球墨鑄鐵管是一種經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700一800以下的管材。由于經過處理的鐵水石墨結晶體呈球狀,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年代中期開始引進球墨鑄鐵管生產線,現可生產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)標準。該標準規(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準。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、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,而且是確保玻璃鋼管能使用50年壽命的重要因素(見 AWWA, ASTM標準)。
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,管內水質、周圍土壤、地下水,埋設地帶附近是否存在電場等因素,均會使該管內外壁產生腐蝕(見《中華人民共和國國家標準“給水排水工程結構設計規(guī)范編制說明”》)。因此,《離心鑄造球墨鑄鐵管》 (GBI3295-91)標準規(guī)定:管體內外表面應涂覆瀝青質或其他防腐材料。由于涂覆材料與球墨鑄鐵管材的材質不同,在長期運作中,受到氣候冷熱、水力沖擊等作用,容易產生界面分層脫落,而逐步失去防腐涂覆層,從而使管的內表面鐵分子產生氧化作用、電化學腐蝕等,必將減少使用壽命。
2.水力特性比較
玻璃鋼管的內壁非常光滑,新玻璃鋼管的Hazen-Wllliams粗糙系數c值為160一165,其保守的設計值(按50年計)為150。新的球墨鑄鐵管與新鋼管的c值均為為120,經使用后為C一65 (見圖1)。c值的降低是由于管的內表面鐵分子產生氧化作用和電化學腐蝕反映在內壁結垢造成的。
采用文獻《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計院,1998年3月出版)對鋼管與玻璃鋼管的流量進行比較的數據。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)標準規(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《FRP管道手冊》的比較數據,對球墨鑄鐵管管與玻璃鋼管的能耗進行了比較:
由圖2可見,球墨鑄鐵管管線的能耗遠大于玻璃鋼管線。其主要原因有兩個:其一是由于球墨鑄鐵管的鐵分子氧化、電化學腐蝕等因素,產生內壁結垢而增加阻力,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.水質比較
玻璃鋼管的內襯采用食品級樹脂,可確保水質達到國家標準 (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壁不生長微生物,因此埋地的玻璃鋼管可進一步確保自來水的質量。
由于球墨鑄鐵管必須涂覆涂料,因此GBl3295一91標準對涂料作
了嚴格規(guī)定:引用水的球墨鑄鐵管的涂料應不溶于水,不得使水產生臭和味,涂料中的有害物質應符合衛(wèi)生部引水的有關規(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到和玻璃鋼管內壁的光滑性,且長期使用后會產生腐蝕,因而會生長微生物和結垢,從而影響水質。
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的水質)。
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,可根據使用條件要求對玻璃鋼夾砂管進行靈活設計,并且,國內先進水平的生產裝備完全能夠按照各種設計方案生產出合格產品。由于食品級樹脂等原材料質量穩(wěn)定,經多年使用效果良好。
玻璃鋼管由結構穩(wěn)定的無機非金屬材料和大分子鏈的有機材料構成,管道內外富樹脂層的結構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和環(huán)境水土產生影響,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生破壞,又不會對所輸送的水質和環(huán)境水土產生影響,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的。國內外正在運行管道的良好表現也證明了這一點。
7.抗剝離性能
在規(guī)定的使用期內,正常使用情況下玻璃鋼夾砂管不會出現剝離現象。現從玻璃鋼夾砂管的構成材料、材料作用原理、結構和生產工藝三方面加以說明。
1) 構成材料: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著名生產廠家的產品,其酸值、工藝浸潤性、澆鑄體斷裂韌性和強度等指標均處于國內領先水平;無堿無捻玻璃纖維采用巨石集團和泰山玻璃纖維有限公司,該產品采用了先進的池窯拉絲生產技術,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；石英砂采用內蒙占草原的天然圓角石英砂,經水洗、烘干和篩選等工藝過程后得到符合理想級配的產品,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的玻璃鋼夾砂管,經美國歐文斯科寧管道有限公司美國技術中心和挪威技術中心按照ANSI/AWWA C950一95標準中的長期靜水壓設計基準(HDB),經過10000小時嚴格的模擬試驗,采用線性回歸分析方法推算出在50年的使用期內,按照規(guī)定要求設計和生產的玻璃鋼夾砂管的性能衰減程度是完全能夠達到其最低使用要求的。
2)材料作用原理:構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構強度,其性能在玻璃鋼—夾砂管的成型過程和使用期內無變化。不飽和聚酯樹脂屬黏接材料,在成型過程中發(fā)生化學反應,從低分子線性結構轉變成具有黏附力好,剪切強度高,收縮率小的穩(wěn)固的高分子三維立體結構,使其極難與增強材料脫離。
3)結構和生產工藝:玻璃鋼夾砂管的內表面是由高比例不飽和聚酯樹
脂和增強材料構成的防滲漏層,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,使整個管壁結構渾然一體。
球墨鑄鐵管的導熱系數較高,與防腐材料間變形系數差別較大,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,導熱系數低,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,即使在管內滿水全部冰凍情況下,也不會出現凍裂現象。一般情況下,在寒冷地區(qū)埋設的玻璃鋼管運行中可有1/3～1/2在凍層內不致影響使用。
9.抗變形和基礎不均勻沉降能力
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管接口借轉角度可達到1.5°;球墨鑄鐵管接口借轉角度僅為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
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,而球墨鑄鐵管由于耐腐蝕性能差,需要不斷采取防腐維護措施,有時還需采取陰極保護等措施。
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
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球墨鑄鐵管
|
玻璃鋼管
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球墨鑄鐵管
|
玻璃鋼管
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DN400
|
6
|
l2
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80.3
|
20.50
|
337.26
|
263.40
|
|
DN500
|
6
|
12
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lll.5
I
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31.Ol
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468.30
|
357.26
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備注:以上兩種管材均含膠圈及運費。
關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n1=o.013
玻璃鋼管管材的粗糙系數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）
|
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
|
|||
|
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
|
||||
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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