基于樹脂常溫固化技術的供水管道非開挖修復技術

楊 光，劉星雨，李奇峰，于 昆，柴文旭，崔 毅

(1.哈爾濱供水集團有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150080；2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875；3.哈爾濱排水集團有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150070)

我國國土遼闊、人口基礎大，城市地下管網規模巨大，尤其壓力管道病害問題突出，病害失修積重難返，城市建設和管理存在“重地上輕地下”“重面子輕里子”的現象。地下管線是保障城市運行的重要基礎設施，也是城市的“生命線”，現在卻成為了“奪命線”[1]，近年來國內頻發的燃氣管道爆炸、城市內澇、地下空洞塌陷等嚴重影響人民群眾生命、財產安全的重大事故，為我們市政管網運營單位、上級政府主管單位一次又一次地敲響警鐘，市政管網的更新、改造工作迫在眉睫。

傳統“開膛破肚”的市政管網修復方式存在不合時宜性，比如破壞道路、影響交通、大量土方、噪音污染、空氣污染和破壞其他基礎設施等弊端，尤其針對我國北方嚴寒地區冬季低溫條件下開挖施工作業存在一定難度。隨著我國城市化的快速發展，投資環境、宜居程度成為城市的名牌，傳統的開挖更新老舊管道的方式與我國日新月異的地面城鎮建設成果相互矛盾，不開挖或者盡量少開挖的非開挖管道修復方法逐漸被國內外接受，2000年以來在我國發展迅速。非開挖修復技術的應用在管道修復領域中已逐漸成熟，但在我國北方嚴寒地區給水管道修復中少有先例。本研究為常溫固化非開挖內襯修復技術在單次長距離管道修復領域大范圍應用創造條件，同時為該技術在低溫作業條件下施工提供理論基礎和實踐參考。

1 CIPP管道修復技術

原位固化法(cured-in-place pipe，CIPP)采用翻轉或牽拉方式將浸漬樹脂的軟管置入原有管道[2]，具體工藝如下。

圖1 CIPP管道修復技術示意圖Fig.1 Schematic Diagram of CIPP Pipeline Rehabilitation Technology

制作一條纖維(玻璃纖維、聚酯纖維等)內襯軟管，外層(或者內外兩層)涂有聚合物涂層(PU或PE)，首先與樹脂材料浸漬，制作待翻軟管；采用水壓、氣壓、牽引等方法將浸漬樹脂的待翻軟管送入待修復管道(圖1)。待翻內襯全部安裝到主管道里，采用常溫固化、加熱固化、紫外光固化等方式促使樹脂材料固化，樹脂材料固化后，浸漬樹脂材料的內襯管即硬化，就會在原來的管道里形成一個新的內襯管道。

隨著城鎮化進程的加劇，管道非開挖內襯修復技術已在國內外逐漸發展成熟，原位固化技術發展出多個分支技術，其中主流技術包括常溫固化技術、熱固化技術和紫外光固化技術等多種管道內襯修復技術[3]。但是，多數非開挖管道修復技術針對的主要是市政排水零壓重力管道的修復領域，可修復距離短，通常在200 m以內。

2 研究內容

管道非開挖修復技術在排水等重力流管道領域應用廣泛，在壓力管道應用較少。壓力管道非開挖內襯修復工程不同于重力排水管道，管線整體處于密閉狀態，通常連續埋設于地下，沒有敞開的檢查井，非開挖內襯修復類技術的應用需要開挖作業坑。因此，要求所使用的非開挖修復技術具備應對單次長距離工況的能力。

CIPP熱固化技術受限于傳熱介質的溫度均勻程度，無法在長距離管道內形成均勻穩定的高溫加熱條件(通常要求80 ℃以上)，不能應用于較長距離管道的內襯修復；紫外光固化技術受限于直拉牽引的進管方式，在單次修復長距離管道的情況下與管壁摩擦較大；噴涂聚合物增強水泥漿法在DN1000以上大口徑壓力管道非開挖內襯中應用效果較好，但是小口徑壓力管道人員無法進入，噴涂設備受制于輸送軟管壓力問題，不適合長距離壓力管道的內襯修復；而常溫固化樹脂通常不需要外部條件，在較寬跨度的溫度環境下即可完成固化過程，冬季寒冷條件下較為容易實現溫度條件。因此，CIPP常溫固化管道內襯修復技術在管徑適應性、單次長距離施工能力上，更適合壓力管道非開挖內襯修復工程應用。

常溫固化翻轉內襯修復技術需要應用具備常溫固化特性的樹脂材料，翻轉壓力可以是氣壓或者水壓，當前在管道局部修復工程中應用較多，較少應用于大范圍壓力管道非開挖內襯修復，存在常溫固化樹脂類型的選擇、施工環節溫度控制、常溫固化樹脂在低溫條件下固化工藝等限制。

3 常溫固化管道非開挖內襯修復工法及設備的研究

室外常溫環境下常溫固化樹脂材料不需要特殊的促使固化措施，更適合要求單次施工距離長的封閉性壓力管道修復工程中應用，但是通常的樹脂灌注方法及內襯進管方法與常溫固化樹脂材料的匹配性差，容易出現樹脂提前固化的問題，存在質量隱患，限制了該技術在單次長距離工況條件下的應用(圖2～圖3)。因此，需要研究常溫固化樹脂的配套施工裝備及工法。

圖3 通常的氣壓翻轉設備Fig.3 Usual Air Pressure Flipping Equipment

基于環氧樹脂聚合物反應動力學，常溫固化樹脂材料在5 ℃內處于潛伏期，可應用冷水循環的方法，控制樹脂進管前各環節所處環境溫度。樹脂灌注設備及軟管(攜帶樹脂)翻轉進管設備設計如圖4～圖5所示。

圖4 基于“樹脂材料不動、空毛氈軟管拖動分散”原理的低溫灌注設備Fig.4 Low Temperature Infusion Equipment Based on the Principle of "Resin Material No Moving,and Empty Felt Hose Dragging and Dispersing"

圖5 加裝冷水循環裝置的軟管氣壓翻轉設備側面透視圖Fig.5 Side Perspective of Hose Pneumatic Turnover Equipment with Cold Water Circulation Device

通過外置冷水機、水泵對圖4和圖5中兩設備進行不間斷0～5 ℃冷卻水循環，實現樹脂灌注軟管環節及軟管翻轉進入待修復管道前儲存環節的溫度控制。給予室溫固化管道非開挖內襯修復技術更為充足的施工時間，以及更為穩定的質量控制條件，進而增加該技術在壓力管道非開挖修復工程中的單次實施距離。

室外常溫環境下，常溫固化非開挖管道內襯修復技術實施步驟如圖6所示。

圖6 常溫固化非開挖管道內襯修復技術實施步驟Fig.6 Implementation Steps of Trenchless Pipe Lining with Curing Repair Technology under Normal Temperature

該常溫固化樹脂的配套施工裝備及工法的試驗研究是準備下一步展開的工作，預計室外常溫條件下，本文設計的常溫固化管道內襯修復技術方法單次最大施工長度可超過400 m。這一部分，本文側重理論設計研究，未做試驗論證。

4 常溫固化樹脂材料試驗與分析

4.1 常溫固化樹脂材料的選擇研究

原位固化法管道內襯修復通常使用不飽和聚酯樹脂、乙烯基酯不飽和樹脂、環氧樹脂等材料。環氧樹脂類材料理化性能更優異，但是在管道內襯工程中的反應過程不易控制，且成本較高，需要從聚合物反應動力學角度深入研究相關配套設備和標準[4]，通過試驗確定材料選擇。試驗設備名稱為微機控制電子萬能試驗機，規格型號為E44.304，制造廠商為美特斯工業系統(中國)有限公司，設備用途為管材的拉伸、彎曲試驗。

4.1.1 不飽和聚酯樹脂

樹脂材料完全浸潤滌綸氈后，25 ℃恒溫箱內固化，切割成尺寸為4 mm×10 mm×80 mm的力學試驗試件(圖7)，固化時間以試件完全固化為依據，參考《樹脂澆鑄體性能試驗方法》(GB/T 2567—2008)[5]，力學試驗依據《城鎮給水管道非開挖修復更新工程技術規程》(CJJ/T 244—2016)進行，配比設計如表1所示。力學試驗性能抗拉強度、彎曲強度、彎曲彈性模量、黏接強度測試標準參考《塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》(GB/T 1040.2—2006)[6]、《塑料 彎曲性能的測定》(GB/T 9341—2008)[7]及《色漆和清漆 拉開法附著力試驗》(GB/T 5210—2006)[8]，各項力學數據如表2所示。

圖7 力學試驗試件Fig.7 Mechanical Test Specimen

表1 不飽和聚酯樹脂配比設計Tab.1 Design of Unsaturated Polyester Resin Ratio

表2 不飽和聚酯樹脂試件力學數據Tab.2 Mechanical Data of Unsaturated Polyester Resin Specimens

從正交試驗結果可以看出，促進劑和固化劑對不飽和聚酯樹脂固化物的力學性能和固化時間有復合影響。適當比例促進劑、固化劑可以配置出固化時間、強度、彈性模量符合使用要求的預固物，但是其與鋼基體的黏接力總體偏低，這與其固化過程收縮率高有關，當兩劑比例高到一定程度后固化物強度倒縮、與鋼基體脫層，故該材料不適合在管道內襯修復技術中使用。

4.1.2 乙烯基酯不飽和樹脂

試驗溫度等條件同不飽和聚酯樹脂試驗，配比設計如表3所示，各項力學數據如表4所示。

表3 乙烯基酯不飽和樹脂配比設計Tab.3 Proportioning Design of Vinyl Ester Unsaturated Resin

表4 乙烯基酯不飽和樹脂試件力學數據Tab.4 Mechanical Data of Vinyl Ester Unsaturated Resin Specimens

從正交試驗結果可以看出，苯乙烯稀釋劑用量和增韌型固化劑用量對乙烯基酯樹脂的力學性能和固化時間有符合疊加影響。雖然受到該樹脂固化收縮率較高的影響，其黏接力表現不好，但是，調整稀釋劑和固化劑的用量可以確定一個抗拉強度、彎曲強度、彎曲模量滿足使用要求的配比，2.2.1號配比可作為備選合理配比。

4.1.3 環氧樹脂

試驗溫度等條件同不飽和聚酯樹脂試驗，配比設計如表5所示，各項力學數據如表6所示。

表5 環氧樹脂配比設計Tab.5 Design of Epoxy Resin Ratio

表6 環氧樹脂試件力學數據Tab.6 Mechanical Data of Epoxy Resin Specimen

高性能改性環氧樹脂材料固化物的力學、固化性能同樣受到活性復合環氧稀釋劑和增韌型復合環氧固化劑的正交影響，多個配比均可以滿足使用要求，選擇3.2.2號作為合理備選配比。

4.1.4 結果對比

根據測試結果，乙烯基酯樹脂呈現明顯的脆性特性，韌性不足，交變溫度腐蝕條件下，耐老化能力不足(圖8)；環氧樹脂則表現出一定的塑性特點，具有良好的柔韌性，交變溫度腐蝕條件下，耐老化能力強(圖9)。故更為適合壓力管道非開挖管道內襯修復技術。

圖8 乙烯基酯樹脂2.2.1號配比、-30～80 ℃、10%硫酸液/氣環境中加速試驗后電鏡圖(有明顯龜裂區域)Fig.8 Photograph of Electron Microscope after Accelerated Test of Vinyl Ester Resin No. 2.2.1 Ratio, -30～80 ℃, 10% Sulfuric Acid Liquid/Vapor Environment(Obvious Cracked Areas)

圖9 高性能改性環氧樹脂3.2.2號配比、-30～80℃、10%硫酸液/氣環境中加速試驗后電鏡照片(無明顯龜裂區域)Fig.9 Photograph of Electron Microscope after Accelerated Test of High-Performance Modified Epoxy Resin No.3.2.2 Ratio, -30～80 ℃, 10% Sulfuric Acid Liquid/Vapor Environment(No Obvious Cracked Areas)

4.2 常溫固化樹脂在低溫條件下的固化工藝研究

寒冷地區冬季實施難題，是限制常溫固化內襯修復技術應用的重要因素。非常有必要開展輔助快速固化手段及冬季(5 ℃以下)低溫環境下的施工工藝研究。

根據常溫固化內襯樹脂材料性能指標，其固化需要在5～50 ℃完成，需要通過必要手段盡可能創造管道內5～50 ℃的均勻溫度，國內外通用手段為加熱水循環的方法，考慮到用水量大、冬季污水排放困難的問題，選擇蒸汽輔助加熱工藝，并在加熱方法上展開研究。

4.2.1 蒸汽輔助加熱方案一

根據供熱管道設計原理，采用每小時轉化2 m3水為蒸汽的800 kW的柴油蒸汽發生器，鍋爐蒸汽壓最大2 kg(小于8 kg為低壓鍋爐，可以在市區使用)。軟管翻轉末端安裝小型開關閥門，翻轉完畢后，將小型開關與外置蒸汽發生器管道連接，打開閥門，蒸汽從翻轉末端直接通入管道，從氣壓翻轉設備端排出，依靠氣翻設備集成的壓力控制裝置限定保壓壓力至正常水平，如圖10所示。少數管道內襯工藝技術采用該加熱方案，操作簡便，但溫度均勻性不好，入口溫度過高(處于90～110 ℃)。

圖10 蒸汽輔助加熱方案一示意圖Fig.10 Schematic Diagram of Steam-Assisted Heating of Program One

試驗方法采取地面試驗，設置試驗段距離為400 m(每個測區設3個測溫點)，試驗管道為新DN530螺紋焊鋼管，測試環境溫度為-20～-15 ℃。測定溫度如表7所示。

表7 蒸汽輔助加熱方案一測定溫度Tab.7 Temperature Measurement of Steam-Assisted Heating of Program One

試驗中發生了因管內水平方向(縱向)上樹脂材料受熱溫差過大，樹脂材料固化不均勻導致的應力集中現象，內襯層表面局部出現發黃的高溫老化情況(圖11)，存在安全隱患。證明該加熱方案不可控，需更新設計。

圖11 內襯層樹脂材料表面出現高溫老化情況Fig.11 High Temperature and Aging Condition on the Surface of the Resin Material of the Inner Liner

4.2.2 蒸汽輔助加熱方案二

仍然采用每小時轉化2 m3水為蒸汽的800 kW的柴油蒸汽發生器，鍋爐蒸汽壓最大為2 kg。另加設一臺2 m3中型空氣壓縮機，蒸汽機與空氣壓縮機出口以三通連接，三通出口加裝智能溫控開關，可設置開關溫度閾值，通過壓縮空氣流量調整進管蒸汽溫度上限。采用內通限溫蒸汽循環軟管的方式進行加熱，軟管內直徑為38 mm，壁厚為4 mm，最大承壓能力為2 kg，材質為耐高溫(200 ℃)軟硅膠。軟管每隔50 cm開小孔(同一橫截面均勻開4個，小孔尺寸為1～2 mm)，蒸汽軟管連接到翻轉軟管末端小型開關，蒸汽軟管跟隨氣翻過程同步進入到原管道內，翻轉完畢后，將連接軟管末端開關與外置蒸汽機連通，打開開關，蒸汽通過循環軟管進入到管道內，通過管道上小孔均勻噴散到管道內部，實現加熱過程，如圖12所示。

圖12 蒸汽輔助加熱方案二示意圖Fig.12 Schematic Diagram of Steam-Assisted Heating of Program Two

試驗方法與方案一相同，采取地面試驗，試驗段距離為400 m(每個測區設3個測溫點)，試驗管道為新DN530螺紋焊鋼管(圖13～圖14)，測試環境溫度為-20～-15 ℃。測定溫度如表8所示。

圖13 試驗管道Fig.13 Test Pipeline

圖14 試驗現場照片Fig.14 Photo of the Test Site

表8 蒸汽輔助加熱方案二測定溫度Tab.8 Temperature Measurement of Steam-Assisted Heating of Program Two

試驗中內襯層樹脂材料整體固化良好，未發現因不均勻固化造成的開裂等缺陷(圖15)。

圖15 內襯層樹脂材料固化情況Fig.15 Curing Resin Material of Inner Liner

根據上述試驗，方案二更為合理，通過設定蒸汽機出口溫度、調整壓縮空氣流量，固定混合蒸汽進管溫度為60 ℃，在蒸汽、空壓機設備運行不正常等特殊情況下，三通出口溫控閥門可關閉蒸汽進管通道，進而實現輔助快速固化及冬季施工系統設備的穩定性。

5 結論與展望

本研究針對壓力管道更新、修復的特點，基于樹脂常溫固化技術基礎，在常溫固化樹脂類型的選擇和常溫固化樹脂在低溫條件下的固化工藝方面開展試驗、分析，確定了環氧樹脂類材料更適合常溫固化壓力管道非開挖內襯修復應用，并給出了配比設計；設計研究了常溫固化管道內襯修復技術主要設備及實施方案；確定了蒸汽輔助加熱方案二作為常溫固化樹脂在寒冷地區冬季(-20～-15 ℃)應用的工藝方法。但本文的研究未能實現兩個加熱方案內襯層應力、應變的具體測定，計劃后期進一步采用光纖、光柵應力、應變裝置測試方法，以蒸汽輔助加熱方案二為基礎，精確測定不同溫度條件下、不同區域內襯層樹脂材料固化過程中的受力變化情況，實現進一步優化加熱系統?？傮w上，本研究為常溫固化非開挖內襯修復技術在單次長距離管道修復領域大范圍應用創造了條件，為該技術在低溫作業條件下施工提供了理論基礎和實踐參考。