玻璃钢管在架空高盐污水管上的应用分析

费琳

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

目前，在贯彻保护地下水质、维护生态平衡、保障人体健康、促进国民经济和城乡建设的发展形势下，化工园区中生产污水管网多采取架空敷设。而污水管网运行的安全性直接影响环境及生产效益。因此，在设计中如何合理地选择污水管网的材质和防腐措施，增加管道使用寿命，降低维修成本，提高生产效益，显得尤为重要。

本文结合实际工程案例，针对某化工园区碳钢污水管道腐蚀的情况，对传统的金属管道与玻璃钢管道对比分析，并且对玻璃钢管在管廊上的布置进行研究，探讨玻璃钢管在架空高盐污水管上应用的可行性。

1 原碳钢高盐污水管腐蚀情况及原因分析

某化工园区原有一根DN 500的无机污水总管，该管道为架空敷设，管道总长度为1 000 m。园区内各企业排放的生产污水达到污水处理厂纳管标准后，采用污水提升泵排放进入该无机污水总管，统一输送至污水处理厂。该管道原设计材质为Q235B，内壁采用了耐一定盐度的防腐涂装，管道运行十二年后，在检测中发现焊口处腐蚀严重，经焊口修复加固不久后，管道主体也出现了腐蚀穿孔的现象。对腐蚀严重的管段拆除后检查发现，钢管内部有大量腐蚀坑洼，并结淤严重。所以园区实施了该无机污水总管的改造工程，以利于降低无机污水总管的运行风险。原有碳钢污水管道腐蚀情况如图1所示。

图1 原有碳钢污水管道腐蚀情况Fig.1 Corrosion of the original sewage pipeline

根据相关企业在运行过程中提供的污水成分，探究腐蚀的原因，首先是由于部分企业排放的污水总盐度远超原设计指标。并且存在悬浮物等复杂情况。本工程案例的原设计总盐度10 mg/L，而实际排放的污水总盐度超过30 mg/L，污水管网pH值过高，而且金属材料的表面总会存在电化学的不均匀性，因此加速了管道内壁腐蚀速率。

其次是因为该管道内壁防腐采用了人工涂装，直管段内壁涂装在工厂内进行人工涂装，涂装质量相对可控，但管道在管廊上安装后，现场对接焊缝的内壁防腐只能在现场人工涂装，焊缝处内壁基材处理、涂层厚度、涂层质量等施工难度大，质量检测和管控同样存在较大的难度。因此，管道运行多年后，焊缝热影响区内壁首先被腐蚀而发生泄漏。

本工程案例中，有些企业排放的无机污水中含有较高的盐度，对碳钢管道的腐蚀性较强，并存在悬浮物的复杂情况。采用碳钢管道无法承受高盐无机污水的腐蚀，即使采用内壁防腐，涂装质量难以控制，使用寿命有限，尤其对于小直径管道，内壁防腐涂装难以施工。因此，应选择一种既能耐高盐度腐蚀，又能抗流体中悬浮物对管道的冲刷，耐磨的管道材料。而FRP管道具有的良好防腐性能，能较好地弥补金属管道耐腐蚀性能不足的问题。对于输送腐蚀性介质而言，采用FRP管道是一种性价比较高的选项。

2 FRP管的性能

2.1 防腐性能、水力性能好

FRP管道采用玻璃纤维增强环氧树脂成型，环氧树脂固化后，其防腐蚀性能和耐溶剂性能较高，耐腐蚀性好。能抵抗酸、碱、盐、海水、未经处理的污水、腐蚀性土壤或地下水及众多化学流体的侵蚀。FRP管道用于输送含盐较高的无机污水，管道内外壁均无需进行防腐处理。

FRP管道内表面洁净光滑，管道内壁绝对粗糙度远小于金属管道的内壁粗糙度（粗糙系数0.0084），不易被各种微生物和杂质黏附，防污抗蛀，可减少管内结淤、管内流体摩擦阻力小，能显著减少沿程流体压力损失，提高输送能力。

2.2 耐磨、耐热，抗冻性好，使用寿命长

FRP管道具有良好的韧性和较高的强度，可在常温下长期使用，采用特殊配方的树脂还可在 110 ℃的温度工作。并且拥有较好的保温性能，FRP管道的热传导系数只是钢管的0.4%，是不锈钢管的20%，使管道本体具有一定的抗冻性。FRP管道比传统管材的使用寿命长，其设计使用寿命一般为 50 年以上。使用过程中不必做任何防腐处理。

2.3 设计灵活性大，适应性能好

FRP管道是由增强型纤维材料与基体材料经过缠绕、压模、拉挤等成型工艺而形成的一种层状机构复合材料，不同的树脂材料具有不同的耐腐蚀特性。一般可以通过改变树脂系统或采用不同的增强材料来调整FRP管道的各项性能，制成适应不同需求的管材[1]。FRP管重量只有碳素钢管的1/2.5，运输及安装十分方便，降低了吊装费用。并且FRP管采用承插缠绕连接，安装简便，并提高了安装速度。

根据本案例工程所在园区公共管廊的非金属管道架空敷设条件，经技术经济综合分析比较，最终选用长丝缠绕成型的FRP管道，根据公共管廊上现状横梁间距较大的情况，为满足FRP管道的跨度及强度要求，本案例采用了增强型FRP管道，以达到降低该无机污水总管运行风险，确保管道在生命周期内的安全运行。

3 FRP管径和壁厚的选择

该无机污水总管设计参数如表1所示。

表1 管道设计参数Tab.1 Design parameters of pipeline

由于本工程案例中输送的无机污水存在悬浮物，运行过程中对管道内部具有冲刷性，为防止管道内部沉污结淤，需确保管内介质流速不低于1.0 m/s。根据各企业纳管无机污水排放量，选取合理的流速控制范围，在确保最远端企业输送至污水厂界区的压力满足要求的情况下，该无机污水总管采用规格为DN500。并根据流体静力设计应力计算得壁厚为10 mm，故本项目最终采用φ520 mm×10 mm规格的增强FRP管道。

4 FRP管道在管廊上的布置

4.1 支吊架选型

管道支吊架的设计和选型，是管道系统设计的重要组成部分，管道支吊架除支撑管道重量外，特定的支吊架可平衡管系作用力，限制管道位移和吸收震动，在管道系统设计时，正确选择和布置结构合理的支吊架，能改善管道的应力分布和对管架的作用力，确保管系安全运行，并延长其使用寿命。FRP管道虽然有较好的耐腐蚀性，并具有一定的耐磨性，但是有线膨胀系数大，弹性模量低、层间剪切强度低、易损伤等缺点，尤其对DN500的大直径FRP管道，因线膨胀系数大，管道设计因进行柔性设计分析，需考虑季节温差引起的管道热胀冷缩，如果支吊架设计不合理，容易造成弯头处开裂等破坏性因素。

FRP管道无论是否有隔热层，均需设置管托，避免FRP管道与管架横梁直接接触发生摩擦而损坏管道表层。管托应采用卡箍型，卡箍与FRP管道之间需衬垫隔离垫以保护FRP管道。

FRP管道相对钢管而言刚性较差，所以就决定了其跨度小的特点，通常可采用增强处理的方法增加FRP管道的刚度和跨度。本工程案例的污水管道主要敷设公共管廊的底层管墩上，管墩间距为12 m。DN500的FRP管道经增强处理后，最大允许跨度能达到6 m，但仍无法适应12 m管墩的间距。因此，需通过设置特殊支架等有效措施，以满足DN500FRP管道的跨度要求。以下结合本工程案例，通过几种特殊支架的设置，解决FRP管道的跨度问题：

（1）加长管托

管廊上局部区域横梁间距稍大于6 m的情况，可采取设置加长管托的措施。例如本工程案例中，其中一段管廊横梁间距为6.5 m，超过DN500FRP管道的允许跨度6 m的要求。处理办法是：该区域的管道采用长度为600 mm的加长管托以减少管道的实际跨度，如图2所示，通过采用加长管托后，实际管道跨度减少为6 500 - 600 = 5 900 mm，即可满足跨度要求。

图2 加长管托示意Fig.2 Installation drawing of extension bracket

（2）纵梁式支架

当管墩跨度较大，采用加长管托无法解决FRP管道跨度问题时，可采用沿管道轴向设置纵梁的方法。本工程案例中，大部分管廊的管墩间距为12 m，远远超过DN500 FRP管道跨度6 m的要求。因此，在该区域管廊的两个管墩之间增设H型钢作为纵梁，并在中间设置横梁，使管架横梁的间距由12 m变为6 m，以此满足FRP管道的跨度要求。纵梁式支架安装如图3所示。

图3 纵梁式支架安装图Fig.3 Longitudinal bracket installation drawing

（3）整体缠绕成型假管支架

管廊在经过道路或企业出入口时，需采用升高跨越的方式，当立管高差H较大时，FRP管道应考虑立管的荷载，需在立管中间设置承重支架。如本工程案例中，部分跨越道路桁架上的管道立管高差超过10 m，加上水平管道的距离，管道展开长度超过12 m，不能满足FRP管道跨距6 m的敷设条件。一般需在立管中间设置承重支架，但在本工程案例中，有部分升高跨越管廊的立管中间，不具备设置承重支架的条件，故本工程首创了在FRP管道弯头处设置整体缠绕型FRP假管支架（如图4所示），在管廊下部右侧设置允许轴向位移的导向支架，弯头处设置整体缠绕成型的假管支架搁置在左侧横梁上，采用此种组合方式既可解决承重支架设置问题，又可减小管道跨度。该假管支架必须在工厂制作，管道弯头与假管支架采用整体缠绕成型的整体结构，并在工厂进行假管支架模拟工况的压载试验，观测弯头处缠绕结构的变形和破坏情况。经工厂型式试验证明，该假管支架的承载能力、变形回弹、允许跨度内的管道绕度等试验数据，均能满足实际使用工况的条件。

图4 整体缠绕成型假管支架设置示意Fig.4 Fake tube support installation drawing

由于FRP管道的抗弯强度较低，故本工程在立管底部（B点）的弯头处设置了与弯头一起整体缠绕成型的FRP假管支架，并按设计要求在工厂试制，然后模拟实际使用工况在工厂进行了压载试验。以本工程案例某段使用整体假管支架的管道布置为例进行试验，压载试验装置如图5、6所示。

图5 未承重时的管道状态Fig.5 Pipeline status without load bearing

试验管道外径520 mm，管壁厚度10 mm，按照试验管道设计长度，计算得充水重量为1 330 kg。

试验中采用了模拟工况下最为苛刻的荷载条件，加载时充分考虑了运行工况和安装试压工况，取二者荷载的较大值。经过加载、卸载，重新加载和卸载的多次反复试验，压载试验加载持续时长48 h，过程中记录了最大荷载情况下的管道绕度值，卸载后回弹数值等。试验数据如表2所示。

表2 压载试验过程记录表Tab.2 Pressure test records sheet

图6 承重时的管道状态Fig.6 Pipeline status under load bearing

试验结果表明：试制假管支架在管道充水及加载状态下，检测到标杆所在位置下降距离17 ～ 17.4 mm之间，在管道充满水及除去附加载荷后，标杆所在位置下降距离在10 ～ 14 mm之间（相对于检测杆）。整个试验过程管道未发生渗漏、无可见的异常变形、无异常响声。试验结束后将该假管支架试样剖切检查，未发现内部缠绕结构层剥离或裂纹等不良现象，试验证明该整体缠绕成型的FRP假管支架的结构形式是可行的，设置位置是合理的。

另外，由于FRP管道的线膨胀系数较大（5×10-6～ 20×10-6cm/cm），直线段管道拟按一定距离设置膨胀弯，确保FRP管道的柔性设计，以吸收直线段管道的变形和弯头处的管道应力及位移量。按同样的原则，在适当位置可增设管道特殊支吊架，以满足FRP管道的跨度要求。

5 结束语

本文从园区一根污水管网的改造工程案例出发，分析了FRP管的优良特性。并且举例分析了FRP管道的几种特殊支架的设置，对FRP管道在管廊上布置的合理性、安全性进行分析，以降低污水总管的运行风险，并得出结论如下：

（1）碳钢管道无法承受高盐无机污水的腐蚀，即使采用内壁防腐，涂装质量难以控制，使用寿命有限，尤其对于小直径管道，内壁防腐涂装难以施工。

（2）正确判断污水介质的腐蚀特性，合理选材及防护，定期维护和保养，有效控制经济损失，达到更完善的安全目标。

（3）FRP管道是一种性能优良的层状型结构复合材料管道。具有强度高、比模量大、内表面光滑、抗腐蚀性强、耐久性能良好、材料性能具有可设计性等优点。因此，被广泛应用于化工企业输送腐蚀性介质、油气、生产污水及化工品管道，具有重要的技术经济价值和良好的社会效益。

（3）在架空敷设的FRP管道设计时，根据FRP管道的特性及跨距要求，选择适用的支吊架结构及合理布置，能保证FRP管道长期、稳定地运行。