夹砂玻璃钢管RPMP的制造设计和施工.docx
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夹砂玻璃钢管RPMP的制造设计和施工
夹砂玻璃钢管（RPMP）的制造、设计和施工
摘要 本文从夹砂玻璃钢管道的发展趋势、国内外的制造和应用状况，管道的结构、制造设备及步骤，管道的基本性能、水力学特性，管道的包装、维护和保养以及所产生的社会经济效益等诸方面进行了评述；同时，对玻璃钢管道的发展提出了瞻望。
关键词夹砂玻璃钢管管道应用
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。
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，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。
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。
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1/4—1/5，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，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。
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360480150
轴向拉伸强度55480135
比强度200
热导系数输水管道的特点，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，可以大大减少压头损失，节省泵的功率和能源。
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。
接头一般采用两种连接方式：
两道“O”形密封圈和反力弹性密封环。
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，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;
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、最有代表性的是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。
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
GRP管的缠绕成型原理及制造设备
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种方法。
其缠绕成型原理如图3所示。
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。
RPM管的制作过程
RPM管的制作根据其成型的工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:
比重
1900Kg/m3-2000Kg/m3
模量
最高轴向拉伸弹性模量12500Mpa
最高环向拉伸弹性模量25000Mpa
环向、轴向拉伸强度
初始环向拉伸、轴向拉伸强度如表3。
表3最小初始环向、轴向拉伸强度
公称
内径
初始环向拉伸强度
初始轴向拉伸强度
2001503606009601001001001002501884507501200100100100123300225540900144010010010714140030072012001920100102132176500375900150024001021191562116004501080180028801021361802467005251260210033601021522042818006001440240038401021692283169006751620270043201221862523511000750180030004800137203276387110082519803300528015922030043012009002160360057601612363254571400105025204200672018227037352715001125270045007200201291403550160012002880480076802203034215981800135032405400864023833746966820001500360060009600260370517738220016503960660010560280404566809240018004320720011520322437614879260019504680780012480340471 300022505400900014400400567 330023255940990015840430624 3600270064801080017200480681
最小极限应变
环向拉伸初始—%
50年—%
环向弯曲初始—%
50年—%
轴向拉伸初始—%
泊桑比—
刚度
夹砂玻璃纤维热固性树脂管，在一定的外部荷载下，不会因外力引起变形而发生结构破坏，它的性能受管壁因外力或内压引起的应变量的影响。
可允许的应变量级，又受树脂类型和生产方法等变量因素的影响。
因此，必须控制管道的变形，保证应变量不能过大。
刚度表述的是管道对外部荷载和内部负压的承受能力，其值可用规定长度的管段，在规定的限量变形下求得。
计算公式：
S=×F/⊿YN/m2
F=W/LxN/m
⊿Y=dm×规定的相对变形m
W-荷载N
Lx-管段长度m
Dm=De-e
De-管外径m
e-管壁厚m
对地下埋设管来说，作用在埋设管上方的回填土荷载及活动荷载，将引起管道垂直方向减小，水平方向直径增大，发生所谓的椭圆化作用。
在管道发生椭圆化的过程中，管壁水平侧向外移，引起管道两侧土壤的被动阻力，这种阻力有利于管道对外荷载的支承。
回填被动阻力的大小，决定于土壤的类型、土壤的密度、土壤的覆盖深度以及有无地下水等因素。
土壤被动阻力越大，管道的变形就越小。
因此，对地下管而言，正确的施工技术，就是要尽可能增加土壤的被动阻力，以防止管道的过大变形。
管道的刚度表示管道抵抗外部土载、活载、水压及负压等能力，初始环向刚度符合表4要求。
表4初始环向刚度
刚度等级
SN2500
SN5000
SN10000
N/m2
≥2500
≥5000
≥10000
（ASTM）Psi
≥18
≥36
≥72
松弛
同其它许多工程材料一样，RPM管也有松弛性,它是由长期实验得出的。
松弛性是用来确定安全工作载荷，例如刚度比：
SRA=长期刚度/短期刚度10年50年非压力管压力管
增强的和非增强的塑料制品，标准的制定是以这种材料在应力作用下发生蠕变为前提，由于有蠕变发生，就导致这种材料的物理性能将随时间的增加有所变化。
因此，通常是以50年的强度为产品制造设计基础。
最大使用条件
夹砂玻璃钢管在80℃以下的温度，PH值在可以连续输送生活用水、废水、污水或废料。
如超出以上范围应根据实际需要更换树脂。
耐侯性及热效应
RPM管可长期露天储放，对其结构无任何影响，只是表面有些轻微粗糙。
热膨胀系数一般为：
轴向---3×10-5/℃
环向---2×10-5/℃
非压力管--2×10-5/℃
压力管—×10-5/℃
水力粗糙度
在不同水力计算公式中的有关系数
ColebrookWhite粗糙度系数K=
HazenWilliams系数c=150~155
Manningsn=
说明：
以上数据是由中科院测试而得的。
水力学性能
管道内表面很光滑，粗糙率和摩擦阻力都很小。
计算水力学所用的哈森-威廉系数C可以长期保持在150-155的范围内，由哈森-威廉方程算出的压头损失远比混凝土管和钢管要小，提高输送水能力20%以上。
因此在输送能力相同情况下，工程上可以采用内径较小的玻璃钢管代替，从而降低一次性的工程投入。
如四川省某一供水工程原设计采用铸铁管管径为DN450，改用夹砂玻璃钢管后，经设计单位计算只需采用管径为DN300的管道就可以满足使用要求，管径减少了22%；相反，若采用同等内径的玻璃钢夹砂管可比其它材质管减少压头损失，节省泵的功率和能源，从而减少长期的运行费用。
下面即是常用计算压力损失的哈森-威廉公式：
hf=[/（c）（）]
其中：
hf-压力损失
Q-流量
c-粗糙度系数150-155
d-公称直径表5钢管可用RPM管代替的口径
钢管
可缩至相应RPM管的口径
DN350
DN300
DN400
DN350
DN500
DN450
DN600
DN550
DN700
DN600
DN800
DN700
DN900
DN800
DN1000
DN900
DN1100
DN1000
DN1200
DN1100
DN1300
DN1200
DN1400
DN1200
DN1500
DN1300
DN1600
DN1400
DN1800
DN1600
DN2000
DN1800
DN2200
DN1900
DN2400
DN2100
DN2500
DN2200
四、RPM管配件
定型管配件的配定
RPM管的定型管配件常见的主要有四种:
弯头、三通、法兰短节、异径管。
其结构示意图如图4、尺寸配定如表6。
表6配件尺寸参数公称内径
尺寸参数
E
R
CADHLDN200
700
300
600300800600DN250
700
375
600300800600DN3007504506003001000600900DN350
900
525
6003001000600900DN400
1100
600
6003501200600900DN450
1100
675
75035013006001000DN500
1150
750
75037514007501100DN600
1400
900
80040015007501250DN700
1500
1050
80042515007501250DN800
1570
1170
80045016007501300DN900
1600
1200
90047518007501300DN1000
1450
1270
100050019007501350DN1100
1550
1320
100052520007501350DN1200
1600
1370
100052520007501400DN1400
1700
1450
110057525007501700DN1500
1900
1570
110065026007501750
DN1600
2000
1670
1200
675
2700
750
1450DN1800
2200
1870
120077528007501800DN2000
2400
2070
130080030007502150DN2200
2600
2270
14008753000750 DN2400
2800
2470
15009003500750 DN2600
3000
2670
160010003600800 DN3000
3400
3070
180012004000800 DN3300
3700
3370
190014004500800 DN3600
4000
3670
2000150048001000 DN4000
4400
4070
2200160052001000
注：
以上尺寸根据实际安装情况等可能有变动。
现场制作的配件
在管道安装的过程中,往往根据实际情况需要现场制作管配件。
这种常见的管道配件也如上几种，而与定型配件所不同的是，配件的有关具体尺寸是根据现场管线的相对位置测量出来的。
这种现场制作出来的管配件安装起来更方便、更迅速。
五、RPM管的包装、保养、维护
管道的包装
管道在生产完毕后，经过严格地检验确认为合格品，方才能对其进行包装。
产品包装时应按产品特性要求一般采用单根两端用草绳、草片、草包等方式包装。
谨防管道在运输过程中，相互之间发生碰撞，而磨损管道外壁及端口。
特别是对于管道、管件带法兰包装时，应注意对法兰的端面水线及密封面进行保护，防止被磨损。
管道的吊装
在对管道装卸的过程中,仍需对管道加以控制,严禁使用钢丝绳或其它硬质物,应该使用软绳或软质带吊装。
采用机械装卸时，用两个支撑点，可以使其它更容易控制，管道的支撑点也可以只有一个，但切不可用绳子贯穿其两端来装卸管道。
吊装时应轻吊轻放，严禁抛投。
管道的运输
在管道的施工现场,如有必要进行运输的话,管道的底部嵌入木楔使之保持稳定,确保没有两根管道相接触的情况发生。
装运管道的最高高度为2米，使用柔韧的带子或绳子将它们固定在运输工具上，千万不要用没有衬垫的钢丝或链条以免使管道发生磨损。
另外，最大挠曲量不要超过%，因为在极限值以内的情况下会导致管道的损坏。
管道的存放
夹砂玻璃钢管，象其它所有石油化学产品制成的管道一样是可燃的，所以建议不应将它放置在热源暴露的地方。
在安装过程中，必须小心谨慎以防止管道暴露在电焊的火星和切割的火焰及热/火/电源的附近。
当现场用挥发性或易燃材料进行修补管道或接头时，这些预防措施是非常重要的。
当管道直接放于地上时，注意地面要平坦，不能有石块和容易引起管道损坏的尖利物体，所有的管道需加垫
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