夹砂玻璃钢管的施工设计

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1、夹砂玻璃钢管(RPMP)的制造、设计和施工作者：钟坚瑜 陈驰 上传：yeguiren 来源：水利工程网 2004-06-23 00:00一、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

2、.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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、，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。 表 1 各种材质的管道的性能 性能 RPMP 钢管 铸铁管 混凝土管 环向拉伸强度（Mpa） 360 4

8、80 150 2.1 轴向拉伸强度（Mpa） 55 480 135 2.1 比强度（Mpa） 200 61.5 20.8 0.8 热导系数（kcal/mh) 0.25 27.2 15.0 2.1 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，可以大大减少压力损失，节省泵的功率和能源。

9、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。10采用耐腐蚀快速接头。接头一般采用

10、两种连接方式：两道“O”形密封圈和反力弹性密封环（如图 1）。安装方便、可靠、密封性、耐腐性好，接头可在小角度的范围内任意调正管线的方向。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

11、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

12、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。 2.1 RPM 管的管壁内、外层结构、各层材料及作用 夹砂玻璃钢管从功能上分，可简化成五层，如图 2。 表 2 各层材料及作用 名称 材料 作用 外保护层 树脂 耐腐、耐候、防老化 增强层 玻纤、树脂 使管壁具有轴、环向的内外压 强度 结构层 玻纤、树脂、石英 砂 使管壁具有承受变形强度 内衬层 树脂、涤纶表面毡 耐腐、防渗、水力特性好 2.2 GRP 管的缠绕成型原理及制造设备 2.2.1 成型原理 纤维缠绕成型是在控制张力和预定线型的条件下,以浸有树脂胶液的连续玻璃纤维纱缠绕到芯模或模具上成型增强塑料制品的一

13、种方法。其缠绕成型原理如图 3 所示。 2.2.2 制造设备 定长长丝缠绕管工艺所用的设备按制作流程主要包括制衬机、固化装置、缠绕加砂机、脱模机、修整机五部分。下面主要介绍缠绕管设备原理。1.制衬机制衬机是制作管道内衬的设备，它由车头箱、模芯、车尾座、工作平台、工作小车、树脂喷涂机、电控柜等组成。车头箱由电动机通过减速器，联轴器提供芯模的旋转运动；工作小车的往复运动则通过小车的驱动装置沿工作平台导轨运行。芯模的转速与工作小车的运行速度的调节，由电控柜来控制。树脂喷涂机用来输送制衬时所需的树脂、固化剂。 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

14、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

15、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。2.3 RPM 管的制作过程 RPM 管的制作根据其成型的工

16、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/m 3-2000 Kg/m3 3.2 模量 最高轴