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翻转内衬法用于供水管道修复浅析

 1 国内非开挖技术概况
  根据不完全统计,2008年我国利用非开挖技术完成的管道修复和管道更换工程量达229.4公里,略多于2007年的210.8公里。历年我国非开挖管道修复和更换的工作量见下图:

  2008年我国非开挖管道修复和更换工程具有以下几个特点:
  大部分管道采用的是改进的内衬法(模压法、拉拔缩径法和折叠变形法),占全部工程量的62.4%,翻转内衬法(CIPP)所占比例也较大,约15.3%;
  修复的管道类型中工业管道和自来水管道所占的比例较大;
  所修复的管道直径均在2 米以下,主要为0.5~1.0 米的管道,管材以钢管为主。
  2 国内翻转内衬法应用及厂家情况
  经从相关厂家和水司多方了解,翻转内衬法在国内供水行业应用较少,基本还处于试验阶段。在污水、排水行业应用较多,因为污水和排水管道对卫生性能、密封性能要求较低,而且有检查井可作为施工时的工作井,避免开挖路面。
  国内有能力实施翻转内衬法的厂家情况如下:
  (1)中拓管道清洗修复工程有限公司
  该公司为中原油田行业公司成员单位,是国内首家以非开挖技术作为主导的管道清洗、修复、监测的专业化公司。该公司目前拥有“U”型HDPE管穿插法、复合材料软管翻转法(CIPP)、涂覆法、内衬不锈钢法等多种非开挖修复技术。
该公司在深圳、南京、湖南岳阳、武汉等水司采用CIPP翻转内衬法修复过供水管道。
  (2)管丽环境技术(上海)有限公司
  该公司是成立于2003年12月的外商独资企业,从日本引进了CIPP翻转内衬发管道非开挖修复技术。至2008年12月底,完成相关工程业绩40宗,修复管道总长度达到7100米,业务区域主要在上海、浙江、湖南等地,主要工程类型为污水、排水管道修复。
  (3)上海阿思列夫非开挖工程有限公司
  该公司是由丹麦派尔公司直接在中国设立的分公司。丹麦派尔公司成立至今已有60年历史,是世界第二大非开挖管线修复工程公司。该公司业务区域在上海市,与自来水、污水、天然气管道公司都有合作。2004年该公司在上海四平路首创世界最大口径非开挖压力管道翻转内衬修复工程—DN1500。
  (4)上海华焰燃气管道工程技术发展有限公司
  该公司是原上海市煤气公司改制成立的一家专门从事非开挖和燃气、自来水、化工等管道特种技术开发和施工一体化的科技型施工企业。该公司采用非开挖技术的主要工程类型为燃气管道。
  (5)河北肃安实业集团有限公司
  该公司是一家多行业、跨地区具有综合实力的集团公司,注册资本3000万元,下设八个分公司、六个联合体,掌握U-HDPE内衬穿插法、CIPP翻转内衬法等非开挖修复技术。该公司主要业务区域在北京市及少量外省市,主要工程类型为煤气管道修复,有北京市自来水管道修复的实例。
  (6)香港其士国际集团公司
  其士集团1970零年在香港成立。经过三十多年的发展,现已成为一家跨国综合企业,业务遍及中国、东南亚、欧洲、北美洲、澳洲及中东地区。其士集团于1998年开拓管道翻新业务,并于香港成立首间管道翻新公司。其士管道科技采用比利时诺道公司衬管材料及CIPP修复技术,擅长翻新直径75亳米至1,200亳米的各类管道,在香港地区有较多工程实例。
  3 管道非开挖修复技术对比
  3.1 传统的内衬法(小管穿大管法)
  施工时将一直径较小的新管插入或拉入旧管内,新管和旧管之间的环形空间通常用灌浆固结。
  该方法施工简单,对工人的技术要求低,施工速度快,投资少。缺点是过流断面损失较大、环形间隙要求灌浆、支管连接需开挖进行、一般只适用于圆形断面管道。该方法目前已较少使用。
  3.2 穿插内衬法
  分为普通的HDPE缩径法、U-HDPE穿插法等。这种修复技术是在施工前,临时将新管的断面减小,就位之后再使它膨胀恢复到原来的大小和形状,以保证与旧管紧密结合。新的衬管首先减小尺寸(在现场或加工厂),随后插入旧管,最后使用热力、压力或自然的方法恢复原来的大小和尺寸。
  该方法的优点是:不需灌浆,施工速度快;过流断面损失很小;可适应较大曲率半径弯管;可长距离修复,接头少,甚至没有;可在开挖的工作坑或人井内进行施工。缺点是:支管接头需开挖进行;旧管的结构破坏会导致施工困难;不同的方法对操作人员技术要求不同。
  3.3 CIPP翻转内衬法
  CIPP翻转内衬法即把灌浸有热硬化性树脂的软管材料运到工地现场,利用水和空气的压力把材料翻转送至管道并使其紧贴于管道内壁,通过热水、蒸气、喷淋或紫外线加热的方法使树脂材料固化,在旧管内形成一根高强度的内衬树脂新管的方法。该类型修复技术还有牵引法内衬。
  该方法的优点是:施工速度快;没有接头、表面光滑、流动性好;可适应非圆形断面、弯曲的管段和有小变形的地方;可利用现有的人井或少量开挖作为入口;新旧管之间没有环形空间、新管具有防腐、抗渗的功能。缺点是:需特殊的施工设备,对工人的素质要求高;工程规模小时,成本较高;树脂固化时间较长;每个工程要求不同的编织管;旋工时,必须控制地下水的渗透。
  3.4 其它方法
  其它方法还有螺旋制管法、爆管法等,由于采用较少,这里不做比较。

  CIPP翻转内衬法与HDPE穿插法相比,适应的范围更广,但对材料、施工技术的要求更高。
  4 广州水司工程实例介绍
  4.1 项目背景
  修复管道位于黄石东路,材质为砼管,总长度330米,安装于1990年。由于管材自身的脆性及管道接口橡胶圈老化等原因而经常发生爆漏,严重影响供水和交通安全。由于该管位于中心城区主干路的车行道上,较难按常规大开挖工艺实施管道更新,所以决定试点使用翻转内衬法进行修复。
  4.2 施工过程
  4.2.1 施工准备
  待修复的D600砼管管面覆土约1.2米,新设置市政管道常用的圆形砖砌阀门井形式作为内衬修复工艺临时工作井,且工作井盖采用预制钢筋混凝土阀门井盖,夜间施工时打开井盖作业,白天复盖恢复路面交通。工作井开挖深度为管底以下30-50厘米,所需空间不仅能满足将衬管插入原管的需求,还能满足一个工人的施工工作空间。
  4.2.2 管道清洗
  本工程采用机械清洗和高压水清洗相结合的方法,配以内窥镜检测,以管道内壁无尘、无颗粒、无油垢,无超过1cm尖锐突起为合格,管道清洗是本工艺中时间最长且最为重要的一道工序,管道清洗的干净程度将直接影响内衬施工效果。主要包括清洗管及残留水及碎屑物的清除两项工作。清管操作是采用清管器以低速通过严重结垢的管道内壁,彻底清除附在其上的结垢物、沉积物、原涂层的松疏或变质的残留物以及其它外界异物。碎屑物的清除操作是采用柱塞器通过砼管内壁,以清除管内壁的残留水及碎屑物。
  4.2.3 翻转内衬
  将充满树脂的内衬管通过翻转舱内的滚筒挤压并卷入翻转压力舱内。整条内衬管最后将拉成一卷。内衬管的另一端被固定在一个翻转头上。

图1  内衬现场实况图
  内衬管在舱内空气压力的作用下,将从里面向外翻,因为翻转,原本处于外表面的涂层将成为内表面,也就是翻转以后新的管道内壁,而涂满树脂的织物支撑结构则与原管道内壁相贴。在空气压力的作用下,衬管在管道内以每分钟约2米的速度前进,且该速度可以通过翻转舱内滚轴的转速来控制。
  在穿管过程中,内衬管是在没有摩擦的情况下进入原管,避免了其遭到损坏的风险。此外,内衬管的直径只比原管直径有轻微缩小,它的延长性和极大的柔韧性使其能在较低的翻转压力下达到标准的直径值。因此,内衬管可以自然抵消母管内已存在的各种问题:如母管的直径变化,管道部分缺损,甚至椭圆状的变形等。多余的树脂可以用作填充母管内表面的不平,孔眼,缺损,凹槽等各种缺陷。
  4.2.4 衬管养护
  待内衬管到达工作井末端后并露出约1米的长度时,将其末端固定,接着在多出部分的内衬管上插入一些用来释放空气的管子,这些管子同时连接在一个放散筒上。然后一端通过翻转车上的蒸汽锅炉将蒸汽注入衬管内,另一端通过放散筒释放蒸汽。这样衬管内的温度就开始不断升高,达到某一恒温直到环氧树脂固化。内衬固化采用常温带压固化。
  环氧树脂的固化时间取决于以下因素:工作段长度,母管直径,地下情况,使用的蒸汽锅炉功率以及空气压缩机的流动速率。本工程采用常规参数,固化压力为0.08Mpa,固化时间约6小时。当环氧树脂固化后,停止输入蒸汽改用冷空气进行降温,直到衬管内的温度达到常温。

图2 蒸汽养护设备
  4.2.5 管道末端处理
  管线内衬固化工序完成后,切除管端多余内衬,管口端部采用专业密封胶和不锈钢压环使封口加强。末端处理是为衬管末端提供机械保护并在母管与衬管间形成一个平滑均匀的过渡面,从而防止衬管因长期使用而造成端口损坏。每段衬管两端都以此种方法处理完成后,传统的管道连接方式均完全适用。

图3  末端机械密封系统示意图
(说明:1母管;2衬管;3快速密封剂;4塑料垫圈;5不锈钢环)
  4.2.6 连接维修
  对于今后的维修养护或安装新支管,只需要用慢速切割机将衬管后的管道割断,在两边安装套环,然后用传统的连接方法连接。例如原管道是铸铁管,先在切割边装一个不锈钢套环,然后用铸铁套筒或铸铁法兰安装一个新的三通。
  4.3 技术经济比较
  在对黄石东路北侧DN600混凝土管实施非开挖翻转内衬修复新工艺试验的同时,在该路段南侧车行道上实施大开挖工艺安装DN800球墨铸铁管,两种工艺不同口径的供水管道安装费用作经济对比,见下表:

  由上表数据可知,D600砼管非开挖内衬修复工艺与DN800球管采用开挖施工工艺的综合单价分别为4700元/米和4520元/米,两种工艺在造价方面的差异主要表现在主材费及开挖费上。非开挖内衬修复工艺由于采用进口内衬材料及引进国外先进技术,内衬材料的成本较高。另一方面,非开挖内衬修复工艺的道路开挖修复费用较开挖工艺明显减少,且前者采用夜间施工白天照常通车的施工安排,对交通影响较小且具有较好的社会及环境效益。
  5 CIPP翻转内衬法的实施建议
  5.1 CIPP翻转内衬法施工技术比较成熟,适应的管道范围较广,国内能实施该项施工方法的厂家很多,具备在供水行业实施的条件,可作为正常大开挖修复工艺的一种有益的补充。
  5.2 CIPP翻转内衬法在国内各地水司均为在个别案例中试点采用,还未得到大范围推广,造成工程造价较高,且修复后的维护管理经验不熟练,不建议大面积推广。
  5.3 在交通繁忙、地下管廊紧张、过道路、过铁路等短距离、局部关键路段的管道修复,可采用该方法进行。

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