世界石油開采已有近百年歷史，我國石油開采也有幾十年的歷史，因油管腐蝕和結(jié)垢堵塞導致油管頻繁更換，使采油成本不斷增加。玻璃鋼管是玻璃纖維增強塑料(FRP)管道的簡稱，它具有質(zhì)輕、高強、耐腐蝕、不結(jié)垢、不結(jié)蠟、不易積沙、內(nèi)壁光滑、流體阻力小的特性，以及具有安裝方便、維修工作量小、管材保溫性能好、不污染水質(zhì)和使用年限長等優(yōu)點。因此在世界各國被廣泛地應(yīng)用于輸送液體介質(zhì)和解決油田腐蝕等方面。
　　傳統(tǒng)的纖維纏繞管體是在纏繞成型后，采用“外固化”工藝在固化爐內(nèi)將熱量通過輻射、傳導和對流等方式傳遞給制件完成固化。新型“內(nèi)固化”工藝是采用加熱管道內(nèi)部芯模的方式使復合材料升溫，進而完成其固化成型 。內(nèi)固化相對于外固化的優(yōu)點是復合材料在內(nèi)部熱壓作用下由內(nèi)向外逐層固化，有利于樹脂流動和氣泡的排出，使材料更加密實；蒸汽、金屬芯模和復合材料間傳熱效率高，可提高固化效率。由于蒸汽加熱不會對芯模產(chǎn)生污染，同時具備溫控范圍寬、不必安裝固定的加熱器以及在工程上易于實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)加熱等優(yōu)點，因此選用蒸汽作為加熱介質(zhì)。
1　內(nèi)固化原理
       高壓FRP管道固化原理如圖1所示。FRP管體是由熱固性環(huán)氧樹脂浸漬過的玻璃纖維束纏繞在可加熱的金屬模腔外表面固化而成。芯模是一個中空的壁厚均勻的金屬管體，芯模和纏繞管體等長，而且是軸對稱的，芯管是通入飽和水蒸氣、壓縮空氣和冷卻水的中空且四周開有小孔的鋼管。當纏繞結(jié)束后，通入孔管內(nèi)腔的蒸汽經(jīng)過孔管壁的小孔進入芯模外腔，對芯模進行加熱，被加熱的鋼質(zhì)芯模將熱量傳遞給纖維樹脂纏繞層，當溫度達到一定程度時，纏繞層中樹脂就會逐步升溫、粘度下降、流動遷移，進而凝膠、粘度上升、凝膠結(jié)束，進一步交鏈成為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，管道固化時作旋轉(zhuǎn)運動，以便均勻加熱FRP管體，并防止未固化液態(tài)樹脂由于重力作用而聚集于管道下表面。在固化反應(yīng)完成后，再輸送冷卻介質(zhì)使芯模迅速冷卻，制品與模具之間因“熱脹冷縮”滯后將產(chǎn)生間隙，以便順利脫模，最后向管道內(nèi)通入壓縮空氣，將殘留的水分吹干，固化結(jié)束。
       
2　內(nèi)固化蒸汽加熱系統(tǒng)設(shè)計

內(nèi)固化控制系統(tǒng)管道結(jié)構(gòu)如圖2所示。來自鍋爐的飽和水蒸氣通過閥門1、電控氣動閥2進入芯模內(nèi)腔，經(jīng)內(nèi)腔壁孔進人芯模外腔對芯模加熱，從外腔流出的蒸汽和凝結(jié)水分別經(jīng)閥門7、電控氣動閥8和閥門6進入熱水箱。安放于芯模出口處的溫度傳感器和壓力傳感器檢測溫度和壓力。冷卻水經(jīng)過閥門4進入芯模，從芯模外腔流出的熱水經(jīng)閥門5流回冷卻水箱循環(huán)利用，冷卻后由水泵送至固化系統(tǒng)，完成芯模冷卻工藝。
   
      為避免芯模管道結(jié)垢，冷卻系統(tǒng)的補充水由自來水經(jīng)自動軟水器離子交換處理后提供。壓縮空氣由專門的空氣壓縮機供給，經(jīng)過濾和干燥處理后經(jīng)閥門3進入芯模，壓縮空氣推動芯模內(nèi)剩余冷卻水經(jīng)閥門5流出，進行汽水分離后壓縮空氣排入大氣，實現(xiàn)冷卻后吹掃工藝。
3　內(nèi)固化控制系統(tǒng)設(shè)計
      3.1　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　內(nèi)固化控制系統(tǒng)選用歐姆龍CJ1G型PLC，同時連接3個CJ1W—OC211型數(shù)字量輸出模塊、1個CJ1W—DA08C型模擬量輸出模塊、1個CJ1W—AD08I—V1型模擬量輸入模塊。觸摸屏選用臺達DOP—A10THTD1型觸摸屏。通過RS232串口通訊線與PLC相連接。溫度傳感器為PT100型傳感器加溫度變送器(兩線制)，輸出電流為4～20 mA，連接PLC的模擬量輸入模塊。調(diào)節(jié)閥選用西門子智能定位器，與PLC的模擬量輸出模塊相連接。PLC、溫度傳感器、西門子智能定位器形成一個溫度閉環(huán)回路，實現(xiàn)了對溫度模擬量的檢測和控制。與PLC相連的觸摸屏可以實現(xiàn)人機互動、狀態(tài)顯示、參數(shù)下載等功能。基于PLC的內(nèi)固化控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
    
       3.2　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　(1)PLC程序設(shè)計
　　本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想分別對觸摸屏和PLC進行程序設(shè)計。PLC程序流程如圖4所示。
     
      控制系統(tǒng)分為自動、分段和手動3種操作模塊。在手動狀態(tài)下可以單獨控制各個閥門的開關(guān)，調(diào)節(jié)閥的開度，范圍在0～100％之間。該階段主要用于預加熱和調(diào)試閥門。在分段狀態(tài)下分為加熱、冷卻、吹掃3部分，每一部分單獨控制。在分段加熱狀態(tài)下可以任意設(shè)定加熱溫度來進行加熱處理，與自動階段不同的是在該階段不受時間控制。在分段冷卻和分段吹掃過程中可以單獨根據(jù)設(shè)定時間來分別進行冷卻處理和吹掃處理。在自動狀態(tài)下系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的加熱參數(shù)(每段加熱時間與加熱溫度)，自動進行每一階段的加熱處理，此時溫度傳感器將檢測到的溫度值以模擬量的形式送入PLC模擬量輸入模塊，與設(shè)定的高低溫度界限值進行比較，確定采取高溫控制模塊或者低溫控制模塊。當進入低溫控制模塊時，通過觸摸屏預先設(shè)定4個參數(shù)：進氣閥開度和出氣閥開度、溫度波動界限、上升與下降脈沖時間。控制開始時，進氣閥與出氣閥按照設(shè)定的開度開啟，定時器記錄上升脈沖時問，上升時間結(jié)束后進氣閥關(guān)閉進入下降脈沖時間，下降時間結(jié)束后進氣閥再次開啟設(shè)定的開度，依次循環(huán)，當溫度升高到設(shè)定溫度與波動溫度的差值時，進氣閥與出氣閥同時關(guān)閉。
　　當進入高溫控制模塊時，與預先設(shè)定的溫度值進行比較，啟動PID算法，將運算所得的控制量以模擬量信號的形式發(fā)出：一路輸出控制進蒸汽調(diào)節(jié)閥，另一路輸出將第一路輸出信號取反后控制出蒸汽調(diào)節(jié)閥，即兩個調(diào)節(jié)閥的開度是互補的，其開度之和為100％。控制二者開度值就可以控制芯模內(nèi)蒸汽的壓力從而控制蒸汽的溫度。高溫控制模塊的閥門控制則應(yīng)用于蒸汽壓力穩(wěn)定、外界環(huán)境變化很小的條件下。當所有加熱時間結(jié)束后自動進入冷卻階段，冷卻時問結(jié)束后自動進入吹掃階段，當吹掃時間結(jié)束后整個自動控制系統(tǒng)結(jié)束。
4　結(jié)　語
        內(nèi)加熱固化控制系統(tǒng)已應(yīng)用于高壓FRP管道固化成型，芯模溫度在低于90℃時，蒸汽溫度控制誤差為±5℃，在高于90℃時，蒸汽溫度控制誤差為±2℃ ，可實現(xiàn)直徑350 mm以下的高壓FRP管道內(nèi)加熱固化。生產(chǎn)實踐表明，內(nèi)固化工藝生產(chǎn)的管道性能優(yōu)于外固化管道，采用內(nèi)加熱固化工藝可實現(xiàn)復合材料管道制備的高效、優(yōu)質(zhì)且成本低。