管道内衬修复工艺浅谈-非开挖年鉴投稿.doc

管道内衬HDPE管修复工艺浅谈

东营益丰管道修复技术有限责任公司 朱兹森

关键词：非开挖技术、内衬修复、管道修复、内衬HDPE管、

一、序 言
随着中国经济的持续的发展和城市化进程的不断加快，城市地下空间中管线日益增多，网管的规模不断扩大，大批的管道铺设的时间久远、并且当时的施工工艺和管道材质都比较差，在常年的运行中部分管道由于地层沉降或地面过大的动载荷引起部分管道本身发生结构性的损坏，造成排水管道污水泄露或地下水渗入管内沉淀结垢，排污不畅。部分的承压管道也会因为使用时间过长，导致管道的承压能力下降或老化管道的破裂。也有部分管道由于物理、化学、电化学、或生物等的作用，管道的内壁会逐渐形成管道垢，且随着使用时间增长而不但增厚，导致管道内壁的过流性能恶化，输送能力下降。因此，有必要对这些年代久远的管道进行分期分批的改造和更新，降低漏耗、提高管道的过水能力和承压能力。
  城市长期发展的不可预见性、给水管网及道路的自身特点、管材质量、施工中的技术水平、接头处的管件连接方式、管网的腐蚀、当地的地质活动等诸多因素，使得目前城市的给水管网除了不断新建外还必须对原有管道进行持续的更新、改造。
这些需要更换或修复的管道一般铺设在人口稠密、商业繁华的市区，管道周边充塞着其他的一些污水、雨水、煤气、热力管道和电力、通讯电缆等其他的市政管道和设施，有部分管线上还骑压着建筑物或完全处于道路下方，开挖施工将造成交通堵塞、绿地和园林的毁坏，也可能对其它一些管道、电缆等地下公共设施造成毁坏。一种新的非开挖技术修复技术伴随历史潮流应运而生，此非开挖管道修复技术成为针对各种旧管道改造的最合理、快捷、有效的方法。由于该技术具有施工场地小、施工简单、造价较低等优点，很快在许多的国家都得到了广泛应用。
非开挖技术实际上是在旧管线的原位进行维修,目前国内外非开挖修复技术有多种，针对供水、燃气等内压管道内衬HDPE管修复技术是成本低、效率高、寿命长、效果最好的。
二、内衬HDPE管修复技术简单介绍

1 “U”型HDPE管内衬工艺原理
“U”型 HDPE管内衬修复技术是利用外径比原管道内径略小或相等的HDPE管，通过变形设备将HDPE管压成“U”型并暂时捆绑以使其截面减小，通过牵引机将HDPE管穿入原管道，然后用水或气（汽）压等将其打开并恢复到原来的直径，使HDPE管涨贴到旧管道的内壁上，形成HDPE管的防腐性能与原管道的机械性能合二为一的一种“管中管”复合结构。
该项技术已在多处管道修复工程施工中得到成功应用，作为一种重要的非开挖内衬修复技术已通过国家建设部科技成果评估和国家“非开挖管道技术”推广应用项目。
2 选择HDPE管作为衬管的主要优点
2.1、连接可靠
聚乙烯管道系统之间采用热熔承插及热熔对接方式连接，接头的强度高于管道本身强度；聚乙烯管道与其他管道采用法兰连接，方便快捷。
2.2、低温抗冲性良好
聚乙烯的低温脆化温度极低，可在-60℃—60℃温度范围内安全使用，冬季施工时，因材料抗冲击性好，不会发生管子脆裂。
2.3、抗应力开裂性优良
PE管材具有低的缺口敏感性、高的剪切强度和优异的抗刮痕能力，耐环境应力开裂性能也非常突出。
2.4、耐化学腐蚀性良好
PE管道可耐多种化学介质的腐蚀，土壤中存在的化学物质不会对管道产生任何降解作用。
2.5、耐老化，使用寿命长
含有2—2.5%均匀分布的炭黑的聚乙烯管道能够在室外露天存放或使用50年，不会因遭受紫外线辐射而损坏。
2.6、耐磨性好
PE管道与钢管的耐磨性对比试验表明，PE管道的耐磨性是钢管的4倍，在泥浆输送领域，同钢管相比，PE管道具有更好的耐磨性，这意味着PE管道具有更长的使用寿命和更好的经济性。
2.7、可绕性好
PE管道的柔性使得它容易弯曲，工程上可通过改变管道走向的方式绕过障碍物，在许多场合，管道的柔性能够减少管件用量并降低安装费用。
2.8、水流阻力小
PE管道具有光滑的内表面，其曼宁系数为0.009，光滑的表面和非粘附特性保证了管道具有较传统管材更高的输送能力，同时也降低了管路的压力损失和输水能耗。
2.9、搬运方便
PE管道比混凝土管道、镀锌管和钢管更轻，它容易搬运和安装、更低的人力和设备要求，意味着工程的安装费用的大大降低。
2.10、施工方式多种性优良
PE管道具有多种施工技术，除了可以采用传统的开挖方式进行施工，还可以采用多种全新的非开挖技术如顶管、定向钻孔、衬管、裂管等方式进行施工，这对于一些不允许开挖的场所，是唯一的选择，因此PE管道应用领域更为广泛。
3 PE100级HDPE衬管的技术参数
3.1理化性能指标
序号
理化指标
单位
典型值
测定标准
1
密度
g/cm3
0.958
ISO18721
2
熔体流动速率
g/10min
0.12
ISO1133cond.4
3
拉伸屈服强度
Mpa
23
ISO52750mm/min
4
断裂伸长率
%
＞350
ISO52750mm/min
5
耐环境应力开裂
H
＞1000
ASTMD1693B
6
氧化诱导时间
Min
＞20
ISOTR10837
7
热胀系数
10℃~5℃
11~16

8
弹性模量
Mpa
552~758

9
脆化温度
℃
-70

10
泊松比

0.45

11
介电强度
KV/mm
＞20

12
长期静压强度
Mpa
≥10.0
20℃，50a

3.2 HDPE管的水力特性

根据流体力学原理可知，管道中水的流量同管道的压力、管径及管道壁摩擦阻力和管件的局部阻力等均相关。不同材质管道的摩擦损失及局部损失均不同，同一材质（尤其是钢、铸铁管）由于内壁表面腐蚀、结垢等因素，沿程水头损失增加，摩擦阻力随年限的增加而大大增加，过水断面流量则随之逐步减少。对衬管前后水阻及流量变化进行计算如下：
　　（1）水力坡降
　　达西—威斯巴赤公式：i=λ·v²/2gD(1)
　　i——水力坡降
　　v——平均流速（m/s)
　　λ——摩阻系数
　　g——（m/s²)
　　D——管内径（m)
　　λ=0.11(K/d + 68/Re)0.25(2)
　　K——管内壁绝对粗糙度（mm)
　　聚乙烯管取Ｋ=0.01mm；球墨铸铁管新管取K=0.06mm；铸铁管道运行20年后K值将增大到5~10倍（本次计取中取6倍），聚乙烯管由于无腐蚀，其K值不随时间变化而变化。
　　Re=vD/r(3)
　　Re——雷诺数
　　d ——管内径（m)
　　举例说明：我们设定管内水流速v=1m/s，r=1.3*10m2/s（水温10℃），铸铁管内径De=300mm，聚乙烯内衬管径De=286mm，套用公式（1）（2）（3）可推算出铸铁管新管、运行20年后旧管及经HDPE衬管后内衬管的水力坡降分别为：
　　①球墨铸铁新管：　　　　　i=0.0028m
　　②运行20年后铸铁管： i=0.0037m
　　③HDPE内衬管： i=0.0026m
　　由此可见，HDPE内衬管虽然内径较铸铁新管小14mm，但其沿程阻力损失却小于铸铁新管，同旧管相比沿程阻力损失更是下降了30%。　
（2）流量变化测定
　　管网的流量同管径、阻力损失、流速有关。我们在上面水力坡降测算的基础上，继续推算流量变化情况。
海登—威廉公式：　Q=0.2785CD2.63i0.54(4)
　　Q——管流量（m³/s)
　　C——海登—威廉摩阻值。
　　假设v=1.2m/s，PE管C=155（不随时间变化），球墨铸铁管新管C=130，运行30a后C=90。将前面计算中i值代入（4）中，则可以得出下面结果：
　　①球墨铸铁管新管　　　Q=230m
　　②运行30年后铸铁管 Q=185m
　　③HDPE内衬管 Q=230m
　　以上结果表明，经HDPE内衬修复后，修复段输水能力不仅完全可以做到新铺铸铁管的输水能力，而且可保持50年输水能力无大变化，比旧管输水能力增加20%。因衬管后水阻力损失减小，还可提高末端的管网运行压力。此外内衬管提高原有管道的耐压值，在可能的情况下还可以提高管网运行压力，增加管路输水能力。
综上，PE内衬管可降低管网沿程水头损失30%，同时提高输水能力20%，综合水力特性优于新铺管道，同时可保持50年不变，造价又可以较新建管路下降40%以上，具有极高的经济效益和社会效益。
4 HDPE管材与其他管材的对比
比较项目
HDPE管
球墨铸铁管
镀锌钢管
不锈钢管
经济性
综合造价较低寿命长
综合造价较低寿命长
材料费低
材料费高
耐腐蚀性
在海水及酸、碱土壤中不会被腐蚀，不会发生电化腐蚀
涂层脱落后已被蚀、易生成管结石、易电化腐蚀、随时间推移，管径逐渐变小
其腐蚀易受流体组分，温度流速影响，易电化腐蚀
较好
卫生性
无色无味，对人体无害，卫生性公认最好
会有锈水现象
因生锈等污染水质
良好
耐冲击性
耐冲击性好
较好
较好
因比薄，耐冲击及内压性能大大下降
柔韧性
适于任何地形，地震、地段不均沉降室不破裂
不良
不良
不良
寿命
50年以上
30年
10年至20年
50年
施工性
省机械费用，连接很方便，冬天施工质量有保
重量重，运输搬运施工均不变，连接选手工作业，作业性差
以螺栓连接，重量重，运输搬运困难，低温下耐冲击性差
较好

5 内衬HDPE管修复技术工艺流程
操作坑定位
操作坑开挖
PE管焊接
PE管压U
管道断口
管道内窥检测
管道清洗
PE管穿插
PE管涨圆
PE管试压
管道连口
焊接场地选择
依据图纸或经甲方介绍及现场勘查
全线试压验收

6 管道内衬HDPE管修复技术的结果： 
◆减少爆管事故的发生，提高供水安全性,能够提高管道的耐压强度20～40%。
◆杜绝漏水损失的继续存在，降低漏耗，减小流体磨阻，增大单位时间的流量。
◆改善管网水质, 不结垢、不滋生细菌，。
◆恢复管道输水能力，降低能耗等。
◆在管道原位进行旧管道修复，无需全线开挖，一次施工长度1000-1500米 
◆ 施工周期短，可即修即投，修复成本低，约为新上管道的50～60%左右。
◆ 内衬层连续，无焊缝、不存在承插口等易腐蚀、渗漏的薄弱点。
◆ 适用于DN100～DN1600的各种材质的管道。
◆ 内衬HDPE管后的管道具有良好的整体性能，结合了主管道“外能抗冲击，内能承压力”和HDPE衬管“耐腐蚀、耐磨损、耐温、不结垢、长寿命”的特性。

7 HDPE管穿插内衬修复与其他非开挖内衬修复技术的对比
序号
对比项目
U-HDPE穿插修复
HDPE管等径压缩穿插修复
软管翻转内衬修复
1
清洗标准
清洗要求低，时间短
清洗要求低，时间短
清洗要求高，时间长
2
使用材料
定制薄壁HDPE
定制薄壁HDPE
浸透热固性树脂的高强纤维软管
3
变形方法及对PE管的影响
变形机将PE管变“U”形，用高强度胶带暂时捆绑束缚，只是PE管形状暂时发生变化。
缩径机与大功率的牵引机配合径向拉伸缩径，易超过PE管的拉伸屈服强度极限，造成PE管物理性能发生变化。
衬管只翻转不变形
4
衬管恢复方式
用水或气压或通软体球将其打开并恢复原形
撤销牵引力恢复
利用热水、热气或紫外线等使其固化成型
5
变形量
变形量能达到30%
变形量为5%------10%左右
不需要变形
6
过弯头能力
能穿过不大于15°的转角，能过水平慢弯和一定起伏的管段
变形量小，过转角点能力差
过弯能力强，甚至能穿过45°的弯头
7
衬装过程对PE管的影响
变形量大，原管道内壁与衬管摩擦少，而且束缚胶带对PE管体有保护作用
衬管与原管道内壁间隙小，穿插过程直接摩擦衬管，原管道下沉或水平慢弯时摩擦阻力大，易划伤PE管外壁，且无法检查出来，有隐患：牵引力大，以超过PE管材的屈服极限，拉断PE管或钢缆，存在安全隐患。
翻转衬管一次到位，与原管道没有位移摩擦
8
施工过程控制
施工过程灵活有弹性，可根据情况暂停，调整，解决，占地面积较小
穿插的施工过程，需要连续进行，不能暂停、调整，应付意外情况能力差，占地面积大
连续的施工过程，延迟会影响施工质量
9
穿插距离
变形量大、阻力小、一次穿插距离长
变形量小、阻力大、一次穿插距离稍短
一次翻转距离短
10
施工速度
较快
较快
较慢
11
工程造价
较低，与缩径穿插法相当
较低，与“U”型穿插法相当
造价较高
12
对原管道的影响
无任何影响
因牵引力大，PE管变型量较小，易将原管道拉脱节或错口
无任何影响