玻璃鋼管的性能分析
管材選擇是供水工程設計中的重要內容。玻璃鋼管作為一種新型的輸水管材，具有適用范圍廣、經濟、壽命長、抗震性能好、安裝方便、運行費用低、防滲漏等優點，可廣泛應用于長距離輸水、城市給排水、電廠回水、農業節水灌溉等。
1 玻璃鋼管的結構特點
玻璃鋼又稱作玻璃纖維增強塑料，其中的玻璃鋼管道是由玻璃纖維、不飽和聚酯樹脂和石英砂填料組成的新型復合管道。玻璃鋼管具有系列優良的特性，在歐美等發達是應用相當廣泛的工業管材之一，并制定了完善的管道產品標準和工程設計、安裝規范。管道制造工藝主要采用計算機控制纖維纏繞法和離心澆鑄兩種方法成型。
纖維纏繞管道管壁結構從內到外依次為：內襯層、內部纏繞層、樹脂砂漿層、外部纏繞層、外部保護層。內襯層起防腐、防滲作用，纏繞層與樹脂砂漿層擔負管道的強度和剛度作用，外保護層起抗老化、防腐蝕、抗日曬的作用，是符合材料可設計性的優體現。
纖維纏繞法分連續纏繞法與往復纏繞法，連續纏繞工藝是在芯模上，用長纖維玻璃絲，以一定的斜角徑向連續纏繞，在管芯樹脂中要摻和一定比例的短纖維和砂，可生產任意長的管段，它的承水壓能力一般在1．6 MPa以下，管徑在300―3000 mm間；往復纏繞工藝是在芯模上，用長纖維玻璃絲，以一定的斜角經徑向交叉纏繞，對于有高剛度要求的管材可以加砂，但承受內壓較高的管材一般不加砂。
離心澆鑄玻璃鋼夾砂管道管壁結構，按其功能通常從內到外分為內襯層、內增強層、結構層、外增強層和外保護層。內襯層是管道與介質接觸的內層，直接與介質接觸，主要作用為耐化學腐蝕和防止介質滲漏，內襯層材料為純樹脂。內增強層由短切纖維和樹脂組成，不連續的短纖維做增強材料，樹脂做粘結基體，纖維與樹脂的用量及配比與根據管道所承受的壓力而設計的該層厚度有關，內增強層是管道的受力層，承受管壁的軸向、環向壓力。結構層主要由樹脂和石英砂及其他填料組成，此層對于離心玻璃鋼夾砂管道結構非常重要，主要用來增強管道的剛度，使管道具有承受變形的強度。也就是由于結構層，使得離心管道與其他工藝生產的管道相比，有其獨特的優勢。外增強層與內增強層一樣，由短切長纖維和樹脂組成，承受工作壓力。外保護層由樹脂及石英砂制成，主要耐外界環境的腐蝕并提高玻璃鋼夾砂管道的
耐候性。
2 玻璃鋼管的性能分析
2．1 質量輕、比強高、抗疲勞性能好玻璃鋼的密度在1.6―2.0 g／cm3 之間，即只有普通鋼材的1/4―1/5，比鋁還要輕約1/3，因為玻璃鋼中的連續纖維有較高的拉伸強度及彈性模量，其機械強度可以達到或超過普通碳鋼的水平，比強度為鋼材的4倍。
玻璃鋼材料的抗疲勞性能好，金屬材料的疲勞破壞是由里向外突然發展的，往往事先無征兆；而纖維復合材料中纖維與基體的界面能阻止裂紋擴展，其疲勞破壞總是從材料的薄弱環節開始，玻璃鋼管道可按照環向與軸向受力的不同，通過改變結構纖維鋪層，使管道具有不同的環向強度與軸向強度，從而與受力狀態相匹配。玻璃纖維的極限拉伸強度1 400 MPa，
彈性模量70 GPa。
2．2 水力特性優越
玻璃鋼管道同其他管道相比摩阻系數小，輸水能力強，見表1。
2.3 耐腐蝕性能好
玻璃鋼管的主要原材料選用高分子成份的不飽和聚酯樹脂和礦物質成份的玻璃纖維組成，因此它與普通金屬的電化學腐蝕機理不同，它不導電，在電解質溶液里不會有離子溶解出來，特別在強的非氧化性酸和相當廣泛的PH值范圍內的介質中都有良好的適應性，過去用不繡鋼也解決不了的一些腐蝕性介質，如鹽酸、氯氣、二氧化碳、稀硫酸、次氯酸鈉和二氧化硫，玻璃鋼管可很好地解決腐蝕問題。玻璃鋼對大
氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽等介質有良好的化學穩定性，因而能有效地抵抗酸、堿、鹽等介質的腐蝕性和未經處理的生活污水和工業污水、腐蝕性土壤和化工廢水及眾多化學液體的侵蝕。在一般情況下，玻璃鋼管道能夠長期保持管道的安全運行，大大增加了管道的使用壽命，從而降低了管道的后期維護和更換的材料成本。
2．4 抗老化性能及抗凍性能優越
玻璃鋼是一種優良的絕緣材料，其導熱系數一般為1.254～1.672 kJ／(m?h?℃)，只有金屬的1/100～1/1 000，在有溫差時所產生的熱應力比金屬低的多，可用作良好的隔熱材料和瞬時內高溫材料。玻璃鋼管道因環向拉伸強度高，具有良好的抗凍性能，在-20℃時，管內結冰后不會發生凍裂。
2．5 壽命長、電熱絕緣性好
在正常情況下，玻璃鋼管道可使用5O年以上，且由于其重量輕、強度高、可塑性強，其運輸安裝方便。
玻璃鋼是非導體，管道的電絕緣性特優，絕緣電阻在l012 ～l015Q?cm，適用于輸電、電信線路密集區和多雷區；玻璃鋼的傳熱系數很小，只有0.2～0.45，是鋼的0.5％ ，管道的保溫性能優異。
2．6 可設計性好
玻璃鋼是一種可以改變其原材料種類、數量比例和排列方式，以適應各種不同工況條件要求下的復合材料。一般可通過以下各種途徑改善其性能，來滿足各種不同要求。
(1)改變樹脂種類并提高與介質相接觸表面層的樹脂含量，以提高耐腐蝕性。
(2)選用不同纖維的種類和控制玻璃鋼中纖維的含量，以適應不同耐腐蝕性和強度的要求。
(3)改變纖維的排列，以適應環向、軸向等不同方向的強度設計要求。
(4)管配件制作方便。玻璃鋼管的法蘭、彎頭、三通、變徑管等可任意制作，如法蘭可與任意符合標準的同等壓力同等管徑的鋼制法蘭相連接，彎頭可根據施工現場的需要制作成任意角度。此外，由于接頭采用柔性橡膠圈密封，每個接頭具有1。～3。的偏轉作用，對于較小的轉彎可通過接頭借轉而不用制作彎頭。而對于其他管材，彎頭、三通等配件除規定規格的標準件外，非標準件難以制作。
2．7 玻璃鋼管耐磨性和韌性好
經試驗，在相同條件下經過250 000次負荷循環，鋼管磨損約為8.4 mm，石棉水泥管磨損約5.5 mm，混凝土管磨損約2.6 mm(內表面結構與PCCP相同)，陶土管磨損約2.2 mm，高密度聚乙烯管磨損約0.9 mm，而玻璃鋼管磨損僅為0.3 mm。玻璃鋼管表面磨損極小，在大負荷作用的情況下，僅為0.3 mm，如果在正常壓力情況下，介質對玻璃鋼管道內襯的磨損可忽略不計，管道的內襯層是符合衛生要求的食品級樹脂和短切玻璃纖維原絲氈構成，而內表面的純樹脂層有效地屏蔽了纖維裸露情況的發生。
3 玻璃鋼管的缺點及工程實例
3．1 易受加工制造及施工的技術水平影響玻璃鋼管道在加工制造過程中易受技術、工藝、制造水平的影響，從而形成缺陷產品，影響工程的安全運行。
玻璃鋼管道安裝接頭采用雙“0”型密封橡膠圈承插連接，接頭的安全系數高，因管道接頭少而提高了安裝速度，并減少了管線安全隱患。又因玻璃管熱膨脹系數小，在整個管線安裝中，不需要布置伸縮器，而其他管材如鋼管、UPVC管等需要安裝伸縮器，增加管網的安全系數。但對安裝技術水平要求特別高，如施工安裝不好，很容易漏水。
3．2 耐沖擊力較差
玻璃鋼管道較脆，耐沖擊力較差，因此在運輸、安裝過程中要求比較嚴格。特別是在巖石山區和特殊地形的地段，運輸安裝必須嚴格按照其標準執行，否則容易出現斷裂、破壞現象，造成不必要的經濟損失。
3．3 耐高溫和抗紫外線較差
玻璃鋼管道可在-40～120 oC溫度范圍內長期使用，如果輸送特殊高溫介質，須采用特殊配方的耐高溫樹脂使管道可在200 oC以上溫度正常工作。
長期用于露天使用的管道，其外表面添加有紫外光穩定劑，消除紫外線對管道的輻射，由此解決管道的抗紫外線差的問題。
以上缺陷雖然經過技術處理都能解決，但由于增加了特殊材料，勢必增加了管道成本，同等使用條件下也就失去了玻璃鋼管道的成本較低的優勢。
3．4 工程實例
在山西省禹門口工業供水工程中，經技術經濟比較，供水管道選用管徑為800 mm、壓力等級為1．6 MPa的玻璃鋼管道。管道安裝完畢后，在試水過程中出現了兩個問題，(1)壓力等級為1．6 MPa的一節管道爆裂，經初步原因分析為管道壓力等級沒有達到設計標準，針對此原因更換此管道后出現第二次爆裂，經過廠家、施工單位、監理和設計單位全面分析后，認為此管道在制造過程中存在質量問題，經過廠家總結經驗后，嚴把產品質量關，目前該管道運行良好。(2)在個別管道接頭地方出現漏水現象，分析確認為除管件和管道承插口存在質量問題，施工技術也是不容忽視的影響管道安全運行的因素。經管道制造廠家對存在問題的管件和管道進一步改進，和施
工單位嚴格按照施工標準施工，成功地解決了漏水問題，使工程能安全運行。
4 結語
從以上分析可以看出，玻璃鋼管道存在顯著的優缺點，具有其他管材(如鋼管、UPVC管、PCCP、球墨鑄鐵管等)的各種優良性能，但也存在缺點。
玻璃鋼管道在我國的應用較晚，到目前也只有15～20年，管道的諸多技術數據及性能參數，有待于在工程實踐中不斷總結經驗，不斷改進，才能不斷提高其性能。
在具體管道工程的管材選擇中必須結合工程的具體情況，如管長、管徑、管道壓力等級及工程的地形地質條件，從技術、經濟、運輸、安裝及運行管理全面進行分析比較，才能選出經濟合理、運行安全的管材。
目前玻璃鋼管道在長距離輸水、城市給排水、電廠回水、農業節水灌溉等工程中已得到了廣泛的應用，也積累了很多成熟的經驗，為今后管道工程的設計、施工提供了成功的范例。
1 玻璃鋼管的結構特點
玻璃鋼又稱作玻璃纖維增強塑料，其中的玻璃鋼管道是由玻璃纖維、不飽和聚酯樹脂和石英砂填料組成的新型復合管道。玻璃鋼管具有系列優良的特性，在歐美等發達是應用相當廣泛的工業管材之一，并制定了完善的管道產品標準和工程設計、安裝規范。管道制造工藝主要采用計算機控制纖維纏繞法和離心澆鑄兩種方法成型。
纖維纏繞管道管壁結構從內到外依次為：內襯層、內部纏繞層、樹脂砂漿層、外部纏繞層、外部保護層。內襯層起防腐、防滲作用，纏繞層與樹脂砂漿層擔負管道的強度和剛度作用，外保護層起抗老化、防腐蝕、抗日曬的作用，是符合材料可設計性的優體現。
纖維纏繞法分連續纏繞法與往復纏繞法，連續纏繞工藝是在芯模上，用長纖維玻璃絲，以一定的斜角徑向連續纏繞，在管芯樹脂中要摻和一定比例的短纖維和砂，可生產任意長的管段，它的承水壓能力一般在1．6 MPa以下，管徑在300―3000 mm間；往復纏繞工藝是在芯模上，用長纖維玻璃絲，以一定的斜角經徑向交叉纏繞，對于有高剛度要求的管材可以加砂，但承受內壓較高的管材一般不加砂。
離心澆鑄玻璃鋼夾砂管道管壁結構，按其功能通常從內到外分為內襯層、內增強層、結構層、外增強層和外保護層。內襯層是管道與介質接觸的內層，直接與介質接觸，主要作用為耐化學腐蝕和防止介質滲漏，內襯層材料為純樹脂。內增強層由短切纖維和樹脂組成，不連續的短纖維做增強材料，樹脂做粘結基體，纖維與樹脂的用量及配比與根據管道所承受的壓力而設計的該層厚度有關，內增強層是管道的受力層，承受管壁的軸向、環向壓力。結構層主要由樹脂和石英砂及其他填料組成，此層對于離心玻璃鋼夾砂管道結構非常重要，主要用來增強管道的剛度，使管道具有承受變形的強度。也就是由于結構層，使得離心管道與其他工藝生產的管道相比，有其獨特的優勢。外增強層與內增強層一樣，由短切長纖維和樹脂組成，承受工作壓力。外保護層由樹脂及石英砂制成，主要耐外界環境的腐蝕并提高玻璃鋼夾砂管道的
耐候性。
2 玻璃鋼管的性能分析
2．1 質量輕、比強高、抗疲勞性能好玻璃鋼的密度在1.6―2.0 g／cm3 之間，即只有普通鋼材的1/4―1/5，比鋁還要輕約1/3，因為玻璃鋼中的連續纖維有較高的拉伸強度及彈性模量，其機械強度可以達到或超過普通碳鋼的水平，比強度為鋼材的4倍。
玻璃鋼材料的抗疲勞性能好，金屬材料的疲勞破壞是由里向外突然發展的，往往事先無征兆；而纖維復合材料中纖維與基體的界面能阻止裂紋擴展，其疲勞破壞總是從材料的薄弱環節開始，玻璃鋼管道可按照環向與軸向受力的不同，通過改變結構纖維鋪層，使管道具有不同的環向強度與軸向強度，從而與受力狀態相匹配。玻璃纖維的極限拉伸強度1 400 MPa，
彈性模量70 GPa。
2．2 水力特性優越
玻璃鋼管道同其他管道相比摩阻系數小，輸水能力強，見表1。
2.3 耐腐蝕性能好
玻璃鋼管的主要原材料選用高分子成份的不飽和聚酯樹脂和礦物質成份的玻璃纖維組成，因此它與普通金屬的電化學腐蝕機理不同，它不導電，在電解質溶液里不會有離子溶解出來，特別在強的非氧化性酸和相當廣泛的PH值范圍內的介質中都有良好的適應性，過去用不繡鋼也解決不了的一些腐蝕性介質，如鹽酸、氯氣、二氧化碳、稀硫酸、次氯酸鈉和二氧化硫，玻璃鋼管可很好地解決腐蝕問題。玻璃鋼對大
氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽等介質有良好的化學穩定性，因而能有效地抵抗酸、堿、鹽等介質的腐蝕性和未經處理的生活污水和工業污水、腐蝕性土壤和化工廢水及眾多化學液體的侵蝕。在一般情況下，玻璃鋼管道能夠長期保持管道的安全運行，大大增加了管道的使用壽命，從而降低了管道的后期維護和更換的材料成本。
2．4 抗老化性能及抗凍性能優越
玻璃鋼是一種優良的絕緣材料，其導熱系數一般為1.254～1.672 kJ／(m?h?℃)，只有金屬的1/100～1/1 000，在有溫差時所產生的熱應力比金屬低的多，可用作良好的隔熱材料和瞬時內高溫材料。玻璃鋼管道因環向拉伸強度高，具有良好的抗凍性能，在-20℃時，管內結冰后不會發生凍裂。
2．5 壽命長、電熱絕緣性好
在正常情況下，玻璃鋼管道可使用5O年以上，且由于其重量輕、強度高、可塑性強，其運輸安裝方便。
玻璃鋼是非導體，管道的電絕緣性特優，絕緣電阻在l012 ～l015Q?cm，適用于輸電、電信線路密集區和多雷區；玻璃鋼的傳熱系數很小，只有0.2～0.45，是鋼的0.5％ ，管道的保溫性能優異。
2．6 可設計性好
玻璃鋼是一種可以改變其原材料種類、數量比例和排列方式，以適應各種不同工況條件要求下的復合材料。一般可通過以下各種途徑改善其性能，來滿足各種不同要求。
(1)改變樹脂種類并提高與介質相接觸表面層的樹脂含量，以提高耐腐蝕性。
(2)選用不同纖維的種類和控制玻璃鋼中纖維的含量，以適應不同耐腐蝕性和強度的要求。
(3)改變纖維的排列，以適應環向、軸向等不同方向的強度設計要求。
(4)管配件制作方便。玻璃鋼管的法蘭、彎頭、三通、變徑管等可任意制作，如法蘭可與任意符合標準的同等壓力同等管徑的鋼制法蘭相連接，彎頭可根據施工現場的需要制作成任意角度。此外，由于接頭采用柔性橡膠圈密封，每個接頭具有1。～3。的偏轉作用，對于較小的轉彎可通過接頭借轉而不用制作彎頭。而對于其他管材，彎頭、三通等配件除規定規格的標準件外，非標準件難以制作。
2．7 玻璃鋼管耐磨性和韌性好
經試驗，在相同條件下經過250 000次負荷循環，鋼管磨損約為8.4 mm，石棉水泥管磨損約5.5 mm，混凝土管磨損約2.6 mm(內表面結構與PCCP相同)，陶土管磨損約2.2 mm，高密度聚乙烯管磨損約0.9 mm，而玻璃鋼管磨損僅為0.3 mm。玻璃鋼管表面磨損極小，在大負荷作用的情況下，僅為0.3 mm，如果在正常壓力情況下，介質對玻璃鋼管道內襯的磨損可忽略不計，管道的內襯層是符合衛生要求的食品級樹脂和短切玻璃纖維原絲氈構成，而內表面的純樹脂層有效地屏蔽了纖維裸露情況的發生。
3 玻璃鋼管的缺點及工程實例
3．1 易受加工制造及施工的技術水平影響玻璃鋼管道在加工制造過程中易受技術、工藝、制造水平的影響，從而形成缺陷產品，影響工程的安全運行。
玻璃鋼管道安裝接頭采用雙“0”型密封橡膠圈承插連接，接頭的安全系數高，因管道接頭少而提高了安裝速度，并減少了管線安全隱患。又因玻璃管熱膨脹系數小，在整個管線安裝中，不需要布置伸縮器，而其他管材如鋼管、UPVC管等需要安裝伸縮器，增加管網的安全系數。但對安裝技術水平要求特別高，如施工安裝不好，很容易漏水。
3．2 耐沖擊力較差
玻璃鋼管道較脆，耐沖擊力較差，因此在運輸、安裝過程中要求比較嚴格。特別是在巖石山區和特殊地形的地段，運輸安裝必須嚴格按照其標準執行，否則容易出現斷裂、破壞現象，造成不必要的經濟損失。
3．3 耐高溫和抗紫外線較差
玻璃鋼管道可在-40～120 oC溫度范圍內長期使用，如果輸送特殊高溫介質，須采用特殊配方的耐高溫樹脂使管道可在200 oC以上溫度正常工作。
長期用于露天使用的管道，其外表面添加有紫外光穩定劑，消除紫外線對管道的輻射，由此解決管道的抗紫外線差的問題。
以上缺陷雖然經過技術處理都能解決，但由于增加了特殊材料，勢必增加了管道成本，同等使用條件下也就失去了玻璃鋼管道的成本較低的優勢。
3．4 工程實例
在山西省禹門口工業供水工程中，經技術經濟比較，供水管道選用管徑為800 mm、壓力等級為1．6 MPa的玻璃鋼管道。管道安裝完畢后，在試水過程中出現了兩個問題，(1)壓力等級為1．6 MPa的一節管道爆裂，經初步原因分析為管道壓力等級沒有達到設計標準，針對此原因更換此管道后出現第二次爆裂，經過廠家、施工單位、監理和設計單位全面分析后，認為此管道在制造過程中存在質量問題，經過廠家總結經驗后，嚴把產品質量關，目前該管道運行良好。(2)在個別管道接頭地方出現漏水現象，分析確認為除管件和管道承插口存在質量問題，施工技術也是不容忽視的影響管道安全運行的因素。經管道制造廠家對存在問題的管件和管道進一步改進，和施
工單位嚴格按照施工標準施工，成功地解決了漏水問題，使工程能安全運行。
4 結語
從以上分析可以看出，玻璃鋼管道存在顯著的優缺點，具有其他管材(如鋼管、UPVC管、PCCP、球墨鑄鐵管等)的各種優良性能，但也存在缺點。
玻璃鋼管道在我國的應用較晚，到目前也只有15～20年，管道的諸多技術數據及性能參數，有待于在工程實踐中不斷總結經驗，不斷改進，才能不斷提高其性能。
在具體管道工程的管材選擇中必須結合工程的具體情況，如管長、管徑、管道壓力等級及工程的地形地質條件，從技術、經濟、運輸、安裝及運行管理全面進行分析比較，才能選出經濟合理、運行安全的管材。
目前玻璃鋼管道在長距離輸水、城市給排水、電廠回水、農業節水灌溉等工程中已得到了廣泛的應用，也積累了很多成熟的經驗，為今后管道工程的設計、施工提供了成功的范例。
