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低成本纤维缠绕玻璃钢夹砂管道的研究

  我国的“纤维缠绕玻璃钢夹砂管道”(RPM管道)是在八下年代后期引进并发展起来的,随着我国经济繁荣,国力增强和科技进步的飞快发展,目前已经走向规模化产业。
  众所周知,由于RPM管道独特的可设计性所具有的优异质量性能,而受到市场欢迎并引起了社会的广泛关注,使这一新生事物得以迅速发展。
  RPM管道可根据市场的不同需求而设计制造,现已在众多领域中应用,如水利、电力、化工、轻工、矿山等工程中,成为输送管道中一颗闪亮的新星。
  但是市场是个无情的战场,要参与竞争必须经受住相应的质量及价格两大要素的考验。就当今市场而言,RPM管道价格竞争十分严峻,因此降低成本是硬道理,是竞争力的核心,是RPM管推广的关键所在。为扩大行业优势在竞争中取胜,众多企业都期盼在保证质量条件下降低成本的新理论、新技术能早日诞生并投入市场。
  笔者是从事玻璃钢事业有40余年的科技工作者,有长期研究与实践经验。退休后又从事五年夫砂管道的生产和设计工作,一直在潜心研究“低成本RPM管道”课题,并已取得可喜的进展。对原有的管道设计理论有了新的见解,创立了“插口夹砂管道安全阀设计理论”及“实体全及限设计理论”(及限意为达到限位,并非极限之意)的理念,在此基础上我们几位又完成了新的设计模式,获得“大螺旋角缠绕玻璃钢管”等三项国家专利。在设计中还采用了新型功能的复合品纤(FSMF),可降低树脂用量。综合这些新的设计与技术的应用,在确保管道质量性能的前提下,大幅度降低成本的研究成果,为RPM管道在市场激烈竞争中赢得优势提供有力的技术条件。
  为此,笔者愿把此成果与同行合作,以推动我国RPM管道产业的大步前进做出努力。
     这里我们将取得的研究成果简介如下:
     一、降低富裕的树脂含量
     实践和研究显示玻璃纤维增强塑料中树脂含量占25%一30%,缠绕玻璃钢强度和模量都较高;夹砂层中的树脂含量在20%一25%,强度和模量指标均达到高限。但这里有一个重要条件做为整体工作的保证,就是
要求材质密度必须要达到或略高于2.0g/cm3,即要排出材料中的气泡是极其必要的。为此,采用以下三种办法来实施。
     1.在缠绕树脂中添加一定比例的矿物复合晶纤(FSMF)降低树脂含量。复合晶纤结构中活性基因及不同价位的金属离子团,可与不饱和树脂中的基因产生氢键离子键结合成“无机与有机”键荷复合体系,同时晶纤结构又可与玻纤(或砂粒)组成三维絮状复合体系,从而协同树脂促进管道性能的提高,据一些非加砂管道生产厂家资料介绍在树脂中添加20%一30%的晶纤,可降低成本 10%一15%。
     2.工艺制造时采用挤压方法使夹砂层密实,挤出多余的树脂和气泡,同时也增加了胶液的渗透力,增加树脂的均匀分布,有益于树脂对砂粒的完全包裹和对砂粒之间孔隙的充满,并在压力作用下使树脂对砂粒表面的亲合力增强。这样就可制造出弹性模量高的坚固夹砂层。
     3.给缠绕纤维施加一定的缠绕张力,关键是均匀的纤维张力。
     这一技术常用于高压容器和高压管道制品。对RPM压力管道也很重要,张力可以使每一根弯曲的纤维伸直,随一定的预应力。试想有相当一些纤维处于弯曲状态,待那些已伸直的纤维先被拉断,弯曲的纤维再伸直,势必减弱了纤维束的整体拉伸强度。当前的试验说明RPM管道环向强度通常只能发挥70%—80%左右,而纵向强度由于纤维松弛因素也只能发挥30%一50%。
     当然缠绕的张力也能挤出部分多余的胶液,同时还增加缠绕层和夹砂层的牢固联接,从而使刚度试验“B”在体平提高。
  二.提高RPM管道刚度
  RPM管道埋入地下要承担地面和土壤荷载,因此刚度就是RPM管道的关键所在。所以,提高刚度又能降低成本就是急待要解决的问题。
     1.增强夹砂层
     采用在夹砂层中配添一定比例的复合晶纤或其它物增强石英砂层,使堆积理论的球形与棒形的合理配比混合,强力的树脂侵入,达到更佳的树脂浸润及充填效果,进一步增加了夹砂层的整体强度,提高夹砂层的弹性模量,使管道刚度有所提高,这样增强的夹砂层可以提高刚度标准的“B”水平,同时还可有效地降低夹砂层厚度,从而使成本得到下降。
     2.密实夹砂层
     笔者早年曾研究过以石英细砂、金刚石粉等填料的酚醛树脂热固性模压塑料,实验结果表明试件的密度达到2.0g/cm3以上远比低于2.0g/cm3的力学性能高的多。因此压密的夹砂层与合理的级配使填料在夹砂层中起骨架作用,从而提高夹砂层的单层厚度和弹性模量,有效地提高管道刚度的同时也相应地降低了成本。
     3.提高固化度
     提高树脂的固化度是提高夹砂层和缠绕层整体RPM管道刚度的最有效方法之一,实践证明2—3年的旧管道要比新生产出来的管道刚度高出40%一50%,但这一点却恰恰被急于快速生产的厂家所忽视。就目前水平
来讲,加温是提高固化度的有效办法,但多数厂家却认为这样额外浪费能源而增加成本迟迟不肯这样做。当然生产环境和埋设环境均在18℃以L那么生产出的新管道随时间推移管道刚度也还会相应提高,但如果此时再过低温固化度就会就此停止增加,因此出厂的胜M管道的固化程度是个要极其慎重掌握的参数。
     三、科学的结构设计
     1.两项理论依据
     一项是“承插口夹砂管道的安全阀设计理论”(纤维复合材料1999年第一期)挑战传统的玻璃钢管道设计规则,所谓环向比轴向应力为2:l的理论,从而打破了一直必须遵守螺旋缠绕角=54.75º的定律,有效的节约了纤维和树脂的用量。
     另一项是“实体全及限设计理论”(纤维复合材料2002年第二期),我们提出的这项RPM管道设计理论是借用木桶拼装原理,就是说由多块木板拼装起来的木桶其最大装水量不是决定于那些最长的木板条,而是取决于最短的那一根木板条。因此,科学的设计必须是全部木板条应该是等长度等质量的标准。如果说其中有若干条木板是超长的,甚至有两条是极珍贵的木料乃至是金子铸造的,其实并不具备什么优点,只能是白白的浪费,对盛水量毫无益处。联想到RPM管道的组成与制造工艺有400个因素影响管道质量。科学的设计应该是把所有的影响和组成因素都设计成同时达到50年寿命,而不应该把有些因素设计成100年,而又忽略了某些因素乃至连30年都达不到。
     2.科学与合理的设计
     科学的设计包括RPM管道结构层的合理设计、纤维缠绕铺层、夹砂层的优化设计和工艺制造工序因素的控制设计三部分。
     ①结构层的合理设计
     RPM管道结构层的组成应该是能使该结构层最大发挥效力,并且合理科学的各自分工合作形成整体的承载体系。而目前所见原有的RPM管道结构层一直沿用至今未曾改变,笔者研发的专利则有所突破,渴望更多
更新的专利或新技术诞生,把RPM管道行业推向世界领先地位。
     ②纤维缠绕铺层的优化配置
     RPM管道在工作、安装、运输、埋地时要承受一系列的荷载,包括内压产生的环向应力、非内压产生的轴向应力以及埋地土壤、地面荷载引起的外压变形等都需要纤维缠绕的钱层、夹砂层的优化配置设计。该设计的优化不但要考虑内压、刚度、输送液体介质,还要考虑埋地深度和土质,乃至安装企业的技术水平与可信度以及埋设环境气候条件等等。
     ③工艺制造工序及参数的控制设计
     优质的RPM管道制造,不但要有合理的制造工序,更关键的是要保证合理工序的贯彻实施,这就是工艺程序及参数的控制设计。因此,从原材料进厂开始一直到管道出厂始终都要在可控制状态下进行生产。工厂要有工程师,车间要有老技工和技术员。由化验员化验,质检员跟踪记录各环节参数及检验结果;实行制衬、缠绕夹砂、固化修正,脱模、检压各工段验收放行,上下班工艺传递卡交接制度。赋于化验室,检验科一票否决权。对第一线生产责任人实行工艺过程签名埋标签制度以终身对产品负责。总观工艺制造全过程共有400多个因素影响管道质量,必须有一套科学地、严格地工艺控制设计,合理地把握重要因素到人实行责任分工记录及全过程监控。并定期培训技术工人,由有技术素质的队伍来生产优质RPM管道产品。
     不断地科技进步是企业成长,质量提高。成本不断下降的唯一捷径。但违背科学规律,偷工减料造假劣产品,只能影响企业声誉和造成经济损失。近年来我国RPM管道的飞速发展使我国这项事业已有了长足的进
步。尤其是西部大开发的战略实施更为RPM管道带来良好的机遇,为我们开展的科学地降低30%—40%成本的研究和专利新技术的实施与发展开创了一个崭新的大好局面。相信我国RPM管道在不久将来会有一个较大的突破。立足于超越国际RPM管道发展水平,形成世界该领域最大的经济规模,挑战大口径钢筒子应力混凝土管道,淘汰予应力混凝土管道的时刻就会早日到来。
 
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