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孙跃平 青木启之: 采用CIPP技术实施给水管道内衬修复的结构设计和材料性能

  • 分类:新闻
  • 作者:孙跃平
  • 来源:上海管丽
  • 发布时间:2021-07-06 13:16
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【概要描述】

孙跃平 青木启之: 采用CIPP技术实施给水管道内衬修复的结构设计和材料性能

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  • 分类:新闻
  • 作者:孙跃平
  • 来源:上海管丽
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摘要:给水管道的老化和年久失修会造成爆裂漏水,需要采用经济和对道路交通影响小的非开挖技术实施修理。本文对采用CIPP内衬技术修复具有内压的给水管道时内衬材料厚度的设计方法进行阐述。同时对来自给水过程中的内压和水锤的冲击压力,管内出现的负压现象,以及外部的地下水压等作用进行了分析和研究,提出了考虑上述各类内外作用力时的CIPP内衬材料结构,以及满足生活饮用水卫生规范材料的技术要求。

关键词:CIPP内衬;内压;负压;结构设计;饮用水卫生

 

要旨:給水パイプの老朽化とそれに伴う破裂と水漏れ現象が発生し、経済的および道路交通への影響が少ない非掘削技術を用いて修理を実施する必要がある。本論文では,CIPPライニング技術を用いて内圧を有する給水パイプを修復する際のライニング材料の厚さの設計方法を解説した。同時に本論文には給水過程における内圧と水槌からの衝撃圧力、管内に現れる負圧現象、外部の地下水圧などの作用状況を研究分析し、上述の各種類の内外圧力を考慮したCIPPライニング材料の構造、及び飲み水衛生規範に満足する材料技術の考え方を提示した。

キーワード:CIPPライニング、内圧、負圧、構造設計、飲み水衛生

 

Abstract:The aging and disrepair of water supply pipeline will cause burst and leakage,so it is necessary to use the trenchless repair technology which is economical and has less impact on road traffic.This paper elaborates the design method of lining material thickness when using CIPP lining technology to repair water supply pipeline with internal pressure.The paper also analyzes and studies the internal pressure and impact pressure of water hammer in the process of water supply,the negative pressure phenomenon in the pipe,and the external underground water pressure,and puts forward the CIPP lining material structure considering the above-mentioned internal and external forces,as well as the technical requirements to meet the sanitary standards for drinking water.

Key words: CIPPlining; Internal pressure; Negative pressure; Structural design; Drinking waterquality

 

1.前言

由于给水管道的老化和年久失修,经常会出现从旧管道的破损处漏水,甚至发生管道爆裂产生大面积停水的现象,造成水资源大量流失的同时,对市民生活以及道路交通带来很大的影响。为此,采用经济有效的技术对管道内部进行定期检测,可以有效地对出现问题的管道进行预防性修理。

CIPP(Cured In Place Pipe)内衬技术作为一种新兴的管道修复技术,具有非开挖、施工速度快、内衬材料强度大的特点,在地下管道包括给水管道的修复中得到广泛应用。本文对采用CIPP内衬技术修复具有内压的给水管道时内衬材料厚度的设计方法进行阐述。同时对来自给水过程中的内压和水锤的冲击压力,管内出现的负压现象,以及外部的地下水压等作用进行了分析和研究,提出了考虑上述各类内外作用力时的CIPP内衬材料结构,以及满足生活饮用水卫生规范材料的技术要求。

 

2.结构设计的基本原理

2.1 结构设计时的基本条件

给水管道一般埋设于道路的路基层,其埋设深度根据设计要求以及地下空间的使用状况而定,即便是相同的管径其埋设深度会有不同。同时,根据供水区域以及条件的不同,供水压力也各不相同。

在对给水管道采用 CIPP 内衬修复技术时,要求该内衬材料能满足内水压,外水压以及在输水过程中管道内出现的负压作用。

 

2.2 基本条件的说明 
(1)内水压的作用

内水压来自给水管道的内压力以及水锤两部分。通常每一根管道都有具体的设计供水压力,内水压即是在自来水流动时的最大压力。水锤主要产生在阀门或者出水口突然关闭时,来自自来水对管道的冲击力。

在进行内衬材料的结构设计时,需要了解和掌握上述内水压的实际值,以满足其使用要求。

(2)外水压的作用

一般都认为给水管道没有外部压力的作用。但是,在进行内衬材料的结构设计时,需要考虑当外侧的旧管道发生破损,而管内的供水压力低于外部的地下水压力,或者给水管道进行检修而管内不存在内水压的情况。这时如果内衬材料不能满足外水压作用时,会出现内衬材料被破坏的现象。

所以,在进行内衬材料的结构设计时,有必要预测外水压的发生以及它的最大值,以满足其使用要求。

(3)自来水在管内快速流动时产生的负压作用

试验证明,当在封闭空间中快速流动的水流突然改变方向时,会在其下游管道内析出溶解在水中的空气并出现真空现象,如图1所示。

在进行内衬材料的结构设计时,需要事先调查可能发生真空的部位是否存在,并就其负压值进行预测。然后,把给水管道中发生的真空压力与上述(2)的外水压合并后进行结构设计。

3.内衬材料结构设计的方法

3.1 现场的调查项目

为了把握内水压、外水压,以及水锤等对管道的作用情况,经济合理地进行结构设计,计算确定材料的厚度。在进行设计之前,必须了解如下的项目,以保证施工时的质量以及进行内衬后的给水管道能安心,安全地使用。

具体需要调查了解的项目如下:

旧管管径∶给水管道的内径(mm)

管道的埋深∶地面到管道中心的距离(m)

地下水位∶地面 GL 线以及地下水 WL 线深度(m)

作用的内水压∶正常工作时的内压和最大时的内压(MPa)

水锤的发生∶有、无

管道轴向的埋深落差∶管道不同埋深的高低差(m)

负压的发生∶有、无

水温∶夏天和冬天的水温(℃)

 
3.2 满足内水压设计的方法

对内衬材料需要的厚度,按照设计条件分别对内水压作用和外水压作用进行结构设计。

内水压的设计采用美国自来水工程协会(ASTM 规格 1216-93)所规定的设计方法进行。其设计公式如下∶

式中,t 为内衬管厚度(mm);

   P 为内水压力(MPa);

   δ L 为内衬材料长期抗拉强度值(MPa);

   F S 为安全系数;

   D 为现有给水旧管管径(mm)。

 

3.3 满足外压的设计方法

外水压的设计同样采用美国自来水工程协会(ASTM 规格 1216-93)所规定的设计方法进行。其设计公式如下∶

式中,t 为内衬管厚度(mm) ;

  D 为现有给水旧管管径(mm);

  N 为圆周支持率(采用环氧树脂时取值 7.0);

  C 为旧管变形比(当没有变形时为 1.0);

  E L 为内衬材料长期弯曲弹性模量值(MPa);

  P 为外水压力(MPa),如果有负压时需一起考虑计算;

  Fs 为安全系数(有注浆衬垫时为 1.5,没有时为 2.0);

  ν为泊松比 0.3

按照如上所示的方法对内水压作用和外水压作用分别进行结构设计,采用厚度大的结果作为内衬材的厚度。

 

4.内衬材料的强度要求和品质要求

4.1内衬材料的强度要求

(1)材料强度的要求

在内水压,外水压以及负压等比较大的情况下,内衬软管主材采用聚酯无纺布材料时会出现CIPP内衬管过厚的现象。为了减少CIPP内衬材料的厚度,在制作内衬软管时,聚酯无纺布材料中添加入玻璃纤维材料,或者主材全部采用玻璃纤维材料。这样既可以很好地增加强度同时可减少昂贵树脂的使用量,并减少内衬材料太厚对管道直径的损失。

CIPP内衬干管材料内浸润满足饮用水卫生标准的树脂材料,通过常温固化,紫外光固化或者蒸汽固化后,形成具有一定强度的复合材料。日本是个多地震国家,对材料的强度有更高的技术要求。在进行材料设计时,采用在内衬管的最外部设置具有耐高压的纤维织物耐压外套以提高CIPP内衬材料的抗内压能力。

根据《给水排水管道原位固化法修复工程技术规程》的规定,内衬材料的力学性能指标如下表1所示。

对给水管道的修复,在进行了内压,外压设计后,按照设计厚度进行施工。具体的材料构造如图 2 和图 3 所示。

(2)表层覆膜与内衬材料的一体化要求

对于直径较大(≥DN800mm)的大型供水管道,由于其供水压力大,流速快,所以很容易在管道的弯头处和起伏处析出水中的溶解空气并形成微小气泡。这些气泡会象沙子一样对 CIPP 内衬材料表面进行磨擦,久而久之会对内衬材料造成磨损。所以在进行结构设计时,对容易出现此类状况的部位需要考虑 CIPP 内衬材适当加厚,并采用抑制材料皱摺发生的施工技术,以减少内衬材料厚薄不匀出现局部强度不足的现象。

对于容易受到类似沙子般小气泡的长期摩擦,以及负压等外力作用的部位,采用多层材料和不同工艺分别施工,形成的多层构造内衬材料容易造成分层剥离。在日本发生过给水管道内的 CIPP 内衬玻纤主材,由于受到设计时没有预测到的外力摩擦作用,造成玻璃纤维材料在水龙头打开时不断流出,严重影响饮用水质的事件。由此警示在材料的结构设计以及施工工艺上必须考虑各种不利因素,确保给水管道 CIPP 内衬修复工作的安全性和可靠性。

 

4.2 内衬材料的品质要求

作为给水管道的 CIPP 内衬材料,满足“生活饮用水卫生规范 GB/T5750”是最基本的条件。确保表层覆膜和主体内衬材料,不管是一层构造还是多层构造,不管是一次施工还是多层多次施工,每一次施工都必须采用可靠的固化方式如蒸汽固化和紫外光固化等,以确保内衬软管能够完全固化,达到材料的设计强度。

国内外用于 CIPP 内衬材料的表面覆膜以聚乙烯膜(PE)材料居多,适用的树脂类型为环氧树脂(EP)或者乙烯基树脂(VE),每一层材料和填料都必须是符合生活饮用水卫生规范的材料。目前德国的 Star line 技术,瑞士的 Saniver lines技术和日本的 Super Re Pipe 技术等都具备上述特点,应用在给水管道的修复和改造工程中。

 

5.结语

给水管道道作为城市的基础设施,与城市的经济活动和市民的生活息息相关。在道路交通十分繁忙,市民对生活环境要求逐渐高涨的情况下,采用非开挖技术进行地下管道的修复是今后的一个发展趋势。CIPP 内衬修复技术由于具有众多优点,在给水管道修复的领域正在被逐渐应用和推广。由于给水管道输送的是直接饮用水,在环境学界对一些化学物质所溶解出的有害成分被作为环境因素对人体的副作用还没有完全弄清之前,除了要保证材料的构造强度外,更需要对 CIPP 内衬材料的饮用安全性作进一步的分析和试验,在保证修复后管道的送水安全的同时,更注重送安全之水的问题。

《上海市供水规划(2019-2035)》中提出了在 2035 年实现市政自来水直饮的目标,但目前仍然面临着技术和政策上的难点。为能够达到这个目标,针对年久失修以及严重结垢的供水管网,在采用 CIPP 内衬等新技术新工艺实施修复改造的同时,进一步扩展新工艺使用、新技术研究和新材料开发,逐步进行技术储备是完全必要的。

 

参考文献:
【1】 中国工程建设标准化协会:给水排水管道原位固化法修复工程技术规程T/CECS559-2018.中国计划出版社,2019年5月。
【2】 孙跃平,横岛康弘:采用 CIPP 技术对自来水管进行内衬修复的结构设计.管道检测与修复工程材料设备手册.中国轻工业出版社.2021年4月
【3】 青木启之:スーパーRe パイプ工法の技術特徴及びその応用.日本内圧管更生工法協会技術資料.2020年3月
【4】 上海市人民政府:上海市城市总体规划(2017-2035 年).2018 年1月

 

作者简介:
(1)孙跃平,正高级(教授级)工程师,日本注册技术士(P.E.Jp),亚太地区注册工程师(APEC Engineer),主要从事污水处理系统运行管理升级改造和地下管道检测、评估与非开挖修复,上海管丽建设工程有限公司总经理。
(2)青木启之,日本注册一级土木施工管理技士,主要从事地下管道非开挖修复用材料的研发生产和施工管理,日本内压管更生工法协会理事。

 

 

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