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当前我国城镇地下水给排水用FRPM管道的质量分析 周仕刚 薛元德 （同济大学复合材料与结构研究所，上海200092） 摘要：本文通过改变玻璃纤维的用量对玻璃钢夹砂管主要性能的影响，对玻璃钢夹砂管中的玻璃纤维含量控制提出了相应的建议。通过对埋设管道在控制竖向变形值及管材的可变形能力的比较，建议工程中不宜使用高刚度管。 1. 前言 玻璃纤维增强塑料夹砂管（Glass Fiber Reinforced Plastic Mortar Pipe，简称FRPM管，或玻璃钢夹砂管）由于其具有自重轻、内壁光滑水流摩阻小、耐腐蚀性能好、渗漏率低、对输送介质无二次污染、运输施工方便、运行费用低、工程综合造价低等诸多优良特性，因而在市政的给水排水工程、水利水电工程等系统得到较为广泛地应用。从上世纪九十年代中期开始批量使用玻璃钢夹砂管至今，已有近20年的时间。总结玻璃钢夹砂管在我国的使用情况，可以说玻璃钢夹砂管是一种特点明显的管道产品，完全可以成功应用在给排水工程中，据我们最近的了解，如1995年前后在北京水利局的引潮入城工程铺设的DN700等玻璃钢夹砂管投入运行至今仍在正常使用，1997年在江苏常熟三水厂建设的DN1200、长度达10km以上的玻璃钢夹砂管道运行正常，尔后的江苏太仓（1998年）、福建石狮（1999年）、青岛黄岛（2000年）、福建福清（2001年）等地建设的玻璃钢夹砂管道引水工程也均已正常运行十年以上。当然玻璃钢夹砂管道工程在应用中也出现了不少问题，有在施工阶段就出现管道发生破坏的情况、也有在铺设完成进行全线水压试验阶段出现渗漏的问题、还有是在投入运行一段时间后出现爆管的情况，究其原因或是管材质量、或是工程结构设计、或是施工质量等出席问题，下面就这些方面进行一些讨论。 2. 管材质量情况 玻璃钢夹砂管的性能应满足相应的产品标准要求，如我国现行的产品标准为玻璃纤维增强塑料夹砂管（GB/T 21238-2007），一旦通过管道工程结构设计确定所选用的玻璃钢夹砂管的规格，包括公称直径、压力等级和刚度等级后，由各个管材生产企业进行管材铺层设计，对于定长缠绕工艺生产的玻璃钢夹砂管，管设计过程中通常根据轴向强度要求确定螺旋缠绕的层数，再由环向拉伸强度的要求确定环向缠绕的层数，最后由刚度等的要求确定夹砂层和整个管壁的厚度，当然也有一些企业在管材铺层设计过程中，对于低压力、高刚度的管道，其环向拉伸强度有一定的富余，下面我们来进行一些比较。 我们知道，玻璃钢夹砂管管壁结构通常可分为五层，从内到外依次为内衬层、内玻璃纤维增强塑料层、树脂砂浆层、外玻璃纤维增强塑料层和外保护层，其中中间三层形成的夹层结构可称为结构层，如图1所示，承受管道所受到的载荷，综合而言，内外玻璃纤维增强塑料层的拉伸弹性模量在25GPa左右，环向拉伸强度在350MPa左右，假设管壁结构层对称，结构层总厚度为t，内外玻璃纤维增强层厚度均为t1，沿轴向取单位宽度，管壁的环向拉伸强度Fth（kN/m）为： Fth?700t1 （1） 式中：Fth为管壁环向拉伸强度，单位为牛每毫米（N/mm）； t1内（外）玻璃纤维增强塑料层厚度，单位为毫米（mm）； 截面的环向抗弯刚度EI为： 图1 玻璃钢夹砂管管壁结构层 y 增强塑料层 13(t?t1)21t1?E2(t?2t1)3 （2） EI?E1t1?6296 式中：EI为管壁结构环向抗弯刚度，单位为牛顿毫米（Nmm）； t为管壁结构层厚度，单位为毫米（mm）； E1 为玻璃纤维增强塑料层的弹性模量，单位为兆帕（MPa）；通常可取为25GPa； E2 为树脂砂浆层的弹性模量，单位为兆帕（MPa）；通常可取为6000MPa。 这样，管壁的抗弯刚度为： S?EIEIEI? （3） D3(DN?t)3DN3 式中：S为玻璃钢夹砂管的环刚度，单位为帕（Pa）。 DN为管材的公称直径，单位为毫米（mm）。对于内径系列的管，公称直径也就是其内直径。 （说明：需要在式（3）的计算结果乘以10） 把式（2）及相关性能数据代入式（3）可得： 6 13(t?t1)21E1t1?t1?E2(t?2t1)3EIS?33DNDN （4） 2(t?t1)1125?t13?t1?(t?2t1)3 9?10DN3 根据上式，可以计算出在满足不同刚度等级要求的前提下，不同t1/t比值下的DN/t的关系，见表1。 表1 不同刚度等级、t1/t比值下的DN/t 从表1可以看出，随着t1/t的增加，同一刚度等级的DN/t也增加。 在玻璃钢夹砂管的管壁铺层设计时，在满足环刚度要求的情况下，还要满足环向拉伸强度要求。而对于低压力（等级）的管，玻璃纤维增强塑料层的最小厚度值根据产品标准的要求确定，由于： Fth?6.3PN?DN/2 （5） 式中：PN为管材的压力等级，单位为兆帕（MPa）； 注意到式（1），有： t1,min? 6.3PN?DN （6） 1400 利用上式，可以确定不同压力等级下需要的玻璃纤维增强塑料层最小厚度。如当PN=0.1MPa时，DN/t1,min = 2222；PN=0.6MPa时，DN/t1,min = 370。由此可以看出，对于低压力管道，在满足环向拉伸强度要求时所需要的玻璃纤维增强塑料层相对厚度是很小的，由于产品标准中没有规定最小厚度，因此不同的管道生产企业所采用的铺层情况就不同，有的玻璃纤维增强塑料层就确定为最小厚度，而有的用的稍多些，这样两种管材的性能会有较大的差异。下面通过一个实例来进行说明。 对于一较常用的DN1000PN0.2SN5000 的玻璃钢夹砂管，其t1,min = 0.9mm，现取t1=1.0mm，则t=20.3mm可满足刚度要求；若改取t1=2.0mm，则取t=16.0mm可满足刚度要求。这样管道在对径受压时最大的弯曲应变可用下式表示： ?max?4.28式中：?max最大弯曲应变； y为对径受压时径向变形，单位为毫米（mm）。 由式（7）可以看出，对径受压时管壁最大弯曲应变是与壁厚成正比，从上例可以看出，增加1.0mm厚的玻璃纤维增强塑料层，壁厚降低21.2%，达到挠曲水平B时的?max从1.74%下降到1.37%，管壁最大弯曲应变（力）降低21.2%，这样管道的挠曲变形能力就会明显增加。两种情况下对应的玻璃纤维含量约在7%增加到约17.5%。如果玻璃纤维含量过低，管材会比较难通过挠曲性检验，因为玻璃纤维增强塑料的极限压应变也就在1.5左右。 如果是DN1000PN0.2SN10000 的玻璃钢夹砂管，其t1,min = 0.9mm，取t1=1.0mm，则t=27.8mm可满足刚度要求；若改取t1=2.0mm，则取t=21.7mm可满足刚度要求；这样，壁厚降低21.9%，达到挠曲水平B时 ytyt ?4.28 （7） DDDNDN 的?max从1.77%下降到1.38%，管壁最大弯曲应变（力）降低21.9%，效果明显。两种情况下对应的玻璃纤维含量约在5%增加到约13%。若改取t1=3.0mm，则取t=19.2mm可满足刚度要求；这样，壁厚降低30.9%，达到挠曲水平B时的?max下降到1.23%，对应的玻璃纤维含量约在22%。这一情况下的玻璃纤维含量也不算高。 我们检测到的国外连续缠绕玻璃钢夹砂管在挠曲水平B时的最大弯曲应变在1.20左右。 目前，有一些企业生产的玻璃钢夹砂管其管壁中的石英砂含量达到70%，玻璃纤维含量过低，这样的管材即使勉强通过了性能检验，但其质量也是不高的。实际上，管壁中稍微多用一些玻璃纤维，可明显降低管壁厚度，其管材的综合生产成本几乎不会明显增加，但由此带来的管材质量的明显提高，对玻璃钢夹砂管道工程、对本行业的发展是十分有利的，望玻璃钢夹砂管道生产企业在确定管道铺层时保持有一定的纤维量，同时在产品标准修订时考虑这一因素。在此建议，对于5000N/m刚度等级的管，其玻璃纤维含量不小于17.5；而10000N/m刚度等级的管，其玻璃纤维含量不小于15。 增加一点玻璃纤维增强塑料层的厚度，同时可提高管道的环向拉伸性能，在降低环向弯曲应变的同时，还降低环向拉伸应变，这样使用阶段管壁的最大拉应变（力）会明显下降，从而提高工程的可靠性。 22 3. 管道工程设计与施工 从近几年玻璃钢夹砂管的应用情况来看，玻璃钢夹砂管工程中所选用的管道环刚度不断提高的现象。在1990年代所完成的工程采用的管道的环刚度通常在2500N/m到3 750N/m。而后，随着夹砂工艺水平的提高，另外为防止管道的“方化”，环刚度提高到5000N/m，而后到7500N/m，后来又提高到10000N/m，近两年很多工程多把环刚度进一步提高到12000N/m到15000N/m。由于早几年的玻璃钢夹砂管道工程时有出现铺设好的管道竖向变形过大而造成管道破坏，因而有关单位试图通过选用高刚度的管道来达到降低管道变形、减少管道出现破坏的可能，实际上这一做法是错误的，同时还是危险的，通常会降低管道工程的可靠性。 由于玻璃钢夹砂管属于柔性管道，要控制好管道的竖向变形应通过选择合适的回填材料、保证回填密实度来实现。尽管玻璃钢夹砂管是柔性管，有较大的可变形能力，但其材料拉伸应力应变关系是呈线弹性的，不象PE、PVC及钢材那样具有屈服的情况，因此在管道变形过大时会发生管材的破坏，而为减小管道变形，近来在工程中所选用的玻璃钢夹砂管的环刚度越来越高，而高刚度管确实在相同的回填条件下其竖向变形会小一些，但实际上刚度所起的作用十分有限；然后，如果因为提高了管材刚度，而降低施工回填质量，那就会明显降低工程质量。 现假定某工程把玻璃钢夹砂管的刚度从10000N/m提高到15000N/m，而施工控制的管道长期竖向变形按照现行的埋地给水排水玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管管道工程施工及验收规程（CECS129：2001）要求不超过5.0，这样的情况下，管道的最大弯曲应变可由下式确定： ?max?Df222222222wtyt?Df （8） DDDNDN 式中：w为管道的竖向变形，单位为毫米（mm）； Df为管道形状系数，与回填材料及环刚度大小有关；当管道环刚度很大时，其取值变化较小。 当管道环刚度为10000N/m、而回填材料为中粗砂时，取Df?4.5。 若某工程开始选用的是DN1000PN0.2SN10000 的玻璃钢夹砂管，其t1=2.0mm， t=21.7mm；这样，管道的长期工作最大弯曲应变0.49。现把刚度提高到SN15000，其t1=2.0mm， t=26.0mm；这样，管道的长期工作最大弯曲应变0.59，会提高19.8%（设Df不变），也就是说管道在正常工作阶段其最大应变（力）有一个很大程度的提高。而对管材而言，通过挠曲水平B检验时径向变形（率）y/D?y/DN?13.1%（有的工程应环刚度高，管道不易通过挠曲水平B的检验而改为按顶管标准要求，则取 11.1对应的管道最大弯曲应变1.24），而管材弯曲性能随时间会下y/D?y/DN?13.1%?0.8， 降，50年的保留率在（1/32/3），由此可以看到，管道的安全储备较小。因此，为保证管道工程质量，对于采用了高刚度的玻璃钢夹砂管道，其长期竖向变形允许值也应减小，由此而保证管道的使用寿命。当然，如果使用高刚度管，应选用玻璃纤维含量稍高的管，这样由于其管壁厚度较小，因而在运行阶段管壁的最大弯曲应变（力）相对小一些，管道的安全储备会大一些。 实际上，按照给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程（CECS190：2005）进行管道工程结构设计，通过设计确定管道允许的长期竖向变形，然后在施工中进行回填质量控制，可以把管道的长期竖向变形控制在3左右（初始竖向变形在2）。如果要放大长期竖向变形的控制值，则需要提高管道的初始环向拉伸强度，也就是提高玻璃纤维增强塑料层的厚度，同样可以保证管道工程质量。 在此应注意到，CECS190：2005实施后，有必要对CECS129:2001尽快作出修订，对于长期竖向变形的控制，首先应满足设计要求，当设计没有规定的情况下，应减小高刚度管的长期竖向变形允许值。 当然，玻璃钢夹砂管道工程质量除了与工程结构设计和管材质量有关外，还与施工质量有关。按设计要求，采用规定的回填材料，保证回填密实度，应完全可以控制好管道的竖向变形，不致于管道在高应变（力）状态下工作，管道的使用寿命可望得到保证。 2 4. 结语 通过上述分析，我们可以看到，玻璃钢夹砂管的质量与其玻璃纤维的用量有极大关系，特别是对低压力、高刚度的管，稍微多用一些玻璃钢，可以明显降低管壁厚度，降低管道工作应变水平，增加安全储备。建议对于5000N/m刚度等级的管，其玻璃纤维含量不小于17.5；而10000N/m刚度等级的管，其玻璃纤维含量不小于15。 在玻璃钢夹砂管道工程中，不宜选用刚度超过10000N/m的过高的管。若选用高刚度管是应减小管道长期竖向变形的允许值，否则会使管道处于高应变状态工作，从而降低管道使用寿命。 另外，建议尽快修订埋地给水排水玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管管道工程施工及验收规程（CECS129：2001）。 222