供水管道內噴涂修復施工方法的研究與應用

陳衛星

（上海水務建設工程有限公司，上海 200082）

常規的管道維護保養主要以路面開挖、更換新管作業模式為主。受到城市發展、人口激增、交通擁擠等因素影響，目前類似上海這樣的大型城市及超大型城市對路面開挖的審批管理愈來愈嚴格，開挖成本大大增加，大范圍開挖作業受到諸多限制，因此，發展新型非開挖管道原位修復技術正逐漸成為供水管網維護保養工作的重要研究方向。同其他管道修復技術相比，采用聚脲噴涂材料開展輸水管道內壁噴涂修復施工具備能夠增強待修復管道的強度指標，進行結構性修復，修復施工效率高、施工速度快、修復后管道水力特性良好，降低對路面交通和周邊環境的影響等方面優勢，是非開挖管道修復中一項發展前景良好的新型實用施工技術。

1 適用范圍

（1）內壁噴涂修復施工方法對原管材材質的要求。內壁噴涂修復施工方法適用于底材為鋼管或鑄鐵管材，管道結構基本能夠滿足使用要求，內壁無明顯破損、變形，經過除銹、除垢后的管道。

（2）內壁噴涂修復施工方法對原管道敷設狀況的要求。內壁噴涂修復施工方法適用于公稱直徑為DN100～DN800的管道，單次修復長度不大于200m，待修復管道內的彎管角度不大于22.5度。

（3）內壁噴涂修復施工方法對施工環境要求。內壁噴涂修復施工方法施工時應對現場的環境溫度預先調查了解，噴涂時管道基質溫度不得低于3℃，且基質溫度應高于管道內大氣露點3℃以上；待修復管道兩段的操作空間不小于2m×4m。

2 工藝原理

管道內壁噴涂修復工藝在涂料輸送噴涂系統、旋杯牽引及控制系統以及其他輔助工作系統中，有其獨特的原理。

2.1 涂料輸送噴涂系統原理

柱塞泵以壓力空氣為動力將儲料罐內的涂料途經流量計、截止閥、旋轉連接器等泵入長距離AB涂料臍管, A、B涂料在混合塊、靜態混合器中混合后進入開有許多微小孔洞的旋杯噴頭，旋杯噴頭由氣動馬達帶動高速旋轉，涂料被甩出孔洞，噴射在需修復的管道內壁。

該系統包括儲料罐、柱塞泵、流量計、截止閥、旋轉連接器、長距離AB涂料臍管、混合塊、靜態混合器、氣動馬達、旋杯噴頭等部件以及壓力儀表、氣動控制系統等（見圖1）。

圖1 涂料輸送噴涂系統工藝流程圖

2.2 旋杯牽引及控制系統原理

為了控制涂層厚度，噴涂施工前根據所需涂層厚度，在電氣控制箱控制屏上設定好相應的行走控制速度，控制參數送入位于電氣控制箱內的PLC,經PLC根據行走線速度與拖動角速度的關系以及拖動減速齒輪箱的傳動比求出電機轉速，并將電機轉速信號送至安裝在電氣控制箱內的變頻器電機轉速設定接口，變頻器根據傳入的電機轉速信號自動完成輸出電流頻率的調速控制，并將經整流調速后的電流輸入電機，其控制信號流程圖如圖2所示。

圖2 旋杯牽引系統控制信號流程圖

2.3 其他輔助工作系統

為使涂層達到質量要求，在儲料罐和AB涂料臍管上配置了涂料加熱循環系統和儲料罐內攪拌系統，為了噴涂時涂料出料充足均勻，為柱塞泵提供了儲料罐抽料系統。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 管道內壁噴涂修復施工工藝流程

管道內壁噴涂修復施工分為4個階段16個步驟，其流程圖見圖3。

圖3 管道內噴涂修復施工流程圖

3.2 噴涂施工前準備工作

（1）施工坑定位開挖。在噴涂施工前規劃階段確定施工坑位置。閥門、彎頭是理想的施工坑位置。施工坑之間的距離取決于噴涂設備臍管長度和設備料桶容積。通常噴涂長度在90～185m。在管道兩端沿著軸線方向各開2m×4m的長方體操作坑，坑底距離管底0.5m，視現場土質路面狀況決定是否采取圍護措施。

（2）噴涂施工前檢查和評估。管道徹底清理完畢后，管道機器人CCTV進入管道勘測，以證實管道符合內壁噴涂修復施工方法的要求并進行錄像保存。如果原管道的滲漏孔洞、裂縫大于6mm，應考慮先將這孔洞、裂縫處的管道更換修補以適合內壁噴涂修復施工方法的適用環境要求。

（3）涂層厚度確定計算。供水管道雙組份聚脲材料內壁噴涂修復技術可以改變涂層厚度以實現特定內襯涂層性能。可以使用工程設計公式計算涂料用量。公式中的變量通常是已知的，但也經常涉及據證推論或工程分析。

①用料計算。

如式（1）用于計算噴涂不同管道內襯涂料用量。

式中，t為涂層厚度，m；r為管道內半徑，m；l為管道長度，m；Q為涂料用量,m3。

②結構增強型內襯涂層厚度計算。

結構增強型內襯適用于部分惡化管道，確定部分惡化壓力管道的涂層適宜厚度的方法時要求必須滿足2個公式。第一，應考慮部分惡化的重力管道的內襯厚度要求。第二，內襯厚度要滿足ASTMF 1212-09（美國材料與試驗協會標準）中部分惡化壓力管公式。然后，將這些結果與要求的選擇尺寸比（管道直徑/內襯厚度）相比，ASTMF1216-09推薦的尺寸比不超過100。最后，選擇這3個計算結果中最厚的那個結果。

部分惡化重力管涂層厚度計算如式（2）

式中，t為涂層厚度，mm；D為管道直徑，mm；N為安全設計系數；Pext為流體靜力壓力，psi；C為橢圓度（0.84）；EL為50年預期彎曲模量，psi；v為珀松比（0.3）；K為增強系數。

部分惡化壓力管道涂層厚度計算如式（3），

3.3 噴涂施工

（1）噴涂設備的現場就位。噴涂設備的軸線與待修復管道的軸線最好在一直線上，噴涂設備的臍管滾軸與坑邊緣距離為500mm。如果現場條件限制，可以允許噴涂設備軸線與施工坑中心軸線偏轉10o，臍管進入施工坑內的待修復管道允許45o彎曲。為使噴涂過程順利進行，發電機、空氣壓縮機與噴涂設備的連接應順暢，應考慮在噴涂設備附近安置發電機、空氣壓縮機。

（2）噴涂作業。噴涂設備部件在噴涂實施前的準備工作：①涂料裝入噴涂設備料倉前，應進行開箱檢查涂料的外觀包裝、凝結情況，查看質量合格證、保質期等；②首次噴涂前，將新涂料加入料桶內。加完涂料后，A料桶內應沖氮氣使桶內涂料保持干燥；③噴涂設備啟動前，應先啟動噴涂設備的配套發電機和空壓機，檢查噴涂設備各部件狀況；④然后啟動噴涂設備的PLC操作屏，進入主菜單后輸入密碼、管道直徑、噴涂厚度、噴涂長度、涂料的批號；⑤首先開啟儲料罐內攪拌器攪拌30分鐘，同時開啟加熱系統對料桶和臍管內的涂料進行加熱；⑥30分鐘攪拌完成后，進入短循環模式，同時繼續加熱，主泵壓力值為30psi；⑦臍管溫度達到37oC時可以進入長循環模式，此時，將主泵壓力設置成55psi，同時繼續加熱至46oC以上，直到兩種涂料長循環回流量均達到60升，即完成了長循環，進入下一步稱重檢查；⑧由于在進行長循環時，主泵腿上下動作頻率較低，這時可以進行泵腿保養，將杯子里的機油吸出，擦干凈泵腿上的剩余機油，再加入新的機油；⑨當臍管溫度達到46oC、長循環完成后進入稱重檢查。雙組分涂料重量比為1:1.23，誤差在±5%以內。在順利完成三次稱重檢查后，主泵會自動停下恢復原位；⑩稱重檢查通過后，將臍管上球閥和長循環閥關閉。將臍管的輸料管、空氣管與牽引頭連接并用萬向接與拖拉繩索連接，再通過卷揚機將臍管拖拉過待修復管道在操作坑就位；根據管道內徑的尺寸選擇噴頭和相應的拖車或滑車，旋杯應調節在拖車上的垂直距離，以保持中心和管道的軸向中心一致；拆卸牽引頭后，應立即將AB料管、壓縮空氣管連接至混合塊和空氣馬達，并在墊層上進行，以防垃圾進入臍管和空氣馬達，空氣馬達在接入連接管前，應加入潤滑劑，拖拉受力的鋼鏈條應繃直安裝，以免混合塊和臍管的連接螺絲受力脫落污染管道，同時，將AB料管和壓縮空氣軟管和順、牢固地綁扎在一起，以防噴涂拖拉時加大拖拉阻力；噴頭操作人員和噴涂設備操作人員配合，用轉速儀測量旋杯的轉速達到10000轉/分鐘，在調試過程中，噴頭操作人員和噴涂設備操作人員應緊密配合，勿使旋杯過于高速旋轉，影響空氣馬達使用壽命。

噴涂施工：①將譯碼器右側就位，并將臍管放在譯碼器上，合上轉鼓的離合器；②進入噴涂模式后，首先旋杯會旋轉30秒，然后主泵自動啟動30秒后涂料壓力升至規定值。然后，通過無線對講機或手機告知操作坑內的操作員將臍管上的球閥打開，等到PLC屏幕上顯示的流量達到規定值后，開啟轉鼓轉動回收噴涂旋杯；③噴頭操作人員應穿戴全套防護用具在噴頭處觀察涂料的出料狀況，如發現涂料混合異常或其他不合理狀況，應立即示意設備操作人員停止臍管拖拉，查明原因后再行施工；④在拖拉噴涂過程中，設備操作人員應時刻觀察噴涂設備的運行狀況，輔助操作人員應對發電機、空氣壓縮機的運行狀況進行維護、觀測，以保證整個噴涂過程平穩有序，防止噴涂過程出現意外的停頓中止，應留意臍管在卷筒上的纏繞狀況，如發現錯位、空擋等情況應馬上排除；⑤噴涂進入末端，噴頭操作人員應提前做好準備，將操作工具安置于順手位置，待噴頭出管端0.5m后，示意設備操作人員停止拖拉，先后關閉AB涂料閥門，關閉閥門后立即示意設備操作人員關閉噴涂模式。

（3）設備部件清洗保養：①管道噴涂完畢后，噴頭操作人員應立即拆卸噴頭、空氣馬達、混合塊、靜態混合器等部件，拆卸后放入清潔劑內浸泡，待部件上的涂料化解后及時清洗部件，用干燥潔凈抹布擦干后妥善保存；②臍管兩端擦拭干凈后接入設備的AB料大循環末端；③如果噴涂設備的料倉、臍管內仍有涂料并且準備再次使用時，設備每隔2星期進行一次大、小循環運行，以保證涂料不在料倉、臍管內凝結。

4 材料與設備

4.1 涂料主要技術指標

（1）固化內襯性能（見表1）。

表1 固化內襯性能

（2）產品性能（非固化態）（見表2）。

表2 產品性能（非固化態）

4.2 噴涂設備的名稱、型號、性能及數量

噴涂設備名稱：管道內壁噴涂機。噴涂設備性能：多道噴涂厚度達到2.75～8.25mm；體積混合比設定為1：1；臍管施工長度為200m。

5 質量控制

5.1 施工方法遵照和參照執行的國際、地方（行業）標準、規范名稱和檢驗方法

《城鎮給水管道非開挖修復更新工程技術規程》CJJ/T244-2016；《給水排水管道工程施工及驗收規范》GB 50268—2008；《管道無溶劑聚氨酯涂料內外防腐層》SY/T4106-2005；《噴涂聚脲防水涂料》GB/T23446-2009；《球墨鑄鐵管和管件聚氨酯涂層》（GB/T 24596-2009）；《美國水工業協會標準鋼制水管管件聚氨酯涂層的物理和測試特性》ANSI/AWWA C222-1999；《城鎮供水管道水力沖洗技術規范》（DB31/T 926）。

5.2 涂層外觀質量要求

涂層外觀應光滑勻稱、無異物、無漏噴、無流掛、無氣泡、無支管堵塞。

5.3 涂層壁厚要求

噴涂施工完工后，應使用經過檢測的涂層測厚儀對已修復管道的兩端管頭0.5m處的涂層厚度進行檢測，取管道的頂、底、左、右4個點進行檢測，其平均值不應小于設計或者施工方案內的給定值，最大或最小值不應小于或大于設計或者施工方案內的給定值的25%。

5.4 涂層與管道內壁的結合度要求

通過管道機器人CCTV和對已修復管道兩端的觀測，涂層應緊貼管道內壁、無縫隙。

6 安全措施

管道內噴涂修復施工根據其工藝特點需注意的安全措施，分為人身安全保護和施工現場安全防護。

6.1 人身安全保護

（1）接觸噴涂設備、部件、涂料的人員均應佩戴防護手套，禁止裸手接觸涂料。

（2）將涂料加入料倉以及噴涂施工時，操作噴頭的工作人員必須穿戴整體防護服、護目鏡、防護手套、防護鞋，防止涂料濺到眼睛及其他身體部位。

（3）施工現場需要備置洗眼器或清潔飲用水，以防工作人員眼睛被涂料濺到時可隨時清洗。

（4）禁止非專業操作人員觸動噴涂設備上的高壓部件。

6.2 施工現場安全防護

（1）管道除垢、噴涂施工中空氣中的粉塵含量不得超過TJ36-79《工業企業設計衛生標準》的規定。

（2）噴涂設備及部件應符合國家有關爆炸危險場所電器設備的安全規定，發電機、設備應設置接地裝置。

7 效益分析

7.1 經濟效益分析

作為一項先進的供水管道非開挖修復技術，同其他管道修復方法相比，在成本利潤、經濟效益方面其具有明顯的優勢。在施工成本控制上，噴涂修復施工比傳統排管施工路面開挖工程量減少80%以上，充分體現出非開挖修復的技術特點和經濟效益。與折疊管內穿施工、管道翻轉內襯施工等其他非開挖修復工藝比較，噴涂修復施工工藝在技術上具有支管連接處無須重新再開口、施工場地面積小、周邊影響范圍小、路面開挖量顯著降低等技術優勢，簡化了管道修復的施工環節和人員設備投入，由此能夠進一步降低修復施工的成本與投入。

通過對類似項目成本利潤情況的分析，采用聚脲材料進行管道內噴涂修復施工，噴涂材料消耗與相關設備使用開支約占施工成本費用的60%。目前，受進口材料供應商壟斷經營等市場因素限制，材料供應價格偏高，導致與傳統開挖排管相比較成本優勢不明顯，項目盈利能力有限。噴涂材料國產化后，預計涂料采購價格相當于當前市場采購價格的40%～60%，噴涂材料費用與普通球墨鑄鐵管采購成本基本持平，人工、機械設備、現場協調等費用則大大低于開挖排管施工的費用投入，項目整體經濟優勢得以體現，利潤水平將明顯超過傳統施工工藝。

7.2 社會效益分析

供水管道內噴涂修復技術的社會效益同樣明顯。采用噴涂技術進行供水管道修復時，只需在待修復管段兩端建立允許噴涂小車進出的工作坑即可，避免了常規排管施工中的大量路面開挖作業。一方面降低了施工成本；另一方面，也降低了施工作業對周邊環境與居民生活的影響。同時，由于選用了快干型100%固體含量的聚脲涂料作為噴涂材料，因此在不影響用水安全的前提下，實現“當天停水、當天施工、當天恢復通水”的施工目標，具備了明顯的環境友好性。

8 應用實例

8.1 工程概況

上海市楊浦區雙陽路（周家嘴路-長陽路）DN300給水管道因使用年限較長，管道損舊，計劃廢舊排新，現為減少路面的開挖面積，探索更加高效的管道修復技術，在雙陽路（雙陽路280號——順平路（原規劃路））段采用給水管道內壁噴涂修復工藝，修復長度為DN300×130米，如圖4。

圖4 雙陽路（雙陽路280號——順平路（原規劃路））段DN300給水管修復工程平面示意圖

8.2 工程檢測與結果評價

本工程于2017年8月開始實施到2018年1月結束，噴涂后用CCTV檢測車對管道內襯進行表觀質量檢查。從CCTV小車的錄像資料可以觀測到噴涂后管道內襯壁光滑，無流掛、無砂眼、無裂縫，管道接口處涂料也可以均勻包覆，各三通支管處也可以涂敷到并且不會堵塞DN50的支管,說明修復后的給水管道能滿足業主和用戶的使用要求，其修復前后效果如圖5、6。

圖5 修復前CCTV截圖

圖6 修復后CCTV截圖

8.3 施工中遇到的問題以及解決措施

由于在實施本工程時恰遇冬天，最高氣溫在7℃左右，且設備停留在風速較大的十字路口，對料倉和臍管內的涂料加溫至46oC造成了很大困難，使得加熱時間比預計延長了2小時左右，對現場的交通流量產生了影響。

解決措施：盡量避免在冬季施工；在設備內涂料加熱時，用圍罩將設備盡量密封罩住，以減小空氣流動對涂料加熱的影響。

9 結語

供水管道內噴涂修復施工方法由于其合理、科學的工藝技術產生了良好的社會和經濟效益，通過在實際工程中的運用也得到了較好的體現，獲得了業主的認可，噴涂修復后，能明顯改善老管道因管道銹蝕產生的漏水和水質變差的情況，大大提高原管的服務質量和使用壽命，盡管在整體設備的加熱保溫方面還有待改進的地方，但其在供水管道非開挖修復領域的運用前景是十分廣闊的。