趙雅宏 曾正 馬保松

(中國(guó)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(jiǎn)稱CIPP) 最早由英國(guó)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(gè)國(guó)家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用,尤其在日、法、英、德等國(guó)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(guó)非開挖技術(shù)開發(fā)應(yīng)用起步較晚,與國(guó)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(wú)依據(jù),使工程的質(zhì)量無(wú)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(wèn)題。這大多是在管道修復(fù)過(guò)程中,對(duì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)非開挖原位固化法施工過(guò)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(guó)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(huì)的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);美國(guó)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(jì)工藝等歸納成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并出版發(fā)行,如針對(duì)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(duì)我國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)CIPP 行業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn),按照原位固化法非開挖修復(fù)給排水管道工程的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)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(shí)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(chǎng)及周邊的施工環(huán)境等,并需要應(yīng)用適宜的檢測(cè)手段對(duì)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(shí),須將修復(fù)后的內(nèi)襯管當(dāng)作新管,其設(shè)計(jì)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(shí),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(jì)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(chǔ)藏環(huán)境、儲(chǔ)藏溫度和儲(chǔ)藏時(shí)間應(yīng)根據(jù)樹脂本身的穩(wěn)定性和固化體系來(lái)確定。樹脂和添加劑混合后應(yīng)及時(shí)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(yàn)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(jì)厚度,干管的長(zhǎng)度應(yīng)稍長(zhǎng)于待修復(fù)管道長(zhǎng)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(shí)也不得因軟襯管直徑過(guò)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(qiáng)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(guò)樹脂的濕軟管應(yīng)存儲(chǔ)在避光和生產(chǎn)廠商要求的溫度環(huán)境中,運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)記錄濕軟管暴露的溫度和時(shí)間。粘合形成的CIPP材料測(cè)試值應(yīng)滿足三點(diǎn)彎曲測(cè)試、拉伸試驗(yàn)、厚度測(cè)試及密實(shí)性試驗(yàn)[4]等給出的最低參考值。

3 設(shè)計(jì)方法

3.1 內(nèi)襯壁厚設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)前應(yīng)該對(duì)原有管道的缺陷進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估,根據(jù)檢測(cè)和評(píng)估報(bào)告的結(jié)論確定修復(fù)方式,再進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。CIPP 內(nèi)襯設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)是Timoshenko 的屈曲理論及Spangler 對(duì)柔性管道的研究成果,在后期的實(shí)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(wú)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(jì)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(jì)公式為:

式中:t為CIPP 內(nèi)襯管設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(shí)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(jì)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(yàn)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(jì)充分考慮了原管腐蝕及破損,當(dāng)原管破損較小時(shí),采用式(3)進(jìn)行內(nèi)襯管半結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),當(dāng)原管缺口較大,缺口半徑與管徑的比值超出范圍時(shí),需進(jìn)行CIPP 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算,滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度條件后,才可根據(jù)式(4)進(jìn)行內(nèi)襯管壁厚設(shè)計(jì)。

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(zhǎng)期彎曲強(qiáng)度,psi(MPa)。

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

3.2 水力計(jì)算及過(guò)流能力評(píng)估

修復(fù)后管道過(guò)流能力的評(píng)價(jià)以曼寧及海森-威廉公式為基礎(chǔ),采用曼寧公式來(lái)預(yù)測(cè)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(jì)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(jiǎn)化即可得出修復(fù)后管道過(guò)流能力與修復(fù)前管道過(guò)流能力比值的評(píng)估式。

式中:B為管道修復(fù)前后過(guò)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(duì)翻轉(zhuǎn)法及拉入法施工過(guò)程作了相關(guān)規(guī)定。包括管道預(yù)處理、施工時(shí)干管的浸漬、襯管置入原管的操作、固化過(guò)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(shí)也規(guī)定了用于局部修復(fù)的點(diǎn)狀原位固化法的施工操作注意事項(xiàng)。

CIPP 修復(fù)工程施工前,應(yīng)對(duì)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(wú)障礙物,管內(nèi)無(wú)滲水現(xiàn)象。管道有沉降、變形、破損和接頭錯(cuò)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(guò)程中,整平、碾壓濕軟管時(shí)應(yīng)勻速,并確定碾壓厚度在設(shè)計(jì)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(guò)程中應(yīng)加入無(wú)毒潤(rùn)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(yàn)規(guī)定翻轉(zhuǎn)速度宜控制在2m/min～3m/min[5]。

在拉入式施工時(shí),需要鋪設(shè)墊膜以減少軟管拉入過(guò)程中的摩擦力,并避免對(duì)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(zhǎng)[6]。在軟管拉入過(guò)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(qiáng)度確定的,不含玻纖內(nèi)襯管的抗拉強(qiáng)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(duì)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(shí)間取決于工作段的長(zhǎng)度、管道直徑、地下情況、使用蒸汽鍋爐功率以及空壓機(jī)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(cè)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(guò)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(duì)內(nèi)襯管端頭進(jìn)行密封和切割處理。在施工過(guò)程中,應(yīng)記錄施工每一節(jié)點(diǎn)的濕軟管翻轉(zhuǎn)/拉入長(zhǎng)度、水溫、壓縮空氣壓力、濕軟管固化溫度、時(shí)間、紫外線燈巡航速度、內(nèi)襯管冷卻溫度等信息。

5 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

5.1 一般規(guī)定

工程驗(yàn)收時(shí)首先應(yīng)核實(shí)需要檢查驗(yàn)收的資料,符合設(shè)計(jì)、施工要求的管道才可以進(jìn)行管道功能性實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)應(yīng)滿足在相同施工條件下每3 個(gè)修復(fù)段現(xiàn)場(chǎng)制作樣品管1 個(gè),或者按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行取樣檢測(cè)。內(nèi)襯管樣品的壁厚應(yīng)符合設(shè)計(jì)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(zhǎng)期力學(xué)性能應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行測(cè)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(cè),并出具完整的檢測(cè)報(bào)告。

CIPP 修復(fù)工程的質(zhì)量不合格時(shí),如經(jīng)返工重做或更換管節(jié)、管件、管道設(shè)備等的驗(yàn)收批,應(yīng)重新進(jìn)行驗(yàn)收;經(jīng)有相應(yīng)資質(zhì)的檢測(cè)單位檢測(cè)鑒定能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的驗(yàn)收批,應(yīng)予以驗(yàn)收;經(jīng)有相應(yīng)資質(zhì)的檢測(cè)單位檢測(cè)鑒定達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,但經(jīng)原設(shè)計(jì)單位驗(yàn)算認(rèn)可,能夠滿足結(jié)構(gòu)安全和使用功能要求的驗(yàn)收批,應(yīng)予以驗(yàn)收;經(jīng)返修或加固處理的分項(xiàng)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(yàn)收。通過(guò)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(yàn)收。

規(guī)程中驗(yàn)收部分給出了原有管道預(yù)處理、內(nèi)襯管質(zhì)量檢驗(yàn)、管壁密實(shí)性試驗(yàn)、管道功能性試驗(yàn)與沖洗消毒及工程竣工驗(yàn)收等項(xiàng)目驗(yàn)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(yàn)按照規(guī)程中材料部分的質(zhì)量要求檢查驗(yàn)證;修復(fù)后管道的水壓試驗(yàn)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(yàn)。管壁密實(shí)性試驗(yàn)采用了DWA-A143 中相關(guān)方法,國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),下文對(duì)試驗(yàn)方法作一簡(jiǎn)單介紹。

5.2 管壁密實(shí)性試驗(yàn)

管壁密實(shí)性試驗(yàn)?zāi)軌驒z驗(yàn)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(qiáng)度和滲透性。試驗(yàn)用試樣應(yīng)從現(xiàn)場(chǎng)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(duì)其切割10 個(gè)相互垂直的切口,形成尺寸為4mm ×4mm 的網(wǎng)格。試驗(yàn)裝置的布置如圖2 所示。

圖2 管壁密實(shí)性試驗(yàn)方法及裝置Fig 2 Test method and device of pipe wall compactness

試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置檢測(cè)壓力為0.05MPa ±0.0025MPa,并在此環(huán)境下持續(xù)30min,檢測(cè)介質(zhì)應(yīng)為不含弛緩劑的染色飲用水。每個(gè)樣本選擇3 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)單獨(dú)試驗(yàn),在3 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中都不得有水滲透。

6 結(jié)語(yǔ)

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(wèn)題,規(guī)程從設(shè)計(jì)、施工到驗(yàn)收過(guò)程中都做了相關(guān)規(guī)定。如何建立管道修復(fù)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,加強(qiáng)工程質(zhì)量監(jiān)督,對(duì)施工工藝參數(shù)的動(dòng)態(tài)選擇,是接下來(lái)CIPP 行業(yè)需要考慮的問(wèn)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(shí)現(xiàn)信息化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

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(shí)際生產(chǎn)力。規(guī)程在實(shí)施過(guò)程中應(yīng)吸收市場(chǎng)的信息及反饋,及時(shí)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。