CN102971134B - 用可内部螺旋缠绕的抗拉加强件对管道进行维修和加固的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过在已有管道内建立结构加固复合衬层而维修和加强管道的方法。通过在管道的内壁上螺旋地缠绕抗拉加强材料并将其封装在硬化基体材料内来形成衬层。加强材料通过安装设备绕管道的内壁螺旋缠绕。所述安装设备配置为减轻和/或避免在加强材料中产生因将所述加强材料螺旋地缠绕在所述管道的内壁上形成的扭曲应力，这允许加强材料抵靠管道壁平放而不发生扭曲或屈曲。结构加固复合材料配置为补充已有管道的强度或在已有管道内作为独立管道。

Description

用可内部螺旋缠绕的抗拉加强件对管道进行维修和加固的系 统和方法

技术领域

本发明涉及对现有管道进行现场加固的方法。更特别地，本发明涉及通过在管道内部设置加强复合材料而加固管道的方法，所述复合材料包括绕成螺旋状的抗拉加强材料。

背景技术

世界范围的地下管道类基础设施会快速变坏。许多管道在重力流条件下传送水和废物，同时其他压力管道遭受大的内部流体静压力。管道通常由钢材、钢筋混凝土或包括纤维增强聚合物的聚合物材料制成。许多压力管道由钢材和混凝土构造，并由以螺旋方式包覆在管道外周的外部线材施加预应力。这些线材由防腐蚀的混凝土附加层涂覆。暴露于具有侵蚀性的环境中的这些管道会由于腐蚀或取决于构建其的材料的其他物质过程而随着时间变坏。在发生了实质性恶化之后，管道需要被替换或维修。对于压力管道，故障会导致昂贵且危险的总体破裂。加固的预应力金属线会遭受导致管道出现故障的侵蚀和破损。来自周围环境的外部压力和来自其携载的水的内部压力会引起管道破裂和渗漏。为了维修管道，通常必须有部段会被移除，这需要整体中断管道上方的交通和破坏结构，例如道路或建筑物。除此之外，这种维修还消耗大量的时间和资源，而且相当昂贵。

存在多种对已出故障或已变坏的管道进行现场维修的方法。一些方法在于加强现有管道，这取决于现有管道所具有的强度，而其他方法在于从整体上替换现有管道。这些方法中的一些方法包括在管道内放置衬层并将这些衬层粘附至管道内壁，例如第3,149,646号、第4,768,562号、第5,308,430号、第6,089,275号、第6,167,913号、第6,283,211号、第7,025,580号、第7,258,141号以及第7,267,739号美国专利，以及第2008/0178955号美国专利申请公开所示。用于维修管道的其他方法是采用围绕管道外壁上的结构放置材料以保护和加固管道，例如第5,683,530号美国专利所示。现有的加衬或加固管道的方法需要大量人力且比较昂贵。

发明内容

因此，本发明公开了一种维修管道的方法，其中在将抗拉加强材料挤压成抵靠在管道内壁上的螺旋缠绕的同时，避免在抗拉加强材料上产生扭曲应力和/或减轻抗拉加强材料上的扭曲应力，否则这些扭曲应力会因将抗拉加强材料绕管道内壁缠绕产生。

本发明还公开了一种将抗拉加强材料缠绕在管道内部的系统，该系统包括卷盘组件，抗拉加强材料从该卷盘组件递送至可移动车。可移动车携载轮轴组件，所述轮轴组件包括用于将抗拉加强材料从卷盘组件供送至安装臂并将其绕管道内壁缠绕的推进器。该系统经配置以在抗拉材料上不产生扭曲应力和/或减轻抗拉材料上的扭曲应力的情况下推动抗拉材料形成螺旋卷绕，否则这些扭曲应力会在将抗拉加强材料绕管道内壁缠绕时产生。

根据本发明的特定方面，卷盘组件连接至可移动车并由可移动车保持。为了在抗拉加强材料绕管道内壁缠绕时减轻抗拉加强材料上的应力，可以在推进器将抗拉加强材料从卷盘组件供送至安装臂并将抗拉加强材料绕管道内壁缠绕时，旋转卷盘组件。

根据本发明的其他方面，卷盘组件可安装在动力转台上，且系统可进一步包括转台推进器、在一端以可旋转方式连接至转台的连续旋转护套、以及邻近护套另一端定位的可移动车和安装臂。动力转台可放置在管道外部并将抗拉加强材料供送至连续旋转护套，同时转动以避免在加强材料中累积扭曲应力。

同样地，根据本发明的另一些方面，卷盘可连接至管道内的可移动车并由该可移动车保持，卷盘可经配置以仅绕卷盘的轴旋转以便从卷盘上退下抗拉加强材料，其中卷盘的轴平行于管道的长度延伸。当抗拉加强材料从卷盘上退下时，加强材料穿过推进器行进。推进器和安装臂安装在同样绕平行于管道的长度的轴线旋转的支撑臂上，以便当经由安装臂推进抗拉加强材料时，抗拉加强材料绕管道内壁缠绕。当抗拉加强材料从卷盘上退下并经由安装臂推动时，其方向保持与将其推抵在管道内壁上的连续盘绕的方向相同，这样避免了在抗拉加强材料中累积扭曲应力，否则这些扭曲应力会在因抗拉加强材料绕管道内壁缠绕产生。

在上述情况中，抗拉加强材料形成的螺旋绕被埋入硬化基体中，该硬化基体可经最终处理以提供平滑的管道内表面。另外，由于将抗拉加强材料压入管道壁的过程迫使硬化基体进入基材的孔隙，因此通过将抗拉加强材料压入管道内壁改善硬化基体与管道基材的接合，这样在管道内形成加强的复合加强材料。

附图说明

参考附图，本领域技术人员可以更好地理解本发明的各种优点，其中：

图1示出了根据本发明的实施例的特定方面的具有抗拉加强材料为衬层的管道的侧视截面图。

图2示出了根据本发明的实施例的特定方面的用于在管道内缠绕加强材料的安装装置的实例的侧视图。

图3示出了图2的安装装置的俯视图。

图4示出了图2的安装装置的立体图。

图5示出了根据本发明的实施例的特定方面的用于维修管道的示例性方法。

图6示出了根据本发明的实施例的特定方面的要被维修的管道的正面截面图。

图7示出了根据本发明的实施例的特定方面的具有抗拉加强材料为衬层的管道的侧视截面图。

图8示出了图7中使用的安装装置的立体图。

图9示出了图8的安装装置的主视图。

图10示出了根据本发明的实施例的特定方面的用于维修管道的系统。

图11示出了根据本发明的实施例的特定方面的被加固的管道的爆炸图。

图12示出了根据本发明的实施例的特定方面的已经具有抗拉加强材料和衬层的管道的横截面视图。

图13示出了具有防水膜的图12的管道的截面图。

图14示出了具有纵向加固层的图12的管道的截面图。

图15示出了还具有纵向支撑的图12的管道的截面图。

具体实施方式

参考如下说明、权利要求书以及附图可以更好地理解上述发明内容。以下给出的使本领域技术人员能够实施本发明的具体实施例的描述并不打算限定本发明的优选实施例，而是作为优选实施例的特定示例。本领域技术人员可以理解他们可以以公开的概念和具体实施例作为基础来修改或设计其他能够达到与本发明相同目的的方法和系统。本领域技术人员还可以理解这些等同的组合方式不会脱离本发明的精神和范围的最宽的形式。

描述了一种用于维修管道的方法，其中向管道的内表面压入一种刚度足以抵抗在短距离内屈曲的抗拉加强材料使其成为具有不同间隔的连续的螺旋卷绕，同时避免在抗拉加强材料上产生扭曲应力和/或减轻抗拉加强材料上的扭曲应力，否则这些扭曲应力会因将抗拉加强材料绕管道内壁缠绕产生。关于特定优选实施例的特定方面，当安装抗拉加强材料时，该抗拉加强材料可绕其纵轴线旋转以减轻将其螺旋缠绕至管道所产生的扭曲应力。可以沿垂直于管道长度的共同方向将抗拉加强材料推靠至管道的内表面和将抗拉加强材料从卷盘上退下来，这避免了在抗拉加强材料内产生扭曲应力。在每一情况中，抗拉加强材料形成的螺旋缠绕被优选地嵌入硬化基体中，将抗拉加强材料压靠管道内表面的过程通过迫使硬化基体进入基材的孔隙来改善硬化材料与管道基材之间的接合，导致管道内部获得加固的复合加强材料。

抗拉加强材料可包括线材、盘条（rod）、绞线、线缆或这些材料的任意组合，且其可由多种材料中的一种或几种制成，例如具有不同等级的钢材（包括高强度钢材或预应力钢）、预固化玻璃、碳纤维、芳香聚酰胺纤维增强聚合物材料和具有刚度足以被推靠在管道壁上形成圆形配置而不屈曲的其他类似材料。抗拉加强材料的截面可以是圆形的、椭圆形的、多边形的或不规则形的，可以使材料的外部发生变形或具有凹坑以增大与接合基体材料结合的接合表面积。在放置完加强材料后，在不将所述加强材料粘结或机械固定至管道的情况下，加强材料仍能保持抵靠管道的位置和配置。

如上所述，抗拉加强材料优选地嵌入硬化基体材料，该硬化基体材料是在抗拉加强材料被放置于管道内周之前被施加至管道内表面的。作为在安装抗拉加强材料之前施加该硬化材料的替代或附加，还可在抗拉加强材料上涂覆该硬化基体。进一步地，可选择地在进行维修的管道的已有内表面与抗拉加强材料的缠绕之间设置垫片，这在二者之间产生一开放空间，其可以用于在安装完抗拉加强材料之后填充硬化基体。可以用本领域技术人员可以想到的多种常规方法施加硬化基体材料，这样的方法包括喷涂技术、涂抹技术等非限制性实例。抗拉加强材料嵌入仍处于未硬化或未固化状态的硬化基体，事实上将抗拉加强材料压靠在管道内部有助于迫使该硬化基体进入管道基材的孔隙中，这改善了硬化基体的接合。硬化基体材料可以选自本领域技术人员已知的多种不同的接合材料，例如水硬水泥和砂浆（其可以是聚合物改性的或纤维增强的），以及也被纤维增强的聚合物例如环氧树脂或乙烯酯。在放置完螺旋缠绕的抗拉加强材料之后，可以在该抗拉加强材料上方施加由硬化基体材料形成的第二层来完全封装抗拉加强材料。一旦基体被硬化或固化，那么硬化基体和抗拉加强材料的结合会产生结构加固的复合衬层。基体材料可将抗拉加强材料接合至已有管道的内表面来提供附加的加固，或者可不被接合，以在已有管道中产生独立的加固复合管道。

图1示出了根据本发明实施例的特定方面的被维修的管道100。管道具有进入点110（例如，检修孔），个人和/或设备可以通过该进入点进入管道100。为了维修和/或加固管道100，通过进入点110引入抗拉加强材料120。该抗拉加强材料120附接至管道100的内壁125，安装装置310将抗拉加强材料120绕管道100的内壁125螺旋缠绕。关于图1的系统，随着加强材料120绕管道100的内壁125缠绕，保持且供送抗拉加强材料120的卷盘415旋转（箭头417）以使得当抗拉加强材料120被安装在管道100的内壁125上时，减轻抗拉加强材料中的扭曲应力。

可以预料到，为了维修管道100，抗拉加强材料120的卷盘415可以被放置在管道100内，或可在管道内组装。如果抗拉加强材料120的卷盘415要在管道内组装，那么可以将抗拉加强材料从管道外部的卷盘传送到管道内部的卷盘415上。可替换地，加强材料1 20的卷盘415可留在管道外部，在此情况下，只有一段加强材料120会供送通过进入点110，如下详细说明。一旦加强材料120已经被供送到管道内要安装该加强材料的位置，那么加强材料120被紧固至管道100。可以通过在管道100中钻孔并将加强材料120的一部分放置于该孔中的方式将加强材料120紧固住。本领域技术人员将意识到还存在将加强材料120的起始部分紧固至管道100的其他多种方式。

在将加强材料120紧固至管道100之后，该加强材料绕管道100的内壁125螺旋缠绕，同时避免在加强材料中产生扭曲应力和/或减轻抗拉加强材料上的扭曲应力，否则这些扭曲应力会在因抗拉加强材料绕管道内壁缠绕而产生。例如，加强材料120可以绕其纵轴线旋转（例如通过使卷盘415沿着箭头417的方向旋转）以便减轻由缠绕过程产生于加强材料120上的扭曲应力。随着额外的加强材料120抵靠着管道100的内壁125缠绕，加强材料120的刚度足以在不将该抗拉加强材料锚定至或粘附至管道的情况下，使已安装的加强材料保持邻近管道的内表面的螺旋缠绕。

可选择地，上述方法可用多层抗拉加强材料120给管道100加衬层。在这种情况下，首先，抗拉加强材料120可以在减轻抗拉加强材料120上的扭曲应力的同时抵靠管道100的内壁125盘绕，并嵌入硬化基体，如上所述。此后，通过抵靠着如上形成的加强复合材料来卷绕抗拉加强材料120以形成第二层抗拉加强材料120，然后将该第二层嵌入硬化基体，如此形成多层的加强复合材料。

如图1所示，可通过使用安装装置（由310总体示出）将加强材料120安装在管道100内。如图2至图4更加具体地示出的，安装装置310具有三个主要组成部件，包括卷盘组件315、轮轴组件320和可移动车325。当只能通过检修孔进入管道时，安装装置可在管道内部组装。

卷盘组件315向轮轴组件320供送抗拉加强材料120。如图2至图4更加具体地示出的，卷盘组件315可以包括带有卷盘轴420的卷盘415，该卷盘轴420将卷盘415可移除地安装在一对卷盘臂410之间。卷盘415可以允许卷盘415在卷盘臂410之间转动的任何方式接附至卷盘组件315，这些方法对于本领域技术人员而言是公知的。

轮轴组件320由可移动车325携载。卷盘组件315在轮轴组件320的背侧端部接附至轮轴组件320。轮轴组件320包括常规配置的液压推进器322。本领域技术人员将意识到在不背离本发明精神和范围的情况下，还可以使用其他形式的推进器（例如，电力推进器等）。推进器322将抗拉加强材料120从卷盘415供送至位于轮轴组件320前端的安装臂324。轮轴组件320可以机械连接至可移动车上的驱动组件650以使安装臂324的旋转与可移动车在管道内的纵向移动同步，这样实现了已安装的抗拉加强材料120的连续盘绕之间的期望间距。在这种情况下，向驱动组件650提供动力以驱动轮轴组件320，或者抵靠着管道内表面的抗拉加强材料120的反作用力可以使安装臂324旋转，从而使轮轴组件320旋转并通过所述机械连接驱动该驱动组件650。可替换地，电控制器可以控制安装臂和驱动组件650的马达中每一个的驱动速度以正确地同步这些组成部件的运动。作为另一替换方式，可独立地控制安装臂324与驱动组件650的驱动速度，只要对于给定的安装臂324的旋转速度，用户能根据驱动组件650的驱动速度获得已安装的加强材料120的连续盘绕之间的期望间距。在每一情况下，来自卷盘415的抗拉加强材料120的供送速率优选地由电控制器控制。

如图2至图4所示，安装臂324具有大致S形的构造，其沿与加强材料120从卷盘415穿过推进器322的供送方向大致成直角的方向将加强材料120导向管道的内表面。只要安装臂324配置为推动抗拉加强材料形成管道内侧上的连续的螺旋盘绕，就可以在不背离本发明精神和范围的情况下使用其他配置的安装装置324。

如上所述，卷盘组件315和轮轴组件320能够安装在可移动车325上。可移动车325还具有轮子385和驱动组件650。驱动组件650优选地包括配置为驱动至少一个轮子385的马达，驱动组件650还包括链接至轮轴组件320的机械链接机构以便提供驱动组件650和安装臂324之间的同步运动。

图5示出了根据本发明的一个方面的使用如上所述的安装装置310维修管道100的方法。在步骤500处，将安装装置310放置至管道100的内部或在该内部组装。在步骤510处，穿过推进器322和安装臂324供送来自卷盘415的加强材料120，从而提供加强材料120的起始部分。接着，在步骤515处，加强材料120的起始部分被紧固至管道100的内壁125。在一些情况下，可以预料到不必将加强材料120的起始部分紧固至管道100的内壁125。在步骤520处，随着卷盘组件315绕着轴线旋转（该轴线垂直于抗拉加强材料120的缠绕轴线），加强材料120被安装至管道100的内壁125。卷盘组件315的这种旋转减轻了加强材料120上的扭曲应力，否则会因将加强材料120螺旋地放置在管道100的内壁125上而产生这些扭曲应力。在步骤530处，从卷盘415上切下加强材料120，该加强材料120的末端紧固至管道100的内壁125。如果整个卷盘415用完了，那么加强材料120的末端紧固至管道100的内壁125，且可选择地，如果期望进一步加固，该末端还可接到新卷盘上的加强材料。最后，在步骤540处，加强材料120被嵌入硬化基体材料中。

图6示出了安装装置310，其中安装臂324将加强材料120放置于管道100的内壁125。如图所示，安装装置310可以具有机械联动机构327，例如链条，其驱动安装装置310以使其在期望的方向上移动。可替换地，可由驱动组件650中独立控制的马达来驱动安装装置310。

可替换地，参考图7，卷盘415可配置为旋转以便从卷盘415上退下抗拉加强材料120，其中卷盘415的轴平行于管道100的长度方向延伸。随着抗拉加强材料120从卷盘415上退下，可以沿垂直于管道长度的共同方向将抗拉加强材料推靠管道的内表面和将抗拉加强材料从卷盘415上退下来，这避免了在抗拉加强材料内产生扭曲应力。在这种配置中，尤其参考图7至图9，卷盘415可旋转地安装至可移动车325并配置为在其轴420上旋转，其中轴420与可移动车325的行进方向相对准。推进器322和安装臂324安装在支撑臂326上，其同样配置成在轴420上旋转，但沿与卷盘415的旋转方向相反的方向。再一次地，推进器322经由安装臂324将抗拉加强材料120推抵管道100的内壁125。由抗拉加强材料120被压在管道100的内壁125而产生的反作用力使得臂326旋转，或臂326可被外部结构驱动。同样地，臂326被机械链接至驱动组件650，借此，臂326的所述旋转可引起可移动车310的驱动轮385的旋转，或臂326和驱动轮385可通过共同驱动臂326和驱动轮385的电控制器连接、由共同的驱动组件650驱动，或该臂和驱动轮可被独立地驱动，如上所述。

如图10所示，卷盘415可选择地与余下的加强材料安装组件分离。在这种情况下，该系统可以包括五个主要组成部件：动力转台1010，转台推进器1015，盘管弹簧1020，直的旋转护套1025以及安装装置1030。动力转台1010经配置以绕垂直于加强材料120的缠绕轴线的轴线旋转，这样当加强材料120螺旋缠绕管道100内部时，可同样避免在加强材料120内形成扭曲应力。动力转台1010优选地接附至固定基座。卷盘415向围绕转台的旋转轴线转动的转台推进器1015供送抗拉加强材料120。动力转台1010通过盘管弹簧1020可旋转地连接至连续的旋转护套1025，以便每个组成部分在相同的方向上以相同的速度旋转以避免在加强材料120中累积扭曲应力。

加强材料120通过进入点110、更优选地通过盘管弹簧1020被推进管道100，其中盘管弹簧1020协助将抗拉加强材料120引导至连续的旋转护套1025。盘管弹簧1020可机械连接至转台推进器和旋转护套。在一个实例中，连续的旋转护套1025包括随着转台1058的转动而转动的管1060。该管1060安装在支承结构1065上，该支承结构1065可暂时接附至管道100的内壁125或由定位在管道100内的柱子支撑。然后，加强材料120进入安装装置1030，其将加强材料120落置在管道100的内壁125上。安装装置1030优选地包括如上所述的安装装置310，但不带有卷盘组件315。当通过安装臂324推进加强材料120时，推靠管道内表面的抗拉加强材料的反作用力使得安装臂324以与抗拉加强材料120的前进速率相同的速率旋转。抗拉加强材料的间隔由安装装置1030的纵向移动速率控制。安装装置1030的纵向移动可由驱动组件控制，其中该驱动组件可由电控制器独立地控制或通过连到安装臂324的机械联动件机械地驱动，或者安装装置1030可由绞盘拉动。

如图10所示，加强材料120被从转台推进器1015推进到连续的旋转护套1025的管的最近端。可替换地，运送抗拉加强材料120的柔性管或盘管弹簧1020连接转台推进器1015和连续的旋转护套1025的管。在这种情况下，柔性管的转动方向还与旋转护套1020的转动方向相同以减轻加强材料120中的扭曲应力。作为另一替换实施例，作为转台推进器1015和旋转护套1025的互连的附加或替代，还可以提供用于转动或协助转动旋转护套1025的附加驱动机构1026。同样地，当引导抗拉加强材料120穿过管道100时，还可以沿着抗拉加强材料120的长度的任何位置提供与推进器322和1015具有相似结构的附加推进器。

为了确保安装臂324和转台1010同步旋转，优选地提供可配置的电控制器，该电控制器可配置为便于控制每个驱动系统的速度（包括可移动车325上的驱动器650，转台1010，和任何中间驱动器1026）、以及可选择地控制每个推进器的速度和可移动车325在管道100内的纵向运动的速度。可替换地，可移动车325的纵向运动可以是由于通过可移动车325上的驱动轮385和安装臂324之间的机械联动件使抗拉加强材料120压靠着管道100的内部而产生的反作用力引起的，如上所详述。

图10所示的系统相对于现有系统提供多种优势。例如，加强材料120可以被保持在地面上，可以被直接从盘绕安装到管道的内表面上，而不需要将材料转移到管道内的卷盘的中间步骤。加强材料120进入管道100所需的开口非常小，这个开口不用比加强材料120供送至安装装置1030所穿过的管的直径大太多。系统1000的每一部分设计为可拆解的，且可经由标准检修孔开口传送至所需位置，这降低或消除了开凿或扰乱现有结构、地面或道路的需求。抗拉加强材料120可自抗拉加强材料120源经短距离或非常长的距离被传送至并安装在管道中。本发明可以用来加强管道的单个区段或连续长度。

由于加强材料120上存在扭曲应力最小化，且加强材料120具有一旦将其放置在管道的内壁125上时便保持其位置的足够刚性，因此可以随时停止该过程，同时仍保持盘绕的加强材料120的结构完整性。可以在轮班或需要补充加强材料120的卷盘415时容易地停止放置加强材料120。可以通过熔合、粘合、焊接、压接、搭接、钎焊或本领域技术人员熟知的其他方法完成盘绕或卷盘之间的加强材料120的接合。

加强材料120可以经由保护系统处理以增强耐久性。例如，钢加强材料120可以涂覆有锌、有机或无机涂层、或陶瓷处理物。还可以对钢加强材料120进行防腐蚀的冶金处理，例如不锈钢或其他镍合金。在特定应用中，可以设置被动或主动阴极保护系统以保护钢加强材料120。如果基于水泥的材料被用于封装基体，那么可加入腐蚀抑制剂或致密添加剂以保护钢加强材料120免于腐蚀。本领域技术人员会意识到加强材料120受限于多种环境因素，因此，需要适当的保护以免受环境影响。本领域技术人员了解这种保护方式。

如前所述，随着抗拉加强材料120被安装在管道100的内壁125上，其优选地被嵌入接合基体材料。在放置抗拉加强材料120之前，优选地将接合基体放置于管道100的内壁125。可以通过喷涂、涂抹或其他方式施加接合基体。然后，加强材料120被安装在未固化且未被硬化的基体中，如前所述。有利地是，由于将抗拉加强材料压入管道壁会迫使硬化基体进入管道基材的孔隙中，因此通过将抗拉加强材料压入管道100的内壁，可以改进硬化基体与管道基材的结合，从而在管道内形成强化的复合加强结构。在基体被硬化后，抗拉加强材料与现有管道结合成为一体。然后，将基体的附加层施加到盘绕的抗拉加强材料120上，以在抗拉加强材料上提供保护涂层并在管道100的内表面形成平滑的最终表面。每一层基体的厚度会依据管道的使用需求而有所变化。在设计为携载压力液体的管道中，基体优选地形成不透水表面以避免由管道100携载的任何液体触及被加强的现有管道。管道100的内部压力（通常是压力水）通过材料膜或基体层被装在管道100中，其将流体压力产生的力分配到由周向包裹的加强材料120产生的管道100的新的内层。在一些实例中，在基体材料上方施加补充的防水涂层。

如图11所示的爆炸图，一旦安装了加强材料120，管道100处于加强状态。如图12的横截面所示，该加固的管道100包括先前的管道壁1205，加强材料120位于管道100内侧上的硬化基体1230内。如图13所示，该加固的管道100还可选择性地包括定位在硬化基体1230内侧上的防水膜1310。进一步地，如图14所示，可以提供纵向加强层1410，其包括纤维增强塑料层、具有或不具有网眼的纤维增强砂浆层、原位固化管道层（CIPP）、钢线网层或类似物，以便提供对原有管道结构的进一步纵向支撑。同样地，如图15所示，通过使用附加的、纵向分布的抗拉加强材料来提供进一步的纵向结构支撑1510，其附接至绕管道内部周向延伸的螺旋缠绕，该纵向分布的抗拉加强材料同样嵌入硬化基体1230内。

本领域技术人员会意识到本文描述的系统和方法的多种优点。该方法可以有效地用于管道100的短段的维修或长段管道的维修。连续的加强材料可以通过已有的进入开口安装在管道100内部而不必挖开整个管道段。安装加强材料的高效的机械过程比现有方法需要更少的人力。当使用的材料是美国国家科学基金会（NSF）批准的材料时，本发明的维修对于容纳可饮用水的管道而言是安全的。

已经详细提出了基于本发明概念的优选实施例和特定变形，在熟悉了本发明的相关概念后，本领域技术人员可以想到各种其他实施例以及此处示出和描述的实施例的特定变形和修改。例如，虽然前述示例性实施例被描述为用于混凝土管道的维修，但在不背离本发明的精神和范围的情况下，其同样可用于加固和/或维修钢管道或具有其他配置或材料的管道。因此，可以理解的是本发明还可以用于未具体描述的其他情况。

工业实用性

本发明适用于管道和维修管道的相关方法。本发明公开了一种系统和维修管道的方法，其中，在将抗拉加强材料被推靠在管道的内壁形成螺旋缠绕的同时，避免在抗拉加强材料上产生扭曲应力和/或减轻抗拉加强材料上的扭曲应力，否则这些扭曲应力会因将抗拉加强材料绕管道内壁缠绕而产生。本发明的方法可应用于管道维修领域的行业。

Claims (43)

1.一种加固管道结构的方法，包括下列步骤：

提供具有连续长度的抗拉加强材料，其中提供的所述连续长度的抗拉加强材料围绕着卷盘组件盘绕；

提供推进器，其配置为接收所述抗拉加强材料，且通过安装臂推进所述抗拉加强材料，所述安装臂配置为引导所述抗拉加强材料抵靠在管道结构的内表面上并形成邻近所述管道的所述内表面的连续螺旋缠绕；

当所述加强材料从卷盘组件上退下且被推动形成螺旋缠绕时，使所述卷盘组件、所述推进器和所述安装臂协调地旋转，从而所述抗拉加强材料绕延伸穿过所述抗拉加强材料的中心轴线、沿着减轻由螺旋卷绕所述加强材料而产生的扭曲应力的方向旋转；

将所述抗拉加强材料嵌入硬化基体材料。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括下列步骤：

用一硬化基体材料涂覆所述抗拉加强材料。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述加强材料足够坚硬以抵抗将其推靠所述管道内表面而产生的屈曲。

4.根据权利要求3所述的方法，其中在不将所述抗拉加强材料额外支撑、锚定或粘附至所述管道的情况下，所述加强材料还足够刚硬到保持邻近所述管道的内表面并处于所述螺旋缠绕的状态。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法在所述管道的所述内表面上形成结构加固复合衬层，所述结构加固复合衬层形成防水膜。

6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括下列步骤：

在所述结构加固复合衬层上方施加附加的防水膜。

7.根据权利要求1所述的方法，其中推动所述抗拉加强材料的步骤和减轻扭曲应力的步骤是同时进行的。

8.根据权利要求1所述的方法，其中重复所述方法以产生多层结构加固层。

9.根据权利要求1所述的方法，其中减轻扭曲应力的步骤进一步地如此完成：使所述抗拉加强材料绕着与所述抗拉加强材料的盘绕轴线相垂直的轴线、沿着减轻由螺旋缠绕所述加强材料而产生的扭曲应力的方向旋转。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述管道的内部开始所述抗拉加强材料的旋转。

11.根据权利要求9所述的方法，其中在所述管道的外部开始所述抗拉加强材料的旋转。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法形成结构加强复合材料，其接合至所述管道结构的内表面以便向所述管道结构提供补充的加强。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法形成结构加强复合材料，其不与所述管道结构的内表面接合，且配置为承载在所述管道结构上的所有流体静压力。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述抗拉加强材料包括选自由下列材料组成的群组：金属线、盘条、绞线、线缆和这些材料的组合。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述抗拉加强材料包括钢材。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述抗拉加强材料包括高强度钢材。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述抗拉加强材料包括预应力钢。

18.根据权利要求1所述的方法，其中所述抗拉加强材料包括选自由下列材料组：预固化玻璃、芳香聚酰胺、以及碳纤维增强聚合物材料。

19.根据权利要求1所述的方法，其中所述硬化基体包括选自下列材料组：水硬水泥和砂浆。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述硬化基体是经聚合物改性的。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述硬化基体是经纤维增强的。

22.根据权利要求1所述的方法，其中所述硬化基体包括选自下列材料组：环氧基树脂、乙烯酯和聚合物材料。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述硬化基体是经纤维增强的。

24.根据权利要求1所述的方法，其中所述硬化基体是喷涂施加的。

25.根据权利要求1所述的方法，其中所述硬化基体是涂抹施加的。

26.一种用于加固管道结构的系统，包括：

具有连续长度的抗拉加强材料，其围绕卷盘组件盘绕；

推进器，其接收所述抗拉加强材料，且配置为通过安装臂推进所述抗拉加强材料，所述安装臂配置为引导所述抗拉加强材料抵靠在管道结构的内表面上并形成邻近所述管道内表面的螺旋缠绕；

其中所述系统配置为当所述加强材料从卷盘组件上退下且被推动形成螺旋缠绕时，使所述卷盘组件、所述推进器和所述安装臂协调地旋转，从而所述抗拉加强材料绕延伸穿过所述抗拉加强材料的中心轴线、沿着减轻由螺旋卷绕所述加强材料而产生的扭曲应力的方向旋转。

27.根据权利要求26所述的系统，其中所述抗拉加强材料足够刚硬以抵抗当其被所述推进器推进并抵靠所述管道内表面时屈曲。

28.根据权利要求27所述的系统，其中在不将所述抗拉加强材料锚定或粘附至所述管道的情况下，所述加强材料还足够刚硬到保持邻近所述管道的所述内表面的所述螺旋缠绕的状态。

29.根据权利要求26所述的系统，进一步包括：

安装所述推进器的可移动车。

30.根据权利要求29所述的系统，所述安装臂、所述推进器和所述卷盘组件在所述抗拉加强材料抵靠所述管道内部压紧的反作用力的影响下同步旋转。

31.根据权利要求29所述的系统，所述卷盘组件在与所述安装臂相对的框架的末端处可旋转地安装至可移动的框架上。

32.根据权利要求29所述的系统，进一步包括：

卷盘安装装置，其在与所述安装臂相对的框架的末端处可旋转地安装至所述框架上，其中所述卷盘组件可移除地和可旋转地安装在所述卷盘安装装置内。

33.根据权利要求29所述的系统，进一步包括：

转台，其配置为绕大体竖直的轴线旋转；

卷盘安装装置，其固定地安装至所述转台，其中所述卷盘组件可移除地和可旋转地安装在所述卷盘安装装置内。

34.根据权利要求33所述的系统，进一步包括连续的旋转护套，所述抗拉加强材料在所述连续的旋转护套内前进。

35.根据权利要求34所述的系统，所述连续的旋转护套由盘管弹簧组成。

36.根据权利要求34所述的系统，所述连续的旋转护套由一个管组成。

37.根据权利要求34所述的系统，所述转台、所述推进器和所述连续旋转护套相对于彼此同步旋转。

38.根据权利要求37所述的系统，进一步包括电控制器，其配置为同步所述安装臂和所述转台的旋转。

39.根据权利要求37所述的系统，进一步包括电控制器，其配置为同步所述可移动车的纵向运动和所述转台的旋转。

40.根据权利要求37所述的系统，进一步包括中间马达，其协助所述连续的旋转护套的旋转。

41.根据权利要求29所述的系统，进一步包括驱动单元，其安装至所述可移动车并配置为在所述管道内移动所述可移动车。

42.根据权利要求41所述的系统，进一步包括：

位于所述驱动单元和所述推进器之间的机械链接机构，其中所述机械链接机构配置为同步所述可移动车在所述管道内的纵向运动和所述安装臂的围绕所述管道的周向的旋转运动。

43.根据权利要求41所述的系统，其中所述驱动单元独立于所述安装臂的旋转进行工作。