國內外高壓玻璃鋼管道生產技術的發展與現狀
1947年美國開始研制纖維纏繞技術,初主要針對玻璃鋼壓力容器和固體火箭發動機殼體開展研究,并相繼在某些領域開展了制品的研制和應用試驗,一批玻璃鋼管線先后投入使用。1950年根手糊聚脂玻璃鋼管用于石油工業,同一年環氧玻璃鋼管用于化學工業。五十年代初期,開始生產玻璃纖維纏繞玻璃鋼管,逐步應用于化學和軍事工業。1954年,羅克埃蘭德(Rockisland)石油和精煉公司引進了纖維纏繞玻璃鋼高壓油管和油井套管生產線,管子采用螺紋聯接,專用于石油和污水工程領域,因此玻璃鋼管線實現了商品化生產,由此誕生了玻璃鋼管工業。所以一般認為,玻璃鋼管工業誕生于上世紀五十年代初期,至今己有五十多年的歷史。
五十年代是玻璃鋼工業的幼年時期,這個時期的特點是應用領域相對拓寬,不同工業領域都試驗應用,摸索應用經驗。1958年玻璃鋼管進入管道工程大戶―采油工業。1962年著手玻璃鋼管石油污水工程試驗,應用試驗持續20年之久。七十年代,玻璃鋼管進入工業化生產階段,產業基本形成。重要標志之一是ASTM同時推出兩項重要標準,確定增強熱固性樹脂管靜水設計基準的方法(ASTM-2992-71)和纖維纏繞玻璃鋼管標準(ASTM-2996-71)。1971年6月美國給水工程協會(AWWA)下屬工程結構委員會,組建了增強樹脂專門分委員會,對增強塑料在給水工程的應用和指定AWWA標準的必要性進行評估,得出的結論是增強塑料在給水工程領域將有廣泛的應用,有必要指定增強熱固性樹脂壓力管標準,并與1974年12月完成標準版。1981年1月由AWWA批準執行。同年4月ANSI批為美國標準。1983年作了修改和補充,增加了若于附錄。1988年進一步修改完善辦法第三版,該版被認為是至今為止好的一部玻璃鋼管標準。API、ASME、NSF、VLFM和MIL也制定了各自領域的產品標準。
八十年代,玻璃鋼管己是通用的玻璃鋼(FRP)制品,用途越來越廣泛,為了促進發展,玻璃鋼管制造廠家和原材料供應商在1982年組成了玻璃鋼協會,隸屬于SPI復合材料學會,這標志玻璃鋼管工業的成熟。目前玻璃鋼管分為二大類:纖維纏繞玻璃鋼管和離心澆注玻璃鋼管(HOBAS)。這二類玻璃鋼管的制造技術、結構、連接方式和性能等有本質區別。在城市供水、排水及工業污水等領域兩種管材相互競爭。其它市場,尤其是油田污水回注領域,幾乎為纏繞玻璃鋼管獨占。就是說,纏繞玻璃銅管的市場領域比離心澆注管更寬些。現在各國在石油開采中,使用高壓玻璃鋼管的數量逐年增加,美國使用的高壓玻璃鋼管總量己占到抽油管和注水管的20%,中東各國油田用量更大,因為那里腐蝕特別嚴重。目前,玻璃鋼管道在油氣田經過近60年的應用,取得了良好的應用效果。而管道在應用過程中出現的問題又促使對管道應用技術和腐蝕和高溫對管道的影響進行更深入的研究。
從設計制造結構特征和用途看,纏繞玻璃鋼管大致上可以進一步分為低壓、中高壓和特種市場領域。由于管材直徑范匿不同,壓力等級分類界限不盡統一。根據美國石油學(API)制訂的《高壓玻璃鋼管線管規范》即15HR-1995標準規定,工作壓力大于7MPa的管道稱其為高壓管。我國和大多數的通用玻璃鋼管標準的高工作壓力為2.0MPa,這應當是低壓玻璃鋼管工作壓力的上限,低壓玻璃鋼管應用廣泛,種類也多。前面分類中提到的特種玻璃鋼管,就工作壓力而言,多數屬于低壓范疇。綜合考慮結構、制造技術、連接方式以及用途等因素,對玻璃鋼管壓力等級的劃分如下:低壓玻璃鋼管≤2.0 MPa;中壓玻璃鋼管2.0MPa-5.5MPa;高壓玻璃鋼管≥5.5MPa。
高壓玻璃鋼管一般采用環氧樹脂作為的基體,玻璃纖維為增強材料,采用定長往復式纖維纏繞成型和外加熱固化工藝制造,管道纏繞原理如圖1-2所示。纖維螺旋纏繞是纖維纏繞機主軸芯模的旋轉運動和小車沿著芯模軸向移動二者復合運動的結果。浸漬樹脂的纖維紗片通過纏繞機小車上的絲嘴按設計的線型有規律地鋪敷在芯橫表面上形成纏繞層,多個行程(圖中所示是7個行程)后形成一層纏繞,多層纏繞后形成端部帶有陰螺紋的纏繞構件。其中紗片纏繞方式根據管道直徑大小可采用周向進紗,或者切向進紗。
這種外固化高壓玻璃鋼管道生產線通常由纏繞機、固化爐和脫模機等機械上獨立的設備組成。管道纏繞成型后,由工人將纏繞后的管體從纏繞機上用吊車吊送到固化爐內進行固化,固化后的管道再出工人吊送到脫模機上進行管道和芯模的分離。后將分離的管體送至陽螺紋制作車間進行管體的后續加工,而芯模被吊送回纏繞機進行下一根管道的纏繞。這種生產方式的缺點是:
1.需要的生產設備和芯模數量多。纏繞、固化和脫模要由三臺設備完成,占用的廠房面積大,且不易實現高效的工業化生產。通常每條生產線每種型號的管道需要的芯軸數量為12根,標準規格的管道型號有7種。因此每條線昂少需要配備84根芯模。增加了生產的硬件設備成本。

2.爐體加熱時,熱量通過輻射、傳導和對流等方式傳遞給管體。一般爐體本身熱慣量很大,能耗高。而主要的傳熱介質一空氣的熱容值又很小,所以工件升降溫速度慢,對固化條件的設置與調控困難。這導致能源利用率低、管體固化質量差且產品成品率低,高壓厚壁管道固化后易分層,嚴重地影響了管體承壓能力。
3.需要的操作工人多,以便進行管道纏繞、固化、脫模和吊送作業,使管道生產的人工和管理成本增加。管道進出固化爐時。頻繁開啟固化爐門造成固化爐熱量損失,從而造成能源浪費,增加了設備運行成本。
4.管道固化時產生的有害氣體在開啟固化爐門時擴散到生產車間內,造成車間環境污染。固化爐向車間傳遞的熱量使車間溫度升高,造成工人工作條件惡化。
從以上分析可知,固化工藝是產生以上問題的關鍵,因此尋求新的高壓玻璃鋼管道的生產工藝和技術就成為擺在各國玻璃鋼管道生產企業面前的重要課題。解決固化工藝的關鍵是尋找一種快速、直接且經濟的管道加熱固化方式。借鑒塑料和橡膠行業采用的內熱式壓輥碾壓材料工藝,和玻璃鋼拉擠工藝采用的直接加熱模具來完成其制品的固化成型技術,可設計出適合于高壓玻璃鋼管道的內加熱固化工藝,這些已有的內加熱技術都為纖維纏繞工藝的“內熱式”技術提供了參考。即通過加熱制品內部的芯模來實現管道的加熱固化。對于玻璃鋼管這類形體僅為簡單柱狀體的制品,較為容易實現芯模的內加熱固化,前提是只要再配以適宜的、能快速固化的樹脂配方,就能夠實現環氧玻璃鋼管道快速、高效的工業化制造。
美國Fiber Glass Systems L.P.公司率先采用內熱式固化工藝進行高壓玻璃鋼管道的生產,該工藝代表了目前高壓玻璃鋼管道生產的高水平。它是將纖維纏繞層包裹在可加熱的金屬模腔外面。模腔中的熱能通過較小熱阻的金屬管壁可直接傳給特固化的玻璃纖維層。這種快捷的傳熱方式使管道快速升溫,可以迅速引發環氧樹脂的凝膠和固化反應。這兩種固化方式的差異表現較大,外熱式一般固化時間都較長,有的厚壁管道固化時間甚至長達十個小時。而內熱式管道在工藝條件設置得當時,可在數十分鐘到數小時內完成樹脂固化的全過程。而且在升降溫程序上可作較精細的調節,使環氧玻璃鋼管道生產向精細化方向發展。
目前我國的纏繞帆研究多集中在纏繞控制上。并將網絡技術引入到了控制中。纏繞機控制算法方面的研究較少,胡學同完成了纖維纏繞機臺車基于模糊理論的速度跟蹤控制方法研究,薛增濤進行了玻璃鋼纏繞微機自適應控制系統的設計。隨著計算機和網絡技術的高速發展,就會引起遠程監控技術在制造業中的飛速發展。










































