低成本大剛度纏繞玻璃鋼夾砂管道

1、第2期蘇衍良，等:低成本大剛度纏繞玻璃鋼夾砂管道? #?低成本大剛度纏繞玻璃鋼夾砂管道蘇衍良,李學(xué)閔(濟南大學(xué)復(fù)合材料研究所，山東濟南250022摘要:低成本大剛度纏繞玻璃鋼夾砂管道是一種適用于低成本、大直徑、大剛度、高輸送效率、耐腐蝕等技術(shù)要求的復(fù)合材料、復(fù)合結(jié) 構(gòu)管道。通過與玻璃鋼管、鋼管、鑄鐵管、混凝土管主要性能的比較，進一步闡明了該管道的經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:玻璃鋼管道;低成本;大剛度;纏繞玻璃鋼夾砂管道；經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢中圖分類號：TU991. 36文獻標識碼:A文章編號：1008- 021X(2007) 02 - 0032 - 03L ow Cost Large Sti

2、ffnessFW RFM PipeSU Yan - liang, L I Xue - m in(Composites Research Institute of Jinan University, Jinan 250022,China)Abstract: Low cost large stiffness FWRPM pipe is a pipe of composite material composite structure suitable, 1for low cost, major diameter, large stiffness, high tran s)ort efficie nc

3、y, resista nt corrosio n, tech nique require, etc By compari ng ma in properties of pipe with FWRPM , FRP pipe, steel p ipe, Cast iro npipe and reinforce concretemake know technical econon ic superority of FWRPM p ipe and its broad devebping p rospectsKey words: FRPpipe; low cost;large stiffness;FWR

4、PM pipe; econonic technique superority、 iii-. .11ii© 1994-20 9 ChinaJonrria ESliictriMix PuEitiii呻 EI-ouml. All K曇I:血伍umil.hlipr：?v. ww.tnki.tivt第2期蘇衍良，等:低成本大剛度纏繞玻璃鋼夾砂管道? 35?1前言玻璃鋼(FRP)管道自20世紀40年代第一條用 于化學(xué)防腐工程的玻璃鋼管線問世起 1 ，便開始了其 光輝的發(fā)展歷程。尤其在80年代后纏繞玻璃鋼管道 在石油工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、建筑工業(yè)、市政供水和污水處 理等逐步推廣應(yīng)用并得到快速發(fā)展，玻璃鋼

5、管道的推 廣應(yīng)用，有效地解決了石油化工等行業(yè)金屬管道的嚴 重腐蝕問題，并延長了管道的使用壽命，降低工程總 成本，這一突出優(yōu)點為玻璃鋼管道的發(fā)展打下了良好 的基礎(chǔ)。到90年代初，美國玻璃鋼管道已達15萬km,而在20世紀末中國的玻璃鋼管道年生產(chǎn)能力僅 為20萬t2約合3000km,主要應(yīng)用在石油、化工、電 力、礦山、建筑、市政輸水等領(lǐng)域，其產(chǎn)量約占FRP總 量的10%以上。但由于FRP的彈性模量僅為鋼鐵的 1/101/20,剛度偏低，而單位質(zhì)量價格又為鋼管的4倍以上，高成本低剛度已成為制約FRP管廣泛應(yīng)用、大力發(fā)展的重要因素。為此纏繞玻璃鋼夾砂管道(FWRPM )應(yīng)運而生，它在原 FRP管基礎(chǔ)上

6、采用在 FRP管壁層內(nèi)夾入樹脂砂漿層，既通過增加管壁厚度收稿日期：2007 - 01 - 26有效提高了管道剛度，又通過加入石英砂大大降低了 管道成本，使其按單位長度計成本與等徑等壓鋼管持 平或略有降低,使其既保留FRP管技術(shù)優(yōu)勢，又彌補 了 FRP管的不足，為其推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2 FWRPM管的管壁結(jié)構(gòu)低成本大剛度纏繞玻璃鋼夾砂管道(FWRPM)是為適應(yīng)市場，對低成本、大直徑、高輸 送效率、長使用壽命、耐腐蝕管道的需求，在玻璃 鋼管道的基礎(chǔ)上近年來崛起的一種新材料、新系列產(chǎn)品。它是以不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂等為基體材料,以石英砂或碳酸鈣等無機非金屬顆粒 材料為填料，按照纏繞工藝方法而形成

7、的一種管 道，其管壁是以不飽和聚酯樹脂等基體、砂漿為夾芯的“三明治”式的玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)，該管道既保留了纏繞玻璃鋼管道質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕等特點外，又通過管壁夾砂，在降低成本的同時，又有 效地提高管道的截面系數(shù)，從根本上克服了因玻作者簡介：蘇衍良(1968 -),男，山東泰安人，工程師，主要研究功能復(fù)合材料及其制品璃鋼彈 性模量低而帶來的剛性不足，使管道具 有可設(shè)計性。其比強度、比模量優(yōu)于傳統(tǒng)鋼管、鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力混凝土管，其性能成本比在各種 輸水管道中獨具優(yōu)勢，因此在建筑、環(huán)保、石油、化工、煤炭、冶煉、市政工程、農(nóng)田灌溉管網(wǎng)等領(lǐng)域備受 青睞，其發(fā)展速度迅猛。FWRPM管的結(jié)構(gòu)可分 5層：內(nèi)襯層

8、、內(nèi)結(jié)構(gòu) 層、夾砂層(剛度層)、外結(jié)構(gòu)層和外表層 。如圖1 所示。mi圖1 FWRPM管的管壁結(jié)構(gòu)(1) 內(nèi)襯層內(nèi)襯層與FRP管相同為富樹脂層，主要起耐腐 蝕、防滲漏等作用，有樹脂、玻璃纖維表面氈、短切 氈、針織復(fù)合氈或網(wǎng)格布纏繞而成 。其厚度一般為1. 52 5mm左右。(2) 內(nèi)結(jié)構(gòu)層內(nèi)結(jié)構(gòu)層為 FRP層，主要采用玻璃纖維以(55.-'±2) C纏繞角螺旋纏繞而成 ，該層主要為提高夾砂 管道的承載能力和加強管道的軸向、環(huán)向拉伸強度及爆破應(yīng)力。(3) 夾砂層夾砂層也稱剛度層，該層主要由樹脂和一定直 徑的顆粒如石英砂、碳酸鈣等，用玻纖紗托住表面氈 通過環(huán)向纏繞來實現(xiàn)的。其夾砂

9、厚度一般為管道厚 度的1/31/2,砂粒徑為 60085ym。(4) 外結(jié)構(gòu)層外結(jié)構(gòu)層與內(nèi)結(jié)構(gòu)層相同為FRP層。(5) 外表層外表層也是一層富樹脂層，主要起防止大氣、土 壤介質(zhì)、環(huán)境介質(zhì)的腐蝕和抗老化作用。3技術(shù)特點纏繞玻璃鋼夾砂管道是有拉伸強度很高的玻璃 纖維起著骨架增強作用，加上剛度大，比例適當(dāng)?shù)氖?英砂、CaCQ等填料組成，共同承擔(dān)載荷作用。它除 了具有FRP管道的基本特點外，還具有獨特的優(yōu)點，它與傳統(tǒng)鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力混凝土管相比，其優(yōu)點更為突出。(1) 質(zhì)量輕、強度高、剛度好FWRPM管相對密度約為 2,比FRP管稍大，僅 為鋼管的1/4,而環(huán)向拉伸強度140250MPa，軸向拉伸強度

10、7012CMPa，彎曲強度 150340MPa，沖 擊強度300kJ/m2,其剛度與鋼管、鑄鐵管砼管具有 同樣的優(yōu)勢，而比強度、比鋼度均優(yōu)于鋼鐵管、砼管。(2) 耐腐蝕強、抗老化性能好、使用壽命長FWRPM管能抵抗一般濃度的酸 、堿、鹽、海水、 污水、礦化水、腐蝕性土壤的侵蝕，無需作任何防腐 處理。其抗老化性能好，可在大氣暴曬、地下、水中 長期使用。按美國AWWA - CD950 - 88標準設(shè)計， 使用年限可達 50a，強度保留率仍在 65%以上，而一 般的鑄鐵管使用年限510a，鋼管使用年限為15a。(3) 內(nèi)表面光潔平滑，水力性能優(yōu)異FWRPM管內(nèi)壁絕對粗造度僅為0. 02mm，優(yōu)于鑄鐵

11、管，更優(yōu)于混凝土管絕對粗造度為0 33mm®，其輸送液體壓頭損失小，相同管徑的輸送量可比鋼鐵管、砼管提高 20%，相同的輸送量可節(jié) 省泵送能源的 35%以上，能有效的降低管線的運行 和費用。在相同工況條件下，可選用較小的管徑和 較低功率的泵，從而能有效的降低工程的一次性投 資。(4) 無毒害、無二次污染、水質(zhì)好FWRPM管無雜質(zhì)剝離和脫落，沒有腐蝕、結(jié)垢，不產(chǎn)生、寄附微生物，因而對介質(zhì)不產(chǎn)生任何污 染，對城市供水工程，只需將管道內(nèi)襯層采用食品基 樹脂制造，達到JC586 - 1995標準且符合 GB13335-91衛(wèi)生及標準，完全可在城市供水中使用。(5) 連接安全可靠、不爆管、防滲

12、性能好纏繞玻璃鋼夾砂管道采用雙O型橡膠密封圈，可保證接頭密封可靠，管壁結(jié)構(gòu)致密性高，無內(nèi)壓介 質(zhì)外滲、外壓管液體內(nèi)滲現(xiàn)象出現(xiàn)，不會產(chǎn)生管壁結(jié) 垢，污染沉積，造成輸送面積減小，導(dǎo)致內(nèi)壓力劇增 而出現(xiàn)爆管現(xiàn)象，可保證管線長期安全工作 。(6) 運輸安裝方便、工程維護節(jié)儉由于纏繞玻璃鋼夾砂管道密度低、質(zhì)量輕。相同管徑、相同壓力下其單位長度質(zhì)量僅為鋼鐵管的 30%，混凝土管的8%，因此運輸安裝十分方便。玻 璃鋼夾砂管道每根長度12m，接口處僅為鑄鐵管、砼管的3/125/12,連接安裝快，加之不需要進行防 腐、防污、防滲、絕緣等處理，從而使工程維護簡單。(7) 性能具有可設(shè)計性，適應(yīng)性廣FWRPM管可通

13、過變更樹脂體系以適應(yīng)輸送不 同介質(zhì)的耐腐蝕需要，也可通過改變玻璃纖維纏繞 角、纏繞層數(shù)、加砂量的大小來調(diào)整結(jié)構(gòu)，以滿足不同工況條件、不同工作壓力的需要，同時可根據(jù)工程 需要特點要求，如管徑大小、流量與壓力、機械性能、 耐蝕耐熱、抗凍以及真空等進行設(shè)計，靈活自如，適 用范圍廣。（8）綜合經(jīng)濟效益好綜合考慮各種類型的供排液管的技術(shù)性能、使用壽命、節(jié)能降耗等項指標，均以FWRPM管的性能 成本比為最低，綜合經(jīng)濟效益最好，管線工程投資可 比鋼管、鑄鐵管降低30% ,與砼管相接近。4 FWRPM管的主要技術(shù)指標與參數(shù)FWRPM管的主要技術(shù)指標與參數(shù)如下：a）公稱壓力： 2MPa （無滲漏）；b）長期使用

14、溫 度：-50100°C; c）設(shè)計壽命50a; d）巴氏硬度： 35; e）飽和吸水率（常溫24h）: 0 5% ; f）斷裂伸長 率： Q 8% ; g）力學(xué)性能見表 1。表1 FWRPM管的力學(xué)性能序號項目指標/MPa1環(huán)向拉伸強度1402502軸向拉伸強度70 1203彎曲強度1503404沖擊強度300kJ /m25界面剪切強度>506垂直剪切強度>607環(huán)向拉伸模量>150008軸向拉伸模量100009彎曲模量1000010剪切彈性模量70005 FWRPM管的應(yīng)用由于纏繞玻璃鋼夾砂管道具有極其優(yōu)越的性能，廣泛應(yīng)用于建筑、石油、化工、礦山、海洋開發(fā)、市

15、政工程等領(lǐng)域。有關(guān)資料表明，在20世紀末，世界 FWRPM年產(chǎn)量已超過80萬t2，而美國年產(chǎn)量超過15萬t，并且每年以15%的速度遞增，美國使用 的纏繞玻璃鋼夾砂管道已占供水系統(tǒng)的30%。日本在大口徑供水管道中占25%，中東地區(qū)的大中型輸水、排污、海水淡化管道幾乎全部采用FWRPM管道1。我國也已鋪設(shè)了近千公里的纏繞玻璃鋼夾 砂管道。如1996年在哈爾濱鋪設(shè)的 1000mm800mm的夾砂管道 5km供水管線2。5. 1市政供水建設(shè)隨著我國城鎮(zhèn)工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，城鎮(zhèn)缺水現(xiàn)象日漸突出，為了加速城鎮(zhèn)建設(shè)、經(jīng)濟發(fā)展，城市供水任務(wù)十分繁重。據(jù)報道目前我國城市供水管道中，鑄鐵管仍占主導(dǎo)地位，由于管道的銹蝕

16、，摩擦阻力逐 年加大，輸水能力逐年下降，管道滲透、破裂時有發(fā) 生，嚴重阻礙城鎮(zhèn)經(jīng)濟的發(fā)展。由于夾砂管道耐腐 蝕、密封耐用，在新建工程和舊線路改造工程中，夾砂管道替代傳統(tǒng)的鑄鐵管已成發(fā)展的必然趨勢。5 2工業(yè)排污工業(yè)污水均含有腐蝕性酸 、堿、鹽等物質(zhì)，特別 是石油、造紙、印染、制革、冶煉、食品、飲料、化肥、醫(yī) 藥、化工等行業(yè)的廢水，均具有一定的腐蝕性，夾砂 管道耐腐蝕性、使用壽命要比鑄鐵管、混凝土管優(yōu)越 得多。5 3農(nóng)田灌溉我國農(nóng)業(yè)用水約占總用水量的 80%，傳統(tǒng)的土 渠輸水，滲透損失嚴重，隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展科技的 興起，利用玻璃鋼夾砂管道輸水，對有效的節(jié)水，節(jié)地、節(jié)能均會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。5 4電力工業(yè)、采礦工業(yè)、海洋開發(fā)等行業(yè)由于玻璃鋼夾砂管道易于安裝，經(jīng)久耐用、耐腐 蝕、液體性能好、保溫等綜合性能好等特點。目前在 循環(huán)水系統(tǒng)、砂漿輸送線、輸水線、送排風(fēng)、海洋油水 輸送線、海水淡化輸送等行業(yè)均得到逐步應(yīng)用。6結(jié)語低成本大剛度纏繞玻璃鋼夾砂管道是管道材質(zhì)的一次重大突破，它不僅保留了FRP管質(zhì)輕、高強度、耐腐蝕、水力特性優(yōu)異、安裝方便、使用壽命長等 優(yōu)點，而且同時又具備大剛度、低成本的獨特優(yōu)勢c在石油化工、市政供水、農(nóng)田灌溉、海洋開發(fā)等領(lǐng)域 工程應(yīng)用中實踐已證明，該管道是常溫流體介質(zhì)輸 送用鋼管、鑄鐵管、