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埋地钢质管道内衬修复技术

我国油气田大部分油气管道已运行20多年，每年用于旧管道修理、更新的费用约占新建管道工程建设投资的10％～20％。还有不少管道投产2～3年即腐蚀穿孔，泄漏事故时有发生，污染环境，造成生产事故。一旦难以修补时，往往再建一条新管道而将原有的旧管道废弃。严重危害油气田正常生产秩序，经济损失庞大。
　　除石油工业外，全国344座城市供水管道，总长度约58 000 km(1994年统计资料)，全年供水量近140亿吨，漏失量占7．57％，为此每年多耗电3．3亿度以上，且浪费大量的水资源。城市煤气(天然气)管道也存在类似问题。全国有煤气设施的城市约150座北京、天津等九市的煤气管道近10 000km。煤气管道运行一定时间后需要清堵、修理等作业。
　　当上述管道腐蚀穿孔时往往采用打卡子，补焊或换管段等修理措施，但造成内腐蚀的因素还存在，时隔不久会再次腐蚀穿孔。旧管道修复技术采纳不开挖或少开挖，在不影响路面交通的状况下将原有废旧管道进行修复，使其重新投入使用。因此旧管道修复技术十分适用于城市煤气、供水、供热管网及石油工业、污水处理厂等旧管道的更新。
　　埋地旧钢质管道内衬修复技术在国外已开发应用了近半个世纪，进入20年纪80年代以来已成为系列技术，专业化施工，成功地修复了DN50～1000 mm的几千公里的废旧管道。例如，应用该技术对英国航空公司的地下输油管道3．6 km一次性修复；对比利时西北部的一家大工厂φ300mm，5．8 km输送硫酸管道的成功修复；对荷兰南部的Femmcuxen公司3 km长的地下水管道φ1000mm的水泥地下管道的开裂及局部破碎的修复；对香港市中心的地下水管φ380，φ260不同的管径两条供应海水冷却系统的管道及污水管道总计约有几十公里进行了内衬修复并投入使用，已运行了5年，未见泄漏现象。无数的实例证实，这种修复技术，无疑对我国管道技术的发展产生深远影响。其经济效益评估见表6—22。

表6-22 经济效益评估的比较
项目旧管修复技术旧管换新管施工费用50％～65％100％施工时间短长施工范围定点开挖作业孔全线开挖施工设备依照工艺流程先后调度合大型设备长期在现场重建寿命至少30年平均20年环境影响无污染尘土、噪声、泥土等污染严重交通状况不影响中断或受阻
　　(1)内衬修复工艺技术。目前国内旧管道修复技术的开发研究已经从实验室的研究转向了工程应用开发，形成了较完整配套的技术结构，从材料到施工技术，专用设备均能满足工程应用。
　　旧管道内衬修复技术有以下几种工艺。
　　①内穿插法 料管采纳塑料管或纤维加强管，与旧管道内壁不完全贴合，承压靠内插管及环状充填料的传递，由于管径有所缩小，输送能力略有降低。但从管壁摩阻减小合计，将会有利于提升输送能力，适用于低压输送的煤气及天然气管道的修复。
　　②内衬塑料管法 将塑料管紧密贴合(或称微隙内衬)于旧管道内壁面，形成内衬道(钢塑复合管)。该法一次内衬施工可达1 km左右，可用于高压输送管道。
　　③纤维加强的涂料整体内涂法 旧管内壁进行清理，然后用纤维加强的高固体分涂料进行整体内涂，形成管中管。一次施工可达1～20km。适用于高压、高温的输送管道。
　　④软管反翻内衬法 采纳具有防渗透保护膜的无纺毡管，经树脂浸渍后，将软管翻衬紧贴在旧管上，热固化后在旧管内形成一条紧固、平滑的新管。可适用于各种类型和形状的管道及钢管道，输送介质可为70℃的油、气、水等。
　　⑤塑料薄膜衬缆衬里法 用热塑性塑料薄膜或夹有金属箔的复合膜制成的衬管，外壁涂以压敏胶沿轴向经折叠、压缩、粘合成实芯绳索状的衬缆芯。外面包覆着可以沿纵向撕裂的衬缆皮。衬缆可以制成任意长度，类似电缆和光缆那样缠绕在缆盘上，存贮运输都很方便。衬里时可以像拉一条长长的缆绳一样拉入旧管道，通过造成衬缆内外的压力差，胀开衬缆皮复原环形衬管，以其外壁上的压敏胶带黏结在管道内壁上形成内衬层。适用于城市管网的煤气和上、下水中小口径的管网修复。
　　衬缆衬里法是目前最快速、最简便、费用最少的一种衬里方法。
　　(2)旧管道内衬修复技术的特点。旧管道修复技术可适用于油、气、水及其他化学介质管道，该技术特点如下。
　　①关于埋地旧管道不需全面开挖即可进行整体内衬修复。施工时，通常只需每隔一定间距开挖一操作坑，分段进行修复，然后连管复原即可完成修复工作，不影响交通及环境。
　　②修复作业快，在现场施工，并网试用及质量检查等现场作业。以1～2km管道为例一般可在3～4周内完成全部现场作业。
　　③成本低、旧管道修复、再生利用的投资相当于新建一条管道总投资的50％～65％。
　　④依据不同的修复方法及使用工况，旧管道修复后，可望持续使用10～30年。
　　(3)非开挖穿插高发度聚乙烯管在线管道修复。用高发度聚乙烯(HDPE)塑料管修复腐蚀严重或泄漏的旧管道，内衬HDPE复合管，可达到恢复管道功能，延长管道使用寿命的目的。
　　高发度聚乙烯塑料具有较好的化学稳定性，摩擦阻力系数小，耐磨抗冲、耐压、耐老化，适用温度较宽。内衬HDPE复合管能提升在线旧管道的承压能力，耐腐蚀性能和输送能力，修复成本仅为新建管道综合费用50％左右。成功地用来修复直径75～900 mm(3～36 in)多种管道，如天然气管道、输油管道、注水管道、排污管道、煤气管道、自来水管道等，可用于市政、油田、电力、化工等行业的管道防腐与修复。
　　①原理与方法 高发度聚乙烯塑料管，缩径穿插自动复原贴合和无法兰特别接头技术。成功的解决于供热、燃气、石油管道及在线旧管道的非开挖修复问题。
　　使用改性热塑料HDPE管，它具有变形后能自动恢复原始物理形状。选用的内衬HDPE管的外径略大于修复主管道的内径，穿插时通过滚轮缩径机，从缩径机出来的HDPE管的直径将缩小10％左右，小于待修主管道内径。在牵引力和速度下容易拉入主管道，聚乙烯管外径与主管道内径紧密结合在一起。工作原理示意如图6-35所示。

　　②技术特点 异径HDPE管穿插法修复在线旧管道技术具有以下特点。
　　a．HDPE管材化学稳定性非常好，一般酸碱都不会腐蚀，不会滋生细菌、微生物或结垢生锈，管材本身无毒。
　　b．优异的耐磨性能，德国用分别含有7％和14％石英砂的水(流速为7 m／s)对HDPE管及钢管进行耐磨试验，结果说明，HDPE管的耐磨性为钢管的4倍。
　　c．HDPE管的摩擦阻力系数非常小，达到相同的输送流量，HDPE管的内径只需新不锈钢管的96％，球墨铸铁管的93％，使用10～20年球墨铸铁管的87．8％，水泥管的90．7％。
　　d．内衬HDPE管的管具有较高的承压能力，壁厚为7 mm的旧钢管{多处穿孔直径为12 mm)内衬HDPE管后，承压能达到3 MPa。
　　e．管道整体性能好，质量可靠。它充分发挥了各层材料的特点。HDPE管是一种改性热塑性材料，具有优良的物理化学特性，特别是具有特别的耐磨性，使用寿命长达50年。使主体管道的抗压，耐压、抗冲性能大有提升。
　　f. 旧管道修复成本为管道成本50％，寿命可达50年。
　　g. 修复速度快，一次性修复距离长。穿插HDPE管速度可达15～20 m／min，一次穿插1～2km。
　　h．全线焊接，无法兰。使用特别接头技术，可以实现全线焊接，无法兰。
　　i．使用范围广。适用于φ75～1200 mm的铸铁管、水泥管、钢管等各种材质管道。
　　②应用有用 大港油田—沧州化肥厂天然气管道φ529全长90 km，运行26年，腐蚀相当严重。用HDPE管穿插修复旧管道，创造了大口径管道一次穿插1. 35km的最长记录。
　　(4)管道穿插和翻衬技术应用在污水管道改造。齐鲁石化公司乙烯改建工程10#生产、生活污水管道、管径分别为D400mm、D500 mm、D600 mm、D650 mm、D700 mm、Dll00 mm；管材全部采纳钢筋混凝土排水管，全长共6384 m；井原为砖砌排水检查井，共154座。现管道腐蚀严重，致使管道漏水，污染地下水源。所以必须对l0#旧管道进行防腐。
　　①管道穿插技术 用高发度聚乙烯(HDPE)管插入金属或砼管道后形成了一种新的管道结构，使HDPE管的护腐性能和原管道的力学性能合二为一，从而大大提升了管道的整体性，使用寿命可以延长40～50年。这种施工方法在美国、德国、英国、瑞典等国家均已被采纳，在我国尚处于开发试用阶段。
　　a．在穿插过程中HDPE管碰到的擦伤是确定HDPE管口径的主要因素；金属管道内壁的毛刺、焊瘤以及管道的弯曲都会对HDPE管表面形成损坏。HDPE管口径越大，穿插越困难，表面损伤也越大；据国外施行经验及资料介绍，HDPE管的最大截面可占钢管内径的85％，关于砼管道可以适当扩大；美国科罗拉多PUblce公司把口径457mm的HDPE管插入口径为508mm的铸铁管中。国外资料指出这是当前世界上间隙最小的穿插更新工程。
　　b．管径下限选择 主要是合计冰冻影响，地下水会通过腐蚀孔洞、钢管切割端进入HDPE管与钢管之间的环形空间。在地下水位较高的北方地区，如果管径选用偏小，结冻膨胀后对HDPE管的向内、向外的径向压力有时会把HDPE管完全挤扁。因此制定时应进行认真核算。
　　关于埋设在冰冻线以下的管道，可以不受此下限的限制。
　　管径确实定，见表6—23。

表6-23 管道穿插时管径确定
钢筋混凝土管径/mm穿插的HDPE管径/mm管长/mmD400De355×××××24.31199
　　c．流量计算 采纳HDPE管进行穿插后不会造成流量的减少，这可通过下面分析来确认。排水管的流量按照曼宁公式进行计算

Q=l／n× W×R2／3× I1/2 (6—14)
　　式中 Q——流量，m3／s；
　　　　n——粗糙系数；
　　　　W——水流断面，m2；
　　　　R——水力半径，m；
　　　　I——水力坡降。
　　钢筋混凝土管粗糙系数n=0．014，HDPE管的粗糙系数n=O．009，当管径减小一级后通过公式计算可知，其流通能力并不减少，假设用在非满流重力管道中，则更能满足要求。
　　d．HDPE管材特性 山东胜利股份塑胶分公司生产De20～630 mm，承受压力0.4 MPa、0．6MPa、1．0 MPa的HBPE管。其性能与国外的同类产品相同。它质量轻，密度为O．959 g／cm3，约为钢管的1／8。具有优良的挠性，不用加热的状况下，可以管径20倍的弯曲半径装设，应用于管道穿插中。具有优良的韧性，不会脆裂，具有挠性可弯曲且耐冲，在-60～60℃的温度范围内不会因外力撞击而变形。
　　耐腐蚀性好，耐化学介质、土壤腐蚀，可输送化学介质，不会产生降解作用。输汽油、酒精、苯、四氯化碳、原油、炼油等碳氢化合物液体浓度达5％，这些物质会渗入管中，造成环向应力降低，但对管子本质并无显然影响。
　　HDPE管内壁平滑及其本身的性能所致，其内壁不易结垢，特别适宜于输送易结垢的介质。阻力小，流量增加。
　　HDPE管可采纳热熔或电熔焊接，形成了一个管道整体。爆破实验说明，管道连接处非常牢固。
　　HDPE管特别适宜于输送腐蚀介质，并解决了管道接口及管道本身由于腐蚀而造成的腐蚀介质渗漏问题，从而保护了环境，具有优良的社会效益。
　　e．施工要求 利用高压水射流清洗方法，对管道中的污物，淤泥及结垢清除干净。
　　挖掘操作坑，在插入及穿出端分别挖掘操作坑。
　　利用热熔焊接法将HDPE管在地面上连接成段，注意焊接质量。用机械或人工拖拉进行穿插。施工完毕后，HDPE管和钢筋砼管道之间的环形空间用防水材料填充。最后进行闭水试验。
　　②翻衬技术 其原理是将具有防渗透、耐腐蚀保护膜的复合加强软管作为载体，浸渍骨架基料后用水作动力将事先制好的复合软管翻衬进入管内，使管材的内壁衬上一层具有高强度刚性耐腐蚀的内衬材料，固化后在旧管内形成整体性强的、平滑的“管中管〞。
　　天津开发区重新修复了管道，10#污水管道D650 mm、L=306m、Dll00mm、L=622m的管道，效果优良。