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玻璃钢管道的技术特点及在我国的应用现状分析

时间:2013-03-22  浏览:806

1 前 言

  国际上,纤维缠绕技术始于本世纪40年代,1946年在美国申请专利。50年代初期,开始制作玻璃钢管道,距今已有40余年的历史。目前,国际上玻璃钢管道工业发展很快,年产量日趋增加,以美国为例,年玻璃钢管道使用量10000km,且每年以5%~10%的速度递增。
   我国纤维缠绕工艺始于1958年,当时主要是为“两弹一机”国防建设服务的。最早应用于民用的玻璃钢管道以手糊及布带卷绕为主,这样生产的管道防渗性能差,质量不稳定,虽经多次试验,也未能在大范围内推广使用。80年代末,我国首次引进玻璃钢管道缠绕设备,从此,我国玻璃钢管道工业真正开始了大发展。截至1997年,玻璃钢管道纤维缠绕生产线已有133条。其中43条为引进生产线〔1〕,国际上一些著名公司也相继在中国成立合资或独资公司,国内部分厂家生产的玻璃钢管道质量已经可以和国际上的产品相媲美,产品已多次出口。玻璃钢管道工业在中国正处于大的发展期。
   尽管如此,与我国巨大的管道市场相比.玻璃钢管道所占份额仍很低,其原因关键在于尚有许多用户对缠绕玻璃钢管道的优良性能还不十分了解,对玻璃钢管道在我国的应用现状还缺乏足够的认识,对选用玻璃钢管道仍抱迟疑、观望的态度。为此,本文对缠绕玻璃钢管道的性能进行详细分析,对其在我国的应用现状进行总结,以期进一步推动我国玻璃钢管道工业向前发展。

2 特 点

2.1 耐腐蚀性能好

  纤维缠绕玻璃钢管道结构上分内衬层、结构层及外保护层三部分。其中,内衬层树脂含量高,一般在70%以上,其内表面富树脂层树脂含量高达95%左右。通过对内衬所用树脂的选择,可使玻璃钢管道在输送液体时具有不同的耐腐蚀性能,从而满足不同的工作需要;对需外防腐的场合,只需对外保护层树脂进行认真选择,便也可达到不同外防腐的使用目的。
   根据不同的腐蚀环境,可选用不同的防腐树脂,主要包括:间苯型不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、双酚A树脂、环氧树脂及呋喃树脂等,根据具体情况分别选用:对酸性环境,选用双酚A树脂、呋喃树脂等;对碱性环境,选用乙烯基树脂、环氧树脂或呋喃树脂等;对溶剂型使用环境,选用呋喃等树脂;当酸、盐、溶剂等腐蚀不是十分严重时,则可选用价格较为低廉的间苯型树脂〔2〕。通过对内衬层不同树脂的选择,便可使玻璃钢管道广泛用于酸、碱、盐、溶剂等工作环境中,表现出良好的耐腐蚀性能。

2.2 水力学性能优良

  缠绕玻璃钢管道内表面光滑,内壁绝对粗糙度仅为0.01 mm,远小于钢管及铸铁管的内壁粗糙度见表1〔3〕,属水力学光滑管。

表1 不同管材内壁绝对粗糙度

管道类型 新钢管 半新钢管 旧钢管 铸铁管 玻璃钢管
粗糙度/mm 0.1~0.2 0.2~0.3 0.5~0.8 0.6~1.0 0.01

根据Hazen-Williams公式:

  Hf=〔42.7Q/(C×D2.63〕1.852  (1)

  对缠绕玻璃钢管道和新碳素钢管道进行计算比较:管内液体流量相同时,缠绕玻璃钢管道输送介质时所引起的压头损失仅为同管径新碳素钢管的0.856倍〔4〕。
   另根据范宁公式

  (2)

  对缠绕玻璃钢管道和铸铁管进行计算比较:当管内流体流速为1.0~2.0m/s时,管径DN300~600mm的缠绕玻璃钢管道输送流体时引起的压头损失约为同口径铸铁管的2/3~1/2〔5〕。
   计算结果说明:纤维缠绕玻璃钢管道的水力学性能优于钢管或铸铁管。

2.3 重量轻,安装、运输方便

  玻璃钢管道比重约为1.6左右,仅是钢管或铸铁管的1/4~1/5,实际应用表明,在承受同样内压的前提下,同口径、同长度的玻璃钢管道,其重量约为钢管的30%左右。正因如此,玻璃钢管道在运输时可套装运输,节省油耗及其它费用;安装时,对中小口径的玻璃钢管道一般不需用重型机械,有的甚至可通过人工搬运,提高了安装速度。

2.4 比强度高、力学性能合理

  缠绕玻璃钢管道轴向拉伸强度为160~320MPa,接近于钢管,比强度更高,在结构设计时,管材自重可大幅度减轻,安装十分容易。对比情况见表2。

表2 玻璃钢管道与钢管强度及比强度

  材 料 比 重 拉伸强度
/MPa
 比强度
/MPa
 高级合金钢 8 1280 160
 A3 钢 7.85 400 50
 铸 铁 7.4 240 32
 缠绕玻璃钢 1.6 160~320 100~200

2.5 导热系数低、热应力小
  玻璃钢管道与钢管热性能数据对比见表3。

表3 玻璃钢管道与钢管热性能参数对比

性能参数 玻璃钢管道 钢 管
导热系数/W*(cm*℃)-1 0.27 62.8
热膨胀系数/k-1 1.12×10-5 1.23×10-5
轴向热应变之比 1.67 1
轴向热应力之比 1 11


  表中,热应变及热应力之比均为假设玻璃钢管道与钢管管长相同、管道两端介质温差相同情况下所推得的结果。从表中数据可以看出,玻璃钢管道的导热系数低,仅为钢管的0.4%,因而具有较好的保温性能,输送介质时可以降低热能损耗;另外,从表3还可以看出,当玻璃钢管道与钢管两端有相同的热温差时,线胀系数略大于钢管的玻璃钢管道将产生较大的热应变,但由于玻璃钢管道的轴向拉伸模量约11.2GPa,钢管的模量为210GPa,所以,温差在玻璃钢管道上产生的热应力仅约为钢管的1/11。也就是说,在实际使用中,钢管需增加膨胀接头以消除管线上的热应力集中,玻璃钢管一般却可以不予考虑〔4〕。玻璃钢管道的热线胀系数使得它具有良好的抗热耐寒特性,可在地表、地下、架空、海底、沙漠、冰冻、潮湿等各种恶劣环境中使用。
2.6 接头少、连接方式多样灵活

  缠绕玻璃钢管道单管长度6~12m,甚至更长,在长距离管线安装时,所需接头少,既能使流动水阻降低,也减少了施工费用,同时,管线因接头多而发生渗漏的可能性也较钢管大为降低。另外,缠绕玻璃钢管道的接头方式有多种,主要包括:承插胶接、平端对接、(活套)法兰连接、(带锁紧装置)O形圈连接、螺纹连接等,可根据具体施工条件,灵活选择接头方式,从而提高了工程的可靠性。

2.7 电绝缘性能好

  钢管、铸铁管均为电的良导体。玻璃钢管道却是绝缘体,击穿电压:12~16kV/mm,体积电阻率:~1014Ω.cm,表面电阻率:~1011Ω,绝缘性能优良,可安全地应用于输电、电信线路密集区和多雷区。

2.8 不生锈

  钢管、铸铁管在储存、使用过程中,会因化学、电化学的作用产生局部电池反应,表面极易生锈,对输送介质往往会产生污染,因而,常需对其表面进行特殊防锈、除锈处理;纤维缠绕玻璃钢管道由于是由非金属材料制成,电极电位高,表面不会发生氧化锈蚀,无需处理,不会污染水质。

2.9 防污抗蛀

  玻璃钢管内壁洁净光滑,难以被海水或污水中的甲贝、菌类等微生物玷污蛀附。而钢管、铸铁管或钢筋混凝土管内表面却很容易被甲贝、牡蛎等附蛀寄生,且极难清除,增大粗糙率,使有效管径缩小,同时增大流动阻力,减少过水断面积。

2.10 可设计性强

  根据具体使用情况,可对管道的具体性能及形状进行设计: ①可对缠绕时的缠绕角进行设计,以使管道具有不同的纵/环向强度分配; ②可对管道壁厚进行设计,以使管道可以承受不同的内外压; ③可对材料进行设计,以达到不同的耐腐蚀目的、阻燃目的、介电目的等; ④可对接头方式进行设计,适用不同的安装条件,以提高工程安装速度; ⑤可对产品形状进行设计,以满足具体的形状需要。

3 应 用

3.1 油 田

  (1)高压管道
   油田所用的高压管道主要包括注水管和油井管等,管径较小,大多在DN50~200mm范围内,压力高,一般介于5~30MPa之间,对玻璃钢而言,条件较为苛刻,国产的玻纤制品性能上很难满足要求,生产此类管道所需玻纤需从国外进口。目前,仅有中外合资哈尔滨史密斯玻璃钢制品有限公司在国内生产此类管道,并自1994年起应用于油田,己先后为大庆油田、吉林油田、胜利油田、长庆油田、辽河油田等提供了几十公里的高压玻璃钢管道。
   (2)中、低压玻璃钢管道
   油田生产过程中使用的大量管道中,80%的管道是用来输送高含水油、油气混输及油田采出水。由于油田污水介质条件苛刻,如胜利油田采出的污水,其矿化度可达5.7×104 mg/L,含氯量可达3×104mg/L且还有溶解氧、CO2、硫化物等腐蚀性物质和硫酸盐还原菌,因而,对金属管道的腐蚀相当严重。选用钢质管道最快在投产后3个月就开始穿孔〔6〕,一年报废是常有的事。所以,1983年胜利油田开始尝试使用具有良好耐腐蚀性能的玻璃钢管道作为钢管替代品,80年代未、90年代初,纤维缠绕玻璃钢管道在我国大批量生产,很快便受到了油田的普遍欢迎,国内几个大的油田,如胜利油田、辽河油田、中原油田、大庆油田、克拉玛依油田、江汉油田等均大量采用了中低压缠绕玻璃钢管道,青海的孕斯油田、江苏的江都油田、河北的华北油田,青海的格尔木油田等也不同程度地使用了中低压缠绕玻璃钢管道。青海的孕斯油田仅在1990年就使用了20km,胜利油田在1991~1992年期间,仅地面应用工程中就使用了近30km〔7〕,从而,在过去的几年里,油田成了玻璃钢管道的一个非常重要的应用市场。油田目前使用的中低压玻璃钢管道已近千公里,其选用的管径大多介于DN50~700mm之间,输送的介质温度最高达78℃左右,压力一般为0.1~1.6MPa。
   为了确保缠绕玻璃钢管道能更好地为油田服务,油田系统会同玻璃钢厂家及有关设计、科研院所,每两年举行一次“玻璃钢管道在油田应用技术推广会”,中国石油天然气总公司从油田实际出发,参照美国石油工业协会的玻璃钢管道标准API Spec 15LR“Specification for Low Pressure Fiberglass Line Pipe”编制“低压玻璃纤维管线管”技术规范,以进一步规范和推动缠绕玻璃钢管道在我国油田的应用。

3.2 化 工

  在我国,玻璃钢管道于60年代率先在化工领域应用,但当时的玻璃钢管道主要以布带缠绕和手糊成型为主,防渗性能差,所以,在化工领域并未被大量推广使用,1988年,哈尔滨玻璃钢研究所等单位为青海格尔木盐湖成功地加工制作了DN 800mm输送盐卤的玻璃钢管道,为玻璃钢管道在化工领域的大范围应用起了开路先锋及示范作用。自进入90年代以来,玻璃钢管道在化工领域应用面越来越广,虽然在少量场合玻璃钢管道使用时也曾出现过问题,但总的状况良好。迄今,已得到了化工领域的普遍认可,国内众多化工企业或工程均大量选用了玻璃钢管道,如:中国五环化工公司、岳阳化工总厂、上海石化涤纶厂、锦化化工集团、苏州化工集团、湖北化工厂、青岛山青化工有限公司、青海格尔木钾肥厂等单位及湖北黄麦岭磷肥工程、大峪口矿肥工程、重庆钛白粉工程、铜陵金隆工程等大的工程。化工领域选用玻璃钢管道呈上升趋势。根据预测,至2000年,化工领域约需用3万t/a玻璃钢,其中,很大一部分为管道,到2010年,用于化工防腐领域的玻璃钢将以每年百分之十几的速度递增,增长速度高于其它领域,应用前景广阔。
   目前,我国应用于化工领域的玻璃钢管道大多用作工艺管线及长距离输送管线。化工领域使用的玻璃钢管管径一般较小,大多在DN800mm以下,压力从常压至4.0MPa不等,温度:-40~l00℃。由于化工厂家众多,所以,涉及的介质条件包括了酸、碱、盐、溶剂、酸碱交替等各个方面。

3.3 给排水

  1985年,在深圳与香港之间铺设输水管线,其中香港一侧用的是从英国购进的玻璃钢管,直径分别为DN2200mm、DN1700mm,总长50km,这是我国在给排水领域首次使用玻璃钢管道,近几年来,由于食品级树脂在我国已批量生产,且质量稳定,解决了玻璃钢管道用于供水时的卫生要求,再加上玻璃钢加砂管道的出现,降低了管道制作成本,所以,玻璃钢管道用于给排水领域呈上升趋势,市场竞争激烈。据报导:1994年,长9km的大庆西水源至宏伟化工区所用DN800mm输水管线、1995年,长5km的自贡供水工程及北京市政工程约70km的DN900mm、DN700mm、DN600mm管线、1996年,吉林永吉长17km DN300mm、DN400mm、DN600mm供水管线、尚志长14km DN500mm、吉林农安长5.1km DN500mm的供水管线,盘锦乙烯公司长30km加工用水管道,以及其它如杭州市区DN600mm主输水管线等均为玻璃钢制造。另外,湖北崇阳长约10km DN700mm的饮用水输水管线正在安装中,江苏太仓市区长约15km DN1200mm的玻璃钢排水管线也正在规划与建设中。
   用于给水领域的玻璃钢管道大多为中、小口径,用于排水领域的大多为大、中口径,给排水时压力一般均很低,所以,耐腐蚀性能好、重量轻、安装方便、水力性能优异、但一般不能承受高压力的(加砂)玻璃钢管道尤其适用于此领域。随着我国经济的发展,市政建设的发展,玻璃钢管道在此领域的应用将会越来越多。

3.4 电 站

  玻璃钢管道应用于电站始于80年代中、末期,当时,西藏羊八井地热电站选用了日本生产的玻璃钢管道用于循环地热水;海口发电厂选用了长24m、DN1600mm的玻璃钢管道循环发电机冷却用水。之后,1990年、1992年,西藏羊八井地热电站在二、三期扩建中再次选用了近500万元的玻璃钢管道,管径从DN500至DN900mm不等,这些管道使用至今,状况良好。1996年,秦山核电站在二期建设中,选用了DN 1800mm、DN2800mm玻璃钢管道,合同总价约1000万元;1997年,深圳西水电厂选用了近200万元DN100~1200mm计七种规格的玻璃钢管道,另外,湛江市发电厂、宝鸡第二电厂等单位也选用了玻璃钢管道。
   电站(厂)选用玻璃钢管道一般用作循环水管、化水管、补给水管、雨水管及海水脱硫管,它的使用目前正处于方兴未艾阶段,但由于在我国现阶段,电站(厂)建设数量有限,再加上玻璃钢管道的诸多优点尚未被电力行业所认识和接受,所以,在玻璃钢管道的整个应用中,此部分市场尚未占据很大份额,但有很大市场潜力可挖。

3.5 抽拔腐蚀性气体烟囱

  玻璃钢管道由于是整体成型,所以,在用作烟囱抽拔腐蚀性气体时可承受抽拨所产生的负压,不会产生分层;另外,玻璃钢管道重量轻,吊装方便,且通过设计可抵抗不同的风压与震载,抗老化性能也十分优异,所以,玻璃钢管道是一种较为理想的烟囱用管材。1991年,甘肃404钛白粉工程使用的47m高、DN2800mm、DN3200mm烟囱;1994年,黄麦岭磷铵工程使用的100m高DN2200mm烟囱;1995年,河北深州磷铵厂以及秦山核电站即将使用的DN3000mm烟囱均为玻璃钢管道制成。玻璃钢管道用作烟囱、用于抽拔腐蚀性气体是一个具有很大潜力的市场之一。

3.6 其 它

  玻璃钢管道在我国除用于上述五大应用领域外,在造纸、制革、食品、通风等领域也有不同程度的使用,使用的范围正变得越来越广。但所有这些领域选用玻璃钢管道的数量尚十分有限,因而,玻璃钢管道在这些领域的应用仍有待进一步开拓。

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