CIPP管道修復技術的內襯管道強度研究

林寶川

(深圳市龍崗區水務局,廣東 深圳 518172)

0 引 言

隨著社會發展和城市化進程的推進,對水資源需求的增加,使得水利工程的規模和復雜性不斷提高[1]。其中,管道作為水利工程的重要組成部分,面臨著老化和損壞等問題,需要進行修復和維護[2]。傳統的明挖管道修復方法存在成本高、破壞道路、交通受阻等局限性,因此非開挖管道修復技術應運而生[3]。

CIPP作為一種非開挖管道修復技術,因其操作簡單、適用范圍廣、節約成本、工期短等優點而被廣泛應用[4]。汪路等[5]發現UV-CIPP在城市存量管網更新應用中,缺少全生命周期的量化參數研究,并以武漢市蔡甸區蓮花湖環湖截污干管修復工程為例,分析了常用非開挖修復技術優劣和使用范圍,為后續的推廣應用提供了參考。熊俊[6]研究發現大量的城市地下排水管道出現結構性及功能性缺陷,針對山地城市建成區污水管網病害情況,提出基于CIPP水翻固化法的非開挖修復設計方案,并對實際修復效果進行評價,為后續山地城市大規模開展排水管道非開挖修復應用提供設計參考。

上述研究表明,CIPP技術的應用非常廣泛,但針對原位固化后的內襯軟管及其強度的研究還較少。本文針對復雜的地下管道修復中存在的問題,分析CIPP固化法的工藝、施工流程及技術特點,建立復合管道內襯強度計算模型,計算復合管道的強度,并通過數值模擬進行驗證,以期為后續復合管道強度的計算提供參考。

1 CIPP管道修復技術的內襯管道強度

1.1 基于CIPP管道修復技術的水利管道修復方案擬定

近年來,水利工程項目建設逐漸增多,在提高水資源利用效率、協調地區水資源平衡等方面都發揮了重要作用[7]。水利工程建設中,會用到大量管道設施,由于其長時間使用和外界環境的影響,容易出現破損和泄露問題,對工程整體造成直接影響[8]。傳統的水利管道修復方法往往需要進行全面替換或者長時間的停用,給維修過程帶來不便和經濟負擔[9]。

隨著CIPP管道修復技術的發展,使得管道修復過程變得更加高效、快捷。CIPP管道修復技術的原理是:通過無損檢測技術確定管道內部的破損位置和程度[10],然后將特殊的固化材料(如環氧樹脂、聚合物、尼龍纖維等)注入管道內部進行修復,通過施加壓力或使用充氣裝置,固化材料將被強制擴展到管道內的受損區域,填充并修復破損或滲漏部位。修復完成后,材料會在管道內原位固化,形成一個堅固的管道襯里層,恢復管道的正常功能。修復過程中的內襯軟管的充氣膨脹過程見圖1。

CIPP管道修復技術的優勢主要包括無需開挖、快速高效、耐久性強、適用范圍廣等。無需開挖是指修復過程中不需要對地面或地下結構進行開挖,減少了對周圍環境和基礎設施的破壞[11]。快速高效是指其修復時間較短,通常只需幾小時至幾天即可完成修復工作,相比傳統的開挖修復方法,節省了大量的時間和人力資源。耐久性強是指修復材料在原位固化后形成一個堅固的襯里層,能夠提供持久的保護和修復效果,并延長管道的使用壽命。適用范圍廣是指CIPP適用于不同類型的管道,包括下水道、排水管、供水管、天然氣管道等,可以修復多種不同程度的破損問題。

但CIPP也有一些限制和注意事項。如修復材料需要與管道材料、環境條件等相容性好;修復過程需要準確評估管道的損傷情況和修復能力,以確保修復效果的穩定性和持久性。CIPP管道修復技術還具有環保、工期短、斷面修復、管道耐久性強、提高管道過流能力、低費用、期效長等工藝特點。CIPP修復技術的水利管道施工流程圖見圖2。

圖2 CIPP修復技術的水利管道施工流程示意圖

由圖2可知,首先需要對管道進行徹底清潔,將管道內的污垢、沉積物等清除干凈,以確保修復材料能夠與管道壁面良好結合。清潔后,通過CCTV內窺檢測技術,對管道進行檢測和評估,確定破損或老化的程度以及需要修復的區域。然后將修復材料注入管道內并涂覆在管道壁上,修復材料在管道內形成一層堅固、光滑的壁膜,填補或修復管道的破損部分。修復材料注入后,通過化學反應、光固化或熱固化等方式完成固化,使修復材料變得堅固、耐用,并與管道壁面完全結合。

利用CIPP修復技術修復水利管道是在舊管道的基礎上,因此在修復之前需要對舊管道進行預處理。預處理中需要注意的是,應將底膜墊在軟管下面再進行拖拉,避免軟管在拖拉過程中與管道摩擦而產生磨損或刮傷。牽引軟管時需要折疊軟管,防止軟管在井口的拐角處刮傷損壞,牽引速度一般不超過5m/min,防止軟管褶皺影響后續的修復。軟管的一頭還需要通過皮帶進行扎頭,扎好后將安裝好的紫外燈架送入軟管內壁。然后利用壓縮空氣對軟管充氣,使其緊密貼合原管道,此時將紫外燈勻速移至軟管另一端,使內襯軟管在紫外燈的反應下發生固化反應。最后將紫外燈拉回檢查井管并關閉,保持內襯管道內的壓力,完成水利管道的修復。

1.2 CIPP水利內襯管道強度的計算

利用CIPP修復技術修復后的內襯管道與原有的舊管道形成復合管道,兩者緊密貼合,共同承擔管道上方的外部荷載作用。外部荷載包括管外的土壓力、周圍靜水壓力、土體上方由于交通等產生的動荷載等。原有管道內部腐蝕缺陷可能導致內襯管道和舊管道同時遭受強度和變形破壞,本研究基于厚壁圓筒理論,將原有管道視為厚壁圓管,并僅考慮舊管道內壁存在損傷情況,在遵循規范法的基礎上,對損傷進行分析,并計算出損傷后剩余可承載的強度。此外,當原有管道發生結構性裂紋并出現滲漏時,可能引發幾何失穩破壞。具體表達式如下:

(1)

式中:αp為舊管道的剩余強度,MPa;αs為材料在受力作用下,開始發生塑性變形的應力閾值,MPa;β、φ分別為無量綱形式的系數、膨脹變化率;ψsafe為無因次的安全系數,一般為2。

內襯管道與舊管道之間無縫隙和地下水的作用,內襯管道在工作時因受到的彎曲荷載作用而發生梁彎曲的現象,彎曲荷載的范圍包括管道上方由交通等產生的動荷載、水施加的荷載和土體荷載3個方面。在均勻腐蝕的破壞和外部荷載的作用下,根據經典彈塑性力學組合的厚壁圓筒理論,復合管道的軸向強度為內襯管的強度加上舊管道的剩余強度,結合力的邊界條件計算復合管道的軸向強度,公式如下:

(2)

式中:εpz、εz分別為軸向應力、軸向上應力,MPa;φ為無因次的比例系數;q為管道軸向載荷,kN;p為管道內壓,MPa;kl為跨距內集中載荷,kN;L、a、b分別為跨距、舊管直徑和內襯管直徑,mm;Pcrz為復合管道軸向極限承載力,MPa;d為管道壁厚,mm;r為管道內徑,mm。

CIPP修復采用半結構修復內襯管道,修復后的復合管道由內襯和舊管內壁緊密結合形成,其內襯環向應力為外管周圍壓力和內部水壓一起作用于內襯管壁形成。本研究利用Cheney屈曲模型,計算內襯管壁厚度,從而進一步計算內襯管的環向應力。Cheney屈曲模型見圖3。

圖3 Cheney屈曲模型圖

管道內的環向應力由舊管道受到的外部載荷施加的彎曲應力和水體滲入管道作用于內襯上形成的拉伸應力兩部分構成。根據經典彈塑性力學組合的厚壁圓筒理論,復合管道的環向強度為內襯管的環向應力和舊管剩余強度之和,具體計算公式如下:

(3)

式中:εθ為沿著管道的環向方向施加在內襯管材料上的應力,MPa;Bf為狀態下的變形特性,取值為5.5;Ty為受到彎曲加載時的抗彎剛度,MPa;Δx為管垂直方向撓曲值;tc為內襯壁厚;Pcrθ為復合管道在垂直方向上的彎曲偏差量,MPa。

研究利用Abaqus分析軟件計算復合管道強度,以第四強度理論為基礎,建立復合管道有限元模型,以等效應變應力屈服準則作為管道屈服失效的判斷標準,當等效應變應力達到管道強度的臨界值時,管道開始發生塑性變形。

在研究復合管材料的性能時,模型首先假設管材在受到軸向受力時是均勻且中心對稱的,只考慮管材在一個平面上的受力情況,從而簡化分析過程。其次在復合管的界面處,應力和應變滿足平滑連接的條件,以確保整體結構的一致性,有助于簡化計算,并提供復合管內外表面之間傳遞應力的橋梁。最后分析復合管的強度和破壞行為時,在外界施加的載荷作用下,內襯管道和舊管道可能發生強度失效和形變失穩。

復合管道有限元模型在模型的最上方設置管道矩形缺陷,發生屈曲破壞時,沿徑向方向產生位移,采用管道荷載的施加與時間呈線性關系的分析步類型進行模擬實驗。

2 CIPP修復技術修復水利管道的工程應用

為了探究所提CIPP修復技術的水利內襯管道強度計算方法的可靠性,研究利用Abaqus分析軟件,對A地一管道修復工程的管道進行計算,建立復合管道有限元模型,根據邊界條件施加外部荷載,從而對模型進行線性分析。

研究采用檢測機器人收集管道數據,管道為C32混凝土DN1200的管道,壁厚100mm,長度2.1m,厚度100mm,腐蝕長度300mm,寬度50mm,深度18mm,屈服應力14.2MPa。采用紫外光固化修復技術(Ultraviolet light cured in place pipe, UV-CIPP)進行水利管道的修復,起始井的井點位P13,修復管徑1 200mm。計算得到舊管的剩余強度25.63MPa,內襯管外徑1 000mm,管道壁厚7.58mm,軸向彎曲強度0.48MPa,地下水壓力0.01MPa,泊松比0.3,復合管道強度26.12MPa。

研究利用復合管道有限元模型進行模擬實驗,記錄管道臨界區域應變的變化曲線。首先多次對管道施加荷載,確定管道的臨界區域與時間的變化關系,見圖4。

圖4 多次測試中臨界區域位移隨時間變化的關系圖

從圖4可以看出,4次測試均在t=0.25s左右時,復合管道的應變發生突變。根據載荷的施加規律,得到極限為98MPa/s,當時間在0.25s時,物體表面承受的外部壓力為24.60MPa,小于復合管道計算所得的負荷承受壓力26.12MPa。

安裝內襯管道時,會遇到原有管道遺留下來的問題,會導致內襯管道出現各種幾何缺陷,這些幾何缺陷可能對內襯管道的屈曲性能產生不利影響。因此,在施加荷載后,分析襯管尺寸比(Liner size ratio, LSR)、邊界條件對內襯管臨界屈曲強度的影響。見圖5。

圖5 LSR和邊界條件對內襯管道屈曲強度的影響

通過模擬實驗,本研究設置6組LSR數據,研究不同LSR值下內襯管道屈曲強度的變化情況。實驗結果見圖5(a),隨著LSR值的增大,管道的屈曲強度逐漸降低,尤其是LSR超過100時。

不同界面脫離范圍對屈曲強度的影響見圖5(b)。由圖5(b)可知,隨著脫離范圍的增大,管道的屈曲強度減小。修復后的管道應具備彎曲強度、耐性、抗拉伸性、抗裂性和耐腐蝕性。

為了驗證修復效果,通過應用復合管道有限元模型,對已修復管道的強度、流量和過流能力進行測試。實驗水頭55kPa,時間1h,對比修復前后的參數值,實驗結果見表1。

表1 內襯管道測試實驗檢測結果

表1數據顯示,修復后的管道符合國家標準規定,初始彈性模量、彎曲強度、拉伸強度均滿足要求。實驗中平均滲水量為3.34m3/(24h·km),符合國家管道水流實驗規定;修復后的流量保持在261.65L/s,但粗糙系數降至0.006,過流能力比為139.82%,能滿足水利工程需求。

應用CIPP管道修復技術相較于開挖更換管道,可節約成本30%左右,縮短7天工期,操作簡單且無需大量人力和設備投入。

3 結 論

為了解決水利管道明挖修復中操作復雜、耗費大量時間和資金的問題,本文利用UV-CIPP技術固化水利管道,根據內襯管道的幾何形狀和材料特性,利用彎曲理論和彎曲應力公式,計算管道在外力作用下的彎曲強度。實驗結果表明,在t=0.25s左右時,復合管道的應變發生突變,外部載荷為24.5MPa,小于計算所得的復合管道強度26.12MPa。對比修復前后的管道,流量仍為261.65L/s,粗糙系數降低為0.006,過流能力比為139.82%。因此,研究設計的修復方案能夠有效輔助相關人員修復水利管道。