PE内衬技术在给水管网维修层面运用的探究

2019-10-28 10:19 来源：钢铁世界网作者：dengys

中国的城市配水管网随着城市的发展，已经走过了上百年的历程。城市长期发展的不可预见性、给水管网及道路的自身特点、管材质量、施工中的技术水平、接头处的管件连接方式、管网的腐蚀、当地的地质活动等诸多因素，使得目前城市的给水管网除了不断新建外还必须对原有管道进行持续的更新、改造。但由于种种客观因素，更新改造原有管网异常棘手，在有些地区重新铺设管道几乎是不可能的；有些地区即便可以重新铺设，但巨大的协调压力及高昂的费用也是难以承受的，而且主干管网多不允许长时间停水。针对这一问题我们进行了市场开发与技术研究，认为PE内衬技术是解决这一问题的最佳途径。 1 PE内衬技术应用在给水管网维修方面的必要性和可行性 以沈阳市配水管网现状来看，老、旧管道仍占有一定比例，维修率和漏失率都非常高，是形成巨大的供、配水产销差率的主要原因，造成水公司运行成本的大幅上涨，资金和资源的浪费。近年来，公司投入巨资进行管网维修改造，但有些地区由于交通、道路、房屋占压等原因使得旧管道的更新异常困难，甚至是不可能的。因此开发管道更新技术市场十分必要。 为彻底改变以上局面，沈阳市自来水公司引进了国际、国内新兴的PE管道内衬修复技术，通过实践应用证明了PE内衬技术在给水管网维修方面是可行的。 2 PE内衬技术的工艺特点、理化指标及水力特征 2.1 PE内衬技术具有以下工艺特点 （1）同原有管路相比，管阻（沿程水头损失）大大降低。 （2）使用寿命较长，水质条件好。PE内衬管为高密度聚乙烯高分子材料，无任何添加剂和挥发物质，可保证水质，并可保证50a使用寿命。 （3）耐压力相对较高。PE管自身可抗3kg/cm2，加上原有管道可承受较大压力。 （4）良好的抗弯、抗剪、抗拉伸率，可适用于地质结构复杂的环境中。 （5）一次性施工段长，最长可达1km。 （6）防腐蚀性强，可用于特殊环境中。 （7）适应性强，对钢管、铸铁管、铅管、水泥管、PVC管等均适用。 （8）耐磨力强，输送矿渣、固体物料的耐磨性是钢管的4倍以上。 2.2 HDPE衬管的理化性能指标 HDPE衬管的理化性能指标见表1。表1 理化性能指标 序号理化指标单位典型值测定标准 1 密度 g/cm3 0.958 ISO18721 2 熔体流动速率 g/10min 0.12 ISO1133cond.4 3 拉伸屈服强度 Mpa 23 ISO52750mm/min 4 断裂伸长率 % ＞500 ISO52750mm/min 5 耐环境应力开裂 H ＞1000 ASTMD1693B 6 氧化诱导时间 Min ＞20 ISOTR10837 7 热胀系数 10℃~5℃ 11~16 8 弹性模量 Mpa 552~758 9 脆化温度 ℃ -70 10 泊松比 0.45 11 介电强度 KV/mm ＞20 12 长期静压强度 Mpa ≥8.0 20℃，50a 2.3 PE管的水力特性 根据流体力学原理可知，管道中水的流量同管道的压力、管径及管道壁摩擦阻力和管件的局部阻力等均相关。不同材质管道的摩擦损失及局部损失均不同，同一材质（尤其是钢、铸铁管）由于内壁表面腐蚀、结垢等因素，沿程水头损失增加，摩擦阻力随年限的增加而大大增加，过水断面流量则随之逐步减少。对衬管前后水阻及流量变化进行计算如下： （1）水力坡降 达西—威斯巴赤公式：i=λ·v2/2gD(1) i——水力坡降 v——平均流速（m/s) λ——摩阻系数 g——（m/s2) D——管内径（m) λ=0.11(K/d + 68/Re)0.25(2) K——管内壁绝对粗糙度（mm) 聚乙烯管取K=0.11mm；球墨铸铁管新管取K=0.06mm；铸铁管道运行20年后K值将增大到5~10 倍（本次计取中取6倍），聚乙烯管由于无腐蚀，其K值不随时间变化而变化。 Re=vD/r(3) Re——雷诺数 d ——管内径（m) 我们设定管内水流速v=1m/s，r=1.3*10m2/s（水温10℃），铸铁管内径D=300mm，聚乙烯内衬管径D=286mm，套用公式（1）（2）（3）可推算出铸铁管新管、运行20年后旧管及经HDPE衬管后内衬管的水力坡降分别为： ①球墨铸铁新管： i=0.0028m ②运行20年后铸铁管：i=0.0037m ③HDPE内衬管：i=0.0026m 由此可见，HDPE内衬管虽然内径较铸铁新管小14mm，但其沿程阻力损失却小于铸铁新管，同旧管相比沿程阻力损失更是下降了30%。 （2）流量变化测定 管网的流量同管径、阻力损失、流速有关。我们在上面水力坡降测算的基础上，继续推算流量变化情况。海登—威廉公式： Q=0.27852.63i0.54(4) Q——管流量（m3/s) C——海登—威廉摩阻值。 假设v=1.2m/s，PE管C=155（不随时间变化），球墨铸铁管新管C=130，运行30a后C=90。将前面计算中i值代入（4）中，则可以得出下面结果： ①球墨铸铁管新管 Q=230m3/h ②运行30年后铸铁管Q=185m3/h ③HDPE内衬管Q=230m3/h 以上结果表明，经HDPE内衬修复后，修复段输水能力不仅完全可以做到新铺铸铁管的输水能力，而且可保持50年输水能力无大变化，比旧管输水能力增加20%。因衬管后水阻力损失减小，还可提高末端的管网运行压力。此外内衬管提高原有管道的耐压值，在可能的情况下还可以提高管网运行压力，增加管路输水能力。综上，PE内衬管可降低管网沿程水头损失30%，同时提高输水能力20%，综合水力特性优于新铺管道，同时可保持50a不变，造价又可以较新建管路下降40%以上，具有极高的经济效益和社会效益。 3 PE内衬修复技术的实际应用 选定沈阳市东陵区炮兵学校一条漏水严重并已多次维修的管线进行内衬修复。 3.1 管道现状 修复段管道为铸铁管，其直径300mm，长350m。经现场观测管道内壁结垢较为严重，运行压力低于0.2MPa，腐蚀状况不详，承压能力不详。 3.2 施工工艺流程 管线勘察定位作业区划分作业坑开挖管线切割敷设临时管线清管及检测问题区段处理内衬修复、U型预制、管段焊接CCTV检测试压连接补口工程验收拆除临时线 回填作业坑砌井室。 3.3 现场施工过程 （1）确定作业坑15m×2m×2m两个，整个管道350m划分为一个作业段。 （2）在作业段首、末端加一个闸阀，用DN200PE管做临时跨越管线，保证不间断供水。 （3）采用菊花型刮刀将管道内壁的锈垢刮除干净。 （4）先将内衬管焊接成整管，用专用压凹机将预焊好的内衬PE管压成U型，然后使用专用绷

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