夹砂玻璃钢管(RPMP)的制造、设计和施工.doc

夹砂玻璃钢管(RPMP)的制造、设计和施工论文作者：钟坚瑜陈驰摘要：本文从夹砂玻璃钢管道的发展趋势、国内外的制造和应用状况，管道的结构、制造设备及步骤，管道的基本性能、水力学特性，管道的包装、维护和保养以及所产生的社会经济效益等诸方面进行了评述；同时，对玻璃钢管道的发展提出了瞻望。关键词：夹砂玻璃钢管管道应用-一、前言材料工业是一切工业的基础，新型的材料工业又是发展现代科学技术的必不可少的材料工业。随着现代科技的发展，单一的材料性能已无法满足生产和社会发展的需要。利用复合技术将不同特性的物质结合一起，制成具有优异综合性能的复合材料应运而生。它能按用户需要赋予单一组分物质所不具有的特性，如轻质、高强、绝缘、耐腐蚀、耐温、隔热等优良的性能，甚至能满足用户在特殊工况下的要求，同时能达到节能降耗、降低成本、改善劳动条件、三废回收利用等综合目的，大大提高企业经济效益。1.1材料工业发展的趋势非金属复合管材的崛起复合材料的发展，推动了材料工业的巨大革命。玻璃钢管（简称GRP管）的诞生，标志着非金属管材在材料工业中的崛起，也预示着非金属管材在国民经济建设中的应用领域和市场将不断扩大，并越来越广阔。玻璃钢管是一种新型的复合材料管，它主要以玻璃纤维纱作为增强材料和树脂作为基体制成，具有许多其它管材无法取代的优越性能，被广泛地应用于化工企业腐蚀介质输送、排污、油气输送、农业灌溉、海水输送、电厂循环水，以及城市给水排水工程等许多领域。随着玻璃钢管的普及应用，又出现了夹砂玻璃钢管（简称RPMP），这种管道不仅从性能上提高了管材刚度，而且降低了管道的成本。所以，近些年在城市给排水工程中特别受青睐。以下我们着重对夹砂玻璃钢管的应用作阐述。1.2玻璃钢管在国际市场及国内的制造和应用概况复合材料工业中，玻璃钢行业在目前国际市场上产量最大、用途最广。80年代中期以来，在欧洲一些国家新敷设的大、中型供水管道中，玻璃钢管的使用长度比例达10%50%。英国玻璃钢管占供水总长的25%以上，在预计今后的一段时间内会增加到30%50%。瑞典玻璃钢管的使用长度比例达40%，在直径300mm以上的新敷设市政管道中80%采用玻璃钢管。日本在大口径城市供水管道中，玻璃钢管占25%，超过钢管的用量。在中东地区大、中型输水管、污水管、海水淡化系统管道以及一些工业输送管道，均采用了玻璃钢管。美国自1986以来，玻璃钢管的年产量超过6万吨，所安装的玻璃钢管道总长度为100万千米，预计今后美国玻璃钢管的发展速度平均将增长10%。我国玻璃钢工业近年来发展很快，1992年国家建材局制定到2000年产量发展到30万吨/年的规模，玻璃钢的开发和应用已引起了更多人的重视。八十年代至今，在夹砂玻璃钢管缠绕设备上我国先后从意大利、日本、法国等引进了4条缠绕管和两条离心管生产线,年生产能力得到了很大的提高。但是，由于目前夹砂玻璃钢管的研制开发应用没有得到广泛地推广，致使许多应用部门对其性能、质量及应用领域没有得到充分认识。另外，许多企业生产能力也未达到饱和，所以，夹砂玻璃钢管道在国民经济中的应用市场还有待开拓。在当前我国经济迅速发展，市场经济逐渐完善的大好形势下，新型复合管材夹砂玻璃钢管在城市供水领域里将以其优质的性能取代其它的管材，这是复合材料工业发展的必然趋势。在我国，夹砂玻璃钢管的使用也逐渐在引起人们关注，长距离输水工程也越来越多，市场前景一片光明。据建设部预测，在我国“九五”期间我国每年需要敷设的输水管道约1600公里，这表明夹砂玻璃钢管潜在市场是有广阔的前景的。1.3夹砂玻璃钢管的特点及与时代的相适应性夹砂玻璃钢管以其优异的耐腐蚀性能、轻质高强、输送流量大、安装方便、工期短和综合投资低等优点，成为化工工业及输水工程的最佳选择。它具有其它金属管材无法比拟优越性,主要具有以下特点：1.具有优良的耐腐蚀性能。与传统管材相比具有优良的耐化学腐蚀性能，可以耐酸、碱、盐、氧化剂、有机溶剂、各类油脂、污水、海水等。它的内衬采用耐腐蚀性能优良的树脂（饮用水管道采用食品级树脂）作为原材料，所以不需要任何防腐处理。2.无毒害、无二次污染。在使用过程中不结垢、不生锈、不滋生藻类和其它的微生物，不需要阴极保护及其它防护措施，不会对水质或其它介质产生二次污染。3.比重小、重量轻。比重仅为钢、铸铁管的1/41/5，混凝土的2/3。管道重量大约占同规格、同长度球墨铸铁管的1/4，混凝土管的1/10。因此，装卸方便，易于安装。4.单根管道长度长。管道的长度一般为：6m,8m,10m,12m,16m（也可以根据客户的要求生产出特殊长度的管道）。单根管道长，接口数量少，从而加快了安装速度，减少故障概率，提高整条管线的安装质量。5.机械性能好、优良的绝缘性能。管道的拉伸强度低于钢，高于球墨铸铁管和混凝土管，而比强度大约是钢管的3倍，球墨铸铁管的10倍，混凝土管的25倍。此外，它的导热系数只有钢管的1%，具有优良的绝缘性，适应使用于输电、电信线路密集区和多雷区。性能比较如表1所示。6.水力学性能优异、节省能耗。夹砂玻璃钢管具有光滑的内表面，适用于大口径（500mm）输水管道的特点，磨阻系数小，水力流体特性好，而且管径越大其优势越明显。正是这一特点，在相同直径的管道流量中，RPMP最大。反之，在管道输送流量相同的情况下，工程上可以采用内径较小的夹砂玻璃钢管代替，从而降低了一次性的工程投入。夹砂玻璃钢管道在输水过程中与其它的管材相比，可以大大减少压头损失，节省泵的功率和能源。7.热膨胀系数小。由于RPMP热膨胀系数小，在使用中不需要加温度补偿措施，可在地表、地下、架空、海底、高寒、沙漠、冰冻、潮湿、酸碱等各种恶劣条件下正常使用。8使用寿命长、安全可靠。夹砂玻璃钢管道设计得经久耐用，安全系数一般都在4以上。据实验室的模拟试验表：一般给水、排水夹砂玻璃钢管的寿命可达50年以上，是钢管和混凝土管的2倍。对于腐蚀性较强的介质，其使用寿命比钢管和不锈钢管高几倍。9设计灵活、产品适应性强夹砂玻璃钢管道可以根据用户的各种特殊的使用要求，通过改变设计，制造出各种规格、压力等级、刚度等级或其它特殊性能的产品，适用范围广。11综合造价低、长期经济效益好。对于相同口径的管材，RPMP单管管材价格稍高于混凝土管，而低于铸铁管和钢管。管道口径越大，管材造价差别也越大。因此，若考虑到管道长期使用的维护费用和动力消耗等其它的运行费用，以及使用年限和输送能力等因素，RPMP的综合效益均优于其它管材。正因为夹砂玻璃钢管具有以上一系列的优点，必将逐步取代传统的钢管、铸铁管等管材，具有时代的相适应性。这种相适应性主要表现在以下几个方面：第一，该产品新颖性反映在技术工艺先进，结构选材更合理；第二，该产品的经济性更反映在夹砂玻璃钢管独特卓越的性能上，而产品价位正在逐步降低；第三，该产品的实用性更广。它能适用于各种土壤条件，即使在高酸、高碱的土壤中也不需要化学防护，大大地提高了管材的使用寿命。总之，夹砂玻璃钢管将随着我国社会主义经济的发展，必将获得推广和应用。 二、PM管的构成及制作玻璃钢管，就是玻璃纤维增强树脂管（GRP管），其成型的方法通常有如下几种：1.玻璃纤维粗纱缠绕成型;2.夹砂连续玻璃纤维粗纱增强树脂缠绕成型;3.夹砂定长玻璃纤维粗纱增强树脂缠绕成型（RPMP）;4.玻璃布卷制成型;5.玻璃纤维短切粗纱增强树脂砂浆离心浇铸成型等。其中，最先进、最有代表性的是（夹砂）定长玻璃纤维粗纱增强树脂缠绕成型工艺，下面就此成型法作详细的说明。2固化装置固化装置是管道制衬或缠绕后使其快速固化的设备，主要由车头箱、车尾座、电加热器、电控制柜组成。3缠绕加砂机缠绕加砂机是定长玻璃钢夹砂管生产线的主要设备。该机有计算机控制完成管道的环向缠绕、螺旋缠绕、加砂缠绕工序。其主要的结构由车头箱、车尾座、工作平台、缠绕工作车、加砂工作车、恒温树脂槽、树脂喷涂机、纱架、微机控制柜等部分组成。车头箱的作用是带动芯模旋转，其转速的调节，与工作车往复运动的协调匹配用计算机控制，以适应各种缠绕工艺的需要。缠绕工作车的往复运动是沿着工作平台两侧导轨进行。缠绕工作车上装有浸胶装置，通过专门的输砂设备把石英砂均匀地加在芯模上。4脱模机脱模机的任务是将玻璃钢夹砂管从芯模上脱离出来。5修整机修整机的任务是对管道的承口、插口两端面和插口外密封圈环槽进行机加工，以达到产品要求的形状尺寸。修整机主要由车头箱、车尾座、承口切刀装置、插口端面切刀装置、插口外径磨削装置、电控柜等组成。修整机的车头箱、车尾座与缠绕机基本相同，主要是驱动、支承模具的旋转。插口、承口两端面的切刀装置，是由电动机直接带动特制切刀，固定在一个能够进退刀的底座上。工作时启动，将管道端面切平修正。插口外径的磨削，则通过电机带动特殊磨刀来实现。刀具是根据插口外表形状尺寸设计制造的。磨削时，工件和磨刀同时旋转，磨刀还要通过进退刀装置作进刀运动。进刀装置上设有限位块。当进刀深度到位时，限位控制进刀停止，插口外径磨好后，刀架退回。2.3RPM管的制作过程RPM管的制作根据其成型的工艺流程可以分为以下七个步骤：1.设备配备、芯模的准备在管道开始制作以前，应当检查机械设备配备是否完善，条件具备后在模具上均匀涂刷一层脱模剂，然后外包一层薄膜。2.内衬的糊制首先在准备好的模具外表面上涂刷一层内衬树脂，再按工艺规定的层数包覆内衬材料，用树脂使其内衬材料充分浸透。3.管道的缠绕在内衬层尚未完全固化（表面有粘手感）时,开始进行增强层的缠绕,缠绕参数按工艺要求进行制作。4.管道固化将缠绕好的管道吊至固化架上进行固化，直至其完全固化。5.管道脱模将固化好的管道吊至脱模架上，把芯模从管道中脱出。6.管道修整管道脱模以后，按规定技术要求对管道进行外观及尺寸上的修整。7.水压试验对制作成型的管道应按要求进行水压试验，试验结果应符合设计要求才能视为合格。 三、PM管的物理性能根据设计的RPM管的管壁结构,其物理性能如下:3.1比重1900Kg/m3-2000Kg/m33.2模量最高轴向拉伸弹性模量12500Mpa最高环向拉伸弹性模量25000Mpa3.3环向、轴向拉伸强度初始环向拉伸、轴向拉伸强度如表3。3.4最小极限应变环向拉伸初始1.4%50年0.9%环向弯曲初始1.9%50年1.2%轴向拉伸初始0.4%3.5泊桑比0.250.43.6刚度夹砂玻璃纤维热固性树脂管，在一定的外部荷载下，不会因外力引起变形而发生结构破坏，它的性能受管壁因外力或内压引起的应变量的影响。可允许的应变量级，又受树脂类型和生产方法等变量因素的影响。因此，必须控制管道的变形，保证应变量不能过大。刚度表述的是管道对外部荷载和内部负压的承受能力，其值可用规定长度的管段，在规定（3%或5%）的限量变形下求得。计算公式：S=0.0186F/YN/m2F=W/LxN/mY=dm规定的相对变形mW-荷载NLx-管段长度mDm=De-eDe-管外径me-管壁厚m 增强的和非增强的塑料制品，标准的制定是以这种材料在应力作用下发生蠕变为前提，由于有蠕变发生，就导致这种材料的物理性能将随时间的增加有所变化。因此，通常是以50年的强度为产品制造设计基础。1.3.8最大使用条件夹砂玻璃钢管在80以下的温度，PH值在1.0-11可以连续输送生活用水、废水、污水或废料。如超出以上范围应根据实际需要更换树脂。1.3.9耐侯性及热效应RPM管可长期露天储放，对其结构无任何影响，只是表面有些轻微粗糙。热膨胀系数一般为：轴向-310-5/环向-210-5/非压力管-210-5/压力管1.510-5/1.3.10水力粗糙度在不同水力计算公式中的有关系数如下：ColebrookWhite粗糙度系数K=0.01HazenWilliams系数c=150155Manningsn=0.008说明：以上数据是由中科院测试而得的。1.3.11水力学性能管道内表面很光滑，粗糙率和摩擦阻力都很小。计算水力学所用的哈森-威廉系数C可以长期保持在150-155的范围内，由哈森-威廉方程算出的压头损失远比混凝土管和钢管要小，提高输送水能力20%以上。因此在输送能力相同情况下，工程上可以采用内径较小的玻璃钢管代替（详见表5），从而降低一次性的工程投入。如四川省某一供水工程原设计采用铸铁管管径为DN450，改用夹砂玻璃钢管后，经设计单位计算只需采用管径为DN300的管道就可以满足使用要求，管径减少了22%；相反，若采用同等内径的玻璃钢夹砂管可比其它材质管减少压头损失，节省泵的功率和能源，从而减少长期的运行费用。下面即是常用计算压力损失的哈森-威廉公式： hf=42.23Q/(c)(d2.36)1.85其中：hf-压力损失（m）Q-流量（m3/s）c-粗糙度系数150-155d-公称直径（m） 4.2现场制作的配件在管道安装的过程中,往往根据实际情况需要现场制作管配件。这种常见的管道配件也如上几种，而与定型配件所不同的是，配件的有关具体尺寸是根据现场管线的相对位置测量出来的。这种现场制作出来的管配件安装起来更方便、更迅速。 五、RPM管的包装、保养、维护5.1管道的包装管道在生产完毕后，经过严格地检验确认为合格品，方才能对其进行包装。产品包装时应按产品特性要求一般采用单根两端用草绳、草片、草包等方式包装。谨防管道在运输过程中，相互之间发生碰撞，而磨损管道外壁及端口。特别是对于管道、管件带法兰包装时，应注意对法兰的端面水线及密封面进行保护，防止被磨损。5.2管道的吊装在对管道装卸的过程中,仍需对管道加以控制,严禁使用钢丝绳或其它硬质物,应该使用软绳或软质带吊装。采用机械装卸时，用两个支撑点，可以使其它更容易控制，管道的支撑点也可以只有一个，但切不可用绳子贯穿其两端来装卸管道。吊装时应轻吊轻放，严禁抛投。5.3管道的运输在管道的施工现场,如有必要进行运输的话,管道的底部嵌入木楔使之保持稳定,确保没有两根管道相接触的情况发生。装运管道的最高高度为2米，使用柔韧的带子或绳子将它们固定在运输工具上，千万不要用没有衬垫的钢丝或链条以免使管道发生磨损。另外，最大挠曲量不要超过1.5%，因为在极限值以内的情况下会导致管道的损坏。5.4管道的存放夹砂玻璃钢管，象其它所有石油化学产品制成的管道一样是可燃的，所以建议不应将它放置在热源暴露的地方。在安装过程中，必须小心谨慎以防止管道暴露在电焊的火星和切割的火焰及热/火/电源的附近。当现场用挥发性或易燃材料进行修补管道或接头时，这些预防措施是非常重要的。当管道直接放于地上时，注意地面要平坦，不能有石块和容易引起管道损坏的尖利物体，所有的管道需加垫木楔以防止滚动。应保证管道在强风、不平的地区或其它水平条件下堆放得稳定。堆放高度不可以超过2米，1400毫米以上的管道切不可叠放。管道的最大径向挠曲不可超过直径的1.5%，不允许凸起、扁平和其它突然的曲率变化。在这些极限值的情况下存放将会损坏管道。 对于管道的接头应置于阴凉处，切勿将其暴露于阳光下。不要将橡胶与脂类、油类等其它石油衍生物及溶剂相接触。5.5管道安装应注意的维护要求夹砂玻璃钢管安装前选择适合的安装类型由管道的刚度、埋深和原土类型决定的。为了使管道具有足够的支撑，根据原土条件要对管区的回填材料加以适当的限制。安装管道的初期和长期的扭曲不能超过有关的规定，否则将达不到管道长期使用的目的。管道的垫层应遵照要求使用砂或砾石。在沟底夯实之后再铺设垫层应夯实到90%的密实度，以保证管道有足够的支撑，建成后的管床应平整，而且能够给管道以长期稳定的支撑。基础区土壤的夯实程度，应等于主管区回填的夯实程度，或者说应使其土壤阻力特性一致。在管道的接头处，为满足安装的需要，接头处必须超挖。安装时管道不得离开管底表面，安装结束后，再按要求夯实接头处的超挖部位。如果在管沟遇到岩石、硬土层，松软而不稳定的土壤或高度膨胀的土壤，那么就有必要增加垫层的厚度来达到管道底部的足够支撑。管道在连接好后，管区一定要马上回填，这样可以防止管道的浮动和热变形的发生。管道的浮动将破坏管道和管接头，造成不必要的重新安装。热变形是指由于安装时的温度与长时间的罗列、曝晒的温度差异而导致的变化，这将造成接头处的密封不严。管区回填材料的正确选择以及管区回填的埋设和夯实，对控制管道径向挠曲是非常重要的，对管道的正常运行也是非常关键的。为防止回填材料中混入有机杂质或其它外来有害材料，施工时一定要加倍小心，否则会造成管道侧向支撑。为给管道以充分的支撑，在不将管道吊起的情况下，施工人员可用棍棒（钝器）将回填材料夯实。管区应分层回填，每次回填厚度约150-300mm,这要取决于回填材料和夯实方法。由于砾石或碎石极易夯实，用此材料回填时，300mm厚的土壤可以夯实到要求的密度。如果是砂子则需要更多的夯实工作，因此它的回填厚度只能控制在150mm以内。注意逐层夯实回填材料对于管道是否能有足够的支撑是非常重要的。当砂质的回填材料处于或接近它的最佳湿度时，夯实最易完成。当回填材料回填到管道的起拱线时，为避免管道受到外来夯击荷载的作用，所有夯实都应从管沟壁开始逐渐向管道靠近。用这种方法铺设，夯实管区回填材料，管道将发生轻微的垂直方向的椭圆变形。当回填到管顶时，完工后垂直方向的椭圆变形直径的1.5%,但必须注意不能在管顶上方过分用力夯实，这样会引起管道局部凹凸不平，而且必须保证管道顶上的覆土不能疏松，一定要达到密实度。管道的埋深决定于管道设计、使用条件、管道的性能、管道的尺寸及现场条件，例如土壤的性能、静态荷载、动态荷载等。一定要注意管道沟槽的深度，必须使管道处于冷冻线以下。覆盖的深度，应有效地保证埋入地下的管道不受地下水的漂浮力的影响。在管道施工完毕后，因固定管道采用柔性的橡胶圈接头，当管线加压后，在管线两头、弯头、三通、变径、盲端等许多地方会产生不平衡的应力以及发生管线偏移等现象，如果周围的土壤对管线不能提供足够的约束力的话，也极可能造成管线的损坏，所以，为了确保管线正常运行，避免上述现象的发生，必须采取措施来约束这种不平衡的应力，预防管线的损坏。通常采用的方法是用水泥固定墩固定。固定的水泥墩的尺寸可根据实际情况进行设计，以能满足使用要求为准。5.6事故处理及修补管线在使用过程中，遇到某一部位渗漏，可采用紧急修补方法。具体做法是，先将渗漏之处的土挖开，仔细检查渗漏部位及渗漏面积的大小，停水降压，根据渗漏大小部位挖出工作坑，若出水量大，用抽水机将溢出水抽干。根据破损情况可试行作如下处理：1若破损之处直径在200mm以下，可用预先制作好的法兰短节（接口面与管面相吻合），将连接面及直径在400mm范围内打磨平整。在管线渗漏之处，接触面用5mm厚橡皮垫片垫上，法兰短节两边用特制的抱箍固定在管线上，及时将渗漏的水吸掉，保证法兰短节外部无水渗出。同时，将接管外漏橡皮用刀片割去。用玻璃钢增强的方法，将法兰短节连接在管线上。固化后（一般12小时后）用盲板将法兰盲上，采用此法不必将管内之水抽干。2若破损之处直径超过200mm或长度方向较长，则必须将管道内的水抽干，将破损处两端用角向磨光机割去，按割去管段的长度接上一段管道，接口处两端加上玻璃钢套筒，间隙用膨胀水泥密封，同时在膨胀水泥制作完毕后，外用玻璃钢手糊的方法密封增强。待膨胀水泥保养时间到后即可通水。3若允许停水的时间超过24小时，则可将破损之处两端割去后，按割去管段的长度接上一段管道，接口处两端玻璃钢对接方法将管道连接上。 六、RPM管道的经济性、适用性分析目前，城市供水中所使用的大口径管道出现生锈、结垢等现象，会严重地污染水质，而夹砂玻璃钢管内层采用防腐性能优良的食品级树脂作为原材料，因此管道不生锈、不结垢，可以彻底解决目前自来水输送中水源二次污染问题，提高居民用水的质量，且管道的价格稍低于钢管、球墨铸铁管，安装运输成本低，水能耗低，社会经济效益明显。以下是根据杭州自来水公司提供的数据，在同一工程环境条件下使用钢管、球墨铸铁管、加砂玻璃钢管、水泥管在综合成本上的比较如表8。工程使用条件：管道规格：DN1000土壤条件：三类干土施工方式：人工挖沟槽上方、并平整场地填土夯实工程的综合效益是指由建设投资、安装维修费用、使用寿命、节能等多种因素形成的总体成本长远效益。从表8可以看出，如果考虑到管道的各种功能和使用的长期性，夹砂玻璃钢管的综合效益是最好的，特别是管径越大，成本越低，而且对于埋地管可连续使用几十年，无需年年检修，更可以发挥它优越的综合效益，具有很强的适用性。对于水泥管、铸铁管、夹砂玻璃钢管在不同口径管道下的输水能力、耗能比较（如表9）：注：1、计算有关的参数：混凝土：f=0.00232,m=2,b=5.33;铸铁管：f=0.00179,m=1.9,b=5.1;夹砂玻璃钢管：f=0.000915,m=1.77,b=4.77。2、沿程损失hf=fLQm/db。3、泵容：N=10Qhf/0.65,年耗电量：E=N8760度（kWh）。从表9数据可以看出，各种管道输水能力、耗能比较，夹砂玻璃钢管在沿程水头损失最小，年耗电量最少。夹砂玻璃钢管的沿程水头损失、年耗电量分别大约为水泥管的40%，铸铁管的50%。这种优势正是由夹砂玻璃钢的特性所决定的，具有其它管道无法比拟的优越性。在下表10中，列出了不同的管径的夹砂玻璃钢在常用流速范围内，管道的输水能力，其压力损失采用的是常用的哈森-威廉方程计算所得。由哈森-威廉公式，摩擦阻力系数f的计算为：f=194.62/(C1.852D1/6V0.148)Hf=fv2/(2Dg)式中CRPMP取150D管道计算内径V流速g重力加速度9.81m/s2 由表10的计算可以看出，对于同口径的夹砂玻璃钢管，流速增加，压力损失逐渐增大，但随着管径的逐渐增大，管道的压力损失会逐渐减小。所以，对于口径越大的夹砂玻璃钢管，其水力特性越好。 综上所述，夹砂玻璃钢管的广泛应用前景可观，具有良好的社会经济效益。 7 瞻望 经过多年的研制及应用的事实表明,我国的RPM管道工业发展比较缓慢,同工业发达国家相比,在原材料、工艺装备、技术管理、工程设计、产品标准、施工规范、应用范围等方面存在着很大的差距。7.1 原材料 7.1.1 树脂 国外管道用树脂性能高、品种全、系列化；间苯型不饱和聚