修复供水管线不宜采用HDPE管穿插技术

修复供水管线不宜采用HDPE管穿插技术

宁克远 (北京海华通管道修复有限公司)

　　摘要：本文简要介绍了聚乙烯（PE）管穿插修复旧管道技术的主要工法、技术优势和不足之处，并就其在我国供水管线上应用的可行性、应用范围提出了浅显的认识。
　　关键词：管道修复、HDPE管、不开挖

　　前言：免（或少）开挖在线管道修复技术因为延长了旧管线的使用寿命、减少了企业损失，在国外应用发展30多年了。分析我国供水行业现况，跟踪研判国际同业的技术进展，建设部早在《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中已就供水管线的修复提出了具有前瞻性的指导意见。如改造规划的制定、修复方法介绍、修复工法的选择依据等。几年来，伴随国际间的技术交流，国内专业公司的推介，我们对各类旧管道修复技术有了比较全面的认知。为有的放矢地把握质量关口，我们有必要对各修复工艺的机理、技术特征、尤其是技术自身固有的缺陷及施工中常会存在的问题进行深入的了解。聚乙烯（PE）管穿插修复旧管道技术在国内燃气管线修复中已有应用，参照国外相关技术资料，结合我国供水行业的实际状况，本文就聚乙烯管穿插修复旧管道技术在供水管线上应用的可行性、应用范围给出结论，还将就设计中从何处着手控制质量进行讨论。

一、供水管道的一般特征和修复的目标

　　一种管道修复技术的选取，必须结合待修复管道的实际情况来进行分析，对于供水管道来说，一定要清楚其一般特征，如（1）供水管道一般具备足够的结构强度（2）供水压力一般在1MPa以下（3）支管较多，特别是100米左右有一个消防栓（4）要求被选定的修复工艺所用材料通过安全性评价。
　　 然后针对业主的修复的目标，如（1）减少爆管事故的发生，提高供水安全性（2）杜绝漏水损失的继续存在，降低漏耗（3）改善管网水质（4）恢复管道输水能力，降低能耗等。
　　 首先要确保技术可行，然后才能考虑经济效益。

二、PE管修复技术的主要工法

　　1．Sliplining---滑入衬装法。1995年以前，这种工法在许多旧管道修复中有应用。它是将比旧管道口径小得多的PE管拉入到原有的旧管道中，所以这种工法会造成输送能力的大幅降低。壁厚设计上要求PE管独自承担运行压力，同时要考虑到：1）考虑冰冻的影响。PE管与旧管间隙有时会积满水，水面冰冻后体积急剧膨胀，形成向外的径向压力，能将PE管挤扁。从理论上计算，PE管的截面不应小于旧管截面的40％，这样才能有效的防止冰冻的影响。2）根据美国公司的施工实践，PE管的最大横截面积不可以高于旧管的80％。3）旧管与PE管间的环空间隙必须部分或全部填充，以固定PE管。填充料可选用水泥砂浆，聚氨脂泡沫。4）塑料管穿插过程中要有防划伤措施。
　　2．Swagelining---是采用拉伸、滚轮碾压等方式将PE管截面积缩小后拉入旧管道，然后再经膨胀复原与旧管贴合在一起。这是目前国际上塑料管穿插技术中争议最小的工艺。它所采用的是与ASTM标准相适应的PE管，比较常规的PE管安装只增加了缩径工序，所以这时就须注意：1）美国专利宣称超高压聚乙烯管在破裂前其径向膨胀系数为 12-15％，出于安全考虑，常取其一半值来确保衬里紧密胀贴时不被胀裂，因此，衬管径向膨胀，最好不要超过它原来直径的6％，这样才能保证内衬工艺的安全性。2）一般，PE管缩径10％后在足够长的时间内可自行恢复7％。美国芝加哥燃气研究院认为，缩径形变的工艺问题和管输介质环空窜移问题值得进一步研究。
　　3．U－liner---将PE管压制成U型后拉入旧管，最后再经膨胀复原与旧管贴合在一起。压U型工艺最早起源于英国Insituform公司采用PVC管修复下水道，因为PVC管道材质的柔性。待PE管采用压U型工艺时，因为它的刚性必须将塑料管的壁厚减下来才能实现，那么各项ASTM、ISO的相关标准关于壁厚要求是否还要执行？有资料认为在重力管线、压力较低的燃气管线和0.2MPa以下的供水管线上基本上可用，但有关壁厚设计的SDR必须小于32.5。有些施工单位为了易于轧制U型，将PE管壁厚严重减薄至5mm左右，这种牺牲内衬层远期性能的做法是必须坚决杜绝的。另外,选用薄壁PE塑料管压制成U型的工艺机理在国际上还有很大争议，其变形工艺、复原工艺等均属unknown范畴。我公司Re-III塑料管穿插技术属于此类工艺。

三、PE管内衬修复供水管线的适用性

　　在供水管道修复中采用HDPE管穿插法最需要关注的问题是消防栓的存在，一般100米左右一个消防栓，这是客观事实。HDPE管穿插法的优势之一就是一次施工距离较长（小于672米），如果每遇消防栓就开挖工作坑是不可行的，至少开挖的引沟的长度已经快接近两个消防栓的间距，与开挖换管没多大差别了。这时就要依靠支口密封，但全世界在支管线的接驳技术上因为HDPE材质的不可粘接性而无法实现；我们还知道，金属管道和聚乙烯管具有不同的膨胀和收缩率，如果在支管位置同样作PE管内衬进行密封处理，则此处内衬层将承受严重的剪应力，很可能会将支管剪断，这一点可由Jens Peter Larsen指出的美国南佛罗里达州出现的施工故障得到说明。所以HDPE塑料管穿插修复技术能够应用的供水管线最好是没有（或尽可能少）消防栓等管件的管线，只有把这些管件位置作为操作坑才可使用，否则这项技术在供水管道上应用的可行性几乎是否定的。
　　还须注意的是：因为插入的塑料管道的口径都是因旧管道实际管径大小设计的，所以口径和壁厚千差万别。当后期有接支管需要时，必须制作相应口径的模具才能制作相应的管件，费用巨大。

四、PE管修复施工方案设计要点

在确实可以采用HDPE管穿插技术进行修复施工时，可从下面几个角度审查设计方案的可行性。
1．PE塑料管材质的规定
首先,我们认为PE管材质的选择有待商榷。美国Polymeric公司是轧制U型的PE管用料的全球供应商，我们国内现有的PE管材质是否能够满足轧制U型管材的技术要求尚需探讨，在没有统一标准的情况下，最好的办法是将国产料与Polymeric公司用料作技术指标对比，先在标准上与国际接轨。
在美国，用作内衬材料的聚乙烯在美国专利4，496，499有报道，要求PE管能经受至少１２～１５％的径向膨胀且至少在一年后没有脆裂等破坏现象，应力开裂时间应超过1000hrs（ASTM DO1693－75）。在美国，超高分子量的（UHMWHDP）PE3406适合用作衬里材料，我国在现时情况下使用的材料可以与之进行指标对比。
2．PE塑料管口径的选择
就目前的资料报道，PE塑料管穿插应用于燃气管线修复的最大口径是美国布鲁克林输气公司一条直径508mm钢管内穿插了一条外径493mm、壁厚16.5mm的聚乙烯管，可达到工作压力为1Kg/cm² 。一般来说，PE管穿插技术修复燃气管线的管径不应大于18英吋(DN450) ，这与相应的ASTM各标准也是相吻合的。对照供水管道，压力一般为10Kg/cm²，SDR值如果过大是无法满足压力要求的，特别对于U-liner技术而言，口径大(DN400以上)壁厚薄（小于10mm）是一对矛盾体，通俗的理解是口径过大的PE管作衬里材料能否成为坚固圆筒状自支撑结构，因为这恰恰是焊接质量的保障，否则接口都对不正哪里还能焊接好（国内沧州、长春已经有打压不能通过的记录）。
3．壁厚设计
当衬管被拉入旧管段时，都会在横断面上产生一定的应力，衬管必须有一定的壁厚足以承受这一拉伸应力，即衬管内产生的应力必须小于它的拉伸屈服极限，所以，只有内衬管达到一定厚度时，才可以防止拉力过大导致它的断裂破坏。ASTM标准中，应用于非压力管线的壁厚设计的SDR（直径与壁厚比）值不低于32.5，一般有SDR＝11、17、24、26、32.5几个规格，也可参照美国管道标准192、121条款中的公式来计算：

　　P＝0.32x2St∕(D-t),

式中：P--设计压力
S--远期静压强度
　　　t--管道壁厚
D--管道外径

　　4．一次施工距离
　　国内有些施工企业宣称采用PE管内衬修复旧管道，一次施工距离可达3Km，这是完全错误的。一次施工距离的确定，主要考虑牵引力、PE管的物理性能、旧金属管的弯曲程度，有无管件的问题等。国外许多资料证明，对于性能优良的衬管材料，旧管道一次修复距离不要超过762m，因为经过计算，超过762m的衬管被拉入旧管段时，衬管会承受较大的拉应力并超过其拉伸屈服极限使其损伤。这是通过理论计算得来的，在实际施工中，天津就有在内衬施工中拉断PE管的实例。而且就城市供水管道来说，还要根据旧管道路径周围具体的环境来确定具体的施工长度，因为焊接在一起的塑料管有可能封堵几条路口的交通。
　　5．PE管能够允许的拉伸负荷的确定
　　在ASTM标准中，PE管允许的拉伸负荷的计算公式如下：

　　ATL＝fy×ft×Ty×π×D ²（1/R-1/R²）

　　式中：ATL――允许的拉伸负荷
　　　　 fy―― 屈张设计安全系数，一般取0.4
　　　　 ft―― 拉伸状态下的时间安全系数，取0.95
　　　　 Ty―― 拉伸屈服强度，PE2406取18Mpa（2600psi）
　　　　 D―― 管外径
　　　　 R―― 管径比

　　一般，ATL值接近0.35Mpa，如对DN300的PE管材，其能够承受的拉力不应超过2.5T，也可以从ATL值推算PE管SDR值不应低于 32.5。否则，PE管所受到的拉力会对内衬层造成内在的本质的破坏，即使短期内未被发现。
　　6．关于作业坑尺寸
作业坑尺寸对于PE管穿插修复旧管道来说也是质量控制的重要参数，在我国南方地区，管线正常埋深为1.2m，对东北地区可能达到1.5m以上，所以，作业坑的长度应根据管道埋深作相应的调整，计算公式为：

L＝d×ф

式中：L--操作坑长度
　　 d--埋地深度
ф--塑料管口径（英寸）

　　当聚乙烯管材进行一定的连续变形时，会发生应力松驰，即会产生微小的分子链断裂造成内伤，各种穿插工艺中加温、变径、轧制Ｕ型等工法的使用，对应力松驰起加速作用。所以，作业坑的长度不能简单地看做施工难易的尺度，它是影响插入后PE管性能的重要影响因素。我们必须参照ISO/TC138的有关规定，PE管的最小曲率半径为25D，所以，还要对下表所示作业坑尺寸做适当的增加。

表1 作业坑尺寸

7．衬管径向胀贴工艺参数
　　当PE管穿插到位后，将采用加温加压的方式对内衬管进行胀贴作业，技术要求是：温度必须低于82℃，压力低于0.7Mpa。温度和压力过高会使聚乙烯分子间排列发生变化，衬管内的应力进一步增大造成PE管破裂；必须保证径向胀贴的时间不低于20分钟--即衬管内的压力值随热水的注入保持一个“平缓值”，一旦衬管紧密贴合于旧管内壁后，还要继续加压看到管内压力高于这个“平缓值”。质控部门必须严格控制胀贴工艺参数，对那些用高温高压水蒸气进行胀贴的做法必须坚决制止。
8．运行后期开T
　　已完成内衬的旧管道上再接支管线的可行性变小，因为PE管材质是不可能粘接的，此时要保证密封性能难度非常大。要求设计部门在内衬PE管前就将预设支管位置的相关计划做好，尽量避免运行后期再开T。

四、尚需进一步完善的部分

　　PE塑料管穿插修复技术应用于给水管线的修复还是一个新生事物，国内已有水司进行了实验应用，实践中产生了许多的问题，特别因为消防栓等管件的存在牺牲了修复质量，密封不好的结果造成自来水在旧管与衬层环空间窜流，根本不能达到修复旧管的目的，即使短期内没有事故发生，上海就发生过窜进夹层的燃气燃烧的记录。
　　实践证明各种PE塑料管穿插工法在修复给水管线时尚需进一步完善的部分如：①PE塑料管的变形、复原机理要经过深入的理论证明。②PE塑料管选用材质和成型工艺要参照国外标准进行界定；各种修复工艺要有相应的施工及验收规范。③端口处理技术是防止环空窜流乃至修复成败的关键所在，应在全国范围内规定出可行的方案。④国外已经有数字型的能即时检测焊接质量塑料焊机，应尽可能在这一领域获得突破，这将有助于确保修复质量………。
　　供水管道迫切需要有计划地进行修复，PE塑料管穿插修复技术应用的局限性很大，没有消防栓等管件的供水管道很少，有没有适用于供水管道修复的新技术呢？答案是肯定的，因为篇幅有限，请允许我另文进行专项推介。

五、参考文献（略）