1 前 言
國(guó)際上, 纖維纏繞技術(shù)始于本世紀(jì)40 年代, 1946年在美國(guó)申請(qǐng)專利。50 年代初期, 開(kāi)始制作玻璃鋼管道。目前, 國(guó)際上玻璃鋼管道工業(yè)發(fā)展很快, 年產(chǎn)量日趨增加, 以美國(guó)為例, 年玻璃鋼管道使用量10000km, 且每年以5% ~ 10% 的速度遞增。
我國(guó)纖維纏繞工藝始于1958 年, 當(dāng)時(shí)主要是為“兩彈一機(jī)”國(guó)防建設(shè)服務(wù)的。最早應(yīng)用于民用的玻璃鋼管道以手糊及布帶卷繞為主, 這樣生產(chǎn)的管道防滲性能差, 質(zhì)量不穩(wěn)定, 雖經(jīng)多次試驗(yàn), 也未能在大范圍內(nèi)推廣使用。80 年代末, 我國(guó)首次引進(jìn)玻璃鋼管道纏繞設(shè)備, 從此, 我國(guó)玻璃鋼管道工業(yè)真正開(kāi)始了大發(fā)展。截至1997 年, 玻璃鋼管道纖維纏繞生產(chǎn)線已有133 條。其中43 條為引進(jìn)生產(chǎn)線, 國(guó)際上一些著名公司也相繼在中國(guó)成立合資或獨(dú)資公司, 國(guó)內(nèi)部分廠家生產(chǎn)的玻璃鋼管道質(zhì)量已經(jīng)可以和國(guó)際上的產(chǎn)品相媲美, 產(chǎn)品已多次出口。玻璃鋼管道工業(yè)在中國(guó)正處于大的發(fā)展期。
盡管如此, 與我國(guó)巨大的管道市場(chǎng)相比. 玻璃鋼管道所占份額仍很低, 其原因關(guān)鍵在于尚有許多用戶對(duì)纏繞玻璃鋼管道的優(yōu)良性能還不十分了解, 對(duì)玻璃鋼管道在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀還缺乏足夠的認(rèn)識(shí), 對(duì)選用玻璃鋼管道仍抱遲疑、觀望的態(tài)度。為此, 本文對(duì)纏繞玻璃鋼管道的性能進(jìn)行詳細(xì)分析, 對(duì)其在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié), 以期進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)玻璃鋼管道工業(yè)向前發(fā)展。
2 特 點(diǎn)
2. 1 耐腐蝕性能好
纖維纏繞玻璃鋼管道結(jié)構(gòu)上分內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層及外保護(hù)層三部分。其中, 內(nèi)襯層樹(shù)脂含量高, 一般在70% 以上, 其內(nèi)表面富樹(shù)脂層樹(shù)脂含量高達(dá)95% 左右。通過(guò)對(duì)內(nèi)襯所用樹(shù)脂的選擇, 可使玻璃鋼管道在輸送液體時(shí)具有不同的耐腐蝕性能, 從而滿足不同的工作需要; 對(duì)需外防腐的場(chǎng)合, 只需對(duì)外保護(hù)層樹(shù)脂進(jìn)行認(rèn)真選擇, 便也可達(dá)到不同外防腐的使用目的。根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境, 可選用不同的防腐樹(shù)脂, 主要包括: 間苯型不飽和聚酯樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂、雙酚A樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂及呋喃樹(shù)脂等, 根據(jù)具體情況分別選用: 對(duì)酸性環(huán)境, 選用雙酚A 樹(shù)脂、呋喃樹(shù)脂等; 對(duì)堿性環(huán)境, 選用乙烯基樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂或呋喃樹(shù)脂等; 對(duì)溶劑型使用環(huán)境, 選用呋喃等樹(shù)脂; 當(dāng)酸、鹽、溶劑等腐蝕不是十分嚴(yán)重時(shí), 則可選用價(jià)格較為低廉的間苯型樹(shù)脂。通過(guò)對(duì)內(nèi)襯層不同樹(shù)脂的選擇, 便可使玻璃鋼管道廣泛用于酸、堿、鹽、溶劑等工作環(huán)境中, 表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。
2. 2 水力學(xué)性能優(yōu)良
纏繞玻璃鋼管道內(nèi)表面光滑, 內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度僅為0. 01 mm, 遠(yuǎn)小于鋼管及鑄鐵管的內(nèi)壁粗糙度見(jiàn)表1, 屬水力學(xué)光滑管。
對(duì)纏繞玻璃鋼管道和新碳素鋼管道進(jìn)行計(jì)算比較: 管內(nèi)液體流量相同時(shí), 纏繞玻璃鋼管道輸送介質(zhì)時(shí)所引起的壓頭損失僅為同管徑新碳素鋼管的0. 856倍。
另根據(jù)范寧公式
對(duì)纏繞玻璃鋼管道和鑄鐵管進(jìn)行計(jì)算比較: 當(dāng)管內(nèi)流體流速為1. 0~ 2. 0mPs 時(shí), 管徑DN300~ 600mm的纏繞玻璃鋼管道輸送流體時(shí)引起的壓頭損失約為同
口徑鑄鐵管的2/3~ 1/ 2。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明: 纖維纏繞玻璃鋼管道的水力學(xué)性能優(yōu)于鋼管或鑄鐵管。
2. 3 重量輕, 安裝、運(yùn)輸方便
玻璃鋼管道比重約為1. 6 左右, 僅是鋼管或鑄鐵管的1P4~ 1P5, 實(shí)際應(yīng)用表明, 在承受同樣內(nèi)壓的前提下, 同口徑、同長(zhǎng)度的玻璃鋼管道, 其重量約為鋼管的
30% 左右。正因如此, 玻璃鋼管道在運(yùn)輸時(shí)可套裝運(yùn)輸, 節(jié)省油耗及其它費(fèi)用; 安裝時(shí), 對(duì)中小口徑的玻璃鋼管道一般不需用重型機(jī)械, 有的甚至可通過(guò)人工搬
運(yùn), 提高了安裝速度。
2. 4 比強(qiáng)度高、力學(xué)性能合理
纏繞玻璃鋼管道軸向拉伸強(qiáng)度為160~ 320MPa,接近于鋼管, 比強(qiáng)度更高, 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí), 管材自重可大幅度減輕, 安裝十分容易。對(duì)比情況見(jiàn)表2。
國(guó)際上, 纖維纏繞技術(shù)始于本世紀(jì)40 年代, 1946年在美國(guó)申請(qǐng)專利。50 年代初期, 開(kāi)始制作玻璃鋼管道。目前, 國(guó)際上玻璃鋼管道工業(yè)發(fā)展很快, 年產(chǎn)量日趨增加, 以美國(guó)為例, 年玻璃鋼管道使用量10000km, 且每年以5% ~ 10% 的速度遞增。
我國(guó)纖維纏繞工藝始于1958 年, 當(dāng)時(shí)主要是為“兩彈一機(jī)”國(guó)防建設(shè)服務(wù)的。最早應(yīng)用于民用的玻璃鋼管道以手糊及布帶卷繞為主, 這樣生產(chǎn)的管道防滲性能差, 質(zhì)量不穩(wěn)定, 雖經(jīng)多次試驗(yàn), 也未能在大范圍內(nèi)推廣使用。80 年代末, 我國(guó)首次引進(jìn)玻璃鋼管道纏繞設(shè)備, 從此, 我國(guó)玻璃鋼管道工業(yè)真正開(kāi)始了大發(fā)展。截至1997 年, 玻璃鋼管道纖維纏繞生產(chǎn)線已有133 條。其中43 條為引進(jìn)生產(chǎn)線, 國(guó)際上一些著名公司也相繼在中國(guó)成立合資或獨(dú)資公司, 國(guó)內(nèi)部分廠家生產(chǎn)的玻璃鋼管道質(zhì)量已經(jīng)可以和國(guó)際上的產(chǎn)品相媲美, 產(chǎn)品已多次出口。玻璃鋼管道工業(yè)在中國(guó)正處于大的發(fā)展期。
盡管如此, 與我國(guó)巨大的管道市場(chǎng)相比. 玻璃鋼管道所占份額仍很低, 其原因關(guān)鍵在于尚有許多用戶對(duì)纏繞玻璃鋼管道的優(yōu)良性能還不十分了解, 對(duì)玻璃鋼管道在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀還缺乏足夠的認(rèn)識(shí), 對(duì)選用玻璃鋼管道仍抱遲疑、觀望的態(tài)度。為此, 本文對(duì)纏繞玻璃鋼管道的性能進(jìn)行詳細(xì)分析, 對(duì)其在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié), 以期進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)玻璃鋼管道工業(yè)向前發(fā)展。
2 特 點(diǎn)
2. 1 耐腐蝕性能好
纖維纏繞玻璃鋼管道結(jié)構(gòu)上分內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層及外保護(hù)層三部分。其中, 內(nèi)襯層樹(shù)脂含量高, 一般在70% 以上, 其內(nèi)表面富樹(shù)脂層樹(shù)脂含量高達(dá)95% 左右。通過(guò)對(duì)內(nèi)襯所用樹(shù)脂的選擇, 可使玻璃鋼管道在輸送液體時(shí)具有不同的耐腐蝕性能, 從而滿足不同的工作需要; 對(duì)需外防腐的場(chǎng)合, 只需對(duì)外保護(hù)層樹(shù)脂進(jìn)行認(rèn)真選擇, 便也可達(dá)到不同外防腐的使用目的。根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境, 可選用不同的防腐樹(shù)脂, 主要包括: 間苯型不飽和聚酯樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂、雙酚A樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂及呋喃樹(shù)脂等, 根據(jù)具體情況分別選用: 對(duì)酸性環(huán)境, 選用雙酚A 樹(shù)脂、呋喃樹(shù)脂等; 對(duì)堿性環(huán)境, 選用乙烯基樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂或呋喃樹(shù)脂等; 對(duì)溶劑型使用環(huán)境, 選用呋喃等樹(shù)脂; 當(dāng)酸、鹽、溶劑等腐蝕不是十分嚴(yán)重時(shí), 則可選用價(jià)格較為低廉的間苯型樹(shù)脂。通過(guò)對(duì)內(nèi)襯層不同樹(shù)脂的選擇, 便可使玻璃鋼管道廣泛用于酸、堿、鹽、溶劑等工作環(huán)境中, 表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。
2. 2 水力學(xué)性能優(yōu)良
纏繞玻璃鋼管道內(nèi)表面光滑, 內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度僅為0. 01 mm, 遠(yuǎn)小于鋼管及鑄鐵管的內(nèi)壁粗糙度見(jiàn)表1, 屬水力學(xué)光滑管。
對(duì)纏繞玻璃鋼管道和新碳素鋼管道進(jìn)行計(jì)算比較: 管內(nèi)液體流量相同時(shí), 纏繞玻璃鋼管道輸送介質(zhì)時(shí)所引起的壓頭損失僅為同管徑新碳素鋼管的0. 856倍。
另根據(jù)范寧公式
對(duì)纏繞玻璃鋼管道和鑄鐵管進(jìn)行計(jì)算比較: 當(dāng)管內(nèi)流體流速為1. 0~ 2. 0mPs 時(shí), 管徑DN300~ 600mm的纏繞玻璃鋼管道輸送流體時(shí)引起的壓頭損失約為同
口徑鑄鐵管的2/3~ 1/ 2。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明: 纖維纏繞玻璃鋼管道的水力學(xué)性能優(yōu)于鋼管或鑄鐵管。
2. 3 重量輕, 安裝、運(yùn)輸方便
玻璃鋼管道比重約為1. 6 左右, 僅是鋼管或鑄鐵管的1P4~ 1P5, 實(shí)際應(yīng)用表明, 在承受同樣內(nèi)壓的前提下, 同口徑、同長(zhǎng)度的玻璃鋼管道, 其重量約為鋼管的
30% 左右。正因如此, 玻璃鋼管道在運(yùn)輸時(shí)可套裝運(yùn)輸, 節(jié)省油耗及其它費(fèi)用; 安裝時(shí), 對(duì)中小口徑的玻璃鋼管道一般不需用重型機(jī)械, 有的甚至可通過(guò)人工搬
運(yùn), 提高了安裝速度。
2. 4 比強(qiáng)度高、力學(xué)性能合理
纏繞玻璃鋼管道軸向拉伸強(qiáng)度為160~ 320MPa,接近于鋼管, 比強(qiáng)度更高, 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí), 管材自重可大幅度減輕, 安裝十分容易。對(duì)比情況見(jiàn)表2。
2. 5 導(dǎo)熱系數(shù)低、熱應(yīng)力小
玻璃鋼管道與鋼管熱性能數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3。表中, 熱應(yīng)變及熱應(yīng)力之比均為假設(shè)玻璃鋼管道與鋼管管長(zhǎng)相同、管道兩端介質(zhì)溫差相同情況下所推得的結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可以看出, 玻璃鋼管道的導(dǎo)熱系數(shù)低, 僅為鋼管的0. 4% , 因而具有較好的保溫性能, 輸送介質(zhì)時(shí)可以降低熱能損耗; 另外, 從表3 還可以看出, 當(dāng)玻璃鋼管道與鋼管兩端有相同的熱溫差時(shí),線脹系數(shù)略大于鋼管的玻璃鋼管道將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)變, 但由于玻璃鋼管道的軸向拉伸模量約11. 2GPa, 鋼管的模量為210GPa, 所以, 溫差在玻璃鋼管道上產(chǎn)生的熱應(yīng)力僅約為鋼管的1/11。也就是說(shuō), 在實(shí)際使用中, 鋼管需增加膨脹接頭以消除管線上的熱應(yīng)力集中,玻璃鋼管一般卻可以不予考慮。玻璃鋼管道的熱線脹系數(shù)使得它具有良好的抗熱耐寒特性, 可在地表、地下、架空、海底、沙漠、冰凍、潮濕等各種惡劣環(huán)境中使用。
玻璃鋼管道與鋼管熱性能數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3。表中, 熱應(yīng)變及熱應(yīng)力之比均為假設(shè)玻璃鋼管道與鋼管管長(zhǎng)相同、管道兩端介質(zhì)溫差相同情況下所推得的結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可以看出, 玻璃鋼管道的導(dǎo)熱系數(shù)低, 僅為鋼管的0. 4% , 因而具有較好的保溫性能, 輸送介質(zhì)時(shí)可以降低熱能損耗; 另外, 從表3 還可以看出, 當(dāng)玻璃鋼管道與鋼管兩端有相同的熱溫差時(shí),線脹系數(shù)略大于鋼管的玻璃鋼管道將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)變, 但由于玻璃鋼管道的軸向拉伸模量約11. 2GPa, 鋼管的模量為210GPa, 所以, 溫差在玻璃鋼管道上產(chǎn)生的熱應(yīng)力僅約為鋼管的1/11。也就是說(shuō), 在實(shí)際使用中, 鋼管需增加膨脹接頭以消除管線上的熱應(yīng)力集中,玻璃鋼管一般卻可以不予考慮。玻璃鋼管道的熱線脹系數(shù)使得它具有良好的抗熱耐寒特性, 可在地表、地下、架空、海底、沙漠、冰凍、潮濕等各種惡劣環(huán)境中使用。
2. 6 接頭少、連接方式多樣靈活
纏繞玻璃鋼管道單管長(zhǎng)度6~ 12m, 甚至更長(zhǎng), 在長(zhǎng)距離管線安裝時(shí), 所需接頭少, 既能使流動(dòng)水阻降低, 也減少了施工費(fèi)用, 同時(shí), 管線因接頭多而發(fā)生滲漏的可能性也較鋼管大為降低。另外, 纏繞玻璃鋼管道的接頭方式有多種, 主要包括: 承插膠接、平端對(duì)接、( 活套) 法蘭連接、( 帶鎖緊裝置) O 形圈連接、螺紋連接等, 可根據(jù)具體施工條件, 靈活選擇接頭方式, 從而提高了工程的可靠性。
2. 7 電絕緣性能好
鋼管、鑄鐵管均為電的良導(dǎo)體。玻璃鋼管道卻是絕緣體, 擊穿電壓: 12~ 16kVPmm, 體積電阻率: ~ 10∧14 Ω?cm, 表面電阻率: ~ 10∧11Ω , 絕緣性能優(yōu)良, 可安全地應(yīng)用于輸電、電信線路密集區(qū)和多雷區(qū)。
2. 8 不生銹
鋼管、鑄鐵管在儲(chǔ)存、使用過(guò)程中, 會(huì)因化學(xué)、電化學(xué)的作用產(chǎn)生局部電池反應(yīng), 表面極易生銹, 對(duì)輸送介質(zhì)往往會(huì)產(chǎn)生污染, 因而, 常需對(duì)其表面進(jìn)行特殊防
銹、除銹處理; 纖維纏繞玻璃鋼管道由于是由非金屬材料制成, 電極電位高, 表面不會(huì)發(fā)生氧化銹蝕, 無(wú)需處理, 不會(huì)污染水質(zhì)。
2. 9 防污抗蛀
玻璃鋼管內(nèi)壁潔凈光滑, 難以被海水或污水中的甲貝、菌類等微生物玷污蛀附。而鋼管、鑄鐵管或鋼筋混凝土管內(nèi)表面卻很容易被甲貝、牡蠣等附蛀寄生, 且
極難清除, 增大粗糙率, 使有效管徑縮小, 同時(shí)增大流動(dòng)阻力, 減少過(guò)水?dāng)嗝娣e。
2. 10 可設(shè)計(jì)性強(qiáng)
根據(jù)具體使用情況, 可對(duì)管道的具體性能及形狀進(jìn)行設(shè)計(jì): 1.可對(duì)纏繞時(shí)的纏繞角進(jìn)行設(shè)計(jì), 以使管道具有不同的縱/ 環(huán)向強(qiáng)度分配; 2. 可對(duì)管道壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì), 以使管道可以承受不同的內(nèi)外壓; 3.可對(duì)材料進(jìn)行設(shè)計(jì), 以達(dá)到不同的耐腐蝕目的、阻燃目的、介電目的等; 4.可對(duì)接頭方式進(jìn)行設(shè)計(jì), 適用不同的安裝條件, 以提高工程安裝速度; 5. 可對(duì)產(chǎn)品形狀進(jìn)行設(shè)計(jì), 以滿足具體的形狀需要。
纏繞玻璃鋼管道單管長(zhǎng)度6~ 12m, 甚至更長(zhǎng), 在長(zhǎng)距離管線安裝時(shí), 所需接頭少, 既能使流動(dòng)水阻降低, 也減少了施工費(fèi)用, 同時(shí), 管線因接頭多而發(fā)生滲漏的可能性也較鋼管大為降低。另外, 纏繞玻璃鋼管道的接頭方式有多種, 主要包括: 承插膠接、平端對(duì)接、( 活套) 法蘭連接、( 帶鎖緊裝置) O 形圈連接、螺紋連接等, 可根據(jù)具體施工條件, 靈活選擇接頭方式, 從而提高了工程的可靠性。
2. 7 電絕緣性能好
鋼管、鑄鐵管均為電的良導(dǎo)體。玻璃鋼管道卻是絕緣體, 擊穿電壓: 12~ 16kVPmm, 體積電阻率: ~ 10∧14 Ω?cm, 表面電阻率: ~ 10∧11Ω , 絕緣性能優(yōu)良, 可安全地應(yīng)用于輸電、電信線路密集區(qū)和多雷區(qū)。
2. 8 不生銹
鋼管、鑄鐵管在儲(chǔ)存、使用過(guò)程中, 會(huì)因化學(xué)、電化學(xué)的作用產(chǎn)生局部電池反應(yīng), 表面極易生銹, 對(duì)輸送介質(zhì)往往會(huì)產(chǎn)生污染, 因而, 常需對(duì)其表面進(jìn)行特殊防
銹、除銹處理; 纖維纏繞玻璃鋼管道由于是由非金屬材料制成, 電極電位高, 表面不會(huì)發(fā)生氧化銹蝕, 無(wú)需處理, 不會(huì)污染水質(zhì)。
2. 9 防污抗蛀
玻璃鋼管內(nèi)壁潔凈光滑, 難以被海水或污水中的甲貝、菌類等微生物玷污蛀附。而鋼管、鑄鐵管或鋼筋混凝土管內(nèi)表面卻很容易被甲貝、牡蠣等附蛀寄生, 且
極難清除, 增大粗糙率, 使有效管徑縮小, 同時(shí)增大流動(dòng)阻力, 減少過(guò)水?dāng)嗝娣e。
2. 10 可設(shè)計(jì)性強(qiáng)
根據(jù)具體使用情況, 可對(duì)管道的具體性能及形狀進(jìn)行設(shè)計(jì): 1.可對(duì)纏繞時(shí)的纏繞角進(jìn)行設(shè)計(jì), 以使管道具有不同的縱/ 環(huán)向強(qiáng)度分配; 2. 可對(duì)管道壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì), 以使管道可以承受不同的內(nèi)外壓; 3.可對(duì)材料進(jìn)行設(shè)計(jì), 以達(dá)到不同的耐腐蝕目的、阻燃目的、介電目的等; 4.可對(duì)接頭方式進(jìn)行設(shè)計(jì), 適用不同的安裝條件, 以提高工程安裝速度; 5. 可對(duì)產(chǎn)品形狀進(jìn)行設(shè)計(jì), 以滿足具體的形狀需要。
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