玻璃钢管的性能分析

玻璃钢管的性能分析 中国玻璃钢综合信息网　日期: 2007-11-19 　阅读: 2491 　字体:大 中 小　双击鼠标滚屏

管材选择是供水工程设计中的重要内容。玻璃钢管作为一种新型的输水管材，具有适用范围广、经济、寿命长、抗震性能好、安装方便、运行费用低、防渗漏等优点，可广泛应用于长距离输水、城市给排水、电厂回水、农业节水灌溉等。     1 玻璃钢管的结构特点     玻璃钢又称作玻璃纤维增强塑料，其中的玻璃钢管道是由玻璃纤维、不饱和聚酯树脂和石英砂填料组成的新型复合管道。玻璃钢管具有系列优良的特性，在欧美等发达国家是应用相当广泛的工业管材之一，并制定了完善的管道产品标准和工程设计、安装规范。管道制造工艺主要采用计算机控制纤维缠绕法和离心浇铸两种方法成型。     纤维缠绕管道管壁结构从内到外依次为：内衬层、内部缠绕层、树脂砂浆层、外部缠绕层、外部保护层。内衬层起防腐、防渗作用，缠绕层与树脂砂浆层担负管道的强度和刚度作用，外保护层起抗老化、防腐蚀、抗日晒的作用，是符合材料可设计性的最优体现。     纤维缠绕法分连续缠绕法与往复缠绕法，连续缠绕工艺是在芯模上，用长纤维玻璃丝，以一定的斜角径向连续缠绕，在管芯树脂中要掺和一定比例的短纤维和砂，可生产任意长的管段，它的承水压能力一般在1．6 MPa以下，管径在300—3000 mm间；往复缠绕工艺是在芯模上，用长纤维玻璃丝，以一定的斜角经径向交叉缠绕，对于有高刚度要求的管材可以加砂，但承受内压较高的管材一般不加砂。     离心浇铸玻璃钢夹砂管道管壁结构，按其功能通常从内到外分为内衬层、内增强层、结构层、外增强层和外保护层。内衬层是管道与介质接触的最内层，直接与介质接触，主要作用为耐化学腐蚀和防止介质渗漏，内衬层材料为纯树脂。内增强层由短切纤维和树脂组成，不连续的短纤维做增强材料，树脂做粘结基体，纤维与树脂的用量及配比与根据管道所承受的压力而设计的该层厚度有关，内增强层是管道的受力层，承受管壁的轴向、环向压力。结构层主要由树脂和石英砂及其他填料组成，此层对于离心玻璃钢夹砂管道结构非常重要，主要用来增强管道的刚度，使管道具有承受变形的强度。也就是由于结构层，使得离心管道与其他工艺生产的管道相比，有其独特的优势。外增强层与内增强层一样，由短切长纤维和树脂组成，承受工作压力。外保护层由树脂及石英砂制成，主要耐外界环境的腐蚀并提高玻璃钢夹砂管道的 耐候性。     2 玻璃钢管的性能分析     2．1 质量轻、比强高、抗疲劳性能好玻璃钢的密度在1.6—2.0 g／cm3 之间，即只有普通钢材的1/4—1/5，比铝还要轻约1/3，因为玻璃钢中的连续纤维有较高的拉伸强度及弹性模量，其机械强度可以达到或超过普通碳钢的水平，比强度为钢材的4倍。     玻璃钢材料的抗疲劳性能好，金属材料的疲劳破坏是由里向外突然发展的，往往事先无征兆；而纤维复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹扩展，其疲劳破坏总是从材料的薄弱环节开始，玻璃钢管道可按照环向与轴向受力的不同，通过改变结构纤维铺层，使管道具有不同的环向强度与轴向强度，从而与受力状态相匹配。玻璃纤维的极限拉伸强度1 400 MPa， 弹性模量70 GPa。     2．2 水力特性优越     玻璃钢管道同其他管道相比摩阻系数小，输水能力强，见表1。         从表1可看出，玻璃钢管不但摩阻系数小，输送能力大，而且能显著地减少液体的水头损失，提高液体输送能力。玻璃钢管是光滑管，在输送流速和流量相同的情况下，选用玻璃钢管，其管道直径可比选用钢管缩小1～2个管径等级。     2.3 耐腐蚀性能好     玻璃钢管的主要原材料选用高分子成份的不饱和聚酯树脂和矿物质成份的玻璃纤维组成，因此它与普通金属的电化学腐蚀机理不同，它不导电，在电解质溶液里不会有离子溶解出来，特别在强的非氧化性酸和相当广泛的PH值范围内的介质中都有良好的适应性，过去用不绣钢也解决不了的一些腐蚀性介质，如盐酸、氯气、二氧化碳、稀硫酸、次氯酸钠和二氧化硫，玻璃钢管可很好地解决腐蚀问题。玻璃钢对大 气、水和一般浓度的酸、碱、盐等介质有良好的化学稳定性，因而能有效地抵抗酸、碱、盐等介质的腐蚀性和未经处理的生活污水和工业污水、腐蚀性土壤和化工废水及众多化学液体的侵蚀。在一般情况下，玻璃钢管道能够长期保持管道的安全运行，大大增加了管道的使用寿命，从而降低了管道的后期维护和更换的材料成本。     2．4 抗老化性能及抗冻性能优越     玻璃钢是一种优良的绝缘材料，其导热系数一般为1.254～1.672 kJ／(m·h·℃)，只有金属的1/100～1/1 000，在有温差时所产生的热应力比金属低的多，可用作良好的隔热材料和瞬时内高温材料。玻璃钢管道因环向拉伸强度高，具有良好的抗冻性能，在-20℃时，管内结冰后不会发生冻裂。     2．5 寿命长、电热绝缘性好     在正常情况下，玻璃钢管道可使用5O年以上，且由于其重量轻、强度高、可塑性强，其运输安装方便。     玻璃钢是非导体，管道的电绝缘性特优，绝缘电阻在l012 ～l015Q·cm，最适用于输电、电信线路密集区和多雷区；玻璃钢的传热系数很小，只有0.2～0.45，是钢的0.5％ ，管道的保温性能优异。     2．6 可设计性好     玻璃钢是一种可以改变其原材料种类、数量比例和排列方式，以适应各种不同工况条件要求下的复合材料。一般可通过以下各种途径改善其性能，来满足各种不同要求。     (1)改变树脂种类并提高与介质相接触表面层的树脂含量，以提高耐腐蚀性。     (2)选用不同纤维的种类和控制玻璃钢中纤维的含量，以适应不同耐腐蚀性和强度的要求。     (3)改变纤维的排列，以适应环向、轴向等不同方向的强度设计要求。     (4)管配件制作方便。玻璃钢管的法兰、弯头、三通、变径管等可任意制作，如法兰可与任意符合国家标准的同等压力同等管径的钢制法兰相连接，弯头可根据施工现场的需要制作成任意角度。此外，由于接头采用柔性橡胶圈密封，每个接头具有1。～3。的偏转作用，对于较小的转弯可通过接头借转而不用制作弯头。而对于其他管材，弯头、三通等配件除规定规格的标准件外，非标准件难以制作。     2．7 玻璃钢管耐磨性和韧性好     经试验，在相同条件下经过250 000次负荷循环，钢管磨损约为8.4 mm，石棉水泥管磨损约5.5 mm，混凝土管磨损约2.6 mm(内表面结构与PCCP相同)，陶土管磨损约2.2 mm，高密度聚乙烯管磨损约0.9 mm，而玻璃钢管磨损仅为0.3 mm。玻璃钢管表面磨损极小，在大负荷作用的情况下，仅为0.3 mm，如果在正常压力情况下，介质对玻璃钢管道内衬的磨损可忽略不计，管道的内衬层是符合国家卫生要求的食品级树脂和短切玻璃纤维原丝毡构成，而内表面的纯树脂层有效地屏蔽了纤维裸露情况的发生。     3 玻璃钢管的缺点及工程实例     3．1 易受加工制造及施工的技术水平影响玻璃钢管道在加工制造过程中易受技术、工艺、制造水平的影响，从而形成缺陷产品，影响工程的安全运行。     玻璃钢管道安装接头采用双“0”型密封橡胶圈承插连接，接头的安全系数高，因管道接头少而提高了安装速度，并减少了管线安全隐患。又因玻璃管热膨胀系数小，在整个管线安装中，不需要布置伸缩器，而其他管材如钢管、UPVC管等需要安装伸缩器，增加管网的安全系数。但对安装技术水平要求特别高，如施工安装不好，很容易漏水。     3．2 耐冲击力较差     玻璃钢管道较脆，耐冲击力较差，因此在运输、安装过程中要求比较严格。特别是在岩石山区和特殊地形的地段，运输安装必须严格按照其标准执行，否则容易出现断裂、破坏现象，造成不必要的经济损失。     3．3 耐高温和抗紫外线较差     玻璃钢管道可在-40～120 oC温度范围内长期使用，如果输送特殊高温介质，须采用特殊配方的耐高温树脂使管道可在200 oC以上温度正常工作。     长期用于露天使用的管道，其外表面添加有紫外光稳定剂，消除紫外线对管道的辐射，由此解决管道的抗紫外线差的问题。     以上缺陷虽然经过技术处理都能解决，但由于增加了特殊材料，势必增加了管道成本，同等使用条件下也就失去了玻璃钢管道的成本较低的优势。     3．4 工程实例     在山西省禹门口工业供水工程中，经技术经济比较，供水管道选用管径为800 mm、压力等级为1．6 MPa的玻璃钢管道。管道安装完毕后，在试水过程中出现了两个问题，(1)压力等级为1．6 MPa的一节管道爆裂，经初步原因分析为管道压力等级没有达到设计标准，针对此原因更换此管道后出现第二次爆裂，经过厂家、施工单位、监理和设计单位全面分析后，认为此管道在制造过程中存在质量问题，经过厂家总结经验后，严把产品质量关，目前该管道运行良好。(2)在个别管道接头地方出现漏水现象，分析确认为除管件和管道承插口存在质量问题，施工技术也是不容忽视的影响管道安全运行的因素。经管道制造厂家对存在问题的管件和管道进一步改进，和施 工单位严格按照施工标准施工，成功地解决了漏水问题，使工程能安全运行。     4 结语     从以上分析可以看出，玻璃钢管道存在显著的优缺点，具有其他管材(如钢管、UPVC管、PCCP、球墨铸铁管等)的各种优良性能，但也存在缺点。     玻璃钢管道在我国的应用较晚，到目前也只有15～20年，管道的诸多技术数据及性能参数，有待于在工程实践中不断总结经验，不断改进，才能不断提高其性能。     在具体管道工程的管材选择中必须结合工程的具体情况，如管长、管径、管道压力等级及工程的地形地质条件，从技术、经济、运输、安装及运行管理全面进行分析比较，才能选出经济合理、运行安全的管材。     目前玻璃钢管道在长距离输水、城市给排水、电厂回水、农业节水灌溉等工程中已得到了广泛的应用，也积累了很多成熟的经验，为今后管道工程的设计、施工提供了成功的范例。