異徑HDPE管穿插法修復在線舊管道
一、前言
高密度聚乙烯(High Density Polyethylene,以后簡稱HDPE)塑料管具有極好的化學穩(wěn)定性、超低的摩擦阻力系數(shù)、優(yōu)異的耐磨性能和良好的抗沖擊性能以及適應溫度范圍較寬、承壓能力好、耐老化等突出的優(yōu)點，因此在管道工業(yè)界越來越得到廣大使用者的高度重視。
對腐蝕嚴重或泄露的舊鐵管和鋼管，內(nèi)襯HDPE構成結構性復合管，可達到恢復管線功能、延長使用壽命的目的。性能優(yōu)異的HDPE管能大幅度地提高在線舊管道的承壓能力、耐腐蝕性能和輸送能力，而其成本僅為鋼管的40%左右。因此，內(nèi)襯HDPE管來修復在線舊管道，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。尤其是在城市不可開挖地段對不能以新汰舊的管線進行重建的情況下，效益更為顯著。
為此，我公司與石油大學、青島化工設計院、青島市煤氣公司有關研究人員，對穿插HDPE管修復在線舊管道技術進行了研究，開發(fā)出異徑HDPE管縮徑穿插自動復原貼合技術和高溫壓制復合法蘭接口技術，取得了三項國家發(fā)明專利，開創(chuàng)了管道防腐或修復技術的又一新領域。該技術為國內(nèi)首創(chuàng)，可成功地解決供氣、供水、輸油、排污及酸堿輸送管道的防腐在線舊管道的修復問題。
二、原理與方法
1．異徑HDPE管縮徑穿插自動貼合技術
異徑HDPE管縮徑穿插自動貼合技術的原理如圖1所示。
該技術設計使用熱塑性HDPE管，它具有變形后能自動恢復原始物理形狀的特性。選用的內(nèi)襯HDPE管的外徑比待修復主管道的內(nèi)徑略大一些。穿插時，讓連接好的HDPE管首先通過專門設計的滾輪縮徑機。從縮徑機出來的HDPE管的直徑將縮小10%左右，小于待修復主管道的內(nèi)徑。直徑比主管道內(nèi)徑小的HDPE管，在一定的牽引力和一定的速度下很容易拉入主管道。拉力撤消以后，聚乙烯管慢慢恢復到原來的直徑，數(shù)小時后內(nèi)管與外管緊緊結合在一起。
實驗表明，HDPE管從縮徑機出來時，直徑稍微有些增大，而后在一定的拉伸力作用下，直徑使穩(wěn)定在所設計的數(shù)值，直到拉力被撤消。在整個穿插過程中直徑的變化規(guī)律如圖2所示。
對于一定的收縮比，所需的拉伸力與HDPE管的屈服強度和橫截面積成正比關系：
F＝ΚσyA
式中：F-拉伸力，千牛；
K-系數(shù)，取值與HDPE管的直徑和收縮比有關；
σy—HDPE的屈服強度，千牛/厘米2；
A—HDPE管的橫截面積，厘米2。
在穿插過程中，為確保HDPE管不被拉斷，最大拉伸力不能超過材料屈服強度的二分之一。據(jù)此由公式可以計算出對應于一定直徑和收縮比的HDPE管的最大允許壁厚。
2．高溫壓制復合法蘭接口技術
管道的連接設計使用在管端高溫壓制聚乙烯與鋼法蘭緊密結合的復合法蘭的連接方法，如圖3所示。
首先，將多余的HDPE管按預定的長度切下，聚乙烯隔熱加固墊安裝在伸出的HDPE管上，再加一個限流金屬環(huán)。然后，用專門設計的復合法蘭高溫壓制裝置，將伸出的HDPE管加熱到壓縮成型所需的溫度，壓縮HDPE管形成聚乙烯與鋼法蘭緊密結合的復合法蘭，用以連接相鄰的兩段管道。
這種管道連接方法通過襯管與主管法蘭端面擬合，可在襯管與主管之間和兩管段之間形成有效的密封，具有很高的承壓能力。
3．主要設備
(1)縮徑機 用于暫時縮小HDPE管的直徑。設計的縮徑機由變頻調(diào)速電機驅動的多級滾壓輪構成，靠滾輪滾壓縮徑。本設計具有能耗低、無級變速、速度自動耦合、操作簡單方便、運行可靠等特點。HDPE管通過縮徑機后，直徑可縮小10%。
(2)牽引裝置 設計的牽引裝置由絞車、導向滑輪、鋼絲繩和牽引頭等組成。絞車為柴油機驅動，能自動顯示和記錄牽引力、牽引速度和路程，最大可提供400千牛的牽引力。專門設計了風送穿繩技術穿引鋼絲繩。
(3)熱熔焊機 采用熱熔焊技術連接HDPE管。為了形成連續(xù)長度(每根約15長的HDPE管需要仔細地進行熔融對接，并對每一道焊縫進行探傷檢查，外部焊道應光滑無裂縫。實驗表明，熔融焊接的強度高于管體本身的強度。
(4)復合法蘭高溫壓制裝置 該裝置由加熱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和固定系統(tǒng)組成。可將聚乙烯襯管加熱到一定溫度后壓緊在主管法蘭端面上，構成緊密結合的復合法蘭，在相鄰兩管段之間實現(xiàn)有效連接。
三、施工工藝
施工前，設計和工程技術人員首先應沿著舊管線鋪設路徑進行現(xiàn)場勘察，對管線的歷史、目前的狀況及周圍環(huán)境等做詳細的調(diào)研，確定合適的開挖地點和切斷位置，作好工程設計和施工計劃，然后按設計和計劃進行施工。異徑HDPE管穿插法修復在線舊管道的施工工藝方法如下：
1．舊管線改造和處理
首先，按設計的長度開挖斷開舊管道，并在管段的兩端焊接法蘭盤。開挖斷開長度根據(jù)選用的HDPE管的直徑、壁厚、屈服強度和現(xiàn)場環(huán)境條件來確定。推薦的管段長度一般不超過1000m。若管段過長，HDPE管可能會承受較大的拉應力，以至于超過其屈服強度而受到損傷。其次，對管道進行清洗，徹底清除管道內(nèi)的雜物、管壁上的結垢、銹層及其
它附著物。推薦采用PIG物理清洗工藝，清洗速度快、質量好，并能起到通徑的作用。
2．HDPE管焊接和檢查
在現(xiàn)場將單根HDPE管連接成一定長度的管段，連起來的HDPE襯管段比待修復的主管段至少要長6m。焊接完后，要切除HDPE管在熱熔焊接時所產(chǎn)生的焊瘤，使其表面光滑平整以保證穿插順利和緊密貼合。整體接好后，HDPE管進行探傷和試壓檢查，確保襯管的質量。
3．試樣HDPE管段試穿插
正式穿插前，先用一段試樣HDPE管段進行試穿插，主要目的是：(1)檢查待修復主管的通徑；(2)確定摩擦阻力的大小；(3)檢查試樣襯管的表面損傷情況，了解待修主管的內(nèi)表面狀況。若試穿插遇阻或者表面損傷嚴重，須對待修主管做進一步的處理。
4.縮徑穿插HDPE襯管
將牽引頭固定在HDPE襯管的首端，接好牽引纜繩。同步啟動縮徑機和牽引絞車，按照規(guī)定的速度均勻牽引HDPE襯管通過縮徑機縮徑后進入待修主管道的一端，從另一端拉出設計的長度。在穿插過程中，操作者要嚴格監(jiān)控HDPE襯管段的應力大小，防止超過其拉伸屈服極限。
5．壓制復合法蘭
穿插結束后，立即用復合法蘭高溫壓制成型裝置在管段兩端壓制復合法蘭。這一工序要在HDPE襯管尚未完全復原貼合之前完成。這樣，HDPE管完全復原后所產(chǎn)生的拉伸力可使聚乙烯法蘭盤與主管法蘭更加緊密地貼合在一起。當相鄰的兩段舊管道內(nèi)襯完畢后，用螺栓將相鄰的一對法蘭
連接在一起。
6．收尾工作試壓，回填，試運行，驗收合格后結束。
四、技術特點與經(jīng)濟效益
異徑HDPE管穿插法修復在線舊管道技術具有以下特點：
(1)突出的化學抗性、耐磨性、耐疲勞性；
(2)不生銹，不腐化，無毒；
(3)良好的流動特性；
(4)較高的承壓能力；
(5)質量可靠，經(jīng)久耐用；
(6)無化學反應，無環(huán)境污染和副產(chǎn)品；
(7)由襯管形成法蘭，密封性好；
(8)襯管可加工任意尺寸和厚度；
(9)施工周期短，減少停產(chǎn)時間；
(10)一次修復距離長，開挖量和斷開點少;
(1I)適用于直徑3—36英寸的各種管道；
(12)簡易的機械處理過程，安全可靠。
應用該技術修復在線舊管道，可大幅度降低綜合成本(約為新建管線綜合費用的50%左右)，明顯提高管道的使用壽命(長達50年)，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
五、結束語
異徑HDPE管穿插法修復在線舊管道技術為國內(nèi)首創(chuàng)，為腐蝕和磨蝕嚴重的鋼鐵管的防腐和修復提供了一種經(jīng)濟有效的手段。該技術可成功地用來修復直徑在3到36英寸(即75毫米至于900毫米)的多種的管道(如天燃氣管道、輸油管道、注水管道、排污管道、煤氣管道、自來水管道等)，可應用于市政、油田、電力、化工等行業(yè)的管道防腐與再建。
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