《给排水管道原位固化法修复工程技术规程》关键技术

赵雅宏 曾正 马保松

(中国地质大学(武汉)工程学院 430074)

引言

原位固化法 (Cured-in-Place Pipe,简称CIPP) 最早由英国工程师Eric Wood 在1971年发明[1]。该技术目前已在世界40 多个国家和地区得到广泛应用,尤其在日、法、英、德等国家应用较为普及,是当前使用最广泛的非开挖管道修复方法。原位固化法能被广泛地应用于污水管道、饮用水管道、化学及其工业管道、以及压力管道的修复[2]。原位固化法的物理特性决定它可以适用于不同管道形状的施工,包括直管、弯管、垂直管道连结和变形的多棱角的管道。

但是由于我国非开挖技术开发应用起步较晚,与国际先进水平存在差距,相关标准、规范匮乏,造成施工无依据,使工程的质量无法得到保障。从目前一些原位固化管道修复的案例中不难发现,修复后的管道中存在针孔与缺口、起皱、起泡、隆起及内衬管开裂等问题。这大多是在管道修复过程中,对施工工艺参数的选择不合理导致的。因此亟需编制行业内标准、规范甚至国家标准来对非开挖原位固化法施工过程进行规范。

1983年,在原位固化法被大量应用到非开挖管道修复工程之前,英国WRC 即发布了各类施工方法的规范,并最终发展为欧盟委员会的相关行业标准;美国ASTM 也在1988年将各种施工方法的技术规范及构造设计工艺等归纳成技术标准,并出版发行,如针对CIPP 方法的ASTM D5813、ASTM F1216、ASTM F1743 及 ASTM F2019 等标准。这些标准都很好地指导了当地的CIPP 管道修复工程,对我国非开挖行业有极大的借鉴意义。

《给排水管道原位固化法修复工程技术规程》在吸收借鉴国外CIPP 修复标准、规范及技术的基础上,充分结合国内CIPP 行业的发展经验,按照原位固化法非开挖修复给排水管道工程的设计、施工及验收顺序进行编制。

1 基本规定

给排水管道CIPP 修复工程实施前,应详细调查原有管道的基本概况、工程地质和水文地质条件、现场及周边的施工环境等,并需要应用适宜的检测手段对拟修复管线进行排查。CIPP 用于管道结构性修复时,须将修复后的内衬管当作新管,其设计使用年限不得低于50年;用于进行半结构性修复时,由于需要依赖原有管道结构共同承担荷载,修复后的设计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 修复用树脂要求

CIPP 主要材料为树脂和软管,这些材料的性能决定了CIPP 法修复后管道结构力学特性及功能特性。树脂应根据管内输送介质的性质选用,见表1;树脂浇筑体性能应符合表2 中的要求。

树脂储藏环境、储藏温度和储藏时间应根据树脂本身的稳定性和固化体系来确定。树脂和添加剂混合后应及时进行浸渍。干软管用热固性树脂应满足耐腐蚀性能试验中的相关要求。

表1 管道修复用树脂材料的选用[3]Tab.1 Selection of resin materials for pipe repair

表2 CIPP 专用树脂浇铸体性能要求[3]Tab.2 Performance requirements for CIPP resin cast materials

2.2 修复用干软管要求

干软管由单层或多层聚酯纤维毡或同等性能的材料组成,并能够与树脂相粘合共同承受外部荷载。干软管应有足够的拉伸、弯曲性能,以确保能承受安装压力和树脂固化温度以及适应非规则部分管道的修复,其轴向拉伸率不得大于2%。干软管制作厚度需保证用树脂浸渍固化后形成的内衬管的厚度大于设计厚度,干管的长度应稍长于待修复管道长度,干软管直径的大小应保证在固化后能与原有管道的内壁紧贴在一起,同时也不得因软衬管直径过大而在管道内部产生影响质量的隆起或褶皱。

2.3 修复用内衬管性能要求

翻转法施工采用的CIPP 内衬由纤维布或纤维毡等骨架材料组成的软管和树脂等粘合材料组成;拉入式施工采用的CIPP 内衬由玻璃纤维增强的骨架材料组成的软管和紫外光固化树脂等粘合材料组成。浸渍过树脂的湿软管应存储在避光和生产厂商要求的温度环境中,运输过程中应记录湿软管暴露的温度和时间。粘合形成的CIPP材料测试值应满足三点弯曲测试、拉伸试验、厚度测试及密实性试验[4]等给出的最低参考值。

3 设计方法

3.1 内衬壁厚设计

设计前应该对原有管道的缺陷进行检测和评估,根据检测和评估报告的结论确定修复方式,再进行相关设计。CIPP 内衬设计理论基础是Timoshenko 的屈曲理论及Spangler 对柔性管道的研究成果,在后期的实践应用中进一步完善。一般认为半结构性破坏的管道只承受周围均匀的静水压力,CIPP 内衬与旧管道之间无连接;结构性破坏的管道则需要承受静水压力及所有的外部荷载,在这种假设条件下,可以得出重力管道、压力管道的结构及半结构性壁厚设计公式。

重力管道半结构性修复CIPP 内衬管壁厚设计公式为:

式中:t为CIPP 内衬管设计壁厚,in(mm);D为原有管道平均外径,in(mm);K为圆周支持系数,通常情况下取7;EL为管道的长期弹性模量,psi(MPa);C为管道椭圆度修正系数;Pw为管道施工时的外部水压,psi(MPa);N为安全系数,通常取1.5～2.0;v为泊松比,通常情况为0.3。

重力管道结构性修复CIPP 内衬管壁厚设计公式为:

式中:Pt为作用在管道上的总荷载,psi(MPa);Rw为浮力常数;B′为经验弹性常数;E′s为管壁外侧相邻土体的弹性模量,psi(MPa)。

压力管道的内衬设计充分考虑了原管腐蚀及破损,当原管破损较小时,采用式(3)进行内衬管半结构设计,当原管缺口较大,缺口半径与管径的比值超出范围时,需进行CIPP 结构强度计算,满足结构强度条件后,才可根据式(4)进行内衬管壁厚设计。

式中:Pi为CIPP 管道内部压力,psi(MPa);Dh为存在于管壁上的孔洞直径,in(mm);σL为CIPP 管道长期弯曲强度,psi(MPa)。

式中:Fwd为管道设计内水压力标准值(N/mm2);D0为管道计算直径(mm);t0为管壁计算厚度(mm);γQ为设计内水压力的作用分项系数;σθ为在设计内水压力作用下管壁截面上的环向应力设计值(N/mm2)。

3.2 水力计算及过流能力评估

修复后管道过流能力的评价以曼宁及海森-威廉公式为基础,采用曼宁公式来预测重力管道中流体的流量,如式(5);压力管道的流量采用海森-威廉方程计算,如式(6)。

式中:Q为流量(m3/s);A为流体截面面积(m2);R为水力半径(m);S为坡度;n为曼宁系数;C0为海森-威廉糙率系数。

在圆管道充满流体的情况下,将曼宁方程式及海森-威廉方程式进行简化即可得出修复后管道过流能力与修复前管道过流能力比值的评估式。

式中:B为管道修复前后过流能力比;QCIPP为CIPP 管道内衬断面水流量(m3/s);Qe为原管道内衬断面水流量(m3/s);De为原管的内径(m);DI为内衬管的内径(m);ne为原管道的粗糙系数;nl为CIPP 管的粗糙系数(见表3)。

表3 粗糙系数推荐值[3]Tab.3 Recommended value of roughness coefficient

4 施工工艺要求

规程根据不同的CIPP 软管拉入方法,对翻转法及拉入法施工过程作了相关规定。包括管道预处理、施工时干管的浸渍、衬管置入原管的操作、固化过程及固化完成后内衬管的冷却等方面的要求。规程同时也规定了用于局部修复的点状原位固化法的施工操作注意事项。

CIPP 修复工程施工前,应对原有管道进行预处理,保证原位固化修复前管道内壁洁净、平整、无障碍物,管内无渗水现象。管道有沉降、变形、破损和接头错位的部位,应先进行复位和修复处理。预处理后的管道需要再次进行CCTV检查。

在翻转法施工过程中,整平、碾压湿软管时应匀速,并确定碾压厚度在设计范围内,且应控制干斑、气泡、厚度不匀、褶皱等缺陷的出现。可采用水压或气压的方法将湿软管翻转,翻转压力应控制在使软管充分扩展的最小压力与湿软管所能承受的最大内压之间。翻转过程中应加入无毒润滑剂以降低翻转阻力。在翻转固化工艺中,根据施工经验规定翻转速度宜控制在2m/min～3m/min[5]。

在拉入式施工时,需要铺设垫膜以减少软管拉入过程中的摩擦力,并避免对软管的划伤。垫膜应铺设于原有管道底部,覆盖面积应大于原有管道1/3 周长[6]。在软管拉入过程中,软管能承受的最大拉力是根据不含玻璃纤维内衬管的抗拉强度确定的,不含玻纤内衬管的抗拉强度应满足21MPa,与内衬管截面面积相乘即CIPP 内衬管可承受的最大拉力,可见规程中最大拉力的确定是相对保守的。

湿软管的固化是CIPP 修复工程中的重要环节,随着技术的发展,先后出现了热水固化、蒸汽固化及紫外光固化等固化技术,不同固化技术的工艺参数要求也不尽相同。

在热水固化及蒸汽固化中,温度是树脂固化效果的决定性因素。树脂固化时间取决于工作段的长度、管道直径、地下情况、使用蒸汽锅炉功率以及空压机气量等。热水、蒸汽固化温度控制曲线如图1 所示。

图1 温度控制曲线Fig.1 Temperature control curve

紫外光固化工艺采用的树脂体系是光固化树脂体系。内衬管径越大、壁厚越厚越不利于树脂的固化。因此应严格根据湿软管内衬制造商所给出的湿软管管径和壁厚,合理按照操作系统手册中的规则标准参数控制紫外光灯的相关工艺参数。通过合理控制紫外光灯前进速度使树脂充分固化。

固化完成后,应对内衬管端头进行密封和切割处理。在施工过程中,应记录施工每一节点的湿软管翻转/拉入长度、水温、压缩空气压力、湿软管固化温度、时间、紫外线灯巡航速度、内衬管冷却温度等信息。

5 验收标准

5.1 一般规定

工程验收时首先应核实需要检查验收的资料,符合设计、施工要求的管道才可以进行管道功能性实验。现场取样检测应满足在相同施工条件下每3 个修复段现场制作样品管1 个,或者按照设计要求进行取样检测。内衬管样品的壁厚应符合设计要求,不含玻璃纤维和含玻璃纤维的内衬管的短期力学性能应满足要求,内衬管的长期力学性能应根据设计要求进行测试,且不应小于初始性能的50%。样品应由第三方进行检测,并出具完整的检测报告。

CIPP 修复工程的质量不合格时,如经返工重做或更换管节、管件、管道设备等的验收批,应重新进行验收;经有相应资质的检测单位检测鉴定能够达到设计要求的验收批,应予以验收;经有相应资质的检测单位检测鉴定达不到设计要求,但经原设计单位验算认可,能够满足结构安全和使用功能要求的验收批,应予以验收;经返修或加固处理的分项工程、分部(子分部)工程,改变外形尺寸但仍能满足结构安全和使用功能要求,可按技术处理方案文件和协商文件进行验收。通过返修或加固处理仍不能满足结构安全或使用功能要求的分部(子分部)工程、单位(子单位)工程,严禁验收。

规程中验收部分给出了原有管道预处理、内衬管质量检验、管壁密实性试验、管道功能性试验与冲洗消毒及工程竣工验收等项目验收的标准与指标。管道预处理合格与否的检查方法按照CJJ 181 及CJJ/T 210[7]执行;内衬管质量检验按照规程中材料部分的质量要求检查验证;修复后管道的水压试验按照GB 50268-2008[8]中的相关规定进行压力管道的水压试验。管壁密实性试验采用了DWA-A143 中相关方法,国内目前还没有相关的试验标准,下文对试验方法作一简单介绍。

5.2 管壁密实性试验

管壁密实性试验能够检验CIPP 内衬中固化树脂的均匀度,也能反映内衬的结构整体强度和渗透性。试验用试样应从现场固化的CIPP 内衬管上截取,如果薄膜或者涂层是内衬管道的一部分,则不得破坏内衬表面的涂层;如果薄膜或者涂层是可去除的,则采用游标卡尺精确材料薄膜或者涂层厚度,然后对其切割10 个相互垂直的切口,形成尺寸为4mm ×4mm 的网格。试验装置的布置如图2 所示。

图2 管壁密实性试验方法及装置Fig 2 Test method and device of pipe wall compactness

试验过程中设置检测压力为0.05MPa ±0.0025MPa,并在此环境下持续30min,检测介质应为不含弛缓剂的染色饮用水。每个样本选择3 个检测点单独试验,在3 个检测点中都不得有水渗透。

6 结语

为规范原位固化法修复给水排水管道工程,降低修复后管道中针孔、缺口、起皱、起泡、隆起及内衬管开裂等问题,规程从设计、施工到验收过程中都做了相关规定。如何建立管道修复质量评价体系,加强工程质量监督,对施工工艺参数的动态选择,是接下来CIPP 行业需要考虑的问题之一。目前不少工程开始采用信息化施工,但由于条件限制,信息化施工只是处于直接事务处理阶段,还难以真正实现信息化设计和动态设计。

本规程的颁布有助于规范CIPP 行业,将CIPP 非开挖管道修复的最新科研成果转化为实际生产力。规程在实施过程中应吸收市场的信息及反馈,及时修订及不断完善规程内容,以促进CIPP 行业向前发展。