大同市冊(cè)田引水工程管道內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)應(yīng)用

張 鐸，田日青

（大同市供水有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

1 工程概況

冊(cè)田引水工程始建于1989年，現(xiàn)已接近其設(shè)計(jì)使用年限，混凝土管道承插口膠圈逐年老化，管身保護(hù)層年久腐蝕，局部發(fā)生開(kāi)裂、脫落，導(dǎo)致鋼筋銹蝕嚴(yán)重，管道承壓能力明顯降低，經(jīng)常發(fā)生爆管、決口等漏水現(xiàn)象。近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，在供水管線保護(hù)范圍內(nèi)，興建了大量建筑物，甚至有的直接建在供水管道上，給供水管道更新改造帶來(lái)很大困難，特別是在大同縣西坪段最為嚴(yán)重，在沿管線長(zhǎng)達(dá)5 km保護(hù)范圍內(nèi)，集中建有成片的居民住宅區(qū)和建筑物，存在著嚴(yán)重的安全隱患，此段管道工作壓力（為0.4 MPa）比較大，再加上管徑也較大，一旦發(fā)生決口漏水現(xiàn)象，勢(shì)必危及管道附近居民的財(cái)產(chǎn)和人身安全。

為消除供水安全隱患，西坪段管道急需進(jìn)行更新改造。2016年經(jīng)過(guò)各種方案比選，決定對(duì)此段管道采用國(guó)內(nèi)技術(shù)比較成熟的非開(kāi)挖PE內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地檢測(cè)評(píng)估認(rèn)定，管體結(jié)構(gòu)基本良好，局部存在腐蝕、滲漏、穿孔和接頭漏水等缺陷，采用的內(nèi)襯修復(fù)工藝為半結(jié)構(gòu)性修復(fù)。改造工程歷時(shí)四個(gè)多月，完成了3.4 km長(zhǎng)DN 1200混凝土管道內(nèi)襯修復(fù)。

2 內(nèi)襯PE管施工技術(shù)

管道內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)原理，是將外徑等于或者略小于待修復(fù)管道內(nèi)徑的PE襯管，通過(guò)專(zhuān)用U形壓縮設(shè)備后，截面被壓變成雙層U形，從而使襯管截面縮小約25%－35%。在牽引力的作用下插入待修復(fù)管道。襯管穿插到位后，在氣壓的作用下，使U型PE管打開(kāi)并恢復(fù)成圓形，與外管道內(nèi)壁緊密貼合，使其內(nèi)承壓力、外能抗沖擊，達(dá)到耐腐蝕、抗磨損、嚴(yán)密性、不斷裂等性能有機(jī)統(tǒng)一，形成復(fù)合管道，增強(qiáng)管線的復(fù)合強(qiáng)度。

該工藝的技術(shù)特點(diǎn)是截面縮小量小，過(guò)流能力不減弱，需要的牽引力相對(duì)較小，一次施工的長(zhǎng)度大。施工技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 內(nèi)襯PE管施工技術(shù)原理

3 實(shí)施技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)

3.1 嚴(yán)格控制襯管質(zhì)量

襯管材料的質(zhì)量好壞最為關(guān)鍵。由于內(nèi)襯管壁較薄，屬于非國(guó)標(biāo)產(chǎn)品的特殊定制管道，對(duì)生產(chǎn)技術(shù)、工藝、設(shè)備、人員的要求都非常高，所以生產(chǎn)廠家和原料的選擇非常重要。聚乙烯原料級(jí)別必須使用PE 100，而且必須選用進(jìn)口或國(guó)有特大型石化企業(yè)生產(chǎn)的聚乙烯顆粒，嚴(yán)禁使用回收料。本項(xiàng)目要求使用上海石化原料，襯管必須為高密度聚乙烯管，并委托有資質(zhì)的檢測(cè)單位進(jìn)行取樣抽檢，管材的理化性能、力學(xué)性能等各項(xiàng)指標(biāo)必須符合相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，以確保襯管的質(zhì)量。管材的內(nèi)外表面應(yīng)清潔、光滑，不允許有氣泡和明顯的劃痕、凹陷、雜質(zhì)、顏色不均等缺陷，管端應(yīng)切割平整，與管軸線垂直。同時(shí)，要求廠家按照生產(chǎn)順序確定產(chǎn)品序號(hào)，在現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)按照生產(chǎn)的序號(hào)進(jìn)行熱熔對(duì)焊，降低焊口錯(cuò)位率。

3.2 確定襯管外徑和壁厚

襯管的技術(shù)尺寸是保證本項(xiàng)目有效實(shí)施的重要前提。管道內(nèi)襯施工工藝要求襯管襯入緊貼在原管道的內(nèi)壁上，現(xiàn)場(chǎng)制作形成可靠的復(fù)合管道。襯管外徑過(guò)小，襯管不能緊貼在原管道內(nèi)壁上，會(huì)造成襯管在輸送壓力介質(zhì)過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間處于拉伸、變形狀態(tài)之下，從而縮短襯管的壽命，同時(shí)也降低了修復(fù)后管道的耐壓等級(jí)；襯管外徑過(guò)大，壓U型后的襯管在原管道內(nèi)不能完全漲開(kāi)，出現(xiàn)“褶皺”型疊層，降低了管道輸送能力，同時(shí)埋下質(zhì)量隱患。所以考慮PE管的塑形特性，確定襯管外徑遵循的原則是：內(nèi)襯管道外徑略小于待修復(fù)管段原有管道內(nèi)徑。針對(duì)本項(xiàng)目的施工技術(shù)要求，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆管實(shí)測(cè)，最終確定PE內(nèi)襯管外徑為1 190 mm。同時(shí)，襯管壁厚確定也至關(guān)重要，經(jīng)過(guò)反復(fù)設(shè)計(jì)計(jì)算，本項(xiàng)目襯管壁厚確定為20 mm。

3.3 確定工作坑位置

工作坑的位置應(yīng)選擇管線上相對(duì)寬闊的空地，盡量布置在原管段檢查井、泄水井、排氣井及轉(zhuǎn)角處，穿插最大允許轉(zhuǎn)角11.25°。工作坑間距根據(jù)實(shí)際情況盡量控制在300～500 m范圍內(nèi)。穿插坑沿管線占地長(zhǎng)度不低于50～60 m，管道斷口長(zhǎng)度6～8 m；牽引坑沿管線占地長(zhǎng)度不低于20 m，管道斷口長(zhǎng)度5～6 m。工作坑設(shè)置坡度為20°的導(dǎo)向坡槽，以便于牽引和穿插；開(kāi)挖寬度為管身兩側(cè)各1 m；坡底挖至管底以下0.5 m，以便于管段間連接。

3.4 襯管熱熔控制節(jié)點(diǎn)

熱熔對(duì)接是內(nèi)襯施工工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為保證焊接質(zhì)量及強(qiáng)度，對(duì)接過(guò)程中的對(duì)口錯(cuò)位率不得高于壁厚的10%。壁厚越小，對(duì)焊接的施工工藝水平要求越高。在焊接時(shí)，嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，實(shí)施“即時(shí)檢測(cè)”方法：加熱板溫度控制在210℃～245℃之間，對(duì)接壓力在6 MPa左右，對(duì)接時(shí)間約45 min，冷卻時(shí)間25 min以上。每一道焊口必須做好過(guò)程控制和記錄。

施工作業(yè)環(huán)境溫度高于30℃時(shí)，熱熔焊機(jī)在專(zhuān)用帳篷下工作，以避免陽(yáng)光的直射暴曬；在雨天環(huán)境下施工時(shí)，焊機(jī)在帳篷下工作并做到襯管內(nèi)外均無(wú)水滴；環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，需搭設(shè)保溫帳篷保證焊接環(huán)境溫度大于5℃。

3.5 襯管穿插控制節(jié)點(diǎn)

襯管穿插是內(nèi)襯施工工藝中的核心環(huán)節(jié)，本項(xiàng)目采用了較為成熟的U型壓縮法。考慮到管道摩擦力、沉降等因素，大口徑管道內(nèi)襯施工時(shí)的牽引拉力非常大，甚至有可能將襯管拉斷而導(dǎo)致施工失敗，理論上該拉應(yīng)力不得超過(guò)襯管抗拉強(qiáng)度的40%（9.6 MPa左右）。本項(xiàng)目經(jīng)計(jì)算最大允許拉力為68 t左右，其中施工最長(zhǎng)段為675 m，此段舊管道走向是上下、左右彎曲，在牽引襯管時(shí)，襯管緊貼小彎曲內(nèi)側(cè)，產(chǎn)生很大的摩擦阻力，實(shí)施中最大牽引力達(dá)到26 t。為了減少鋼絲繩拉力，在襯管接頭部增設(shè)2套動(dòng)滑輪，同時(shí)將單根內(nèi)襯管焊接成若干段施工場(chǎng)地所允許的長(zhǎng)度，這樣盡最大可能減少牽引啟動(dòng)的次數(shù)和縮短牽引的時(shí)間。這個(gè)工程難點(diǎn)的解決為國(guó)內(nèi)大口徑管道修復(fù)積累了成功經(jīng)驗(yàn)。

在牽引力的作用下，將U形襯管連續(xù)穿入到舊混凝土管道內(nèi)。在此過(guò)程中要注意控制：襯管滑動(dòng)過(guò)程中需要放置足夠數(shù)量滾輪支架，防止襯管受到外在鋒利物劃傷，一般情況下局部劃痕控制在2 mm以?xún)?nèi)；牽引繩的強(qiáng)度與預(yù)牽引管道的作用力要匹配，特制的牽引頭裝置連接要緊固，避免出現(xiàn)牽引繩斷裂或者脫扣現(xiàn)象；控制牽引設(shè)備的速度在4～12 m/min之間，保持勻速緩慢進(jìn)行。為減小穿插阻力，在施工前對(duì)舊混凝土管道承插口進(jìn)行修口和補(bǔ)口，對(duì)間隙大于6 cm的接口采用高強(qiáng)度水泥進(jìn)行補(bǔ)口，穿插時(shí)在管道進(jìn)口涂抹無(wú)毒潤(rùn)滑油脂。

3.6 翻邊及漲管技術(shù)

一個(gè)施工段襯管穿插完成后，盡快實(shí)施翻邊和漲管，以免U型襯管難以完全恢復(fù)記憶。首先在該施工段兩端混凝土管口上安裝鋼護(hù)套，使用氣囊漲管撐圓襯管端口，然后用專(zhuān)業(yè)模具和加熱作業(yè)方法對(duì)襯管端口進(jìn)行翻邊，制作成PE法蘭緊貼在鋼護(hù)套的鋼制法蘭上。襯管兩端翻邊完成后，安裝上鋼制盲板作為封堵，利用空壓機(jī)對(duì)該施工段襯管進(jìn)行氣壓法漲管，逐步加壓到0.3 MPa，至少穩(wěn)壓24 h以上，以確保內(nèi)襯管全部漲到位。泄壓后鉆管進(jìn)行復(fù)查，局部未漲到位的地方用千斤頂圓。

3.7 對(duì)虹吸式管段的技術(shù)處理

本項(xiàng)目段管道有一處虹吸式鋼管段，兩側(cè)為30°鋼彎頭，并且上面均建有居民房屋，難以開(kāi)挖工作坑，無(wú)法進(jìn)行內(nèi)襯穿插施工。經(jīng)過(guò)多方論證，將襯管拉到彎頭鋼管位置，經(jīng)氣囊漲管后，在襯管端頭的外側(cè)與鋼管間安裝兩道密封圈，再在襯管端頭內(nèi)側(cè)焊接兩道寬20 cm的鋼圈把膠圈壓緊，然后用4道不銹鋼內(nèi)漲圈把50 cm寬的橡膠密封帶緊壓在襯管端頭和鋼管上，這樣就把襯管接頭和鋼管內(nèi)壁連接在一起，形成一個(gè)整體。此項(xiàng)連接技術(shù)，經(jīng)過(guò)水壓試驗(yàn)和超過(guò)一年通水檢驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果。

3.8 增設(shè)支墩

工作坑管道用鋼管連接好以后，在其下部必須增設(shè)3～4個(gè)混凝土支墩，然后才能進(jìn)行充水打壓，防止因地基下沉對(duì)兩側(cè)襯管造成損傷。

3.9 確定施工期

由于PE管材線性膨脹系數(shù)大，在施工過(guò)程中必須考慮到管材熱脹冷縮的影響，最好選擇在水溫和環(huán)境溫差比較小的時(shí)間實(shí)施，同時(shí)盡量避開(kāi)夏天高溫季節(jié)施工，減少和降低管材熱脹冷縮對(duì)施工造成的影響。3.10 運(yùn)行管理

PE內(nèi)襯管道在運(yùn)行管理過(guò)程中，特別是管道檢修泄水過(guò)程中，必須確認(rèn)此段管道上進(jìn)排氣閥處于打開(kāi)狀態(tài)，防止在管道內(nèi)形成負(fù)壓，以避免襯管被負(fù)壓吸扁，損壞內(nèi)襯管材，降低管道使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

竣工交付使用一年多，管道運(yùn)行正常。隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市原有供水管道急需提高供水質(zhì)量，而隨著使用年限的不斷推移，原有管道的腐蝕和滲漏現(xiàn)象非常嚴(yán)重，對(duì)其進(jìn)行改造已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。本項(xiàng)目DN 1200混凝土管道PE管內(nèi)襯改造后，經(jīng)分析計(jì)算比較，可降低管網(wǎng)沿程水頭損失約30%，同時(shí)提高輸水能力約20%，綜合水利特性明顯，造價(jià)又可以較新建管道下降40%以上。因此，本項(xiàng)目對(duì)于管道非開(kāi)挖內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。