高密度聚乙烯管道衬装工程应用

凯威赫（大连）管道有限公司
段文宇 赵岩

一、 高密度聚乙烯（HDPE）管道的发展及应用

　　塑料是本世纪发展最快，用途最广泛的新型材料之一，塑料管道因为具有经济性、耐腐蚀、施工方便等特点，具有传统管道材料所不具备的许多优点，广泛应用在给排水、燃气、工业、农业等领域。
　　从50年代初，高密度聚乙烯材料（HDPE）率先被芬兰凯威赫公司应用于管道制造开始，高密度聚乙烯管道的发展很快，无论从原材料到生产技术都有很大的改进。黑色高密度聚乙烯管道使用寿命长达五十年以上；内壁光滑，且不随使用时间变化，压力损失比钢管约小30%，可选用比钢管小的口径；无毒性、耐腐蚀，长期使用亦不会积垢；材料抗老化，可地面敷设；柔韧性好，材质延伸率大，脆化温度低（-70℃），能吸收介质冲击、适应地基下沉、地震、冰冻和路面重车行驶（有报道说，1995年日本神户地震中，聚乙烯燃气管和供水管是唯一没有被破坏的管道）；管道可以制造成任意长度，可柔性布置，节省管件；可焊接，提高管路严密性，减少输送介质漏损；重量轻（密度是钢的八分之一），安装劳动强度低，施工费用少。由于高密度聚乙烯（HDPE）管道众多优越性能，使它在诸多管道材质中脱颖而出，所占市场份额日益提高。
　　经过数十年的发展，HDPE管道已在诸多领域取得了成功的应用。供水管线是最成功的应用领域之一，其适用工作压力可高达2Mpa。由于其优越性能，HDPE管道在许多特殊工程中也得到广泛应用，衬装工程就是其中的一种。

二、 衬装法更新旧管道

　　世界上许多城市由于旧的给排水管道、气体输送管道年久失修，腐蚀和破损较多，渗漏严重，造成资源的浪费和环境的污染。但有些管道埋在城市道路或构筑物之下，如果要采用全面开挖的方法，取出报废的旧管道再埋入新管道，不仅耗资巨大，且对城市交通及环境带来不利影响，这就使许多城市老管线无法改造。而由凯威赫管道集团公司提供的聚乙烯管道衬装技术使这种更新产生了重大变革， 聚乙烯管道具有良好的柔韧性，内外壁光滑，并且可以焊接成长管，连接处外径与管材外径相同，强度也相同，非常适合于做衬装工程。聚乙烯管道与传统管道相比具有众多优势，采用聚乙烯管衬装法更新旧管道，已成为解决城市老管道改造的最佳方案之一。
　　衬装方法为：根据城市旧管网的实际情况（弯头、三通、阀门、坡度等），沿原有管道每隔一定距离挖掘一个工作坑，将旧管道分割成几段，并对其内表面进行清扫，然后将聚乙烯管道衬入其中，非常简单的工作既可完成更新。
　　PE管道衬装主要有三种方式：滑入衬装、贴合管衬装、短管衬装
　　下面详细介绍一下这三种衬装方式：
　　（一） 滑入衬装：即直接把连接好的聚乙烯管道拉进旧管道中。
　　此种衬装方式较好，世界上应用非常广泛。如凯威赫公司1981年在泰国曼谷所衬装供水管线工程，渗漏的管线已有65年历史，渗漏率高达40%以上，衬入PE管道外径为355mm-710mm，压力0.63Mpa，全长9.6公里；1994年在丹麦首都哥本哈根所衬装供水管线，外径710mm-1000mm,长度7350米；德国DIN标准大楼前的供水衬装工程等均属于此种衬装方式。
其施工方法如图所示：

　　凯威赫（大连）管道有限公司1999年用滑入衬装技术对大连自来水公司从北大河到三道沟水厂的一段供水管线进行更新。原管线为混凝土管道，管径DN800，管道更新长度4公里。
　　大连滑入衬装项目的具体情况如下：
　　1、插入管径的确定：
　　一般规定滑入内衬管外径与旧管内径之间须留有旧管内径10%的间隙，以便安装内衬管时不致使聚乙烯管道受伤。虽然聚乙烯管道的管径较原有管道管径小，但聚乙烯管道管壁光滑，且不随使用时间变化，其优越的流通性能仍能维持原有管道的流通能力。
以大连自来水公司衬装项目为例，原管线为混凝土管道，管径DN800，管道为自流系统，每天送水量30000m3，进出水高差为30m，选φ710×27.2mm（0.5MPa）高密度聚乙烯管道衬装。
　　实际小时送水量为:30000÷24=1250m3/h=347L/s
　　对旧混凝土管道，其水力计算应用海登-威廉公式较合适，
　　i^0.54=Q/(6.67×C×D^2.63)
　　　Q—— 流量 l/s
　　　C——CHEZY公式水力参数 m^0.37/s
　　　　　　旧混凝土管（20年）为90
　　　D——水力直径 m
　　　i——水力坡度 （‰）
　　则i^0.54=347/(6.67×90×0.8^2.63)
　　i =1.074‰
　　查给排水设计手册,HDPE管道水力计算公式为:
　　i＝0.000915Q1.774/dj^4.774
　　Q—— 流量m³/s
　　dj——管道内径 m
　　则i =0.000915×0.347^1.774/0.6556^4.774=1.05‰
　　可见HDPE管道的水力坡降小于旧管道，虽然管径减少，但仍能维持原有管道的流通能力。且由于聚乙烯管道耐压能力提高，使将来提高供水量成为可能。
　　2、 投资分析
　　传统的管道安装工程内容包括：开挖路面，挖土，运土，支撑，排水，管道铺设，阀门安装，试压，回填夯实，恢复路面等。
以DN800球磨铸铁管道为例，其施工造价见下表：（摘自《上海市政工程估算指标》，上海市建委编）
DN800球磨铸铁管 100米 开挖施工

单位 数量 占基价 % 人工 工日 1,128 人工费 元 18,838 14.04 球磨铸铁管DN800 m 101 闸阀 DN800 个 0.4 承插铸铁配件DN800 个 3 其他材料费 元 27,206 材料费小计 元 103,685 77.25 机械使用费小计 元 11,691 8.71 指标基价 元 134,214 100 其他工程费 元 11,006 综合费用 元 45,948 税金 元 6,519 建筑安装工程费用 元 197,687

　　此费用尚不包含挖路费，大连地区道路开挖费约为300元/m2（有些城市更高），预计每米管道需开挖道路面积2m2，则每米管道开挖费600元。工程费与破路费相加，即1976.87+600=2577（元/米），同时施工还将造成交通堵塞，产生社会问题。
　　如用φ710（0.5MPa）的HDPE管道进行衬装，土石方费（减少开挖）、施工机械费、管道材料费、焊接费、衬装材料费、技术服务费、税金等综合造价远低于从新开挖敷设管道的造价，且不会造成交通堵塞等社会问题。
　　3、插入段长度确定：
　　每一插入段的长度取决于施工条件，管道走向，管径等各种因素，一般为300-700m，采用卷扬机牵引。但要控制一个指标，插入管的牵引力所形成的拉伸应力不得大于材料屈服拉伸强度的50%。
　　4、插入施工：
　　在开挖前，切断水源，排掉原管道中的积水，按设计位置挖掘长方形操作坑，操作坑具体尺寸视管径而定。将PE直管焊接成一条长管道，管道接口采用对熔焊接，对熔焊接属于一种与热—压相关的操作过程. HDPE被加热到200-220℃时，会由固态软化，当两个管端的材料被加热软化后，在一定的压力作用下压合在一起，在焊接操作过程中，两根HDPE管道的管端被融化、挤压、冷却，形成牢固的焊道。焊道处形成一致性的管道材料结构，冷却后焊道处能够达到和管道本体一致的性能。这种接口方式保证了管道不会发生接口泄漏。
　　焊接施工如图所示：

　　焊接好一长段PE管道后，以Y字型滑轮支撑，沿管线方向布置，做好衬装准备。同时在操作坑内割掉一段原管道，置入清管器，对旧管衬装段内的固体杂物进行清扫。在被插入管段的另一端设置牵引绞车，清管后，置入一段短聚乙烯管与牵引钢丝绳连接，进行管道试衬。衬装牵引头应为锥形，并应保证足够的强度，确保牵引过程的安全顺利完成。牵引过程中，应记录衬入钢丝绳长度，万一试衬过程中意外卡住时，可以准确找到短管位置。进行试衬后检查短管有无严重划伤。如有划伤，说明清管未净，应再次清管处理，重复试衬工作。试衬通过后，再将通过绞车的缓慢牵引将已焊接好的PE管道滑入旧管道中。
　　5、 管段连接
　　在操作坑内将原管道、插入管及管件用活套法兰过渡段连接起来。HDPE管道之间或HDPE管道与其它材质管道之间的连接均可以采用法兰连接，连接方式见下图：

　　

　　6、打压实验
　　经水压试验合格后即可投入运行。
　　一般通过7天的施工，可完成每段500m-700m管道的衬装。大连自来水公司1999年衬装工程，总长约4公里，采用外径710mm的HDPE管道，经过50天时间完成施工任务。打压实验一次成功，现已供水使用。
（二）贴合管衬装：（薄壁）
　　先把聚乙烯管道挤缩成较小直径（成凹形），拉进旧管以后，通入蒸汽使其恢复原来的形状和直径，紧贴在旧管壁上。也可以反转薄管贴衬入原管中。
　　此种衬装方法以小管、薄壁为主，这里不做详细介绍。
（三）短管衬装：（排水）
　　将一连串单独的PE短管（凯威赫公司Vipliner管道）插入已存在的旧管道之中，这种衬装方法工作坑更小，进一步降低了交通堵塞的影响。另外，整个衬装过程中，排污系统仍能正常运行，不需防水处理。横向分支管道采用凯威赫专利技术连接，可节省挖沟的时间和费用。
　　衬装方法如图所示：

　　以在科威特所施工的污水项目为例，原管道为水泥管道，总长24公里，采用内壁接口短衬管（每段0.5米），用三年时间，在系统正常运行的条件下完成了管道衬装工程。
　　以上三种聚乙烯衬装更新方法，不但基本维持原管道的输送能力，并能缩短更新施工工期，节省人力和降低更新费用，是更新破损的地下管道的常用方法。另外还有爆管衬装（burstling）、地道衬装（tunneling）等管道敷设方法，但对技术要求相对较高。

三、凯威赫（大连）管道公司简介

　　凯威赫（大连）管道公司是芬兰凯威赫管道集团在中国的唯一子公司。凯威赫管道集团从1951年就开始大批量生产热塑性管道，在欧洲、美洲和亚洲等拥有二十多个生产厂和销售处，仅在泰国就有16条PE生产线。集团在管道产品的设计研究、生产制造、检验及应用等方面具有丰富的经验。土耳其深海排放工程、香港海底衬装工程等富有挑战性项目的顺利完成，更奠定了凯威赫管道集团作为世界塑料管道行业先锋的地位。
　　凯威赫（大连）管道有限公司全面沿袭了芬兰凯威赫管道集团的先进技术及经验，现HDPE管道最大生产口径可达1000mm。凯威赫（大连）管道有限公司愿与大家共同为中国给排水事业的发展做出贡献。