世界石油開采已有近百年歷史，我國(guó)石油開采也有幾十年的歷史，因油管腐蝕和結(jié)垢堵塞導(dǎo)致油管頻繁更換，使采油成本不斷增加。玻璃鋼管是玻璃纖維增強(qiáng)塑料(FRP)管道的簡(jiǎn)稱，它具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐腐蝕、不結(jié)垢、不結(jié)蠟、不易積沙、內(nèi)壁光滑、流體阻力小的特性，以及具有安裝方便、維修工作量小、管材保溫性能好、不污染水質(zhì)和使用年限長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因此在世界各國(guó)被廣泛地應(yīng)用于輸送液體介質(zhì)和解決油田腐蝕等方面。
　　傳統(tǒng)的纖維纏繞管體是在纏繞成型后，采用“外固化”工藝在固化爐內(nèi)將熱量通過(guò)輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流等方式傳遞給制件完成固化。新型“內(nèi)固化”工藝是采用加熱管道內(nèi)部芯模的方式使復(fù)合材料升溫，進(jìn)而完成其固化成型 。內(nèi)固化相對(duì)于外固化的優(yōu)點(diǎn)是復(fù)合材料在內(nèi)部熱壓作用下由內(nèi)向外逐層固化，有利于樹脂流動(dòng)和氣泡的排出，使材料更加密實(shí)；蒸汽、金屬芯模和復(fù)合材料間傳熱效率高，可提高固化效率。由于蒸汽加熱不會(huì)對(duì)芯模產(chǎn)生污染，同時(shí)具備溫控范圍寬、不必安裝固定的加熱器以及在工程上易于實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)加熱等優(yōu)點(diǎn)，因此選用蒸汽作為加熱介質(zhì)。
1　內(nèi)固化原理
       高壓FRP管道固化原理如圖1所示。FRP管體是由熱固性環(huán)氧樹脂浸漬過(guò)的玻璃纖維束纏繞在可加熱的金屬模腔外表面固化而成。芯模是一個(gè)中空的壁厚均勻的金屬管體，芯模和纏繞管體等長(zhǎng)，而且是軸對(duì)稱的，芯管是通入飽和水蒸氣、壓縮空氣和冷卻水的中空且四周開有小孔的鋼管。當(dāng)纏繞結(jié)束后，通入孔管內(nèi)腔的蒸汽經(jīng)過(guò)孔管壁的小孔進(jìn)入芯模外腔，對(duì)芯模進(jìn)行加熱，被加熱的鋼質(zhì)芯模將熱量傳遞給纖維樹脂纏繞層，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，纏繞層中樹脂就會(huì)逐步升溫、粘度下降、流動(dòng)遷移，進(jìn)而凝膠、粘度上升、凝膠結(jié)束，進(jìn)一步交鏈成為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，管道固化時(shí)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以便均勻加熱FRP管體，并防止未固化液態(tài)樹脂由于重力作用而聚集于管道下表面。在固化反應(yīng)完成后，再輸送冷卻介質(zhì)使芯模迅速冷卻，制品與模具之間因“熱脹冷縮”滯后將產(chǎn)生間隙，以便順利脫模，最后向管道內(nèi)通入壓縮空氣，將殘留的水分吹干，固化結(jié)束。
       
2　內(nèi)固化蒸汽加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)固化控制系統(tǒng)管道結(jié)構(gòu)如圖2所示。來(lái)自鍋爐的飽和水蒸氣通過(guò)閥門1、電控氣動(dòng)閥2進(jìn)入芯模內(nèi)腔，經(jīng)內(nèi)腔壁孔進(jìn)人芯模外腔對(duì)芯模加熱，從外腔流出的蒸汽和凝結(jié)水分別經(jīng)閥門7、電控氣動(dòng)閥8和閥門6進(jìn)入熱水箱。安放于芯模出口處的溫度傳感器和壓力傳感器檢測(cè)溫度和壓力。冷卻水經(jīng)過(guò)閥門4進(jìn)入芯模，從芯模外腔流出的熱水經(jīng)閥門5流回冷卻水箱循環(huán)利用，冷卻后由水泵送至固化系統(tǒng)，完成芯模冷卻工藝。
   
      為避免芯模管道結(jié)垢，冷卻系統(tǒng)的補(bǔ)充水由自來(lái)水經(jīng)自動(dòng)軟水器離子交換處理后提供。壓縮空氣由專門的空氣壓縮機(jī)供給，經(jīng)過(guò)濾和干燥處理后經(jīng)閥門3進(jìn)入芯模，壓縮空氣推動(dòng)芯模內(nèi)剩余冷卻水經(jīng)閥門5流出，進(jìn)行汽水分離后壓縮空氣排入大氣，實(shí)現(xiàn)冷卻后吹掃工藝。
3　內(nèi)固化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
      3.1　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　內(nèi)固化控制系統(tǒng)選用歐姆龍CJ1G型PLC，同時(shí)連接3個(gè)CJ1W—OC211型數(shù)字量輸出模塊、1個(gè)CJ1W—DA08C型模擬量輸出模塊、1個(gè)CJ1W—AD08I—V1型模擬量輸入模塊。觸摸屏選用臺(tái)達(dá)DOP—A10THTD1型觸摸屏。通過(guò)RS232串口通訊線與PLC相連接。溫度傳感器為PT100型傳感器加溫度變送器(兩線制)，輸出電流為4～20 mA，連接PLC的模擬量輸入模塊。調(diào)節(jié)閥選用西門子智能定位器，與PLC的模擬量輸出模塊相連接。PLC、溫度傳感器、西門子智能定位器形成一個(gè)溫度閉環(huán)回路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度模擬量的檢測(cè)和控制。與PLC相連的觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)、狀態(tài)顯示、參數(shù)下載等功能。基于PLC的內(nèi)固化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
    
       3.2　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　(1)PLC程序設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想分別對(duì)觸摸屏和PLC進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。PLC程序流程如圖4所示。
     
      控制系統(tǒng)分為自動(dòng)、分段和手動(dòng)3種操作模塊。在手動(dòng)狀態(tài)下可以單獨(dú)控制各個(gè)閥門的開關(guān)，調(diào)節(jié)閥的開度，范圍在0～100％之間。該階段主要用于預(yù)加熱和調(diào)試閥門。在分段狀態(tài)下分為加熱、冷卻、吹掃3部分，每一部分單獨(dú)控制。在分段加熱狀態(tài)下可以任意設(shè)定加熱溫度來(lái)進(jìn)行加熱處理，與自動(dòng)階段不同的是在該階段不受時(shí)間控制。在分段冷卻和分段吹掃過(guò)程中可以單獨(dú)根據(jù)設(shè)定時(shí)間來(lái)分別進(jìn)行冷卻處理和吹掃處理。在自動(dòng)狀態(tài)下系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的加熱參數(shù)(每段加熱時(shí)間與加熱溫度)，自動(dòng)進(jìn)行每一階段的加熱處理，此時(shí)溫度傳感器將檢測(cè)到的溫度值以模擬量的形式送入PLC模擬量輸入模塊，與設(shè)定的高低溫度界限值進(jìn)行比較，確定采取高溫控制模塊或者低溫控制模塊。當(dāng)進(jìn)入低溫控制模塊時(shí)，通過(guò)觸摸屏預(yù)先設(shè)定4個(gè)參數(shù)：進(jìn)氣閥開度和出氣閥開度、溫度波動(dòng)界限、上升與下降脈沖時(shí)間。控制開始時(shí)，進(jìn)氣閥與出氣閥按照設(shè)定的開度開啟，定時(shí)器記錄上升脈沖時(shí)問(wèn)，上升時(shí)間結(jié)束后進(jìn)氣閥關(guān)閉進(jìn)入下降脈沖時(shí)間，下降時(shí)間結(jié)束后進(jìn)氣閥再次開啟設(shè)定的開度，依次循環(huán)，當(dāng)溫度升高到設(shè)定溫度與波動(dòng)溫度的差值時(shí)，進(jìn)氣閥與出氣閥同時(shí)關(guān)閉。
　　當(dāng)進(jìn)入高溫控制模塊時(shí)，與預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，啟動(dòng)PID算法，將運(yùn)算所得的控制量以模擬量信號(hào)的形式發(fā)出：一路輸出控制進(jìn)蒸汽調(diào)節(jié)閥，另一路輸出將第一路輸出信號(hào)取反后控制出蒸汽調(diào)節(jié)閥，即兩個(gè)調(diào)節(jié)閥的開度是互補(bǔ)的，其開度之和為100％。控制二者開度值就可以控制芯模內(nèi)蒸汽的壓力從而控制蒸汽的溫度。高溫控制模塊的閥門控制則應(yīng)用于蒸汽壓力穩(wěn)定、外界環(huán)境變化很小的條件下。當(dāng)所有加熱時(shí)間結(jié)束后自動(dòng)進(jìn)入冷卻階段，冷卻時(shí)問(wèn)結(jié)束后自動(dòng)進(jìn)入吹掃階段，當(dāng)吹掃時(shí)間結(jié)束后整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)束。
4　結(jié)　語(yǔ)
        內(nèi)加熱固化控制系統(tǒng)已應(yīng)用于高壓FRP管道固化成型，芯模溫度在低于90℃時(shí)，蒸汽溫度控制誤差為±5℃，在高于90℃時(shí)，蒸汽溫度控制誤差為±2℃ ，可實(shí)現(xiàn)直徑350 mm以下的高壓FRP管道內(nèi)加熱固化。生產(chǎn)實(shí)踐表明，內(nèi)固化工藝生產(chǎn)的管道性能優(yōu)于外固化管道，采用內(nèi)加熱固化工藝可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料管道制備的高效、優(yōu)質(zhì)且成本低。