CIPP翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯工藝用于排水管道功能性修復(fù)

宋尚榮

(中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179)

1 工程概況

為了改善城市水環(huán)境，保護河流、居民飲用水等區(qū)域的水體水質(zhì)，針對重慶市渝中區(qū)嘉韻山水城排水管網(wǎng)進(jìn)行工程改造，對老城區(qū)150 m排水管道進(jìn)行CCTV檢測，整段管道內(nèi)壁受侵蝕而出現(xiàn)麻面、露出鋼筋及多處滲漏等問題。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》(CJJ 181—2012)的評判標(biāo)準(zhǔn)，該段管道缺陷指數(shù)3

2 CIPP修復(fù)技術(shù)原理和施工流程

2.1 技術(shù)原理

CIPP(cured in place pipe)即原位固化法[3-5]，亦稱翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法，是一種基于熱固化樹脂的原位固化修復(fù)技術(shù)，采用加熱或遇光固化的原理，將未成型已涂滿樹脂的軟管利用水壓或氣壓翻轉(zhuǎn)到待修復(fù)的管道內(nèi)，使其樹脂軟管緊貼于管道內(nèi)壁，通過加熱或紫外光照射使樹脂軟管固化，在舊管內(nèi)壁形成高強度、剛性的管道內(nèi)襯層，與原有管道形成復(fù)合管道體，從而達(dá)到對原有管道功能性修復(fù)的目的。

2.2 施工流程

施工按照原管道資料、現(xiàn)場踏勘→管道清洗清淤→氣囊封堵抽水→局部缺陷處理→CCTV內(nèi)窺檢測→軟管浸漬樹脂→翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯管進(jìn)入待修復(fù)管道內(nèi)→內(nèi)襯管加熱同時保證一定的翻轉(zhuǎn)水壓，確保內(nèi)襯管緊貼于待修管道內(nèi)壁→固化定型后進(jìn)行降溫→端頭處理→CCTV內(nèi)窺檢測→試驗及驗收→恢復(fù)通水進(jìn)行。

3 CIPP修復(fù)技術(shù)設(shè)計

3.1 內(nèi)襯管道壁厚計算

用于排水管道修復(fù)時，內(nèi)襯管道壁厚根據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》 (CJJT 210—2014)計算：

(1)

(2)

q=100×(D-Dmin)/D

(3)

式(1)～(3)中，t為內(nèi)襯管的壁厚，mm；D為原有舊管道的平均內(nèi)徑，mm；K為圓周支持率，推薦取值為7.0.；EL為內(nèi)襯管的長期彈性模量，MPa，一般可取短期彈性模量的50%，根據(jù)內(nèi)襯材料選擇；C為橢圓度折減因子；P為地下水壓力，MPa；N為安全系數(shù)，推薦取值為2.0；μ為泊松比，原位固化內(nèi)襯管取0.3；q為原有舊管道的橢圓度，%，取值2%；Dmin為原有舊管道的最小內(nèi)徑，mm。

3.2 修復(fù)后管道過流能力計算

修復(fù)后管道的過流能力與修復(fù)前管道的過流能力的比值計算公式[6-7]：

(4)

式(4)中，B為管道修復(fù)前后過流能力比；ne為原有管道的粗糙系數(shù)，混泥土管取0.013；n1為內(nèi)襯管的粗糙系數(shù)，取0.010；D1為內(nèi)襯管的內(nèi)徑，mm；DE為內(nèi)襯管的外徑，mm。

4 工程實例

嘉韻山水城排水管網(wǎng)建設(shè)年限較長，待修復(fù)排水管道146 m，為DN1 200的鋼筋混凝土管，但靠近P1檢查井端處有12 m DN800的雙壁波紋管，其中4 m位于井口端、8 m位于DN1200的鋼筋混凝土管內(nèi)部。經(jīng)CCTV內(nèi)窺檢測，管道內(nèi)壁受到嚴(yán)重的侵蝕而出現(xiàn)麻面、露出鋼筋及多處滲漏等問題。管道修復(fù)前及預(yù)處理后內(nèi)部檢測情況如圖1所示。本次管道修復(fù)方案采用CIPP(原位固化法)，由于待修復(fù)管道屬于變徑管道、變徑范圍較大，為了降低CIPP翻轉(zhuǎn)施工的風(fēng)險和保證施工質(zhì)量。經(jīng)過研究決定，采用短管置換將4 m DN800的雙臂波紋管置換變?yōu)镈N1 200，將鋼筋混凝土管內(nèi)部的8 m DN800的雙壁波紋管拆除，確保整段管管徑的一致性，保證CIPP(原位固化法)翻轉(zhuǎn)修復(fù)在施工過程中順暢性。

(a)修復(fù)前管道內(nèi)部檢測圖

采用式(1)～(3)計算內(nèi)襯管道壁厚，本工程內(nèi)襯管道外徑為1 200 mm，橢圓度q取2%，橢圓度折減因子C經(jīng)計算為0.885。計算結(jié)果約為22.0 mm。單層無紡布的厚度約4.4 mm，采用5層結(jié)構(gòu)，其中外層為覆膜(TPU)無紡布，內(nèi)4層均為無紡布。采用式(4)計算修復(fù)后管道過流能力，經(jīng)計算得管道修復(fù)前后過流能力比為118.1%，過流能力顯著增加。

修復(fù)后管道內(nèi)部CCTV檢測情況如圖2所示。修復(fù)后管道經(jīng)CCTV檢測，內(nèi)壁表面光滑，與原管道貼合緊密，對原管道斷面影響非常小，增加了管道抵抗變形能力，延長管道使用壽命，保證管道長期正常運行。

圖2 修復(fù)后管道內(nèi)部形貌

5 工程驗收

施工完成后，通過CCTV檢測對修復(fù)后的管道進(jìn)行檢查，按照《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 210—2014)，修復(fù)更新后的管道內(nèi)應(yīng)無明顯濕漬、滲水，嚴(yán)禁滴漏、線漏等現(xiàn)象，內(nèi)襯管內(nèi)表面應(yīng)光潔、平整，無局部劃傷、裂紋、磨損、孔洞、起泡、干斑、褶皺、拉伸變形和軟弱帶等影響管道結(jié)構(gòu)、使用功能的損傷和缺陷，內(nèi)襯管應(yīng)與原有管道貼附緊密，修復(fù)完成后需進(jìn)行閉水試驗、內(nèi)襯管材力學(xué)性能取樣檢測。經(jīng)檢測，各項指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

6 經(jīng)驗總結(jié)

6.1 預(yù)處理前預(yù)防高濃度有毒氣體

地下管線屬于有限空間，對地下管線進(jìn)行預(yù)處理必須遵循《有限空間安全作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)手冊》，嚴(yán)格實行“先通風(fēng)、再檢測、后作業(yè)”。預(yù)處理前，采用專用氣體檢測儀檢測管道內(nèi)部作業(yè)面氣體濃度，經(jīng)檢測管道內(nèi)部H2S濃度達(dá)60PPM以上，遠(yuǎn)超報警上限(7PPM)，嚴(yán)重威脅到下井施工人員的生命安全。

針對這種環(huán)境條件，采取上井口進(jìn)行強力送風(fēng)、下井口進(jìn)行強力抽風(fēng)相結(jié)合的方式進(jìn)行空氣置換；送風(fēng)端采用帆布管將新鮮空氣送入井下管道內(nèi)，強力通風(fēng)2 h后，對管道內(nèi)部一氧化碳、甲烷、硫化氫含量等有害氣體重新檢測，直到管道內(nèi)氣體達(dá)到井下作業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)要求。同時，在預(yù)處理過程中每間隔30 min要對管道內(nèi)部空氣重新檢測，確保管道內(nèi)的空氣質(zhì)量滿足施工要求，否則終止施工。

6.2 充填灌樹脂位點處理

在樹脂軟管的制備過程中，受壓料平臺長度和平臺拖動能力的限制，無法一次性將大量樹脂注入軟管內(nèi)。采用分段進(jìn)行灌注樹脂，在于每次注入樹脂量少，對壓料平臺的長度和壓料時拖動能力要求降低，壓料過程能平穩(wěn)進(jìn)行，保證樹脂軟管的質(zhì)量。然而，分段進(jìn)行灌注樹脂前必須先在軟管兩端口間開縫，通過縫口進(jìn)行灌注樹脂，加注完成后會導(dǎo)致加注口吸附了大量的樹脂。因此，對加注口的處理及縫合帶來一定的困難。首先用丙酮清洗加注口四周的樹脂，洗凈后從內(nèi)到外依次用碳纖維進(jìn)行縫補。當(dāng)縫補到最外面一層時，在覆膜層與次層之間放一塊隔熱膜，用抽真空修補材料-PE膜和加熱專用工具對覆膜層進(jìn)行修補作業(yè)，每次能修補縫口50 mm，修補完一次就立即用碎冰塊進(jìn)行冷卻，防止修補過程中因溫度升高而導(dǎo)致周圍樹脂發(fā)生固化反應(yīng)。

6.3 翻轉(zhuǎn)尾端處理

翻轉(zhuǎn)軟管尾部處理一般小管徑軟管采用綁扎帶扎，但是本次用于翻轉(zhuǎn)軟管(DN1 200)單壁有5層無紡布，每層厚度達(dá)4.4 mm，尾端處理需把尾端軟管經(jīng)多次折疊<軟管內(nèi)徑，同時在內(nèi)襯管中間還要插入排氣管和拉力繩才進(jìn)行捆綁，翻轉(zhuǎn)過程中尾端處理好壞是翻轉(zhuǎn)修復(fù)成功的關(guān)鍵點，翻轉(zhuǎn)水壓高、對強度要求特別大，若用捆扎帶進(jìn)行捆扎強度達(dá)不到要求。因此，采用自制“金屬夾板”進(jìn)行綁扎，將軟管尾部折疊單獨用一層無紡布進(jìn)行包裹在外側(cè)，再用“金屬夾板”壓緊夾住，把固定熱水帶的拉繩和輔助拉繩系固定在夾板上，同時用粘膠帶將尖銳金屬包裹，防止翻轉(zhuǎn)過程中軟管被劃破。自制“金屬夾板”捆扎，尾部強度高、綁扎牢固、滲水量少，滿足翻轉(zhuǎn)要求。

6.4 翻襯速度控制

在翻轉(zhuǎn)過程中由于樹脂軟管管徑較大(DN1 200)和水壓高(6 m水頭)，利用水壓將浸漬軟管翻轉(zhuǎn)到待修復(fù)管道內(nèi)。然而在翻轉(zhuǎn)過程中翻轉(zhuǎn)速度難以控制，如果翻轉(zhuǎn)速度過快會導(dǎo)致樹脂軟管團聚及樹脂軟管膨脹不足，甚至導(dǎo)致水壓過載事故。此外軟管浸漬樹脂后質(zhì)量較重，經(jīng)現(xiàn)場研究決定，采用吊車輔助翻轉(zhuǎn)，同時在翻轉(zhuǎn)的前端設(shè)置一個緩沖帶(利用了未進(jìn)料部分軟管的自重來平衡一部分翻轉(zhuǎn)水柱的重力)來控制翻轉(zhuǎn)速度。在軟管進(jìn)行翻轉(zhuǎn)過程中，采用CCTV機器人時時檢測管道內(nèi)全程翻轉(zhuǎn)情況，保證施工過程風(fēng)險可控。

6.5 能量控制

熱循環(huán)熱固化前，需對軟管內(nèi)翻轉(zhuǎn)水量進(jìn)行評估，經(jīng)計算水量約173 t(內(nèi)徑1 200 mm；長度(150+6)m)；熱量計算：管內(nèi)水量約173 t，考慮到循環(huán)加熱過程中尾部存在滲水現(xiàn)象，同時為了保證與原管道貼合緊密需要維持一定水壓需要不定時補水，經(jīng)研究決定按200 t水進(jìn)行能量的換算。根據(jù)樹脂軟管的固化溫度是85℃左右，加熱前循環(huán)水的溫度13℃；200 t水從室溫13℃加熱到熱固化需要的85℃所需熱量為6.048×104MW，考慮到熱損耗，按熱量的轉(zhuǎn)化效率60%計算，則需鍋爐提供的熱量為1.008×105MW，若用一臺1.2 MW的鍋爐加熱，熱循環(huán)加熱所需時間23.5 h，加熱時間過長，根據(jù)現(xiàn)場研究決定采用兩臺1.2 MW鍋爐。

6.6 熱循環(huán)加熱熱度控制

一次翻轉(zhuǎn)150 m，管徑DN1 200，熱循環(huán)加熱時易形成層流，溫度不均，采取尾部、中間、前端三處熱電偶測溫，中間熱電偶事先導(dǎo)入。溫度的控制為每0.5 h最高10℃，當(dāng)溫度升高到60℃后，每升高10℃再保溫0.5 h再升溫，直至85℃后循環(huán)2 h以上，待樹脂軟管固化成型再緩慢降溫。如果升溫太快會造成樹脂軟管固化成型后內(nèi)表面出現(xiàn)起泡，升溫速率過慢樹脂軟管固化成型的強度達(dá)不到檢測標(biāo)準(zhǔn)；同時降溫太快可能會造成內(nèi)層管道回縮，導(dǎo)致與原管道脫落，對修復(fù)質(zhì)量造成影響。

7 結(jié)束語

本工程管道修復(fù)從現(xiàn)場準(zhǔn)備到固化完成并恢復(fù)通水在24 h內(nèi)完成。施工過程中基本不影響現(xiàn)狀道路的正常通行，施工時噪聲低、對環(huán)境影響小。此外，經(jīng)過設(shè)計人員的精心設(shè)計、相關(guān)問題的及時解決，軟管樹脂浸漬質(zhì)量好、翻轉(zhuǎn)速度控制適中、溫度控制適宜，獲得良好的固化效果。同時固化內(nèi)襯管耐腐蝕、材料強度高、質(zhì)量可靠，使用壽命延長30～50年。管道斷面損失小、表面光滑，能夠顯著提高原有管道過水能力，滿足原管道的設(shè)計要求。

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