关于玻璃钢管道在寒冷地区的应用
时间：2020-03-30 05:23:05 来源：千叶帆 本文已影响人
摘要：寒冷地区管道的施工难度和技术难度大，尤其是低温、冻害对管道使用影响大。新型玻璃钢管道具有耐腐蚀、强度高、保温性能较好的特点，能够有效解决寒冷地区管道使用过程中的常见问题。本文在分析寒冷地区施工条件和国内外玻璃钢管的具体应用的基础上，对玻璃钢管的性能进行分析，以期为未来管道设计施工水平的提高提供借鉴经验。
关键词：玻璃钢管道；寒冷地区；应用
前 言
利用管道进行自来水输送和污水处理是市政部门的主要输送方式，近年来寒冷地区的自来水供水和污水处理系统的完善使得输送管道面临着施工作业难度大和低温冻害的威胁。加之输送管沿途恶劣的气候条件和基础设施不完善，加大了寒冷地区管道的施工和使用难度。而玻璃钢管具有较好的抗寒保温功能，其可设计性能强，可通过外观的设计减轻施工难度，且玻璃钢管具有较长的使用年限。玻璃钢管的这些性质能够有效解决寒冷地区管道施工和使用过程中的常见问题。
一、寒冷地区管道使用过程中需要克服的因素分析
寒冷地区的突出特点就是存在冻土分布，冻土的存在不仅会增加管道施工难度，而且在管道的使用过程中也容易对管道产生损坏。通过对寒冷地区的土壤进行分析，可以将土壤由地表向下粗略划分为三层：表层土、季节性冰冻活动层和永冻层。最上层的表层土的厚度保持在100mm～150mm之间，季节性冰冻活动层土壤厚度一般为300mm～1800mm，最下层的永冻层厚度较大，超过300m。对施工影响最大的是季节性冰冻活动层，由于季节性冰冻活动层土壤会随着季节的交替而融化、结冰，并且其分布深度是管道的主要埋设区域，因此，其温度的变化频繁，会导致该层土壤的支撑能力变化频繁，直接影响着管道的运行状况。永冻层的温度一直保持在零摄氏度以下，永冻层可以分为冷永冻层、暖永冻层和融化稳定区。冷永冻层温度较为稳定，即使输入较大的外界热量其形态也不会发生变化。暖永冻层温度保持在零摄氏度左右，输入少量的热量就会融化。融化稳定区的图层土质不稳定，组成成分为淤泥、黏土等，排水性能较差，极易融化失去支撑力。
对于温度较为稳定的冷永冻层，通常采用常规地下埋设的方法进行埋设。暖永冻层和融化稳定区土层性质不稳定，为了防止滑坡产生以及管道的移动和变形，采取特殊方式进行地下埋设：埋设过程中在管道周围增设冷冻管，利用冷冻管将管道运行过程中产生的热量带出冻土层，保证冻土层温度的稳定。
二、玻璃钢管道在寒冷地区的应用分析
玻璃钢具有导热系数低、热应力小的特点，与普通的钢管热性能相比，玻璃钢管在寒冷地区能够减少温度对输送物的影响，降低因输送物膨胀而引起的管道问题。从玻璃钢的性能参数来看，其导热系数为0.27 W/m·K，钢管的导热系数是62.8 W/m·K；玻璃钢的轴向热应变之比为1.67，钢管的热应变之比为1。从数据分析可以看出，玻璃钢管相比普通钢管来说，导热系数低，是钢管导热系数的0.4%。由此可以看出，玻璃钢管材具有性能良好的保温效果，能够有效保证管道在寒冷地区的正常使用。玻璃钢管轴向拉伸模量约为11.2GPa，而普通钢管的轴向拉伸模量为210 GPa。相比较钢管来说，温差对玻璃钢管的影响较小，产生的热应变力仅为钢管的1/11。在寒冷地区的应用中，玻璃钢具有更好的抗热耐寒性能，尤其是在潮湿冰冻地区等各种恶劣环境中，玻璃钢能够有效克服环境的不利因素。这些地区的玻璃管道安装还要考虑到机械损伤和施工过程中临时负载等因素对管道产生的影响。
玻璃钢管的可设计性能较强，可以根据安装地区的具体特点进行设计，使管道的性能和外观改变来适应不同环境条件。通过对材料进行设计，达到不同程度的耐腐蚀、阻燃、保温效能。
通过对玻璃钢管道的构造和性能进行分析发现，玻璃钢管采用了拉伸度很强的玻璃纤维进行构架，采用抗压耐磨性高的合成树脂作为基本粘结纤维，这两种材料的配合对玻璃钢管起主要成型和承载作用。在管壁结构中，结构层采用玻璃纤维粗纱进行环向缠绕和短切玻璃纤维进行构架，其重量占整个管体的60%，粘结机体采用邻苯型和间苯型不饱和聚酯树脂，总重量占总体的40%，有效降低了制造成本，增加了管体的结构刚度。在制造过程中，还可以增加适当的石英砂和高岭土。通过对玻璃钢管表层加固增加管道的防渗性、耐腐蚀性和耐久性，表面加强层再用无碱短切玻璃纤维毡和高强树脂进行加固，使表面形成致密、强度较高的光滑外壳。
三、玻璃钢管道发展对策研究
1.玻璃钢管道技术的优势分析
玻璃钢管道在使用过程中具有自身的显著优势，其耐腐蚀性强，能够有效抵抗酸性、碱性土壤以及海水的侵蚀，同时能够有效抵挡玻璃钢管内的污水的腐蚀，使用年限在25～50年之间，大大超过了一般钢管的使用年限。其次，其表面致密光滑，能够有效减少菌类等生物的蛀附，保证良好使用状态和外观。致密的内表面能够减少输送过程中的输送阻力，提高输送效率，并降低因摩擦而导致的热量产生。玻璃钢管道的耐热性和抗冻性较好，可以在零下四十到八十摄氏度的低温下长期使用，通过对其基本组成树脂的设计改良，管道的性能还能够进一步得到加强。玻璃钢管道的使用寿命长，经久耐用，长期的模拟实验表明，其工程寿命可达到50年以上。玻璃钢管体的质量轻、强度高，运输安装难度小，配有套环式密封接头的管体可以免除普通钢管安装过程中的焊接和防锈环节，有效缩短了施工工期的长度。玻璃钢的绝缘效果较好，在输电线路较密集的地区使用优势显著。综合建筑投资、安装维修费用、使用年限等因素，使用玻璃钢管的工程综合效益高。
2.玻璃钢管道温度场特性分析
寒冷地区的温度较低，在进行管道埋设时，要防止温度过低造成管道的冰冻伤害。尤其是在纬度和海拔较高地区，管道的埋设深度应该满足2m以上，确保温差变化控制在一定的范围内。玻璃钢的温度适应性强，其适用范围广（大于零下七十摄氏度的温度条件和小于二百五十摄氏度）在冰冻介质下能够保证管道不会产生裂痕而影响输送。在输送过程中，由于管道内的输送物和管道内壁之间存在摩擦，因摩擦而产生的热量会导致玻璃钢管道周围的土层温度发生变化，尤其是在冻土分布地区，冻土的融化会导致土层的支撑能力发生变化。因此，需要在玻璃钢管周围架设冷冻管和保温材料以保证温度场的稳定。
3.玻璃钢管道在整个管道系统中的应用现状
玻璃钢管道因其自身优势在诸多行业得到广泛的应用，目前在温差较大地区的市政供水中已经得以应用。此外，玻璃钢管道在天然气运输以及化工、污水处理以及海水淡化等行业得到了非常广泛的应用，因性能优势其在未来将会占据更为广阔的市场。
四、结束语
随着输水管道和污水处理系统的完善，国内外的管道铺设逐渐向寒冷地区扩展，这些地区的土层硬度大、温度低，施工难度大而玻璃钢管道的运用能够有效解决这些难题，对玻璃钢管道的研究和开发仍将是未来管道行业发展的重点。
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