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FRP复合材料管道抢占水与污水市场 |
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作者：George Marsh 来源：国际塑料商情 |
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塑料在水和污水管道中的应用越来越多，虽然大多采用的是非增强的热塑性塑料，例如PVC、PP、HDPE，但是纤维增强塑料（FRP）在需要高强度和耐腐蚀的场合扮演着重要角色。
增强塑料管道有许多优势。就机械性能而言，它们比非增强的同管径和厚度的塑料管道更坚固，能够承受的压力也更大。在安装过程中可以将其直接用力推进或拉出，还可以埋得更深。FRP管道的热膨胀系数较低，不会由于温度的巨大变化而发生移动。
与钢管等传统材料管道相比，复合材料管道不会腐蚀和污染水，不需要阴极保护，也不需要在整个使用期限内定期进行检查。
复合材料甚至能够承受酸性很强的含硫污水环境。光滑的内壁对流速的阻力很小；当管道发生阻塞时，复合材料的抗爆强度足以承受清洗管道的喷射流体的压力。复合材料管道所需的喷射压力比混凝土和金属管道所需的压力要小。
复合材料管道可以经受高温，特殊情况下可以承受110-200℃的温度。
由连续的单向纤维缠绕而成的复合材料管道具有很高的环向强度，可以承受高的内部压力。复合材料管道的耐受力很高，使用寿命可长达50年，所需的维护很少。将来有可能在管道中加入光纤，以监测管道在使用过程中出现的断裂、堵塞和其他问题。
沙特阿拉伯的Amiantit公司在传统材料和塑料管道的生产技术上拥有40年的经验。该公司已经注意到FRP管道替代传统管道的趋势。复合材料管道的重量仅仅是相应钢铁管道的1/4，混凝土管道的1/10。也就是说，它们的运输和安装更加简便。FRP管道不需要焊接，连接处用胶粘或层压方式接合。
Amiantit公司发现，聚酯经过适当改性可以抵抗一定的腐蚀性和磨蚀性流体，包括热的废水、污水、海水和工业冷却水。
FRP管道光滑的内壁具有较低的摩擦损失，因此泵只需较少的能耗就能保持特定的流速。粘性物质在光滑内壁上的累积速度很慢，因此清洗频率和成本都较低。FRP管道及FRP连接系统将浪费减少了50%。在传统材料制成的灌溉系统中，泄漏、蒸发和运行损失都会造成浪费。
水和污水处理中采用的复合材料管道大多都是由玻纤增强聚酯（GRP）制成的，但它们的性能却有很大不同，这主要取决于制造工艺。
许多商用管道采用离心浇铸工艺制成：短切纤维和液态树脂一起置于柱形钢质模具中，并在离心力作用下旋转直到树脂固化。另外，采用连续纤维缠绕成型或螺旋缠绕成型可以获得更好的性能。
离心浇铸
一般来说，离心浇铸工艺制成的短切纤维基管道价格较低而且数量较大。这种生产方法比纤维缠绕工艺制成的管道具有更高的纤维含量。
采用沙子、石灰石或其他填料加厚管壁可以使管道更加坚固，因为强度与管壁厚度的立方成正比。包括奥地利Hobas工程公司、沙特阿拉伯Amiantit、荷兰Grootint GRP系统公司以及土耳其Superlit管道工业公司在内的许多管道制造商都力图凭借自己的技术取得市场领导地位，因此他们对各自的材料配方和工艺都守口如瓶。即便如此，其基本原理还是不难了解的。
Grootint采用自动化的电控离心浇铸系统。管道是一层一层成型的，材料的品质、模具的转速和内部的温度被严密控制着。玻纤、聚酯树脂和含硅的沙子添加到旋转的模具中后，从管道的外表面向内逐渐成型，直到获得所需的壁厚。增强的玻纤预切为所需的长度，并由进料臂加入，进料臂在模具内前后移动，将层间的纤维分布均匀，以获得特定的环向和轴向抗力。沙子是一种廉价的填料，可以增加基质的体积，特别是在需要掩埋的管道中。
模具的起始旋转速度较慢，但当所有原材料添加完毕后，其旋转速度会增加以保证固化过程中具有足够的压力。该荷兰公司可以改变管道各层之内的材料数量、比例和方向，为各种应用灵活地优化管道性能。树脂不但要根据管道将要输送的材料性能来配置，还要考虑其将要安装的环境。
Amiantit的商业化管道内径高达4米，长度从6米到24米不等，广泛用于输送饮用水、海水、淡化海水和污水。该公司称其专有的离心浇铸工艺为C-Tech。
Hobas工程公司只采用离心浇铸工艺生产一系列复合材料管道。技术人员会先检查加入的原材料，然后将基体树脂、衬里树脂和沙子、石灰石填料加入进料器旁边的储罐中。新的生产循环开始时，液态树脂会被泵送到填料器中，同时加入催化剂。线轴上的粗纱被进料口处的速控刀具切割成合适的长度。沙子或石灰石填料被螺旋运输带推进到进料头的一个出口。在该自动化工艺中，进料臂将数量预先设定的材料一层接一层地添加到旋转的模具中。
富含树脂的涂层可以使管道内壁更加光滑。某些情况下，需要使用双树脂系统，衬里树脂和基体树脂的配方是不同的。例如，乙烯基酯层可以作为耐腐蚀衬里，聚酯或环氧树脂可以成型为管道的基体。
原材料的添加量对于管道的质量至关重要。添加量由树脂泵站内的变频驱动器和精密的质量流量计以及对填料、玻纤粗纱和催化剂进行精密计量的系统来控制的。所有的重要的数量和工艺参数都被记录下来，作为质量控制程序的一部分。
当原材料注入到模具中时，模具会高速旋转，材料则以50-70 G的压力贴紧模具内壁。如此高的离心力将会生产出紧密的高密度管壁和完全不含空气的结构。将热水喷射到模具外部就可以引发聚合反应。
固化后，冷水会被喷射到模具上，加速成型管道的脱模。管道经过修边后，最后会在每个管道的一端加装一个联接器。
Hobas公司说它们的生产工艺适用于不同产品的生产，赋予管道设计很大的自由度，可以满足特定工程的需求。采用该工艺可进行每天24小时的生产，因此降低了生产成本。据说该数控工艺可以生产出物理性能一致的产品。标准长度长达6米的管道直径最高可达2.7米。
纤维缠绕
美国FEMech工程公司的专家Alfred Newberry说，商业化管道存在的一个问题是使用时间一长，其机械性能会降低。这种老化问题在高温使用环境下更加明显。这是因为使用短切纤维时，树脂的性能起主要作用。树脂是聚合物，容易发生蠕变，从而造成性能下降。
当需要更高性能时，可以采用连续的单向增强纤维。纤维沿着旋转的芯轴缠绕可以获得较高的环向强度，而以一定的角度缠绕则可以同时增强环向和轴向强度。离心浇铸工艺的使用者通常会首先增加一个纤维连续缠绕工艺（角度通常为55°左右）来改善机械性能。
然而，55°缠绕成型的管道性能仍然有可能取决于树脂，即便比离心浇铸管道的影响要小。层间应力会使树脂发生剪切应变，增加蠕变的可能。解决该问题的方法之一是增加复合材料中的纤维比例。
玻纤不容易蠕变， GRP管道在使用温度的上限（200℃左右）不会损失强度和刚度。纤维含量可以通过紧密的纤维缠绕或双缠绕来实现（交叉缠绕）。
理论上，可以采用一种强度更高更耐久的树脂。生产商可以放弃邻苯二甲酸聚酯，购买价格更高的间苯二甲酸聚酯或乙烯基酯，甚至机械性能更高的环氧树脂。例如Amiantit正是这样做的，它们采用精密的纤维缠绕工艺生产玻纤增强的环氧树脂管道，其中连续的E玻纤在胺固化的环氧树脂中以55°进行缠绕。由于环氧树脂具有优异的剪切性能，相比聚酯发生蠕变的可能性更小，速度也更慢。Amiantit集团的另一家子公司Bonstrand生产的纤维缠绕玻纤增强环氧树脂管道，可以承受很高的外部压力，特别适用于海水的输送。
Amiantit公司的纤维缠绕管道主要还是玻纤/聚酯管，商标为Flowtitetm。直径为80 mm- 4 m、长度达18米的Flowtitetm管道可以承受1-32 bar的压力，在全球的高压/重力系统中都有应用，例如原水输送管道、饮用水供水管道、污水压力管道和水处理厂的输水管道。此外它们还用于海水淡化厂、电厂、消防管道的衬里置入和衬里的修复工程和其他许多工业应用。
2005-2008年间， Flowtite管道的需求量年增长率达20%，因此Amiantit在许多国家新增了生产线。
Hobas离心浇铸玻纤增强塑料管道的生产工艺
意大利Sarplast公司采用双螺旋缠绕机生产直径在25 mm-3 m的玻纤/聚酯和玻纤/乙烯基酯管道。通过调整芯轴推进和玻纤分布头移动的相对速度，纤维能够以45-88°的任意角度进行缠绕。交叉缠绕可以满足不同的轴向和环向强度要求。
壁厚会随着不断的缠绕而增加。在大管径管道中，硅沙可用来增加壁厚和管道的硬度。
Sarplast的GRP管道在民用和工业污水系统、灌溉和海水引入和排出等系统中，用于原水或饮用水的输送。大管径管道则应用于电厂冷却水系统、水井和海上平台中。
迪拜的Future管道工业公司采用纤维缠绕工艺生产玻纤/聚酯和玻纤/乙烯基酯管道（Fiberstrongtm）以及玻纤/环氧树脂管道（Fibermartm）。这些管道广泛用于地表或地下水处理过程，Fibermartm可用作船舶的管道。
日本的Sekisui化学公司开发了一种复合材料管道的连续缠绕工艺。该公司最初仅关注日本市场，现已在中国运营着几家螺旋缠绕工厂。
其他的纤维缠绕管道生产商包括伊朗的Farassan和土耳其的Superlit。
许多生产商还提供大的管径的定制服务。定制的管道具有更强的环境耐受力和更长的使用寿命。
AOC树脂公司的市场开发专家Ben Bogner说，复合材料管道在水和污水市场占有大约18-20%的份额。复合材料管道几十年前遭遇的弯曲、应力腐蚀、接头泄漏和管道坍塌问题基本上都已解决。大量的测试和工程研究结构促进了有效的国际标准的制定（例如ISO 14692）以及北美和欧盟的地区性标准的颁布。安装经验的积累和耐久性记录的增加，都增强了工程师和咨询师对于复合材料管道的信心。
尽管人们对此还有歧义，但FRP管道已经开始它们的成功之旅。(end)
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(投稿)
(5/7/2010) |
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