城市给排水管网改造与管道的非开挖修复

点击次数:   更新时间:15/06/30 20:21:06     来源:www.donghepipe.com关闭分    享:
 

 

宋连仲1、张喃1、王瑞2、张淑洁2、张丽2

(1.中国石油集团工程技术研究院 2.天津工业大学)

对现有的城市管网进行改造,是城市发展过程中不可回避的问题;在城市地下管网设施的更新过程中如果全面采用开挖更换的手段,其庞大的财政开支暂且不说,由此引起的环境问题、交通问题、社会负面影响及对居民生活的影响都将是巨大的、造成的损失是难以估量的。

采取非开挖手段解决现代管网改造中的开挖问题,减少管网改造带来的负面影响是城市建设以及现代社会生活的强烈要求;正是在这样的背景下非开挖安装内衬管道修复技术应运而生;非开挖修复管道技术是指通过给现存管道内部安装内衬的方式使管道获得再生,可以重新获得30~50年以上的是用寿命。非开挖内衬修复技术的主要应用领域:城市公用管道系统,包括:燃气管道、给排水管道、化工管道、电信管道、热力管道、石油管道、以及其他工厂地下工业管道等。

1非开挖修复技术综述

本文主要按照管道非开挖技术所采用的内衬的形态对管道修复系统进行分类介绍。

1.1穿插塑料内衬修复管道工艺技术(内衬与原管道内壁紧密配合):

穿插塑料内衬修复管道工艺技术通常包括以下四种工艺技术方式:冷、热U型技术,冷、热缩径技术。

1.1.1冷热U型技术:

原理是利用材料的形状记忆特性,在内衬塑料管插入现管道之前将其截面变成U形,内衬是连续的,内衬插入到管道内部后在特定条件下恢复原来的管道形状,最终形成修复后的复合管道。本项工艺俗称:折叠变形法(含工厂预制和现场冷压);可用于结构性和非结构性的修复。

1.1.2冷热、加热压缩直径法

在常温或加热之后通过一个模具或者压轮来拉拔内衬管,使内衬管的分子链接重新组合,管径减少。对于4英寸的管直径减少约20%,对于24英寸的管直径减少约为7%,变形就位之后靠塑料长分子对其原始结构的记忆功能,使其直径逐渐的自然的恢复,直至达到与旧管道内径相同的形状和尺寸,形成紧密地内衬层。

总体来讲是无论以上那一种工艺都是将连续管道横截面减小以利于安装,安装完毕后恢复到管道的原始尺寸状态,形成紧贴与原管道内壁的内衬管,达到管道恢复使用功能、延长使用寿命的目的。

主要材料:PEPVC-U

应用类型:非压力管和压力管

本项修复技术的典型尺寸范围 a) 工厂横截面减少的管子:管道内衬可以达到500mmb) 现场横截面减少的管子:管道内衬可以达到1500mm

特点:在可接受范围的管道的横截面最小减少量;流速和流量都可能增加

1.2现场成管加衬修复(CIPP

采用水压力或者气体的压力将已经涂满树脂的软管翻转内衬到现存的管道内部,通过加热或其他措施使内衬材料固化,产生一个刚性的管道内衬层,从而达到安装内衬修复管道的目的。也可以采用牵引进入的方法将管道内衬材料送到管道内部,然后固化成型。

材料:由增强或者非增强纺织物浸渍热固性树脂合成物,可以自由选择在外层或内层涂膜。

典型直径范围:达到2800mm

特点:管道内部的截面达到最小减少量,流速和输送能力会有所增加,可以同时对管道的弯头部位进行作业。

应用:非压力或者压力管道

1.3用离散管加衬修复

在原管道内部拖入的管子比要修复的管道短,当嵌入管道时它们连接成一连续的管子,衬管的横截面积没有发生变化(见图七、离散管加衬修复示意图).

材料:PEPPPVC-uGRP

—短管的长度符合已有人工操作井的拖入要求

—环形缝隙经常灌薄浆

—典型直径范围:达到400mm

—一般意义上管道流量减少。

应用对象:重力流管道

1.4安装内衬软管修复管道

在管道内部安装软管,安装后靠输送的流体压力使软管回复原有形状,形成管道内衬。

材料:纺织品/纤维增强PE

应用:压力管道

性能:软管横向折叠进入已有管道,可以用蒸汽使之膨胀到自身原有环形;或者保持塌陷状态直至承受内部流体压力恢复自身原有的管道形状。

可以是带有一定间隙的内衬或者形成紧密的内衬;在端点和连接点需要特殊处理;通过已有的入口或者小的挖掘坑进行内衬安装操作。

缺点:低压下管道内衬软管可能塌陷。

典型直径范围:70-350mm

如果为紧密配合,管道容量减少值在内衬修复工艺中可以达到最小。

1.5Trolining修复工艺[14]

内衬的外表面焊接成圆柱状的HDPE元件,在元件的外表面有很多凸起物。通过现有黯井把内衬插入到破损的管线中,然后再向凸起物形成的环形空间注浆,浆液为特制的喷射混合物,用喷射器注入。这种高强度材料可以把内衬永久的固定就位。

材料:水泥、PE

缺点:管道截面减少,在一定程度上会影响流量。

典型的直径范围:200-1200mm

应用对象:低压和重力流管道,尤其是管道内部出现淘空情况的管道的修复。

1.6螺旋缠绕安装内衬

定义:带状有肋型材螺旋缠绕形成一个连续的管子,在缠绕形成管子的过程中同时插入现有的管道内部,通过注入水泥浆体将内衬与现有管道紧密结合在一起。(见图7

所用材料:PVC-u

性能:

—通过带子螺旋缠绕形成内衬管道,通过热熔法或者机械方法连接;可能通过人工操作坑进入;台缠绕机可以生产一个范围直径的管子。

典型直径范围:200-1200mm

管道的容积的会有所减少。

应用对象:重力流管道和低压管道,尤其是管道内部出现淘空情况的管道的修复。

1.7以防腐和避免内部结垢为主的管道修复技术

在实际的管道修复过程中,修复的目的与管道输送的介质和现有管道的状况密切相关;在结构完整、基本功能没有受到破坏的前提下,管道的使用功能会由于管道内部的结垢、管道输送介质的腐蚀等情况受到影响;通过修复来提高输送能力,减少介质的二次污染。这方面给水管道的应用及需求是非常明显的。当然在管道结构性修复技术中,本身都具有类似的功能,但结构性的修复成本较高,多数给水管道的修复没有结构上的问题,防腐修复可以满足要求。

防腐修复一般来讲是对原有管道进行清理之后在管道内涂敷防腐层或安装较薄的内衬材料。在工艺上有:涂敷技术和类似于上述的紧密内衬安装工艺技术。在此不再赘述。

1.8管道修复配套机具技术

管道修复的隐蔽性需要辅助的机器人及监测手段;所有的方法均需要遥控的闭路电视(CCTV)进行监控。不同类型的遥控切削器广泛用于非开挖技术实践中,主要用于切削污水管内侵入的树根,以及用内衬施工后重新开口以便与主管道连接。

近几年问世的管道修复新产品包括:机器人管道割刀、机器人管道内部三通处理器、管道三通翻边法兰机器人;一般来讲机器人的工作部位可三维运动。驱动可以有:压缩空气驱动、液压驱动、电机驱动等。

2非开挖管道修复技术在国外城市水管网改造中应用简要介绍:

2.1日本应用管道修复技术情况:

2.1.1日本排水管道的基本状况:

到平成14年度末,日本下水管道普及率为65.2%,管渠的总长度为36万公里,现在每年新建约1500017000km;全国超过50年以上服役的排水管道在城市中心区超过6KM;已经有4050年服役役龄的排水管道在日本国的中心城市约为:9KM.

根据日本管道修复协会的预计在2003年的管道修复市场目标为(管道直径150MM—5000MM100亿日元。

2.1.2在城市管网改造中开发应用情况:

根据日本下水管道再生协会的调查显示[16],在2002年度一年的下水道修复施工长度超过279km;从昭和6年开始累计到2002施工达到:1871km; 东京都到2002年的年末修复管道约205KM

2.2其他发达国家的开发应用情况

据美国杂志报道[18],美国2004年在旧管道修复中用非开挖修复的占了64%(污水管)和20%(自来水管)。

发达国家现有各类地下管线的估计值,总长度为约2000KM;为更新、修复现有地下管线,每年需投资300~500亿美元[19]

近年来非开挖管道施工工程量已经占全部地下管线工程量的10%左右,个别地区如柏林市已经达到40%左右。

2.3一些典型的管道修复实例:

印度孟买砖砌大直径污水管道的修复[20]

概况:直线长度508米的卵形砖砌污水管道;有两种几乎大小等距离围绕的卵形体,第一个尺寸为3英尺4英寸×5英尺,第二个稍大一点为3英尺10英寸×5英尺9英寸。

每天的施工进度:50米;应用技术:PANEL LOK修复方法(即缠绕法)

自来水管道应用实例[21]

法国里昂自来水集团的子公司之一艾塞克斯和萨福克自来水公司(ESW)是一家承担约170万人口供水任务的英国供水公司,该公司约有75KM长的管道需要进行结构维修以便减少渗漏和提高水压;该项目1996年开工到994月完成,超过203公里的管道被更换、安装或重新铺设;其中90%是采用非开挖内衬聚乙烯技术完成的。

美国的排水管道应用实例[22]

在美国的芝加哥市西南郊区的库克县在1998年通过对大约25000ft下水主管道(系统总量的43%)和150条下水道支管(总量的27%)进行了CIPP内衬修复,每天的渗漏量减少了59.6%.

3非开挖修复在我国城市管网改造中的地位及意义[25]

3.1国内管道的基本情况:

截至到2003年为止估计我国排水管道的数量在19.9万公里左右,电信管道16万公里左右;自来水管道的总长度22万公里左右;

1  我国城市供水损失率统计

年份

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

供水损失率%

11.3

13.9

12.9

14.1

12.1

15.7

15.2

13.9

国际上常用单位长供水损失率(m3/Km·h)来衡量比较管网漏耗等损失控制情况。原国际供水协会曾对世界各国25个城市供水损失率进行了统计,表、二、数字表明我国供水损失率为欧洲发达国家的3倍多,比各国平均值高42%

2  世界各地区漏水率比较

地区

北欧

西欧

南欧

东欧

远东

南非、新西兰

各国平均值

中国

供水损失率/m3/(km·h)

0.5

0.5

0.58

1.96

3.75

0.67

1.3

1.85

3.2国内城市面临的管网改造任务[2627]

未来几年中我国将面临2008年在北京举办的奥运会,2010年在上海举办的世博会,以及广州的亚运会。以北京下水管网为例:总长度为3200km,大部分完成在上世纪60-80年代,损坏严重,修复压力不断增加;上海各类排水管线4000km,每年管道的修理费用超过1000万元,目前上海每年因管道老化需要更新的管道达100km左右,这一趋势有逐年增长的趋势。中等城市地下管网的破坏程度也非常严重:仅以太原市为例,大多管线始建于上世纪50年代,通常寿命为25年,目前1/3管线在超期服役,一旦大面积破裂,整个城市将面临瘫痪的状态。而像太原同等规模的城市全国有许多都遭受着同样的命运。小城市管线的修复压力也不容乐观。

天津在2004年安排的自来水管道改造数量为200km,昆明市有144公里的供水管道需要改造;

威海2005年间投入3.19亿进行给排水管道等设施进行系统改造;

新疆的乌鲁木齐市投入3.29亿元资金进行给水管道改造。

福建省南平市投入3000万元进行给水管道改造;

根据国家建设部调研编写的《东北地区城市供水管网改造调研报告》截至2004年底,国家安排东北三省城市供水管网改造国债项目35个,供水管网改造规模2391.04km,总投资19.52亿元,其中国家预算内专项资金2.87亿元,地方自筹16.65亿元,已经改造城市供水管网935公里。

大连市目前拥有使用年限50年以上的供水管道400多公里,今年将投入8500万元改造50km管道。

长沙市投入2.5亿元全面改造老城区给水管网。

郑州市计划投资2.2亿元资金改造100公里排水管网。

从技术的角度去考虑,上述管道改造过程中有相当的数量管道完全可以采用管道内衬修复技术,只要是管道的原始设计输送能力能够达到用户要求,管道的修复技术完全可以满足要求。

3.3非开挖管道修复技术在国内管网改造中的意义:

3.3.1管道修复与新建的技术经济对比分析:

项目内容

管道新建项目内容

管道修复项目内容

规划、设计、监理、

规划、设计、监理、

设计、监理

土方、

全线开挖

局部少量开挖或不开挖

路面开挖于赔偿

按面积进行赔偿

少量或没有

地质条件影响

较大、

较小或没有

地表复原

全线复原

局部或没有

管道连接

管道连接

内衬焊接或没有

监测及问题处理

没有

CCTV监测、问题处理

管道埋深

影响工程费用和工程量

较小或没有

管道的清洗及评价

没有

必须

地面构筑物

拆迁赔偿

没有

管位资源

需要有管位资源或将原管道挖出

利用原来管位资源

环境问题

制造垃圾、污染环境

没有

对城市生活的影响

较大

较小或没有

3.3.2管道修复技术在管网改造中的作用:

管道出现问题需要修复或更新的情况是:

1)、原来管道材料的质量出现问题不能满足管道输送的承压能力,(2)、由于生活改善用水量的需求问题,管道的输送能力无法满足用户的要求;(3)、由于输送介质的变化,管道在使用功能上不能满足要求,例如:原有介质不存在腐蚀,后来由于种种原因出现了腐蚀问题;(4)、由于管道铺设年代久远,漏失严重,同时由于内壁腐蚀、结垢等原因,管道的过水截面积减少,输送能力降低,并且污染水质,为保证水质降低漏失率而进行的城市管网改造;

在管网改造过程中,上述4种情况中,属于(1)、(3)、(4)、种情况的管道改造工程占到了绝大多数,这些管网从技术上讲完全可以采取内衬修复的工艺技术进行解决。这样做不仅节省了大笔费用,而且社会效益非常显著;施工进度快、管道输送能力可以增加,由于在内衬材料的设计上可以采取洁净卫生的材料,可以很好的符合管道洁净输送的要求。

在排水管网改造过程中内衬技术同样可以解决许多的建设技术难题。例如:城市街区的开挖、环境问题、费用的节约、施工速度、对城市生活的干扰与负面影响等。

D300的管道改造工程为例:管道埋深:2米,新建一公里管道造成的建筑垃圾约为1000立方米,破坏路面1000平方米。按照我国天津市的管网改造工程量估计2005年全年改造观望200公里,由此造成的建筑垃圾达到20万立方米,破坏各种路面约20万平方米。如果采用内衬修复技术进行改造,每年由此带来的环境效益件是非常巨大的,姑且不论经济效益。管道修复技术符合国家的可持续发展战略,同时也符合建立节约型社会的根本精神。

目前我国城市管网改造所面临的任务十分艰巨,管道修复技术的开发和推广应用对我国城市管网建设具有非常重大的经济和社会效益,意义重大。

4结束语

管道修复的过程是一个非常严格的过程,首先需要的是管道内衬的设计(厚度、材料、强度刚度、流量、温度等)但目前没有从事内衬修复设计的专业人员,没有供设计人员、管道业主、监理单位使用的相关国家或行业标准。(我们正在编写石油行业标准)

管道修复后已经不是原来单一材料的管道,管道在使用过程中必须根据具体情况制定管道安全使用规程。

国内管道修复技术的落后于国内存在的巨大的市场需求形成了一个鲜明的对比,国内的管网由于历史的原因造成的许多问题都急需内衬修复技术去解决;现在采用的管道更换方法对老城市的管网改造是不适应的,但现在由于缺少高水平的施工开发企业,造成国内的管网改造工程不得不沿用开挖更新的传统做法。

管道非开挖修复技术作为 非开挖技术的一个重要分支,在解决现有管道存在的问题方面发挥着重要作用。

目前管道修复技术在国内仍然处于起步阶段,离成熟阶段仍有很大的距离,仍然有许多问题需要我们去解决,尤其是有关技术及管理机构应该尽早指定一些实用的标准和规范。管道修复技术不论在经济成本、社会成本还是环境成本方面都有着非常大的优势,具有广泛的应用空间;作为参与这一领域的科技与管理人员,我们期待着在不远的将来能够看到管道非开挖修复技术有一个更好的发展,达到科学化、规范化、标准化。

 

参考文献:

[1] BS EN13689---2002

[2] 宋连仲等、国内外管道修复技术及其发展趋势,《中国给水排水》2005年第三期35—38

[3] 日本、2003下水道整備促進特集

[4] 日本、下水道再生协会网页资料

[5] 日本、EPR工法协会网页资料

[6] 夏建国、乌效鸣等、对中国非开技术发展趋势的若干见解,《非开挖技术》2005年第2~3 10~13

[7] 非开挖工程背景资料,《岩土钻凿工程》20032~31~2

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