CN101865349A - 用于管道和管线的内部修复的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于管道和管线的内部修复的装置和方法，这些管道和管线比如是污水管、加压给水主管网、水井和天然气输气管路等。该管线修复装置包括套管，该套管具有将此套管锁定成管状结构的锁定机构。套管由具有孔的金属片材或刚性塑料片材制成。一些孔被成形为长缝状孔和条状部。一些弹性O型环被施加于套筒的外表面。弹性膜被施加于O型环上。在一种实施方式中，使用了加强带，并且在所述膜和加强带之间包括O型环附加层。

Description

用于管道和管线的内部修复的装置和方法

相关申请的交叉引用

本申请基于2009年4月20日递交的美国专利申请No.61/170921，这里通过引用并入其公开的全部内容，并且根据美国法典第35条119(e)款要求该美国专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及一种用于修复管线的方法和装置。更特别地，本发明涉及一种修复位于难以进入的区域中的受损管线、弱化管线或泄漏管线的方法和装置，例如污水管、给水主管网、井和输气管路。

背景技术

经过一段时间之后，用于输送水或输送废水的管线系统被损伤、弱化，或者在相邻的段之间的接合处开始恶化和泄漏。这种恶化是由下面的原因造成的：与管线系统邻接的周围的土壤的沉积；接合部自身随时间的恶化；和/或树木和其他植物的根部的生长。

在废水系统中，废水能够从受损的管线中泄漏出并造成污染问题。另外，受损部存在地下水渗入的问题，这增加了被输送到处理装置的水的体积，由此增加了处理装置的负担。

此外，导致了泄漏的包括污水系统在内的液体输送系统用的劣化管道能够浸透周围的地体，有时会形成陷穴(sinkhole)并且恶化排水问题(drainage problem)。此外，例如由泄漏管道所在处的地体提供的对建筑物、桥梁的支撑可能变弱，由此造成额外的财产损失或对包括生命损失在内的更严重担忧。

在现有技术中已经提出了修复埋设的管线部的问题的多种解决方案。最常见的解决方案包括在受损的管线部周围进行挖掘，并且修复或替换受损的部分。然而，挖掘极为耗时(time-intensive)，并且尤其在城市区域，其带来了额外的问题。

另外也已经开发出了在受损的管线内修复受损的管线部并且不需要进行挖掘的方法。此种方法包括例如简单地施加灌浆材料，以密封破裂处和接合处。在现有技术中也已知如下的方法，即用内衬为受损管线部换衬里(re-line)，该内衬从盘绕构造扩张到最终构造，在最终构造中，该内衬被牢固地配置于受损的管线部的内表面。

例如，在美国专利5119862、5351720和5465758中公开了上面所提到的“无挖掘(no-dig)”方法和装置，这里通过引用并入这些公开的全部内容。

此外，在诸如天然气管路(natural gas lines)和供水管路(water lines)等具有较高压的管道和管线(pipes and conduits)的修复中，通常需要关闭管路，释放压力，并使其停止工作。在修复之后，不同的定期维护也需要进行相同的操作。

诸如水井挖掘的情况中，由相对地高的水位差所施加的外部压力能够造成额外的问题。在外部环境变化或内部流体温度变化的情况中也会产生类似的问题。

上面提到的压力变化或温度变化使主管道(host pipe)直径发生变化，结果，在主管道和修复套管(repair sleeve)之间能形成一定的间隙。例如，已知在150psi的标准工作压力下，具有29英寸的原始内径的HDPE(高密度聚乙烯)管道的直径能够增加到29.23英寸。

这里通过引用并入了公开的全部内容的美国专利6138718只是部分地解决了该“间隙问题”。该专利中公开的方法和装置在安装时并且在安装后的一定的短时内能够弥补新生的间隙(nascent gap)。后来失效的原因与一些材料的疲劳(fatigue)有关，例如，在闭孔塑料泡沫中，密闭在小泡中的气体产生压损。当一定的工作压力被施加到主管道时，该压力也被施加到自锁套管并使之解锁，这是后来失效的另一个原因。对于相同的HDPE管，周长增加1/8英寸(3.175mm)会使套管解锁，并且该现象在26psi的压力下或在内部流体的温度迅速降低78℃的情况下也会发生(在不锈钢套管的情况下)。

在刚性的主管道和安装的CIPP(原位固化管道，Cured-In-Place-Pipe)内衬之间产生间隙的情况下也出现有类似的问题。该间隙在操作压力的作用下变化，结果，在CIPP内衬的端部的任何已知的密封部件会被损伤。

发明内容

本发明的改进基于已知的内部管线修复方法和装置。更具体地，本发明提供了一种用于使用套管来内部地修复管线的方法和装置，该套管根据已知技术能够自锁，但是该发明防止了套管被解锁或在修复装置和主管道之间产生间隙。

此外，本发明提供一种如下的方法和装置：该方法和装置不需将显著大的内部压力施加到受损的管线部，因此，不存在可能对已经受损和/或变弱的管线部造成额外的损坏的风险。

另外，本发明提供了一种利用密封件(seal)修复可能被包含于受损的管线内的受损的开口部的方法，该密封件能够防止地下水渗入到该管线中并且能抵抗相对地高的渗透压(ex-filtration pressure)。

关于本发明的这些或其他的特征，本发明包括可扩张连续多孔芯，下文也称作“套管”，该芯由诸如不锈钢套管或其他的例如刚性PVC、混凝土等的结构性支撑材料制成，该芯装配有锁定机构并且连续地延伸过受损管的整个区域。芯材料的选择通过管道的化学状况来确定。

由紧固的回弹弹性(solid resilient elastic)材料制成的若干O型环被施加于套管的外表面。从一个方面看，这样的O型环的数量、体直径(body diameter)和柔软度取决于可能的管线直径变化。从另一个方面看，此种O型环的这些参数取决于所选择的套管的安装压力，并且如果所选择的锁定机构是阶梯型机构，则还取决于套管直径的阶梯型变化情况。

根据本发明的特定实施方式，密封性回弹膜被施加于整个O型环上。该膜的厚度取决于内部压力或外部压力和管线的受损部的特性尺寸。

在本发明的其他实施方式中，加强带被施加于膜上，尤其是在内部操作压力较高和/或管线具有大的泄漏孔或宽的泄漏接合部的情况下。

根据本发明的另一实施方式，加强带被置于O型环和回弹膜之间，此外，为了将渗透压限制在两个相邻的O型环之间并且由此减小作用于所述芯的全部外部载荷，由紧固的回弹材料制成的O型环附加层被置于加强带和回弹膜之间。

根据本发明的又一实施方式，可固化柔性密封剂(curableflexible sealant)被施加到密封膜上。

在本发明的其他实施方式中，可扩张多孔芯设置有向外弯曲的周缘，从而产生从管线直径到套管直径的平滑过渡。

根据本发明的其他实施方式，套管中的及加强带中的一些孔是拉长的、缝状的孔，尤其是在管线具有错位的泄漏接合部、和/或管线的两个相邻的管道具有不同的直径、和/或管线的接合部具有诸如焊道等的周缘突起的情况下。

根据本发明，所述的修复装置的安装能够在安装压力的作用下通过使用可充气塞(inflatable plug)来完成，该安装压力压缩O型环，从而在渗透压力下保持该压缩并且/或者使管道直径变化。一旦利用所述塞使装置扩张并且通过锁定装置或其他类型的紧固件锁定了装置，就去除所述塞。

该修复装置能够被用于修复张开的接合部、孔、破裂部、锈蚀部以及其他的受损部位。

附图说明

借助于附图，通过下面对典型实施方式的详细说明，本发明的其他特征和优点将变得清楚，其中：

-图1是套管层的纵向截面图，其示出了处于收缩状态(collapsed position)的可扩张的芯、O型环组和密封回弹膜(sealing resilient membrane)；

-图2是示出处于安装状态的上述套管的纵向截面图；

-图3是纵向截面图，其示出了O型环在施加内部操作压力之前和之后的两个不同的截面形状；

-图4是上述套管的纵向截面图，其示出了附加的加强带；

-图5是在施加内部操作压力之前的图4的纵向截面的放大的和更为详细的视图，其带有附加的加强带；

-图6是在施加内部操作压力之后的图4的纵向截面的放大图，其带有附加的加强带；

-图7是沿图4的线C-C截取的截面图，其示出了回弹膜在加强带的重叠边缘区域中的密封原理；

-图8是套管层的纵向截面图，其示出了根据本发明的另一实施方式的O型环附加层；

-图9是纵向截面图，其示出了具有较高的内部操作压力的情况下，CIPP内衬的端部用的密封构思；

-图10是安装于具有突出的焊道的管线中的套管层的纵向截面图，该视图示出了呈展开形状的如图13所示的形成有长缝状孔的可扩张芯(slotted expandable core)和如图12所示的形成有长缝状孔的加强带的使用；

-图11是图10的纵向截面的放大的和更详细的视图；

-图12示出了带有长缝状孔和简单的锁定机构的展开的多孔加强带；

-图13示出了带有长缝状孔、圆孔和阶梯型锁定机构的展开的多孔套管；

-图14是套管的纵向截面图，该套管具有形成有长缝状孔的可扩张芯、O型环组和密封回弹膜，并且被安装到带有错位的接合部的管线中；

-图15是套管的纵向截面图，该套管具有形成有长缝状孔的可扩张芯、O型环组和密封回弹膜，并且被安装到具有两种不同的管道直径的管线中。

具体实施方式

图1示出了修复装置，其处于过度盘绕的安装前构造。根据本发明的用于管道和管线的内部修复的装置包括可扩张芯1，其中可扩张芯1具有孔8并且被装配有锁定机构9(如图2、4、7和9所示)。通过管道中的化学状况来确定芯材料的选材，例如不锈钢。此外，由紧固的回弹弹性材料制成的若干O型环2被应用到芯1的外表面。O型环2的数量、体直径和柔软度取决于管线3直径随着内部/外部压力和/或温度的变化而进行的可能的变化。从另一方面看，O型环的这些参数取决于所选择的装置安装压力、和芯1的周部的节距(step)4的变化即可扩张芯1的连续的锁定位置之间的递增的距离，如果所选择的锁定机构9是阶梯型机构(step mechanism)的话。根据本发明的特定的实施方式，密封性的回弹弹性膜5被施加到整个O型环2。膜5的厚度取决于内部或外部压力和泄漏孔的尺寸或管线3中的张开的接合部6的宽度。对于用于HDPE管线的上述示例，其中该HDPE管线带有直径为0.04英寸(0.10cm)的销孔(pinhole)或者圆周开口宽度为0.04英寸的泄漏接合部，修复装置能够包括例如：可扩张SST芯1，其具有24英寸(61.0cm)的轴向长度；4到6个O型环2，其具有7/16英寸(1.11cm)的体直径，由具有50A的计示硬度的聚异戊二烯(polyisoprene)制成；及膜5，其具有处于1/16英寸到1/8英寸(0.16cm至0.32cm)的范围内的厚度，由具有45A的计示硬度的天然橡胶制成。这些材料和尺寸仅是示例性的，而且也能够采用在本发明的范围内的其他的材料和尺寸。

在本发明的另一方面中，可固化柔性密封剂能够被直接施加于密封膜5，尤其是施加于膜5的具有由于下面的O型环2而突出的波状部的区域。

图2示出了安装状态下的修复装置。在此状态中，所述芯1由锁定装置9锁定成管状结构，紧固的回弹O型环2被压缩成椭圆截面的形状，带有或不带有可固化柔性密封剂的膜5被压到管线3的内壁。

图3示出了O型环2的在施加内部工作压力之前和之后的两种不同的截面形状的放大视图。压缩较多的形状2a示出了当例如压力管道停止运行时的情况。压缩较少的形状2b示出了再次施加工作压力时的情况。

根据本发明的另一实施方式，图4、图5、图6和图7描绘了附加的加强带7，其被施加于膜5，尤其在内部操作压力P较高和/或管线3具有大的泄漏孔6或具有宽的泄漏接合部6的情况下被施加于膜5。在非限定性地示出的实施方式中，加强带7沿所述芯1的周长方向连续地延伸以初始地被三个O型环2按压到管线3的壁。例如，带7下方的O型环2的数量可以为1个到3个不等。参考前述的HDPE管线的示例，包括有由20号规格(0.0375英寸/0.1cm)的SST片材制成的加强带7的修复装置能够阻止经由具有上至3英寸(7.62cm)的直径的孔6的泄漏，或者阻止经由3英寸的断开的接合处的泄漏。

图8示出了本发明的又一实施方式，其中加强带7被置于O型环2和回弹膜5之间。为了将渗透压力限制在两个相邻的O型环10之间，由紧固的回弹材料制成的O型环10附加层被置于加强带7和回弹膜5之间。

图9示出了用于CIPP内衬11的端部的密封构思，其中在主管道3和内衬11之间的泄漏间隙12受到较高的内部操作压力P的作用。这种修复装置与图1、图2和图3中示出的修复装置类似，该修复装置通常具有体直径不同的两种紧固的回弹O型环2a和回弹O型环2b。

根据本发明的又一实施方式的图10和图11示出了如下的修复装置：加强带7和可扩张芯1中的一些孔8被制成为长缝状孔13和条状部15，这样允许所述芯1包裹(或紧配合)周向的突起焊道17。

图12示出了平坦的、没有盘绕的、具有拉长的窄长缝状孔13的加强带7。根据本发明的特定实施方式，加强带7装配有锁定机构14。在本发明的又一方面中，一些长缝状孔13与其它的长缝状孔成小的角度

。

图13示出了平坦的、没有盘绕的、具有孔8的可扩张芯1，其中若干孔8被成形为拉长的窄长缝状孔13。这里的锁定装置被表示为阶梯型机构，该阶梯形机构具有尖端(tip)9b、一组孔9c和一组孔9a(与图2所示的类似)，用于将修复装置保持为如图1所示的过度盘绕的安装前构造。

图14示出了具有可扩张芯1的修复装置，其中可扩张芯1具有长缝状孔13并且被安装到具有错位的接合部18的管17中。

图15示出了具有可扩张芯1的修复装置，其中，该可扩张芯1带有长缝状孔13，并且在长缝状孔13处被安装于具有两种不同的管道直径的管线19中。在如图15所示的特定的情况中，较小的管道被描述为CIPP内衬11，换句话说，例如与图9相比较，图15示出了用于内衬11的端部的另一种密封构造。

以下面所述的方式来操作上述的装置。

首先，以过度盘绕的安装前构造来准备用于管道和管线的内部修复的装置，其中由预锁定位置9a(见图1)来确定该安装构造。在此状态下，回弹膜5能够被保持在小的张力下，从而确保回弹膜5由于下面的O型环2而轻微突起。根据本发明的另一方面，可固化柔性密封剂能够被直接施加于密封膜5，尤其是被施加于膜5的具有由O型环2造成的突起波状部的区域。管道修复装置然后以现有技术中已知的方式被定位于主管道3中。

接着，修复装置也以已知的方式扩张以接合锁定构件9，从而将修复装置锁定成管状构造。选择所安装的修复装置的直径和安装压力以如所需地足以压缩O型环2，以满足如下的条件：

-在压力管道的修复的情况下，即使施加运行压力，O型环2也应当被保持成压缩的、椭圆形的形状2b(见图3)，并且主管道直径在此压力作用下被扩张；

-与上述状态相同的状态，区别之处在于温度改变并且压力恒定，或者压力和温度两者都变化；

-在渗透压力的情况下，O型环2应当被充分地压缩以克服该渗透压力，并且防止在修复装置和主管道3之间产生通过间隙；

-在可固化密封剂扩张到泄漏孔或张开的接合部6中的情况下，应该添加一定量的密封剂并且/或者应考虑所安装的修复装置的直径。

此外，参考图2和图3，修复装置被安装，并且例如一个小时后，密封剂固化并且变成柔性。这里，主管道3开始运行，并且内部压力经由所述孔8被施加到密封膜5，使得膜5被更加紧地压到主管道3的壁部。根据本发明的该实施方式，将满足两个以下的条件：

-在主管道3的内表面质量较好的情况下，因为修复装置的自密封原理，可以不必要施加密封剂；

-在主管道3的直径变化的情况下，膜5的直径和柔性密封剂的尺寸将同时变化。例如，如图9所示，这种情况典型地发生于加压管中的CIPP内衬。

参考通过引用并入了公开的全部内容的共同拥有的美国专利5,351,720，能看到输送包括盘绕的套管的修复装置的示例，和将装置输送到修复部位及扩张所述套管并将套管锁定在安装状态的示例。

根据本发明的另一实施方式，加强带7被应用于膜5(见图4)。在此情况下，所安装的修复装置能够承受高的操作压力P并且/或者能够修复带有大的泄漏孔6或宽的泄漏接合部6的主管道。这是因为较大的受损区域6被转换成可忽略不计的长度方向上的泄漏间隙6a和6b(见图5和图6)和加强带7的周向上的重叠边缘之间的泄漏间隙6c(见图7)。

再次，因为所述孔8，工作压力P被均等地施加到芯1的两侧。这种方法使得所述芯1与内部的压力变化或外部的压力变化无关，或者与温度变化无关。然而，所述芯1不能被解锁，因为所述芯1受到O型环2组的外部加载，其中O型环2以压缩状态被保持于边界2a和边界2b(见图3)之间。然而，在存在水击作用(water hammer)的情况下，所述孔的总的面积必须相对地足够大，以能够通过快速地平衡施加到所述芯1的两侧的压力而适应突然的压力变化。

在本发明的又一实施方式中，加强带7被置于O型环2和回弹膜5之间，并且为了将渗透压力限制在两个相邻的O型环10之间，由紧固的回弹弹性材料制成的O型环10附加层被置于加强带7和回弹膜5之间。根据本发明的该实施方式，如图8所示，由于位于加强带7和回弹膜5之间的O型环10附加层，所以所安装的用于管道和管线的内部修复的装置能够抵抗较高的渗透压力。在此情况下，O型环10组以高的局部压力压回弹膜5，此外，较高的渗透压力被局限于任何两个相邻的O型环10之间。如图8所示，施加到整个装置的压力比渗透压力小，并且施加到整个装置的压力与渗透压力成l/L的正比，其中“l”是两个相邻的O型环10之间的长度方向上的距离，“L”是最外侧的O型环2之间的长度方向上的距离。

在本发明的另一方面中，如图1、图2和图3所示的修复装置能够被用于阻止通过主管道3和CIPP内衬11之间的环状间隙12(见图9)的泄漏，其中CIPP内衬11受到较高的内部操作压力P的作用。在本发明的该实施方式中，为了适应主管道3的直径和CIPP内衬11的直径之间的差异，O型环2a组中的各O型环2a均具有比O型环2b组中的各O型环2b的体直径小的体直径。在该情况中，工作压力P经由可扩张芯1中的所述孔8被施加到弹性膜5并且使膜5和CIPP内衬11同时扩张。此时，膜5密封泄漏间隙12、具有可变直径的CIPP部和具有稳定直径的主管道部。在此应用中，尤其是在压力管停止运行并且施加有渗透压力情况下，可固化柔性密封剂能够被直接施加于密封膜5。

在本发明的又一方面中，图1至图4中所示的修复装置能够被用于阻止处于非通常状态的管道和管线的泄漏，该非通常状态例如，错位的接合部、具有不同的直径的管道/管线之间的接合部、诸如焊道等的周向的突出部或者异常形状的组合。在本发明的该实施方式中，加强带7和可扩张芯1中的一些孔8被制成拉长的长缝状孔13和条状部15(见图10至图15)。使用带7和形成有长缝状孔的所述芯1使得修复装置能够沿管线的不规则轮廓而塑性成形。

根据本发明的特定的实施方式，加强带7装配有锁定机构14(见图12)，该锁定机构14允许在安装图10所示的修复装置的其他部分之前单独地安装盘绕的加强带7。这种技术使得修复装置的成形更为容易。在本发明的另一方面中，一些长缝状孔13与其他长缝状孔成小的角度

(见图12和图13)。这种技术防止了加强带7或可扩张芯1在安装时在长缝状孔13和条状部15之间发生粘连，如果长缝状孔是平行的，该粘连是有可能发生的。

加强带7的长缝状孔13的宽度取决于管线中的操作压力，并且不应允许回弹膜5(见图10和图11)挤入加强带7的长缝状孔13中。从另一方面看，所有的条状部15的总的宽度应该比管16的最小的周长(沿图10和图11中示出的焊道17的顶峰(crest)所测量的值)小。能够通过限制条状部15的数量来解决这个难题。同时，各条状部15的宽度取决于管的形状的复杂度。

所有的对加强带7的长缝状孔13和条状部15的设计(见图12)的考虑同样适用于可扩张芯1(见图13)。唯一的不同就是可扩张芯1的长缝状孔13的宽度取决于渗透压力，但是不取决于内部操作压力。

类似的考虑也适用于如下情况中的长缝状孔13和条状部15的设计：错位的接合部(见图14)、不同直径的接合部(见图15)和异常形状的所有组合。在任何上述的情况中，也能够使用示出在图10和图11中而未在图14和图15中示出的形成有长缝状孔的加强带7(见图12)，尤其是当施加有较高的操作压力并且/或者管线具有大的泄漏孔或宽的泄漏接合部时。。

这里适当地说明性地公开的本发明在缺少这里未具体公开的任一元件的情况下，也能够被实施。

本发明不限于已经说明的特定实施方式。反而，本发明涵盖所有落在权利要求的范围内的实施方式，以及与该任何该实施方式等同的任何和全部实施方式。

Claims (13)

1.一种用于管道和管线的内部修复装置，包括：

金属芯，其盘绕长度方向轴线并且适合于在管线内于修复部位处扩张；

密封结构，其包围所述芯；

所述芯包括孔，以使所述芯的内部压力和围绕所述芯的外部压力平衡。

2.根据权利要求1所述的修复装置，其特征在于，

所述孔包括长缝状孔，在各连续的长缝状孔之间具有条状部，从而允许通过在修复部位处复制沿管线表面的不规则的形状或管线内的接合部处的不规则的形状来形成所述装置的形状。

3.根据权利要求1所述的修复装置，其特征在于，

所述芯包括卷起的不锈钢片材。

4.根据权利要求1所述的修复装置，其特征在于，

所述密封结构包括被施加于所述芯的外表面的多个紧固的回弹性O型环。

5.根据权利要求4所述的修复装置，其特征在于，

所述密封结构包括被施加于所述O型环的回弹性密封膜。

6.根据权利要求5所述的修复装置，其特征在于，

所述密封结构包括被施加于所述回弹性密封膜的加强带。

7.根据权利要求6所述的修复装置，其特征在于，

所述加强带包括长缝状孔，在各连续的长缝状孔之间具有条状部，从而允许通过在修复部位处复制沿管线的表面的不规则的形状或在管线内的接合部处的不规则的形状来形成所述装置的形状。

8.根据权利要求5所述的修复装置，其特征在于，

所述密封结构包括施加于所述回弹性密封膜和所述O型环之间的加强带。

9.根据权利要求5所述的修复装置，其特征在于，

所述密封结构包括被施加到所述密封膜的可固化柔性密封剂。

10.根据权利要求8所述的修复装置，其特征在于，

所述密封结构包括施加于所述加强带和所述回弹性密封膜之间的O型环附加层。

11.根据权利要求1所述的修复装置，其特征在于，

所述芯包括向外弯曲的周缘，以产生从所述管线的直径到所述芯的直径之间的平滑过渡。

12.根据权利要求4所述的修复装置，其特征在于，

所述密封结构包括具有不同的体直径的所述紧固的回弹性O型环。

13.一种用于管道和管线的内部修复的方法，包括：

(a)提供修复装置，该修复装置具有：金属芯套管，所述金属芯套管盘绕长度方向轴线并且适合于在管线内于修复部位处扩张，并且所述金属芯套管具有孔；和密封结构，所述密封结构包括围绕所述金属芯套管的O型环；

(b)将可固化的柔性密封剂施加于回弹性密封膜上；

(c)将具有所述金属芯套管、所述密封结构和施加的所述密封剂的所述修复装置插入到所述管线中的修复部位；

(d)使所述修复装置扩张，以将所述装置锁定成管状结构并且压缩位于所述管线的内表面和所述金属芯套管之间的所述密封结构；

(e)在安装压力下将所述修复装置锁定成管状结构，并且满足如下条件：

(i)对于压力管道的修复，即使当所述管线中被施加工作压力以及当管线直径在该压力下扩张时，围绕所述金属芯套管的所述O型环也被保持在压缩状态；

(ii)与条件(i)相同，区别之处在于温度改变并且压力恒定，或者压力和温度两者都改变；

(iii)在渗透压力下，所述O型环被充分地压缩以抵抗该压力并且防止在所述修复装置和所述管线之间产生间隙。

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