基于樹脂常溫固化技術(shù)的供水管道非開挖修復(fù)技術(shù)

楊 光，劉星雨，李奇峰，于 昆，柴文旭，崔 毅

(1.哈爾濱供水集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150080；2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875；3.哈爾濱排水集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150070)

我國國土遼闊、人口基礎(chǔ)大，城市地下管網(wǎng)規(guī)模巨大，尤其壓力管道病害問題突出，病害失修積重難返，城市建設(shè)和管理存在“重地上輕地下”“重面子輕里子”的現(xiàn)象。地下管線是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是城市的“生命線”，現(xiàn)在卻成為了“奪命線”[1]，近年來國內(nèi)頻發(fā)的燃?xì)夤艿辣?、城市?nèi)澇、地下空洞塌陷等嚴(yán)重影響人民群眾生命、財(cái)產(chǎn)安全的重大事故，為我們市政管網(wǎng)運(yùn)營單位、上級(jí)政府主管單位一次又一次地敲響警鐘，市政管網(wǎng)的更新、改造工作迫在眉睫。

傳統(tǒng)“開膛破肚”的市政管網(wǎng)修復(fù)方式存在不合時(shí)宜性，比如破壞道路、影響交通、大量土方、噪音污染、空氣污染和破壞其他基礎(chǔ)設(shè)施等弊端，尤其針對(duì)我國北方嚴(yán)寒地區(qū)冬季低溫條件下開挖施工作業(yè)存在一定難度。隨著我國城市化的快速發(fā)展，投資環(huán)境、宜居程度成為城市的名牌，傳統(tǒng)的開挖更新老舊管道的方式與我國日新月異的地面城鎮(zhèn)建設(shè)成果相互矛盾，不開挖或者盡量少開挖的非開挖管道修復(fù)方法逐漸被國內(nèi)外接受，2000年以來在我國發(fā)展迅速。非開挖修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用在管道修復(fù)領(lǐng)域中已逐漸成熟，但在我國北方嚴(yán)寒地區(qū)給水管道修復(fù)中少有先例。本研究為常溫固化非開挖內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)在單次長距離管道修復(fù)領(lǐng)域大范圍應(yīng)用創(chuàng)造條件，同時(shí)為該技術(shù)在低溫作業(yè)條件下施工提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐參考。

1 CIPP管道修復(fù)技術(shù)

原位固化法(cured-in-place pipe，CIPP)采用翻轉(zhuǎn)或牽拉方式將浸漬樹脂的軟管置入原有管道[2]，具體工藝如下。

圖1 CIPP管道修復(fù)技術(shù)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of CIPP Pipeline Rehabilitation Technology

制作一條纖維(玻璃纖維、聚酯纖維等)內(nèi)襯軟管，外層(或者內(nèi)外兩層)涂有聚合物涂層(PU或PE)，首先與樹脂材料浸漬，制作待翻軟管；采用水壓、氣壓、牽引等方法將浸漬樹脂的待翻軟管送入待修復(fù)管道(圖1)。待翻內(nèi)襯全部安裝到主管道里，采用常溫固化、加熱固化、紫外光固化等方式促使樹脂材料固化，樹脂材料固化后，浸漬樹脂材料的內(nèi)襯管即硬化，就會(huì)在原來的管道里形成一個(gè)新的內(nèi)襯管道。

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加劇，管道非開挖內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)已在國內(nèi)外逐漸發(fā)展成熟，原位固化技術(shù)發(fā)展出多個(gè)分支技術(shù)，其中主流技術(shù)包括常溫固化技術(shù)、熱固化技術(shù)和紫外光固化技術(shù)等多種管道內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)[3]。但是，多數(shù)非開挖管道修復(fù)技術(shù)針對(duì)的主要是市政排水零壓重力管道的修復(fù)領(lǐng)域，可修復(fù)距離短，通常在200 m以內(nèi)。

2 研究內(nèi)容

管道非開挖修復(fù)技術(shù)在排水等重力流管道領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在壓力管道應(yīng)用較少。壓力管道非開挖內(nèi)襯修復(fù)工程不同于重力排水管道，管線整體處于密閉狀態(tài)，通常連續(xù)埋設(shè)于地下，沒有敞開的檢查井，非開挖內(nèi)襯修復(fù)類技術(shù)的應(yīng)用需要開挖作業(yè)坑。因此，要求所使用的非開挖修復(fù)技術(shù)具備應(yīng)對(duì)單次長距離工況的能力。

CIPP熱固化技術(shù)受限于傳熱介質(zhì)的溫度均勻程度，無法在長距離管道內(nèi)形成均勻穩(wěn)定的高溫加熱條件(通常要求80 ℃以上)，不能應(yīng)用于較長距離管道的內(nèi)襯修復(fù)；紫外光固化技術(shù)受限于直拉牽引的進(jìn)管方式，在單次修復(fù)長距離管道的情況下與管壁摩擦較大；噴涂聚合物增強(qiáng)水泥漿法在DN1000以上大口徑壓力管道非開挖內(nèi)襯中應(yīng)用效果較好，但是小口徑壓力管道人員無法進(jìn)入，噴涂設(shè)備受制于輸送軟管壓力問題，不適合長距離壓力管道的內(nèi)襯修復(fù)；而常溫固化樹脂通常不需要外部條件，在較寬跨度的溫度環(huán)境下即可完成固化過程，冬季寒冷條件下較為容易實(shí)現(xiàn)溫度條件。因此，CIPP常溫固化管道內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)在管徑適應(yīng)性、單次長距離施工能力上，更適合壓力管道非開挖內(nèi)襯修復(fù)工程應(yīng)用。

常溫固化翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)需要應(yīng)用具備常溫固化特性的樹脂材料，翻轉(zhuǎn)壓力可以是氣壓或者水壓，當(dāng)前在管道局部修復(fù)工程中應(yīng)用較多，較少應(yīng)用于大范圍壓力管道非開挖內(nèi)襯修復(fù)，存在常溫固化樹脂類型的選擇、施工環(huán)節(jié)溫度控制、常溫固化樹脂在低溫條件下固化工藝等限制。

3 常溫固化管道非開挖內(nèi)襯修復(fù)工法及設(shè)備的研究

室外常溫環(huán)境下常溫固化樹脂材料不需要特殊的促使固化措施，更適合要求單次施工距離長的封閉性壓力管道修復(fù)工程中應(yīng)用，但是通常的樹脂灌注方法及內(nèi)襯進(jìn)管方法與常溫固化樹脂材料的匹配性差，容易出現(xiàn)樹脂提前固化的問題，存在質(zhì)量隱患，限制了該技術(shù)在單次長距離工況條件下的應(yīng)用(圖2～圖3)。因此，需要研究常溫固化樹脂的配套施工裝備及工法。

圖3 通常的氣壓翻轉(zhuǎn)設(shè)備Fig.3 Usual Air Pressure Flipping Equipment

基于環(huán)氧樹脂聚合物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，常溫固化樹脂材料在5 ℃內(nèi)處于潛伏期，可應(yīng)用冷水循環(huán)的方法，控制樹脂進(jìn)管前各環(huán)節(jié)所處環(huán)境溫度。樹脂灌注設(shè)備及軟管(攜帶樹脂)翻轉(zhuǎn)進(jìn)管設(shè)備設(shè)計(jì)如圖4～圖5所示。

圖4 基于“樹脂材料不動(dòng)、空毛氈軟管拖動(dòng)分散”原理的低溫灌注設(shè)備Fig.4 Low Temperature Infusion Equipment Based on the Principle of "Resin Material No Moving,and Empty Felt Hose Dragging and Dispersing"

圖5 加裝冷水循環(huán)裝置的軟管氣壓翻轉(zhuǎn)設(shè)備側(cè)面透視圖Fig.5 Side Perspective of Hose Pneumatic Turnover Equipment with Cold Water Circulation Device

通過外置冷水機(jī)、水泵對(duì)圖4和圖5中兩設(shè)備進(jìn)行不間斷0～5 ℃冷卻水循環(huán)，實(shí)現(xiàn)樹脂灌注軟管環(huán)節(jié)及軟管翻轉(zhuǎn)進(jìn)入待修復(fù)管道前儲(chǔ)存環(huán)節(jié)的溫度控制。給予室溫固化管道非開挖內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)更為充足的施工時(shí)間，以及更為穩(wěn)定的質(zhì)量控制條件，進(jìn)而增加該技術(shù)在壓力管道非開挖修復(fù)工程中的單次實(shí)施距離。

室外常溫環(huán)境下，常溫固化非開挖管道內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)實(shí)施步驟如圖6所示。

圖6 常溫固化非開挖管道內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)實(shí)施步驟Fig.6 Implementation Steps of Trenchless Pipe Lining with Curing Repair Technology under Normal Temperature

該常溫固化樹脂的配套施工裝備及工法的試驗(yàn)研究是準(zhǔn)備下一步展開的工作，預(yù)計(jì)室外常溫條件下，本文設(shè)計(jì)的常溫固化管道內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)方法單次最大施工長度可超過400 m。這一部分，本文側(cè)重理論設(shè)計(jì)研究，未做試驗(yàn)論證。

4 常溫固化樹脂材料試驗(yàn)與分析

4.1 常溫固化樹脂材料的選擇研究

原位固化法管道內(nèi)襯修復(fù)通常使用不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯不飽和樹脂、環(huán)氧樹脂等材料。環(huán)氧樹脂類材料理化性能更優(yōu)異，但是在管道內(nèi)襯工程中的反應(yīng)過程不易控制，且成本較高，需要從聚合物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度深入研究相關(guān)配套設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)[4]，通過試驗(yàn)確定材料選擇。試驗(yàn)設(shè)備名稱為微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，規(guī)格型號(hào)為E44.304，制造廠商為美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司，設(shè)備用途為管材的拉伸、彎曲試驗(yàn)。

4.1.1 不飽和聚酯樹脂

樹脂材料完全浸潤滌綸氈后，25 ℃恒溫箱內(nèi)固化，切割成尺寸為4 mm×10 mm×80 mm的力學(xué)試驗(yàn)試件(圖7)，固化時(shí)間以試件完全固化為依據(jù)，參考《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》(GB/T 2567—2008)[5]，力學(xué)試驗(yàn)依據(jù)《城鎮(zhèn)給水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 244—2016)進(jìn)行，配比設(shè)計(jì)如表1所示。力學(xué)試驗(yàn)性能抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、黏接強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn)參考《塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件》(GB/T 1040.2—2006)[6]、《塑料 彎曲性能的測定》(GB/T 9341—2008)[7]及《色漆和清漆 拉開法附著力試驗(yàn)》(GB/T 5210—2006)[8]，各項(xiàng)力學(xué)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖7 力學(xué)試驗(yàn)試件Fig.7 Mechanical Test Specimen

表1 不飽和聚酯樹脂配比設(shè)計(jì)Tab.1 Design of Unsaturated Polyester Resin Ratio

表2 不飽和聚酯樹脂試件力學(xué)數(shù)據(jù)Tab.2 Mechanical Data of Unsaturated Polyester Resin Specimens

從正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，促進(jìn)劑和固化劑對(duì)不飽和聚酯樹脂固化物的力學(xué)性能和固化時(shí)間有復(fù)合影響。適當(dāng)比例促進(jìn)劑、固化劑可以配置出固化時(shí)間、強(qiáng)度、彈性模量符合使用要求的預(yù)固物，但是其與鋼基體的黏接力總體偏低，這與其固化過程收縮率高有關(guān)，當(dāng)兩劑比例高到一定程度后固化物強(qiáng)度倒縮、與鋼基體脫層，故該材料不適合在管道內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)中使用。

4.1.2 乙烯基酯不飽和樹脂

試驗(yàn)溫度等條件同不飽和聚酯樹脂試驗(yàn)，配比設(shè)計(jì)如表3所示，各項(xiàng)力學(xué)數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 乙烯基酯不飽和樹脂配比設(shè)計(jì)Tab.3 Proportioning Design of Vinyl Ester Unsaturated Resin

表4 乙烯基酯不飽和樹脂試件力學(xué)數(shù)據(jù)Tab.4 Mechanical Data of Vinyl Ester Unsaturated Resin Specimens

從正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，苯乙烯稀釋劑用量和增韌型固化劑用量對(duì)乙烯基酯樹脂的力學(xué)性能和固化時(shí)間有符合疊加影響。雖然受到該樹脂固化收縮率較高的影響，其黏接力表現(xiàn)不好，但是，調(diào)整稀釋劑和固化劑的用量可以確定一個(gè)抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量滿足使用要求的配比，2.2.1號(hào)配比可作為備選合理配比。

4.1.3 環(huán)氧樹脂

試驗(yàn)溫度等條件同不飽和聚酯樹脂試驗(yàn)，配比設(shè)計(jì)如表5所示，各項(xiàng)力學(xué)數(shù)據(jù)如表6所示。

表5 環(huán)氧樹脂配比設(shè)計(jì)Tab.5 Design of Epoxy Resin Ratio

表6 環(huán)氧樹脂試件力學(xué)數(shù)據(jù)Tab.6 Mechanical Data of Epoxy Resin Specimen

高性能改性環(huán)氧樹脂材料固化物的力學(xué)、固化性能同樣受到活性復(fù)合環(huán)氧稀釋劑和增韌型復(fù)合環(huán)氧固化劑的正交影響，多個(gè)配比均可以滿足使用要求，選擇3.2.2號(hào)作為合理備選配比。

4.1.4 結(jié)果對(duì)比

根據(jù)測試結(jié)果，乙烯基酯樹脂呈現(xiàn)明顯的脆性特性，韌性不足，交變溫度腐蝕條件下，耐老化能力不足(圖8)；環(huán)氧樹脂則表現(xiàn)出一定的塑性特點(diǎn)，具有良好的柔韌性，交變溫度腐蝕條件下，耐老化能力強(qiáng)(圖9)。故更為適合壓力管道非開挖管道內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)。

圖8 乙烯基酯樹脂2.2.1號(hào)配比、-30～80 ℃、10%硫酸液/氣環(huán)境中加速試驗(yàn)后電鏡圖(有明顯龜裂區(qū)域)Fig.8 Photograph of Electron Microscope after Accelerated Test of Vinyl Ester Resin No. 2.2.1 Ratio, -30～80 ℃, 10% Sulfuric Acid Liquid/Vapor Environment(Obvious Cracked Areas)

圖9 高性能改性環(huán)氧樹脂3.2.2號(hào)配比、-30～80℃、10%硫酸液/氣環(huán)境中加速試驗(yàn)后電鏡照片(無明顯龜裂區(qū)域)Fig.9 Photograph of Electron Microscope after Accelerated Test of High-Performance Modified Epoxy Resin No.3.2.2 Ratio, -30～80 ℃, 10% Sulfuric Acid Liquid/Vapor Environment(No Obvious Cracked Areas)

4.2 常溫固化樹脂在低溫條件下的固化工藝研究

寒冷地區(qū)冬季實(shí)施難題，是限制常溫固化內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的重要因素。非常有必要開展輔助快速固化手段及冬季(5 ℃以下)低溫環(huán)境下的施工工藝研究。

根據(jù)常溫固化內(nèi)襯樹脂材料性能指標(biāo)，其固化需要在5～50 ℃完成，需要通過必要手段盡可能創(chuàng)造管道內(nèi)5～50 ℃的均勻溫度，國內(nèi)外通用手段為加熱水循環(huán)的方法，考慮到用水量大、冬季污水排放困難的問題，選擇蒸汽輔助加熱工藝，并在加熱方法上展開研究。

4.2.1 蒸汽輔助加熱方案一

根據(jù)供熱管道設(shè)計(jì)原理，采用每小時(shí)轉(zhuǎn)化2 m3水為蒸汽的800 kW的柴油蒸汽發(fā)生器，鍋爐蒸汽壓最大2 kg(小于8 kg為低壓鍋爐，可以在市區(qū)使用)。軟管翻轉(zhuǎn)末端安裝小型開關(guān)閥門，翻轉(zhuǎn)完畢后，將小型開關(guān)與外置蒸汽發(fā)生器管道連接，打開閥門，蒸汽從翻轉(zhuǎn)末端直接通入管道，從氣壓翻轉(zhuǎn)設(shè)備端排出，依靠氣翻設(shè)備集成的壓力控制裝置限定保壓壓力至正常水平，如圖10所示。少數(shù)管道內(nèi)襯工藝技術(shù)采用該加熱方案，操作簡便，但溫度均勻性不好，入口溫度過高(處于90～110 ℃)。

圖10 蒸汽輔助加熱方案一示意圖Fig.10 Schematic Diagram of Steam-Assisted Heating of Program One

試驗(yàn)方法采取地面試驗(yàn)，設(shè)置試驗(yàn)段距離為400 m(每個(gè)測區(qū)設(shè)3個(gè)測溫點(diǎn))，試驗(yàn)管道為新DN530螺紋焊鋼管，測試環(huán)境溫度為-20～-15 ℃。測定溫度如表7所示。

表7 蒸汽輔助加熱方案一測定溫度Tab.7 Temperature Measurement of Steam-Assisted Heating of Program One

試驗(yàn)中發(fā)生了因管內(nèi)水平方向(縱向)上樹脂材料受熱溫差過大，樹脂材料固化不均勻?qū)е碌膽?yīng)力集中現(xiàn)象，內(nèi)襯層表面局部出現(xiàn)發(fā)黃的高溫老化情況(圖11)，存在安全隱患。證明該加熱方案不可控，需更新設(shè)計(jì)。

圖11 內(nèi)襯層樹脂材料表面出現(xiàn)高溫老化情況Fig.11 High Temperature and Aging Condition on the Surface of the Resin Material of the Inner Liner

4.2.2 蒸汽輔助加熱方案二

仍然采用每小時(shí)轉(zhuǎn)化2 m3水為蒸汽的800 kW的柴油蒸汽發(fā)生器，鍋爐蒸汽壓最大為2 kg。另加設(shè)一臺(tái)2 m3中型空氣壓縮機(jī)，蒸汽機(jī)與空氣壓縮機(jī)出口以三通連接，三通出口加裝智能溫控開關(guān)，可設(shè)置開關(guān)溫度閾值，通過壓縮空氣流量調(diào)整進(jìn)管蒸汽溫度上限。采用內(nèi)通限溫蒸汽循環(huán)軟管的方式進(jìn)行加熱，軟管內(nèi)直徑為38 mm，壁厚為4 mm，最大承壓能力為2 kg，材質(zhì)為耐高溫(200 ℃)軟硅膠。軟管每隔50 cm開小孔(同一橫截面均勻開4個(gè)，小孔尺寸為1～2 mm)，蒸汽軟管連接到翻轉(zhuǎn)軟管末端小型開關(guān)，蒸汽軟管跟隨氣翻過程同步進(jìn)入到原管道內(nèi)，翻轉(zhuǎn)完畢后，將連接軟管末端開關(guān)與外置蒸汽機(jī)連通，打開開關(guān)，蒸汽通過循環(huán)軟管進(jìn)入到管道內(nèi)，通過管道上小孔均勻噴散到管道內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)加熱過程，如圖12所示。

圖12 蒸汽輔助加熱方案二示意圖Fig.12 Schematic Diagram of Steam-Assisted Heating of Program Two

試驗(yàn)方法與方案一相同，采取地面試驗(yàn)，試驗(yàn)段距離為400 m(每個(gè)測區(qū)設(shè)3個(gè)測溫點(diǎn))，試驗(yàn)管道為新DN530螺紋焊鋼管(圖13～圖14)，測試環(huán)境溫度為-20～-15 ℃。測定溫度如表8所示。

圖13 試驗(yàn)管道Fig.13 Test Pipeline

圖14 試驗(yàn)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.14 Photo of the Test Site

表8 蒸汽輔助加熱方案二測定溫度Tab.8 Temperature Measurement of Steam-Assisted Heating of Program Two

試驗(yàn)中內(nèi)襯層樹脂材料整體固化良好，未發(fā)現(xiàn)因不均勻固化造成的開裂等缺陷(圖15)。

圖15 內(nèi)襯層樹脂材料固化情況Fig.15 Curing Resin Material of Inner Liner

根據(jù)上述試驗(yàn)，方案二更為合理，通過設(shè)定蒸汽機(jī)出口溫度、調(diào)整壓縮空氣流量，固定混合蒸汽進(jìn)管溫度為60 ℃，在蒸汽、空壓機(jī)設(shè)備運(yùn)行不正常等特殊情況下，三通出口溫控閥門可關(guān)閉蒸汽進(jìn)管通道，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輔助快速固化及冬季施工系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論與展望

本研究針對(duì)壓力管道更新、修復(fù)的特點(diǎn)，基于樹脂常溫固化技術(shù)基礎(chǔ)，在常溫固化樹脂類型的選擇和常溫固化樹脂在低溫條件下的固化工藝方面開展試驗(yàn)、分析，確定了環(huán)氧樹脂類材料更適合常溫固化壓力管道非開挖內(nèi)襯修復(fù)應(yīng)用，并給出了配比設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)研究了常溫固化管道內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)主要設(shè)備及實(shí)施方案；確定了蒸汽輔助加熱方案二作為常溫固化樹脂在寒冷地區(qū)冬季(-20～-15 ℃)應(yīng)用的工藝方法。但本文的研究未能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)加熱方案內(nèi)襯層應(yīng)力、應(yīng)變的具體測定，計(jì)劃后期進(jìn)一步采用光纖、光柵應(yīng)力、應(yīng)變裝置測試方法，以蒸汽輔助加熱方案二為基礎(chǔ)，精確測定不同溫度條件下、不同區(qū)域內(nèi)襯層樹脂材料固化過程中的受力變化情況，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化加熱系統(tǒng)。總體上，本研究為常溫固化非開挖內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)在單次長距離管道修復(fù)領(lǐng)域大范圍應(yīng)用創(chuàng)造了條件，為該技術(shù)在低溫作業(yè)條件下施工提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐參考。