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玻璃钢管
连续缠绕玻璃钢管与钢管
在供水工程应用中的经济性及适用性分析
朱文国上海耀华玻璃钢有限公司
摘要：
作为新型管材的一种，连续缠绕玻璃钢管由于其综合性能的优势，在国内外一些供水工程中得到了成功的应用。
本文通过从经济性与适用性角度将连续缠绕玻璃钢管与传统钢管做多方位的比较，同时将两种管材的可靠性进行梳理，提出一些意见与建议，供相关方参考。
关键词：
连续缠绕玻璃钢管钢管水力计算静态与动态成本综合性能
1、前言
玻璃纤维增强塑料夹砂管，简称玻璃钢管，是以玻璃纤维及其制品为增强材料，以不饱和聚酯树脂等为基体材料，以石英砂及碳酸钙等无机非金属材料为填料，采用一定工艺方法制成的管道。
目前国内外玻璃钢管成型工艺共有三种，分别为定长缠绕工艺、离心浇铸工艺及连续缠绕工艺。
目前国内市场中占据主导地位的是定长缠绕法生产的玻璃钢管，它的主要特点是投资成本低，周转快，但同时存在着自动化程度不高、生产效率低、环境影响大的弊端，因此使用范围还是集中在污水处理、排水等领域。
连续缠绕工艺是在连续输出的模具上，把树脂、连续纤维、短切纤维和石英砂按一定要求采用环向缠绕方法连续铺层并经固化切割成一定长度的管材产品的一种生产方法。
是欧美、日本等发达国家普遍采用的玻璃钢管成型方法，连续缠绕生产线具有自动化程度高、质量稳定、承压能力强、环境影响因素小的综合优点，适用于长距离压力管线（最高承压可达到3.2Mpa）。
世界上最大的玻璃钢管生产商沙特阿拉伯AMIANTITTE公司在世界各地拥有数十条连续缠绕生产线，每年生产玻璃钢管近千公里，在中东超长距离海水淡化、供水工程中得到了全方位的应用。
2、连续缠绕玻璃钢管与钢管经济性及适用性比较的意义
目前我国供水管网中大口径（DN1000以上）管材主要采用PCCP管、钢管、球墨铸铁管以及玻璃钢管，而玻璃钢管由于市场认知度不高加之传统的定长缠绕玻璃钢管质量参差不齐使客户使用过程中存在着或多或少的顾虑。
尽管连续缠绕玻璃钢管起步较晚，但基于其特定的优势在近几年中得到了迅猛发展。
本文针对连续缠绕玻璃钢管与传统钢管的经济性及适用性展开分析并提出探讨性建议。
经济性及适用性分析比较的实质，就是各方案所体现的经济效果及可靠性，即能以最少的人力、物力、财力消耗获得最佳的工程效益,有利于使有限的资源得到合理利用。
3、连续缠绕玻璃钢管与钢管水力计算-常年运行费用之比较
3.1以DN2000钢管为例计算水力坡降
按GB50013-2006《室外给水设计规范》要求：
管道直径>1000mm时，设计流速为2.0~3.0m/s,此处选v=2.5m/s。
则可计算出满流时，流量Q=6.283m3/s=542867m3/d
钢管因表面粗糙度较大一般均超出层流边层液面对流体形成阻力作用，因此采用曼宁（Mannins）公式和谢才（Chezy）公式计算水力坡降。
谢才公式：
曼宁公式：
其中：
v—平均水流速度（m/s）;
C一谢才系数;
R—水力半径（m）；
J—水力坡降；
n—粗糙系数。
将公式整理得到：
J=n2v2/R4/3=44/3×n2×v2/d4/3=10.29（nQ/d8/3）2
钢管内部防腐外理后，满流时n=0.013。
代入数值：
J=10.29×（0.013×6.283/28/3）2=1.703‰
3.2在确保流量，水力坡降相同的情况下推算连续缠绕玻璃钢管内径：
连续缠绕玻璃钢管材因内壁光滑，管内壁的绝对粗糙层凸出高度完全浸没于层流边层中，粗糙面对水流阻力很小，类似于流体在完全光滑的管路中流动，被认为是水力光滑管。
因此，其水力坡降只与液体性质、温度、流速、管径有关，而与表面粗糙度无关。
故采用达西—魏斯巴赫（Darrcy—Weisbach）公式及雷诺（Reynolds）公式计算水力坡降。
将两公式整理后可得出：
i=0.000915×Q1.774/d4.774
i=J=0.000915×Q1.774/d4.774=1.703‰
d=1.738m=1738mm
说明：
在满足同样流量、水力坡降要求的情况下，连续缠绕玻璃钢管管径可降低至1738mm，根据计算结果我们可选取DN1800连续缠绕玻璃钢管。
3.3以DN1800连续缠绕玻璃钢管与DN2000钢管对比常年运行费用：
玻璃钢管水力坡降：
i=0.000915×Q1.774/d4.774
=1.44‰
两种管道的水头损失差值：
△hf=hf钢-hf玻=1.703‰-1.44‰=0.262‰
若管线长度L=4Km
△hf=4×1000×0.262‰=1.47（mH2O）
管网常年运行费用是通过泵站电能消耗来维持的，因此两种管材的常年运行费用的差额即泵站电能消耗的差额。
△E=0.994QC△hf/（ηK）
其中：
△E—两种管材常年运行费用的差额（万元）；
Q—计算平均流量（m3/d）=542867m3/d
C—电价（元/KWh）取0.82元/KWh
△hf—水头损失差值（mH2O）；
η—电机水泵联合工作效率取（η=65.7％）
K—供水时变化系数（取值K=1.3）
则：
△E=0.994×100000×O.82×1.47/（0.657×1.3）
=0.542（万元/年）
在全寿命30年期内△E的折现值（i=10%），
△E′=△E×[1+1/（1+i）+1/（1+i）2+1/（1+i）3…+1/（1+i）29] =5.62（万元／年.km）
（注：
玻璃钢管使用寿命50年，此处为方便比较均值取30年）
如选用DN2000连续缠绕玻璃钢管，同样按上述方法计算，则
△hf=3.34（mH2O）
△E′=17.87（万元／年.km）
4、连续缠绕玻璃钢管与钢管之静态-动态成本分析
下面以DN1800/SN10000/PN6、DN2000/SN10000/PN6玻璃钢管
与DN2000钢管各类进行费用综合分析：
基本数据：
连续缠绕玻璃钢管
钢管
DN2000/SN10000/PN6
DN1800/SN10000/PN6
DN2000
管径
2000
1800
2000
比重g/cm3
1.85
1.85
7.8
壁厚mm
36
32
16
环向拉伸强度MPa
160
160
420
弯曲模量Gpa
22
22
200
环向比强度Mpag/cm3
89
89
58
管道节长m
12
12
6
重量kg/m
530
422
812
静态成本分析（以元/每米测算）：
连续缠绕玻璃钢管
钢管
DN2000/SN10000/PN6
DN1800/SN10000/PN6
DN2000
管材费用
4050
3366
3526
接口费用
160
140
200
防腐费用
0
0
217
合计
4210
3506
3943
静态-动态综合分析（以4Km管线测算，单位：
万元）
连续缠绕玻璃钢管
钢管
DN2000/SN10000/PN6
DN1800/SN10000/PN6
DN2000
静态费用
1684
1402
1577
运行费用差额
0
12.25
17.87
合计费用
1684
1415
1595
说明：
以DN1800/SN10000/PN6玻璃钢替代DN2000钢管全线可一次性减少投资180万元。
5、安装及维护费用比较
连续缠绕玻璃钢管管材重量轻，管道节长一般为12m，接头少。
管线配套设备如阀门、法兰等直径小，成本低，土石方少，管节长，运输安装方便快捷，玻璃钢夹砂管管材安装（连接）速度是钢管的2.5倍，同时钢管接口需要焊接、探伤及防腐处理，因此玻璃钢夹砂管安装工期一般比钢管缩短约40%，安装工程造价明显低于传统管材。
玻璃钢是非导体，管道的电绝缘性特优，绝缘电阻在1012－1015Ω·cm，最适应使用于输电、电信线路密集区和多雷区；玻璃钢的传热系数很小，只有0.23，是钢的5‰，管道的保温性能优异。
玻璃钢管由于其良好的耐腐、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。
6、连续缠绕玻璃钢管-钢管综合性能比较
钢管具有良好的机械性能和刚度，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。
而连续缠绕玻璃钢管与其相比优势如下：
6.1耐腐蚀性好，对水质无影响。
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。
对连续缠绕玻璃钢管道而言，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。
6.2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、菌类等微生物站污蛀附，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。
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。
而传统管材还存在日后水阻增大和表面结垢的现象。
6.3耐热性、抗冻性好。
在一30℃状态下，仍具有良好的韧性和极高的强度，可在一50℃－80℃的范围内长期使用，采用特殊配方的树脂还可在110℃以上的温度下工作。
6.4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2一3倍。
这样它就可以接用户的不间要求，设计成满足各类承受内、外压力要求的管道。
6.5耐磨性好。
把含有大量泥浆、沙石的水，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，玻璃钢管为0.21mm。
由此可以说明其相当耐磨。
6.6适应性强。
连续缠绕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。
因此相对比传统管材，连续缠绕玻璃钢管道的综合性能是最高的。
当进一步考虑埋入地下的管造可使用好几代，又无需年年检修，更可以发挥它优越的综合效益。
7、管线运行的可靠性分析
对钢管供水管线事故的综合分析表明：
事故几乎都源于现场接口焊接焊缝，同时腐蚀对事故发生也起到催化作用，现场焊接技术、内外防腐这二个问题是我国钢管输水管线水平不高的主要因素。
对焊接口径大、管壁相对较薄的管道，要达到焊缝错边不超过2mm的标准，即使制管严格控制了管端尺寸和形状公差，但现场对口、定位的操作难度以及在地基条件稍差的情况下，管线底部外焊的操作条件和质量也容易出现不良焊缝，从而埋下事故隐患。
外防腐采用环氧漆沥青、玻璃布缠裹，因钢管口径较大又没有相应的机械设备，用手工缠玻璃布跟不上钢管的转动速度，从而外防腐层起皱、脱开现象较为普遍。
内防腐一般采用的方法有三种：
防腐涂料、树脂砂浆、水泥砂浆。
三种办法都存在两个问题：
①防腐层与钢管的粘结强度问题。
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；②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。
一般当钢管的敷设长度大于500m时，还需做阴极防护。
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。
传统的定长缠绕玻璃钢供水管线存在风险发生主要由以下几点原因：
①不正当竞争造成的偷工减料、不按规范设计，安全系数达不到要求。
②不按规范施工，施工质量无法保证，土基承载力不够造成管道局部破坏。
③设备及工艺落后，检测手段不完备等造成系统性风险。
连续缠绕玻璃钢管生产线是在编程控制器（PLC）和微机（PC）的控制下，原材料可实现精确定量投入，缠绕速度均衡稳定，使管道的厚度均匀一致、得到有效控制，辅之以在线检测不间断反馈跟踪，管道力学性能的稳定性得到可靠的保证。
在源头上降低了风险发生概率。
结语：
在满足同样流量、水力坡降要求的情况下，连续缠绕玻璃钢管无论从静态还是动态成本均优于刚管。
钢管具有良好的机械性能和刚度，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；而连续缠绕玻璃钢管施工条件的要求要高于钢管；从长期运行的适用性及可靠性而言，连续缠绕玻璃钢管要优于钢管。
连续缠绕玻璃钢管所具备传统的定长缠绕玻璃钢管所无法比拟的高自动化程度、高效环保、优良品质及可在线检测的优势，更适应于长距离高压力供水管线，为玻璃钢管材在今后的发展方向。
参考文献：
GB50013-2006室外给水设计规范
GB/T21238-2007玻璃纤维增强塑料夹砂管
GB/T8163-2008输送流体用无缝钢管
史海冰玻璃钢夹砂管在长江引水工程中的应用中国市政工程2008（5）78－79
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