玻璃鋼管的性能分析

啤酒親親杯子 2012-05-06

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玻璃鋼管的性能分析

中國玻璃鋼綜合信息網(wǎng)　日期: 2007-11-19 　閱讀: 2491 　字體:大中小　雙擊鼠標(biāo)滾屏

    管材選擇是供水工程設(shè)計中的重要內(nèi)容。玻璃鋼管作為一種新型的輸水管材，具有適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)、壽命長、抗震性能好、安裝方便、運(yùn)行費(fèi)用低、防滲漏等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于長距離輸水、城市給排水、電廠回水、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉等。
    1 玻璃鋼管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
    玻璃鋼又稱作玻璃纖維增強(qiáng)塑料，其中的玻璃鋼管道是由玻璃纖維、不飽和聚酯樹脂和石英砂填料組成的新型復(fù)合管道。玻璃鋼管具有系列優(yōu)良的特性，在歐美等發(fā)達(dá)國家是應(yīng)用相當(dāng)廣泛的工業(yè)管材之一，并制定了完善的管道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和工程設(shè)計、安裝規(guī)范。管道制造工藝主要采用計算機(jī)控制纖維纏繞法和離心澆鑄兩種方法成型。
    纖維纏繞管道管壁結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次為：內(nèi)襯層、內(nèi)部纏繞層、樹脂砂漿層、外部纏繞層、外部保護(hù)層。內(nèi)襯層起防腐、防滲作用，纏繞層與樹脂砂漿層擔(dān)負(fù)管道的強(qiáng)度和剛度作用，外保護(hù)層起抗老化、防腐蝕、抗日曬的作用，是符合材料可設(shè)計性的最優(yōu)體現(xiàn)。
    纖維纏繞法分連續(xù)纏繞法與往復(fù)纏繞法，連續(xù)纏繞工藝是在芯模上，用長纖維玻璃絲，以一定的斜角徑向連續(xù)纏繞，在管芯樹脂中要摻和一定比例的短纖維和砂，可生產(chǎn)任意長的管段，它的承水壓能力一般在1．6 MPa以下，管徑在300—3000 mm間；往復(fù)纏繞工藝是在芯模上，用長纖維玻璃絲，以一定的斜角經(jīng)徑向交叉纏繞，對于有高剛度要求的管材可以加砂，但承受內(nèi)壓較高的管材一般不加砂。
    離心澆鑄玻璃鋼夾砂管道管壁結(jié)構(gòu)，按其功能通常從內(nèi)到外分為內(nèi)襯層、內(nèi)增強(qiáng)層、結(jié)構(gòu)層、外增強(qiáng)層和外保護(hù)層。內(nèi)襯層是管道與介質(zhì)接觸的最內(nèi)層，直接與介質(zhì)接觸，主要作用為耐化學(xué)腐蝕和防止介質(zhì)滲漏，內(nèi)襯層材料為純樹脂。內(nèi)增強(qiáng)層由短切纖維和樹脂組成，不連續(xù)的短纖維做增強(qiáng)材料，樹脂做粘結(jié)基體，纖維與樹脂的用量及配比與根據(jù)管道所承受的壓力而設(shè)計的該層厚度有關(guān)，內(nèi)增強(qiáng)層是管道的受力層，承受管壁的軸向、環(huán)向壓力。結(jié)構(gòu)層主要由樹脂和石英砂及其他填料組成，此層對于離心玻璃鋼夾砂管道結(jié)構(gòu)非常重要，主要用來增強(qiáng)管道的剛度，使管道具有承受變形的強(qiáng)度。也就是由于結(jié)構(gòu)層，使得離心管道與其他工藝生產(chǎn)的管道相比，有其獨(dú)特的優(yōu)勢。外增強(qiáng)層與內(nèi)增強(qiáng)層一樣，由短切長纖維和樹脂組成，承受工作壓力。外保護(hù)層由樹脂及石英砂制成，主要耐外界環(huán)境的腐蝕并提高玻璃鋼夾砂管道的
耐候性。
    2 玻璃鋼管的性能分析
    2．1 質(zhì)量輕、比強(qiáng)高、抗疲勞性能好玻璃鋼的密度在1.6—2.0 g／cm³ 之間，即只有普通鋼材的1/4—1/5，比鋁還要輕約1/3，因?yàn)椴Ａт撝械倪B續(xù)纖維有較高的拉伸強(qiáng)度及彈性模量，其機(jī)械強(qiáng)度可以達(dá)到或超過普通碳鋼的水平，比強(qiáng)度為鋼材的4倍。
    玻璃鋼材料的抗疲勞性能好，金屬材料的疲勞破壞是由里向外突然發(fā)展的，往往事先無征兆；而纖維復(fù)合材料中纖維與基體的界面能阻止裂紋擴(kuò)展，其疲勞破壞總是從材料的薄弱環(huán)節(jié)開始，玻璃鋼管道可按照環(huán)向與軸向受力的不同，通過改變結(jié)構(gòu)纖維鋪層，使管道具有不同的環(huán)向強(qiáng)度與軸向強(qiáng)度，從而與受力狀態(tài)相匹配。玻璃纖維的極限拉伸強(qiáng)度1 400 MPa，
彈性模量70 GPa。
    2．2 水力特性優(yōu)越
    玻璃鋼管道同其他管道相比摩阻系數(shù)小，輸水能力強(qiáng)，見表1。

    從表1可看出，玻璃鋼管不但摩阻系數(shù)小，輸送能力大，而且能顯著地減少液體的水頭損失，提高液體輸送能力。玻璃鋼管是光滑管，在輸送流速和流量相同的情況下，選用玻璃鋼管，其管道直徑可比選用鋼管縮小1～2個管徑等級。
    2.3 耐腐蝕性能好
    玻璃鋼管的主要原材料選用高分子成份的不飽和聚酯樹脂和礦物質(zhì)成份的玻璃纖維組成，因此它與普通金屬的電化學(xué)腐蝕機(jī)理不同，它不導(dǎo)電，在電解質(zhì)溶液里不會有離子溶解出來，特別在強(qiáng)的非氧化性酸和相當(dāng)廣泛的PH值范圍內(nèi)的介質(zhì)中都有良好的適應(yīng)性，過去用不繡鋼也解決不了的一些腐蝕性介質(zhì)，如鹽酸、氯氣、二氧化碳、稀硫酸、次氯酸鈉和二氧化硫，玻璃鋼管可很好地解決腐蝕問題。玻璃鋼對大
氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽等介質(zhì)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，因而能有效地抵抗酸、堿、鹽等介質(zhì)的腐蝕性和未經(jīng)處理的生活污水和工業(yè)污水、腐蝕性土壤和化工廢水及眾多化學(xué)液體的侵蝕。在一般情況下，玻璃鋼管道能夠長期保持管道的安全運(yùn)行，大大增加了管道的使用壽命，從而降低了管道的后期維護(hù)和更換的材料成本。
    2．4 抗老化性能及抗凍性能優(yōu)越
    玻璃鋼是一種優(yōu)良的絕緣材料，其導(dǎo)熱系數(shù)一般為1.254～1.672 kJ／(m·h·℃)，只有金屬的1/100～1/1 000，在有溫差時所產(chǎn)生的熱應(yīng)力比金屬低的多，可用作良好的隔熱材料和瞬時內(nèi)高溫材料。玻璃鋼管道因環(huán)向拉伸強(qiáng)度高，具有良好的抗凍性能，在-20℃時，管內(nèi)結(jié)冰后不會發(fā)生凍裂。
    2．5 壽命長、電熱絕緣性好
    在正常情況下，玻璃鋼管道可使用5O年以上，且由于其重量輕、強(qiáng)度高、可塑性強(qiáng)，其運(yùn)輸安裝方便。
    玻璃鋼是非導(dǎo)體，管道的電絕緣性特優(yōu)，絕緣電阻在l0¹² ～l0¹⁵Q·cm，最適用于輸電、電信線路密集區(qū)和多雷區(qū)；玻璃鋼的傳熱系數(shù)很小，只有0.2～0.45，是鋼的0.5％，管道的保溫性能優(yōu)異。
    2．6 可設(shè)計性好
    玻璃鋼是一種可以改變其原材料種類、數(shù)量比例和排列方式，以適應(yīng)各種不同工況條件要求下的復(fù)合材料。一般可通過以下各種途徑改善其性能，來滿足各種不同要求。
    (1)改變樹脂種類并提高與介質(zhì)相接觸表面層的樹脂含量，以提高耐腐蝕性。
    (2)選用不同纖維的種類和控制玻璃鋼中纖維的含量，以適應(yīng)不同耐腐蝕性和強(qiáng)度的要求。
    (3)改變纖維的排列，以適應(yīng)環(huán)向、軸向等不同方向的強(qiáng)度設(shè)計要求。
    (4)管配件制作方便。玻璃鋼管的法蘭、彎頭、三通、變徑管等可任意制作，如法蘭可與任意符合國家標(biāo)準(zhǔn)的同等壓力同等管徑的鋼制法蘭相連接，彎頭可根據(jù)施工現(xiàn)場的需要制作成任意角度。此外，由于接頭采用柔性橡膠圈密封，每個接頭具有1^。～3^。的偏轉(zhuǎn)作用，對于較小的轉(zhuǎn)彎可通過接頭借轉(zhuǎn)而不用制作彎頭。而對于其他管材，彎頭、三通等配件除規(guī)定規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件外，非標(biāo)準(zhǔn)件難以制作。
    2．7 玻璃鋼管耐磨性和韌性好
    經(jīng)試驗(yàn)，在相同條件下經(jīng)過250 000次負(fù)荷循環(huán)，鋼管磨損約為8.4 mm，石棉水泥管磨損約5.5 mm，混凝土管磨損約2.6 mm(內(nèi)表面結(jié)構(gòu)與PCCP相同)，陶土管磨損約2.2 mm，高密度聚乙烯管磨損約0.9 mm，而玻璃鋼管磨損僅為0.3 mm。玻璃鋼管表面磨損極小，在大負(fù)荷作用的情況下，僅為0.3 mm，如果在正常壓力情況下，介質(zhì)對玻璃鋼管道內(nèi)襯的磨損可忽略不計，管道的內(nèi)襯層是符合國家衛(wèi)生要求的食品級樹脂和短切玻璃纖維原絲氈構(gòu)成，而內(nèi)表面的純樹脂層有效地屏蔽了纖維裸露情況的發(fā)生。
    3 玻璃鋼管的缺點(diǎn)及工程實(shí)例
    3．1 易受加工制造及施工的技術(shù)水平影響玻璃鋼管道在加工制造過程中易受技術(shù)、工藝、制造水平的影響，從而形成缺陷產(chǎn)品，影響工程的安全運(yùn)行。
    玻璃鋼管道安裝接頭采用雙“0”型密封橡膠圈承插連接，接頭的安全系數(shù)高，因管道接頭少而提高了安裝速度，并減少了管線安全隱患。又因玻璃管熱膨脹系數(shù)小，在整個管線安裝中，不需要布置伸縮器，而其他管材如鋼管、UPVC管等需要安裝伸縮器，增加管網(wǎng)的安全系數(shù)。但對安裝技術(shù)水平要求特別高，如施工安裝不好，很容易漏水。
    3．2 耐沖擊力較差
    玻璃鋼管道較脆，耐沖擊力較差，因此在運(yùn)輸、安裝過程中要求比較嚴(yán)格。特別是在巖石山區(qū)和特殊地形的地段，運(yùn)輸安裝必須嚴(yán)格按照其標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，否則容易出現(xiàn)斷裂、破壞現(xiàn)象，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
    3．3 耐高溫和抗紫外線較差
    玻璃鋼管道可在-40～120 ^oC溫度范圍內(nèi)長期使用，如果輸送特殊高溫介質(zhì)，須采用特殊配方的耐高溫樹脂使管道可在200 ^oC以上溫度正常工作。
    長期用于露天使用的管道，其外表面添加有紫外光穩(wěn)定劑，消除紫外線對管道的輻射，由此解決管道的抗紫外線差的問題。
    以上缺陷雖然經(jīng)過技術(shù)處理都能解決，但由于增加了特殊材料，勢必增加了管道成本，同等使用條件下也就失去了玻璃鋼管道的成本較低的優(yōu)勢。
    3．4 工程實(shí)例
    在山西省禹門口工業(yè)供水工程中，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，供水管道選用管徑為800 mm、壓力等級為1．6 MPa的玻璃鋼管道。管道安裝完畢后，在試水過程中出現(xiàn)了兩個問題，(1)壓力等級為1．6 MPa的一節(jié)管道爆裂，經(jīng)初步原因分析為管道壓力等級沒有達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，針對此原因更換此管道后出現(xiàn)第二次爆裂，經(jīng)過廠家、施工單位、監(jiān)理和設(shè)計單位全面分析后，認(rèn)為此管道在制造過程中存在質(zhì)量問題，經(jīng)過廠家總結(jié)經(jīng)驗(yàn)后，嚴(yán)把產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)，目前該管道運(yùn)行良好。(2)在個別管道接頭地方出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，分析確認(rèn)為除管件和管道承插口存在質(zhì)量問題，施工技術(shù)也是不容忽視的影響管道安全運(yùn)行的因素。經(jīng)管道制造廠家對存在問題的管件和管道進(jìn)一步改進(jìn)，和施
工單位嚴(yán)格按照施工標(biāo)準(zhǔn)施工，成功地解決了漏水問題，使工程能安全運(yùn)行。
    4 結(jié)語
    從以上分析可以看出，玻璃鋼管道存在顯著的優(yōu)缺點(diǎn)，具有其他管材(如鋼管、UPVC管、PCCP、球墨鑄鐵管等)的各種優(yōu)良性能，但也存在缺點(diǎn)。
    玻璃鋼管道在我國的應(yīng)用較晚，到目前也只有15～20年，管道的諸多技術(shù)數(shù)據(jù)及性能參數(shù)，有待于在工程實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)，才能不斷提高其性能。
    在具體管道工程的管材選擇中必須結(jié)合工程的具體情況，如管長、管徑、管道壓力等級及工程的地形地質(zhì)條件，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)輸、安裝及運(yùn)行管理全面進(jìn)行分析比較，才能選出經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)行安全的管材。
    目前玻璃鋼管道在長距離輸水、城市給排水、電廠回水、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉等工程中已得到了廣泛的應(yīng)用，也積累了很多成熟的經(jīng)驗(yàn)，為今后管道工程的設(shè)計、施工提供了成功的范例。

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