幸运28计划论坛:城市給排水管網改造與管道的非開挖修復

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宋連仲1、張喃1、王瑞2、張淑潔2、張麗2

(1.中國石油集團工程技術研究院 2.天津工業大學)

對現有的城市管網進行改造,是城市發展過程中不可回避的問題;在城市地下管網設施的更新過程中如果全面采用開挖更換的手段,其龐大的財政開支暫且不說,由此引起的環境問題、交通問題、社會負面影響及對居民生活的影響都將是巨大的、造成的損失是難以估量的。

采取非開挖手段解決現代管網改造中的開挖問題,減少管網改造帶來的負面影響是城市建設以及現代社會生活的強烈要求;正是在這樣的背景下非開挖安裝內襯管道修復技術應運而生;非開挖修復管道技術是指通過給現存管道內部安裝內襯的方式使管道獲得再生,可以重新獲得30~50年以上的是用壽命。非開挖內襯修復技術的主要應用領域:城市公用管道系統,包括:燃氣管道、給排水管道、化工管道、電信管道、熱力管道、石油管道、以及其他工廠地下工業管道等。

1非開挖修復技術綜述

本文主要按照管道非開挖技術所采用的內襯的形態對管道修復系統進行分類介紹。

1.1穿插塑料內襯修復管道工藝技術(內襯與原管道內壁緊密配合):

穿插塑料內襯修復管道工藝技術通常包括以下四種工藝技術方式:冷、熱U型技術,冷、熱縮徑技術。

1.1.1冷熱U型技術:

原理是利用材料的形狀記憶特性,在內襯塑料管插入現管道之前將其截面變成U形,內襯是連續的,內襯插入到管道內部后在特定條件下恢復原來的管道形狀,最終形成修復后的復合管道。本項工藝俗稱:折疊變形法(含工廠預制和現場冷壓);可用于結構性和非結構性的修復。

1.1.2冷熱、加熱壓縮直徑法

在常溫或加熱之后通過一個模具或者壓輪來拉拔內襯管,使內襯管的分子鏈接重新組合,管徑減少。對于4英寸的管直徑減少約20%,對于24英寸的管直徑減少約為7%,變形就位之后靠塑料長分子對其原始結構的記憶功能,使其直徑逐漸的自然的恢復,直至達到與舊管道內徑相同的形狀和尺寸,形成緊密地內襯層。

總體來講是無論以上那一種工藝都是將連續管道橫截面減小以利于安裝,安裝完畢后恢復到管道的原始尺寸狀態,形成緊貼與原管道內壁的內襯管,達到管道恢復使用功能、延長使用壽命的目的。

主要材料:PE、PVC-U

應用類型:非壓力管和壓力管

本項修復技術的典型尺寸范圍 a) 工廠橫截面減少的管子:管道內襯可以達到500mm;b) 現場橫截面減少的管子:管道內襯可以達到1500mm;

特點:在可接受范圍的管道的橫截面最小減少量;流速和流量都可能增加

1.2現場成管加襯修復(CIPP

采用水壓力或者氣體的壓力將已經涂滿樹脂的軟管翻轉內襯到現存的管道內部,通過加熱或其他措施使內襯材料固化,產生一個剛性的管道內襯層,從而達到安裝內襯修復管道的目的。也可以采用牽引進入的方法將管道內襯材料送到管道內部,然后固化成型。

材料:由增強或者非增強紡織物浸漬熱固性樹脂合成物,可以自由選擇在外層或內層涂膜。

典型直徑范圍:達到2800mm;

特點:管道內部的截面達到最小減少量,流速和輸送能力會有所增加,可以同時對管道的彎頭部位進行作業。

應用:非壓力或者壓力管道

1.3用離散管加襯修復

在原管道內部拖入的管子比要修復的管道短,當嵌入管道時它們連接成一連續的管子,襯管的橫截面積沒有發生變化(見圖七、離散管加襯修復示意圖).

材料:PE、PP、PVC-u、GRP;

—短管的長度符合已有人工操作井的拖入要求

—環形縫隙經常灌薄漿

—典型直徑范圍:達到400mm

—一般意義上管道流量減少。

應用對象:重力流管道

1.4安裝內襯軟管修復管道

在管道內部安裝軟管,安裝后靠輸送的流體壓力使軟管回復原有形狀,形成管道內襯。

材料:紡織品/纖維增強PE

應用:壓力管道

性能:軟管橫向折疊進入已有管道,可以用蒸汽使之膨脹到自身原有環形;或者保持塌陷狀態直至承受內部流體壓力恢復自身原有的管道形狀。

可以是帶有一定間隙的內襯或者形成緊密的內襯;在端點和連接點需要特殊處理;通過已有的入口或者小的挖掘坑進行內襯安裝操作。

缺點:低壓下管道內襯軟管可能塌陷。

典型直徑范圍:70-350mm

如果為緊密配合,管道容量減少值在內襯修復工藝中可以達到最小。

1.5Trolining修復工藝[14]

內襯的外表面焊接成圓柱狀的HDPE元件,在元件的外表面有很多凸起物。通過現有黯井把內襯插入到破損的管線中,然后再向凸起物形成的環形空間注漿,漿液為特制的噴射混合物,用噴射器注入。這種高強度材料可以把內襯永久的固定就位。

材料:水泥、PE

缺點:管道截面減少,在一定程度上會影響流量。

典型的直徑范圍:200-1200mm

應用對象:低壓和重力流管道,尤其是管道內部出現淘空情況的管道的修復。

1.6螺旋纏繞安裝內襯

定義:帶狀有肋型材螺旋纏繞形成一個連續的管子,在纏繞形成管子的過程中同時插入現有的管道內部,通過注入水泥漿體將內襯與現有管道緊密結合在一起。(見圖7

所用材料:PVC-u

性能:

—通過帶子螺旋纏繞形成內襯管道,通過熱熔法或者機械方法連接;可能通過人工操作坑進入;臺纏繞機可以生產一個范圍直徑的管子。

典型直徑范圍:200-1200mm

管道的容積的會有所減少。

應用對象:重力流管道和低壓管道,尤其是管道內部出現淘空情況的管道的修復。

1.7以防腐和避免內部結垢為主的管道修復技術

在實際的管道修復過程中,修復的目的與管道輸送的介質和現有管道的狀況密切相關;在結構完整、基本功能沒有受到破壞的前提下,管道的使用功能會由于管道內部的結垢、管道輸送介質的腐蝕等情況受到影響;通過修復來提高輸送能力,減少介質的二次污染。這方面給水管道的應用及需求是非常明顯的。當然在管道結構性修復技術中,本身都具有類似的功能,但結構性的修復成本較高,多數給水管道的修復沒有結構上的問題,防腐修復可以滿足要求。

防腐修復一般來講是對原有管道進行清理之后在管道內涂敷防腐層或安裝較薄的內襯材料。在工藝上有:涂敷技術和類似于上述的緊密內襯安裝工藝技術。在此不再贅述。

1.8管道修復配套機具技術

管道修復的隱蔽性需要輔助的機器人及監測手段;所有的方法均需要??氐謀章返縭櫻?span>CCTV)進行監控。不同類型的??厙邢髕鞴惴河糜詵強詡際跏導?,主要用于切削污水管內侵入的樹根,以及用內襯施工后重新開口以便與主管道連接。

近幾年問世的管道修復新產品包括:機器人管道割刀、機器人管道內部三通處理器、管道三通翻邊法蘭機器人;一般來講機器人的工作部位可三維運動。驅動可以有:壓縮空氣驅動、液壓驅動、電機驅動等。

2非開挖管道修復技術在國外城市水管網改造中應用簡要介紹:

2.1日本應用管道修復技術情況:

2.1.1日本排水管道的基本狀況:

到平成14年度末,日本下水管道普及率為65.2%,管渠的總長度為36萬公里,現在每年新建約1500017000km;全國超過50年以上服役的排水管道在城市中心區超過6KM;已經有4050年服役役齡的排水管道在日本國的中心城市約為:9KM.

根據日本管道修復協會的預計在2003年的管道修復市場目標為(管道直徑150MM—5000MM100億日元。

2.1.2在城市管網改造中開發應用情況:

根據日本下水管道再生協會的調查顯示[16],在2002年度一年的下水道修復施工長度超過279km;從昭和6年開始累計到2002施工達到:1871km; 東京都到2002年的年末修復管道約205KM。

2.2其他發達國家的開發應用情況

據美國雜志報道[18],美國2004年在舊管道修復中用非開挖修復的占了64%(污水管)和20%(自來水管)。

發達國家現有各類地下管線的估計值,總長度為約2000KM;為更新、修復現有地下管線,每年需投資300~500億美元[19]

近年來非開挖管道施工工程量已經占全部地下管線工程量的10%左右,個別地區如柏林市已經達到40%左右。

2.3一些典型的管道修復實例:

印度孟買磚砌大直徑污水管道的修復[20]

概況:直線長度508米的卵形磚砌污水管道;有兩種幾乎大小等距離圍繞的卵形體,第一個尺寸為3英尺4英寸×5英尺,第二個稍大一點為3英尺10英寸×5英尺9英寸。

每天的施工進度:50米;應用技術:PANEL LOK修復方法(即纏繞法)

自來水管道應用實例[21]

法國里昂自來水集團的子公司之一艾塞克斯和薩??俗岳此荊?span>ESW)是一家承擔約170萬人口供水任務的英國供水公司,該公司約有75KM長的管道需要進行結構維修以便減少滲漏和提高水壓;該項目1996年開工到994月完成,超過203公里的管道被更換、安裝或重新鋪設;其中90%是采用非開挖內襯聚乙烯技術完成的。

美國的排水管道應用實例[22]

在美國的芝加哥市西南郊區的庫克縣在1998年通過對大約25000ft下水主管道(系統總量的43%)和150條下水道支管(總量的27%)進行了CIPP內襯修復,每天的滲漏量減少了59.6%.

3非開挖修復在我國城市管網改造中的地位及意義[25]

3.1國內管道的基本情況:

截至到2003年為止估計我國排水管道的數量在19.9萬公里左右,電信管道16萬公里左右;自來水管道的總長度22萬公里左右;

1  我國城市供水損失率統計

年份

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

供水損失率%

11.3

13.9

12.9

14.1

12.1

15.7

15.2

13.9

國際上常用單位長供水損失率(m3/Km·h)來衡量比較管網漏耗等損失控制情況。原國際供水協會曾對世界各國25個城市供水損失率進行了統計,表、二、數字表明我國供水損失率為歐洲發達國家的3倍多,比各國平均值高42%;

2  世界各地區漏水率比較

地區

北歐

西歐

南歐

東歐

遠東

南非、新西蘭

各國平均值

中國

供水損失率/m3/(km·h)

0.5

0.5

0.58

1.96

3.75

0.67

1.3

1.85

3.2國內城市面臨的管網改造任務[26、27]

未來幾年中我國將面臨2008年在北京舉辦的奧運會,2010年在上海舉辦的世博會,以及廣州的亞運會。以北京下水管網為例:總長度為3200km,大部分完成在上世紀60-80年代,損壞嚴重,修復壓力不斷增加;上海各類排水管線4000km,每年管道的修理費用超過1000萬元,目前上海每年因管道老化需要更新的管道達100km左右,這一趨勢有逐年增長的趨勢。中等城市地下管網的破壞程度也非常嚴重:僅以太原市為例,大多管線始建于上世紀50年代,通常壽命為25年,目前1/3管線在超期服役,一旦大面積破裂,整個城市將面臨癱瘓的狀態。而像太原同等規模的城市全國有許多都遭受著同樣的命運。小城市管線的修復壓力也不容樂觀。

天津在2004年安排的自來水管道改造數量為200km,昆明市有144公里的供水管道需要改造;

威海2005年間投入3.19億進行給排水管道等設施進行系統改造;

新疆的烏魯木齊市投入3.29億元資金進行給水管道改造。

福建省南平市投入3000萬元進行給水管道改造;

根據國家建設部調研編寫的《東北地區城市供水管網改造調研報告》截至2004年底,國家安排東北三省城市供水管網改造國債項目35個,供水管網改造規模2391.04km,總投資19.52億元,其中國家預算內專項資金2.87億元,地方自籌16.65億元,已經改造城市供水管網935公里。

大連市目前擁有使用年限50年以上的供水管道400多公里,今年將投入8500萬元改造50km管道。

長沙市投入2.5億元全面改造老城區給水管網。

鄭州市計劃投資2.2億元資金改造100公里排水管網。

從技術的角度去考慮,上述管道改造過程中有相當的數量管道完全可以采用管道內襯修復技術,只要是管道的原始設計輸送能力能夠達到用戶要求,管道的修復技術完全可以滿足要求。

3.3非開挖管道修復技術在國內管網改造中的意義:

3.3.1管道修復與新建的技術經濟對比分析:

項目內容

管道新建項目內容

管道修復項目內容

規劃、設計、監理、

規劃、設計、監理、

設計、監理

土方、

全線開挖

局部少量開挖或不開挖

路面開挖于賠償

按面積進行賠償

少量或沒有

地質條件影響

較大、

較小或沒有

地表復原

全線復原

局部或沒有

管道連接

管道連接

內襯焊接或沒有

監測及問題處理

沒有

CCTV監測、問題處理

管道埋深

影響工程費用和工程量

較小或沒有

管道的清洗及評價

沒有

必須

地面構筑物

拆遷賠償

沒有

管位資源

需要有管位資源或將原管道挖出

利用原來管位資源

環境問題

制造垃圾、污染環境

沒有

對城市生活的影響

較大

較小或沒有

3.3.2管道修復技術在管網改造中的作用:

管道出現問題需要修復或更新的情況是:

1)、原來管道材料的質量出現問題不能滿足管道輸送的承壓能力,(2)、由于生活改善用水量的需求問題,管道的輸送能力無法滿足用戶的要求;(3)、由于輸送介質的變化,管道在使用功能上不能滿足要求,例如:原有介質不存在腐蝕,后來由于種種原因出現了腐蝕問題;(4)、由于管道鋪設年代久遠,漏失嚴重,同時由于內壁腐蝕、結垢等原因,管道的過水截面積減少,輸送能力降低,并且污染水質,為保證水質降低漏失率而進行的城市管網改造;

在管網改造過程中,上述4種情況中,屬于(1)、(3)、(4)、種情況的管道改造工程占到了絕大多數,這些管網從技術上講完全可以采取內襯修復的工藝技術進行解決。這樣做不僅節省了大筆費用,而且社會效益非常顯著;施工進度快、管道輸送能力可以增加,由于在內襯材料的設計上可以采取潔凈衛生的材料,可以很好的符合管道潔凈輸送的要求。

在排水管網改造過程中內襯技術同樣可以解決許多的建設技術難題。例如:城市街區的開挖、環境問題、費用的節約、施工速度、對城市生活的干擾與負面影響等。

D300的管道改造工程為例:管道埋深:2米,新建一公里管道造成的建筑垃圾約為1000立方米,破壞路面1000平方米。按照我國天津市的管網改造工程量估計2005年全年改造觀望200公里,由此造成的建筑垃圾達到20萬立方米,破壞各種路面約20萬平方米。如果采用內襯修復技術進行改造,每年由此帶來的環境效益件是非常巨大的,姑且不論經濟效益。管道修復技術符合國家的可持續發展戰略,同時也符合建立節約型社會的根本精神。

目前我國城市管網改造所面臨的任務十分艱巨,管道修復技術的開發和推廣應用對我國城市管網建設具有非常重大的經濟和社會效益,意義重大。

4結束語

管道修復的過程是一個非常嚴格的過程,首先需要的是管道內襯的設計(厚度、材料、強度剛度、流量、溫度等)但目前沒有從事內襯修復設計的專業人員,沒有供設計人員、管道業主、監理單位使用的相關國家或行業標準。(我們正在編寫石油行業標準)

管道修復后已經不是原來單一材料的管道,管道在使用過程中必須根據具體情況制定管道安全使用規程。

國內管道修復技術的落后于國內存在的巨大的市場需求形成了一個鮮明的對比,國內的管網由于歷史的原因造成的許多問題都急需內襯修復技術去解決;現在采用的管道更換方法對老城市的管網改造是不適應的,但現在由于缺少高水平的施工開發企業,造成國內的管網改造工程不得不沿用開挖更新的傳統做法。

管道非開挖修復技術作為 非開挖技術的一個重要分支,在解決現有管道存在的問題方面發揮著重要作用。

目前管道修復技術在國內仍然處于起步階段,離成熟階段仍有很大的距離,仍然有許多問題需要我們去解決,尤其是有關技術及管理機構應該盡早指定一些實用的標準和規范。管道修復技術不論在經濟成本、社會成本還是環境成本方面都有著非常大的優勢,具有廣泛的應用空間;作為參與這一領域的科技與管理人員,我們期待著在不遠的將來能夠看到管道非開挖修復技術有一個更好的發展,達到科學化、規范化、標準化。

 

參考文獻:

[1] BS EN13689---2002

[2] 宋連仲等、國內外管道修復技術及其發展趨勢,《中國給水排水》2005年第三期35—38

[3] 日本、2003下水道整備促進特集

[4] 日本、下水道再生協會網頁資料

[5] 日本、EPR工法協會網頁資料

[6] 夏建國、烏效鳴等、對中國非開技術發展趨勢的若干見解,《非開挖技術》2005年第2~3 10~13

[7] 非開挖工程背景資料,《巖土鉆鑿工程》20032~31~2

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