玻璃钢聚氨酯保温管用于采暖工程的探讨

2019-05-30

从玻璃钢管和玻璃钢聚氨酯保温管的结构性能、优点及其施工方面论述了其在室外采暖工程中的应用。论述了玻璃钢管与玻璃钢聚氨酯保温管的结构性能与特点,以引起有关部门和同仁的关注。 玻璃钢(Fiber Reinforced Plastics,FRP)管道是我国玻璃钢行业中发展最

    从玻璃钢管和玻璃钢聚氨酯保温管的结构性能、优点及其施工方面论述了其在室外采暖工程中的应用。论述了玻璃钢管与玻璃钢聚氨酯保温管的结构性能与特点,以引起有关部门和同仁的关注。
    玻璃钢(Fiber Reinforced Plastics,FRP)管道是我国玻璃钢行业中发展最快的产品之一。 随着新产品、新技术不断涌现。 玻璃钢管道以其自身的优势,广泛应用于石油、化工、煤矿和城市建设给排水等各个领域。但玻璃钢管道在采暖工程中推广缓慢,使用量以及应用范围甚少。 事实上,从玻璃钢管道的结构、力学性能、物理化学性能以及管道施工、安装等各方面来看,玻璃钢管道应用于采暖工程完全可行且经济合理。 玻璃钢管道以其自身的优势,广泛应用于石油、化工、煤矿以及城市建设等各个领域,但在采暖工程中应用甚少。
1 玻璃钢聚氨酯保温管结构
    玻璃钢聚氨酯保温管道是以玻璃纤维缠绕玻璃钢管作为介质输送管道,以聚氨酯泡沫作为中间保温层,以玻璃纤维增强材料作为承受外压保护层的一种新型复合材料保温管道。 纤维缠绕玻璃钢聚氨酯保温管道可以通过改变树脂、添料和增强材料来调整玻璃钢管道的物理和化学性能,以适应不同介质和工作条件的需要,可以通过结构层厚度、缠绕角度和整体壁厚结构的设计来调整管道的承载能力,制成不同压力和不同工作条件下使用的玻璃钢聚氨酯保温管道,而通过增强聚氨酯泡沫保温层的强度,也可以提高管道力学性能。
    玻璃钢聚氨酯保温管从里向外由5 部分组成:内衬层,树脂质量分数大于70 %,主要起防腐蚀、防渗漏作用。 由于内衬层含有丰富的树脂,管道内壁光滑,且输送介质运行阻力小;结构层,也称强度层,厚度由结构计算而定,树脂质量分数35 %左右,是管道受力的承受层,承受着管壁的轴向、环向压力;表面层,厚度0.25~0.5 mm,主要起防止老化作用;保温层,聚氨酯硬质泡沫,对输送管道起着保温作用,厚度根据管径不同而异,一般情况下30~50 mm;外保护层,外保护层厚度在0.5 mm 左右,以保护聚氨酯保温层和耐外界环境的腐蚀并提高玻璃钢聚氨酯管道的耐候性。
2 技术性分析
    根据我国《采暖通风与空气调节设计规范》中关于采暖管道的要求,采暖管道的材质应根据采暖热媒的性质、管道敷设方式选用,并符合国家现行有关产品标准的规定。 一般情况下,民用建筑用热水作为采暖热媒,在室外通过直埋敷设或地沟架设的方式敷设。 室外采暖系统中,介质温度一般供水温度80~95 ℃,回水温度50~75℃,压力为0.5~1.0MPa,要求防腐、保温、不结垢。 长期以来玻璃钢管道作为中压或高压供水、输油管道技术上已经成熟,在管道承压设计方面及管道连接上无任何难题,玻璃钢管道应用于室外采暖工程主要是解决长期耐热性能与其引起的相关问题。
    玻璃钢管的长期耐热性主要表现在温度对力学性能的影响,普通玻璃钢长期在50~60℃以上使用时强度就有明显下降,但可以选择耐高温的树脂,使其长期在200~300℃下工作成为可能。 由于玻璃钢复合材料有设计性强的特点,可通过改变树脂、填料等,以获得不同温度下使用的管道。 现在我国对耐高温玻璃钢的研究也很多,耐高温玻璃钢管道已不是什么难题。 如采用改性呋喃树脂、酚醛树脂为主体树脂的玻璃钢管道,可长期在150 ℃以上工作,而用环氧/芳香胺体系树脂制成的玻璃钢管道可长期在120 ℃条件下工作,且在油田高压输油管道上已取得应用[6] 。 而用热水做热媒的采暖管道,工作温度并不是很高(一般温度在95 ℃以下),通过实验研究,完全可以设计出满足上述要求而又经济合理的管道。
3 与其他采暖用管道性能的比较
    玻璃钢管道与金属管道相比具有轻质、高强、耐腐蚀、寿命长、输送介质运行阻力小和可设计性强等优点,在一些发达的国家已将玻璃钢保温管取代传统的钢制管大面积应用于供暖工程。
    在国内建筑业目前室外工程采暖用管道大部分为钢管外加保温层和保护层,保温层一般用聚氨酯或岩棉,外保护层用玻璃钢或聚乙烯外套管(俗称黑夹克),也有部分热力工程用的保温管在保温层外面又加上一层钢管做保护层(也称之管中管)。 这些保温管在制作过程中均是将工艺重点放在了保温层或保护层上,忽略了作为工作管道的钢质管却存在着耐腐蚀性差、热力损失大、延伸率大须增加温度补偿器等缺点,而玻璃钢聚氨酯保温管却可弥补钢质管保温管道的上述缺陷。
表1 玻璃钢管和普通钢管性能比较
    表1 玻璃钢管和普通钢管性能比较
    通过表1 比较可以看出:
    3.1 普通的玻璃钢管道强度比钢质管道小,但密度远小于金属钢管,其强度远远超过钢质管道。 在管径相同情况下,单位长度玻璃钢管道重量通常只有碳素钢管的1/4,管道运输、安装十分方便,不仅降低了吊装费用,同时还降低工人的劳动强度,加快了安装速度,提高了劳动生产率。
    3.2 玻璃钢管道的热导率低,仅有钢管的1 %左右,是一种较好的绝热材料,与相同管径的钢质保温管道比较,其保温层厚度可相应变薄,再用聚氨酯硬质泡沫保温后,这种复合保温管具有优良的隔热保温性能。 而钢管的导热系数较高,热量散失大,在输送热力流体时,只能靠其外围的保温层进行保温,一旦保温层部分保护受损,热力不仅会顺着破损部分流失,而且还会对其它部位保温层造成剥离,损害。 据测算,玻璃钢聚氨酯保温管每公里温度降小于0.5 ℃,在采暖工程中研发和推广使用是一种理想的保温管道。
    3.3 弹性模量E 小。 在有温差工作时,玻璃钢管道所产生的热应力比钢管小得多,可无偿直埋敷设,不用加(或少加)温度补偿器。 热应力公式为
    σ=α·E·△t,
    其中:σ 为热应力;α 为线胀系数;E 为弹性模量;△t 为温度差。 由上式可知,在温差为95 ℃(管道工作时最大温差)时,玻璃钢因膨胀产生的热应力为α FRP= 2 ×10-5× 95 × 9 300=17。67(MPa),仅为其许用强度的11 %,而钢管因膨胀产生的热应力为αs = 1。21 ×10-5 × 95 × 2 × 104 =229。9(MPa),远远大于玻璃钢管道。
    3.4 玻璃钢管道内壁有丰富的树脂层且非常光滑,糙率和摩阻力很小,糙率系数远远小于钢管。 因此,玻璃钢管能显著减少沿程的流体压力损失,提高介质输送能力。 如当输水量相同时,所需的玻璃钢管道管径可至少小一个等级[7],则降低一次性的工程投入。 采用同等内径的管道,玻璃钢管道比钢管能减少压头损失,节省泵送费用,缩短泵送时间,周期成本费用低。
    3.5 玻璃钢管道耐腐蚀性能优良,能够耐酸、碱、盐,且能抵抗微生物,不会因腐蚀、老化、结垢等原因导致管道粗糙度增大;使用寿命可达30~50 a,且不需要定期保养。 而钢质管道耐腐蚀性差,使用寿命一般为15 a,还需要定期进行除锈、防腐等维修和维护工作。
    3.6 综合效益好。 综合效益是指由建设投资、安装维修费用、使用寿命、节能节钢等多种因素形成的总体成本长远效益。 小口径管道虽然玻璃钢管道价格比钢管价格高,但考虑到钢管的防腐处理,二者价格就会相差无几,大口径管道钢管比玻璃钢管造价还要贵。 即使是防腐处理,使用年限也比玻璃钢管短得多,再考虑到安装过程中玻璃钢管道施工简单,操作方便,施工费用较低,维护费用和运行费用也较低,而使用年限又长,从长期运行来看,玻璃钢管道的综合效益比钢管要好得多。
    在美国,每年有几十亿美元的花费在处理钢管腐蚀上,在我国,每年因管道腐蚀造成的损失也在几十亿元,由于钢管管道因腐蚀所造成能源与材料的消耗数字十分惊人,因此使用玻璃钢复合材料保温管不仅可以使企业获得最佳的经济效益,而且还可以推动其技术革新,推动市政和建筑业新材料、新产品的开发,将会带来巨大的经济效益和社会效益。
4 玻璃钢聚氨酯保温管运输与安装
    ①玻璃钢聚氨酯保温管道、管件在加工过程中容易受到技术、工艺、制造水平的影响,从而易形成产品缺陷,产品形成后在出厂前需经过多道工序验收,以免不合格产品进入施工现场。 另外在运输和搬运过程中,严格按规范装卸,以免产生脆性破坏。 ②管沟宽度由设计人员根据直埋钢管施工规范确定,沟底应平整连续,土质均匀。 如果沟底地基不均匀,应采取换填法将软弱土层换填处理,以免产生不均匀沉降使管道脆裂。③在管道施工前需要提前确定好管道长度及弯头、三通、阀门的精确位置,严格按照图纸设计进行定位放线,以免玻璃钢管道因现场开口不便而影响施工。 管道与管件连接方式有橡胶密封圈承插连接、承插式粘接、法兰盘连接等,不论采取那种连接方式,接口处都是薄弱环节,均须严格按照施工工艺进行操作。 ④管道试压可参照《建筑给水排水及采暖工程质量验收规范》及《热固型玻璃钢管道》进行。 试验压力为工作压力的1.5 倍,在试验压力下10 min 内压降不得大于0.05 MPa。 管道试压合格后,将接头处进行现场保温处理即可。⑤玻璃钢管道耐冲击性较差,在进行管道回填时,回填材料不得有含有大石块,以免砸伤管道;要求回填时管道两侧分层对称回填,以避免产生较大横向位移;若管道上方要承受外力如管道过路而埋深不够时,需要进行专门设计进行补强。
5 结语
    综上所述,玻璃钢聚氨酯保温管作为一种新型的建筑管材应用于室外采暖工程,充分显示其独特的优良性能。 由于玻璃钢管道的应用市场容量和发展潜力都很大,符合国家长远的产业发展方向,故玻璃钢聚氨酯保温管适宜大力推广使用。 在使用过程中,需要进一步提高管道制作和安装质量,不断总结经验,完善管道设计、生产、检测和施工各个环节的技术管理工作,以保证玻璃钢聚氨酯保温管长期可靠的运行。