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                  玻璃鋼管道的技術特點及在我國的應用現狀分析

                  時間:2013-03-22  瀏覽:5896

                  1 前 言

                    國際上,纖維纏繞技術始于本世紀40年代,1946年在美國申請專利。50年代初期,開始制作玻璃鋼管道,距今已有40余年的歷史。目前,國際上玻璃鋼管道工業發展很快,年產量日趨增加,以美國為例,年玻璃鋼管道使用量10000km,且每年以5%~10%的速度遞增。
                     我國纖維纏繞工藝始于1958年,當時主要是為“兩彈一機”國防建設服務的。最早應用于民用的玻璃鋼管道以手糊及布帶卷繞為主,這樣生產的管道防滲性能差,質量不穩定,雖經多次試驗,也未能在大范圍內推廣使用。80年代末,我國首次引進玻璃鋼管道纏繞設備,從此,我國玻璃鋼管道工業真正開始了大發展。截至1997年,玻璃鋼管道纖維纏繞生產線已有133條。其中43條為引進生產線〔1〕,國際上一些著名公司也相繼在中國成立合資或獨資公司,國內部分廠家生產的玻璃鋼管道質量已經可以和國際上的產品相媲美,產品已多次出口。玻璃鋼管道工業在中國正處于大的發展期。
                     盡管如此,與我國巨大的管道市場相比.玻璃鋼管道所占份額仍很低,其原因關鍵在于尚有許多用戶對纏繞玻璃鋼管道的優良性能還不十分了解,對玻璃鋼管道在我國的應用現狀還缺乏足夠的認識,對選用玻璃鋼管道仍抱遲疑、觀望的態度。為此,本文對纏繞玻璃鋼管道的性能進行詳細分析,對其在我國的應用現狀進行總結,以期進一步推動我國玻璃鋼管道工業向前發展。

                  2 特 點

                  2.1 耐腐蝕性能好

                    纖維纏繞玻璃鋼管道結構上分內襯層、結構層及外保護層三部分。其中,內襯層樹脂含量高,一般在70%以上,其內表面富樹脂層樹脂含量高達95%左右。通過對內襯所用樹脂的選擇,可使玻璃鋼管道在輸送液體時具有不同的耐腐蝕性能,從而滿足不同的工作需要;對需外防腐的場合,只需對外保護層樹脂進行認真選擇,便也可達到不同外防腐的使用目的。
                     根據不同的腐蝕環境,可選用不同的防腐樹脂,主要包括:間苯型不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂、雙酚A樹脂、環氧樹脂及呋喃樹脂等,根據具體情況分別選用:對酸性環境,選用雙酚A樹脂、呋喃樹脂等;對堿性環境,選用乙烯基樹脂、環氧樹脂或呋喃樹脂等;對溶劑型使用環境,選用呋喃等樹脂;當酸、鹽、溶劑等腐蝕不是十分嚴重時,則可選用價格較為低廉的間苯型樹脂〔2〕。通過對內襯層不同樹脂的選擇,便可使玻璃鋼管道廣泛用于酸、堿、鹽、溶劑等工作環境中,表現出良好的耐腐蝕性能。

                  2.2 水力學性能優良

                    纏繞玻璃鋼管道內表面光滑,內壁絕對粗糙度僅為0.01 mm,遠小于鋼管及鑄鐵管的內壁粗糙度見表1〔3〕,屬水力學光滑管。

                  表1 不同管材內壁絕對粗糙度

                  管道類型 新鋼管 半新鋼管 舊鋼管 鑄鐵管 玻璃鋼管
                  粗糙度/mm 0.1~0.2 0.2~0.3 0.5~0.8 0.6~1.0 0.01

                  根據Hazen-Williams公式:

                    Hf=〔42.7Q/(C×D2.63〕1.852  (1)

                    對纏繞玻璃鋼管道和新碳素鋼管道進行計算比較:管內液體流量相同時,纏繞玻璃鋼管道輸送介質時所引起的壓頭損失僅為同管徑新碳素鋼管的0.856倍〔4〕。
                     另根據范寧公式

                   。2)

                    對纏繞玻璃鋼管道和鑄鐵管進行計算比較:當管內流體流速為1.0~2.0m/s時,管徑DN300~600mm的纏繞玻璃鋼管道輸送流體時引起的壓頭損失約為同口徑鑄鐵管的2/3~1/2〔5〕。
                     計算結果說明:纖維纏繞玻璃鋼管道的水力學性能優于鋼管或鑄鐵管。

                  2.3 重量輕,安裝、運輸方便

                    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,實際應用表明,在承受同樣內壓的前提下,同口徑、同長度的玻璃鋼管道,其重量約為鋼管的30%左右。正因如此,玻璃鋼管道在運輸時可套裝運輸,節省油耗及其它費用;安裝時,對中小口徑的玻璃鋼管道一般不需用重型機械,有的甚至可通過人工搬運,提高了安裝速度。

                  2.4 比強度高、力學性能合理

                    纏繞玻璃鋼管道軸向拉伸強度為160~320MPa,接近于鋼管,比強度更高,在結構設計時,管材自重可大幅度減輕,安裝十分容易。對比情況見表2。

                  表2 玻璃鋼管道與鋼管強度及比強度

                    材 料 比 重 拉伸強度
                  /MPa
                   比強度
                  /MPa
                   高級合金鋼 8 1280 160
                   A3 鋼 7.85 400 50
                   鑄 鐵 7.4 240 32
                   纏繞玻璃鋼 1.6 160~320 100~200

                  2.5 導熱系數低、熱應力小
                    玻璃鋼管道與鋼管熱性能數據對比見表3。

                  表3 玻璃鋼管道與鋼管熱性能參數對比

                  性能參數 玻璃鋼管道 鋼 管
                  導熱系數/W*(cm*℃)-1 0.27 62.8
                  熱膨脹系數/k-1 1.12×10-5 1.23×10-5
                  軸向熱應變之比 1.67 1
                  軸向熱應力之比 1 11


                    表中,熱應變及熱應力之比均為假設玻璃鋼管道與鋼管管長相同、管道兩端介質溫差相同情況下所推得的結果。從表中數據可以看出,玻璃鋼管道的導熱系數低,僅為鋼管的0.4%,因而具有較好的保溫性能,輸送介質時可以降低熱能損耗;另外,從表3還可以看出,當玻璃鋼管道與鋼管兩端有相同的熱溫差時,線脹系數略大于鋼管的玻璃鋼管道將產生較大的熱應變,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生的熱應力僅約為鋼管的1/11。也就是說,在實際使用中,鋼管需增加膨脹接頭以消除管線上的熱應力集中,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度6~12m,甚至更長,在長距離管線安裝時,所需接頭少,既能使流動水阻降低,也減少了施工費用,同時,管線因接頭多而發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,絕緣性能優良,可安全地應用于輸電、電信線路密集區和多雷區。

                  2.8 不生銹

                    鋼管、鑄鐵管在儲存、使用過程中,會因化學、電化學的作用產生局部電池反應,表面極易生銹,對輸送介質往往會產生污染,因而,常需對其表面進行特殊防銹、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,表面不會發生氧化銹蝕,無需處理,不會污染水質。

                  2.9 防污抗蛀

                    玻璃鋼管內壁潔凈光滑,難以被海水或污水中的甲貝、菌類等微生物玷污蛀附。而鋼管、鑄鐵管或鋼筋混凝土管內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,同時增大流動阻力,減少過水斷面積。

                  2.10 可設計性強

                    根據具體使用情況,可對管道的具體性能及形狀進行設計: ①可對纏繞時的纏繞角進行設計,以使管道具有不同的縱/環向強度分配; ②可對管道壁厚進行設計,以使管道可以承受不同的內外壓; ③可對材料進行設計,以達到不同的耐腐蝕目的、阻燃目的、介電目的等; ④可對接頭方式進行設計,適用不同的安裝條件,以提高工程安裝速度; ⑤可對產品形狀進行設計,以滿足具體的形狀需要。

                  3 應 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,壓力高,一般介于5~30MPa之間,對玻璃鋼而言,條件較為苛刻,國產的玻纖制品性能上很難滿足要求,生產此類管道所需玻纖需從國外進口。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內生產此類管道,并自1994年起應用于油田,己先后為大慶油田、吉林油田、勝利油田、長慶油田、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
                     油田生產過程中使用的大量管道中,80%的管道是用來輸送高含水油、油氣混輸及油田采出水。由于油田污水介質條件苛刻,如勝利油田采出的污水,其礦化度可達5.7×104 mg/L,含氯量可達3×104mg/L且還有溶解氧、CO2、硫化物等腐蝕性物質和硫酸鹽還原菌,因而,對金屬管道的腐蝕相當嚴重。選用鋼質管道最快在投產后3個月就開始穿孔〔6〕,一年報廢是常有的事。所以,1983年勝利油田開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大批量生產,很快便受到了油田的普遍歡迎,國內幾個大的油田,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,僅地面應用工程中就使用了近30km〔7〕,從而,在過去的幾年里,油田成了玻璃鋼管道的一個非常重要的應用市場。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,輸送的介質溫度最高達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,油田系統會同玻璃鋼廠家及有關設計、科研院所,每兩年舉行一次“玻璃鋼管道在油田應用技術推廣會”,中國石油天然氣總公司從油田實際出發,參照美國石油工業協會的玻璃鋼管道標準API Spec 15LR“Specification for Low Pressure Fiberglass Line Pipe”編制“低壓玻璃纖維管線管”技術規范,以進一步規范和推動纏繞玻璃鋼管道在我國油田的應用。

                  3.2 化 工

                    在我國,玻璃鋼管道于60年代率先在化工領域應用,但當時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DN 800mm輸送鹽鹵的玻璃鋼管道,為玻璃鋼管道在化工領域的大范圍應用起了開路先鋒及示范作用。自進入90年代以來,玻璃鋼管道在化工領域應用面越來越廣,雖然在少量場合玻璃鋼管道使用時也曾出現過問題,但總的狀況良好。迄今,已得到了化工領域的普遍認可,國內眾多化工企業或工程均大量選用了玻璃鋼管道,如:中國五環化工公司、岳陽化工總廠、上海石化滌綸廠、錦化化工集團、蘇州化工集團、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;ゎI域選用玻璃鋼管道呈上升趨勢。根據預測,至2000年,化工領域約需用3萬t/a玻璃鋼,其中,很大一部分為管道,到2010年,用于化工防腐領域的玻璃鋼將以每年百分之十幾的速度遞增,增長速度高于其它領域,應用前景廣闊。
                     目前,我國應用于化工領域的玻璃鋼管道大多用作工藝管線及長距離輸送管線;ゎI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,涉及的介質條件包括了酸、堿、鹽、溶劑、酸堿交替等各個方面。

                  3.3 給排水

                    1985年,在深圳與香港之間鋪設輸水管線,其中香港一側用的是從英國購進的玻璃鋼管,直徑分別為DN2200mm、DN1700mm,總長50km,這是我國在給排水領域首次使用玻璃鋼管道,近幾年來,由于食品級樹脂在我國已批量生產,且質量穩定,解決了玻璃鋼管道用于供水時的衛生要求,再加上玻璃鋼加砂管道的出現,降低了管道制作成本,所以,玻璃鋼管道用于給排水領域呈上升趨勢,市場競爭激烈。據報導:1994年,長9km的大慶西水源至宏偉化工區所用DN800mm輸水管線、1995年,長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17km DN300mm、DN400mm、DN600mm供水管線、尚志長14km DN500mm、吉林農安長5.1km DN500mm的供水管線,盤錦乙烯公司長30km加工用水管道,以及其它如杭州市區DN600mm主輸水管線等均為玻璃鋼制造。另外,湖北崇陽長約10km DN700mm的飲用水輸水管線正在安裝中,江蘇太倉市區長約15km DN1200mm的玻璃鋼排水管線也正在規劃與建設中。
                     用于給水領域的玻璃鋼管道大多為中、小口徑,用于排水領域的大多為大、中口徑,給排水時壓力一般均很低,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域。隨著我國經濟的發展,市政建設的發展,玻璃鋼管道在此領域的應用將會越來越多。

                  3.4 電 站

                    玻璃鋼管道應用于電站始于80年代中、末期,當時,西藏羊八井地熱電站選用了日本生產的玻璃鋼管道用于循環地熱水;?诎l電廠選用了長24m、DN1600mm的玻璃鋼管道循環發電機冷卻用水。之后,1990年、1992年,西藏羊八井地熱電站在二、三期擴建中再次選用了近500萬元的玻璃鋼管道,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中,選用了DN 1800mm、DN2800mm玻璃鋼管道,合同總價約1000萬元;1997年,深圳西水電廠選用了近200萬元DN100~1200mm計七種規格的玻璃鋼管道,另外,湛江市發電廠、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水管、化水管、補給水管、雨水管及海水脫硫管,它的使用目前正處于方興未艾階段,但由于在我國現階段,電站(廠)建設數量有限,再加上玻璃鋼管道的諸多優點尚未被電力行業所認識和接受,所以,在玻璃鋼管道的整個應用中,此部分市場尚未占據很大份額,但有很大市場潛力可挖。

                  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可承受抽撥所產生的負壓,不會產生分層;另外,玻璃鋼管道重量輕,吊裝方便,且通過設計可抵抗不同的風壓與震載,抗老化性能也十分優異,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具有很大潛力的市場之一。

                  3.6 其 它

                    玻璃鋼管道在我國除用于上述五大應用領域外,在造紙、制革、食品、通風等領域也有不同程度的使用,使用的范圍正變得越來越廣。但所有這些領域選用玻璃鋼管道的數量尚十分有限,因而,玻璃鋼管道在這些領域的應用仍有待進一步開拓。

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