修復(fù)供水管線不宜采用HDPE管穿插技術(shù)

寧克遠(yuǎn) (北京海華通管道修復(fù)有限公司)

　　摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了聚乙烯（PE）管穿插修復(fù)舊管道技術(shù)的主要工法、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和不足之處，并就其在我國(guó)供水管線上應(yīng)用的可行性、應(yīng)用范圍提出了淺顯的認(rèn)識(shí)。
　　關(guān)鍵詞：管道修復(fù)、HDPE管、不開挖

　　前言：免（或少）開挖在線管道修復(fù)技術(shù)因?yàn)檠娱L(zhǎng)了舊管線的使用壽命、減少了企業(yè)損失，在國(guó)外應(yīng)用發(fā)展30多年了。分析我國(guó)供水行業(yè)現(xiàn)況，跟蹤研判國(guó)際同業(yè)的技術(shù)進(jìn)展，建設(shè)部早在《城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃》中已就供水管線的修復(fù)提出了具有前瞻性的指導(dǎo)意見。如改造規(guī)劃的制定、修復(fù)方法介紹、修復(fù)工法的選擇依據(jù)等。幾年來(lái)，伴隨國(guó)際間的技術(shù)交流，國(guó)內(nèi)專業(yè)公司的推介，我們對(duì)各類舊管道修復(fù)技術(shù)有了比較全面的認(rèn)知。為有的放矢地把握質(zhì)量關(guān)口，我們有必要對(duì)各修復(fù)工藝的機(jī)理、技術(shù)特征、尤其是技術(shù)自身固有的缺陷及施工中常會(huì)存在的問題進(jìn)行深入的了解。聚乙烯（PE）管穿插修復(fù)舊管道技術(shù)在國(guó)內(nèi)燃?xì)夤芫€修復(fù)中已有應(yīng)用，參照國(guó)外相關(guān)技術(shù)資料，結(jié)合我國(guó)供水行業(yè)的實(shí)際狀況，本文就聚乙烯管穿插修復(fù)舊管道技術(shù)在供水管線上應(yīng)用的可行性、應(yīng)用范圍給出結(jié)論，還將就設(shè)計(jì)中從何處著手控制質(zhì)量進(jìn)行討論。

一、供水管道的一般特征和修復(fù)的目標(biāo)

　　一種管道修復(fù)技術(shù)的選取，必須結(jié)合待修復(fù)管道的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行分析，對(duì)于供水管道來(lái)說(shuō)，一定要清楚其一般特征，如（1）供水管道一般具備足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（2）供水壓力一般在1MPa以下（3）支管較多，特別是100米左右有一個(gè)消防栓（4）要求被選定的修復(fù)工藝所用材料通過(guò)安全性評(píng)價(jià)。
　　 然后針對(duì)業(yè)主的修復(fù)的目標(biāo)，如（1）減少爆管事故的發(fā)生，提高供水安全性（2）杜絕漏水損失的繼續(xù)存在，降低漏耗（3）改善管網(wǎng)水質(zhì)（4）恢復(fù)管道輸水能力，降低能耗等。
　　 首先要確保技術(shù)可行，然后才能考慮經(jīng)濟(jì)效益。

二、PE管修復(fù)技術(shù)的主要工法

　　1．Sliplining---滑入襯裝法。1995年以前，這種工法在許多舊管道修復(fù)中有應(yīng)用。它是將比舊管道口徑小得多的PE管拉入到原有的舊管道中，所以這種工法會(huì)造成輸送能力的大幅降低。壁厚設(shè)計(jì)上要求PE管獨(dú)自承擔(dān)運(yùn)行壓力，同時(shí)要考慮到：1）考慮冰凍的影響。PE管與舊管間隙有時(shí)會(huì)積滿水，水面冰凍后體積急劇膨脹，形成向外的徑向壓力，能將PE管擠扁。從理論上計(jì)算，PE管的截面不應(yīng)小于舊管截面的40％，這樣才能有效的防止冰凍的影響。2）根據(jù)美國(guó)公司的施工實(shí)踐，PE管的最大橫截面積不可以高于舊管的80％。3）舊管與PE管間的環(huán)空間隙必須部分或全部填充，以固定PE管。填充料可選用水泥砂漿，聚氨脂泡沫。4）塑料管穿插過(guò)程中要有防劃傷措施。
　　2．Swagelining---是采用拉伸、滾輪碾壓等方式將PE管截面積縮小后拉入舊管道，然后再經(jīng)膨脹復(fù)原與舊管貼合在一起。這是目前國(guó)際上塑料管穿插技術(shù)中爭(zhēng)議最小的工藝。它所采用的是與ASTM標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)的PE管，比較常規(guī)的PE管安裝只增加了縮徑工序，所以這時(shí)就須注意：1）美國(guó)專利宣稱超高壓聚乙烯管在破裂前其徑向膨脹系數(shù)為 12-15％，出于安全考慮，常取其一半值來(lái)確保襯里緊密脹貼時(shí)不被脹裂，因此，襯管徑向膨脹，最好不要超過(guò)它原來(lái)直徑的6％，這樣才能保證內(nèi)襯工藝的安全性。2）一般，PE管縮徑10％后在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)可自行恢復(fù)7％。美國(guó)芝加哥燃?xì)庋芯吭赫J(rèn)為，縮徑形變的工藝問題和管輸介質(zhì)環(huán)空竄移問題值得進(jìn)一步研究。
　　3．U－liner---將PE管壓制成U型后拉入舊管，最后再經(jīng)膨脹復(fù)原與舊管貼合在一起。壓U型工藝最早起源于英國(guó)Insituform公司采用PVC管修復(fù)下水道，因?yàn)镻VC管道材質(zhì)的柔性。待PE管采用壓U型工藝時(shí)，因?yàn)樗膭傂员仨殞⑺芰瞎艿谋诤駵p下來(lái)才能實(shí)現(xiàn)，那么各項(xiàng)ASTM、ISO的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于壁厚要求是否還要執(zhí)行？有資料認(rèn)為在重力管線、壓力較低的燃?xì)夤芫€和0.2MPa以下的供水管線上基本上可用，但有關(guān)壁厚設(shè)計(jì)的SDR必須小于32.5。有些施工單位為了易于軋制U型，將PE管壁厚嚴(yán)重減薄至5mm左右，這種犧牲內(nèi)襯層遠(yuǎn)期性能的做法是必須堅(jiān)決杜絕的。另外,選用薄壁PE塑料管壓制成U型的工藝機(jī)理在國(guó)際上還有很大爭(zhēng)議，其變形工藝、復(fù)原工藝等均屬unknown范疇。我公司Re-III塑料管穿插技術(shù)屬于此類工藝。

三、PE管內(nèi)襯修復(fù)供水管線的適用性

　　在供水管道修復(fù)中采用HDPE管穿插法最需要關(guān)注的問題是消防栓的存在，一般100米左右一個(gè)消防栓，這是客觀事實(shí)。HDPE管穿插法的優(yōu)勢(shì)之一就是一次施工距離較長(zhǎng)（小于672米），如果每遇消防栓就開挖工作坑是不可行的，至少開挖的引溝的長(zhǎng)度已經(jīng)快接近兩個(gè)消防栓的間距，與開挖換管沒多大差別了。這時(shí)就要依靠支口密封，但全世界在支管線的接駁技術(shù)上因?yàn)镠DPE材質(zhì)的不可粘接性而無(wú)法實(shí)現(xiàn)；我們還知道，金屬管道和聚乙烯管具有不同的膨脹和收縮率，如果在支管位置同樣作PE管內(nèi)襯進(jìn)行密封處理，則此處內(nèi)襯層將承受嚴(yán)重的剪應(yīng)力，很可能會(huì)將支管剪斷，這一點(diǎn)可由Jens Peter Larsen指出的美國(guó)南佛羅里達(dá)州出現(xiàn)的施工故障得到說(shuō)明。所以HDPE塑料管穿插修復(fù)技術(shù)能夠應(yīng)用的供水管線最好是沒有（或盡可能少）消防栓等管件的管線，只有把這些管件位置作為操作坑才可使用，否則這項(xiàng)技術(shù)在供水管道上應(yīng)用的可行性幾乎是否定的。
　　還須注意的是：因?yàn)椴迦氲乃芰瞎艿赖目趶蕉际且蚺f管道實(shí)際管徑大小設(shè)計(jì)的，所以口徑和壁厚千差萬(wàn)別。當(dāng)后期有接支管需要時(shí)，必須制作相應(yīng)口徑的模具才能制作相應(yīng)的管件，費(fèi)用巨大。

四、PE管修復(fù)施工方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在確實(shí)可以采用HDPE管穿插技術(shù)進(jìn)行修復(fù)施工時(shí)，可從下面幾個(gè)角度審查設(shè)計(jì)方案的可行性。
1．PE塑料管材質(zhì)的規(guī)定
首先,我們認(rèn)為PE管材質(zhì)的選擇有待商榷。美國(guó)Polymeric公司是軋制U型的PE管用料的全球供應(yīng)商，我們國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的PE管材質(zhì)是否能夠滿足軋制U型管材的技術(shù)要求尚需探討，在沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的情況下，最好的辦法是將國(guó)產(chǎn)料與Polymeric公司用料作技術(shù)指標(biāo)對(duì)比，先在標(biāo)準(zhǔn)上與國(guó)際接軌。
在美國(guó)，用作內(nèi)襯材料的聚乙烯在美國(guó)專利4，496，499有報(bào)道，要求PE管能經(jīng)受至少１２～１５％的徑向膨脹且至少在一年后沒有脆裂等破壞現(xiàn)象，應(yīng)力開裂時(shí)間應(yīng)超過(guò)1000hrs（ASTM DO1693－75）。在美國(guó)，超高分子量的（UHMWHDP）PE3406適合用作襯里材料，我國(guó)在現(xiàn)時(shí)情況下使用的材料可以與之進(jìn)行指標(biāo)對(duì)比。
2．PE塑料管口徑的選擇
就目前的資料報(bào)道，PE塑料管穿插應(yīng)用于燃?xì)夤芫€修復(fù)的最大口徑是美國(guó)布魯克林輸氣公司一條直徑508mm鋼管內(nèi)穿插了一條外徑493mm、壁厚16.5mm的聚乙烯管，可達(dá)到工作壓力為1Kg/cm² 。一般來(lái)說(shuō)，PE管穿插技術(shù)修復(fù)燃?xì)夤芫€的管徑不應(yīng)大于18英吋(DN450) ，這與相應(yīng)的ASTM各標(biāo)準(zhǔn)也是相吻合的。對(duì)照供水管道，壓力一般為10Kg/cm²，SDR值如果過(guò)大是無(wú)法滿足壓力要求的，特別對(duì)于U-liner技術(shù)而言，口徑大(DN400以上)壁厚?。ㄐ∮?0mm）是一對(duì)矛盾體，通俗的理解是口徑過(guò)大的PE管作襯里材料能否成為堅(jiān)固圓筒狀自支撐結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@恰恰是焊接質(zhì)量的保障，否則接口都對(duì)不正哪里還能焊接好（國(guó)內(nèi)滄州、長(zhǎng)春已經(jīng)有打壓不能通過(guò)的記錄）。
3．壁厚設(shè)計(jì)
當(dāng)襯管被拉入舊管段時(shí)，都會(huì)在橫斷面上產(chǎn)生一定的應(yīng)力，襯管必須有一定的壁厚足以承受這一拉伸應(yīng)力，即襯管內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力必須小于它的拉伸屈服極限，所以，只有內(nèi)襯管達(dá)到一定厚度時(shí)，才可以防止拉力過(guò)大導(dǎo)致它的斷裂破壞。ASTM標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)用于非壓力管線的壁厚設(shè)計(jì)的SDR（直徑與壁厚比）值不低于32.5，一般有SDR＝11、17、24、26、32.5幾個(gè)規(guī)格，也可參照美國(guó)管道標(biāo)準(zhǔn)192、121條款中的公式來(lái)計(jì)算：

　　P＝0.32x2St∕(D-t),

式中：P--設(shè)計(jì)壓力
S--遠(yuǎn)期靜壓強(qiáng)度
　　　t--管道壁厚
D--管道外徑

　　4．一次施工距離
　　國(guó)內(nèi)有些施工企業(yè)宣稱采用PE管內(nèi)襯修復(fù)舊管道，一次施工距離可達(dá)3Km，這是完全錯(cuò)誤的。一次施工距離的確定，主要考慮牽引力、PE管的物理性能、舊金屬管的彎曲程度，有無(wú)管件的問題等。國(guó)外許多資料證明，對(duì)于性能優(yōu)良的襯管材料，舊管道一次修復(fù)距離不要超過(guò)762m，因?yàn)榻?jīng)過(guò)計(jì)算，超過(guò)762m的襯管被拉入舊管段時(shí)，襯管會(huì)承受較大的拉應(yīng)力并超過(guò)其拉伸屈服極限使其損傷。這是通過(guò)理論計(jì)算得來(lái)的，在實(shí)際施工中，天津就有在內(nèi)襯施工中拉斷PE管的實(shí)例。而且就城市供水管道來(lái)說(shuō)，還要根據(jù)舊管道路徑周圍具體的環(huán)境來(lái)確定具體的施工長(zhǎng)度，因?yàn)楹附釉谝黄鸬乃芰瞎苡锌赡芊舛聨讞l路口的交通。
　　5．PE管能夠允許的拉伸負(fù)荷的確定
　　在ASTM標(biāo)準(zhǔn)中，PE管允許的拉伸負(fù)荷的計(jì)算公式如下：

　　ATL＝fy×ft×Ty×π×D ²（1/R-1/R²）

　　式中：ATL――允許的拉伸負(fù)荷
　　　　 fy―― 屈張?jiān)O(shè)計(jì)安全系數(shù)，一般取0.4
　　　　 ft―― 拉伸狀態(tài)下的時(shí)間安全系數(shù)，取0.95
　　　　 Ty―― 拉伸屈服強(qiáng)度，PE2406取18Mpa（2600psi）
　　　　 D―― 管外徑
　　　　 R―― 管徑比

　　一般，ATL值接近0.35Mpa，如對(duì)DN300的PE管材，其能夠承受的拉力不應(yīng)超過(guò)2.5T，也可以從ATL值推算PE管SDR值不應(yīng)低于 32.5。否則，PE管所受到的拉力會(huì)對(duì)內(nèi)襯層造成內(nèi)在的本質(zhì)的破壞，即使短期內(nèi)未被發(fā)現(xiàn)。
　　6．關(guān)于作業(yè)坑尺寸
作業(yè)坑尺寸對(duì)于PE管穿插修復(fù)舊管道來(lái)說(shuō)也是質(zhì)量控制的重要參數(shù)，在我國(guó)南方地區(qū)，管線正常埋深為1.2m，對(duì)東北地區(qū)可能達(dá)到1.5m以上，所以，作業(yè)坑的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)管道埋深作相應(yīng)的調(diào)整，計(jì)算公式為：

L＝d×ф

式中：L--操作坑長(zhǎng)度
　　 d--埋地深度
ф--塑料管口徑（英寸）

　　當(dāng)聚乙烯管材進(jìn)行一定的連續(xù)變形時(shí)，會(huì)發(fā)生應(yīng)力松馳，即會(huì)產(chǎn)生微小的分子鏈斷裂造成內(nèi)傷，各種穿插工藝中加溫、變徑、軋制Ｕ型等工法的使用，對(duì)應(yīng)力松馳起加速作用。所以，作業(yè)坑的長(zhǎng)度不能簡(jiǎn)單地看做施工難易的尺度，它是影響插入后PE管性能的重要影響因素。我們必須參照ISO/TC138的有關(guān)規(guī)定，PE管的最小曲率半徑為25D，所以，還要對(duì)下表所示作業(yè)坑尺寸做適當(dāng)?shù)脑黾印?/p>

表1 作業(yè)坑尺寸

7．襯管徑向脹貼工藝參數(shù)
　　當(dāng)PE管穿插到位后，將采用加溫加壓的方式對(duì)內(nèi)襯管進(jìn)行脹貼作業(yè)，技術(shù)要求是：溫度必須低于82℃，壓力低于0.7Mpa。溫度和壓力過(guò)高會(huì)使聚乙烯分子間排列發(fā)生變化，襯管內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)一步增大造成PE管破裂；必須保證徑向脹貼的時(shí)間不低于20分鐘--即襯管內(nèi)的壓力值隨熱水的注入保持一個(gè)“平緩值”，一旦襯管緊密貼合于舊管內(nèi)壁后，還要繼續(xù)加壓看到管內(nèi)壓力高于這個(gè)“平緩值”。質(zhì)控部門必須嚴(yán)格控制脹貼工藝參數(shù)，對(duì)那些用高溫高壓水蒸氣進(jìn)行脹貼的做法必須堅(jiān)決制止。
8．運(yùn)行后期開T
　　已完成內(nèi)襯的舊管道上再接支管線的可行性變小，因?yàn)镻E管材質(zhì)是不可能粘接的，此時(shí)要保證密封性能難度非常大。要求設(shè)計(jì)部門在內(nèi)襯PE管前就將預(yù)設(shè)支管位置的相關(guān)計(jì)劃做好，盡量避免運(yùn)行后期再開T。

四、尚需進(jìn)一步完善的部分

　　PE塑料管穿插修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于給水管線的修復(fù)還是一個(gè)新生事物，國(guó)內(nèi)已有水司進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，實(shí)踐中產(chǎn)生了許多的問題，特別因?yàn)橄浪ǖ裙芗拇嬖跔奚诵迯?fù)質(zhì)量，密封不好的結(jié)果造成自來(lái)水在舊管與襯層環(huán)空間竄流，根本不能達(dá)到修復(fù)舊管的目的，即使短期內(nèi)沒有事故發(fā)生，上海就發(fā)生過(guò)竄進(jìn)夾層的燃?xì)馊紵挠涗洝?br> 　　實(shí)踐證明各種PE塑料管穿插工法在修復(fù)給水管線時(shí)尚需進(jìn)一步完善的部分如：①PE塑料管的變形、復(fù)原機(jī)理要經(jīng)過(guò)深入的理論證明。②PE塑料管選用材質(zhì)和成型工藝要參照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行界定；各種修復(fù)工藝要有相應(yīng)的施工及驗(yàn)收規(guī)范。③端口處理技術(shù)是防止環(huán)空竄流乃至修復(fù)成敗的關(guān)鍵所在，應(yīng)在全國(guó)范圍內(nèi)規(guī)定出可行的方案。④國(guó)外已經(jīng)有數(shù)字型的能即時(shí)檢測(cè)焊接質(zhì)量塑料焊機(jī)，應(yīng)盡可能在這一領(lǐng)域獲得突破，這將有助于確保修復(fù)質(zhì)量………。
　　供水管道迫切需要有計(jì)劃地進(jìn)行修復(fù)，PE塑料管穿插修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的局限性很大，沒有消防栓等管件的供水管道很少，有沒有適用于供水管道修復(fù)的新技術(shù)呢？答案是肯定的，因?yàn)槠邢?，?qǐng)?jiān)试S我另文進(jìn)行專項(xiàng)推介。

五、參考文獻(xiàn)（略）