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        CIPP管道修復(fù)技術(shù)的內(nèi)襯管道強度研究

        2023-11-17 04:49:16林寶川
        水利科技與經(jīng)濟 2023年11期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)襯軟管屈曲

        林寶川

        (深圳市龍崗區(qū)水務(wù)局,廣東 深圳 518172)

        0 引 言

        隨著社會發(fā)展和城市化進程的推進,對水資源需求的增加,使得水利工程的規(guī)模和復(fù)雜性不斷提高[1]。其中,管道作為水利工程的重要組成部分,面臨著老化和損壞等問題,需要進行修復(fù)和維護[2]。傳統(tǒng)的明挖管道修復(fù)方法存在成本高、破壞道路、交通受阻等局限性,因此非開挖管道修復(fù)技術(shù)應(yīng)運而生[3]。

        CIPP作為一種非開挖管道修復(fù)技術(shù),因其操作簡單、適用范圍廣、節(jié)約成本、工期短等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[4]。汪路等[5]發(fā)現(xiàn)UV-CIPP在城市存量管網(wǎng)更新應(yīng)用中,缺少全生命周期的量化參數(shù)研究,并以武漢市蔡甸區(qū)蓮花湖環(huán)湖截污干管修復(fù)工程為例,分析了常用非開挖修復(fù)技術(shù)優(yōu)劣和使用范圍,為后續(xù)的推廣應(yīng)用提供了參考。熊俊[6]研究發(fā)現(xiàn)大量的城市地下排水管道出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性及功能性缺陷,針對山地城市建成區(qū)污水管網(wǎng)病害情況,提出基于CIPP水翻固化法的非開挖修復(fù)設(shè)計方案,并對實際修復(fù)效果進行評價,為后續(xù)山地城市大規(guī)模開展排水管道非開挖修復(fù)應(yīng)用提供設(shè)計參考。

        上述研究表明,CIPP技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛,但針對原位固化后的內(nèi)襯軟管及其強度的研究還較少。本文針對復(fù)雜的地下管道修復(fù)中存在的問題,分析CIPP固化法的工藝、施工流程及技術(shù)特點,建立復(fù)合管道內(nèi)襯強度計算模型,計算復(fù)合管道的強度,并通過數(shù)值模擬進行驗證,以期為后續(xù)復(fù)合管道強度的計算提供參考。

        1 CIPP管道修復(fù)技術(shù)的內(nèi)襯管道強度

        1.1 基于CIPP管道修復(fù)技術(shù)的水利管道修復(fù)方案擬定

        近年來,水利工程項目建設(shè)逐漸增多,在提高水資源利用效率、協(xié)調(diào)地區(qū)水資源平衡等方面都發(fā)揮了重要作用[7]。水利工程建設(shè)中,會用到大量管道設(shè)施,由于其長時間使用和外界環(huán)境的影響,容易出現(xiàn)破損和泄露問題,對工程整體造成直接影響[8]。傳統(tǒng)的水利管道修復(fù)方法往往需要進行全面替換或者長時間的停用,給維修過程帶來不便和經(jīng)濟負(fù)擔(dān)[9]。

        隨著CIPP管道修復(fù)技術(shù)的發(fā)展,使得管道修復(fù)過程變得更加高效、快捷。CIPP管道修復(fù)技術(shù)的原理是:通過無損檢測技術(shù)確定管道內(nèi)部的破損位置和程度[10],然后將特殊的固化材料(如環(huán)氧樹脂、聚合物、尼龍纖維等)注入管道內(nèi)部進行修復(fù),通過施加壓力或使用充氣裝置,固化材料將被強制擴展到管道內(nèi)的受損區(qū)域,填充并修復(fù)破損或滲漏部位。修復(fù)完成后,材料會在管道內(nèi)原位固化,形成一個堅固的管道襯里層,恢復(fù)管道的正常功能。修復(fù)過程中的內(nèi)襯軟管的充氣膨脹過程見圖1。

        CIPP管道修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢主要包括無需開挖、快速高效、耐久性強、適用范圍廣等。無需開挖是指修復(fù)過程中不需要對地面或地下結(jié)構(gòu)進行開挖,減少了對周圍環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施的破壞[11]??焖俑咝侵钙湫迯?fù)時間較短,通常只需幾小時至幾天即可完成修復(fù)工作,相比傳統(tǒng)的開挖修復(fù)方法,節(jié)省了大量的時間和人力資源。耐久性強是指修復(fù)材料在原位固化后形成一個堅固的襯里層,能夠提供持久的保護和修復(fù)效果,并延長管道的使用壽命。適用范圍廣是指CIPP適用于不同類型的管道,包括下水道、排水管、供水管、天然氣管道等,可以修復(fù)多種不同程度的破損問題。

        但CIPP也有一些限制和注意事項。如修復(fù)材料需要與管道材料、環(huán)境條件等相容性好;修復(fù)過程需要準(zhǔn)確評估管道的損傷情況和修復(fù)能力,以確保修復(fù)效果的穩(wěn)定性和持久性。CIPP管道修復(fù)技術(shù)還具有環(huán)保、工期短、斷面修復(fù)、管道耐久性強、提高管道過流能力、低費用、期效長等工藝特點。CIPP修復(fù)技術(shù)的水利管道施工流程圖見圖2。

        圖2 CIPP修復(fù)技術(shù)的水利管道施工流程示意圖

        由圖2可知,首先需要對管道進行徹底清潔,將管道內(nèi)的污垢、沉積物等清除干凈,以確保修復(fù)材料能夠與管道壁面良好結(jié)合。清潔后,通過CCTV內(nèi)窺檢測技術(shù),對管道進行檢測和評估,確定破損或老化的程度以及需要修復(fù)的區(qū)域。然后將修復(fù)材料注入管道內(nèi)并涂覆在管道壁上,修復(fù)材料在管道內(nèi)形成一層堅固、光滑的壁膜,填補或修復(fù)管道的破損部分。修復(fù)材料注入后,通過化學(xué)反應(yīng)、光固化或熱固化等方式完成固化,使修復(fù)材料變得堅固、耐用,并與管道壁面完全結(jié)合。

        利用CIPP修復(fù)技術(shù)修復(fù)水利管道是在舊管道的基礎(chǔ)上,因此在修復(fù)之前需要對舊管道進行預(yù)處理。預(yù)處理中需要注意的是,應(yīng)將底膜墊在軟管下面再進行拖拉,避免軟管在拖拉過程中與管道摩擦而產(chǎn)生磨損或刮傷。牽引軟管時需要折疊軟管,防止軟管在井口的拐角處刮傷損壞,牽引速度一般不超過5m/min,防止軟管褶皺影響后續(xù)的修復(fù)。軟管的一頭還需要通過皮帶進行扎頭,扎好后將安裝好的紫外燈架送入軟管內(nèi)壁。然后利用壓縮空氣對軟管充氣,使其緊密貼合原管道,此時將紫外燈勻速移至軟管另一端,使內(nèi)襯軟管在紫外燈的反應(yīng)下發(fā)生固化反應(yīng)。最后將紫外燈拉回檢查井管并關(guān)閉,保持內(nèi)襯管道內(nèi)的壓力,完成水利管道的修復(fù)。

        1.2 CIPP水利內(nèi)襯管道強度的計算

        利用CIPP修復(fù)技術(shù)修復(fù)后的內(nèi)襯管道與原有的舊管道形成復(fù)合管道,兩者緊密貼合,共同承擔(dān)管道上方的外部荷載作用。外部荷載包括管外的土壓力、周圍靜水壓力、土體上方由于交通等產(chǎn)生的動荷載等。原有管道內(nèi)部腐蝕缺陷可能導(dǎo)致內(nèi)襯管道和舊管道同時遭受強度和變形破壞,本研究基于厚壁圓筒理論,將原有管道視為厚壁圓管,并僅考慮舊管道內(nèi)壁存在損傷情況,在遵循規(guī)范法的基礎(chǔ)上,對損傷進行分析,并計算出損傷后剩余可承載的強度。此外,當(dāng)原有管道發(fā)生結(jié)構(gòu)性裂紋并出現(xiàn)滲漏時,可能引發(fā)幾何失穩(wěn)破壞。具體表達式如下:

        (1)

        式中:αp為舊管道的剩余強度,MPa;αs為材料在受力作用下,開始發(fā)生塑性變形的應(yīng)力閾值,MPa;β、φ分別為無量綱形式的系數(shù)、膨脹變化率;ψsafe為無因次的安全系數(shù),一般為2。

        內(nèi)襯管道與舊管道之間無縫隙和地下水的作用,內(nèi)襯管道在工作時因受到的彎曲荷載作用而發(fā)生梁彎曲的現(xiàn)象,彎曲荷載的范圍包括管道上方由交通等產(chǎn)生的動荷載、水施加的荷載和土體荷載3個方面。在均勻腐蝕的破壞和外部荷載的作用下,根據(jù)經(jīng)典彈塑性力學(xué)組合的厚壁圓筒理論,復(fù)合管道的軸向強度為內(nèi)襯管的強度加上舊管道的剩余強度,結(jié)合力的邊界條件計算復(fù)合管道的軸向強度,公式如下:

        (2)

        式中:εpz、εz分別為軸向應(yīng)力、軸向上應(yīng)力,MPa;φ為無因次的比例系數(shù);q為管道軸向載荷,kN;p為管道內(nèi)壓,MPa;kl為跨距內(nèi)集中載荷,kN;L、a、b分別為跨距、舊管直徑和內(nèi)襯管直徑,mm;Pcrz為復(fù)合管道軸向極限承載力,MPa;d為管道壁厚,mm;r為管道內(nèi)徑,mm。

        CIPP修復(fù)采用半結(jié)構(gòu)修復(fù)內(nèi)襯管道,修復(fù)后的復(fù)合管道由內(nèi)襯和舊管內(nèi)壁緊密結(jié)合形成,其內(nèi)襯環(huán)向應(yīng)力為外管周圍壓力和內(nèi)部水壓一起作用于內(nèi)襯管壁形成。本研究利用Cheney屈曲模型,計算內(nèi)襯管壁厚度,從而進一步計算內(nèi)襯管的環(huán)向應(yīng)力。Cheney屈曲模型見圖3。

        圖3 Cheney屈曲模型圖

        管道內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力由舊管道受到的外部載荷施加的彎曲應(yīng)力和水體滲入管道作用于內(nèi)襯上形成的拉伸應(yīng)力兩部分構(gòu)成。根據(jù)經(jīng)典彈塑性力學(xué)組合的厚壁圓筒理論,復(fù)合管道的環(huán)向強度為內(nèi)襯管的環(huán)向應(yīng)力和舊管剩余強度之和,具體計算公式如下:

        (3)

        式中:εθ為沿著管道的環(huán)向方向施加在內(nèi)襯管材料上的應(yīng)力,MPa;Bf為狀態(tài)下的變形特性,取值為5.5;Ty為受到彎曲加載時的抗彎剛度,MPa;Δx為管垂直方向撓曲值;tc為內(nèi)襯壁厚;Pcrθ為復(fù)合管道在垂直方向上的彎曲偏差量,MPa。

        研究利用Abaqus分析軟件計算復(fù)合管道強度,以第四強度理論為基礎(chǔ),建立復(fù)合管道有限元模型,以等效應(yīng)變應(yīng)力屈服準(zhǔn)則作為管道屈服失效的判斷標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)?shù)刃?yīng)變應(yīng)力達到管道強度的臨界值時,管道開始發(fā)生塑性變形。

        在研究復(fù)合管材料的性能時,模型首先假設(shè)管材在受到軸向受力時是均勻且中心對稱的,只考慮管材在一個平面上的受力情況,從而簡化分析過程。其次在復(fù)合管的界面處,應(yīng)力和應(yīng)變滿足平滑連接的條件,以確保整體結(jié)構(gòu)的一致性,有助于簡化計算,并提供復(fù)合管內(nèi)外表面之間傳遞應(yīng)力的橋梁。最后分析復(fù)合管的強度和破壞行為時,在外界施加的載荷作用下,內(nèi)襯管道和舊管道可能發(fā)生強度失效和形變失穩(wěn)。

        復(fù)合管道有限元模型在模型的最上方設(shè)置管道矩形缺陷,發(fā)生屈曲破壞時,沿徑向方向產(chǎn)生位移,采用管道荷載的施加與時間呈線性關(guān)系的分析步類型進行模擬實驗。

        2 CIPP修復(fù)技術(shù)修復(fù)水利管道的工程應(yīng)用

        為了探究所提CIPP修復(fù)技術(shù)的水利內(nèi)襯管道強度計算方法的可靠性,研究利用Abaqus分析軟件,對A地一管道修復(fù)工程的管道進行計算,建立復(fù)合管道有限元模型,根據(jù)邊界條件施加外部荷載,從而對模型進行線性分析。

        研究采用檢測機器人收集管道數(shù)據(jù),管道為C32混凝土DN1200的管道,壁厚100mm,長度2.1m,厚度100mm,腐蝕長度300mm,寬度50mm,深度18mm,屈服應(yīng)力14.2MPa。采用紫外光固化修復(fù)技術(shù)(Ultraviolet light cured in place pipe, UV-CIPP)進行水利管道的修復(fù),起始井的井點位P13,修復(fù)管徑1 200mm。計算得到舊管的剩余強度25.63MPa,內(nèi)襯管外徑1 000mm,管道壁厚7.58mm,軸向彎曲強度0.48MPa,地下水壓力0.01MPa,泊松比0.3,復(fù)合管道強度26.12MPa。

        研究利用復(fù)合管道有限元模型進行模擬實驗,記錄管道臨界區(qū)域應(yīng)變的變化曲線。首先多次對管道施加荷載,確定管道的臨界區(qū)域與時間的變化關(guān)系,見圖4。

        圖4 多次測試中臨界區(qū)域位移隨時間變化的關(guān)系圖

        從圖4可以看出,4次測試均在t=0.25s左右時,復(fù)合管道的應(yīng)變發(fā)生突變。根據(jù)載荷的施加規(guī)律,得到極限為98MPa/s,當(dāng)時間在0.25s時,物體表面承受的外部壓力為24.60MPa,小于復(fù)合管道計算所得的負(fù)荷承受壓力26.12MPa。

        安裝內(nèi)襯管道時,會遇到原有管道遺留下來的問題,會導(dǎo)致內(nèi)襯管道出現(xiàn)各種幾何缺陷,這些幾何缺陷可能對內(nèi)襯管道的屈曲性能產(chǎn)生不利影響。因此,在施加荷載后,分析襯管尺寸比(Liner size ratio, LSR)、邊界條件對內(nèi)襯管臨界屈曲強度的影響。見圖5。

        圖5 LSR和邊界條件對內(nèi)襯管道屈曲強度的影響

        通過模擬實驗,本研究設(shè)置6組LSR數(shù)據(jù),研究不同LSR值下內(nèi)襯管道屈曲強度的變化情況。實驗結(jié)果見圖5(a),隨著LSR值的增大,管道的屈曲強度逐漸降低,尤其是LSR超過100時。

        不同界面脫離范圍對屈曲強度的影響見圖5(b)。由圖5(b)可知,隨著脫離范圍的增大,管道的屈曲強度減小。修復(fù)后的管道應(yīng)具備彎曲強度、耐性、抗拉伸性、抗裂性和耐腐蝕性。

        為了驗證修復(fù)效果,通過應(yīng)用復(fù)合管道有限元模型,對已修復(fù)管道的強度、流量和過流能力進行測試。實驗水頭55kPa,時間1h,對比修復(fù)前后的參數(shù)值,實驗結(jié)果見表1。

        表1 內(nèi)襯管道測試實驗檢測結(jié)果

        表1數(shù)據(jù)顯示,修復(fù)后的管道符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,初始彈性模量、彎曲強度、拉伸強度均滿足要求。實驗中平均滲水量為3.34m3/(24h·km),符合國家管道水流實驗規(guī)定;修復(fù)后的流量保持在261.65L/s,但粗糙系數(shù)降至0.006,過流能力比為139.82%,能滿足水利工程需求。

        應(yīng)用CIPP管道修復(fù)技術(shù)相較于開挖更換管道,可節(jié)約成本30%左右,縮短7天工期,操作簡單且無需大量人力和設(shè)備投入。

        3 結(jié) 論

        為了解決水利管道明挖修復(fù)中操作復(fù)雜、耗費大量時間和資金的問題,本文利用UV-CIPP技術(shù)固化水利管道,根據(jù)內(nèi)襯管道的幾何形狀和材料特性,利用彎曲理論和彎曲應(yīng)力公式,計算管道在外力作用下的彎曲強度。實驗結(jié)果表明,在t=0.25s左右時,復(fù)合管道的應(yīng)變發(fā)生突變,外部載荷為24.5MPa,小于計算所得的復(fù)合管道強度26.12MPa。對比修復(fù)前后的管道,流量仍為261.65L/s,粗糙系數(shù)降低為0.006,過流能力比為139.82%。因此,研究設(shè)計的修復(fù)方案能夠有效輔助相關(guān)人員修復(fù)水利管道。

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