玻璃鋼夾砂管道設(shè)計及生產(chǎn)標準分析

賈海亮

（山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002）

1 玻璃鋼夾砂管道特點

隨著復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展，玻璃鋼管道大量用于化學(xué)和石油工業(yè)，并廣泛應(yīng)用于城市供水、排污、農(nóng)業(yè)灌溉等方面。

玻璃鋼管道具有以下特點：一是性能可設(shè)計。通過改變原材料的配方、比例及纖維排布規(guī)律，使管道滿足輸送不同介質(zhì)及不同壓強、溫度的要求。二是質(zhì)輕。玻璃鋼管道自重僅為鋼管的1/4，混凝土管的1/10，運輸和安裝費用較低。在建筑物內(nèi)安裝時，可減輕由管重引起的結(jié)構(gòu)荷載。三是易制成不同規(guī)格尺寸。由于復(fù)合材料成型工藝的特點，相比其他材料更易改變制品的規(guī)格尺寸。且單根管道較長，減少了安裝接頭數(shù)目，從而減少了可能導(dǎo)致工質(zhì)泄露的環(huán)節(jié)。四是耐腐蝕。對于有耐腐蝕要求的玻璃鋼管，可通過選用不同的纖維及加耐腐蝕內(nèi)襯來適應(yīng)所輸送的化學(xué)介質(zhì)的性質(zhì)。用玻璃鋼管道輸送稀酸類介質(zhì)，使用壽命比不銹鋼管長，價格僅為不銹鋼管的1/4～1/2。五是內(nèi)壁光滑、流體力學(xué)特性好。內(nèi)壁表面光潔度與模具接近流體阻力小。若采用泵輸送，在管徑和流量相同時，較其他材料管道可節(jié)能30%。

2 管道設(shè)計及技術(shù)標準

由于玻璃鋼夾砂管道在國內(nèi)發(fā)展時間較短，各項技術(shù)尚未成熟，因此，在玻璃鋼夾砂管道的標準制訂、管道設(shè)計、生產(chǎn)環(huán)節(jié)方面會出現(xiàn)一些問題。下面就玻璃鋼管道的設(shè)計及行內(nèi)通用的838標準進行探索，以期對玻璃鋼管道的改進和發(fā)展起到借鑒作用。

2.1 設(shè)計探索

通過設(shè)計，可以確定玻璃鋼夾砂管道的鋪層、厚度、玻璃纖維纏繞圈數(shù)等生產(chǎn)指標，從而達到指導(dǎo)生產(chǎn)的目的。玻璃鋼夾砂管道的設(shè)計可根據(jù)管道的實際工作條件來確定，其中玻璃纖維纏繞圈數(shù)及玻璃鋼夾砂管道的厚度是確定玻璃鋼力學(xué)結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵性指標。

2.1.1 玻璃鋼夾砂管道纖維的纏繞方式分析

目前，常采用的玻璃鋼夾砂管道纖維纏繞方式可分為環(huán)向纏繞、螺旋交叉纏繞和縱向纏繞，主要作用是分別提供環(huán)向拉伸強度和軸向拉伸強度。在纏繞方式的確定上，對于交叉纏繞（采用環(huán)向纏繞和螺旋交叉纏繞）和經(jīng)緯纏繞（采用環(huán)向纏繞和縱向纏繞）具有不同的理解，問題在于哪種纏繞方式使結(jié)構(gòu)更合理、更能節(jié)約材料、操作更便捷。

通過比較，在同等受力情況下，經(jīng)緯纏繞比螺旋交叉纏繞需要的玻璃纖維材料多，也就增加了玻璃纖維纏繞圈數(shù)、生產(chǎn)時間和設(shè)備運轉(zhuǎn)圈數(shù)。因此，螺旋交叉纏繞既可充分利用纖維的力學(xué)性能，又可使生產(chǎn)制作過程便捷。具體設(shè)計時，只要設(shè)計得當，可以起到節(jié)約材料、節(jié)約生產(chǎn)時間的效果。

設(shè)計時，應(yīng)先根據(jù)軸向強度要求，設(shè)計出螺旋纏繞層數(shù)，根據(jù)螺旋交叉層與纏繞角算出螺旋交叉層已提供的環(huán)向拉伸強度，再將管道所需的環(huán)向拉伸強度減去螺旋交叉層所提供的環(huán)向拉伸強度，其差值部分用于環(huán)向纏繞補足即可。

2.1.2 纖維纏繞角對管道強度的影響分析

目前，一般采用的纏繞角在52°～64°之間，生產(chǎn)中往往忽視了這一參數(shù)的確定，只是在此范圍內(nèi)使用一個差不多的角度，這種做法不可取。事實上，設(shè)計者必須給出明確的纏繞角，生產(chǎn)者必須按照設(shè)計的要求去生產(chǎn)。因為隨著管徑的增大，環(huán)向和軸向的強度要求增大，但環(huán)向強度的增加比軸向強度增加快得多。因此，具體設(shè)計時，大管徑一般采用大的纏繞角（在環(huán)向方向提供的分解應(yīng)力較快地增加），以降低環(huán)向纏繞圈數(shù)，達到提高管道性能、降低管道成本的效果。反之，小管徑的管道宜采用較小的纏繞角。所以，管道的最佳纏繞角應(yīng)根據(jù)環(huán)向和軸向的強度要求具體確定。

2.1.3 管道壁厚對管道剛度的影響分析

玻璃鋼管道環(huán)向剛度的計算公式為：

式中：Sn——管道環(huán)向剛度，Pa；

E——環(huán)向彎曲彈性模量，Pa；

I——單位長度管的環(huán)彎曲慣性矩，對于均勻壁厚管道，I=t3/12（t為管道的壁厚），m4/m；

D——平均管徑（管道直徑+管道壁厚），m。

從上式可以看出，影響管道環(huán)向剛度的因素有3個：環(huán)向彎曲彈性模量E，環(huán)彎曲慣性矩I（與管道壁厚t有關(guān)）和平均管徑D。對具體工程而言，管徑D及環(huán)向彎曲彈性模量E均已確定，能夠改變管道剛度的只有管道厚度。由于管道壁厚與管道剛度成3次方的關(guān)系，所以，厚度的增減都會引起剛度值的較大變化。因此，玻璃鋼管道的厚度無論是設(shè)計還是生產(chǎn)都應(yīng)嚴格控制。

2.2 生產(chǎn)標準不足之處及合理性分析

目前，玻璃鋼夾砂管道生產(chǎn)的標準主要有838標準和3079標準。由于這兩套標準均是1998年編制，隨著玻璃鋼夾砂管道的日益發(fā)展，當時編制的標準有些已不能很好地適用生產(chǎn)。下面以838標準為例，對其中不足之處進行分析。

2.2.1 環(huán)初始撓度的計算方法分析

838標準對撓曲水平中環(huán)初始撓度闡述見表1。

表1 環(huán)初始撓度表

以 5 000 N/m2為例，如果按 B=30×（1 250/5 000）計算，得出B=7.5，而表1給出的數(shù)值為20，可見前后相互矛盾，顯然下面給出的水平B的計算有問題。根據(jù)表1給出的一系列數(shù)據(jù)，來推算水平B的計算公式：

根據(jù)觀察，表中B為一等差數(shù)列：B1=30-5×0，B2=30-5×1，B3=30-5×2，B4=30-5×3，依此類推，設(shè)：Bn=30-5Xn，Xn=n-1，n=1，2，3……。表中剛度 Sn 為一等比數(shù)列：Sn1=1 250×20，Sn2=1 250×21，Sn3=1 250×22，Sn4=1 250×23，

依此類推，設(shè)：Snn=1 250×2Yn，Yn=n-1，n=1，2，3……。

比較 Xn和 Yn可得，Xn=Yn，

由 Snn=1 250×2Yn，可得：2Yn=Snn/1 250，Yn=log2（Snn/1 250），Bn=30-5Xn=30-5Yn=30-5log2（Snn/1 250）。

因此，撓曲水平B計算公式應(yīng)為：水平B=30-5log2（Sn/1 250）。其余剛度等級條件下應(yīng)該根據(jù)公式進行撓曲水平計算，而不能采用表1注釋中的計算方法。

2.2.2 管道夾砂層樹脂含量合理性分析

根據(jù)838標準的規(guī)定：夾砂層樹脂含量應(yīng)大于25%。由于近年來玻璃鋼夾砂管道發(fā)展迅速，特別是采用了合理級配的石英砂、濕夾砂的夾砂工藝后，夾砂層的樹脂含量已具備降低的可能性。調(diào)查顯示：國外最先進的生產(chǎn)廠家夾砂層樹脂含量最低僅14%，為838標準規(guī)定樹脂含量的56%。按照目前國內(nèi)的生產(chǎn)水平，在保證玻璃鋼管道性能不變的情況下，適當降低夾砂層平均樹脂含量的條件已經(jīng)具備，因此，838標準中對于夾砂層的樹脂含量要求應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)水平的發(fā)展與提高進行適當修正。

3 結(jié)語

通過對玻璃鋼管道設(shè)計及生產(chǎn)標準等環(huán)節(jié)問題的分析，可以得出如下結(jié)論：一是玻璃纖維采用螺旋交叉纏繞方式既可充分利用纖維的力學(xué)性能，又可使生產(chǎn)制作過程簡便，因此，螺旋纏繞方式是玻璃鋼管道生產(chǎn)中的最佳纏繞方式。二是不同的纏繞角提供不同的軸向及環(huán)向強度，實踐中可根據(jù)管道管徑尺寸及強度的要求精確設(shè)計纏繞角，以達到提高管道性能、降低管道成本的效果。三是由于管道壁厚與管道剛度成3次方的正比關(guān)系，厚度的些許增減會引起剛度值的靈敏變化。因此，玻璃鋼管壁的厚度無論是設(shè)計還是生產(chǎn)都需嚴格控制。四是管道生產(chǎn)廠家可以根據(jù)自身的實際生產(chǎn)能力適度降低管道夾砂層的平均樹脂含量。