CN103260855B - 管道修复方法和经修复的管道 - Google Patents

Abstract

公开了一种原地修复地下管路或管道的方法。所述修复方法包括将强化织物放置在待修复的管道内部，与所述管道的内表面间隔开，以及用抗渗移性水泥组合物浸润该织物。

Description

管道修复方法和经修复的管道

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年12月20日提交的专利序号为61/425,076的美国临时申请的优先权，其全文以引用的方式纳入本文。

技术领域

本公开涉及一种用于修复具有结构缺陷的管道的方法。

背景

管道——如由延性铁、混凝土、石棉混凝土、粘土瓦及其他管结构制成的下水管、煤气管、蒸汽管和水管——通常埋于地下或难以接近的区域。由于机械损伤、过早磨损、制造缺陷、腐蚀、侵蚀、不利操作条件以及其他因素，这些管道将劣化，产生裂纹、泄漏或需要更换或修复的薄弱区域。将这种难以接近或埋于地下的管道挖掘出来从外部修复或替换其中的部件是非常昂贵的。

为直径小于16英寸的小直径管道换衬的现有方法依赖于用树脂浸渍过的织物，其贴靠于所述管道的内壁直至该树脂充分固化以形成结构键合；用塑性挤出物滑动镶衬现有管道；和/或使用非加固水泥组合物结合塑料衬里。运用加压膨胀技术和反转技术（inversiontechnique）使衬里与待修复管道的内表面紧密贴合。

滑动镶衬涉及在现有主管内部放置一个塑料衬管（例如光壁聚乙烯或聚乙烯和聚丙烯的复合材料），其用于减小该主管的内径。在将塑料管置于主管内之后，将衬管和主管之间的环隙填满水泥材料。

在“加压膨胀”技术（也称“就地盘绞（winch-in-place）”技术）中，将预先浸渍过热固性树脂的材料的易弯套管插入到管道受损部位，并对其加压以使该树脂浸渍的衬垫紧密地压靠在受损管道的内壁。然后使该膨胀的衬垫固化从而在原管道内部形成一个新的衬里。

在“反转”修复方法中，首先用合适的可固化合成树脂浸渍管道衬垫。然后将注入树脂的衬垫插入管道。衬垫的前端反转朝向其本身且固定于入孔进料肘管的下端。将流体（例如水或空气）用泵注入进料肘管，使衬垫反转进入并沿着管道的内表面。衬垫持续与管道内表面接合直至树脂固化。树脂固化完成后，流体从衬垫的内部排出，由此得到施用于管道内表面的硬质刚性衬里。

这些方案不能解决对这样的复合材料的根本需求：该复合材料通过机械和化学作用结合到主管内径，具有充分的拉伸性、轴向性、压缩性和环向强度形成从而使其可在连接现有支管供应的管道中独立形成新的管道，沿其长度方向是基本不透水的、强固、轻质以及相对快速且容易地安装，从而能够提供一种用于卫生、蒸汽管和饮用水管应用的独立使用装配。

发明内容

公开了一种原地修复具有结构缺陷的管道的方法。所述修复管道的方法能重建劣化管道的结构完整性而无需使该管道停止使用。

根据某些示例性实施方案，该方法包括将强化织物放置在待修复的主管的至少一部分内，且用抗渗移性水泥组合物至少部分地浸润该强化织物。使该水泥组合物硬化。一旦该水泥组合物硬化，就会在临近主管长度的至少一部分的内表面形成一个新的复合管。

根据其他的示例性实施方案，该方法包括在待修复的主管的至少一部分内放置一个间隔层或套管。所述间隔层以间隔开的方式放置在临近主管的内表面，在主管内表面与支撑层或套管的外表面之间形成一个环形腔。将一种强化织物（例如双向织物）置于临近所述间隔层，以使间隔层位于待修复主管的内表面与强化织物层的外表面之间。所述强化织物至少部分被浸润且所述环形腔内至少部分充满可硬化水泥组合物。使该水泥组合物硬化。一旦该水泥组合物硬化，就会在临近主管的内表面的至少一部分上形成一个新的复合管。

修复具有结构缺陷的管道的方法包括，在待修复的管道内部的至少一部分内放置一种聚合材料制成的柔性管状支撑套管，其与管道内表面间隔开，所述套管有一个内表面和一个外表面，其外表面具有间隔元件，该间隔元件含有多个从该套筒外表面轴向和径向伸出的突出物。由于该支撑套管的外径和径向突出物，在主管和支撑套管外表面之间形成一个环形腔。强化织物层（其可以纤维材料的管状织物强化层的形式提供）在主管内接触支撑套管的内表面放置。根据某些实施方案，该纤维材料强化层与支撑套管物理结合或化学键合。然而，根据其他实施方案，该纤维材料强化层具有足够的拉伸强度以提供置于临近支撑套管的至少一部分处的自身可立住（self-standing）强化纤维层。在该强化层内部可放置一个可扩张的扩张器（expander），其扩张从而将强化层和支撑套管径向朝外推向主管的内表面。将可硬化水泥组合物引入到强化织物和支撑套管与主管内表面之间的环形腔内，使该水泥组合物硬化。

根据某些实施方案（其中强化层与支撑套管物理结合或化学键合），支撑套管内部的局部变形减少。随着套管内部的局部变形减少，发生管道修复失败的可能性减少，且使用时间延长。

没有限制地，可将可硬化水泥组合物在沿管道长度方向的第一个点引入支撑套管和管道内表面之间的环形腔内，以通过将该水泥组合物从该第一个点流向沿该管道的第二个点穿过主管以总体纵向的方式注入环形腔。水泥组合物在环形腔内流动时，从支撑套管的外表面伸出的间隔元件穿入该水泥组合物，当水泥组合物硬化时与水泥组合物形成机械结合。使所述水泥组合物硬化以形成强化层、支撑套管和水泥组合物的复合材料，该复合材料在所述管道内形成一个管道，水泥组合物硬化后间隔元件嵌入水泥组合物中。

该方法还包含，停止将水泥组合物引入环形腔，造成或使得水泥组合物在管道和支撑套管之间的环形腔内凝固或固化，该水泥组合物与支撑套管和强化层键合。水泥薄浆料可浸透和浸入强化纤维织物层以形成独立的复合材料。根据其他的实施方案，水泥薄浆料可浸透强化织物材料和至少部分的支撑套管材料，使强化织物和薄浆的复合材料结合到支撑套管上。如果独立使用前述复合材料，则该薄浆可基本上形成新的管道内部。这适于高温应用如蒸汽管/冷凝管或各种塑料复合材料易受内部条件或组分破坏的任意情况。扩张器维持在扩张的状态，直至水泥组合物充分凝固而自支撑。其后，收起扩张器。

水泥组合物和支撑套管能够在水泥组合物凝固前发生弹性变形。局部弹性变形能促进将新的水泥组合物持续引入环形空间中。当水泥组合物和套管承受由于添加更多水泥组合物而产生的变化的力时，局部弹性变形能阻止安装过程中复合材料过早裂化和失效。

根据某些实施方案，将扩张器安装在心轴上，支撑套管通过以下方式放置在待修复管道的内部：将支撑套管卷绕在心轴和扩张器上，将心轴和扩张器插入管道中并使从支撑套管的外表面伸出的间隔元件朝向主管的内表面，然后将其移动到待修复的位置。

根据某些实施方案，扩张器安装在心轴上，织物强化层通过以下方式放置在待修复的管道内部：将强化层卷绕在心轴和扩张器上，将心轴和扩张器插入管道内的支撑套管，然后将其移动到待修复的位置。

根据某些实施方案，扩张器包含一个可充气气囊，该扩张器通过用加压流体使气囊充气而扩张。所述加压流体可为气体、液体或气体和液体的结合物。

还提供一种为具有内外表面的主管镶衬的方法。该方法包括在待修复管道的至少一个部分内施用聚合材料的支撑套管。所述支撑套管放置在待修复管道的内部且与该管道的内表面间隔开。该支撑套管可包含多个从该支撑套管外表面轴向和径向伸出的突出物，从而在主管和支撑套管之间提供这种间隔开的布局。将纤维材料的强化层施用到临近主管内的支撑套管的内表面处。将可流动水泥材料（例如抗渗移的薄浆组合物）引入强化织物的开孔以及支撑套管和主管内表面之间的空间中。造成或使得所述水泥组合物硬化，从而在支撑套管的突出物和主管内表面之间以及在所述组合物和支撑套管和强化层之间形成机械结合。

还提供一种用于镶衬主管的修复衬垫。用于主管的修复衬垫包括纤维材料的强化层和柔性聚合材料的支撑套管，该支撑套管包含将所述衬垫与主管内表面间隔开的元件。所述支撑套管包括一个内表面和一个外表面，其中支撑套管的内表面与纤维材料的强化层接触。所述支撑套管的外表面包括从支撑套管的外表面轴向和径向伸出的间隔元件。所述间隔元件位于支撑套管上，使得可流动、可硬化的水泥组合物可在这些元件之间流动以在衬垫和主管之间建立机械结合。

还提供一种已修复管道。所述已修复管道包括具有一个内表面和一定长度的主管和临近所述主管的所述内表面的固化复合材料。所述复合材料包括一种强化织物，其至少部分用抗渗移性水泥组合物浸润。所述硬化的水泥组合物与结构织物接触并在主管内表面形成一个硬化的衬里。

本发明方法可广泛应用于任何直径的管道。根据某些实施方案，本发明方法可适于修复直径小于16″的小直径管道。该方法对于所有已知的管道材料均适用，包括混凝土、塑料、铁以及钢。术语“管道”包含导管、管道、隧道、涵洞以及密闭容器、泵站和湿井等。该方法适于任何形状的管道，但由于其对圆柱管的环向强度的修复能力优异，该方法尤其应用于并记载于管状管道的修复中。

强化层

支撑套管并不意味承受管线的很大一部分结构负荷（环向应力或纵向应力）。虽然水泥组合物具有高压缩强度，但其拉伸强度却有限。因此，纤维材料的强化层用于强化所述硬化的水泥组合物，其通过吸收在主管的修复区域原本可使水泥组合物破碎或断裂的拉伸应力和负荷而实现。由此，该方法提供了以下材料的复合材料：水泥组合物（例如抗渗移性薄浆组合物）、支撑套管和纤维材料的强化层，该复合材料与主管结合且具有足够的拉伸强度、轴向强度、压缩强度和环向强度，从而在管道内单独形成一个新的管道，且提高了该管道的所需压力等级。

根据某些实施方案，所述纤维材料的强化层包括一种双向织物。该双向强化织物的纤维包括任何可用于制造可吸收在主管的修复区域原本可使水泥组合物破碎或断裂的拉伸应力和负荷的织物的纤维。仅示例说明而非对其进行限制，可用于制造所述强化织物的合适纤维包括芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维、聚合物纤维（例如聚酯纤维、聚烯烃纤维（聚丙烯纤维、聚乙烯纤维等））或丙烯酸系纤维、以及其结合物。

根据某些实施方案，在所述纤维材料中加入水泥材料（例如薄浆）来形成纤维强化的水泥组合物以及支撑套管。例如，当将所述薄浆材料施用于与纤维材料接触的支撑套管时，所述纤维材料可具有编织结构来促进复合材料的形成。在所述织物中可使用多种类型的编织和纤维取向。例如，在某些实施方案中，所述纤维可为单向、双向或全向的。对于全向织物，也可使用无规构型。选择材料时主要考虑的是对管道中承载的液体组分的耐性。通常，可指定编织结构以及纤维的其他特性以促进薄浆浸入到纤维结构中。

如果碳纤维材料与地下管道相匹配，则碳纤维因其劲度、强度和应用性能而成为有用纤维。可使用许多形式的碳纤维。一种示例的有用碳纤维是购自BASF Construction Chemicals的碳纤维织物。

在某些实施方案中，强化层的数量取决于修复管道系统的所需压力等级和所需最大容许操作压力。根据某些实施方案，织物的多层强化层可用于建立修复管道。该管道可承受的极限负荷决定强化层的厚度，切记过大的厚度将不必要地降低管道的容量。

水泥组合物

如本文所述，使水泥组合物穿过强化织物的开孔。根据某些实施方案，浸润到强化织物的水泥组合物可选自抗渗移性水硬性糊剂、抗渗移性薄浆、抗渗移性灰浆和抗渗移性混凝土。抗渗移性水泥组合物可包含抗渗移性薄浆。

尽管各种抗渗移性薄浆可适用，然而在某些实施方案中，该薄浆是一种抗渗移性薄浆且由BASF Construction Chemicals以商品名Masterflow1205、Masterflow1341和Masterflow1515PipeSaver制造，为一种水硬性水泥薄浆组合物，其包含水硬性水泥、水和共聚物（优选聚丙烯酰胺共聚物），如第7,044,170号美国专利所述，其全文以引用的方式纳入本文。该薄浆具有抗渗移性，具有足够低的粘度使其具可泵性以及易于放置，体积变化（可塑和硬化）降低、工作时间延长，强度形成合适，其为嵌入的含铁材料提供防腐保护。

如第7,044,170号美国专利所述，水硬性水泥组合物是一种本身具有水硬性胶结性能且在水存在下凝固和硬化的材料。水硬性水泥薄浆可包含（但不限于）以商标(BASF ConstructionChemicals、Shakopee,MN,USA)、(Sika,Stockholm,Sweden)和(Chem Crete Corporation,Richardson,Tex.)销售的水硬性水泥薄浆。在某些实施方案中，在水硬性水泥薄浆混合物中添加的抗渗移性添加物可为以下单体的共聚物：例如N,N-二甲基丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基,2-甲基丙烷磺酸，其存在量可为约0.001重量%至约10.0重量%，基于水硬性水泥的干重计。减少失水量的水硬性水泥薄浆组合物中，常规水与水泥的比例（W/C）不高于约0.45，优选约0.35至约0.44。

支撑套管

聚合材料的柔性、管状支撑套管包括在其外表面上形成的朝向主管的内部且与主管的内部间隔开的间隔元件。所述间隔元件可包含突出物、槽纹、罗纹、销钉、接缝和/或波纹，其从套管外表面轴向和径向伸出。该间隔元件的构造、形状和尺寸可加工为满足性能要求。当非渗析薄浆插入到形成于主管内壁和套管外表面之间的环形腔内时，薄浆在凝固前围绕所述间隔元件，并注入间隔元件之间的空隙中。间隔元件完全嵌入薄浆中，引起套管和新凝固的薄浆之间的机械结合，提高了管道中新形成管道的结构强度，且不会过分限制该管道的内径。

为了示例说明而非进行限制，所述支撑套管包含高密度聚乙烯管道衬垫。

安装可通过本领域已知的各种方法完成，包括加压法、输送可移动可收缩结构或载体、或安装就位的非移动构架，所有这些装入管道中，并在任务完成后通过接入点（例如入孔和升降孔）从管道中移出。支撑套管初始放置在管道内部可移动放置的移动可收缩结构上。放置时，使所述结构扩张，推进套管就位。其后，类似地放置强化层以接触支撑套管的内表面。将薄浆插入到支撑套管和管道内壁之间的环形腔内和强化层中。或者，可将支撑套管通过以下方式放置于管道内部：插入支撑套管的管（有时可反转），在管道内对套管加压使套管扩张与管道内部接触。类似地放置强化层以与支撑套管内表面接触。

应理解的是，为进行完整的安装，需要进行前期准备和精整作业。通常，检查、清洁并准备管道部件，转移管道中通常承载的介质流。精整操作包括支管连接的重建。

在某些实施方案中，在心轴上安装通常为圆柱形的扩张器，处于折叠或重叠状态的支撑套管卷绕在心轴和扩张器上。将该心轴和扩张器插入具有从支撑套管的外表面伸出且朝向主管的内表面的间隔元件的管道中，然后移到待修复的位置。当将扩张器放置于待修复位置时，扩张器扩张以将支撑层推向主管的内表面。将该扩张器收缩移走，然后重复该操作以将强化层安装到管道内部的支撑套管内。其后将该可扩张的扩张器扩张，从而将强化层和支撑套管朝主管的内表面径向向外推动，以使强化层与套管扩张（伸开或展开）与管道的内表面接触。在某些实施方案中，该扩张器包含固定在心轴的可充气气囊，扩张扩张器的步骤包括用加压流体（如空气或液体）使气囊膨胀。该扩张器既作为运输装置以将支撑套管和强化层定位在管道内合适的位置，又作为装填器（packer）以将强化层和支撑套管推向待修复管道内壁、以及在修复过程中使其定位以使薄浆凝固或硬化。

将可流动、可泵送的抗渗移性薄浆插入到支撑套管和主管内表面之间的环形腔内沿所述管道的第一个点，以通过将该薄浆从该第一个点流向沿该管道的第二个点穿过主管以总体纵向的方式注入环形腔，薄浆在环形腔内流动时，间隔元件穿入该薄浆中。将所述薄浆泵送到环形腔内，以使其均匀向下流过支撑套管的两边，穿入套管及强化层。薄浆硬化时，套管机械固着到薄浆上，薄浆放置在主管内并伴随着套管/强化层的膨胀。套管外表面的间隔元件嵌入到硬化薄浆内。所述薄浆与主管内表面均匀并连续地接触，形成一个牢固带。使注入的薄浆充分凝固或硬化，使管道中的新管维持其形状并自支撑。硬化后，使扩张器收缩并从管道撤出。

本文详述的安装过程是一个宽泛的描述，且可以理解的是，该过程可被设计为获得预期结果，例如需要过度膨胀、不需要膨胀和/或需要平滑过渡形状的情况。可以理解的是现场安装条件可改变。

尽管修复具有缺陷的主管的方法已结合各种示例性实施方案进行描述，然而，应理解的是，本文所述的实施方案仅仅是示例性的，且本领域技术人员在不背离本发明主旨和范围的情况下，可以作出各种变化和改变。所有这些变化和改变意欲包含在本文权利要求范围内。此外，所有公开的实施方案并不必然是交替的，因为各种实施方案可以结合以提供预期的结果。因此，修复主管的方法和已修复的管道不应限于任何单一的实施方案，而是应该根据所附权利要求引述的广度和范围上做解释。

Claims (31)

1.一种修复具有内表面和一定长度的管道的方法，包括：

在邻近所述管道的内表面放置间隔层，在所述管道的内表面与该间隔层的外表面之间形成环形腔；

将强化织物放置在所述间隔层的内表面上；以及

用水泥组合物至少部分地浸润所述强化织物和环形腔；

还包括使所述水泥组合物硬化，从而在间隔层与管道之间以及间隔层与强化织物之间形成机械结合。

2.一种修复具有内表面和一定长度的管道的方法，包括：

在邻近所述管道的内表面放置间隔层，在所述管道的内表面与该间隔层的外表面之间形成环形腔；

将强化织物放置在所述间隔层的内表面上；以及

用水泥组合物至少部分地浸润所述强化织物和环形腔；

还包括使所述水泥组合物硬化，从而在间隔层的突出物与管道之间以及间隔层与强化织物之间形成机械结合。

3.根据权利要求1或2所述的方法，包括将所述强化织物与所述管道内表面间隔开，以在所述织物与所述管道之间形成环形腔。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述用水泥组合物浸润所述强化织物包含使所述组合物浸入到所述织物以及所述管道和所述织物之间的环形腔中。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述强化织物包括单向织物、双向织物或全向织物中的一种。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述双向织物包含选自玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维、聚合物纤维及其结合物的纤维。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述双向织物包含芳族聚酰胺纤维。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述双向织物包含玻璃纤维。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述水泥组合物选自抗渗移性水硬性糊剂、抗渗移性薄浆、抗渗移性灰浆、抗渗移性混凝土及其组合。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述水泥组合物包含抗渗移性薄浆。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中将强化织物放置在所述间隔层的内表面上包括使强化层与所述间隔层的内表面接触。

12.根据权利要求11所述的方法，其中用水泥组合物浸润所述强化织物和环形腔包括将水泥组合物泵送或重力注入所述强化织物和环形腔内。

13.根据权利要求12所述的方法，其中用水泥组合物浸润所述强化织物和环形腔包括泵送形式。

14.根据权利要求1或2所述的方法，其中将所述间隔层放置到所述管道内包括将聚合物套管放置到与所述管道内表面间隔开的管道内部，所述聚合物套管具有内表面和外表面，所述聚合物套管的外表面具有多个从该聚合物套管的外表面径向向外伸出的间隔元件。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述套管包括外径，从而在管道内表面与聚合物套管的外表面之间形成环形腔。

16.根据权利要求1或2所述的方法，其中将强化织物放置在所述间隔层内包括使纤维材料的管状强化层与管道的间隔层的内表面接触。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括在所述管状强化层内放置可扩张的扩张器，且使该扩张器扩张从而将所述强化层和间隔层径向朝外推向管道的内表面。

18.根据权利要求1或2所述的方法，其中用水泥组合物浸润所述强化织物和环形腔包括将水泥组合物泵送或重力注入到该强化织物和环形腔内。

19.根据权利要求18所述的方法，其中用水泥组合物浸润所述强化织物和环形腔包括泵送形式。

20.根据权利要求19所述的方法，其中将所述间隔层放置到所述管道内包括将聚合物套管放置到与所述管道内表面间隔开的管道内部，所述聚合物套管具有内表面和外表面，所述聚合物套管的外表面具有多个从该聚合物套管的外表面径向向外伸出的间隔元件，所述套管包括外径，从而在管道内表面与聚合物套管的外表面之间形成环形腔，并且其中将所述水泥组合物泵送到所述套管和管道内表面之间的环形腔内沿所述管道的第一个点，从而通过将该水泥组合物从该第一个点流向沿该管道的第二个点穿过管道以总体纵向的方式注入环形腔，所述组合物在环形腔内流动时，间隔元件穿入该组合物中。

21.根据权利要求20所述的方法，包括使所述水泥组合物硬化，以形成强化层、间隔层以及该水泥组合物的复合材料，所述复合材料在管道内形成一个管，在该水泥组合物硬化时，所述间隔元件嵌入到该水泥组合物中。

22.根据权利要求1或2所述的方法，还包括在使所述水泥组合物硬化之前，停止泵送水泥组合物至环形腔。

23.根据权利要求1或2所述的方法，包括使扩张器维持扩张直到所述水泥组合物充分硬化而自支撑，然后撤走该扩张器。

24.根据权利要求23所述的方法，其中将所述扩张器安装到心轴处，安装步骤包括将间隔层卷绕在心轴和扩张器上，其后将该心轴和扩张器插入到管道中并使从间隔层的外表面伸出的间隔元件朝向管道的内表面，然后将其移动到待修复位置。

25.根据权利要求1或2所述的方法，其中将扩张器安装到心轴处，并且其中放置强化织物的步骤包括将强化层卷绕在心轴和扩张器上，其后将该心轴和扩张器插入到管道中的间隔层内，然后将其移动到待修复位置。

26.根据权利要求23所述的方法，其中所述扩张器包括可充气气囊，扩张所述扩张器的步骤包括用加压流体使该气囊膨胀。

27.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述间隔层包括高密度聚乙烯。

28.已修复的管道，其包括：

具有内表面和一定长度的管道；以及

与所述管道的所述内表面毗邻接触或结合的固化复合材料，其中所述复合材料包括至少部分地用抗渗移性水泥组合物浸润的强化织物；

其中硬化水泥组合物通过支撑套管与强化织物接触，从支撑套管的外表面伸出的间隔元件与水泥组合物形成机械结合。

29.根据权利要求28所述的已修复的管道，包括：

具有内表面和一定长度的管道；

与所述管道的内表面相邻的间隔层；以及

与所述间隔层的所述内表面相邻的固化复合材料，其中所述复合材料包括至少部分地用抗渗移性水泥组合物浸润的强化织物。

30.根据权利要求29所述的已修复的管道，包括：

具有内表面的管道；

具有置于所述管道内表面的间隔元件的间隔层；

与该间隔层的内表面相邻接触的双向强化织物；以及

与该强化织物和间隔层形成复合材料的硬化水泥组合物。

31.用于镶衬管道的修复衬垫，包括：

具有内表面和外表面的间隔层，其中所述间隔层的外表面包括从该层外表面径向向外伸出的间隔元件；以及

强化织物层，其与所述间隔层的内表面相邻接触。