球墨铸铁管是一种经过球化和孕育处理铁水后,采用离心法浇筑而成的。制作时有冷模工艺和热模工艺之分,采用冷模工艺需采用退火工艺,一般适合于生产700一800以下的管材。由于经过处理的铁水石墨结晶体呈球状,故称球墨铸铁。其主要优点是:抗拉强度高,断裂延伸率高,耐腐蚀性能优于钢管2倍多。我国从80年代中期开始引进球墨铸铁管生产线,现可生产700m以下的离心球墨铸铁管(给水排水管道工程施工及验收规范实施手册,中国建筑工业出版社,1998年9月出版),并于1991年颁布了《离心铸造球墨铸铁管》(GBl3295-91)标准。该标准规定了Φ700以下的球墨铸铁管(NI型、X型、S型接口)、Φl2OO以下球墨铸铁管(T型接口)的四个不同级别的尺寸标准。从强度和刚度来看,夹砂玻璃钢管和球墨铸铁管都具有优良的特性。但从耐腐蚀性与使用寿命、水力特性、能耗、水质、运输、安装及价格等方面分析,玻璃钢夹砂管比球墨铸铁管更优越、更具有竞争力。
1.防腐性能与使用寿命
优良的防腐蚀性能是玻璃钢管最突出的优点之一,这不仅使得玻璃钢管在运行时无须任何维护,而且是确保玻璃钢管能使用50年寿命的重要因素(见 AWWA, ASTM标准)。
尽管球墨铸铁管的耐腐蚀性能比钢管强,但球墨铸铁管在埋入地下运行时,管内水质、周围土壤、地下水,埋设地带附近是否存在电场等因素,均会使该管内外壁产生腐蚀(见《中华人民共和国国家标准“给水排水工程结构设计规范编制说明”》)。因此,《离心铸造球墨铸铁管》 (GBI3295-91)标准规定:管体内外表面应涂覆沥青质或其他防腐材料。由于涂覆材料与球墨铸铁管材的材质不同,在长期运作中,受到气候冷热、水力冲击等作用,容易产生界面分层脱落,而逐步失去防腐涂覆层,从而使管的内表面铁分子产生氧化作用、电化学腐蚀等,必将减少使用寿命。
2.水力特性比较
玻璃钢管的内壁非常光滑,新玻璃钢管的Hazen-Wllliams粗糙系数c值为160一165,其保守的设计值(按50年计)为150。新的球墨铸铁管与新钢管的c值均为为120,经使用后为C一65 (见图1)。c值的降低是由于管的内表面铁分子产生氧化作用和电化学腐蚀反映在内壁结垢造成的。
采用文献《FRP管道手册》(中国玻璃钢工业协会。国家建材局玻璃钢研究设计院,1998年3月出版)对钢管与玻璃钢管的流量进行比较的数据。因为新钢管的绝对粗糙度为O.05mm,腐蚀后的钢管的绝对粗糙度为3mm,腐蚀后是未腐蚀钢管的绝对粗糙度的60倍；而球墨铸铁管在出厂时(GBl3295-91)标准规定:表面缺陷不得大于(ɑ+O.O5T)mm。以Φ1000管为例:其容许表面缺陷可为(ɑ+O.75)mm,按照球墨铸铁管的耐腐蚀性比钢管优3倍来考虑,腐蚀后的绝对粗糙度将大于3mm。因此,球墨铸铁管与钢管的水力特性相差不大。
取球墨铸铁管的Hazen-Williams平均粗糙系数c值为100,玻璃钢管的c为150,则12英寸的玻璃钢管与14英寸的钢管的流量相同。或者说,在同样的管径条件下,玻璃钢管的流量比球墨铸铁管要大36%。
3.能耗比较
由于球墨铸铁管的Hazen-Williams粗糙系数c值随着年份大幅度减少,其能耗也将大幅度增加。仍参照文献《FRP管道手册》的比较数据,对球墨铸铁管管与玻璃钢管的能耗进行了比较:
球墨铸铁管管线的能耗远大于玻璃钢管线。其主要原因有两个:其一是由于球墨铸铁管的铁分子氧化、电化学腐蚀等因素,产生内壁结垢而增加阻力,使能耗增加;其二是由于在新管状态下,玻璃钢管远比球墨铸铁管要光滑。值得指出的是:在管线寿命期的最后数年,球墨铸铁管线需要的泵送功率将从25马力增加到60马力;而玻璃钢管线的功率基本保持不变。
4.水质比较
玻璃钢管的内衬采用食品级树脂,可确保水质达到国家标准 (JC58一l995 ),并可用于输送和贮存含氯的饮用水及生活用水。除;此之外,在避光条件下的玻璃钢管的内壁不生长微生物,因此埋地的玻璃钢管可进一步确保自来水的质量。
由于球墨铸铁管必须涂覆涂料,因此GBl3295一91标准对涂料作
了严格规定:引用水的球墨铸铁管的涂料应不溶于水,不得使水产生臭和味,涂料中的有害物质应符合卫生部引水的有关规定。此外,由于球墨铸铁管壁粗糙,即使采取涂覆防腐材料工艺也难以达到和玻璃钢管内壁的光滑性,且长期使用后会产生腐蚀,因而会生长微生物和结垢,从而影响水质。
5.防渗性和抗水锤能力比较
玻璃钢管采用双环橡胶密封胶圈承插连接,安装时在连接处100%
打压试验,可确保接头密封性能l00%合格。此外,由于玻璃钢是一种致密性很高的复合材料,管身不仅不会由里往外渗水(如往外渗的污水影响农田),而且也不可能申外往里渗(如管外部的污水往里渗将影响管内的水质)。
球墨铸铁管在连接时不可能如玻璃钢管一样在接头处打压,因此接头密封的可靠性不及玻璃钢管。
此外,一般球墨铸铁管长4-6m,而一根玻璃钢管长的12米,因此
玻璃钢管比球墨铸铁管减少了接头,继而减少了管接头渗漏的机会。
由于玻璃钢夹砂管具有很高的强度和良好的延展性,不会因为水锤作用和瞬间超压产生破坏。
6.适用性、安全和环保特性
在可能的组合下,可根据使用条件要求对玻璃钢夹砂管进行灵活设计,并且,国内先进水平的生产装备完全能够按照各种设计方案生产出合格产品。由于食品级树脂等原材料质量稳定,经多年使用效果良好。
玻璃钢管由结构稳定的无机非金属材料和大分子链的有机材料构成,管道内外富树脂层的结构形式使管材在长期使用中性能稳定,渗入渗出极少,不会对所输送的水质和环境水土产生影响,因此,玻璃钢夹砂管是一种很好的环保材料。由于玻璃钢夹砂管具有很高的强度和良好的延展性,不会因为水锤作用和瞬间超压产生破坏,又不会对所输送的水质和环境水土产生影响,因此,从诸多方面评价玻璃钢夹砂管都是一种安全的管材。另外,由于玻璃钢夹砂管内壁光滑,水流阻力小,特别是在有重力流的情况下,所需的加压设备少,节省运行动力。一般情况下，玻璃钢夹砂管的运行费用比其他管材低20%左右。由于玻璃钢夹砂管强度高,材质稳定,非外力作用不易破坏,可以讲玻璃钢夹砂管基本上是免维护的。国内外正在运行管道的良好表现也证明了这一点。
7.抗剥离性能
在规定的使用期内,正常使用情况下玻璃钢夹砂管不会出现剥离现象。现从玻璃钢夹砂管的构成材料、材料作用原理、结构和生产工艺三方面加以说明。
1) 构成材料:玻璃钢夹砂管的主要材料为不饱和聚酯树脂、无碱无捻玻璃纤维和天然圆角石英砂。不饱和聚酯树脂采用南京帝斯曼树脂有限公司、大连鑫鼎树脂涂料有限公司等国内著名生产厂家的产品,其酸值、工艺浸润性、浇铸体断裂韧性和强度等指标均处于国内领先水平;无碱无捻玻璃纤维采用巨石集团和泰山玻璃纤维有限公司,该产品采用了先进的池窑拉丝生产技术,使用最佳的表面处理剂,因此,其拉伸强度、耐磨性、表面形态及其与树脂的融合程度均十分理想；石英砂采用内蒙占草原的天然圆角石英砂,经水洗、烘干和筛选等工艺过程后得到符合理想级配的产品,其形状、成份和洁净度使天然圆角石英砂具有浸润性好、堆积密度高、有效地提高玻璃钢夹砂管强度和刚度等优良性能。美国欧文斯科宁管道有限公司用与上述材料相同性能的材料生产的玻璃钢夹砂管,经美国欧文斯科宁管道有限公司美国技术中心和挪威技术中心按照ANSI/AWWA C950一95标准中的长期静水压设计基准(HDB),经过10000小时严格的模拟试验,采用线性回归分析方法推算出在50年的使用期内,按照规定要求设计和生产的玻璃钢夹砂管的性能衰减程度是完全能够达到其最低使用要求的。
2)材料作用原理:构成地埋玻璃钢夹砂管的主要材料无碱无捻玻璃纤维和天然圆角石英砂均属典型的无机非金属材料,起增强作用,具有理想的组份和结构强度,其性能在玻璃钢—夹砂管的成型过程和使用期内无变化。不饱和聚酯树脂属黏接材料,在成型过程中发生化学反应,从低分子线性结构转变成具有黏附力好,剪切强度高,收缩率小的稳固的高分子三维立体结构,使其极难与增强材料脱离。
3)结构和生产工艺:玻璃钢夹砂管的内表面是由高比例不饱和聚酯树脂和增强材料构成的防渗漏层,然后是环向和交叉缠绕的无碱无捻玻璃纤维和树脂层。整个石英砂层居于管壁中部位置,其中有多层环向和交叉缠绕的无碱无捻玻璃纤维起连接和增强作用。外层仍为环向和交叉缠绕的无碱无捻玻璃纤维和树脂层。生产过程中给予纤维以足够的成型张力并逐层压实,使整个管壁结构浑然一体。
球墨铸铁管的导热系数较高,与防腐材料间变形系数差别较大,在局部腐蚀、水流冲击等外部因素作用下较易剥离。
8.抗冻性能
玻璃钢管属柔性管,断裂延伸率较高,弹性好,导热系数低,属非金属保温材料。另外,由于玻璃钢夹砂管的环向拉伸强度和轴向拉伸强度较高,即使在管内满水全部冰冻情况下,也不会出现冻裂现象。一般情况下,在寒冷地区埋设的玻璃钢管运行中可有1/3～1/2在冻层内不致影响使用。
9.抗变形和基础不均匀沉降能力
玻璃钢管既具备足够的抗外部荷载和变形的刚度性能,又具有一定的柔性,DNl800mm管接口借转角度可达到1.5°;球墨铸铁管接口借转角度仅为O.7°。因此,玻璃钢管比钢管具有更强的抗变形和不均匀沉降能力,对地震等外力有较强的抵抗能力。
10.运输、安装与维护
同管径同压力的玻璃钢管重量是球墨铸铁管的四分之一左右,这无疑给玻璃钢管的运输和安装提供了便利,同时也减少了运费,增加了安装的可靠性。
玻璃钢管在运行过程中基本上无须任何维护,而球墨铸铁管由于耐腐蚀性能差,需要不断采取防腐维护措施,有时还需采取阴极保护等措施。
从玻璃钢管的特性和引松入长等工程的运行情况看,玻璃钢管是一种免维护的管材。如因外部因素造成玻璃钢管损坏,玻璃钢企业可采用成型的特种维修卡头在不影响供水的情况下于最短时间内解决问题。
11.价格
无论从管材的单价,还是从综合造价,玻璃钢夹砂管的价格比球墨铸铁管更经济。相同口径比较,供水量相同的工程,玻璃钢管线的综合造价低22%以上。
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