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浙江LNG项目GRP管道的应用 [发表于 2015/5/1] 状态 开放帖 浏览量 2256 |
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玻璃纤维增强塑料（GRP）俗称玻璃钢，应用于石油与天然气、采矿、化学、制碱、水和水处理、电力、冶金、建筑、食品加工、造纸等工业。
浙江LNG项目通过与传统铸铁管、钢管和钢筋水泥管比较，最终选用GRP纯玻璃钢管道作为加热LNG用海水介质输送管道。
1．玻璃钢管道的结构和性能
1.1结构：
纤维缠绕玻璃钢管典型的管壁结构主要分为内衬层、结构层和外防护层三层，其中内衬层又分为内表层和次内层。各层次中拉伸强度很高的玻璃纤维起着骨架增强作用，而耐压、耐腐性较强的合成树脂则作为基体材料，两者经固化后，可起到共同的成型和承载作用。
（1） 内衬层：即管道的最内层，由防腐和防渗层组成，内衬层厚度一般为1.5—3mm，由短切玻璃纤维、表面毡和耐蚀高强的树脂组成，其中表面毡和短切玻璃纤维重量约占5-15%，树脂重量约占95-85%，考虑当地海水含砂量较高，浙江LNG项目选用的玻璃钢管道内衬层中，加入了10%的280目金刚砂，以增加内衬层的耐磨能力。
（2） 结构层：即管道的强度层，其厚度根据需要设计计算确定。玻璃纤维的重量约占65%，树脂的重量约占35%。为降低成本和加强结构刚度，在纤维和树脂和胶结过程中，加入适量的石英砂，即通常所说的玻璃钢夹砂管道。但玻璃钢夹砂管的强度、耐变形能力（柔性）、耐腐蚀性等性能都不如纯玻璃钢管道。由于浙江LNG项目的建设地点的海边，地基较软，只有在非常仔细地处理好地基，控制好回填的葡氏密度时，才能严格控制住管道的变形，如果不能保证安装质量，即使是局部的变形过大，都有可能使管体产生微裂纹，一旦有微裂纹产生，腐蚀性较强的海水就会渗入夹砂层，而石英砂是没有经过偶联剂处理的，其与树脂的结合界面是非常差的，管道就有可能因为腐蚀导致破坏。即使不破坏，也是没有办法修复的。对于海边的埋地管道而言，内外都有腐蚀性。使用夹砂玻璃钢管道发生这种情况的概率非常高。使用纯玻璃钢管道，这种情况的发生概率就大大降低了。因此，浙江LNG项目最终选用了纯玻璃钢管。
同时，为了进一步降低地基沉降等原因对管道造成的影响，浙江LNG项目的埋地GRP管道均采用桩基础。
（3） 外表面层：即管道的最外层。其作用为外防腐及防护机械损伤、外密封。为提高管道的耐老化性能，通常在树脂中加入紫外线吸收剂。由于浙江LNG项目选用纯玻璃钢管道，其刚度要低于夹砂管，因此在GRP管道的外壁增加了加强筋，故为纯玻璃钢加筋管。
1.2性能比较
纤维缠绕玻璃钢管道及其他材质管道的性能如下〈表1〉所示。
表1：不同材质管道的有关性能
性能 管道材质
玻璃钢 钢板 铸铁 混凝土
密度g/cm3 1.8~2.0 7.85 7.5 2.1
环向拉伸强度Mpa 250~300 350 150 2.1
轴向拉伸强度Mpa 65~125 350 137 2.1
弯曲弹性模量Gpa 19.5~25 200~220 115~160 36
压缩强度Mpa 100~200 600 / 18
热传导系数kcalh/m℃ 0.25 27.2 15.1 2.1
摩阻系数f×10-4 9.15 17.9 17.9 23.2
2．玻璃钢管技术性能特征
与其他材质的管道比较，玻璃钢管道具有以下一些显著的特点：
（1） 耐腐蚀性能好：玻璃钢管道有合理的层次结构，能够抵抗酸、碱、盐、海水、腐蚀性土壤或地下水及众多化学流体的侵蚀。
（2） 防污抗蛀：玻璃钢管道的内表面光滑，不会被海洋或污水中的贝类、菌类等微生物玷污蛀附。
（3） 重量轻，运输安装方便。采用连续玻璃纤维缠绕生产的玻璃钢管道，其比重在1.7—2.0/cm3。
（4） 工程寿命长，安全可靠。在一般情况下玻璃钢管可使用30—50年。据实验室的模拟试验表明，其工程寿命甚至可长达50—100年。
（5） 水力学性能及运行成本。纤维缠绕生产的玻璃钢管道，其内表面相当光滑，粗糙率仅为0.0084，水流摩阻损失系数f为0.000915，几乎可以认为是“水力学光滑管”。且缠绕的玻璃钢管在使用过程中能够始终保持新生管的表面光滑状态。这意味着流体压力损失小，在相同和工况条件下，可以选用较小的管径或功率较小的输送泵（节省泵的功率和能源约30%–40%），从而减少管线工程初投资，节省电能，降低运行成本，大大提高工程的综合经济效益。〈表3〉是各种管道在不同管径下的输水能力、压头损失及能耗情况。可以看出，玻璃钢管的沿程水头损失最小，年耗电量最少。玻璃钢管的沿程水头损失、年耗电量分别大约为水泥管的40%，铸铁管的50%。这正是由玻璃钢的特性所决定的，具有其它管道无法比拟的优越性。
表3：各种管道输水能力、耗能比较表（以管路长L=10km计算）
口径 流量Q(m3•S-1) 日输出量Q
(104•m3） 管类 沿程水头损失
hf（m） 年耗电量E
(104•KW•h）
DN1000 0.7854 6.786 水泥管 14．3 151．17
铸铁管 11．31 119．71
夹砂玻璃钢管 5．97 72．10
DN1600 2.010 17.366 水泥管 7．65 207．23
铸铁管 6．14 166．32
夹砂玻璃钢管 3．35 90．75
DN1800 2.542 21.972 水泥管 6．54 244．14
铸铁管 5．26 180．27
夹砂玻璃钢管 2．89 99．05
DN2000 3.142 27.147 水泥管 5．69 240．94
铸铁管 4．6 194．78
夹砂玻璃钢管 2．54 107．56
注：1、计算有关的参数：混凝土：f=0.00232,m=2,b=5.33;铸铁管：f=0.00179,m=1.9,b=5.1;夹砂玻璃钢管：f=0.000915,m=1.77,b=4.77。2、沿程损失hf=fLQm/db。3、泵容：N=10Qhf/0.65,年耗电量：E=N•8760度（kW•h）。
（6） 耐热、抗冻性能较好。可在-40—-80℃的范围内长期使用。玻璃钢采用耐高温的树脂原料还可以在高达120℃的温度工作。
（7） 耐磨性好。把含有大量的泥浆、砂石的水，装入管子中进行旋转磨损影响对比试验。经300万次旋转后，检测管内壁的磨损深度如下：用焦油和瓷釉涂层的钢管为0.53mm；用环氧树脂和焦油涂层的钢管.为0.52mm；经表面硬化处理的钢管为0.48mm；经内表面加入耐磨材料的玻璃钢为0.21mm，由此可以说明其相当耐磨，这一特点尤其适合输送含有细微砂粒的海水。
（8） 设计灵活性强。纤维缠绕玻璃钢制品，可以通过改变树脂体系或增强材料来调整其物理和化学性能，以适应不同介质和工作条件的需要，通过缠绕层厚度，缠绕角和壁厚结构的设计，调整制品的承载能力，制成不同压力等级或为某种特殊性能的制品。
3浙江LNG项目玻璃钢管道（GRP）应用情况
3.1管道接口
本项目埋地管道口径大（DN2200），埋设深度深（管底深度为地面下2.8m）。由于受湿度、雨水天气等因素影响，现场粘接难度较大，考虑现场地下水位较高，为便于现场施工，保证质量，浙江LNG项目埋地管道选用双“O”圈承插连接方式，地上管道选用现场粘接连接方式。
3.2三通件
GRP管道三通件可采用现场开口后粘接或者工厂预制成品三通两种形式。为便于现场安装，减少管道粘接口，减少漏点及保证施工质量，选用工厂预制好的三通。
由于承插连接方式的管道存在有效长度的问题，且JC/T552-94中，针对管道有效长度的规定中允许其偏差值在±6cm的范围内（对于单根长度为12m的管道）。因此，若埋地管道接口形式采用承插连接时，需特别注意三通件的定位，特别是三通件所处位置为大型设备或其它需要精确定位的接口。一旦出现定位偏差，只有在GRP管道允许偏斜角度范围内（DN＞900时，连接管轴线偏斜夹角≤1%），通过调整三通后至接口段的管道来进行调整。
3.3标准件与组合件
GRP管道不同于钢管及混凝土管，其现场粘接的连接方式存在多个受限条件。浙江LNG项目管道及管件根据设计图纸，尽可能多地在工厂预制完成，不但减少了现场工作量，加快了施工进度，更重要的是保证接口质量。
3.4润滑剂选用
GRP承插管道多选用凡士林作为润滑剂，但当温度较高时，凡士林易挥发，润滑效果不好，不但不利于管道安装，且有可能使橡胶圈磨损、扭曲，无法达到密封效果。此时，选用黄油作为润滑剂乃最佳选择。
4.5水锤分析
浙江LNG项目GRP管道海水系统在泵跳车情况下可能会存在真空，通过在各种工况下的水锤分析，结果如下所示：
图1、进水总管未安装破真空阀的水锤分析图表
图2、进水总管安装破真空阀后的水锤分析图表
图3、排水总管未安装破真空阀的水锤分析图表
图4、排水总管安装破真空阀后的水锤分析图表
经分析，对于地上管道，如果按-100KPa设计，管道强度能够满足要求。但为防止出现管道的内衬与结构层因全真空被剥离，管道需要增设外密封层，即在管道外面或接近外面的结构层中间增加厚度不小于1mm密封层；对于地下管道，如果按-65KPa设计，管道原设计强度能够满足使用要求，但同样必须增加外密封层。同时，在GRP管道上增加破真空阀。
增加密封层后的GRP管道结构图见图5（t为原结构层的厚度）。
4、结论
通过综合对比分析以及水锤分析结果，玻璃钢（GRP）管道在浙江LNG项目上使用，不但能满足项目建设需要，同时具有较好的综合工程效益。但在选用玻璃钢管道的同时，应针对各项目自身特点，积极与设计单位及供应商沟通，以生产适合自身的玻璃钢管道。同时，尽可能的提前预防安装中可能出现的问题，尽可能多地在工厂预制，简化现场安装，保证安装质量，加快安装进度。
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