玻璃钢夹砂管道设计及生产标准分析

贾海亮

（山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002）

1 玻璃钢夹砂管道特点

随着复合材料工业的发展，玻璃钢管道大量用于化学和石油工业，并广泛应用于城市供水、排污、农业灌溉等方面。

玻璃钢管道具有以下特点：一是性能可设计。通过改变原材料的配方、比例及纤维排布规律，使管道满足输送不同介质及不同压强、温度的要求。二是质轻。玻璃钢管道自重仅为钢管的1/4，混凝土管的1/10，运输和安装费用较低。在建筑物内安装时，可减轻由管重引起的结构荷载。三是易制成不同规格尺寸。由于复合材料成型工艺的特点，相比其他材料更易改变制品的规格尺寸。且单根管道较长，减少了安装接头数目，从而减少了可能导致工质泄露的环节。四是耐腐蚀。对于有耐腐蚀要求的玻璃钢管，可通过选用不同的纤维及加耐腐蚀内衬来适应所输送的化学介质的性质。用玻璃钢管道输送稀酸类介质，使用寿命比不锈钢管长，价格仅为不锈钢管的1/4～1/2。五是内壁光滑、流体力学特性好。内壁表面光洁度与模具接近流体阻力小。若采用泵输送，在管径和流量相同时，较其他材料管道可节能30%。

2 管道设计及技术标准

由于玻璃钢夹砂管道在国内发展时间较短，各项技术尚未成熟，因此，在玻璃钢夹砂管道的标准制订、管道设计、生产环节方面会出现一些问题。下面就玻璃钢管道的设计及行内通用的838标准进行探索，以期对玻璃钢管道的改进和发展起到借鉴作用。

2.1 设计探索

通过设计，可以确定玻璃钢夹砂管道的铺层、厚度、玻璃纤维缠绕圈数等生产指标，从而达到指导生产的目的。玻璃钢夹砂管道的设计可根据管道的实际工作条件来确定，其中玻璃纤维缠绕圈数及玻璃钢夹砂管道的厚度是确定玻璃钢力学结构性能的关键性指标。

2.1.1 玻璃钢夹砂管道纤维的缠绕方式分析

目前，常采用的玻璃钢夹砂管道纤维缠绕方式可分为环向缠绕、螺旋交叉缠绕和纵向缠绕，主要作用是分别提供环向拉伸强度和轴向拉伸强度。在缠绕方式的确定上，对于交叉缠绕（采用环向缠绕和螺旋交叉缠绕）和经纬缠绕（采用环向缠绕和纵向缠绕）具有不同的理解，问题在于哪种缠绕方式使结构更合理、更能节约材料、操作更便捷。

通过比较，在同等受力情况下，经纬缠绕比螺旋交叉缠绕需要的玻璃纤维材料多，也就增加了玻璃纤维缠绕圈数、生产时间和设备运转圈数。因此，螺旋交叉缠绕既可充分利用纤维的力学性能，又可使生产制作过程便捷。具体设计时，只要设计得当，可以起到节约材料、节约生产时间的效果。

设计时，应先根据轴向强度要求，设计出螺旋缠绕层数，根据螺旋交叉层与缠绕角算出螺旋交叉层已提供的环向拉伸强度，再将管道所需的环向拉伸强度减去螺旋交叉层所提供的环向拉伸强度，其差值部分用于环向缠绕补足即可。

2.1.2 纤维缠绕角对管道强度的影响分析

目前，一般采用的缠绕角在52°～64°之间，生产中往往忽视了这一参数的确定，只是在此范围内使用一个差不多的角度，这种做法不可取。事实上，设计者必须给出明确的缠绕角，生产者必须按照设计的要求去生产。因为随着管径的增大，环向和轴向的强度要求增大，但环向强度的增加比轴向强度增加快得多。因此，具体设计时，大管径一般采用大的缠绕角（在环向方向提供的分解应力较快地增加），以降低环向缠绕圈数，达到提高管道性能、降低管道成本的效果。反之，小管径的管道宜采用较小的缠绕角。所以，管道的最佳缠绕角应根据环向和轴向的强度要求具体确定。

2.1.3 管道壁厚对管道刚度的影响分析

玻璃钢管道环向刚度的计算公式为：

式中：Sn——管道环向刚度，Pa；

E——环向弯曲弹性模量，Pa；

I——单位长度管的环弯曲惯性矩，对于均匀壁厚管道，I=t3/12（t为管道的壁厚），m4/m；

D——平均管径（管道直径+管道壁厚），m。

从上式可以看出，影响管道环向刚度的因素有3个：环向弯曲弹性模量E，环弯曲惯性矩I（与管道壁厚t有关）和平均管径D。对具体工程而言，管径D及环向弯曲弹性模量E均已确定，能够改变管道刚度的只有管道厚度。由于管道壁厚与管道刚度成3次方的关系，所以，厚度的增减都会引起刚度值的较大变化。因此，玻璃钢管道的厚度无论是设计还是生产都应严格控制。

2.2 生产标准不足之处及合理性分析

目前，玻璃钢夹砂管道生产的标准主要有838标准和3079标准。由于这两套标准均是1998年编制，随着玻璃钢夹砂管道的日益发展，当时编制的标准有些已不能很好地适用生产。下面以838标准为例，对其中不足之处进行分析。

2.2.1 环初始挠度的计算方法分析

838标准对挠曲水平中环初始挠度阐述见表1。

表1 环初始挠度表

以 5 000 N/m2为例，如果按 B=30×（1 250/5 000）计算，得出B=7.5，而表1给出的数值为20，可见前后相互矛盾，显然下面给出的水平B的计算有问题。根据表1给出的一系列数据，来推算水平B的计算公式：

根据观察，表中B为一等差数列：B1=30-5×0，B2=30-5×1，B3=30-5×2，B4=30-5×3，依此类推，设：Bn=30-5Xn，Xn=n-1，n=1，2，3……。表中刚度 Sn 为一等比数列：Sn1=1 250×20，Sn2=1 250×21，Sn3=1 250×22，Sn4=1 250×23，

依此类推，设：Snn=1 250×2Yn，Yn=n-1，n=1，2，3……。

比较 Xn和 Yn可得，Xn=Yn，

由 Snn=1 250×2Yn，可得：2Yn=Snn/1 250，Yn=log2（Snn/1 250），Bn=30-5Xn=30-5Yn=30-5log2（Snn/1 250）。

因此，挠曲水平B计算公式应为：水平B=30-5log2（Sn/1 250）。其余刚度等级条件下应该根据公式进行挠曲水平计算，而不能采用表1注释中的计算方法。

2.2.2 管道夹砂层树脂含量合理性分析

根据838标准的规定：夹砂层树脂含量应大于25%。由于近年来玻璃钢夹砂管道发展迅速，特别是采用了合理级配的石英砂、湿夹砂的夹砂工艺后，夹砂层的树脂含量已具备降低的可能性。调查显示：国外最先进的生产厂家夹砂层树脂含量最低仅14%，为838标准规定树脂含量的56%。按照目前国内的生产水平，在保证玻璃钢管道性能不变的情况下，适当降低夹砂层平均树脂含量的条件已经具备，因此，838标准中对于夹砂层的树脂含量要求应根据生产水平的发展与提高进行适当修正。

3 结语

通过对玻璃钢管道设计及生产标准等环节问题的分析，可以得出如下结论：一是玻璃纤维采用螺旋交叉缠绕方式既可充分利用纤维的力学性能，又可使生产制作过程简便，因此，螺旋缠绕方式是玻璃钢管道生产中的最佳缠绕方式。二是不同的缠绕角提供不同的轴向及环向强度，实践中可根据管道管径尺寸及强度的要求精确设计缠绕角，以达到提高管道性能、降低管道成本的效果。三是由于管道壁厚与管道刚度成3次方的正比关系，厚度的些许增减会引起刚度值的灵敏变化。因此，玻璃钢管壁的厚度无论是设计还是生产都需严格控制。四是管道生产厂家可以根据自身的实际生产能力适度降低管道夹砂层的平均树脂含量。