钢管为0.52mm，经表面硬化处理的钢管为0.48mm，玻璃钢管为0.21mm。由此可以说明其相当耐磨。8)维护费用低：玻璃钢管由于上述的耐腐、耐磨和抗冻和抗污等性能，因此工程不需要进行防锈、防污、绝缘、保温等措施和检修。对地埋管无需作阴极保护，可节约工程维护费用７０％以上。９)适应性强：玻璃钢管可根据用户的各种特定要求，诸如不同的流量、不同的压力、不同的埋深和载荷情况，设计制造成不同压力等级和刚度等级的管道。10)工程寿命长，安全可靠。据实验室的模拟试验表明：玻璃钢管道寿命可长达５０年以上。11)工程综合效益好：综合效益是指由建设投资、安装维修费用、使用寿命、节能节钢等多种因素形成的长期性，玻璃钢管道的综合效益是可取的，特别是管径越大，其成本越低。当进一步考虑埋入地下的管道可使用好几代，又无需年年检修，更可以发挥它优越的综合效益。三、供水工程常用传统管材的技术分析现中国常采用的传统管材主要有：①、连续灰铸铁管；②、自应力钢筋混凝土管；③、预应力钢筋混凝土管；④、铸态球墨铁管；⑤、球墨铸铁管；⑥、钢管。1.连续灰铸铁管这6种管材中，连续灰铸铁管曾在解放初期到80年代初，在我国大量应用，据国外资料报道，连续浇铸铸铁管工艺在50年代首先在西德试验成功，然而多高分子材料科学与工程第5页共18页年来世界各国对这项工艺的技术资料介绍甚少，甚至西德国内的生产最终还是采用离心浇铸工艺，这说明该项工艺应用于生产有其固有的缺点，但由于连续铸铁工艺的工装设备简单、投资较少、上马较快，其生产率比当时落后的泥型半硬横立浇工艺或砂型横浇工艺要高，为了适应当时工农业建设发展，需要大量管道，因此我国从60年代起相继在各地采用连续铁管工艺生产铸铁管，一直延续至今，用该工艺生产铸铁管确实具有工艺简单、生产速度快、产量高的优势，可惜的是该工艺先天不足，生产出来的管道，常在新排管试压和投产运行后发生爆管、断裂。70年代初，此类爆管在我国各地水司屡有发生，开始引起同行警觉，到80年代爆管的情况加剧，不仅影响正常供水服务，有时还造成灾难性后果，经济损失和社会影响甚大。例如：①、北京市自来水公司于1974－1975年间，铺设的上海铸管厂的DN1200连续灰铸铁管，由于施工和试压过程中发生多次爆管，达不到设计和使用标准全线拆除，损失巨大；②、天津市自来水公司1987年在黑牛城道的Φ1200连续灰铸铁管一次爆管，淹没农田就赔偿30万元，后曾发生过多次爆管，被迫改换钢管；③、上海四平路的Φ1500灰铸铁管，1977年投产通水后，在1982年、1985年、1986年三年内连续三次发生特大爆管，共有1643户居民进水受淹，一批工厂停产，马路积水及膝，交通中断，直接经济损失近800万元；④、山东维坊自来公司1条Φ800铸铁管线，全长8.3km，通过加压泵站打到高地，在1986年工程投产后两年多时间中，先后爆管28次，每次都冲毁大片农田，而且每次爆管全市停水2天，损失巨大。以上资料仅是过去资料中反映出来的一部分，其实不少城市，灰铸铁管爆破事例都有一本帐，后经多次事故的分析，认为与该管的工艺有关，因为这种工艺在生产过程中，不可避免地在管外壁产生过冷区，使这个部位的材质变脆，强度较别处低，又由于工艺的性质，整个管体组织比较疏松，易生气孔，这都是该工艺的固有缺点，因此我国在80年代中、后期已很少用灰铸铁管，而使用预应力钢筋混凝土管或自应力混凝土管（注：直径≤200的灰铸铁管道可以，但要全部采用柔性接口）。2．自应力钢筋混凝土管，国内应用较少，主要是由于其存在后期膨胀问题，高分子材料科学与工程第6页共18页易引起管壁材质变疏松，与其相近的还有石棉水泥管，因本身材质不耐碰撞、易于损坏、抗震性极差，已被淘汰。3．预应力钢筋混凝土管，预应力水泥管的优点是节约金属，在正常土质下无需内外防腐，价格便宜，而且是柔性接口。从营口、唐山等地震的调查资料表明：金属管损坏严重，而预应力钢筋混凝土管反而损坏最少。但其缺点也是明显的，笨重，搬运损坏率高，缺乏配套管件，另外还有几点问题也日益在应用过程中显现出来。①、预应力钢筋混凝土管道通常作为耐腐蚀管道使用，但国内使用情况表明，在腐蚀性地带如盐碱地带、海滨地区或部分非强腐蚀地区，因环筋锈蚀发生了爆管事故，例如包头市铺设的DN1400预应力钢筋泥凝土管，由于长期浸泡在腐蚀性的沟槽中，两年后环筋锈蚀，断裂造成全线报废；山西省一输水管线1976年施工的DN900预应力钢筋混凝土管，1978年试通水，至1982年就爆裂17次；山东一条DN1000的预应力钢筋混凝土管于1981铺设后，因钢筋断裂严重而报废；1984年北京市自来水公司水源八厂在100m距离内曾发生过两次爆管；锦州市自来水公司在1987年5月新建百股泵站试车时，由于泵站向水池送水，地形高差23m，管道为Φ800预应力钢筋混凝土管，管线长度为5.23Km，泵站出口压力0.31Mpa，一台水泵单机运行，为倒换机组，停泵后开启另一台，造成爆管，管身的环向钢筋均断裂，出现了一个长70cm宽30cm的洞。另外国外的情况也同样，他们认为在管材埋在氯离子含量超过500ppm时就极易发生事故：在1946年法国在北非铺设了一条预应力钢筋混凝土管，多次发生环向钢筋锈蚀事故;阿根廷的Conodoro预应力钢筋混凝土管，铺设于1962－1964，由于土壤的腐蚀，1968年因钢筋锈蚀而管道破裂，分析其产生原因，主要有，第一：由于水泥浆保护层是后期喷涂施工，与预制的芯管结合不好，往往为外水或湿气渗入，使预应力钢筋氧化锈蚀，导致破断事故；第二：是水泥砂浆与钢筋的粘接界面处理不合理。由于水泥的吸水性，在水分进入管内时，极易破坏该界面并锈蚀钢筋，同时由于其是脆性材料，易引起突发事故。②、水力性能差、能耗高。预应力钢筋混凝土管的管内糙率系高分子材料科学与工程第7页共18页数在几种管材中是最高的，其n=0.013-0.014，这样对于同样输水量，同等管径的管线，其沿程阻力就高，需要增大泵的扬程，增大初期投资，同时运行费用因耗电量大，也大幅度增大，而且从其工艺分析其芯管大都采用离心法成型，混凝土的水灰比较大，在离心力的作用下，粗骨料偏靠管的外壁，而管内壁则由于细骨料和水分的析出，其强度和耐腐性较差，当管内受水流长期冲刷和浸泡后，内壁可能发生磨损和剥蚀，糙率增大，增大了水头损失。③、水泥砂浆衬里在某些情况下会对水质产生不利影响，试验表明如砂浆受到能溶解石灰的水侵蚀会导致砂浆流失、砂浆受损、水被碱化、PH值升高、增加氯耗、水消毒