玻璃鋼夾砂管道設計及生產標準分析

賈海亮

（山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002）

1 玻璃鋼夾砂管道特點

隨著復合材料工業的發展，玻璃鋼管道大量用于化學和石油工業，并廣泛應用于城市供水、排污、農業灌溉等方面。

玻璃鋼管道具有以下特點：一是性能可設計。通過改變原材料的配方、比例及纖維排布規律，使管道滿足輸送不同介質及不同壓強、溫度的要求。二是質輕。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。在建筑物內安裝時，可減輕由管重引起的結構荷載。三是易制成不同規格尺寸。由于復合材料成型工藝的特點，相比其他材料更易改變制品的規格尺寸。且單根管道較長，減少了安裝接頭數目，從而減少了可能導致工質泄露的環節。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襯來適應所輸送的化學介質的性質。用玻璃鋼管道輸送稀酸類介質，使用壽命比不銹鋼管長，價格僅為不銹鋼管的1/4～1/2。五是內壁光滑、流體力學特性好。內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能30%。

2 管道設計及技術標準

由于玻璃鋼夾砂管道在國內發展時間較短，各項技術尚未成熟，因此，在玻璃鋼夾砂管道的標準制訂、管道設計、生產環節方面會出現一些問題。下面就玻璃鋼管道的設計及行內通用的838標準進行探索，以期對玻璃鋼管道的改進和發展起到借鑒作用。

2.1 設計探索

通過設計，可以確定玻璃鋼夾砂管道的鋪層、厚度、玻璃纖維纏繞圈數等生產指標，從而達到指導生產的目的。玻璃鋼夾砂管道的設計可根據管道的實際工作條件來確定，其中玻璃纖維纏繞圈數及玻璃鋼夾砂管道的厚度是確定玻璃鋼力學結構性能的關鍵性指標。

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向纏繞、螺旋交叉纏繞和縱向纏繞，主要作用是分別提供環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（采用環向纏繞和螺旋交叉纏繞）和經緯纏繞（采用環向纏繞和縱向纏繞）具有不同的理解，問題在于哪種纏繞方式使結構更合理、更能節約材料、操作更便捷。

通過比較，在同等受力情況下，經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、生產時間和設備運轉圈數。因此，螺旋交叉纏繞既可充分利用纖維的力學性能，又可使生產制作過程便捷。具體設計時，只要設計得當，可以起到節約材料、節約生產時間的效果。

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

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，生產中往往忽視了這一參數的確定，只是在此范圍內使用一個差不多的角度，這種做法不可取。事實上，設計者必須給出明確的纏繞角，生產者必須按照設計的要求去生產。因為隨著管徑的增大，環向和軸向的強度要求增大，但環向強度的增加比軸向強度增加快得多。因此，具體設計時，大管徑一般采用大的纏繞角（在環向方向提供的分解應力較快地增加），以降低環向纏繞圈數，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根據環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

玻璃鋼管道環向剛度的計算公式為：

式中：Sn——管道環向剛度，Pa；

E——環向彎曲彈性模量，Pa；

I——單位長度管的環彎曲慣性矩，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，影響管道環向剛度的因素有3個：環向彎曲彈性模量E，環彎曲慣性矩I（與管道壁厚t有關）和平均管徑D。對具體工程而言，管徑D及環向彎曲彈性模量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計還是生產都應嚴格控制。

2.2 生產標準不足之處及合理性分析

目前，玻璃鋼夾砂管道生產的標準主要有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展，當時編制的標準有些已不能很好地適用生產。下面以838標準為例，對其中不足之處進行分析。

2.2.1 環初始撓度的計算方法分析

838標準對撓曲水平中環初始撓度闡述見表1。

表1 環初始撓度表

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。根據表1給出的一系列數據，來推算水平B的計算公式：

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

依此類推，設：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計算公式應為：水平B=30-5log2（Sn/1 250）。其余剛度等級條件下應該根據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838標準的規定：夾砂層樹脂含量應大于25%。由于近年來玻璃鋼夾砂管道發展迅速，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。調查顯示：國外最先進的生產廠家夾砂層樹脂含量最低僅14%，為838標準規定樹脂含量的56%。按照目前國內的生產水平，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具備，因此，838標準中對于夾砂層的樹脂含量要求應根據生產水平的發展與提高進行適當修正。

3 結語

通過對玻璃鋼管道設計及生產標準等環節問題的分析，可以得出如下結論：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性能，又可使生產制作過程簡便，因此，螺旋纏繞方式是玻璃鋼管道生產中的最佳纏繞方式。二是不同的纏繞角提供不同的軸向及環向強度，實踐中可根據管道管徑尺寸及強度的要求精確設計纏繞角，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計還是生產都需嚴格控制。四是管道生產廠家可以根據自身的實際生產能力適度降低管道夾砂層的平均樹脂含量。