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国内外管道修复技术现状及发展趋势

日期:2010年7月26日 14:44
一、前言
    管道修复技术主要是随着城市基础设施的老化出现的。城市给排水、燃气等管道系统也像其他年久的结构一样,受到破坏的可能性越来越大。    管道深埋地下,具有不可见性,在一定程度上无法了解地下管道的具体状况,有时这些设施会在没有任何预兆的情况下被破 坏。破坏的结果是引起运行中断,管道业 主不仅要承担巨大的经济损失,有关方面还要承受极大的公众压力。管道的更换不仅费用巨大,同时还会带来环境及社会问题,这在一定意义上已经不是管道业主和 用户的事情。繁忙的城市交通,环境保护、古迹保护区、农作物和植被保护区以及高速公路、铁路及建筑物、河流等都要求管道业主及政府管理官员必须最大限度地 减少管道建设及管理中的开挖工作量。
    作为非开挖施工技术的组成部分,管道修复技术在20世纪70年代末期首先在英国、美国及日本得到开 发。西方发达国家的许多污水管道和自来水管道均已有一百多年的历史,因而需要修复或更换这些管道的施工技术。首先需要查明管道的内部状况,因而开发了闭路 电视摄像机以满足这一要求。在查明管道损伤的情况下,采用免开挖修复技术是一项技术含量高的方法,管道修复技术的开发随之开始。首先被开发应用的是 CIPP,随后内衬PE管等技术相继被开发应用。管道修复技术的进步是随着材料技术、电子技术的进步而发展起来的。材料技术的发展给管道修复技术提供了可 以按照要求任意改变形状的修复材料,电子技术的发展使管道不开挖检测和评价成为可能,遥控机器人则可修复地下管道。
    管道修复技术不断成熟,已经成为管道建设技术的重要组成部分,这一点已被2001年布拉格国际非开挖技术会议所证实。出席此次会议的有代表当今管道非开挖技术水平的32家公司,其中有15家是管道修复公司。
    在世界范围内,目前已有或正在开发的非开挖管道修复和更换方法大约有60多种,与管道修复相关的企业的数量超出了想像。在互联网上输入关键词:管道、修 复,检索结果竟给出了48000多条的信息,其中大部分是从事管道修复企业的网页。具体的企业数量已经并不重要,如此的网页或网站信息足以说明管道修复技 术在国际市场上占有的空间。
    二、国外管道修复技术及其应用状况
    将各种管道建在地下是通常的做法,为减少对社会的负面冲击,各种各样的非开挖技术相继开发出来,管道修复技术作为管道非开挖技术的一个重要分支也受到了越来越多的关注,管道修复技术的工艺方法层出不穷。
    1.局部及井口修复技术
    丹麦的BJKTrading公司推出的Beaver局部维修设备在1997年下半年已进入市场。该设备所用原料为环氧树脂的玻璃纤维层,把一段衬层放入 管道后,由蒸汽压力使其膨胀与管壁紧贴,维修过程大约需要1小时。这种技术适用于维修管道破断、裂隙、错位、接头开缝以及损坏的支管。在市场上可买到各种 不同规格长度、直径和壁厚的衬层。
    澳大利亚开发了一种PanelLok设备,用于更新检修井、雨水井及检修人员出入。该设备使用一种成型好的 PVC带,带子为螺旋缠绕,能与现有管道紧密贴合。该PVC带能通过检修井的开口,直接送进管道,无须去掉盖板。PVC带接头有相互搭接的锁口,起到防水 密封的作用。PanelLok设备可用于修补环形、椭圆形、蛋型或周长为900祝叮埃昂撩追叫味厦娴墓艿馈?
    英国的管道修复承包商
    PMPLtd最近推出了一种修复管道接头及管道周向裂纹的非开挖系统AMEX-10,可用于修复大口径管道。该系统提供的小端面橡胶密封在可膨胀的不锈钢 环的压力作用下,紧贴在钢管的内表面。对于煤气管道,可用NBR橡胶做密封材料,对于上水管道,用EDPM橡胶作密封材料。该系统适用于直径为 600~3000mm管道的修复。加利福尼亚SunCoastEnvionmental公司的poly-Triplex衬管是用一层不透水内膜的玻璃纤维 组织现场制成的,用于检修口的修复。纤维组织在浸入环氧树脂前,做成检查井的形状,将气囊下放到位,然后加压,并切除多余的衬管。
    2.以聚烯烃材料为主体的修复技术
    聚乙烯材料在过去的几年中已被确定为一种用于工业管道、城市燃气管道及市政下水管道系统的备选材料。聚乙烯材料具有抵抗化学侵蚀和使用寿命长的特性,而 且其优异的可焊性能够提供理想的连接。在任何系统中部件的接头数目都应尽量减少,以达到减少潜在的泄漏点的目的。大长度不开挖重新加衬修复的技术不仅对环 境有利,费用低,而且可将管道的接头数目降到最低,同时,修复后管道的可靠性得到了最大限度的提高,这种提高甚至使修复后的管道比新建的管道具有更高的可 靠性和更长的使用寿命。聚乙烯材料已经普遍用于各类管道系统的修复,其中包括结构修复与非结构修复系统。技术工艺方法也由初期的插入方法(缩径插入)发展 到多种工艺方法,比较著名的工艺方法有折叠变形法、热拔法、冷轧法和Trolining修复系统等。使用这种方法,管道修复后的截面积有一定的减小,内衬 与原管道之间没有间隙,因而不需密封,可用于管道的长距离修复,不同的方法对技术人员的要求不同。
    (1)折叠变形法。可用于结构性和非结构性的修复。U形衬管使用无接头的HDPE管,利用材料的形状记忆特性使其变成U形,并将内衬送入管内,然后利用物理条件使其恢复原来的管道形状。这种方法的优点是施工速度快,使用连续的长管,没有接头。
    (2)热拔法。这种方法是由英国煤气公司开发的。施工时,在加热之后通过一个模具或压轮拉拔内衬管,使内衬管的分子链重新组合,管径减少。对于4英寸的 管道,管径减少约20%,对于24英寸的管道,管径减少约为7%。变形就位之后靠塑料长分子的原始结构的记忆功能,使其直径逐渐自然恢复到与旧管相同的形 状和尺寸。
    (3)冷拔法。由英国的Subterra公司开发,是利用一台液压顶推装置向一组滚轧机推送塑料管,减少管道的直径。施工时,将标 准的中密度或高密度聚乙烯管对焊成适当的长度后,在现场进行冷轧,使直径减少,便于置入旧管内。当衬管就位后,对其施加压力,以恢复原有的尺寸,与旧管形 成紧密的配合。
    (4)Trolining修复系统是污水管道修复技术的一项创新。就管道而言,可达到较高的综合质量。该系统适用于不同管径管 道的故障修理,内衬尺寸完备,对变形和组合提供了多种可能性。可用于修复公路直径从150mm到1600mm的全部污水管道,而不考虑尺寸的大小,也不论 断面尺寸和形状的复杂性。因此,这类高密度聚乙烯内衬使用的范围很广,包括预制的分段长度、断面尺寸、以及形状等,供各种场合下使用。这种内衬被焊接成圆 柱状的HDPE元件,在元件的外表面有很多凸起物。通过现有入孔把内衬插入到破损的管道中,然后再向凸起物形成的环形空间注浆,浆液为特制的喷射混合物, 用喷射器注入。这种高强度材料可以把内衬永久的固定就位。这种修复技术更像以现有管道为模具现场浇注混凝土与塑料的复合管道,同时又利用了现有管道的其他 功能,这一系统已经不是一般意义上的修复,称做管道的再生可能更确切。
    3.基于热固化树脂的原位固化修复技术
    因环境的原因苯乙烯 基树脂的使用减少,取而代之的是在环境上更受欢迎的树脂。其他树脂,例如乙烯酯树脂,也被用于某些特殊的场合,尤其是用于工业管道。工业管道的介质比污水 更具腐蚀性,在满足特定要求的不同产品之间,其区别使非开挖修复技术用于新的领域,尤其是工业管道市场。采用紫外线代替热水硬化树脂的原因是,使用紫外线 固化树脂的速度更快,由此产生的成本效益远大于光敏树脂成本的增加,特别是对大直径管道的修复能提供更有利的速度和效益。虽然聚酯树脂最常用,但也出现了 从针状油毛毡到无缝高级复合物等各种衬管纤维。压力管道修复系统用于修复有小孔和内表面腐蚀的供水和冷却水管,而工业废水管道修复系统能经受化学环境和高 温。这两种修复方法都根据CIPP法采用水压将修补管翻转,然后循环热水使热硬树脂凝固。压力管道的内衬包括能增加周围强度的加强层。
    法国 Barriquand公司研制了不用人进入而修复直径200mm到600mm管道的Photoliner系统。它也是基于CIPP法,用装在机器人上的一 些紫外线灯来聚合聚酯树脂。该公司称,紫外固化方法比传统的热水或热蒸汽固化方法需要的能量更少。含有各种材料的衬管被送到现场为包好待用,不需要在现场 配制。现在一些公司又开发出小型翻转设备,采用空气压力翻转,设备小巧而灵活,重量仅有35kg,以140L/min的空压机供气(0.3bar以下), 就可将翻衬管在衬管内翻转过来,并能够在寒冷的天气条件下输入30℃的空气加速固化。英国的AygusFlexiblePipeline公司发展了热管修 复技术,用于防止干线管道的腐蚀泄漏,并能防止进一步的腐蚀。热管由包在聚乙烯内由一呈圆形编织的、高强度聚酯树脂加强的衬管构成。成卷长度为207m, 直径有76、102、152mm,呈柔软的C形,在除锈后的的钢管上固定。冷时为半硬状态,用低压蒸汽加热后膨胀变软,跟母管紧密结合。衬管额定压力为 10bar,设计寿命50年以上。该方法被英国的DWI和德国的DVGW(德国煤气和供水技师协会)批准在饮用水管上使用。
    美国的Ultraline公司最近引入了一种新的全长度衬管系统PVCAlloypipeliner。它可通过管道的急弯、移位的接头和变径管道,可耐受大多数酸碱盐燃料和腐蚀性介质。
    4.基于液体凝固材料的修复技术
    有代表性的主要有水泥砂浆管道修复技术、环氧树脂及聚酯树脂喷涂或挤涂修复技术,适用范围为低压管道系统,包括煤气管道、自来水管道及污水排放系统等。 在小口径管道上应用较多的有日本东京煤气公司开发的SHOT工艺技术,主要用于修复管道支线,其优点是可以通过弯头和三通的管件。NEXT方法是采用橡胶 圆球在管内挤涂的工艺,此外还有“改良液相法”,也是采用活塞球的方法对管道的接头等泄漏点进行修补。管内树脂遮盖法、铸铁管树脂贴纸法等基本上都属于此 范围。液相凝固材料管道修复技术的最大优点是不需要大的作业坑,可以通过任意弯头和变径管,甚至可以在三通、阀门等的情况下进行管道的修复施工。其应用范 围则以中小口径的管道为主。聚合物水泥沙浆修复技术则以修复液体类管道为主,可以适应较宽尺寸范围的管道。
    5.管道修复配套机具技术
    在过去的十年里,用机器人修补管道的技术发展更为迅速。目前,使用机器人更为经济和实用,可代替传统方法。不同类型的遥控切削器广泛用于非开挖技术中,适用于切削污水管内侵入的树根,以及内衬施工后的重新开口,以便于主管道连接。
    管道割刀和管道机器人是近几年问世的管道修复新产品之一。法国Hydrovideo公司的HRF150机器人管道割刀安放在HV140牵引车上,可在直 径为150~300mm的管道内工作。电机驱动割管头进行三维运动。刀头由压缩空气驱动,可安装各种金刚石或硬质合金的切削刀具,HRF150能与各种 Hydrovideo管道检测系统配合使用。
    三、国内管道修复技术现状
    国内管道修复技术的正式起步是在1993年,此前水泥内衬 技术在旧管道上虽有应用,但主要是以防腐为目的。1993年由中国石油集团工程技术研究院根据集团公司的要求,在中原油田实施了管道修复防腐示范工程。在 示范工程中,石油工程技术研究院组织科研人员成功开发了“PCL复合结构管道修复技术”、“NCF原位固化管道修复技术”。这两项技术1994年通过了集 团公司组织的专家评议,随后在中原油田进行了推广应用。“PCL复合结构管道修复技术”即为液相凝固材料修复管道技术;“NCF原位固化管道修复技术”相 当于CIPP(原位固化修复技术)。随后,中国石油工程技术研究院又先后完成了总公司重点课题,计有穿插衬塑管道修复技术、成品油管道修复技术、高抗渗无 机沙浆管道修复技术及原位固化法气翻工艺技术。这些科研工作的完成使国内的管道修复技术初步形成了能够适应于油田介质的管道修复技术体系。1998年,实 践证明,工程技术研究院的管道修复技术的确为油田企业带来了可观经济效益,展示了很好的应用前景。截至目前的不完全统计,管道修复企业大约10~20家左 右,一些外商也开始涉足国内的管道修领域。但总体上,国内的管道修复技术尚处于起步阶段,主要存在以下问题。
    (1)品种单一,能力有限,不成系列,没有形成相关产品的配套共应。
    (2)除个别技术力量较强的单位制定了企业标准外,国内还没有统一的标准、规范,结果往往造成施工无依据。修复施工一般由工程承包者随意进行,没有标准规范可寻,工程的最终质量往往具有很大的随意性。
    (3)设备配套性差,技术适应范围较窄。
    (4)相配套的管道修复前的检测评价技术尚没有达到使用水平。
    (5)管道修复质量评价体系没有建立。由于是隐蔽工程,工程的质量监督出现困难,使不法分子有机可乘。
    四、建议
    鉴于国内管道修复技术的现状,建议在积极开发管道修复技术的同时,管道修复技术的相应标准的配套工作应该跟上,这样才能够使管道修复产业有一个健康发展 的环境,避免用户因无规范和标准可寻而产生问题,防止因个别不负责任的企业不良行为给整个行业的发展带来不利影响。

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