玻璃钢早在20世纪40年代便在一些工业发达国家开始生产,50年代末,我国也有了自己的玻璃钢工业。目前玻璃钢已被广泛应用于航空航天、电子电气、兵器、造船、化工、建材、交通运输等领域。
近年来,复合材料逐步取代传统材料,并趋于由代用材料向必用材料发展的趋势。可以预料,21世纪复合材料将全面进入工业部门和日常生活,人类将跨入复合材料时代,但有关玻璃钢在煤矿应用的报道却极少见。笔者论述了玻璃钢管道的优异性能,并对比国外玻璃钢管道在煤炭行业的应用情况,展望我国煤炭行业推广使用玻璃钢管道的前景。
1玻璃钢管道的优异性能目前,玻璃钢管道被广泛用于给排水、油井输油、输水、通风及城市地下管网等方面,这些应用都与其优良的性能密不可分。与传统材料相比,玻璃钢管道主要有以下突出的优点。
耐腐蚀,力学性能优良,使用寿命长玻璃钢管道内外表面富含树脂,因而具有良好的耐腐蚀性能,可根据不同的环境需要,有针对性地选择树脂品种生产玻璃钢管,以满足不同的防腐目的。管道内表面的树脂层不同于金属管道附加的内衬,它是塑料增强管道材料不可分割的一部分。与传统的钢管相比,玻璃钢管道不生锈,不需要对表面刷漆防腐,也不存在全面腐蚀和电偶腐蚀、缝隙腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀等局部腐蚀;另外,玻璃钢管道具有很好的力学性能,它的环向拉伸强度可达500MPa,轴向拉伸强度可达54MPa,达到或超过普通钢管的强度。
一般情况下,钢管的使用年限为15a,铸铁管为5~10a,而玻璃钢管道可使用30~50a.煤矿的服务年限可根据矿井生产能力、储量备用系数和矿井现实回收率等指标计算,全国统配煤矿平均矿井实际服务年限为36a,地方煤矿平均实际服务年限为30a.可见,在矿井服务年限内,使用玻璃钢管道可一次投资,终身受益。
1/4左右、混凝土管的2/25左右,甚至比铝合金还轻,运输、安装极为方便。它的比强度高,约为钢的4倍、铝的3倍。此外,玻璃钢管道的接头灵活多变,也有利于安装,且容易与金属管道混用,适用于对现有金属管道的改造。由于玻璃钢管质轻,可显著降低运输费用,同时可采用手工或轻型安装设备,在安装及施工中极大地降低工人的劳动强度,加快施工速度,提篼劳动生产率。
玻璃钢管道的设计十分灵活,可使管道在环向和纵向进行强度分配,以满足不同的强度需要。如可进行壁厚设计,使管道承受不同的内、外压力及增强耐腐蚀、耐磨损性能;可对材料进行设计,以达到不同的耐腐蚀、阻燃、介电等目的;也可以设计接头方式,增强对多变环境的适应性;还可对玻璃钢管道的形状进行设计,满足不同用户的需求。玻璃钢管道较强的可设计性对满足煤矿井下的特殊环境需求十分有利。
水力性能好,具有节能作用玻璃钢管道内表面极为光滑,不结垢,摩擦阻力小,绝对粗糙度仅为。1mm左右,低于金属管道。据水力学采用的哈森一威廉公式:的研究表明,作为纤维增强塑料的玻璃钢是环保材料,可回收利用,对环境不会造成污染。
2国内外玻班钢管道的应用情况在国外,玻璃钢管道主要用于输油、输水、排污等,如瑞典使用的玻璃钢管道已占管道总长度的40%;日本在大中口径供水管道中25%以上使用玻璃钢管;中东地区的大中型输水、排污、海水淡化和一些工业输送管道,几乎全部采用玻璃钢管。至20世纪70年代中期,美国的玻璃钢燃气管道已达17.7万km,占其燃气管网的24%;80年代初,美、英、丹麦等国的城市燃气管网塑料化普及率已达90%,法、荷、比、德四国也已达62%.据英国剑桥大学J.M.Lees博士统计,目前英国用于城市输水及污水处理的玻璃钢管道分别达39.7万km和35.4万km,而天燃气输送用玻璃钢管道也超过了27.5万km.从煤矿领域的应用来看,一些工业发达国家,如美国、日本、西德等从70年代便已将玻璃钢管道成功应用于煤矿井上下输水、通风和输煤以取代传统的金属管道;在美国的管道系统中,仅玻璃钢管道就有20万km.在美国和西德一些煤矿选煤厂的选煤车间,早在70年代就使用了大量玻璃钢管道。目前欧美一些国家已广泛地在煤矿的排水、洒水和压气等方面使用玻璃钢管,也有的用带抗静电涂层的聚乙烯管抽放瓦斯。
我国于20世纪90年代初开始在青海孕斯油田及胜利油田使用玻璃钢管道,而后又在大庆、长庆、辽河等大中型油田用作输油、输水、输气等的道,目前油田用玻璃钢管道已近1000kmw.在化工领域,虽然玻璃钢管早在60年代就得到应用,但直到90年代才真正被广泛使用,当前该领域玻璃钢管的使用量在3万t左右。近几年我国在京、津、沪、哈、渝等城市的燃气管网中开始使用玻璃钢管,但长度不足100km,玻璃钢管的应用还处在起步阶段。近几年在城市给排水方面也已开始试用、推广玻璃钢管道,且呈上升趋势;现在核电站也选用玻璃钢管作循环水管、污水管、补给水管、雨水管及海水脱硫管等。
玻璃钢管道的使用效果相当好。美国于60年代安装的玻璃钢管线至今已38年了,目前仍正常运行。我国提引东江水由深圳至香港的供水工程在香港一侧建成的引水管道由两根内径分别为2.2m和1.7m的玻璃钢管道构成,长50km,从1965年安装至今仍完好无损。青海格尔木盐湖工程输送卤水的管道,援建巴基斯坦电站的输水管道,海口市、湛江市发电厂的海水冷却系统等,都使用了玻璃钢管道,效果良好。
国内外应用的大量事实证明,玻璃钢管道在耐腐蚀、抗老化等方面显示出独特的优越性。玻璃钢管道在国外煤矿中的应用已有30多年的历史,而在国内煤矿这个用管大户中,使用玻璃钢管却很少,因此开发玻璃钢管道在煤矿领域的应用迫在眉睫。
3煤矿环境对管遒的要求据有关专家预测,今后50年内煤炭在能源中的主导地位仍是不可动摇的。在我国,77%的发电能源,65%的化工原料,45%的日用品资源是由煤炭提供的。国家煤炭工业局资料显示,1999年我国一次能源消费结构中煤炭竟占67.1%.另据有关资料报道,到2050年,煤炭在能源中的比例仍将占据50%,那时需要煤炭行业每年向国家提供23~27亿t煤。可见,煤炭在国民经济发展中的地位是极为重要的。但煤炭工业的现代化程度却很低,新材料的应用就是其薄弱环节之一。因此积极开发新材料以取代传统的钢铁、混凝土等材料,必将给煤矿带来极大的经济效益。
目前煤矿管道主要用于输水、通风、输煤和抽放瓦斯等。而煤矿的特殊环境是,阴暗、潮湿、粉尘多、地下水多、水矿化度高、瓦斯浓度高、遇火易爆炸,因此要求管道具有防腐、抗爆及阻燃等性能。现在煤矿一般采用金属、混凝土管道进行井下输水,送风,抽放、输送瓦斯等,铸铁管、钢管的主要缺点是密度大,运输、铺设、安装比较困难,且易腐蚀生锈,易爆炸伤人;而混凝土管的各种性能虽优越,耐腐蚀也较好,但密度大,运输、铺设、安装极为不便。在煤矿的特殊环境中,金属管材的腐蚀极为严重,是急需解决的造成煤矿经济损失的主要问题之一。全国煤矿井下每年因金属管道腐蚀造成的更新和维修费用高达1.5亿元左右,显然减少这种因腐蚀造成的能源、材料消耗将节约大量资金。此外,由于金属管和混凝土管输送流体时的摩擦阻力大,造成的电能损失也非常大。当前在西部大开发中,尤其在西部丰富煤炭资源的开发中,应用玻璃钢管等新材料必将有利于减少对煤矿的长期投资,提高煤矿的综合效益。
4应用前景根据复合材料、玻璃钢发展的现状,我国煤矿的具体情况,以及玻璃钢管道的特点,玻璃钢管道在煤矿行业的开发应用前景极为广阔,它的使用无论对煤矿本身,还是对社会都是十分有益的。由于玻璃钢管道具有防腐、比强度高、适应性强、节能、几乎无需维护、降低吨煤成本、无污染等一系列优点,它必将取代金属管道用于井下的给排水、送风及排放、输送瓦斯等。近年来,焦作工学院和煤炭科学院已成功地研制出合乎我国国情的煤矿用玻璃钢管道,笔者则进行了玻璃钢管道在矿井下铺设时合理间距控制的研究,为井下实际铺设玻璃钢管道提供了理论依据,当前焦作工学院新型建材研究所正在进行产品的系列化、规范化研究。玻璃钢管具有的抗静电、阻燃性能及其它各项经济技术指标均符合煤炭行业标准(MT181-88)要求。该系列管道的工作压力为0.2度平均值大于38,且管道、管件既可用全塑的,亦可与钢管材、管件混合使用。目前已将这种管道先后在义马矿务局、永城矿务局、兖州矿务局、新汶矿务局、峰峰矿务局及新乡市陈召煤矿等部分煤矿投人使用,用于井下输水、送风等,产生的直接经济效益近千万元,受到工程技术人员及工人们的欢迎。据国家煤炭工业局统计,截至1999年,全国有煤矿4万个,国有重点煤矿595个,地方国有煤矿1621个;另有194个煤矿正在续建。单就30万t(千余家)及其以上矿井而言,若管道的改造和更换以每个矿平均安装30km玻璃钢管道(其实远不只这个数)计算,也有3万km,其用量是相当可观的,玻璃钢管道的使用潜在市场极大。由上可见,玻璃钢管道在煤矿的使用“技术上可行,经济上合理”,是国家在煤矿应用新材料,满足环保要求,提高煤矿生产率,减少投入,加快煤矿现代化建设的重要举措。玻璃钢管道在煤矿中的应用**紧迫性和重要性,应用前景十分广阔。