燃气管道非开挖修复更新技术特点

摘 要

摘要：研究了国内外非开挖管道修复技术发展状况，对目前我国燃气管道主要应用的非开挖修复更新技术进行了介绍，分析了各工艺的特点与使用范围。关键词：管道修复更新；非开挖；裂管法；穿
摘要：研究了国内外非开挖管道修复技术发展状况，对目前我国燃气管道主要应用的非开挖修复更新技术进行了介绍，分析了各工艺的特点与使用范围。
关键词：管道修复更新；非开挖；裂管法；穿插内衬法；挤压穿管法；翻转内衬法
Characteristics of Technologies for Trenchless Rehabilitation and Replacement of Gas Pipeline
MIAO Yongjian，LIU Jinlan
Abstract：The development of trenchless pipeline rehabilitation teehnologies at home and abroad is studied.The technologies for trenchless rehabilitation and replacement of gas pipeline in China are introduced.The characteristics and application range of different processes are analyzed.
Key words：pipeline rehabilitation and replacement；trenchless；pipe bursting； insertion lining：Rolldown；cured-in-place-pipe(CIPP)
1 概述
    中石油昆仑燃气有限公司(简称昆仑燃气公司)作为中国石油城市燃气运营的专业化公司，业务主要分布在20多个省、市、自治区，供气管道覆盖近100座城市。由于原有燃气管道的老化，城市燃气管网的改造将涉及大批管道的更新，地下燃气管道修复的工程量将逐年加大。在交通繁忙地段采取原有的开挖路面埋设新管的方式将无法满足新形势下城市建设的要求，非开挖管道更新修复技术无疑将弥补原有技术的不足，可尽量减少对交通、周围环境的影响，降低施工成本[1～6]。为了能够科学地应用非开挖技术修复埋地管道，我们有必要深入研究目前市场上各种非开挖技术的原理和应该注意的问题，在引入非开挖技术时少些盲目性，多些科学性。
2 非开挖管道修复技术发展状况[7～8]
    非开挖技术是指利用现代化地下管道的施工机械，在不开挖或只挖少量作业坑(井)的条件下，以高效、优质、成本适中的方式，进行敷设、修复和更换管道的技术。其主要应用于各类地下管道工程建设领域，其作业方式在国际上被称为非开挖技术(No-Dig)或无沟渠技术(Trenchless Technology)。
    现代非开挖管道施工技术与装备是20世纪80年代在发达国家兴起并形成新兴的产业，是对传统地下管道开挖敷设、更换、修复施工技术的一次革命。自正式进入工程施工市场至今，在短短的20余年时间内，以其独到的技术特征与优势，以其对环境、城镇交通的最小影响和危害，以其效率和成本等优势，日益受到欧美发达国家的重视和提倡，取得了很好的社会和经济效益。目前非开挖管道工程技术已在西方发达国家成为一项政府支持、社会提倡、企业参与的新兴技术产业，成为城市现代化进程中的一项关键技术。在国外，尤其是西方发达国家，非开挖技术的应用已十分普遍，施工工作量急剧增加。如德国，约10%的管道施工采用非开挖技术，个别城市该比例更高。
   1986年，成立了国际性的行业协会——国际非开挖技术协会(The International Society For Trenchless Technology，ISTT)，旨在推动该技术的发展，促进同行间的交流，扩大该技术的应用范围。目前，加入ISTT的国家和地区已达30多个。中国非开挖技术协会在1998年7月正式签约加盟ISTF。ISTT向会员国协会提供刊物、年报以及有关非开挖技术的技术规范等，并对非开挖技术培训提供技术支持。中国非开挖技术协会(CSTF)于1998年成立，协会成立后，对非开挖技术进行了大量的宣传工作，并出版了相应的非开挖技术期刊《非开挖技术》，对我国非开挖技术的发展和引进国外先进的技术起到了极大的推动作用。
    我国非开挖技术的市场前景与现代化建设的进程密切相关。目前，城市的数量近800多个，城镇人口超过4×108人，老城市改造和新城市建设中的基础设施建设工作量大幅度增加，对石油、燃气、电力、电信、自来水、污水等各种地下管道的需求在较长的时间内有较大幅度的增长。西气东输工程项目的建设，其中公路、铁路、河流和城区穿越上千次。这为我国非开挖施工技术的发展创造了有利的条件，我国非开挖技术市场潜力巨大。但我国非开挖施工技术与西方发达国家相比，整体上还存在很大的差距。我国非开挖技术的研究起步较晚，其应用和发展大致可分为两个阶段：1953—1985年为第一阶段，对传统的非开挖技术的探索阶段；1985年至今为第二阶段，为引入现代非开挖技术与装备并开始消化阶段。
    在我国，目前尚无完整的非开挖技术设备生产企业，更谈不上具有国际市场竞争力。从总体上看对非开挖技术的科学研究与试验仍处于起步阶段，与国外相比差距很大。为加速发展我国非开挖施工技术，必须从总体上统筹规划，从非开挖技术、装备、工艺等众多方面入手，指导非开挖施工技术的发展。据中国非开挖技术协会不完全统计，2003年我国用非开挖技术方法完成的管道修复工程量达到180km，与2002年的35km相比增加了4倍。使用的方法以内衬法为主，包括折叠法(Folded Liner，又称U型法或N型法)、同径压缩法、翻转法(CIPP)以及水泥砂浆涂敷法等。折叠法和同径压缩法完成的工作量达到150km，翻转法完成的工作量约18km。管道修复技术作为一门行业，它正面临着另一个转折点。可能还需要经过大约10a的曲折发展，它才能真正从各方面满足明挖和非开挖管道更新需求。
3 燃气管道非开挖更新修复技术[9～18]
    燃气管道更新修复技术主要有以下3种：①裂管法施工技术，又称胀管法、碎管法、爆管法；②管道穿插技术；③翻转内衬管道修复技术。
3.1 裂管法施工技术
    旧管道更换目前以裂管法为主，通过破碎已经存在的旧管道，更换直径与之相等或更大的新管道。该工艺可以对灰铸铁管、无筋水泥管、钢管、石棉管、陶瓷管等其他脆质管材进行裂管，敷设的新管道可以是高密度聚乙烯管、陶瓷管、钢管等。按动力性质的不同，裂管设备可分为气态动力裂管系统和静态动力裂管系统。
    ① 气态动力(高压空气)裂管系统：遁地穿梭矛(夯管锤)。工作原理为：依靠高压空气产生冲击力，通过一种“环状”压力作用于旧管道，使其受压而破裂。这种技术由气体冲击矛与相应的胀管器组成。依靠撞击动作来破坏冲击矛壳体外的旧管道，同时通过胀管器挤压旧管道碎片进入周围土壤，为新管道提供空间。卷扬机钢丝绳与冲击矛头部用拉环连接，卷扬机始终提供一种稳定的拉力，保证裂管时冲击矛正确的方向与倾角。
    ② 静态动力(液压)裂管系统。液压裂管法的工作原理为：首先将钻杆插进旧管道中，然后钻杆与切割刀头、胀管头、拉管器、新管道相连。切割刀头切割旧管道，胀管头胀裂旧管，同时挤压碎片进入周围土壤以容纳新管道。
    裂管法不但可以更换同等尺寸的管道，还可以更换更大尺寸的管道，可以比原管径大20%～30%，这是裂管法特有的优势。其他优势还有：一是无需对原管道进行清淤、清洗，节省人力物力和施工时间；二是工作坑开挖面积小，方便在城市交通繁忙的路段进行施工；三是对周围的其他地下管道设施几乎没有影响；四是与其他非开挖管道修复技术相比，施工风险较低。
3.2 管道穿插技术
    管道穿插技术根据穿插管的口径可分为异径非开挖穿插以及挤压穿插技术，挤压穿插技术按照挤压形式的不同，又可分为缩径法以及U型穿插法。
    由于耐腐蚀、使用寿命长、焊接及维修方便等优势，PE管已广泛应用于中低压燃气管道。PE管具有良好的柔韧性，易于弹性变形，便于牵引，适合进行穿插作业。
    ① 异径非开挖穿插技术(穿插内衬法)
    异径非开挖穿插是在原有较大口径旧管中穿插较小口径的新管，然后在新旧管中间注浆稳固的方法，采用卷扬机等作为动力，完成新管道的敷设。由于天然气的热值和输送压力均高于人工煤气，在相同热量需求的情况下，天然气管道的口径可以比输送人工煤气的管道口径小，同时PE管的管壁光滑，输送能力比钢管高。因此，在旧管道中穿插较小口径的PE管同样能够满足用户的需求。
    异径非开挖穿插的优点：一是施工工艺简单，易学易做，对工人的技术素质要求低；二是施工速度快，分段施工时对交通和周边环境的影响轻微；三是仅使用绞车等一般市政施工设备，不需要专用的设备，投资少、施工成本低。
    异径非开挖穿插的缺点：一是过流断面损失较大；二是环形间隙要求注浆，由于环状间隙较小，注浆较困难。
    新插管的外径不宜大于旧管内径的90%，一次穿插长度受作业段的作业空间、回拖设备的能力、管材强度的限制。据报道，单次穿插长度曾达600m。
   ② 挤压穿管技术
   非开挖挤压穿插完全适应PE管的可塑性，经压缩并恢复的管道不影响PE管的各项技术指标。
   缩径法(Deformed and Reformed)是指通过机械作用使塑料管道的断面产生变形，如缩小直径或改变形状，然后将新管送入旧管内，最后通过加热、加压或靠自然作用使其恢复到原来的形状和尺寸，从而与旧管形成紧密配合的方法。缩径法利用了中密度或高密度聚乙烯的聚合链结构在达到屈服点之前结构的临时性变化不影响其性能这一特点，使衬管的直径临时性地缩小，达到在旧管道中形成新的内衬的目的。
    缩径法的主要优点：一是新旧管之间配合紧密，不需注浆，施工速度快；二是管道修复后的过流断面的损失很小；三是可适应大曲率半径的弯管；四是可长距离修复；五是可用于旧管道结构性和非结构性损坏的修复。缩径法的主要缺点：一是主管道与支管道间的连接需开挖进行；二是旧管的结构性破坏会导致施工困难；三是施工设备昂贵，缩径尺寸有限，施工成本较高。
    据现在的技术水平，缩径法适用的管径范围是75～1200mm，单次修复管道长度可达1000m。适用修复的管道类型为重力管道和压力管道。适用管材包括高密度聚乙烯(HDPE)管，中密度聚乙烯(MDPE)管，普通PE管等。
    根据内衬管变形时的能量来源，可将缩径法分为两类：冷轧法和模具拉拔法。工作中两种方法的缩径幅度都控制在10%～20%。冷轧法使用一组滚轧机靠径向约束挤压变形，模具拉拔法使用一个缩径模具，牵拉新管强行通过，使塑料管的长分子链重新组合，靠轴向拉伸变形使管径减小。小直径的管道可在常温下拉拔，大直径的管道通常在加热的条件下拉拔。模具拉拔法是一个连续的施工过程，一旦开始施工便不能中途停止，这是因为绞车停止牵拉时变形管就会开始恢复形状，暂停后难以再置入旧管道内。但该工艺修复的管道承压性好，寿命长，被英国燃气行业通过严格的试验后认可。
    U型穿插法(又称折叠内衬法，Fold-and-form Lining)：通过把外径略大于待修复管道内径的高密度聚乙烯内衬管，利用特制的u型压制设备，使内衬管变为U型。缩小内衬管截面积30%以上，通过捆扎定型、牵引拉入、外力恢复等过程使衬管紧紧地与旧管道内壁结合在一起，形成“管中管”结构，从而形成对管道的内衬修复。衬管的厚度可根据修复管道的管径、输送介质、工作压力等因素作适当调整，以满足不同的工程需求。
    折叠内衬法的优点：一是施工时占用场地小，可利用现有入井施工；二是新衬管与旧管可形成紧密配合，管道的过流断面损失小，无需对环状空间注浆；三是管道连续无接缝，一次修复作业距离长；四是对旧管道清洗要求低，只要达到内壁光滑无毛刺即可施工，质量容易得到保证；五是折叠后断面收缩率高，断面面积可减小30%以上，穿插顺畅。
3.3 翻转内衬管道修复技术
    翻转内衬法(Cured-in Place Pipeline，CIPP)使用有防渗膜的纤维增强软管、编织软管或无纺毡等作衬里材料，浸透热固性树脂、聚酯或环氧树脂，将浸有树脂的软管一端翻转并用夹具固定在待修复管道的入口处，然后利用水压或气压使软衬管浸有树脂的内层翻转到外面并与旧管的内壁紧贴，继而使用常温水、热水、蒸汽、紫外线等方式之一使树脂固化，形成一层紧贴旧管内壁的具有防腐防渗功能的坚硬衬里。CIPP修复后创建了一种紧密贴合的管中管复合结构，新旧管道共同承压。
    翻转内衬法的特点可概括为：开挖量极小，内衬管和旧管间形成了紧密配合，不需注浆，施工速度快，工期短；几乎适用于任何断面形状的管道，没有接头；新旧管道共同承压，强度高；修复费用低，使用寿命长。
    根据国内的使用经验，翻转内衬法的适用范围是：管径为50～2700mm；一次施工长度可达400～1200m；适用于重力管道和压力管道，且对旧管道的材质无要求。但以下情况不适于使用CIPP法：旧管道存在结构性损坏、管道变形严重、地下管道在公路下埋设较浅、动荷载长期作用场所、位于省际高速公路下的管道。
4 结语
    随着我国城市化进程的推进，使用非开挖法进行管道修复的技术也必将受到重视。但目前的起点还非常低，有关技术规范的编写，新材料、新工艺的研究仍是一条漫长的道路。随着管道修复技术的发展，国内的管道修复市场正在日趋成熟，对老管道的缺陷补强修复与内部防腐是成功的，并显示了巨大的经济与社会效益。应积极借鉴国外先进技术，加速发展国内技术，并做好管道修复技术的相应标准的配套工作，以推进管道修复技术的研究与进一步推广应用。
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(本文作者：苗永健 刘金岚 中石油昆仑燃气有限公司 北京 100101)