地下供水干管的修复——不开挖地下清管及喷涂技术

天津自来水集团有限公司
徐景翼 贾霞珍 李逸民 窦大谋 孙剑明

　　简介

　　通常，只要地下管网在工作，供水干管的维护常常被人们“看不见，想不到”，除非出现紧急情况如爆管、泄漏出现严重的水质问题才能引起人们注意。然而，不难看出，为紧急情况所付出的花费要比有计划地维护所需费用多的多，而且这种紧急情况会严重影响环境以及人民生活。
　　从管道材料应用的历史看，在带衬里的管道和一些新型的管材使用之前，地下管网的主要构成是不带衬里的铸铁管与钢管，这些管道在使用若干年之后，内壁均会出现不同程度的锈蚀，有时500mm的管中锈蚀瘤厚达13cm，使实际的过水断面大大减少，同时摩阻增大，极大地削弱了输水能力，而且锈蚀瘤的形成严重地影响供水水质，很多地区出现“赤水”，这些问题是一个全球普遍存在的问题，由此，管道内防腐越来越引起世界各国的注意。在过去的几十年里，无论是发展中国家还是发达国家的公用部门，水公司均将此作为研究重点，产生了许多新型的管材以及许多新型的管道修复技术。
　旋转喷涂技术尤其是水泥砂浆涂衬用于地下管网的修复在国外已有多年历史，这种技术用来改善水质和管道水力特性，防止管道进一步腐蚀与削弱，而不是根除管道局部物理缺陷。管内旋转喷头用软管同地面喷涂车相连，喷涂车上装有料斗、搅拌设备和泵用于输送砂浆到气动喷头，当高速旋转的喷头以一定的速度被牵引着通过干管时，水泥砂浆被均匀地喷到管壁上然后用抹子抹平。此系统可用于75mm以上的管道。24小时后可恢复通水。
　　近年来，环氧树脂涂衬技术得到了迅速发展，这种技术主要是利用基料树脂和固化剂两组分混合物进行喷涂。涂衬车上有分别用于两种树脂的储料箱、供料泵和软管。喷涂部分包括旋转喷头和静态混合器，当高速旋转的喷头以一定的速度被牵引着通过干管时，以一定比例正确混合好的混合物均匀地被喷到管壁上。养护时间需16小时。
　　天津自来水集团有限公司引进了具有九十年代先进水平的英国Tate Engineering 公司的清管、水泥砂浆涂衬及环氧树脂涂衬设备，经过近两年的消化吸收与实际应用，取得了很好的工程效果，具有较大的社会效益与经济效益。

　　工作原理

　　对于不开挖进行已使用管道的地下涂衬作业，无论是水泥砂浆还是环氧树脂，都是作为一种非结构的防腐技术用于给水干管而设计的。这种涂衬技术，能保证供水水质并防止管道的进一步腐蚀和削弱，对铸铁和钢管可提供有效保护。由于它提供了比结垢管道光滑的表面，因而改善了输水能力。进行已使用管道涂衬工作的主要工艺过程如下：

工作管段两头断管→CCTV移动电视检查锈蚀及管内情况→清管除锈→CCTV检查除锈效果→管道内部涂衬→CCTV检查涂衬情况（24小时后〕→将断管处接通恢复通水

　　对于一条需要修复的管道，首先要了解该干管的锈蚀情况及产生缺陷的位置，CCTV小车探查是确定管道内部情况和特殊位置的有效方法。我们使用的是英国Pearpoint Ltd.的CCTV技术。
　　必须要使用合适的清管方法，用来清除管子内的所有结瘤和沉积物、和原涂层的疏松或变质的残留物以及其它外界异物。因为非结构涂衬相对来说都是比较薄的，所以所使用的方法必须要使管子内壁达到光滑，为此，喷砂法和水射流法都是不适合的。英国水研究中心（WRC〕在水泥砂浆及环氧树脂地下作业指南及规范中指出了几种清理方法。如：动力镗孔 拖刮法，清管器磨削，压力刮削。我们主要用的是拖刮法。现介绍如下：

　　1 拖刮式清管过程

　　拖刮式清管是指把清管器（刮铲）于管内反复用绞车在管内拖拉，再用柱塞器清除用刮铲铲下来的管中松散杂物与水。此方法可用于直径为75mm以上的管道，一次清管长度为100至250米。主要设备有：
　　拖刮式清管器（刮铲〕－－刮掉管内的锈垢，铲刀布置交错排列，沿管轴方向看完全覆盖整个管子。
　　管端导轮－－保护管子端部及其设备在清管或衬里工作中不受损坏。
　　柱塞清管器－－用其在做衬里之前清除用刮铲铲下来的管中松散杂物与水。它是由夹在钢板中的两个橡胶圆盘组成，中间由钢棒分隔开。
　　卷扬机－－使用刮铲与柱塞器时，需要有两个卷扬机。800mm以下管道是使用装在拖拉机上的卷扬机；直径大于800mm以上的大管使用卷扬机。

　　2 水泥砂浆涂衬作业

　　管内刮拉清除干净之后，可进行管内壁的水泥砂浆涂衬作业，以使内壁衬 上有一定厚度的水泥砂浆，以保护管内壁防止再产生锈垢。
　现场水泥砂浆涂衬的作业过程，包括在搅拌器内拌合砂浆，把它输送到容积式泵，由此泵送到气动旋转喷头进行离心涂衬，根据管径及所需涂衬厚度确定喷涂速度，由气动衬里机从管子远端开始进行，以此速度牵引衬里机在管内倒退运动时，就在管壁上涂上一层厚度正确，均匀的涂衬层。一般情况下是用装在旋转喷头后面的旋转抹灰头将喷的过程在管壁上的水泥砂浆抹成平整光滑的衬里表面。
　　水泥砂浆材料：
　　水泥－－高质量的普通600＃硅酸盐水泥。
　　砂子－－合格的砂子对衬里工作是很重要的，对其粒度，形状，干燥程度及组成等有一定的要求。应该用河石英砂，不能用破碎过的砂子粒度为 目，因为这种砂子是棱角形的，会引起很高的输送压力。
　　水－－－普通自来水
　　水泥砂浆－－水泥砂浆中砂子和水泥的重量比为1：1，水灰比约为0.3。最终的水灰比应由现场塌落度实验确定。
　　涂衬设备：
　　涂衬车－－用于制备和输送水泥砂浆到涂衬管道。由以下部分组成：装配式钢底盘，四缸柴油发动机、料斗、搅拌器、砂浆泵、软管卷盘、液压油箱、高压水喷射单元、气动回路、液压控制阀。
　　砂浆输送软管、空气软管和钢丝绳－－这三者绑在一起绕在软管卷盘上，其中高压软管将砂浆送到衬里机。空气软管为气动衬里机提供压缩空气，钢丝绳用于拉着衬里机行进。
　　气动衬里机－－用于在管内喷制衬里层，水泥砂浆通过旋转喷头靠离心力均匀地喷溅到管壁上。
　　拖曳式抹灰头－－拖曳式抹灰头用来将喷在管壁上的水泥砂浆抹成平整光滑的衬里表面。
　　3 环氧树脂涂衬现场作业
　　对于小口径管道，有时为了避免在水泥砂浆涂衬后使管径减小的原因，或其他原因，而在管道拖刮干净之后，在内壁喷涂环氧树脂衬层达到防止锈垢和内壁光滑输水条件好的要求。

　

　　环氧树脂涂衬工艺主要是在管道内表面涂一层1mm厚的环氧树脂层，该树脂层是基料树脂与固化剂两组分正确比例的混合物。喷涂由空压机驱动的旋转喷头完成，旋转喷头放在慢速移动小车上，该机器一开始定位于管子的远端，当此涂衬机沿着管道向回拖时，它按所控制的速度将环氧树脂喷涂到管壁。涂衬车通过专用高压软管供应环氧树脂，树脂和固化剂在进入旋转喷头前由一个“静态混合器”混合。
　　树脂和固化剂分别储存在涂衬车上储料箱里，储料箱装在一个普通的油套里，油套利用接受发电机废热量的热水进行加热，恒温控制。对于环氧树脂涂衬而言，非常重要的是只有当树脂被加热到正确温度时，才能进行涂衬，因此预热过程非常重要。
　　一般说来，树脂首先可由液箱周围的油套加热，然后通过短路循环（见图4〕即液箱→过滤器→管式加热器→主泵→放泄阀→液箱 继续对树脂加热。软管和卷轴及软管内的物质，通过风扇加热器和发动机辐射体的热空气进行加热，最后还需经过长路循环（见图4〕即液箱→过滤器→管式加热器→主泵→卷轴软管（放泄阀关闭〕→回程管→液箱 对整个系统进行最后加热，直到温度适合。
　　只有正确组分的基料与固化剂混合物才符合涂衬标准，因此在涂衬前需要进行重量检查以确认系统配比正确。

　　清管涂衬技术的特点及优越性

　　此套设备与技术是目前世界上清管涂衬的先进技术，两年来我们先后在天津市区和塘沽区成功地完成了供水干管地下就地修复工程和地面修复工程（见下表〕，通过这些工程的完成，我们更加体会到这种技术的优越性：
　　1. 施工简便
　　不用全部开挖，不扰民，不影响交通，节省拆迁费用的完成更新原有管道能力。特别适用于不允许开挖地段的管道。例如塘沽工程中的500、600mm管道，分别跨越铁路和自由市场，若更换新管，需要大面积开挖，将严重影响交通和人民生活，这种施工方式避免了这些问题，受到了当地水公司的称赞。
　　2. 施工费用低
　　通过工程实例，可以看出用涂衬法修复旧有管道比重新铺设管道大大节约投资，一般说来，对于400mm以上的管道，水泥砂浆涂衬费用是重新铺设新管投资的30％－40％。对于400mm以下的管道，采用环氧树脂涂衬更有利于输水能力的提高，这时由于涂衬厚度仅为1mm。尤其适用于200mm换300mm，300mm换400mm管的工程。
　　3. 改善水质
　　无论哪种涂衬修复方式修完之后，都可以改善因锈蚀而造成自来水放出的“赤水”现象，并可防止锈蚀问题带来的其它水质指标不合格的问题。
　　4. 恢复通水能力，改善管网压力
　　由于管道的锈蚀，导致过水断面减少，输水能力下降，影响到管网用户压力。清管涂衬后的管道的摩阻系数可同新管，极大程度地恢复供水能力。
　　5. 施工中对用户影响小
　　涂衬后24小时即可恢复通水，是一种对用户影响小的施工方式。
　　地下就地修复工程

管径（mm〕 长度（m〕 ∮800 700米 ∮600 1000米 ∮500 500米

在地面完成旧管道的修复工程：

管径（mm〕 长度（m〕 ∮800 50 ∮ 500 300 ∮ 400 2400 ∮300 280