低成本大刚度缠绕玻璃钢夹砂管道

山东化工·32·SHANDONGCHEMICALINDUSTRY2007年第36卷低成本大刚度缠绕玻璃钢夹砂管道苏衍良,李学闵(济南大学复合材料研究所,山东济南250022)摘要:低成本大刚度缠绕玻璃钢夹砂管道是一种适用于低成本、大直径、大刚度、高输送效率、耐腐蚀等技术要求的复合材料、复合结构管道。通过与玻璃钢管、钢管、铸铁管、混凝土管主要性能的比较,进一步阐明了该管道的经济技术优势和广阔的发展前景。关键词:玻璃钢管道;低成本;大刚度;缠绕玻璃钢夹砂管道;经济技术优势中图分类号:TU991.36文献标识码:A文章编号:1008-021X(2007)02-0032-03LowCostLargeStiffnessFWRPMPipeSUYan-liang,LIXue-min(CompositesResearchInstituteofJinanUniversity,Jinan250022,China)Abstract:LowcostlargestiffnessFWRPMpipeisapipeofcompositematerialcompositestructuresuitableforlowcost,majordiameter,largestiffness,hightransportefficiency,resistantcorrosion,techniquerequire,etc.BycomparingmainpropertiesofpipewithFWRPM,FRPpipe,steelpipe,CastironpipeandreinforceconcretemakeknowtechnicaleconomicsuperiorityofFWRPMpipeanditsbroaddevelopingprospects.Keywords:FRPpipe;lowcost;largestiffness;FWRPMpipe;economictechniquesuperiority1前言有效提高了管道刚度,又通过加入石英砂大大降低了玻璃钢(FRP)管道自20世纪40年代第一条用管道成本,使其按单位长度计成本与等径等压钢管持于化学防腐工程的玻璃钢管线问世起[1],便开始了其平或略有降低,使其既保留FRP管技术优势,又弥补光辉的发展历程。尤其在80年代后缠绕玻璃钢管道了FRP管的不足,为其推广应用奠定了基础。在石油工业、化学工业、建筑工业、市政供水和污水处2FWRPM管的管壁结构理等逐步推广应用并得到快速发展,玻璃钢管道的推低成本大刚度缠绕玻璃钢夹砂管道广应用,有效地解决了石油化工等行业金属管道的严(FWRPM)是为适应市场,对低成本、大直径、高输重腐蚀问题,并延长了管道的使用寿命,降低工程总送效率、长使用寿命、耐腐蚀管道的需求,在玻璃成本,这一突出优点为玻璃钢管道的发展打下了良好钢管道的基础上近年来崛起的一种新材料、新系的基础。到90年代初,美国玻璃钢管道已达15万列产品。它是以不饱和聚酯树脂、环氧树脂等为km,而在20世纪末中国的玻璃钢管道年生产能力仅基体材料,以石英砂或碳酸钙等无机非金属颗粒为20万t[2]约合3000km,主要应用在石油、化工、电材料为填料,按照缠绕工艺方法而形成的一种管力、矿山、建筑、市政输水等领域,其产量约占FRP总道,其管壁是以不饱和聚酯树脂等基体、砂浆为夹量的10%以上。但由于FRP的弹性模量仅为钢铁的芯的“三明治”式的玻璃钢夹层结构,该管道既保1/10～1/20,刚度偏低,而单位质量价格又为钢管的4留了缠绕玻璃钢管道质量轻、强度高、耐腐蚀等特倍以上,高成本低刚度已成为制约FRP管广泛应用、点外,又通过管壁夹砂,在降低成本的同时,又有大力发展的重要因素。为此缠绕玻璃钢夹砂管道效地提高管道的截面系数,从根本上克服了因玻(FWRPM)应运而生,它在原FRP管基础上采用在璃钢弹性模量低而带来的刚性不足,使管道具FRP管壁层内夹入树脂砂浆层,既通过增加管壁厚度有可设计性。其比强度、比模量优于传统钢收稿日期:2007-01-26作者简介:苏衍良(1968-),男,山东泰安人,工程师,主要研究功能复合材料及其制品。第2期苏衍良,等:低成本大刚度缠绕玻璃钢夹砂管道·33·管、铸铁管、预应力混凝土管,其性能成本比在各种输水管道中独具优势,因此在建筑、环保、石油、化工、煤炭、冶炼、市政工程、农田灌溉管网等领域备受青睐,其发展速度迅猛。FWRPM管的结构可分5层:内衬层、内结构层、夹砂层(刚度层)、外结构层和外表层。如图1所示。图1FWRPM管的管壁结构(1)内衬层内衬层与FRP管相同为富树脂层,主要起耐腐蚀、防渗漏等作用,有树脂、玻璃纤维表面毡、短切毡、针织复合毡或网格布缠绕而成。其厚度一般为1.5～2.5mm左右。(2)内结构层内结构层为FRP层,主要采用玻璃纤维以(55±2)℃缠绕角螺旋缠绕而成,该层主要为提高夹砂管道的承载能力和加强管道的轴向、环向拉伸强度及爆破应力。(3)夹砂层夹砂层也称刚度层,该层主要由树脂和一定直径的颗粒如石英砂、碳酸钙等,用玻纤纱托住表面毡通过环向缠绕来实现的。其夹砂厚度一般为管道厚度的1/3～1/2,砂粒径为600～85μm。(4)外结构层外结构层与内结构层相同为FRP层。(5)外表层外表层也是一层富树脂层,主要起防止大气、土壤介质、环境介质的腐蚀和抗老化作用。3技术特点缠绕玻璃钢夹砂管道是有拉伸强度很高的玻璃纤维起着骨架增强作用,加上刚度大,比例适当的石英砂、CaCO3等填料组成,共同承担载荷作用。它除了具有FRP管道的基本特点外,还具有独特的优点,它与传统铸铁管、预应力混凝土管相比,其优点更为突出。(1)质量轻、强度高、刚度好FWRPM管相对密度约为2,比FRP管稍大,仅为钢管的1/4,而环向拉伸强度140～250MPa,轴向拉伸强度70～120MPa,弯曲强度150～340MPa,冲击强度300kJ/m2,其刚度与钢管、铸铁管砼管具有同样的优势,而比强度、比钢度均优于钢铁管、砼管。(2)耐腐蚀强、抗老化性能好、使用寿命长FWRPM管能抵抗一般浓度的酸、碱、盐、海水、污水、矿化水、腐蚀性土壤的侵蚀,无需作任何防腐处理。其抗老化性能好,可在大气暴晒、地下、水中长期使用。按美国AWWA-CD950-88标准设计,使用年限可达50a,强度保留率仍在65%以上,而一般的铸铁管使用年限5～10a,钢管使用年限为15a。(3)内表面光洁平滑,水力性能优异FWRPM管内壁绝对粗造度仅为0.02mm,优于铸铁管,更优于混凝土管〔绝对粗造度为0.3～3mm〕[3],其输送液体压头损失小,相同管径的输送量可比钢铁管、砼管提高20%,相同的输送量可节省泵送能源的35%以上,能有效的降低管线的运行和费用。在相同工况条件下,可选用较小的管径和较低功率的泵,从而能有效的降低工程的一次性投资。(4)无毒害、无二次污染、水质好FWRPM管无杂质剥离和脱落,没有腐蚀、结垢,不产生、寄附微生物,因而对介质不产生任何污染,对城市供水工程,只需将管道内衬层采用食品基树脂制造,达到JC586-1995标准且符合GB13335-91卫生及标准,完全可在城市供水中使用。(5)连接安全可靠、不爆管、防渗性能好缠绕玻璃钢夹砂管道采用双O型橡胶密封圈,可保证接头密封可靠,管壁结构致密性高,无内压介质外渗、外压管液体内渗现象出现,不会产生管壁结垢,污染沉积,造成输送面积减小,导致内压力剧增而出现爆管现象,可保证管线长期安全工作。(6)运输安装方便、工程维护节俭由于缠绕玻璃钢夹砂管道密度低、质量轻。相同管径、相同压力下其单位长度质量仅为钢铁管的30%,混凝土管的8%,因此运输安装十分方便。玻璃钢夹砂管道每根长度12m,接口处仅为铸铁管、砼管的3/12～5/12,连接安装快,加之不需要进行防腐、防污、防渗、绝缘等处理,从而使工程维护简单。(7)性能具有可设计性,适应性广山东化工·34·SHANDONGCHEMICALINDUSTRY2007年第36卷FWRPM管可通过变更树脂体系以适应输送不同介质的耐腐蚀需要,也可通过改变玻璃纤维缠绕角、缠绕层数、加砂量的大小来调整结构,以满足不同工况条件、不同工作压力的需要,同时可根据工程需要特点要求,如管径大小、流量与压力、机械性能、耐蚀耐热、抗冻以及真空等进行设计,灵活自如,适用范围广。(8)综合经济效益好综合考虑各种类型的供排液管的技术性能、使用寿命、节能降耗等项指标,均以FWRPM管的性能成本比为最低,综合经济效益最好,管线工程投资可比钢管、铸铁管降低30%,与砼管相接近。4FWRPM管的主要技术指标与参数FWRPM管的主要技术指标与参数如下:a)公称压力:≤2MPa(无渗漏);b)长期使用温度:-50～100℃;c)设计寿命50a;d)巴氏硬度:≥35;e)饱和吸水率(常温24h):≤0.5%;f)断裂伸长率:≤0.8%;g)力学性能见表1。表1FWRPM管的力学性能序号项目指标/MPa1环向拉伸强度140～2502轴向拉伸强度70～1203弯曲强度150～3404冲击强度300kJ/m25界面剪切强度≥506垂直剪切强度≥607环向拉伸模量≥150008轴向拉伸模量100009弯曲模量1000010剪切弹性模量70005FWRPM管的应用由于缠绕玻璃钢夹砂管道具有极其优越的性能,广泛应用于建筑、石油、化工、矿山、海洋开发、市政工程等领域。有关资料表明,在20世纪末,世界FWRPM年产量已超过80万t[2],而美国年产量超过15万t,并且每年以15%的速度递增,美国使用的缠绕玻璃钢夹砂管道已占供水系统的30%。日本在大口径供水管道中占25%,中东地区的大中型输水、排污、海水淡化管道几乎全部采用FWRPM管道[1]。我国也已铺设了近千公里的缠绕玻璃钢夹砂管道。如1996年在哈尔滨铺设的Ф1000mm、Ф800mm的夹砂管道5km供水管线[2]。5.1市政供水建设随着我国城镇工业经济的发展,城镇缺水现象日渐突出,为了加速城镇建设、经济发展,城市供水任务十分繁重。据报道目前我国城市供水管道中,铸铁管仍占主导地位,由于管道的锈蚀,摩擦阻力逐年加大,输水能力逐年下降,管道渗透、破裂时有发生,严重阻碍城镇经济的发展。由于夹砂管道耐腐蚀、密封耐用,在新建工程和旧线路改造工程中,夹砂管道替代传统的铸铁管已成发展的必然趋势。5.2工业排污工业污水均含有腐蚀性酸、碱、盐等物质,特别是石油、造纸、印染、制革、冶炼、食品、饮料、化肥、医药、化工等行业的废水,均具有一定的腐蚀性,夹砂管道耐腐蚀性、使用寿命要比铸铁管、混凝土管优越得多。5.3农田灌溉我国农业用水约占总用水量的80%,传统的土渠输水,渗透损失严重[1],随着农业的发展科技的兴起,利用玻璃钢夹砂管道输水,对有效的节水,节地、节能均会产生巨大的经济效益。5.4电力工业、采矿工业、海洋开发等行业由于玻璃钢夹砂管道易于安装,经久耐用、耐腐蚀、液体性能好、保温等综合性能好等特点。目前在循环水系统、砂浆输送线、输水线、送排风、海洋油水输送线、海水淡化输送等行业均得到逐步应用。6结语低成本大刚度缠绕玻璃钢夹砂管道是管道材质的一次重大突破,它不仅保留了FRP管质轻、高强度、耐腐蚀、水力特性优异、安装方便、使用寿命长等优点,而且同时又具备大刚度、低成本的独特优势。在石油化工、市政供水、农田灌溉、海洋开发等领域工程应用中实践已证明,该管道是常温流体介质输送用钢管、铸铁管、混凝土管等传统管道以及缠绕玻璃钢管道更新换代的最佳选择,其社会效益和经济效益显著,已成为管道业发展的必然趋势。参考文献[1]周晓珍.浅析玻璃钢夹砂管道优点和应用[J].玻璃钢通讯,2000,5(5).[2]沃丁柱.复合材料大全[M].北京:化学工业出版社,2000.[3]严大凡.输油管道设计与管理[M].北京:石油工业出版社,1986.