《給排水管道原位固化法修復(fù)工程技術(shù)規(guī)程》關(guān)鍵技術(shù)

趙雅宏 曾正 馬保松

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院 430074)

引言

原位固化法 (Cured-in-Place Pipe,簡稱CIPP) 最早由英國工程師Eric Wood 在1971年發(fā)明[1]。該技術(shù)目前已在世界40 多個國家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用,尤其在日、法、英、德等國家應(yīng)用較為普及,是當(dāng)前使用最廣泛的非開挖管道修復(fù)方法。原位固化法能被廣泛地應(yīng)用于污水管道、飲用水管道、化學(xué)及其工業(yè)管道、以及壓力管道的修復(fù)[2]。原位固化法的物理特性決定它可以適用于不同管道形狀的施工,包括直管、彎管、垂直管道連結(jié)和變形的多棱角的管道。

但是由于我國非開挖技術(shù)開發(fā)應(yīng)用起步較晚,與國際先進(jìn)水平存在差距,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范匱乏,造成施工無依據(jù),使工程的質(zhì)量無法得到保障。從目前一些原位固化管道修復(fù)的案例中不難發(fā)現(xiàn),修復(fù)后的管道中存在針孔與缺口、起皺、起泡、隆起及內(nèi)襯管開裂等問題。這大多是在管道修復(fù)過程中,對施工工藝參數(shù)的選擇不合理導(dǎo)致的。因此亟需編制行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范甚至國家標(biāo)準(zhǔn)來對非開挖原位固化法施工過程進(jìn)行規(guī)范。

1983年,在原位固化法被大量應(yīng)用到非開挖管道修復(fù)工程之前,英國WRC 即發(fā)布了各類施工方法的規(guī)范,并最終發(fā)展為歐盟委員會的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);美國ASTM 也在1988年將各種施工方法的技術(shù)規(guī)范及構(gòu)造設(shè)計工藝等歸納成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并出版發(fā)行,如針對CIPP 方法的ASTM D5813、ASTM F1216、ASTM F1743 及 ASTM F2019 等標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)都很好地指導(dǎo)了當(dāng)?shù)氐腃IPP 管道修復(fù)工程,對我國非開挖行業(yè)有極大的借鑒意義。

《給排水管道原位固化法修復(fù)工程技術(shù)規(guī)程》在吸收借鑒國外CIPP 修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及技術(shù)的基礎(chǔ)上,充分結(jié)合國內(nèi)CIPP 行業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗,按照原位固化法非開挖修復(fù)給排水管道工程的設(shè)計、施工及驗收順序進(jìn)行編制。

1 基本規(guī)定

給排水管道CIPP 修復(fù)工程實施前,應(yīng)詳細(xì)調(diào)查原有管道的基本概況、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、現(xiàn)場及周邊的施工環(huán)境等,并需要應(yīng)用適宜的檢測手段對擬修復(fù)管線進(jìn)行排查。CIPP 用于管道結(jié)構(gòu)性修復(fù)時,須將修復(fù)后的內(nèi)襯管當(dāng)作新管,其設(shè)計使用年限不得低于50年;用于進(jìn)行半結(jié)構(gòu)性修復(fù)時,由于需要依賴原有管道結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)荷載,修復(fù)后的設(shè)計使用年限不得低于原有管道剩余使用年限。

2 材料性能

2.1 修復(fù)用樹脂要求

CIPP 主要材料為樹脂和軟管,這些材料的性能決定了CIPP 法修復(fù)后管道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及功能特性。樹脂應(yīng)根據(jù)管內(nèi)輸送介質(zhì)的性質(zhì)選用,見表1;樹脂澆筑體性能應(yīng)符合表2 中的要求。

樹脂儲藏環(huán)境、儲藏溫度和儲藏時間應(yīng)根據(jù)樹脂本身的穩(wěn)定性和固化體系來確定。樹脂和添加劑混合后應(yīng)及時進(jìn)行浸漬。干軟管用熱固性樹脂應(yīng)滿足耐腐蝕性能試驗中的相關(guān)要求。

表1 管道修復(fù)用樹脂材料的選用[3]Tab.1 Selection of resin materials for pipe repair

表2 CIPP 專用樹脂澆鑄體性能要求[3]Tab.2 Performance requirements for CIPP resin cast materials

2.2 修復(fù)用干軟管要求

干軟管由單層或多層聚酯纖維氈或同等性能的材料組成,并能夠與樹脂相粘合共同承受外部荷載。干軟管應(yīng)有足夠的拉伸、彎曲性能,以確保能承受安裝壓力和樹脂固化溫度以及適應(yīng)非規(guī)則部分管道的修復(fù),其軸向拉伸率不得大于2%。干軟管制作厚度需保證用樹脂浸漬固化后形成的內(nèi)襯管的厚度大于設(shè)計厚度,干管的長度應(yīng)稍長于待修復(fù)管道長度,干軟管直徑的大小應(yīng)保證在固化后能與原有管道的內(nèi)壁緊貼在一起,同時也不得因軟襯管直徑過大而在管道內(nèi)部產(chǎn)生影響質(zhì)量的隆起或褶皺。

2.3 修復(fù)用內(nèi)襯管性能要求

翻轉(zhuǎn)法施工采用的CIPP 內(nèi)襯由纖維布或纖維氈等骨架材料組成的軟管和樹脂等粘合材料組成;拉入式施工采用的CIPP 內(nèi)襯由玻璃纖維增強的骨架材料組成的軟管和紫外光固化樹脂等粘合材料組成。浸漬過樹脂的濕軟管應(yīng)存儲在避光和生產(chǎn)廠商要求的溫度環(huán)境中,運輸過程中應(yīng)記錄濕軟管暴露的溫度和時間。粘合形成的CIPP材料測試值應(yīng)滿足三點彎曲測試、拉伸試驗、厚度測試及密實性試驗[4]等給出的最低參考值。

3 設(shè)計方法

3.1 內(nèi)襯壁厚設(shè)計

設(shè)計前應(yīng)該對原有管道的缺陷進(jìn)行檢測和評估,根據(jù)檢測和評估報告的結(jié)論確定修復(fù)方式,再進(jìn)行相關(guān)設(shè)計。CIPP 內(nèi)襯設(shè)計理論基礎(chǔ)是Timoshenko 的屈曲理論及Spangler 對柔性管道的研究成果,在后期的實踐應(yīng)用中進(jìn)一步完善。一般認(rèn)為半結(jié)構(gòu)性破壞的管道只承受周圍均勻的靜水壓力,CIPP 內(nèi)襯與舊管道之間無連接;結(jié)構(gòu)性破壞的管道則需要承受靜水壓力及所有的外部荷載,在這種假設(shè)條件下,可以得出重力管道、壓力管道的結(jié)構(gòu)及半結(jié)構(gòu)性壁厚設(shè)計公式。

重力管道半結(jié)構(gòu)性修復(fù)CIPP 內(nèi)襯管壁厚設(shè)計公式為:

式中:t為CIPP 內(nèi)襯管設(shè)計壁厚,in(mm);D為原有管道平均外徑,in(mm);K為圓周支持系數(shù),通常情況下取7;EL為管道的長期彈性模量,psi(MPa);C為管道橢圓度修正系數(shù);Pw為管道施工時的外部水壓,psi(MPa);N為安全系數(shù),通常取1.5～2.0;v為泊松比,通常情況為0.3。

重力管道結(jié)構(gòu)性修復(fù)CIPP 內(nèi)襯管壁厚設(shè)計公式為:

式中:Pt為作用在管道上的總荷載,psi(MPa);Rw為浮力常數(shù);B′為經(jīng)驗彈性常數(shù);E′s為管壁外側(cè)相鄰?fù)馏w的彈性模量,psi(MPa)。

壓力管道的內(nèi)襯設(shè)計充分考慮了原管腐蝕及破損,當(dāng)原管破損較小時,采用式(3)進(jìn)行內(nèi)襯管半結(jié)構(gòu)設(shè)計,當(dāng)原管缺口較大,缺口半徑與管徑的比值超出范圍時,需進(jìn)行CIPP 結(jié)構(gòu)強度計算,滿足結(jié)構(gòu)強度條件后,才可根據(jù)式(4)進(jìn)行內(nèi)襯管壁厚設(shè)計。

式中:Pi為CIPP 管道內(nèi)部壓力,psi(MPa);Dh為存在于管壁上的孔洞直徑,in(mm);σL為CIPP 管道長期彎曲強度,psi(MPa)。

式中:Fwd為管道設(shè)計內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm2);D0為管道計算直徑(mm);t0為管壁計算厚度(mm);γQ為設(shè)計內(nèi)水壓力的作用分項系數(shù);σθ為在設(shè)計內(nèi)水壓力作用下管壁截面上的環(huán)向應(yīng)力設(shè)計值(N/mm2)。

3.2 水力計算及過流能力評估

修復(fù)后管道過流能力的評價以曼寧及海森-威廉公式為基礎(chǔ),采用曼寧公式來預(yù)測重力管道中流體的流量,如式(5);壓力管道的流量采用海森-威廉方程計算,如式(6)。

式中:Q為流量(m3/s);A為流體截面面積(m2);R為水力半徑(m);S為坡度;n為曼寧系數(shù);C0為海森-威廉糙率系數(shù)。

在圓管道充滿流體的情況下,將曼寧方程式及海森-威廉方程式進(jìn)行簡化即可得出修復(fù)后管道過流能力與修復(fù)前管道過流能力比值的評估式。

式中:B為管道修復(fù)前后過流能力比;QCIPP為CIPP 管道內(nèi)襯斷面水流量(m3/s);Qe為原管道內(nèi)襯斷面水流量(m3/s);De為原管的內(nèi)徑(m);DI為內(nèi)襯管的內(nèi)徑(m);ne為原管道的粗糙系數(shù);nl為CIPP 管的粗糙系數(shù)(見表3)。

表3 粗糙系數(shù)推薦值[3]Tab.3 Recommended value of roughness coefficient

4 施工工藝要求

規(guī)程根據(jù)不同的CIPP 軟管拉入方法,對翻轉(zhuǎn)法及拉入法施工過程作了相關(guān)規(guī)定。包括管道預(yù)處理、施工時干管的浸漬、襯管置入原管的操作、固化過程及固化完成后內(nèi)襯管的冷卻等方面的要求。規(guī)程同時也規(guī)定了用于局部修復(fù)的點狀原位固化法的施工操作注意事項。

CIPP 修復(fù)工程施工前,應(yīng)對原有管道進(jìn)行預(yù)處理,保證原位固化修復(fù)前管道內(nèi)壁潔凈、平整、無障礙物,管內(nèi)無滲水現(xiàn)象。管道有沉降、變形、破損和接頭錯位的部位,應(yīng)先進(jìn)行復(fù)位和修復(fù)處理。預(yù)處理后的管道需要再次進(jìn)行CCTV檢查。

在翻轉(zhuǎn)法施工過程中,整平、碾壓濕軟管時應(yīng)勻速,并確定碾壓厚度在設(shè)計范圍內(nèi),且應(yīng)控制干斑、氣泡、厚度不勻、褶皺等缺陷的出現(xiàn)。可采用水壓或氣壓的方法將濕軟管翻轉(zhuǎn),翻轉(zhuǎn)壓力應(yīng)控制在使軟管充分?jǐn)U展的最小壓力與濕軟管所能承受的最大內(nèi)壓之間。翻轉(zhuǎn)過程中應(yīng)加入無毒潤滑劑以降低翻轉(zhuǎn)阻力。在翻轉(zhuǎn)固化工藝中,根據(jù)施工經(jīng)驗規(guī)定翻轉(zhuǎn)速度宜控制在2m/min～3m/min[5]。

在拉入式施工時,需要鋪設(shè)墊膜以減少軟管拉入過程中的摩擦力,并避免對軟管的劃傷。墊膜應(yīng)鋪設(shè)于原有管道底部,覆蓋面積應(yīng)大于原有管道1/3 周長[6]。在軟管拉入過程中,軟管能承受的最大拉力是根據(jù)不含玻璃纖維內(nèi)襯管的抗拉強度確定的,不含玻纖內(nèi)襯管的抗拉強度應(yīng)滿足21MPa,與內(nèi)襯管截面面積相乘即CIPP 內(nèi)襯管可承受的最大拉力,可見規(guī)程中最大拉力的確定是相對保守的。

濕軟管的固化是CIPP 修復(fù)工程中的重要環(huán)節(jié),隨著技術(shù)的發(fā)展,先后出現(xiàn)了熱水固化、蒸汽固化及紫外光固化等固化技術(shù),不同固化技術(shù)的工藝參數(shù)要求也不盡相同。

在熱水固化及蒸汽固化中,溫度是樹脂固化效果的決定性因素。樹脂固化時間取決于工作段的長度、管道直徑、地下情況、使用蒸汽鍋爐功率以及空壓機氣量等。熱水、蒸汽固化溫度控制曲線如圖1 所示。

圖1 溫度控制曲線Fig.1 Temperature control curve

紫外光固化工藝采用的樹脂體系是光固化樹脂體系。內(nèi)襯管徑越大、壁厚越厚越不利于樹脂的固化。因此應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)濕軟管內(nèi)襯制造商所給出的濕軟管管徑和壁厚,合理按照操作系統(tǒng)手冊中的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)控制紫外光燈的相關(guān)工藝參數(shù)。通過合理控制紫外光燈前進(jìn)速度使樹脂充分固化。

固化完成后,應(yīng)對內(nèi)襯管端頭進(jìn)行密封和切割處理。在施工過程中,應(yīng)記錄施工每一節(jié)點的濕軟管翻轉(zhuǎn)/拉入長度、水溫、壓縮空氣壓力、濕軟管固化溫度、時間、紫外線燈巡航速度、內(nèi)襯管冷卻溫度等信息。

5 驗收標(biāo)準(zhǔn)

5.1 一般規(guī)定

工程驗收時首先應(yīng)核實需要檢查驗收的資料,符合設(shè)計、施工要求的管道才可以進(jìn)行管道功能性實驗。現(xiàn)場取樣檢測應(yīng)滿足在相同施工條件下每3 個修復(fù)段現(xiàn)場制作樣品管1 個,或者按照設(shè)計要求進(jìn)行取樣檢測。內(nèi)襯管樣品的壁厚應(yīng)符合設(shè)計要求,不含玻璃纖維和含玻璃纖維的內(nèi)襯管的短期力學(xué)性能應(yīng)滿足要求,內(nèi)襯管的長期力學(xué)性能應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行測試,且不應(yīng)小于初始性能的50%。樣品應(yīng)由第三方進(jìn)行檢測,并出具完整的檢測報告。

CIPP 修復(fù)工程的質(zhì)量不合格時,如經(jīng)返工重做或更換管節(jié)、管件、管道設(shè)備等的驗收批,應(yīng)重新進(jìn)行驗收;經(jīng)有相應(yīng)資質(zhì)的檢測單位檢測鑒定能夠達(dá)到設(shè)計要求的驗收批,應(yīng)予以驗收;經(jīng)有相應(yīng)資質(zhì)的檢測單位檢測鑒定達(dá)不到設(shè)計要求,但經(jīng)原設(shè)計單位驗算認(rèn)可,能夠滿足結(jié)構(gòu)安全和使用功能要求的驗收批,應(yīng)予以驗收;經(jīng)返修或加固處理的分項工程、分部(子分部)工程,改變外形尺寸但仍能滿足結(jié)構(gòu)安全和使用功能要求,可按技術(shù)處理方案文件和協(xié)商文件進(jìn)行驗收。通過返修或加固處理仍不能滿足結(jié)構(gòu)安全或使用功能要求的分部(子分部)工程、單位(子單位)工程,嚴(yán)禁驗收。

規(guī)程中驗收部分給出了原有管道預(yù)處理、內(nèi)襯管質(zhì)量檢驗、管壁密實性試驗、管道功能性試驗與沖洗消毒及工程竣工驗收等項目驗收的標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)。管道預(yù)處理合格與否的檢查方法按照CJJ 181 及CJJ/T 210[7]執(zhí)行;內(nèi)襯管質(zhì)量檢驗按照規(guī)程中材料部分的質(zhì)量要求檢查驗證;修復(fù)后管道的水壓試驗按照GB 50268-2008[8]中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行壓力管道的水壓試驗。管壁密實性試驗采用了DWA-A143 中相關(guān)方法,國內(nèi)目前還沒有相關(guān)的試驗標(biāo)準(zhǔn),下文對試驗方法作一簡單介紹。

5.2 管壁密實性試驗

管壁密實性試驗?zāi)軌驒z驗CIPP 內(nèi)襯中固化樹脂的均勻度,也能反映內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)整體強度和滲透性。試驗用試樣應(yīng)從現(xiàn)場固化的CIPP 內(nèi)襯管上截取,如果薄膜或者涂層是內(nèi)襯管道的一部分,則不得破壞內(nèi)襯表面的涂層;如果薄膜或者涂層是可去除的,則采用游標(biāo)卡尺精確材料薄膜或者涂層厚度,然后對其切割10 個相互垂直的切口,形成尺寸為4mm ×4mm 的網(wǎng)格。試驗裝置的布置如圖2 所示。

圖2 管壁密實性試驗方法及裝置Fig 2 Test method and device of pipe wall compactness

試驗過程中設(shè)置檢測壓力為0.05MPa ±0.0025MPa,并在此環(huán)境下持續(xù)30min,檢測介質(zhì)應(yīng)為不含弛緩劑的染色飲用水。每個樣本選擇3 個檢測點單獨試驗,在3 個檢測點中都不得有水滲透。

6 結(jié)語

為規(guī)范原位固化法修復(fù)給水排水管道工程,降低修復(fù)后管道中針孔、缺口、起皺、起泡、隆起及內(nèi)襯管開裂等問題,規(guī)程從設(shè)計、施工到驗收過程中都做了相關(guān)規(guī)定。如何建立管道修復(fù)質(zhì)量評價體系,加強工程質(zhì)量監(jiān)督,對施工工藝參數(shù)的動態(tài)選擇,是接下來CIPP 行業(yè)需要考慮的問題之一。目前不少工程開始采用信息化施工,但由于條件限制,信息化施工只是處于直接事務(wù)處理階段,還難以真正實現(xiàn)信息化設(shè)計和動態(tài)設(shè)計。

本規(guī)程的頒布有助于規(guī)范CIPP 行業(yè),將CIPP 非開挖管道修復(fù)的最新科研成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力。規(guī)程在實施過程中應(yīng)吸收市場的信息及反饋,及時修訂及不斷完善規(guī)程內(nèi)容,以促進(jìn)CIPP 行業(yè)向前發(fā)展。