玻璃鋼管道技術(shù)應(yīng)用研究論文

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摘要：本文介紹了纏繞玻璃鋼管道的技術(shù)特點(diǎn)，并對(duì)其在我國(guó)石油、化工等領(lǐng)域的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼管道

TECHNICALPROPERTIESAND

APPLICATIONSTATUSOFFW-FRPPIPESINCHINA

Abstract：InthispaperthetechnicalpropertiersofFW-FRPpipesaredescribedandtheapplicationsofFRPpipesinChinaaresummerized.

Keywords:FW-FRPpipespropertiesapplication

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(zhuān)利。50年代初期，開(kāi)始制作玻璃鋼管道，距今已有40余年的歷史。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〔1〕，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〔2〕。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0.01mm，遠(yuǎn)小于鋼管及鑄鐵管的內(nèi)壁粗糙度見(jiàn)表1〔3〕，屬水力學(xué)光滑管。

表1不同管材內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度

管道類(lèi)型新鋼管半新鋼管舊鋼管鑄鐵管玻璃鋼管

粗糙度/mm0.1～0.20.2～0.30.5～0.80.6～1.00.01

根據(jù)Hazen-Williams公式：

Hf=〔42．7Q/（C×D2.63〕1.852(1)

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〔4〕。

另根據(jù)范寧公式

（2）

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1．0～2．0m/s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〔5〕。

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1/4～1/5，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。

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〔4〕。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：12～16kV/mm，體積電阻率：～1014Ω．cm，表面電阻率：～1011Ω，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(lèi)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。

3應(yīng)用

3．1油田

(1)高壓管道

油田所用的高壓管道主要包括注水管和油井管等，管徑較小，大多在DN50～200mm范圍內(nèi)，壓力高，一般介于5～30MPa之間，對(duì)玻璃鋼而言，條件較為苛刻，國(guó)產(chǎn)的玻纖制品性能上很難滿足要求，生產(chǎn)此類(lèi)管道所需玻纖需從國(guó)外進(jìn)口。目前，僅有中外合資哈爾濱史密斯玻璃鋼制品有限公司在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)此類(lèi)管道，并自1994年起應(yīng)用于油田，己先后為大慶油田、吉林油田、勝利油田、長(zhǎng)慶油田、遼河油田等提供了幾十公里的高壓玻璃鋼管道。

(2)中、低壓玻璃鋼管道

油田生產(chǎn)過(guò)程中使用的大量管道中，80％的管道是用來(lái)輸送高含水油、油氣混輸及油田采出水。由于油田污水介質(zhì)條件苛刻，如勝利油田采出的污水，其礦化度可達(dá)5．7×104mg/L，含氯量可達(dá)3×104mg/L且還有溶解氧、CO2、硫化物等腐蝕性物質(zhì)和硫酸鹽還原菌，因而，對(duì)金屬管道的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。選用鋼質(zhì)管道最快在投產(chǎn)后3個(gè)月就開(kāi)始穿孔〔6〕，一年報(bào)廢是常有的事。所以，1983年勝利油田開(kāi)始嘗試使用具有良好耐腐蝕性能的玻璃鋼管道作為鋼管替代品，80年代未、90年代初，纖維纏繞玻璃鋼管道在我國(guó)大批量生產(chǎn)，很快便受到了油田的普遍歡迎，國(guó)內(nèi)幾個(gè)大的油田，如勝利油田、遼河油田、中原油田、大慶油田、克拉瑪依油田、江漢油田等均大量采用了中低壓纏繞玻璃鋼管道，青海的孕斯油田、江蘇的江都油田、河北的華北油田，青海的格爾木油田等也不同程度地使用了中低壓纏繞玻璃鋼管道。青海的孕斯油田僅在1990年就使用了20km，勝利油田在1991～1992年期間，僅地面應(yīng)用工程中就使用了近30km〔7〕，從而，在過(guò)去的幾年里，油田成了玻璃鋼管道的一個(gè)非常重要的應(yīng)用市場(chǎng)。油田目前使用的中低壓玻璃鋼管道已近千公里，其選用的管徑大多介于DN50～700mm之間，輸送的介質(zhì)溫度最高達(dá)78℃左右，壓力一般為0．1～1．6MPa。

為了確保纏繞玻璃鋼管道能更好地為油田服務(wù)，油田系統(tǒng)會(huì)同玻璃鋼廠家及有關(guān)設(shè)計(jì)、科研院所，每?jī)赡昱e行一次“玻璃鋼管道在油田應(yīng)用技術(shù)推廣會(huì)”，中國(guó)石油天然氣總公司從油田實(shí)際出發(fā)，參照美國(guó)石油工業(yè)協(xié)會(huì)的玻璃鋼管道標(biāo)準(zhǔn)APISpec15LR“SpecificationforLowPressureFiberglassLinePipe”編制“低壓玻璃纖維管線管”技術(shù)規(guī)范，以進(jìn)一步規(guī)范和推動(dòng)纏繞玻璃鋼管道在我國(guó)油田的應(yīng)用。

3．2化工

在我國(guó)，玻璃鋼管道于60年代率先在化工領(lǐng)域應(yīng)用，但當(dāng)時(shí)的玻璃鋼管道主要以布帶纏繞和手糊成型為主，防滲性能差，所以，在化工領(lǐng)域并未被大量推廣使用，1988年，哈爾濱玻璃鋼研究所等單位為青海格爾木鹽湖成功地加工制作了DN800mm輸送鹽鹵的玻璃鋼管道，為玻璃鋼管道在化工領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用起了開(kāi)路先鋒及示范作用。自進(jìn)入90年代以來(lái)，玻璃鋼管道在化工領(lǐng)域應(yīng)用面越來(lái)越廣，雖然在少量場(chǎng)合玻璃鋼管道使用時(shí)也曾出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題，但總的狀況良好。迄今，已得到了化工領(lǐng)域的普遍認(rèn)可，國(guó)內(nèi)眾多化工企業(yè)或工程均大量選用了玻璃鋼管道，如：中國(guó)五環(huán)化工公司、岳陽(yáng)化工總廠、上海石化滌綸廠、錦化化工集團(tuán)、蘇州化工集團(tuán)、湖北化工廠、青島山青化工有限公司、青海格爾木鉀肥廠等單位及湖北黃麥嶺磷肥工程、大峪口礦肥工程、重慶鈦白粉工程、銅陵金隆工程等大的工程。化工領(lǐng)域選用玻璃鋼管道呈上升趨勢(shì)。根據(jù)預(yù)測(cè)，至2000年，化工領(lǐng)域約需用3萬(wàn)t/a玻璃鋼，其中，很大一部分為管道，到2010年，用于化工防腐領(lǐng)域的玻璃鋼將以每年百分之十幾的速度遞增，增長(zhǎng)速度高于其它領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。

目前，我國(guó)應(yīng)用于化工領(lǐng)域的玻璃鋼管道大多用作工藝管線及長(zhǎng)距離輸送管線。化工領(lǐng)域使用的玻璃鋼管管徑一般較小，大多在DN800mm以下，壓力從常壓至4.0MPa不等，溫度：-40～l00℃。由于化工廠家眾多，所以，涉及的介質(zhì)條件包括了酸、堿、鹽、溶劑、酸堿交替等各個(gè)方面。

3．3給排水

1985年，在深圳與香港之間鋪設(shè)輸水管線，其中香港一側(cè)用的是從英國(guó)購(gòu)進(jìn)的玻璃鋼管，直徑分別為DN2200mm、DN1700mm，總長(zhǎng)50km，這是我國(guó)在給排水領(lǐng)域首次使用玻璃鋼管道，近幾年來(lái)，由于食品級(jí)樹(shù)脂在我國(guó)已批量生產(chǎn)，且質(zhì)量穩(wěn)定，解決了玻璃鋼管道用于供水時(shí)的衛(wèi)生要求，再加上玻璃鋼加砂管道的出現(xiàn)，降低了管道制作成本，所以，玻璃鋼管道用于給排水領(lǐng)域呈上升趨勢(shì)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。據(jù)報(bào)導(dǎo)：1994年，長(zhǎng)9km的大慶西水源至宏偉化工區(qū)所用DN800mm輸水管線、1995年，長(zhǎng)5km的自貢供水工程及北京市政工程約70km的DN900mm、DN700mm、DN600mm管線、1996年，吉林永吉長(zhǎng)17kmDN300mm、DN400mm、DN600mm供水管線、尚志長(zhǎng)14kmDN500mm、吉林農(nóng)安長(zhǎng)5.1kmDN500mm的供水管線，盤(pán)錦乙烯公司長(zhǎng)30km加工用水管道，以及其它如杭州市區(qū)DN600mm主輸水管線等均為玻璃鋼制造。另外，湖北崇陽(yáng)長(zhǎng)約10kmDN700mm的飲用水輸水管線正在安裝中，江蘇太倉(cāng)市區(qū)長(zhǎng)約15kmDN1200mm的玻璃鋼排水管線也正在規(guī)劃與建設(shè)中。

用于給水領(lǐng)域的玻璃鋼管道大多為中、小口徑，用于排水領(lǐng)域的大多為大、中口徑，給排水時(shí)壓力一般均很低，所以，耐腐蝕性能好、重量輕、安裝方便、水力性能優(yōu)異、但一般不能承受高壓力的（加砂）玻璃鋼管道尤其適用于此領(lǐng)域。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，市政建設(shè)的發(fā)展，玻璃鋼管道在此領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多。

3．4電站

玻璃鋼管道應(yīng)用于電站始于80年代中、末期，當(dāng)時(shí)，西藏羊八井地?zé)犭娬具x用了日本生產(chǎn)的玻璃鋼管道用于循環(huán)地?zé)崴缓？诎l(fā)電廠選用了長(zhǎng)24m、DN1600mm的玻璃鋼管道循環(huán)發(fā)電機(jī)冷卻用水。之后，1990年、1992年，西藏羊八井地?zé)犭娬驹诙⑷跀U(kuò)建中再次選用了近500萬(wàn)元的玻璃鋼管道，管徑從DN500至DN900mm不等，這些管道使用至今，狀況良好。1996年，秦山核電站在二期建設(shè)中，選用了DN1800mm、DN2800mm玻璃鋼管道，合同總價(jià)約1000萬(wàn)元；1997年，深圳西水電廠選用了近200萬(wàn)元DN100～1200mm計(jì)七種規(guī)格的玻璃鋼管道，另外,湛江市發(fā)電廠、寶雞第二電廠等單位也選用了玻璃鋼管道。

電站（廠）選用玻璃鋼管道一般用作循環(huán)水管、化水管、補(bǔ)給水管、雨水管及海水脫硫管，它的使用目前正處于方興未艾階段，但由于在我國(guó)現(xiàn)階段，電站(廠）建設(shè)數(shù)量有限，再加上玻璃鋼管道的諸多優(yōu)點(diǎn)尚未被電力行業(yè)所認(rèn)識(shí)和接受，所以，在玻璃鋼管道的整個(gè)應(yīng)用中，此部分市場(chǎng)尚未占據(jù)很大份額，但有很大市場(chǎng)潛力可挖。

3．5抽拔腐蝕性氣體煙囪

玻璃鋼管道由于是整體成型，所以，在用作煙囪抽拔腐蝕性氣體時(shí)可承受抽撥所產(chǎn)生的負(fù)壓，不會(huì)產(chǎn)生分層；另外，玻璃鋼管道重量輕，吊裝方便，且通過(guò)設(shè)計(jì)可抵抗不同的風(fēng)壓與震載，抗老化性能也十分優(yōu)異，所以，玻璃鋼管道是一種較為理想的煙囪用管材。1991年，甘肅404鈦白粉工程使用的47m高、DN2800mm、DN3200mm煙囪;1994年，黃麥嶺磷銨工程使用的100m高DN2200mm煙囪；1995年，河北深州磷銨廠以及秦山核電站即將使用的DN3000mm煙囪均為玻璃鋼管道制成。玻璃鋼管道用作煙囪、用于抽拔腐蝕性氣體是一個(gè)具有很大潛力的市場(chǎng)之一。

3.6其它

玻璃鋼管道在我國(guó)除用于上述五大應(yīng)用領(lǐng)域外，在造紙、制革、食品、通風(fēng)等領(lǐng)域也有不同程度的使用，使用的范圍正變得越來(lái)越廣。但所有這些領(lǐng)域選用玻璃鋼管道的數(shù)量尚十分有限，因而，玻璃鋼管道在這些領(lǐng)域的應(yīng)用仍有待進(jìn)一步開(kāi)拓。

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