国内外高压玻璃钢管道生产技术的发展与现状

  1947年美国开始研制纤维缠绕技术,初主要针对玻璃钢压力容器和固体火箭发动机壳体开展研究,并相继在某些领域开展了制品的研制和应用试验,一批玻璃钢管线先后投入使用。1950年根手糊聚脂玻璃钢管用于石油工业,同一年环氧玻璃钢管用于化学工业。五十年代初期,开始生产玻璃纤维缠绕玻璃钢管,逐步应用于化学和军事工业。1954年,罗克埃兰德(Rockisland)石油和精炼公司引进了纤维缠绕玻璃钢高压油管和油井套管生产线,管子采用螺纹联接,专用于石油和污水工程领域,因此玻璃钢管线实现了商品化生产,由此诞生了玻璃钢管工业。所以一般认为,玻璃钢管工业诞生于上世纪五十年代初期,至今己有五十多年的历史。
  五十年代是玻璃钢工业的幼年时期,这个时期的特点是应用领域相对拓宽,不同工业领域都试验应用,摸索应用经验。1958年玻璃钢管进入管道工程大户―采油工业。1962年着手玻璃钢管石油污水工程试验,应用试验持续20年之久。七十年代,玻璃钢管进入工业化生产阶段,产业基本形成。重要标志之一是ASTM同时推出两项重要标准,确定增强热固性树脂管静水设计基准的方法(ASTM-2992-71)和纤维缠绕玻璃钢管标准(ASTM-2996-71)。1971年6月美国给水工程协会(AWWA)下属工程结构委员会,组建了增强树脂专门分委员会,对增强塑料在给水工程的应用和指定AWWA标准的必要性进行评估,得出的结论是增强塑料在给水工程领域将有广泛的应用,有必要指定增强热固性树脂压力管标准,并与1974年12月完成标准版。1981年1月由AWWA批准执行。同年4月ANSI批为美国标准。1983年作了修改和补充,增加了若于附录。1988年进一步修改完善办法第三版,该版被认为是至今为止好的一部玻璃钢管标准。API、ASME、NSF、VLFM和MIL也制定了各自领域的产品标准。
  八十年代,玻璃钢管己是通用的玻璃钢(FRP)制品,用途越来越广泛,为了促进发展,玻璃钢管制造厂家和原材料供应商在1982年组成了玻璃钢协会,隶属于SPI复合材料学会,这标志玻璃钢管工业的成熟。目前玻璃钢管分为二大类:纤维缠绕玻璃钢管和离心浇注玻璃钢管(HOBAS)。这二类玻璃钢管的制造技术、结构、连接方式和性能等有本质区别。在城市供水、排水及工业污水等领域两种管材相互竞争。其它市场,尤其是油田污水回注领域,几乎为缠绕玻璃钢管独占。就是说,缠绕玻璃铜管的市场领域比离心浇注管更宽些。现在各国在石油开采中,使用高压玻璃钢管的数量逐年增加,美国使用的高压玻璃钢管总量己占到抽油管和注水管的20%,中东各国油田用量更大,因为那里腐蚀特别严重。目前,玻璃钢管道在油气田经过近60年的应用,取得了良好的应用效果。而管道在应用过程中出现的问题又促使对管道应用技术和腐蚀和高温对管道的影响进行更深入的研究。
  从设计制造结构特征和用途看,缠绕玻璃钢管大致上可以进一步分为低压、中高压和特种市场领域。由于管材直径范匿不同,压力等级分类界限不尽统一。根据美国石油学(API)制订的《高压玻璃钢管线管规范》即15HR-1995标准规定,工作压力大于7MPa的管道称其为高压管。我国和大多数的通用玻璃钢管标准的高工作压力为2.0MPa,这应当是低压玻璃钢管工作压力的上限,低压玻璃钢管应用广泛,种类也多。前面分类中提到的特种玻璃钢管,就工作压力而言,多数属于低压范畴。综合考虑结构、制造技术、连接方式以及用途等因素,对玻璃钢管压力等级的划分如下:低压玻璃钢管≤2.0 MPa;中压玻璃钢管2.0MPa-5.5MPa;高压玻璃钢管≥5.5MPa。
  高压玻璃钢管一般采用环氧树脂作为的基体,玻璃纤维为增强材料,采用定长往复式纤维缠绕成型和外加热固化工艺制造,管道缠绕原理如图1-2所示。纤维螺旋缠绕是纤维缠绕机主轴芯模的旋转运动和小车沿着芯模轴向移动二者复合运动的结果。浸渍树脂的纤维纱片通过缠绕机小车上的丝嘴按设计的线型有规律地铺敷在芯横表面上形成缠绕层,多个行程(图中所示是7个行程)后形成一层缠绕,多层缠绕后形成端部带有阴螺纹的缠绕构件。其中纱片缠绕方式根据管道直径大小可采用周向进纱,或者切向进纱。
  这种外固化高压玻璃钢管道生产线通常由缠绕机、固化炉和脱模机等机械上独立的设备组成。管道缠绕成型后,由工人将缠绕后的管体从缠绕机上用吊车吊送到固化炉内进行固化,固化后的管道再出工人吊送到脱模机上进行管道和芯模的分离。后将分离的管体送至阳螺纹制作车间进行管体的后续加工,而芯模被吊送回缠绕机进行下一根管道的缠绕。这种生产方式的缺点是:
  1.需要的生产设备和芯模数量多。缠绕、固化和脱模要由三台设备完成,占用的厂房面积大,且不易实现高效的工业化生产。通常每条生产线每种型号的管道需要的芯轴数量为12根,标准规格的管道型号有7种。因此每条线昂少需要配备84根芯模。增加了生产的硬件设备成本。

  2.炉体加热时,热量通过辐射、传导和对流等方式传递给管体。一般炉体本身热惯量很大,能耗高。而主要的传热介质一空气的热容值又很小,所以工件升降温速度慢,对固化条件的设置与调控困难。这导致能源利用率低、管体固化质量差且产品成品率低,高压厚壁管道固化后易分层,严重地影响了管体承压能力。
  3.需要的操作工人多,以便进行管道缠绕、固化、脱模和吊送作业,使管道生产的人工和管理成本增加。管道进出固化炉时。频繁开启固化炉门造成固化炉热量损失,从而造成能源浪费,增加了设备运行成本。
  4.管道固化时产生的有害气体在开启固化炉门时扩散到生产车间内,造成车间环境污染。固化炉向车间传递的热量使车间温度升高,造成工人工作条件恶化。
  从以上分析可知,固化工艺是产生以上问题的关键,因此寻求新的高压玻璃钢管道的生产工艺和技术就成为摆在各国玻璃钢管道生产企业面前的重要课题。解决固化工艺的关键是寻找一种快速、直接且经济的管道加热固化方式。借鉴塑料和橡胶行业采用的内热式压辊碾压材料工艺,和玻璃钢拉挤工艺采用的直接加热模具来完成其制品的固化成型技术,可设计出适合于高压玻璃钢管道的内加热固化工艺,这些已有的内加热技术都为纤维缠绕工艺的“内热式”技术提供了参考。即通过加热制品内部的芯模来实现管道的加热固化。对于玻璃钢管这类形体仅为简单柱状体的制品,较为容易实现芯模的内加热固化,前提是只要再配以适宜的、能快速固化的树脂配方,就能够实现环氧玻璃钢管道快速、高效的工业化制造。
  美国Fiber Glass Systems L.P.公司率先采用内热式固化工艺进行高压玻璃钢管道的生产,该工艺代表了目前高压玻璃钢管道生产的高水平。它是将纤维缠绕层包裹在可加热的金属模腔外面。模腔中的热能通过较小热阻的金属管壁可直接传给特固化的玻璃纤维层。这种快捷的传热方式使管道快速升温,可以迅速引发环氧树脂的凝胶和固化反应。这两种固化方式的差异表现较大,外热式一般固化时间都较长,有的厚壁管道固化时间甚至长达十个小时。而内热式管道在工艺条件设置得当时,可在数十分钟到数小时内完成树脂固化的全过程。而且在升降温程序上可作较精细的调节,使环氧玻璃钢管道生产向精细化方向发展。
  目前我国的缠绕帆研究多集中在缠绕控制上。并将网络技术引入到了控制中。缠绕机控制算法方面的研究较少,胡学同完成了纤维缠绕机台车基于模糊理论的速度跟踪控制方法研究,薛增涛进行了玻璃钢缠绕微机自适应控制系统的设计。随着计算机和网络技术的高速发展,就会引起远程监控技术在制造业中的飞速发展。