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1、玻璃钢加砂管道应用于给排水工程的经济分析一,产品简介 1,夹砂玻璃钢管道的发展 纤维缠绕玻璃钢管(以下简称FRP管),诞生于1948年,1950年第一根聚酯FRP管用于石油工业,并逐步用于化学工业和军用工业.1954年,FRP管实现商品化生产,从此诞生了FRP管道工业. 五十年代是FRP管的幼年时期,这个时期的特点是应用领域相继拓宽,化学,石油及各个工业领域都在试验应用FRP管道,应用的结果证明,FRP管道的耐腐蚀性能比传统材料好得多,轻质高强,安装维修费用低,使用寿命长,运行周期内的总成本也比传统材料低,显示出了一系列的突出优点,从而为FRP管道工业的发展打下了良好的基础. 七十年代,美国给
2、水工程协会颁布了玻璃钢管标准AWWA C950,从而FRP管道工业进入工业化大规模生产阶段,产业基本形成,其后该标准经过了多次修订和补充,最新的95年版被认为是世界上最权威的玻璃钢管标准,得到广泛认同和采用.八十年代,FRP管道已经是通用的FRP制品.其中以FRP管为主的防腐市场仅次于汽车工业和建筑,位列第三.FRP管的生产和应用已完全成熟. 纤维缠绕夹砂玻璃钢管诞生于七十年代,夹砂管的出现,是对玻璃钢管大规模推广应用的一大促进.纯纤维缠绕玻璃钢管的优点是比重小,强度高,耐腐蚀性能优良.但其应用于工程中时,常表现为壁厚薄,强度富裕量大,刚度低,造价高,从而在很多领域的应用受到了限制.夹砂玻璃钢
3、管是在纯玻璃钢管的中间,引入树脂砂浆层,形成新的层合结构体,从而在保留原玻璃钢管道所有优点的基础上,既提高了刚度,又降低了工程造价.在低内压高外压的FRP管工程实例中,外压作用下的管壁中心附近区域的正压力很小,由树脂砂浆层承担,而高的应力区则由位于管壁两侧的纯纤维缠绕区承担.充分体现了复合材料的可设计性和物尽其能的特点.因此在全世界范围内得到了迅速发展,现在在大口径FRP管道中绝大多数为该种结构工艺.2,玻璃钢管道的构造在玻璃钢中,拉伸强度很高的玻璃纤维起着增强作用,而耐压耐磨性较强的合成树脂则作为基体材料粘结纤维,使其起共同的成型和承载作用.玻璃钢管道的管壁结构,通常由两部分组成:结构层由按
4、设计缠绕角交叉缠绕的连续玻璃纤维粗纱作为增强骨架,以邻苯型或间苯型不饱和聚酯树脂作为粘结基体.其中,玻璃纤维的重量约占65-70%,树脂的重量约占30-35%.为加强结构刚度,在玻璃纤维缠绕层中间,可以增加树脂砂浆层.内衬层为防腐防渗层,由两部分组成内表面层是跟介质接触的最内层,为耐蚀和第一道防渗层,树脂含量在90%左右.次内层由短切纤维织物增强,耐蚀树脂组成,含胶量可达70%以上,约2mm左右,是防止介质渗透的第二道屏障玻璃钢管的连接,一般采用承插式或法兰对接,以优质橡胶密封圈作止水防漏.3,纤维缠绕夹砂玻璃钢管的优点与其他材质的管道比较,玻璃钢管道具有以下一些显著的优点:1)耐腐蚀性好,对
5、水质无影响:玻璃钢管道能抵抗酸,碱,盐,海水,未经处理的污水,腐蚀性土壤或地下水及众多化学流体的侵蚀.比传统管材的使用寿命长,其设计使用寿命一般为50年以上.对夹砂玻璃钢管道而言,更多的是在市政,城市输配管网方面的应用,由于其具有无毒,无锈,无味,对水质无二次污染,无需防腐,使用寿命大大延长,安装简便等优点,因此,受到了给排水行业的欢迎.2)防污抗蛀:不饱和聚酯树脂的表面洁净光滑,不会被海洋或污水中的甲贝,菌类等微生物玷污蛀附,以致增大糙率,减少过水断面,增加维护费用.玻璃钢管道无这些污染,长期使用洁净如初.3)耐热性,抗冻性好:在-30状态下,仍具有良好的韧性和极高的强度,可在-50-80的
6、范围内长期使用,采用特殊配方的树脂还可在110以上的温度工作.4)自重轻,强度高,运输安装方便:采用纤维缠绕生产的夹砂玻璃钢管道,其比重在1.65-2.0,只有钢的1/4,但玻璃钢管的环向拉伸强度为180-300MPa,轴向拉伸强度为60-150MPa,近似合金钢.因此,其比强度(强度/比重)是合金钢的2-3倍,这样它就可以按用户的不同要求,设计成满足各类承受内,外压力要求的管道.对于相同管径的单重,FRP管只有碳素钢管(钢板卷管)的1/2.5,铸铁管的1/3.5,预应力钢筋水泥管的1/8左右,因此运输安装十分方便.玻璃钢管道每节长度12米,比混凝土管可减少三分之二的接头.它的承插连接方式,安
7、装快捷简便,同时降低了吊装费用,提高了安装速度.5)摩擦阻力小,输送能力高:玻璃钢管内壁非常光滑,糙率和摩阻力很小.糙率系数为0.0084,而混凝土管的n值为0.014,铸铁管为0.013,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.因此,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.可缩短泵送时间,减少长期运行费用.6)电,热绝缘性好:玻璃钢是非导体,管道的电绝缘性特优,绝缘电阻在1012-1015.cm,最适应使用于输电,电信线路密集区和多雷区;玻璃钢
8、的传热系数很小,只有0.23,是钢的5,管道的保温性能优异. 7)耐磨性好:把含有大量泥浆,沙石的水,装入管子中进行旋转磨损影响对比试验.经300万次旋转后,检测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,玻璃钢管为0.21mm.由此可以说明其相当耐磨.8)维护费用低:玻璃钢管由于上述的耐腐,耐磨和抗冻和抗污等性能,因此工程不需要进行防锈,防污,绝缘,保温等措施和检修.对地埋管无需作阴极保护,可节约工程维护费用70%以上.9)适应性强:玻璃钢管可根据用户的各种特定要求,诸如不同的流量,不同的压力,不同
9、的埋深和载荷情况,设计制造成不同压力等级和刚度等级的管道.10)工程寿命长,安全可靠.据实验室的模拟试验表明:玻璃钢管道寿命可长达50年以上.11)工程综合效益好: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长期性,玻璃钢管道的综合效益是可取的,特别是管径越大,其成本越低.当进一步考虑埋入地下的管道可使用好几代,又无需年年检修,更可以发挥它优越的综合效益. 二,供水工程常用传统管材的技术分析现中国常采用的传统管材主要有:,连续灰铸铁管;,自应力钢筋混凝土管;,预应力钢筋混凝土管;,铸态球墨铁管;,球墨铸铁管;,钢管.1、连续灰铸铁管这6种管材中,连续灰铸铁管曾在解放
10、初期到80年代初,在我国大量应用,据国外资料报道,连续浇铸铸铁管工艺在50年代首先在西德试验成功,然而多年来世界各国对这项工艺的技术资料介绍甚少,甚至西德国内的生产最终还是采用离心浇铸工艺,这说明该项工艺应用于生产有其固有的缺点,但由于连续铸铁工艺的工装设备简单,投资较少,上马较快,其生产率比当时落后的泥型半硬横立浇工艺或砂型横浇工艺要高,为了适应当时工农业建设发展,需要大量管道,因此我国从60年代起相继在各地采用连续铁管工艺生产铸铁管,一直延续至今,用该工艺生产铸铁管确实具有工艺简单,生产速度快,产量高的优势,可惜的是该工艺先天不足,生产出来的管道,常在新排管试压和投产运行后发生爆管,断裂.
11、70年代初,此类爆管在我国各地水司屡有发生,开始引起同行警觉,到80年代爆管的情况加剧,不仅影响正常供水服务,有时还造成灾难性后果,经济损失和社会影响甚大.例如:,北京市自来水公司于1974-1975年间,铺设的上海铸管厂的DN1200连续灰铸铁管,由于施工和试压过程中发生多次爆管,达不到设计和使用标准全线拆除,损失巨大;,天津市自来水公司1987年在黑牛城道的1200连续灰铸铁管一次爆管,淹没农田就赔偿30万元,后曾发生过多次爆管,被迫改换钢管;,上海四平路的1500灰铸铁管,1977年投产通水后,在1982年,1985年,1986年三年内连续三次发生特大爆管,共有1643户居民进水受淹,一
12、批工厂停产,马路积水及膝,交通中断,直接经济损失近800万元;,山东维坊自来公司1条800铸铁管线,全长8.3km,通过加压泵站打到高地,在1986年工程投产后两年多时间中,先后爆管28次,每次都冲毁大片农田,而且每次爆管全市停水2天,损失巨大.以上资料仅是过去资料中反映出来的一部分,其实不少城市,灰铸铁管爆破事例都有一本帐,后经多次事故的分析,认为与该管的工艺有关,因为这种工艺在生产过程中,不可避免地在管外壁产生过冷区,使这个部位的材质变脆,强度较别处低,又由于工艺的性质,整个管体组织比较疏松,易生气孔,这都是该工艺的固有缺点,因此我国在80年代中,后期已很少用灰铸铁管,而使用预应力钢筋混凝
13、土管或自应力混凝土管(注:直径200的灰铸铁管道可以, 但要全部采用柔性接口).2.自应力钢筋混凝土管,国内应用较少,主要是由于其存在后期膨胀问题,易引起管壁材质变疏松,与其相近的还有石棉水泥管,因本身材质不耐碰撞,易于损坏,抗震性极差,已被淘汰.3.预应力钢筋混凝土管,预应力水泥管的优点是节约金属,在正常土质下无需内外防腐,价格便宜,而且是柔性接口.从营口,唐山等地震的调查资料表明:金属管损坏严重,而预应力钢筋混凝土管反而损坏最少.但其缺点也是明显的,笨重,搬运损坏率高,缺乏配套管件,另外还有几点问题也日益在应用过程中显现出来.,预应力钢筋混凝土管道通常作为耐腐蚀管道使用,但国内使用情况表明
14、,在腐蚀性地带如盐碱地带,海滨地区或部分非强腐蚀地区,因环筋锈蚀发生了爆管事故,例如包头市铺设的DN1400预应力钢筋泥凝土管,由于长期浸泡在腐蚀性的沟槽中,两年后环筋锈蚀,断裂造成全线报废;山西省一输水管线1976年施工的DN900预应力钢筋混凝土管,1978年试通水,至1982年就爆裂17次;山东一条DN1000的预应力钢筋混凝土管于1981铺设后,因钢筋断裂严重而报废;1984年北京市自来水公司水源八厂在100m距离内曾发生过两次爆管;锦州市自来水公司在1987年5月新建百股泵站试车时,由于泵站向水池送水,地形高差23m,管道为800预应力钢筋混凝土管,管线长度为5.23Km,泵站出口压
15、力0.31Mpa,一台水泵单机运行,为倒换机组,停泵后开启另一台,造成爆管,管身的环向钢筋均断裂,出现了一个长70cm宽30cm的洞.另外国外的情况也同样,他们认为在管材埋在氯离子含量超过500ppm时就极易发生事故:在1946年法国在北非铺设了一条预应力钢筋混凝土管,多次发生环向钢筋锈蚀事故;阿根廷的Conodoro预应力钢筋混凝土管,铺设于1962-1964,由于土壤的腐蚀,1968年因钢筋锈蚀而管道破裂,分析其产生原因,主要有,第一:由于水泥浆保护层是后期喷涂施工,与预制的芯管结合不好,往往为外水或湿气渗入,使预应力钢筋氧化锈蚀,导致破断事故;第二:是水泥砂浆与钢筋的粘接界面处理不合理.
16、由于水泥的吸水性,在水分进入管内时,极易破坏该界面并锈蚀钢筋,同时由于其是脆性材料,易引起突发事故.,水力性能差,能耗高.预应力钢筋混凝土管的管内糙率系数在几种管材中是最高的,其n=0.013-0.014,这样对于同样输水量,同等管径的管线,其沿程阻力就高,需要增大泵的扬程,增大初期投资,同时运行费用因耗电量大,也大幅度增大,而且从其工艺分析其芯管大都采用离心法成型,混凝土的水灰比较大,在离心力的作用下,粗骨料偏靠管的外壁,而管内壁则由于细骨料和水分的析出,其强度和耐腐性较差,当管内受水流长期冲刷和浸泡后,内壁可能发生磨损和剥蚀,糙率增大,增大了水头损失.,水泥砂浆衬里在某些情况下会对水质产生
17、不利影响,试验表明如砂浆受到能溶解石灰的水侵蚀会导致砂浆流失,砂浆受损,水被碱化,PH值升高,增加氯耗,水消毒的效果受到影响等.,管件不配套,管件通常选用铸铁管件,两者的承压能力,使用寿命,耐蚀状况不一样,因此埋下事故隐患.例如:广州市自来水公司的一次爆管,在1990年9月10日早6时许,该市的环市东路花园酒店门口车行道下,DN800mm管突然爆裂,该管为预应力钢筋混凝土管,该处正常压力为0.3MPa左右,爆管时水柱升天约10m高顿时马路淌水,水深约0.5m左右,造成交通严重阻塞,最后检查发现是为铸铁三通发生爆裂造成.4.球墨铸铁管和铸态球墨铸铁管球墨铸铁管和铸态球墨铸铁管都是将铸铁球化处理后
18、离心浇铸而成,只是在工艺制造上前者经过退火处理,而后者不经过退火处理.铸态球墨铸铁管的性能比一般灰铸管高一些,但质量与球墨铸铁管还是相差不少,只是一个过渡产品,随着球墨铸铁管产量的增长,规格不断全面,人们的质量意识不断提高,其已被逐渐淘汰.球墨铸铁管的优点是明显的.抗拉强度高,是一般灰铸铁管的3倍韧性好,延伸率高,为5-15%,而一般灰铸铁管为0工作压力可2.45MPa,而一般灰铸铁为0.74MPa;耐冲击,耐震动,耐腐蚀,比钢管好.但其也有自身的缺陷,其一是造价较高,只比钢管略低.此外:其耐腐蚀虽比钢管要好,但是其管壁薄,埋设在土壤中受蚀穿孔的速度比灰铸铁管快得多,若外防腐作得不够 ,几乎在
19、5-8年内就发生腐蚀穿孔,而管材在腐蚀土壤中的受腐蚀速度达0.5-1.5mm/a, 因此球墨管的外腐蚀一定要按要求做好,而这点在生产,施工,安装中不易保证,造成事故隐患.其内衬一般为水泥砂浆涂敷,与前面分析的预应力筋混凝土一样对水质有影响,而且由于水泥与铸铁性能差异较大,在外冲击,内压,温度变化等条件下,水泥砂浆衬里更易裂纹,导致水分渗入,甚至剥落,造成水阻增大,影响水质.5.钢管钢管由于其材质较轻,强度高,韧性好,可以承受较高内压,制造使用灵活,并且能适应复杂或恶劣的地质情况, 因此在我国也得到了很大的应用,但由于其内外防腐处理麻烦,整体造价高,根据当前国情和为了节约金属,应在特殊需要处或其
20、它管材难以替代时,采用钢管,钢管在应用时的主要技术问题是外防腐和内壁处理问题.首先外防腐的问题很关键,其外防腐质量的好坏直接影响其使用寿命.现在国内钢管的外防腐主要为:遮盖型做法,对于钢管均要求为加强型或特加强型外防腐,有部分地区推行阴极保护,对于遮盖型的外防腐办法一般为涂料如石油沥青,环氧煤沥青等,后者在低温时不易固化,而且在现场焊口施工时问题更多,原先曾用过过氯磺化聚乙烯,由于溶剂太多,易生针孔,抗击穿不合格,部分地区明确不再使用.对于阴极保护其防腐效果比较好,但是由于采用牺牲阳极的办法,在日后运行中必须定期更换阳极,增高了运行费用和工作.再说内壁处理问题,一般采用的方法有三种:防腐涂料,
21、树脂砂浆,水泥砂浆.三种办法都存在两个问题:第一是防腐层与钢管的粘结强度问题,水泥砂浆前面已经说过,对于防腐涂料和树脂砂浆两种方法都要求钢管内表面完全除锈才能施工,但这一点很难做到完好.因此锈点部分就造成了日后分层剥离的起源,形成腐蚀和结垢;第二是钢管绝大多数都是现场对焊施工,在焊完后进行防腐,只能是人工进行,质量不易控制.而且,对于直径较小的管,由于人员无法进去施工,就不再防腐了,也造成了日后焊缝破坏的隐患.根据几次钢管的爆管事故分析,主要是焊缝质量不高或焊缝腐蚀造成的.此外,所有的传统管道都存在对水锤作用承载能力差,极易引起重大事故,水锤的引起原因是多方面的,比如:排气阀设置不当或失灵,在
22、突然停电或机泵开停时,以及阀门的快速关闭,都会引起水锤作用,即内压的突然增高,其增高的比例与管材的环向拉伸模量和壁厚与直径的比例有关,由于传统管材不是环向拉伸模量过高,就是壁厚太厚,或者两者兼而有之,造成水锤引起的压力增高相当大,而管材的自身承载力不够(其安全系数只有1.2-5,不同管不一样)造成破坏.玻璃钢管材作为一种新兴材料,在发明初期就考虑到了传统管材的主要缺陷,在日后不断完善中已全部避免了传统管材的缺点,比如:1) 腐蚀问题:由于玻璃钢管道为高性能的树脂和高强纤维的复合材料,其可耐大部分酸,碱,盐的腐蚀,故对于水或者土壤的腐蚀,不会对其产生任何影响.对水质的影响在给水管线中,玻璃钢管道
23、采用的内衬树脂为高韧性食品级树脂,通过国家卫生部及地方防疫部门的检测,满足国家饮用水要求,而且,该产品在电子行业的电子用纯水系统和食品酿造行业的大量使用也证明其对水质无任何不良影响,同时,中国科学院生态环境研究中心和北京市卫生防疫站联合做的试验表明,在通过对不同材质的水箱储水进行物理,化学,有机物检测对比后,玻璃钢材质对水的影响最小,几乎微不可测,只有通过先进的气相色谱-质谱联用(GC-MS)和电喷雾质谱(ESIMS)等技术才可以测出(当时比较的其它材质有:搪瓷钢板,不锈钢板,镀锌钢板等).水力特性:由于玻璃钢管为内芯模成型,内表面极为光滑,通过中国水利水电科学研究院水力学研究所的测定,该种管
24、道的糙率系数只有0.0084,同时,由于其内壁光滑,且有优异的抗蚀性能,不会产生水垢和微生物的滋生,有效保证水质,保持水阻的稳定.而且钢管一般为0.012,水泥管或水泥砂浆衬里管一般为0.014左右,而且传统管材还存在日后水阻增大和表面结垢的现象.强度高,有效适应压力的变化玻璃钢管的极限强度通过合理设计可达300MPa,超过了碳钢的强度,而且其设计安全系数大于6,故根据前面所讲的一则玻璃钢本身的模量低,壁厚与直径比小,其引起的水锤压力小;二则管材的安全系数高,故在压力有一定的波动或运行中产生水锤作用时管材也不会破坏.使用寿命长由于其耐腐蚀,强度高,安全系数大,其设计寿命为50年以上.三,玻璃钢
25、夹砂管道经济分析:选择工程用的管材不仅要求考虑技术,质量的可靠性,先进性,还要考虑其经济性.对于经济性的问题,由于我们国家的经济现状,资金状况比较紧张,所以有部分地区或部门只考虑管材施工的一次性投资,但是也有不少地区或部门则有长远地考虑,他们在投资决策时,还考虑到了寿命周期内管线的运行维护费用.这一点正是符合我国的可持续发展的基本国策.前期国家经济发展中的先污染,后治理的现象,正是由于当时缺乏了长期考虑发展的原因.下面就以DN600的管为例,以管材中价格最低的预应力钢筋混凝土管与玻璃钢加砂管进行比较,(钢管,球墨铸铁管的价格一般比玻璃钢夹砂管要高,而自应力钢筋混凝土管,石棉水泥管,连续灰铸铁管
26、基本上已在压力输送管线中淘汰).取输水量为3万吨/天,即:30000/(24X3600)=0.347m3/s设管顶埋深1.2m,压力0.6MPa,FRP管为2500N/m刚度等级管材综合造价:管材综合造价即一次性投资,管材价格与安装施工费用等组成.预应力管材价格是根据我们所调查最低价格为计算依据,安装费用为参照全国工程预算定额制作(河北)管径600600500管材PCPRPMPRPMP管材价格300450330安装费用47.8437.8430.99管道综合造价 元/m347.84487.84360.99注:1).PCP代表预应力钢筋混凝土管,RPMP代表玻璃钢夹砂管;2).安装费用包括布管(P
27、CP管未计入),承插安装,系统水压试验,管道清洗消毒等;3).玻璃钢管的取费是参照球墨铸铁管的标准计算的2.管线运行费用管线运行费用即输送介质时为克服摩擦阻力及静水头所需的泵动力与管线的维护费用之和,根据前面的技术分析,由于RPMP管比预应力钢筋混凝土管的安全度高许多,(无论强度还是耐腐蚀)RPMP管应比PCP管的维护费用少,但因为国内没有统一标准计算,暂在此不与计算,假定两者维护费用相同,只计算泵动力费用.水头损失按曼宁公式计算V=1/nR2/3S1/2n-糙率系数R-水力半径 对满流管R=D/4S-水力强度 S=HL/LHL-水头损失L-管线长度经过公式转换:HL=10.294(q2n2)
28、/D5.33年动力费用计算公式: Py=(9.8GFHLt/E)Pc其中:G:介质比重 F:流量 t:年运行时间 E:泵效率 Pc:动力价格,本文取0.52元/千瓦时;寿命期动力费用现值计算公式为:A=Py1-(1-i)N/i其中:Py:年动力费用i:损失收益率N:设计寿命,虽然RPMP的寿命大于PCP管,但本比较方案按统一寿命40年计,另外由于RPMP管内壁光滑,沿程阻力小,可以在不改变泵的杨程的前提下缩小管径:以DN600为例,保持HL不变. 则: D玻=(n玻/n水)2/5.33D水=(0.0084/0.014)2/5.33600=495mm=500mm 下面为管线运行费用比较表不同管材
29、克服水头损失所需动力比较管材类型RPMPRPMPPCP管径D mm500600600管线长度L Km1.01.01.0流量F m/日300003000030000介质比重G Kg/m100010001000泵效率E %707070动力价格PC 元/千瓦时0.520.520.52设计寿命N 年404040投资收益率i10%10%10%曼宁糙率系数n0.00840.00840.014沿程水头损失HL M3.521.333.7输出所需功率HP 千瓦17.16.4618年动力消耗W 千瓦时/年14979656590157680年动力费用 Py元/年778942942781994寿命期动力费用现值A万元76.72628.98680.764管材寿命周期总投资:以上两项之和即得到寿命周期总投资额:管材寿命周期总投资额比较表(1km)管材类型RPMPRPMPPCP管材直径(mm)500600600寿命(年)404040年泵动力费用(元)778942942781994全期动力费用现值(万元)76.72628.98680.764管材综合造价(万元)36.09948.78434.784寿命期总投资现值(万元)112.82577.77115.548由于在以上计算中对寿命差异,维护费用等未作考虑,实际工程中RPMP管的经济性要比PCP管好得多.
