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连续缠绕玻璃钢管技术说明


路通连续缠绕玻璃钢管技术说明

  国际上,玻璃钢纤维缠绕技术始于上世纪 40 年代,1946 年在美国申请专利。50 年代初期,开始制作玻璃钢管道,距今已有 70 余年的历史。目前,国际上玻璃钢管道工业发展很快,年产量日趋增加,以美国为例,年玻璃钢管道使用量 20000km ,且每年以 5% ~10%的速度递增。

  我国纤维缠绕工艺始于 1958 年,当时主要是为“两弹一星”国防建设服务的。最早应用于民用的玻璃钢管道以手糊及布带卷绕为主,这样生产的玻璃钢管道防渗性能差,质量不稳定,虽经多次试验,也未能在大范围内推广使用。80 年代末,我国首次引进玻璃钢管道定长缠绕设备,90 年代中期,我国首次引进全自动电脑控制的连续缠绕玻璃钢管生产线,从此,我国玻璃钢管道工业开始有了较快的发展。

  目前,连续缠绕工艺是夹砂管道的一种重要工艺方法,技术发展非常迅速,国际上在连续缠绕工艺用原材料设计、工艺装备、控制技术都日渐完善,连续缠绕工艺装备已具备高度自动化,产品性能稳定可靠,整个工艺技术已经形成了一套完整的体系。国内原来采用定长缠绕的厂家正在转型,开始采用连续缠绕工艺,随着国内装备水平、原材料标准、控制技术、在线检测等方面的逐步完善,连续缠绕技术将会成为国内夹砂管道制造技术的重要发展方向。

  泉州市路通管业科技有限公司以连续缠绕工艺生产玻璃纤维增强塑料夹砂管(俗称连续缠绕玻璃钢管)。该连续缠绕玻璃钢管专用生产线,是具有世界先进水平的全自动电脑控制连续缠绕玻璃纤维增强塑料夹砂管生产线,其制造技术集意大利 SARPLAST 近半个世纪的研究成果和经验积累,在国际玻璃钢管道领域处于领先地位。

  路通连续缠绕玻璃钢管作为一种性能优良的复合管材,除了具有重量轻、强度高、耐腐蚀、水力性能优良、可设计性强、质量稳定等其它管材所无法取代的优越性外,其综合经济效益和社会效益亦非常显著,在我国的市政建设、石油化工、水利灌溉、消防安全、海底排水、压力供水、水产养殖、污水处理等众多领域具有明显优势。

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1  生产工艺简介

1.1  连续缠绕原理

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如图所示,钢带以螺旋的形式覆盖在以主轴、支撑圆盘、铝梁组成的圆柱形轮毂上形成“模具”。钢带在主轴输出端通过钢带返回装置从主轴芯返回主轴另一端,再通过钢带张紧装置、钢带导向装置形成钢带闭环。随着主轴转动,钢带在凸轮、推进器的作用下连续轴向传送。改变支撑圆盘的规格可制造不同规格的管道。制管时,铺层设计依次为:内衬层、结构层和外表层。image.png

1.3  工艺流程简述

1.3.1 供料

内衬层:玻璃纤维表面毡连续不断的缠绕在模具上,短切纱均匀落在内衬供料区,经内衬树脂充分浸润,形成内衬层;

结构层:环向缠绕纱连续不断的缠绕在内衬层上,并将短切纱、石英纱紧紧包裹,经结构树脂浸润后交织成一体,形成结构层;

外表层:聚酯表面毡等外层纤维织物连续缠绕在结构层外,经树脂浸润,形成外保护层。

1.3.2 固化

制管和钢带模具一起进入固化炉,通过固化加热和固化监控,使其在炉内设定的位置点凝胶、固化放热,完成固化过程;

1.3.3 切割

制管达到计算机设定节长时,磨削切割跟踪系统自动启动,先磨削校准外圆,同时倒角切割,移出生产线;

1.3.4 水压试验

管道移出生产线后,进行水压试验。

2  套筒接头连接

路通连续缠绕玻璃钢管套筒接头性能独特、安全可靠。其采用专用设备和专有技术制造,可满足各种场合管道连接要求。

2.1  套筒接头结构

路通管套筒接头为内外两部分,外层为玻璃钢部分,承担机械强度,内层为全宽橡胶密封圈(三元乙丙橡胶),承担管道的密封。其间,采用燕尾槽式机械嵌固和界面剂化学粘接设计,由于几何形状的上下交错及界面的交联剂处理,结合牢固可靠。

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2.2  套筒接头密封材料

套筒接头密封圈采用三元乙丙橡胶材质。三元乙丙橡胶具有优异的耐天候、耐臭氧、耐热、耐酸碱、耐水蒸汽等性能,其耐腐蚀和密封性能与管同步,设计寿命 50 年以上。

2.3 套筒接头独特设计

橡胶密封圈采用倒顺牙式唇形密封设计,前唇厚实,起着压缩橡胶密封的作用;后唇较薄,起着水力密封的作用,其密封原理为压缩橡胶密封和水力密封相结合。由于全宽橡胶密封圈与玻璃钢外壳的牢固结合及密封唇的特殊设计,安装连接非常可靠、轻易,避免了传统承插形式的因“0”型圈易发生滚动而必须进行的接头逐个试压的繁琐操作。

2.4  套筒接头的安装

套筒接头的安装无需借助复杂的工装或大型机械,只需手板葫芦和吊装带,轻轻一拉,即可完成。装配力约为 1kg/mm(管径)。

2.5 套筒接头安装的随机性

安装便捷和现场安装随机性强是路通连续缠绕玻璃钢管套筒接头连接方式的突出特点。工程现场环境错综复杂,路通连续缠绕玻璃钢管可根据现场具体情随机截取一段,即可实施安装。方便的工程现场安装随机性,是传统玻璃钢承插口管不能实现的。

套筒接头由于其相对的独立性,可方便地实现与其它管材的连接。

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3  与其它材质的管特点对比

路通连续缠绕玻璃钢管,是以树脂为基体、玻璃纤维为增强材料、石英砂为填料,采用连续缠绕工艺技术而制成的,具有轻质高强、耐腐蚀、水力特性优良等众多特点。

对比其他材质的管材,特点突出、全面。例如在强度和刚度方面, 路通连续缠绕玻璃钢管和球墨铸铁管都具有优良的特性,相对而言,PE 管就较低些。从耐腐蚀性与使用寿命、水力特性、能耗、水质、运输、安装及价格等方面分析, 路通连续缠绕玻璃钢管和 PE 管都具有很好的特性,而球墨铸铁管相对差一些。因而,路通连续缠绕玻璃钢管与其它管材相比具有较强的优势。对比分析如下:

3.1  管材结构可设计性

路通管可以根据要求承受的内压和外压,以及现场具体的施工、使用条件进行管材最经济的结构工艺设计,工作压力从 0.1 MPa 到 2.5MPa;环刚度等级从2500N/m 2 到20000N/m 2 等。路通管可按照环向与轴向受力的不同,通过改变结构纤维铺层,使管道具有不同的环向强度与轴向强度,从而与受力状态相匹配。

球墨铸铁管和 PE 塑料管的压力等级仅为规定的几个级别,PE 塑料管的刚度等级一般仅有 4000Pa 和 8000Pa 两种,适用工程实际具有一定的局限性。

3.2  防腐性能与使用寿命

优良的防腐蚀性能是路通连续缠绕玻璃钢管最突出的优点之一,这不仅使得路通连续缠绕玻璃钢管在运行时无须任何维护,而且是确保路通连续缠绕玻璃钢管能使用 50 年寿命的重要因素(见 AWWA, ASTM 标准)。

尽管球墨铸铁管的耐腐蚀性能比钢管强,但球墨铸铁管在埋入地下运行时,管内水质、周围土壤、地下水,以及埋设地带附近是否存在电场等因素,均会使该管内外壁产生腐蚀。因此, GB/T 13295-2003《水及燃气管道用球墨铸铁管、管件和附件》标准规定:管体内外表面应涂覆沥青质或其他防腐材料。由于涂覆材料与球墨铸铁管材的材质不同,在长期运作中,受到气候冷热、水力冲击等作用,容易产生界面分层脱落,而逐步失去防腐涂覆层,从而使管的内表面铁分子产生氧化作用、电化学腐蚀等,必将减少使用寿命。

3.3  卫生性能

路通连续缠绕玻璃钢管的内衬采用食品级树脂,可确保水质达到国家标准,并可用于输送和贮存含氯的饮用水及生活用水。除此之外,在避光条件下的路通连续缠绕玻璃钢管的内壁不生长微生物,因此埋地的玻璃钢管可进一步确保自来水的质量。由于球墨铸铁管壁粗糙,难以达到和玻璃钢

管内壁的光滑性,且长期使用后会产生腐蚀,因而会生长微生物和结垢,从而影响水质。

3.4  耐磨性能

根据国外的对比试验,把含有大量泥浆、砂石的水装入管中进行旋转磨损影响对比试验,经 300 万次旋转后,管内壁的磨损深度如下:用焦油和瓷釉涂层的钢管为 0.53mm,用环氧树脂和焦油涂层的钢管为 0.52mm,经表面硬化处理的钢管为 0.48mm,玻璃钢管仅为 0.21mm。

3.5  水力性能

路通连管的内表面光滑、抗磨性能好、无腐蚀、无附着、不生藻,具有优良的水力性能,曼宁糙率系数n可达0.008,而预应力钢筒混凝土管的n值为0.013-0.014,铸铁管为0.013-0.014,因此,玻璃钢管能显著减少沿程的流体压力损失,提高输送能力,可带来显著的经济效益:

在输送能力相同时,工程可选用内径较小的玻璃钢管道,从而降低一次性的工程投入;

采用同等内径的管道,玻璃钢管道可比其他材质管道减少压头损失,节省泵送费用,减少长期运行费用。

在管径和水力坡度相同的情况下,路通连续缠绕玻璃钢管所输送的液体流量是铸铁管的1.62倍。

流  量  对  比

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从以上表中可以看到,在水力坡度和流量相同的情况,选用路通管要比球墨铸铁管管径低一个规格,如果选同样的管径,路通管的长期运行费用会低很多。

3.6  管道连接

路通连续缠绕玻璃钢管采用具有设计独特、性能安全可靠的套筒接头连接,可满足各种场合管道连接要求。其密封原理为压缩橡胶密封和水力密封相结合,在安装推力的作用下密封圈不会发生摩擦位移,安装十分安全、可靠、轻易,装配力约为1kg/ mm(管径)。由于套筒接头的独特优点,路通连续缠绕玻璃钢管现场安装随机性非常强。工程现场环境错综复杂,路通连续缠绕玻璃钢管可根据现场具体情况随机截取一段,即可实施安装,且安装速度较快,DN800 管道每天可安装 400 米,而球墨管每天只能安装200 米左右。PE 塑料管现场接口为熔融焊接,安装速度较慢,且焊接后,接口内外都会有凸出,影响水流量。

3.7  对“ 水锤效应” 适应能力强

水锤效应的大小是流体特性、流速、管材弹性模量、壁厚等的函数。路通连续缠绕玻璃钢管弹性模量低,对压力波的传播有衰减作用。因此对冲击压力适应能力强;而金属管道弹性模量高,压力波的量级所以很高,对冲击压力适应能力差。

3.8  运输、安装与维护方便

同管径同压力的路通连续缠绕玻璃钢管重量是球墨铸铁管的三分之一左右,这无疑给路通连续缠绕玻璃钢管的运输和安装提供了便利, 因而大大降低布管费用、组联费用、安装费用等。

路通连续缠绕玻璃钢管在运行过程中无须维护,而球墨铸铁管由于耐腐蚀性能差,需要不断采取防腐维护措施,有时还需采取阴极保护等措施。

4  同类管特点对比

目前玻璃钢管生产有三种工艺,即连续缠绕工艺、定长缠绕工艺和离心浇铸工艺。路通连续缠绕玻璃钢管采用连续缠绕工艺制造。其先进的生产设备和制造技术,及连续缠绕固有的工艺特点,决定了路通连续缠绕玻璃钢管与其它工艺管相比更加优越。三种管主要特点对比如下:

4.1  生产设备

4.1.1 连续缠绕玻璃钢管

路通连续缠绕玻璃钢管生产线有三大特点:自动化程度高;产品质量稳定;生产效率高。

4.1.1.1 自动化程度高表现为:

a. 的供料系统

制管所需玻璃纤维表面毡、树脂、短切纤维、石英砂、缠绕纤维及外表层聚酯毡全部通过其对应的设备置于计算机的集中控制下,准确地提供相应设计条件下的制管材料用量,确保制管设计参数的实现。

管子的设计要素—压力、厚度、刚度及相应的性能指标来源于材料的力学性能及相应的材料用量,并依据玻璃钢层合理论进行设计。譬如:树脂,它相对于缠绕 纤维 、短切纤维、石英砂、及其它材料都有科学的比例,以便于增强材料的充分浸润,从而获得优良的的玻璃钢结构。因此,具备先进、精良的设备供料系统是实现的产品设计意图、确保产品质量的必要条件。

b. 先进的固化系统

路通连续缠绕玻璃钢管的制造成形是内部复杂的化学反应过程伴随外部热辐射条件完成的。内部的化学反应依据材料准确的配比,依靠的供料系统保证;外部热辐射控制依靠生产线固化系统。固化系统以远红外加热板提供热辐射源,通过热辐射距的调整及热敏信息反馈系统自动调整内部化学反应过程不同阶段所需的热辐射温度,提供最佳固化条件。先进的生产线固化系统是获得管材良好固化度的条件,而只有具备良好的固化度才能达到管材长期性能的保持。

制管固化反应完成以后被连续送出。通过信息反馈系统以设定的节长切割、倒角并进行管端直径校准。自动移出生产线。高度自动化的生产线作为客观条件,造就了高品质的路通管。

4.1.1.2 产品质量稳定:

高度的生产线自动化排除了人为因素的干扰。生产线只须经最初的参数调整,便进入正常工作状态,以恒定的速度、设计的配方、设计的运行参数运行,连续不间断工作,直至最后一件产品的完成。生产线上各种工艺参数通过各种传感装置进行信息反馈、调整,确保生产线处于最佳运行状态。因此,产品的生产始终得到设备最佳运行状态的支持,产品质量稳定。

4.1.1.3 生产效率高:

以 DN800 的管为例:一天 24h 可生产 500m。可满足各种工程情况的需求。

4.1.2 定长缠绕管

定长缠绕管的石英砂浆层没有短切纤维增强,该层与长纤维的缠绕层也没有短切纤维的联系,造成层间强度低,在弯曲荷载的作用易出现分层失效,特别是采用湿法夹砂工艺的管道,其加砂采用的是裹砂工艺,即用兜砂布将预先与树脂混合的石英砂包裹在里边。由于树脂和石英砂预混时间短,树脂含量低,后续浸润石英砂所用树脂只有源自玻璃纤维缠绕层,极易造成层间树脂贫胶或砂层贫胶,造成夹砂层的缺陷,更加剧了管壁层间强度低的问题。

定长缠绕管是间歇式生产工艺,其生产线属于半自动化生产设备,单根管道可以达到 12m,产品质量的稳定性主要取决于操作工的熟练程度,而且生产效率低。定长缠绕管生产线的供料,是半自动化控制。纤维相对于芯模轴的铺放,铺放角受浸润槽的移动速度和转速之比控制,浸胶槽的平移运动由机电系统控制,但纤维、树脂、石英砂的配比全部由人工控制,没有准确的定量供料系统,其树脂含量、石英砂含量和壁厚的控制均为经验控制,造成产品质量不稳定,严重依赖操作工的技能水平和责任心。此外定长缠绕管的制造成形完全靠管自然聚合或简单的加热聚合,设备没有配备先进的聚合系统,其产品在线固化只是满足脱模需要,产品的全部固

化要离线完成,而脱离了加热固化手段,产品往往难以在常温下达到完全12 - 62固化,因此产品性能不稳定。这些原因综合起来造成了定长缠绕管的抗变形能力较差、抗冲击能力差,管材质量波动大。

4.1.3 离心浇铸管

离心浇铸管是将短切玻璃纤维、石英砂和树脂按比例喷到旋转的钢模中制成的。该工艺方法不能用连续玻璃纤维,因此机械性能差,抗裂纹扩展能力低,难以生产压力管。要提高管子的性能,只能靠增加管壁厚度。为了降低成本,其树脂添加碳酸钙填料,填料的增加,会造成挠曲水平降低,严重影响产品质量。

离心浇铸管是间歇式生产工艺,其生产线是全自动化生产设备,生产效率高,生产成本高,但制管所用玻璃纤维全部是短切纤维,没有长纤维,难以生产压力管。受设备的限制,离心浇铸管节长不超过 6m。

4.2  工艺技术

4.2.1 路通连续缠绕玻璃钢管工艺特点

广义的玻璃钢管管壁结构都是分为内衬、结构、外保护三层。但制造工艺不同,其内涵也截然不同。

4.2.1.1 管壁“3D 打印”成型:

管壁采用沿轴向布置原材料,每圈钢带即成型一层,通常管壁材料就是这样通过几十个薄层堆积而成,跟 3D 打印的原理一样,单个薄层的厚度越薄,其一体性越强,性能越优异;

4.2.1.2 全断面分布短切纤维:

短切纤维的添加一方面增强管轴向强度,另一方面起着管壁层间联系的作用。玻璃钢管是层合结构,层间结合非常重要,短切纤维具有较高吸附树脂的能力,是层间结合的最佳介面。路通管在环向缠绕纱层之间、在砂层内均分布有大量的短切纤维,管壁结构层的短切纤维含量不低于 8.5%,这些细密分布在管壁中的短切纤维将管壁连成整体,在完全浸润的情况下,管壁似均质管一样致密一体,因此管道的弯曲强度高,管壁截面抗渗能力强;

4.2.1.3 石英砂添加技术:石英砂的添加是为了增加管壁厚度,提高管刚度,它处于管壁的结构层。在路通管的结构层中,石英砂和短切纤维一起均匀添加到结构层每一个小的层间,与短切纤维、环向缠绕纤维交织在一起,并得到树脂充分的浸润,因而管壁结构浑然一体。这一特点完全不同于往复管的裹砂工艺;

4.2.1.4 管节长特点:生产线上管子的节长不受模具的限制,理论中可实现任意的节长。这样,就可更方便地满足客户的特殊需求。譬如:客户要求的 15 米、13 米、12 米乃至 3 米、6 米等节长,只要符合运输要求,均可得到满足。

4.2.1.5 套筒接头特点:路通管的连接系统---套筒接头,它设计独特,性能安全可靠,安装轻便、快捷,无需借助复杂的工装或大型机械。只需手板葫芦和钢绳,轻轻一拉,即可完成。装配力为 1kg/(mm 管径)。

4.2.1.6 现场安装特点:安装便捷和现场安装随机性强是路通管套筒接头连接方式的突出特点。工程现场环境错综复杂,路通管可根据现场具体情随机截取一段,即可实施安装。一个管件装上套筒接头就是承口。这样的工程现场安装随机性,是其它类型管不能实现的。

4.2.2 定长缠绕管工艺特点

定长缠绕管的加砂采用的是裹砂工艺,即用兜砂布将石英砂包裹在里边,夹砂层中既没有缠绕纤维,又没有吸附树脂能力强的短切纤维(短切纤维吸附树脂 70%,连续纤维吸附树脂40%),故而管壁层间结合力较差。定长缠绕管采用承插口连接。承口和插口是和管一体的,现场施工随机性较差,安装短管时需先将承口和插口截掉,再将短管与管线对接糊制。承插口密封圈采用“0”型圈,由于其易发生滚动,故而安装时必须进行接口试压。

4.2.3 离心浇铸管工艺特点

离心浇铸管是将短切玻璃纤维、石英砂和树脂按比例喷到旋转的钢模中制成的。该工艺方法只用短切纤维,不用连续玻璃纤维,机械性能差。要提高管子的性能,只能靠增加管壁厚度,工作压力相同时,三类管子中离心浇铸管壁厚最大,故而成本也。为了降低成本,其树脂添加碳酸钙填料,填料的增加,会造成挠曲水平降低。

4.3  三种成型工艺综合比较

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