玻璃鋼管在架空高鹽污水管上的應用分析

費琳

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

目前，在貫徹保護地下水質、維護生態平衡、保障人體健康、促進國民經濟和城鄉建設的發展形勢下，化工園區中生產污水管網多采取架空敷設。而污水管網運行的安全性直接影響環境及生產效益。因此，在設計中如何合理地選擇污水管網的材質和防腐措施，增加管道使用壽命，降低維修成本，提高生產效益，顯得尤為重要。

本文結合實際工程案例，針對某化工園區碳鋼污水管道腐蝕的情況，對傳統的金屬管道與玻璃鋼管道對比分析，并且對玻璃鋼管在管廊上的布置進行研究，探討玻璃鋼管在架空高鹽污水管上應用的可行性。

1 原碳鋼高鹽污水管腐蝕情況及原因分析

某化工園區原有一根DN 500的無機污水總管，該管道為架空敷設，管道總長度為1 000 m。園區內各企業排放的生產污水達到污水處理廠納管標準后，采用污水提升泵排放進入該無機污水總管，統一輸送至污水處理廠。該管道原設計材質為Q235B，內壁采用了耐一定鹽度的防腐涂裝，管道運行十二年后，在檢測中發現焊口處腐蝕嚴重，經焊口修復加固不久后，管道主體也出現了腐蝕穿孔的現象。對腐蝕嚴重的管段拆除后檢查發現，鋼管內部有大量腐蝕坑洼，并結淤嚴重。所以園區實施了該無機污水總管的改造工程，以利于降低無機污水總管的運行風險。原有碳鋼污水管道腐蝕情況如圖1所示。

圖1 原有碳鋼污水管道腐蝕情況Fig.1 Corrosion of the original sewage pipeline

根據相關企業在運行過程中提供的污水成分，探究腐蝕的原因，首先是由于部分企業排放的污水總鹽度遠超原設計指標。并且存在懸浮物等復雜情況。本工程案例的原設計總鹽度10 mg/L，而實際排放的污水總鹽度超過30 mg/L，污水管網pH值過高，而且金屬材料的表面總會存在電化學的不均勻性，因此加速了管道內壁腐蝕速率。

其次是因為該管道內壁防腐采用了人工涂裝，直管段內壁涂裝在工廠內進行人工涂裝，涂裝質量相對可控，但管道在管廊上安裝后，現場對接焊縫的內壁防腐只能在現場人工涂裝，焊縫處內壁基材處理、涂層厚度、涂層質量等施工難度大，質量檢測和管控同樣存在較大的難度。因此，管道運行多年后，焊縫熱影響區內壁首先被腐蝕而發生泄漏。

本工程案例中，有些企業排放的無機污水中含有較高的鹽度，對碳鋼管道的腐蝕性較強，并存在懸浮物的復雜情況。采用碳鋼管道無法承受高鹽無機污水的腐蝕，即使采用內壁防腐，涂裝質量難以控制，使用壽命有限，尤其對于小直徑管道，內壁防腐涂裝難以施工。因此，應選擇一種既能耐高鹽度腐蝕，又能抗流體中懸浮物對管道的沖刷，耐磨的管道材料。而FRP管道具有的良好防腐性能，能較好地彌補金屬管道耐腐蝕性能不足的問題。對于輸送腐蝕性介質而言，采用FRP管道是一種性價比較高的選項。

2 FRP管的性能

2.1 防腐性能、水力性能好

FRP管道采用玻璃纖維增強環氧樹脂成型，環氧樹脂固化后，其防腐蝕性能和耐溶劑性能較高，耐腐蝕性好。能抵抗酸、堿、鹽、海水、未經處理的污水、腐蝕性土壤或地下水及眾多化學流體的侵蝕。FRP管道用于輸送含鹽較高的無機污水，管道內外壁均無需進行防腐處理。

FRP管道內表面潔凈光滑，管道內壁絕對粗糙度遠小于金屬管道的內壁粗糙度（粗糙系數0.0084），不易被各種微生物和雜質黏附，防污抗蛀，可減少管內結淤、管內流體摩擦阻力小，能顯著減少沿程流體壓力損失，提高輸送能力。

2.2 耐磨、耐熱，抗凍性好，使用壽命長

FRP管道具有良好的韌性和較高的強度，可在常溫下長期使用，采用特殊配方的樹脂還可在 110 ℃的溫度工作。并且擁有較好的保溫性能，FRP管道的熱傳導系數只是鋼管的0.4%，是不銹鋼管的20%，使管道本體具有一定的抗凍性。FRP管道比傳統管材的使用壽命長，其設計使用壽命一般為 50 年以上。使用過程中不必做任何防腐處理。

2.3 設計靈活性大，適應性能好

FRP管道是由增強型纖維材料與基體材料經過纏繞、壓模、拉擠等成型工藝而形成的一種層狀機構復合材料，不同的樹脂材料具有不同的耐腐蝕特性。一般可以通過改變樹脂系統或采用不同的增強材料來調整FRP管道的各項性能，制成適應不同需求的管材[1]。FRP管重量只有碳素鋼管的1/2.5，運輸及安裝十分方便，降低了吊裝費用。并且FRP管采用承插纏繞連接，安裝簡便，并提高了安裝速度。

根據本案例工程所在園區公共管廊的非金屬管道架空敷設條件，經技術經濟綜合分析比較，最終選用長絲纏繞成型的FRP管道，根據公共管廊上現狀橫梁間距較大的情況，為滿足FRP管道的跨度及強度要求，本案例采用了增強型FRP管道，以達到降低該無機污水總管運行風險，確保管道在生命周期內的安全運行。

3 FRP管徑和壁厚的選擇

該無機污水總管設計參數如表1所示。

表1 管道設計參數Tab.1 Design parameters of pipeline

由于本工程案例中輸送的無機污水存在懸浮物，運行過程中對管道內部具有沖刷性，為防止管道內部沉污結淤，需確保管內介質流速不低于1.0 m/s。根據各企業納管無機污水排放量，選取合理的流速控制范圍，在確保最遠端企業輸送至污水廠界區的壓力滿足要求的情況下，該無機污水總管采用規格為DN500。并根據流體靜力設計應力計算得壁厚為10 mm，故本項目最終采用φ520 mm×10 mm規格的增強FRP管道。

4 FRP管道在管廊上的布置

4.1 支吊架選型

管道支吊架的設計和選型，是管道系統設計的重要組成部分，管道支吊架除支撐管道重量外，特定的支吊架可平衡管系作用力，限制管道位移和吸收震動，在管道系統設計時，正確選擇和布置結構合理的支吊架，能改善管道的應力分布和對管架的作用力，確保管系安全運行，并延長其使用壽命。FRP管道雖然有較好的耐腐蝕性，并具有一定的耐磨性，但是有線膨脹系數大，彈性模量低、層間剪切強度低、易損傷等缺點，尤其對DN500的大直徑FRP管道，因線膨脹系數大，管道設計因進行柔性設計分析，需考慮季節溫差引起的管道熱脹冷縮，如果支吊架設計不合理，容易造成彎頭處開裂等破壞性因素。

FRP管道無論是否有隔熱層，均需設置管托，避免FRP管道與管架橫梁直接接觸發生摩擦而損壞管道表層。管托應采用卡箍型，卡箍與FRP管道之間需襯墊隔離墊以保護FRP管道。

FRP管道相對鋼管而言剛性較差，所以就決定了其跨度小的特點，通?？刹捎迷鰪娞幚淼姆椒ㄔ黾覨RP管道的剛度和跨度。本工程案例的污水管道主要敷設公共管廊的底層管墩上，管墩間距為12 m。DN500的FRP管道經增強處理后，最大允許跨度能達到6 m，但仍無法適應12 m管墩的間距。因此，需通過設置特殊支架等有效措施，以滿足DN500FRP管道的跨度要求。以下結合本工程案例，通過幾種特殊支架的設置，解決FRP管道的跨度問題：

（1）加長管托

管廊上局部區域橫梁間距稍大于6 m的情況，可采取設置加長管托的措施。例如本工程案例中，其中一段管廊橫梁間距為6.5 m，超過DN500FRP管道的允許跨度6 m的要求。處理辦法是：該區域的管道采用長度為600 mm的加長管托以減少管道的實際跨度，如圖2所示，通過采用加長管托后，實際管道跨度減少為6 500 - 600 = 5 900 mm，即可滿足跨度要求。

圖2 加長管托示意Fig.2 Installation drawing of extension bracket

（2）縱梁式支架

當管墩跨度較大，采用加長管托無法解決FRP管道跨度問題時，可采用沿管道軸向設置縱梁的方法。本工程案例中，大部分管廊的管墩間距為12 m，遠遠超過DN500 FRP管道跨度6 m的要求。因此，在該區域管廊的兩個管墩之間增設H型鋼作為縱梁，并在中間設置橫梁，使管架橫梁的間距由12 m變為6 m，以此滿足FRP管道的跨度要求?？v梁式支架安裝如圖3所示。

圖3 縱梁式支架安裝圖Fig.3 Longitudinal bracket installation drawing

（3）整體纏繞成型假管支架

管廊在經過道路或企業出入口時，需采用升高跨越的方式，當立管高差H較大時，FRP管道應考慮立管的荷載，需在立管中間設置承重支架。如本工程案例中，部分跨越道路桁架上的管道立管高差超過10 m，加上水平管道的距離，管道展開長度超過12 m，不能滿足FRP管道跨距6 m的敷設條件。一般需在立管中間設置承重支架，但在本工程案例中，有部分升高跨越管廊的立管中間，不具備設置承重支架的條件，故本工程首創了在FRP管道彎頭處設置整體纏繞型FRP假管支架（如圖4所示），在管廊下部右側設置允許軸向位移的導向支架，彎頭處設置整體纏繞成型的假管支架擱置在左側橫梁上，采用此種組合方式既可解決承重支架設置問題，又可減小管道跨度。該假管支架必須在工廠制作，管道彎頭與假管支架采用整體纏繞成型的整體結構，并在工廠進行假管支架模擬工況的壓載試驗，觀測彎頭處纏繞結構的變形和破壞情況。經工廠型式試驗證明，該假管支架的承載能力、變形回彈、允許跨度內的管道繞度等試驗數據，均能滿足實際使用工況的條件。

圖4 整體纏繞成型假管支架設置示意Fig.4 Fake tube support installation drawing

由于FRP管道的抗彎強度較低，故本工程在立管底部（B點）的彎頭處設置了與彎頭一起整體纏繞成型的FRP假管支架，并按設計要求在工廠試制，然后模擬實際使用工況在工廠進行了壓載試驗。以本工程案例某段使用整體假管支架的管道布置為例進行試驗，壓載試驗裝置如圖5、6所示。

圖5 未承重時的管道狀態Fig.5 Pipeline status without load bearing

試驗管道外徑520 mm，管壁厚度10 mm，按照試驗管道設計長度，計算得充水重量為1 330 kg。

試驗中采用了模擬工況下最為苛刻的荷載條件，加載時充分考慮了運行工況和安裝試壓工況，取二者荷載的較大值。經過加載、卸載，重新加載和卸載的多次反復試驗，壓載試驗加載持續時長48 h，過程中記錄了最大荷載情況下的管道繞度值，卸載后回彈數值等。試驗數據如表2所示。

表2 壓載試驗過程記錄表Tab.2 Pressure test records sheet

圖6 承重時的管道狀態Fig.6 Pipeline status under load bearing

試驗結果表明：試制假管支架在管道充水及加載狀態下，檢測到標桿所在位置下降距離17 ～ 17.4 mm之間，在管道充滿水及除去附加載荷后，標桿所在位置下降距離在10 ～ 14 mm之間（相對于檢測桿）。整個試驗過程管道未發生滲漏、無可見的異常變形、無異常響聲。試驗結束后將該假管支架試樣剖切檢查，未發現內部纏繞結構層剝離或裂紋等不良現象，試驗證明該整體纏繞成型的FRP假管支架的結構形式是可行的，設置位置是合理的。

另外，由于FRP管道的線膨脹系數較大（5×10-6～ 20×10-6cm/cm），直線段管道擬按一定距離設置膨脹彎，確保FRP管道的柔性設計，以吸收直線段管道的變形和彎頭處的管道應力及位移量。按同樣的原則，在適當位置可增設管道特殊支吊架，以滿足FRP管道的跨度要求。

5 結束語

本文從園區一根污水管網的改造工程案例出發，分析了FRP管的優良特性。并且舉例分析了FRP管道的幾種特殊支架的設置，對FRP管道在管廊上布置的合理性、安全性進行分析，以降低污水總管的運行風險，并得出結論如下：

（1）碳鋼管道無法承受高鹽無機污水的腐蝕，即使采用內壁防腐，涂裝質量難以控制，使用壽命有限，尤其對于小直徑管道，內壁防腐涂裝難以施工。

（2）正確判斷污水介質的腐蝕特性，合理選材及防護，定期維護和保養，有效控制經濟損失，達到更完善的安全目標。

（3）FRP管道是一種性能優良的層狀型結構復合材料管道。具有強度高、比模量大、內表面光滑、抗腐蝕性強、耐久性能良好、材料性能具有可設計性等優點。因此，被廣泛應用于化工企業輸送腐蝕性介質、油氣、生產污水及化工品管道，具有重要的技術經濟價值和良好的社會效益。

（3）在架空敷設的FRP管道設計時，根據FRP管道的特性及跨距要求，選擇適用的支吊架結構及合理布置，能保證FRP管道長期、穩定地運行。