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低成本纖維纏繞玻璃鋼夾砂管道的研究

  我國的“纖維纏繞玻璃鋼夾砂管道”(RPM管道)是在八下年代后期引進并發展起來的,隨著我國經濟繁榮,國力增強和科技進步的飛快發展,目前已經走向規模化產業。
  眾所周知,由于RPM管道獨特的可設計性所具有的優異質量性能,而受到市場歡迎并引起了社會的廣泛關注,使這一新生事物得以迅速發展。
  RPM管道可根據市場的不同需求而設計制造,現已在眾多領域中應用,如水利、電力、化工、輕工、礦山等工程中,成為輸送管道中一顆閃亮的新星。
  但是市場是個無情的戰場,要參與競爭必須經受住相應的質量及價格兩大要素的考驗。就當今市場而言,RPM管道價格競爭十分嚴峻,因此降低成本是硬道理,是競爭力的核心,是RPM管推廣的關鍵所在。為擴大行業優勢在競爭中取勝,眾多企業都期盼在保證質量條件下降低成本的新理論、新技術能早日誕生并投入市場。
  筆者是從事玻璃鋼事業有40余年的科技工作者,有長期研究與實踐經驗。退休后又從事五年夫砂管道的生產和設計工作,一直在潛心研究“低成本RPM管道”課題,并已取得可喜的進展。對原有的管道設計理論有了新的見解,創立了“插口夾砂管道安全閥設計理論”及“實體全及限設計理論”(及限意為達到限位,并非極限之意)的理念,在此基礎上我們幾位又完成了新的設計模式,獲得“大螺旋角纏繞玻璃鋼管”等三項國家專利。在設計中還采用了新型功能的復合品纖(FSMF),可降低樹脂用量。綜合這些新的設計與技術的應用,在確保管道質量性能的前提下,大幅度降低成本的研究成果,為RPM管道在市場激烈競爭中贏得優勢提供有力的技術條件。
  為此,筆者愿把此成果與同行合作,以推動我國RPM管道產業的大步前進做出努力。
     這里我們將取得的研究成果簡介如下:
     一、降低富裕的樹脂含量
     實踐和研究顯示玻璃纖維增強塑料中樹脂含量占25%一30%,纏繞玻璃鋼強度和模量都較高;夾砂層中的樹脂含量在20%一25%,強度和模量指標均達到高限。但這里有一個重要條件做為整體工作的保證,就是
要求材質密度必須要達到或略高于2.0g/cm3,即要排出材料中的氣泡是極其必要的。為此,采用以下三種辦法來實施。
     1.在纏繞樹脂中添加一定比例的礦物復合晶纖(FSMF)降低樹脂含量。復合晶纖結構中活性基因及不同價位的金屬離子團,可與不飽和樹脂中的基因產生氫鍵離子鍵結合成“無機與有機”鍵荷復合體系,同時晶纖結構又可與玻纖(或砂粒)組成三維絮狀復合體系,從而協同樹脂促進管道性能的提高,據一些非加砂管道生產廠家資料介紹在樹脂中添加20%一30%的晶纖,可降低成本 10%一15%。
     2.工藝制造時采用擠壓方法使夾砂層密實,擠出多余的樹脂和氣泡,同時也增加了膠液的滲透力,增加樹脂的均勻分布,有益于樹脂對砂粒的完全包裹和對砂粒之間孔隙的充滿,并在壓力作用下使樹脂對砂粒表面的親合力增強。這樣就可制造出彈性模量高的堅固夾砂層。
     3.給纏繞纖維施加一定的纏繞張力,關鍵是均勻的纖維張力。
     這一技術常用于高壓容器和高壓管道制品。對RPM壓力管道也很重要,張力可以使每一根彎曲的纖維伸直,隨一定的預應力。試想有相當一些纖維處于彎曲狀態,待那些已伸直的纖維先被拉斷,彎曲的纖維再伸直,勢必減弱了纖維束的整體拉伸強度。當前的試驗說明RPM管道環向強度通常只能發揮70%—80%左右,而縱向強度由于纖維松弛因素也只能發揮30%一50%。
     當然纏繞的張力也能擠出部分多余的膠液,同時還增加纏繞層和夾砂層的牢固聯接,從而使剛度試驗“B”在體平提高。
  二.提高RPM管道剛度
  RPM管道埋入地下要承擔地面和土壤荷載,因此剛度就是RPM管道的關鍵所在。所以,提高剛度又能降低成本就是急待要解決的問題。
     1.增強夾砂層
     采用在夾砂層中配添一定比例的復合晶纖或其它物增強石英砂層,使堆積理論的球形與棒形的合理配比混合,強力的樹脂侵入,達到更佳的樹脂浸潤及充填效果,進一步增加了夾砂層的整體強度,提高夾砂層的彈性模量,使管道剛度有所提高,這樣增強的夾砂層可以提高剛度標準的“B”水平,同時還可有效地降低夾砂層厚度,從而使成本得到下降。
     2.密實夾砂層
     筆者早年曾研究過以石英細砂、金剛石粉等填料的酚醛樹脂熱固性模壓塑料,實驗結果表明試件的密度達到2.0g/cm3以上遠比低于2.0g/cm3的力學性能高的多。因此壓密的夾砂層與合理的級配使填料在夾砂層中起骨架作用,從而提高夾砂層的單層厚度和彈性模量,有效地提高管道剛度的同時也相應地降低了成本。
     3.提高固化度
     提高樹脂的固化度是提高夾砂層和纏繞層整體RPM管道剛度的最有效方法之一,實踐證明2—3年的舊管道要比新生產出來的管道剛度高出40%一50%,但這一點卻恰恰被急于快速生產的廠家所忽視。就目前水平
來講,加溫是提高固化度的有效辦法,但多數廠家卻認為這樣額外浪費能源而增加成本遲遲不肯這樣做。當然生產環境和埋設環境均在18℃以L那么生產出的新管道隨時間推移管道剛度也還會相應提高,但如果此時再過低溫固化度就會就此停止增加,因此出廠的勝M管道的固化程度是個要極其慎重掌握的參數。
     三、科學的結構設計
     1.兩項理論依據
     一項是“承插口夾砂管道的安全閥設計理論”(纖維復合材料1999年第一期)挑戰傳統的玻璃鋼管道設計規則,所謂環向比軸向應力為2:l的理論,從而打破了一直必須遵守螺旋纏繞角=54.75º的定律,有效的節約了纖維和樹脂的用量。
     另一項是“實體全及限設計理論”(纖維復合材料2002年第二期),我們提出的這項RPM管道設計理論是借用木桶拼裝原理,就是說由多塊木板拼裝起來的木桶其最大裝水量不是決定于那些最長的木板條,而是取決于最短的那一根木板條。因此,科學的設計必須是全部木板條應該是等長度等質量的標準。如果說其中有若干條木板是超長的,甚至有兩條是極珍貴的木料乃至是金子鑄造的,其實并不具備什么優點,只能是白白的浪費,對盛水量毫無益處。聯想到RPM管道的組成與制造工藝有400個因素影響管道質量。科學的設計應該是把所有的影響和組成因素都設計成同時達到50年壽命,而不應該把有些因素設計成100年,而又忽略了某些因素乃至連30年都達不到。
     2.科學與合理的設計
     科學的設計包括RPM管道結構層的合理設計、纖維纏繞鋪層、夾砂層的優化設計和工藝制造工序因素的控制設計三部分。
     ①結構層的合理設計
     RPM管道結構層的組成應該是能使該結構層最大發揮效力,并且合理科學的各自分工合作形成整體的承載體系。而目前所見原有的RPM管道結構層一直沿用至今未曾改變,筆者研發的專利則有所突破,渴望更多
更新的專利或新技術誕生,把RPM管道行業推向世界領先地位。
     ②纖維纏繞鋪層的優化配置
     RPM管道在工作、安裝、運輸、埋地時要承受一系列的荷載,包括內壓產生的環向應力、非內壓產生的軸向應力以及埋地土壤、地面荷載引起的外壓變形等都需要纖維纏繞的錢層、夾砂層的優化配置設計。該設計的優化不但要考慮內壓、剛度、輸送液體介質,還要考慮埋地深度和土質,乃至安裝企業的技術水平與可信度以及埋設環境氣候條件等等。
     ③工藝制造工序及參數的控制設計
     優質的RPM管道制造,不但要有合理的制造工序,更關鍵的是要保證合理工序的貫徹實施,這就是工藝程序及參數的控制設計。因此,從原材料進廠開始一直到管道出廠始終都要在可控制狀態下進行生產。工廠要有工程師,車間要有老技工和技術員。由化驗員化驗,質檢員跟蹤記錄各環節參數及檢驗結果;實行制襯、纏繞夾砂、固化修正,脫模、檢壓各工段驗收放行,上下班工藝傳遞卡交接制度。賦于化驗室,檢驗科一票否決權。對第一線生產責任人實行工藝過程簽名埋標簽制度以終身對產品負責。總觀工藝制造全過程共有400多個因素影響管道質量,必須有一套科學地、嚴格地工藝控制設計,合理地把握重要因素到人實行責任分工記錄及全過程監控。并定期培訓技術工人,由有技術素質的隊伍來生產優質RPM管道產品。
     不斷地科技進步是企業成長,質量提高。成本不斷下降的唯一捷徑。但違背科學規律,偷工減料造假劣產品,只能影響企業聲譽和造成經濟損失。近年來我國RPM管道的飛速發展使我國這項事業已有了長足的進
步。尤其是西部大開發的戰略實施更為RPM管道帶來良好的機遇,為我們開展的科學地降低30%—40%成本的研究和專利新技術的實施與發展開創了一個嶄新的大好局面。相信我國RPM管道在不久將來會有一個較大的突破。立足于超越國際RPM管道發展水平,形成世界該領域最大的經濟規模,挑戰大口徑鋼筒子應力混凝土管道,淘汰予應力混凝土管道的時刻就會早日到來。
 
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