球墨鑄鐵管是一種經(jīng)過球化和孕育處理鐵水后,采用離心法澆筑而成的。制作時有冷模工藝和熱模工藝之分,采用冷模工藝需采用退火工藝,一般適合于生產(chǎn)700一800以下的管材。由于經(jīng)過處理的鐵水石墨結(jié)晶體呈球狀,故稱球墨鑄鐵。其主要優(yōu)點是:抗拉強度高,斷裂延伸率高,耐腐蝕性能優(yōu)于鋼管2倍多。我國從80年代中期開始引進(jìn)球墨鑄鐵管生產(chǎn)線,現(xiàn)可生產(chǎn)700m以下的離心球墨鑄鐵管(給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范實施手冊,中國建筑工業(yè)出版社,1998年9月出版),并于1991年頒布了《離心鑄造球墨鑄鐵管》(GBl3295-91)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了Φ700以下的球墨鑄鐵管(NI型、X型、S型接口)、Φl2OO以下球墨鑄鐵管(T型接口)的四個不同級別的尺寸標(biāo)準(zhǔn)。從強度和剛度來看,夾砂玻璃鋼管和球墨鑄鐵管都具有優(yōu)良的特性。但從耐腐蝕性與使用壽命、水力特性、能耗、水質(zhì)、運輸、安裝及價格等方面分析,玻璃鋼夾砂管比球墨鑄鐵管更優(yōu)越、更具有競爭力。
1.防腐性能與使用壽命
優(yōu)良的防腐蝕性能是玻璃鋼管最突出的優(yōu)點之一,這不僅使得玻璃鋼管在運行時無須任何維護(hù),而且是確保玻璃鋼管能使用50年壽命的重要因素(見 AWWA, ASTM標(biāo)準(zhǔn))。
盡管球墨鑄鐵管的耐腐蝕性能比鋼管強,但球墨鑄鐵管在埋入地下運行時,管內(nèi)水質(zhì)、周圍土壤、地下水,埋設(shè)地帶附近是否存在電場等因素,均會使該管內(nèi)外壁產(chǎn)生腐蝕(見《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)“給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范編制說明”》)。因此,《離心鑄造球墨鑄鐵管》 (GBI3295-91)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:管體內(nèi)外表面應(yīng)涂覆瀝青質(zhì)或其他防腐材料。由于涂覆材料與球墨鑄鐵管材的材質(zhì)不同,在長期運作中,受到氣候冷熱、水力沖擊等作用,容易產(chǎn)生界面分層脫落,而逐步失去防腐涂覆層,從而使管的內(nèi)表面鐵分子產(chǎn)生氧化作用、電化學(xué)腐蝕等,必將減少使用壽命。
2.水力特性比較
玻璃鋼管的內(nèi)壁非常光滑,新玻璃鋼管的Hazen-Wllliams粗糙系數(shù)c值為160一165,其保守的設(shè)計值(按50年計)為150。新的球墨鑄鐵管與新鋼管的c值均為為120,經(jīng)使用后為C一65 (見圖1)。c值的降低是由于管的內(nèi)表面鐵分子產(chǎn)生氧化作用和電化學(xué)腐蝕反映在內(nèi)壁結(jié)垢造成的。
采用文獻(xiàn)《FRP管道手冊》(中國玻璃鋼工業(yè)協(xié)會。國家建材局玻璃鋼研究設(shè)計院,1998年3月出版)對鋼管與玻璃鋼管的流量進(jìn)行比較的數(shù)據(jù)。因為新鋼管的絕對粗糙度為O.05mm,腐蝕后的鋼管的絕對粗糙度為3mm,腐蝕后是未腐蝕鋼管的絕對粗糙度的60倍；而球墨鑄鐵管在出廠時(GBl3295-91)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:表面缺陷不得大于(ɑ+O.O5T)mm。以Φ1000管為例:其容許表面缺陷可為(ɑ+O.75)mm,按照球墨鑄鐵管的耐腐蝕性比鋼管優(yōu)3倍來考慮,腐蝕后的絕對粗糙度將大于3mm。因此,球墨鑄鐵管與鋼管的水力特性相差不大。
取球墨鑄鐵管的Hazen-Williams平均粗糙系數(shù)c值為100,玻璃
鋼管的c為150,則12英寸的玻璃鋼管與14英寸的鋼管的流量相同。
或者說,在同樣的管徑條件下,玻璃鋼管的流量比球墨鑄鐵管要大36%。
3.能耗比較
由于球墨鑄鐵管的Hazen-Williams粗糙系數(shù)c值隨著年份大幅度減少,其能耗也將大幅度增加。仍參照文獻(xiàn)《FRP管道手冊》的比較數(shù)據(jù),對球墨鑄鐵管管與玻璃鋼管的能耗進(jìn)行了比較:
由圖2可見,球墨鑄鐵管管線的能耗遠(yuǎn)大于玻璃鋼管線。其主要原因有兩個:其一是由于球墨鑄鐵管的鐵分子氧化、電化學(xué)腐蝕等因素,產(chǎn)生內(nèi)壁結(jié)垢而增加阻力,使能耗增加;其二是由于在新管狀態(tài)下,玻璃鋼管遠(yuǎn)比球墨鑄鐵管要光滑。值得指出的是:在管線壽命期的最后數(shù)年,球墨鑄鐵管線需要的泵送功率將從25馬力增加到60馬力;而玻璃鋼管線的功率基本保持不變。
4.水質(zhì)比較
玻璃鋼管的內(nèi)襯采用食品級樹脂,可確保水質(zhì)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn) (JC58一l995 ),并可用于輸送和貯存含氯的飲用水及生活用水。除;此之外,在避光條件下的玻璃鋼管的內(nèi)壁不生長微生物,因此埋地的玻璃鋼管可進(jìn)一步確保自來水的質(zhì)量。
由于球墨鑄鐵管必須涂覆涂料,因此GBl3295一91標(biāo)準(zhǔn)對涂料作
了嚴(yán)格規(guī)定:引用水的球墨鑄鐵管的涂料應(yīng)不溶于水,不得使水產(chǎn)生臭和味,涂料中的有害物質(zhì)應(yīng)符合衛(wèi)生部引水的有關(guān)規(guī)定。此外,由于球墨鑄鐵管壁粗糙,即使采取涂覆防腐材料工藝也難以達(dá)到和玻璃鋼管內(nèi)壁的光滑性,且長期使用后會產(chǎn)生腐蝕,因而會生長微生物和結(jié)垢,從而影響水質(zhì)。
5.防滲性和抗水錘能力比較
玻璃鋼管采用雙環(huán)橡膠密封膠圈承插連接,安裝時在連接處100%
打壓試驗,可確保接頭密封性能l00%合格。此外,由于玻璃鋼是一種致密性很高的復(fù)合材料,管身不僅不會由里往外滲水(如往外滲的污水影響農(nóng)田),而且也不可能申外往里滲(如管外部的污水往里滲將影響管內(nèi)的水質(zhì))。
球墨鑄鐵管在連接時不可能如玻璃鋼管一樣在接頭處打壓,因此接頭密封的可靠性不及玻璃鋼管。
此外,一般球墨鑄鐵管長4-6m,而一根玻璃鋼管長的12米,因此
玻璃鋼管比球墨鑄鐵管減少了接頭,繼而減少了管接頭滲漏的機會。
由于玻璃鋼夾砂管具有很高的強度和良好的延展性,不會因為水錘作用和瞬間超壓產(chǎn)生破壞。
6.適用性、安全和環(huán)保特性
在可能的組合下,可根據(jù)使用條件要求對玻璃鋼夾砂管進(jìn)行靈活設(shè)計,并且,國內(nèi)先進(jìn)水平的生產(chǎn)裝備完全能夠按照各種設(shè)計方案生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。由于食品級樹脂等原材料質(zhì)量穩(wěn)定,經(jīng)多年使用效果良好。
玻璃鋼管由結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的無機非金屬材料和大分子鏈的有機材料構(gòu)成,管道內(nèi)外富樹脂層的結(jié)構(gòu)形式使管材在長期使用中性能穩(wěn)定,滲入滲出極少,不會對所輸送的水質(zhì)和環(huán)境水土產(chǎn)生影響,因此,玻璃鋼夾砂管是一種很好的環(huán)保材料。由于玻璃鋼夾砂管具有很高的強度和良好的延展性,不會因為水錘作用和瞬間超壓產(chǎn)生破壞,又不會對所輸送的水質(zhì)和環(huán)境水土產(chǎn)生影響,因此,從諸多方面評價玻璃鋼夾砂管都是一種安全的管材。另外,由于玻璃鋼夾砂管內(nèi)壁光滑,水流阻力小,特別是在有重力流的情況下,所需的加壓設(shè)備少,節(jié)省運行動力。一般情況下，玻璃鋼夾砂管的運行費用比其他管材低20%左右。由于玻璃鋼夾砂管強度高,材質(zhì)穩(wěn)定,非外力作用不易破壞,可以講玻璃鋼夾砂管基本上是免維護(hù)的。國內(nèi)外正在運行管道的良好表現(xiàn)也證明了這一點。
7.抗剝離性能
在規(guī)定的使用期內(nèi),正常使用情況下玻璃鋼夾砂管不會出現(xiàn)剝離現(xiàn)象?，F(xiàn)從玻璃鋼夾砂管的構(gòu)成材料、材料作用原理、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝三方面加以說明。
1) 構(gòu)成材料:玻璃鋼夾砂管的主要材料為不飽和聚酯樹脂、無堿無捻
玻璃纖維和天然圓角石英砂。不飽和聚酯樹脂采用南京帝斯曼樹脂有限公司、大連鑫鼎樹脂涂料有限公司等國內(nèi)著名生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品,其酸值、工藝浸潤性、澆鑄體斷裂韌性和強度等指標(biāo)均處于國內(nèi)領(lǐng)先水平;無堿無捻玻璃纖維采用巨石集團(tuán)和泰山玻璃纖維有限公司,該產(chǎn)品采用了先進(jìn)的池窯拉絲生產(chǎn)技術(shù),使用最佳的表面處理劑,因此,其拉伸強度、耐磨性、表面形態(tài)及其與樹脂的融合程度均十分理想；石英砂采用內(nèi)蒙占草原的天然圓角石英砂,經(jīng)水洗、烘干和篩選等工藝過程后得到符合理想級配的產(chǎn)品,其形狀、成份和潔凈度使天然圓角石英砂具有浸潤性好、堆積密度高、有效地提高玻璃鋼夾砂管強度和剛度等優(yōu)良性能。美國歐文斯科寧管道有限公司用與上述材料相同性能的材料生產(chǎn)的玻璃鋼夾砂管,經(jīng)美國歐文斯科寧管道有限公司美國技術(shù)中心和挪威技術(shù)中心按照ANSI/AWWA C950一95標(biāo)準(zhǔn)中的長期靜水壓設(shè)計基準(zhǔn)(HDB),經(jīng)過10000小時嚴(yán)格的模擬試驗,采用線性回歸分析方法推算出在50年的使用期內(nèi),按照規(guī)定要求設(shè)計和生產(chǎn)的玻璃鋼夾砂管的性能衰減程度是完全能夠達(dá)到其最低使用要求的。
2)材料作用原理:構(gòu)成地埋玻璃鋼夾砂管的主要材料無堿無捻玻璃纖
維和天然圓角石英砂均屬典型的無機非金屬材料,起增強作用,具有理想的組份和結(jié)構(gòu)強度,其性能在玻璃鋼—夾砂管的成型過程和使用期內(nèi)無變化。不飽和聚酯樹脂屬黏接材料,在成型過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從低分子線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成具有黏附力好,剪切強度高,收縮率小的穩(wěn)固的高分子三維立體結(jié)構(gòu),使其極難與增強材料脫離。
3)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝:玻璃鋼夾砂管的內(nèi)表面是由高比例不飽和聚酯樹
脂和增強材料構(gòu)成的防滲漏層,然后是環(huán)向和交叉纏繞的無堿無捻玻璃纖維和樹脂層。整個石英砂層居于管壁中部位置,其中有多層環(huán)向和交叉纏繞的無堿無捻玻璃纖維起連接和增強作用。外層仍為環(huán)向和交叉纏繞的無堿無捻玻璃纖維和樹脂層。生產(chǎn)過程中給予纖維以足夠的成型張力并逐層壓實,使整個管壁結(jié)構(gòu)渾然一體。
球墨鑄鐵管的導(dǎo)熱系數(shù)較高,與防腐材料間變形系數(shù)差別較大,在局部腐蝕、水流沖擊等外部因素作用下較易剝離。
8.抗凍性能
玻璃鋼管屬柔性管,斷裂延伸率較高,彈性好,導(dǎo)熱系數(shù)低,屬非金屬保溫材料。另外,由于玻璃鋼夾砂管的環(huán)向拉伸強度和軸向拉伸強度較高,即使在管內(nèi)滿水全部冰凍情況下,也不會出現(xiàn)凍裂現(xiàn)象。一般情況下,在寒冷地區(qū)埋設(shè)的玻璃鋼管運行中可有1/3～1/2在凍層內(nèi)不致影響使用。
9.抗變形和基礎(chǔ)不均勻沉降能力
玻璃鋼管既具備足夠的抗外部荷載和變形的剛度性能,又具有一定的柔性,DNl800mm管接口借轉(zhuǎn)角度可達(dá)到1.5°;球墨鑄鐵管接口借轉(zhuǎn)角度僅為O.7°。因此,玻璃鋼管比鋼管具有更強的抗變形和不均勻沉降能力,對地震等外力有較強的抵抗能力。
I0.運輸、安裝與維護(hù)
同管徑同壓力的玻璃鋼管重量是球墨鑄鐵管的四分之一左右,這無疑給玻璃鋼管的運輸和安裝提供了便利,同時也減少了運費,增加了安裝的可靠性。
玻璃鋼管在運行過程中基本上無須任何維護(hù),而球墨鑄鐵管由于耐腐蝕性能差,需要不斷采取防腐維護(hù)措施,有時還需采取陰極保護(hù)等措施。
從玻璃鋼管的特性和引松入長等工程的運行情況看,玻璃鋼管是一種免維護(hù)的管材。如因外部因素造成玻璃鋼管損壞,玻璃鋼企業(yè)可采用成型的特種維修卡頭在不影響供水的情況下于最短時間內(nèi)解決問題。
11.價格
無論從管材的單價,還是從綜合造價,玻璃鋼夾砂管的價格比球墨鑄鐵管更經(jīng)濟。相同口徑比較,供水量相同的工程,玻璃鋼管線的綜合造價低22%以上。
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規(guī)格
(mm)
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定長(M/根).
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單重(kg/m)
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單價(元/m)
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球墨鑄鐵管
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玻璃鋼管
|
球墨鑄鐵管
|
玻璃鋼管
|
球墨鑄鐵管
|
玻璃鋼管
|
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|
DN400
|
6
|
l2
|
80.3
|
20.50
|
337.26
|
263.40
|
|
DN500
|
6
|
12
|
lll.5
I
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31.Ol
|
468.30
|
357.26
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備注:以上兩種管材均含膠圈及運費。
關(guān)于玻璃鋼管材的管徑與球墨鑄鐵管材的管徑相比較說明
球墨鑄鐵管管材的粗糙系數(shù)n1=o.013
玻璃鋼管管材的粗糙系數(shù)n2=O.0084
在管材輸送的流量Q和管線的水頭損失i相同的情況下,根
V=1/n·R2/3i1/2
V=4Q/ⅡD2
R=D/4
在Q和i相同的情況下：
D2/D1=（n2）3/8÷n1=（0.0084）3/8÷0.013≈0.85
因此,當(dāng)Q=4.4萬t/d≈0.509m3/S,i=2‰時
選球墨鑄鐵管管徑D1=700mm
則玻璃鋼管管徑D2=O.85×700=595mm,選600mm合適。
當(dāng)Q=5.5萬t/d≈O.637m3/S,i=2‰時,
選球墨鑄鐵管管徑Dl=800mm
則玻璃鋼管道D2=O.85×800=680mmm,選700mm合適,故
在Q和I相同時,DN600mm的玻璃鋼管完全可以替代DN700mm
的球墨鑄鐵管,DN700mm的玻璃鋼管完全可以替代DN800mm
的球墨鑄鐵管。
塑料管、玻璃鋼夾砂管、球墨鑄鐵管綜合費用比較表
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材料費（元/米）
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施工費（元/米）
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塑料管
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玻璃鋼夾砂管
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球墨鑄鐵管
|
塑料管
|
玻璃鋼夾砂管
|
球墨鑄鐵管
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|
200
|
99
|
120
|
134
|
5.10
|
5.15
|
5.47
|
||
|
250
|
142
|
157
|
175
|
7.93
|
7.37
|
7.44
|
||
|
300
|
220
|
199
|
221
|
9.75
|
9.28
|
9.40
|
||
|
400
|
285
|
260
|
289
|
12.76
|
12.35
|
12.41
|
||
|
500
|
449
|
361
|
402
|
15.33
|
13.86
|
15.41
|
||
|
600
|
476
|
529
|
17.36
|
19.29
|
||||
|
700
|
606
|
674
|
21.51
|
23.90
|
||||
|
800
|
753
|
836
|
22.58
|
25.09
|
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注：1、玻璃鋼夾砂管材的報價是按工作壓力為0.6Mpa，管剛度級別為5000Pa為依據(jù)計算出來的，塑料管和球墨鑄鐵管的價格按目前市場估算而得。
2、施工費用僅包括管材安裝的人工費、材料費和機械費等直接費用。
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