修復供水管線不宜采用HDPE管穿插技術

寧克遠 (北京海華通管道修復有限公司)

　　摘要：本文簡要介紹了聚乙烯（PE）管穿插修復舊管道技術的主要工法、技術優勢和不足之處，并就其在我國供水管線上應用的可行性、應用范圍提出了淺顯的認識。
　　關鍵詞：管道修復、HDPE管、不開挖

　　前言：免（或少）開挖在線管道修復技術因為延長了舊管線的使用壽命、減少了企業損失，在國外應用發展30多年了。分析我國供水行業現況，跟蹤研判國際同業的技術進展，建設部早在《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》中已就供水管線的修復提出了具有前瞻性的指導意見。如改造規劃的制定、修復方法介紹、修復工法的選擇依據等。幾年來，伴隨國際間的技術交流，國內專業公司的推介，我們對各類舊管道修復技術有了比較全面的認知。為有的放矢地把握質量關口，我們有必要對各修復工藝的機理、技術特征、尤其是技術自身固有的缺陷及施工中常會存在的問題進行深入的了解。聚乙烯（PE）管穿插修復舊管道技術在國內燃氣管線修復中已有應用，參照國外相關技術資料，結合我國供水行業的實際狀況，本文就聚乙烯管穿插修復舊管道技術在供水管線上應用的可行性、應用范圍給出結論，還將就設計中從何處著手控制質量進行討論。

一、供水管道的一般特征和修復的目標

　　一種管道修復技術的選取，必須結合待修復管道的實際情況來進行分析，對于供水管道來說，一定要清楚其一般特征，如（1）供水管道一般具備足夠的結構強度（2）供水壓力一般在1MPa以下（3）支管較多，特別是100米左右有一個消防栓（4）要求被選定的修復工藝所用材料通過安全性評價。
　　 然后針對業主的修復的目標，如（1）減少爆管事故的發生，提高供水安全性（2）杜絕漏水損失的繼續存在，降低漏耗（3）改善管網水質（4）恢復管道輸水能力，降低能耗等。
　　 首先要確保技術可行，然后才能考慮經濟效益。

二、PE管修復技術的主要工法

　　1．Sliplining---滑入襯裝法。1995年以前，這種工法在許多舊管道修復中有應用。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，所以這種工法會造成輸送能力的大幅降低。壁厚設計上要求PE管獨自承擔運行壓力，同時要考慮到：1）考慮冰凍的影響。PE管與舊管間隙有時會積滿水，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。從理論上計算，PE管的截面不應小于舊管截面的40％，這樣才能有效的防止冰凍的影響。2）根據美國公司的施工實踐，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，然后再經膨脹復原與舊管貼合在一起。這是目前國際上塑料管穿插技術中爭議最小的工藝。它所采用的是與ASTM標準相適應的PE管，比較常規的PE管安裝只增加了縮徑工序，所以這時就須注意：1）美國專利宣稱超高壓聚乙烯管在破裂前其徑向膨脹系數為 12-15％，出于安全考慮，常取其一半值來確保襯里緊密脹貼時不被脹裂，因此，襯管徑向膨脹，最好不要超過它原來直徑的6％，這樣才能保證內襯工藝的安全性。2）一般，PE管縮徑10％后在足夠長的時間內可自行恢復7％。美國芝加哥燃氣研究院認為，縮徑形變的工藝問題和管輸介質環空竄移問題值得進一步研究。
　　3．U－liner---將PE管壓制成U型后拉入舊管，最后再經膨脹復原與舊管貼合在一起。壓U型工藝最早起源于英國Insituform公司采用PVC管修復下水道，因為PVC管道材質的柔性。待PE管采用壓U型工藝時，因為它的剛性必須將塑料管的壁厚減下來才能實現，那么各項ASTM、ISO的相關標準關于壁厚要求是否還要執行？有資料認為在重力管線、壓力較低的燃氣管線和0.2MPa以下的供水管線上基本上可用，但有關壁厚設計的SDR必須小于32.5。有些施工單位為了易于軋制U型，將PE管壁厚嚴重減薄至5mm左右，這種犧牲內襯層遠期性能的做法是必須堅決杜絕的。另外,選用薄壁PE塑料管壓制成U型的工藝機理在國際上還有很大爭議，其變形工藝、復原工藝等均屬unknown范疇。我公司Re-III塑料管穿插技術屬于此類工藝。

三、PE管內襯修復供水管線的適用性

　　在供水管道修復中采用HDPE管穿插法最需要關注的問題是消防栓的存在，一般100米左右一個消防栓，這是客觀事實。HDPE管穿插法的優勢之一就是一次施工距離較長（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度已經快接近兩個消防栓的間距，與開挖換管沒多大差別了。這時就要依靠支口密封，但全世界在支管線的接駁技術上因為HDPE材質的不可粘接性而無法實現；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管內襯進行密封處理，則此處內襯層將承受嚴重的剪應力，很可能會將支管剪斷，這一點可由Jens Peter Larsen指出的美國南佛羅里達州出現的施工故障得到說明。所以HDPE塑料管穿插修復技術能夠應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，否則這項技術在供水管道上應用的可行性幾乎是否定的。
　　還須注意的是：因為插入的塑料管道的口徑都是因舊管道實際管徑大小設計的，所以口徑和壁厚千差萬別。當后期有接支管需要時，必須制作相應口徑的模具才能制作相應的管件，費用巨大。

四、PE管修復施工方案設計要點

在確實可以采用HDPE管穿插技術進行修復施工時，可從下面幾個角度審查設計方案的可行性。
1．PE塑料管材質的規定
首先,我們認為PE管材質的選擇有待商榷。美國Polymeric公司是軋制U型的PE管用料的全球供應商，我們國內現有的PE管材質是否能夠滿足軋制U型管材的技術要求尚需探討，在沒有統一標準的情況下，最好的辦法是將國產料與Polymeric公司用料作技術指標對比，先在標準上與國際接軌。
在美國，用作內襯材料的聚乙烯在美國專利4，496，499有報道，要求PE管能經受至少１２～１５％的徑向膨脹且至少在一年后沒有脆裂等破壞現象，應力開裂時間應超過1000hrs（ASTM DO1693－75）。在美國，超高分子量的（UHMWHDP）PE3406適合用作襯里材料，我國在現時情況下使用的材料可以與之進行指標對比。
2．PE塑料管口徑的選擇
就目前的資料報道，PE塑料管穿插應用于燃氣管線修復的最大口徑是美國布魯克林輸氣公司一條直徑508mm鋼管內穿插了一條外徑493mm、壁厚16.5mm的聚乙烯管，可達到工作壓力為1Kg/cm² 。一般來說，PE管穿插技術修復燃氣管線的管徑不應大于18英吋(DN450) ，這與相應的ASTM各標準也是相吻合的。對照供水管道，壓力一般為10Kg/cm²，SDR值如果過大是無法滿足壓力要求的，特別對于U-liner技術而言，口徑大(DN400以上)壁厚?。ㄐ∮?0mm）是一對矛盾體，通俗的理解是口徑過大的PE管作襯里材料能否成為堅固圓筒狀自支撐結構，因為這恰恰是焊接質量的保障，否則接口都對不正哪里還能焊接好（國內滄州、長春已經有打壓不能通過的記錄）。
3．壁厚設計
當襯管被拉入舊管段時，都會在橫斷面上產生一定的應力，襯管必須有一定的壁厚足以承受這一拉伸應力，即襯管內產生的應力必須小于它的拉伸屈服極限，所以，只有內襯管達到一定厚度時，才可以防止拉力過大導致它的斷裂破壞。ASTM標準中，應用于非壓力管線的壁厚設計的SDR（直徑與壁厚比）值不低于32.5，一般有SDR＝11、17、24、26、32.5幾個規格，也可參照美國管道標準192、121條款中的公式來計算：

　　P＝0.32x2St∕(D-t),

式中：P--設計壓力
S--遠期靜壓強度
　　　t--管道壁厚
D--管道外徑

　　4．一次施工距離
　　國內有些施工企業宣稱采用PE管內襯修復舊管道，一次施工距離可達3Km，這是完全錯誤的。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，有無管件的問題等。國外許多資料證明，對于性能優良的襯管材料，舊管道一次修復距離不要超過762m，因為經過計算，超過762m的襯管被拉入舊管段時，襯管會承受較大的拉應力并超過其拉伸屈服極限使其損傷。這是通過理論計算得來的，在實際施工中，天津就有在內襯施工中拉斷PE管的實例。而且就城市供水管道來說，還要根據舊管道路徑周圍具體的環境來確定具體的施工長度，因為焊接在一起的塑料管有可能封堵幾條路口的交通。
　　5．PE管能夠允許的拉伸負荷的確定
　　在ASTM標準中，PE管允許的拉伸負荷的計算公式如下：

　　ATL＝fy×ft×Ty×π×D ²（1/R-1/R²）

　　式中：ATL――允許的拉伸負荷
　　　　 fy―― 屈張設計安全系數，一般取0.4
　　　　 ft―― 拉伸狀態下的時間安全系數，取0.95
　　　　 Ty―― 拉伸屈服強度，PE2406取18Mpa（2600psi）
　　　　 D―― 管外徑
　　　　 R―― 管徑比

　　一般，ATL值接近0.35Mpa，如對DN300的PE管材，其能夠承受的拉力不應超過2.5T，也可以從ATL值推算PE管SDR值不應低于 32.5。否則，PE管所受到的拉力會對內襯層造成內在的本質的破壞，即使短期內未被發現。
　　6．關于作業坑尺寸
作業坑尺寸對于PE管穿插修復舊管道來說也是質量控制的重要參數，在我國南方地區，管線正常埋深為1.2m，對東北地區可能達到1.5m以上，所以，作業坑的長度應根據管道埋深作相應的調整，計算公式為：

L＝d×ф

式中：L--操作坑長度
　　 d--埋地深度
ф--塑料管口徑（英寸）

　　當聚乙烯管材進行一定的連續變形時，會發生應力松馳，即會產生微小的分子鏈斷裂造成內傷，各種穿插工藝中加溫、變徑、軋制Ｕ型等工法的使用，對應力松馳起加速作用。所以，作業坑的長度不能簡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的有關規定，PE管的最小曲率半徑為25D，所以，還要對下表所示作業坑尺寸做適當的增加。

表1 作業坑尺寸

7．襯管徑向脹貼工藝參數
　　當PE管穿插到位后，將采用加溫加壓的方式對內襯管進行脹貼作業，技術要求是：溫度必須低于82℃，壓力低于0.7Mpa。溫度和壓力過高會使聚乙烯分子間排列發生變化，襯管內的應力進一步增大造成PE管破裂；必須保證徑向脹貼的時間不低于20分鐘--即襯管內的壓力值隨熱水的注入保持一個“平緩值”，一旦襯管緊密貼合于舊管內壁后，還要繼續加壓看到管內壓力高于這個“平緩值”。質控部門必須嚴格控制脹貼工藝參數，對那些用高溫高壓水蒸氣進行脹貼的做法必須堅決制止。
8．運行后期開T
　　已完成內襯的舊管道上再接支管線的可行性變小，因為PE管材質是不可能粘接的，此時要保證密封性能難度非常大。要求設計部門在內襯PE管前就將預設支管位置的相關計劃做好，盡量避免運行后期再開T。

四、尚需進一步完善的部分

　　PE塑料管穿插修復技術應用于給水管線的修復還是一個新生事物，國內已有水司進行了實驗應用，實踐中產生了許多的問題，特別因為消防栓等管件的存在犧牲了修復質量，密封不好的結果造成自來水在舊管與襯層環空間竄流，根本不能達到修復舊管的目的，即使短期內沒有事故發生，上海就發生過竄進夾層的燃氣燃燒的記錄。
　　實踐證明各種PE塑料管穿插工法在修復給水管線時尚需進一步完善的部分如：①PE塑料管的變形、復原機理要經過深入的理論證明。②PE塑料管選用材質和成型工藝要參照國外標準進行界定；各種修復工藝要有相應的施工及驗收規范。③端口處理技術是防止環空竄流乃至修復成敗的關鍵所在，應在全國范圍內規定出可行的方案。④國外已經有數字型的能即時檢測焊接質量塑料焊機，應盡可能在這一領域獲得突破，這將有助于確保修復質量………。
　　供水管道迫切需要有計劃地進行修復，PE塑料管穿插修復技術應用的局限性很大，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的新技術呢？答案是肯定的，因為篇幅有限，請允許我另文進行專項推介。

五、參考文獻（略）