CN105333264A - 一种用于非开挖穿越和城市老旧管网改造用管道防护技术 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于非开挖穿越和城市老旧管网改造用管道防护技术，所述防护管套装在聚乙烯主管外侧，采用PE100(RC)原料或普通的PE100、PE80聚乙烯原料制成，避免了聚乙烯主管在非开挖穿越过程中和城市老旧管网的改造(采用裂管法或直接在老旧管网中非开挖穿插)中存在的外部划伤和点载荷破坏问题，延长了聚乙烯管材使用寿命，提高了聚乙烯管安全性。目前只需聚乙烯管穿插到聚乙烯防护管后直接焊接，焊接完成后再进行非开挖穿越和城市老旧管网的改造(采用裂管法或直接在老旧管网中非开挖穿插)，在城市老旧管网的改造中减少了聚乙烯法兰和钢法兰的连接，避免了漏气现象，填补了国内钢管和聚乙烯管道连接问题的空白。

Description

一种用于非开挖穿越和城市老旧管网改造用管道防护技术
技术领域
本发明涉及建筑领域，特别涉及一种用于非开挖穿越和城市老旧管网改造用管道防护技术。
背景技术
聚乙烯管材摩擦系数小、耐磨损，具有优良的抗腐蚀性能，成本比钢管低，对腐蚀严重或泄露的钢管，聚乙烯燃气防护管构成结构性复合管，可达到恢复管线功能、延长使用寿命的目的。性能优异的HDPE管道能大幅度提高在线管道耐磨损性能和承压能力，改善钢管耐腐蚀性能，提高其输送能力，在无人为因素破坏下其输送能力达到钢管的4倍。
PE管的长期强度高，可以保证聚乙烯管道足够长的使用寿命期间承受足够高的压力。同时PE管的耐高速开裂扩展能力好，可以保证聚乙烯管道不发生偶然性的灾难事故。上述两点对于安全性要求很高的燃气行业来说至关重要，所以燃气管道普遍使用PE管材。但过往数十年的应用经验表明，施工中由于拖拽或者其他外在因素，特别是采用一些非传统的管道安装方式时(包括施工现场由于时间紧迫或者责任心不强，直接回填；非开挖施工、老旧管道修复等等)，管材外壁的划伤和点载荷(石块顶入造成)是不可避免的，其引起的慢速裂纹扩展(SCG)也被认为是造成聚乙烯管道失效，影响管道寿命最重要的隐患之一。焊接接头以及管道安装过程中的划痕往往成为慢速裂纹扩展的敏感区。
因此，很多公司开发研究了具有超强抗快速开裂与抗慢速裂纹增长性能的PE100(RC)材料。然而，虽然PE100-RC具有如上优点，但受限于其高昂的成本，在实际应用中较少采用PE100-RC管直接作为燃气管，本领域的研究也更多地集中在开发一种新的管道防护技术来保障用于非开挖穿越和城市老旧管网改造用管道的防护。
发明内容
为解决上述问题，本发明中开发了一种多层套管防护技术，在低成本的条件下，通过管材套装的组合方式，即外层护套管和内层塑料主管为相对独立的方式，实现了外层护套管在非开挖穿越和城市老旧管网改造过程中造成的管材外壁划伤和点载荷引起的慢速裂纹不会扩展到内层管材，使改进后的管材能够抵抗各种原因造成的外部划伤引起的破坏，防止因恶劣施工条件及管道运行过程中诸如石块、金属等坚硬物对内层管材造成的点载荷破坏，延长内层管材的使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于非开挖穿越和城市老旧管网改造用管道的防护管，所述防护管套装在管道外侧，即外层护套管和内层塑料主管为相对独立的方式，外层护套管在非开挖穿越和城市老旧管网改造过程中造成的管材外壁划伤和点载荷引起的慢速裂纹不会扩展到内层管材。
一种用于非开挖穿越和城市老旧管网改造用管道的防护管，所述防护管套装在塑料主管外侧，所述外层护套管在非开挖穿越和城市老旧管网改造过程中造成的管材外壁划伤和点载荷引起的慢速裂纹不会扩展到内层管材，使改进后的管材能够抵抗各种原因造成的外部划伤引起的破坏。所述防护管为能够抵抗低应力条件下引起的慢速裂纹扩展的塑料管。
本发明所述的低应力条件指：管材试验压力为0.92Mpa。
本发明中所述的“抵抗”是指在上述低应力条件下，管材规格为SDR11时，管材的破坏时间大于500h。
一种用于非开挖穿越和城市老旧管网改造的聚乙烯防护管，所述防护管套装在塑料主管外侧，采用PE100(RC)原料或普通的PE100、PE80聚乙烯原料制成。
本发明的“塑料主管”相对于防护管而言，是指：在非开挖穿越和城市老旧管网改造过程中作为整体进行承压的管道。
优选的，所述防护管为采用PE100(RC)原料或普通的PE100、PE80聚乙烯原料制成。
优选的，所述塑料主管为聚乙烯管、硬质聚氯乙烯管、氯化聚氯乙烯管、交联聚乙烯管、三型聚丙烯管、聚丁烯管、工程塑料管、玻璃钢夹砂管、铝塑料复合管或钢塑复合管。
现有的普通PE管完全能够满足日常载体运输的基本要求，但管材在非开挖穿越过程中和城市老旧管网的改造(采用裂管法或直接在老旧管网中非开挖穿插)中，常常会造成管材外部划伤和点载荷破坏，既缩短了管材的使用寿命，也存在极大的安全隐患。
为此，在本发明的多个优选方案中，在PE管道外层加设一层防护管，起到防护内层聚乙烯管材的作用，成功解决了以往在非开挖穿越和城市老旧管网的改造过程中(采用裂管法或直接在老旧管网中非开挖穿插)存在的外部划伤和点载荷破坏问题，延长了聚乙烯管材使用寿命，提高了聚乙烯管安全性。
优选的，所述防护管的厚度为3-7mm；外层防护管的壁厚可以根据客户施工条件的差异性进行调整。
现有的复合管材在制备过程中需要考虑不同树脂间的亲和问题，而本发明中外层防护管和内层塑料主管分别制造，机械套接，避免了复合管材原料树脂的复配问题，同时，与现有的多层共挤方式相比，本发明还具有如下优点：
1)采用多层共挤方式，外层壁厚无法调整；而采用本发明的套装方式，可以根据施工条件、地质条件等外部影响因素调整外层管的壁厚，这样可以更好的保护内层聚乙烯管材。
2)采用多层共挤方式，内外层为一体管，即在使用时只作为整体进行承压的；而采用本发明的套装方式，外层管是不承压的；
3)采用多层共挤的方式，在施工过程中仍然存在外层管材划伤等影响管材使用的问题，同时外层管的划伤存在慢速裂纹增长的可能，不能从本质上解决管材使用过程中由于划伤等因素引起的裂纹扩展；而采用本发明的套装方式，内外层管材是相对独立的，外层管的划伤不会影响内层聚乙烯燃气管材的使用。
为了保证外套管和内层PE管之间达到紧密配合的目的，我公司针对不同口径的PE管道设计了专用规格的PE外套管。PE外套管的生产主要是借助于我公司现有的聚乙烯管材生产线和成熟的生产技术，通过重新设计模具和定径套，改变管材的切割方式和牵引机的履带块的结构进行的生产。由于外套管和内层PE管需要紧密的配合，因此在嵌套外层管时采用人力是无法完成的；如果单纯的采用设备进行套装，容易造成外套管打折导致套装失败。针对外套管和内层PE管的套装问题，我公司设计了专用的套装设备。针对不同规格的外套管设计了专用的卡瓦，在穿插时，首先将卡瓦固定在外套管(防护管)的前端，利用专用的牵引设备的牵引端连接到卡瓦上，然后开启牵引设备将外套管(防护管)套装至内层PE管上。
本发明的优势还在于，施工过程中多段管道连接时，外层管(防护管)不需要焊接，只需要将内层管焊接就可以。
优选的，所述防护管的内径为内层塑料主管外径的1.01-1.02倍。既保证二者紧密配合，又避免防护管的内径过小导致的套装困难。
优选的，所述防护管和塑料主管通过焊接固定。
优选的，管材的错位量不应超过管壁厚度的10％，通过调整管材直线度和松紧卡瓦可在一定程度上进行校正，保证合拢时管材两端面间隙满足施工要求。
考虑到本发明的管材主要应用在非开挖穿越和城市老旧管网的改造，为了保证外层管(防护管)不承压(管材的破坏大多数是由于管材在承受长期内压力情况下发生裂纹所造成的，直接影响着管材的使用寿命)，本发明优选采用套接的形式代替现有的一体成型法，并根据实际的施工要求对具体的套接工艺进行了优化，制备的防护管具有强度要求低、制作成本低、使用寿命长等优点。
上述的防护管的套装方法，包括如下步骤：
穿插时，首先将卡瓦固定在防护管的前端，利用专用的牵引设备的牵引端连接到卡瓦上，然后开启牵引设备将防护管套装至内层塑料主管上。
本发明还提供了一种非开挖穿越过程中和城市老旧管网的改造(采用裂管法或直接在老旧管网中非开挖穿插)的多层套管，包括塑料主管和上述的防护管。
优选的，所述防护管的内径比塑料主管外径略大一些。
优选的，所述防护管和塑料主管焊接。
优选的，管材的错位量不应超过管壁厚度的10％，通过调整管材直线度和松紧卡瓦可在一定程度上进行校正，保证合拢时管材两端面间隙满足施工要求。
上述的多层套管的套装方法，包括如下步骤：
穿插时，首先将卡瓦固定在防护管的前端，利用专用的牵引设备的牵引端连接到卡瓦上，然后开启牵引设备将防护管套装至内层塑料主管上。
本发明还提供了上述防护管的制备方法，包括如下步骤：
S1.选用密度在950～960kg/m3，熔体流动速率在0.25～0.35g/10min，200℃下热稳定性>20min的HDPE为原料；
S2.将步骤S1.所述聚乙烯原料进行干燥，直到其水分含量小于150mg/kg，然后进行挤出、定径、牵引和冷却；使用的挤出机为单螺杆挤出机，螺杆的长径比设为36，在挤出机的加料段与塑化段之间的区段、塑化段与计量段之间的区段各设有2～3个不等距的螺纹；挤出机中，进料口温度为205～210℃，机筒温度为210～225℃，机头温度为210～230℃，口模温度为210～230℃；定径的真空度设为0.03～0.06Mpa。
作为一种优选方案，所述冷却水温度优选控制在20±2℃。
本发明中，经过发明人的深入研究证实，确定管材使用寿命的主要机理是管材的应力裂纹开裂和慢速裂纹增长。所谓慢速裂纹增长，其原理是：施工过程中人为的拖拽引起的刮伤以及周围环境例如石头顶住管材外表面造成的点载荷，会形成应力集中区，随后导致裂纹的增长。同时，申请人发现，慢速裂纹扩展(SCG)被认为是造成聚乙烯管道失效，影响管道寿命最重要的隐患之一，因此筛选合理的防护方法来避免慢速裂纹增长是非常重要。申请人对现有的管材类型作了严格的筛选，发现了满足上述要求的防护技术，结合本发明所述的制备工艺可以得到防护管。本发明所述的聚乙烯原料可以通过市购获得。
水分控制、合理的挤出成型温度、合理的定径真空度，合理的牵引工艺对管材的性能均有影响。
挤出成型温度过低，塑化不好；温度过高，聚合物易降解。定径的真空度会影响管材的外径和内应力。冷却方式和冷却水温保证了对管坯的及时冷却，避免因冷却不及造成管坯在自身重力的作用下或牵引机夹紧压力作用下变形。
作为一种优选方案，所述冷却的方式优选为采用水膜润滑和水环式冷却。
作为一种优选方案，所述牵引的牵引速度与挤出速度一致。
一种由所述制备方法制得的护套管管。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明所述方法通过对管材类型的筛选，及对生产工艺的控制，使制备得到的外层防护管，在外部划伤和点载荷的作用下，裂纹的增长不会扩展到内层管材，比现有的PE管的更具耐用性。
本发明的有益效果：
该技术设计使用热塑性聚乙烯管，它具有变形后能自动恢复原始物理形状的特性。选用的聚乙烯防护管的内径比塑料主管的外径略大一些。把聚乙烯管道穿插到聚乙烯防护管内，避免了塑料主管在非开挖穿越和城市老旧管网的改造(采用裂管法或直接在老旧管网中非开挖穿插)过程中存在的划伤等影响管材正常使用的情况，延长了塑料主管的使用寿命，提高了塑料主管安全性。目前只需塑料主管穿插到聚乙烯防护管后直接焊接，焊接完成后在进行非开挖穿越和城市老旧管网的改造(采用裂管法或直接在老旧管网中非开挖穿插)，并且在城市老旧管网的改造中减少了聚乙烯法兰和钢法兰的连接，避免了漏气现象，填补了国内钢管和塑料主管道连接问题的空白。
为了保证外套管和内层PE管之间达到紧密配合的目的，我公司针对不同口径的PE管道设计了专用规格的PE外套管。PE外套管的生产主要是借助于我公司现有的塑料主管材生产线和成熟的生产技术，通过重新设计模具和定径套，改变管材的切割方式和牵引机的履带块的结构进行的生产。由于外套管和内层PE管需要紧密的配合，因此在嵌套外层管时采用人力是无法完成的；如果单纯的采用设备进行套装，容易造成外套管打折导致套装失败。针对外套管和内层PE管的套装问题，我公司设计了专用的套装设备。针对不同规格的外套管设计了专用的卡瓦，在穿插时，首先将卡瓦固定在外套管的前端，利用专用的牵引设备的牵引端连接到卡瓦上，然后开启牵引设备将外套管套装至内层PE燃气管上。
附图说明
图1是本发明卡瓦结构图。
其中，1卡瓦、2螺栓。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种用于非开挖穿越和城市老旧管网改造用的聚乙烯防护管，所述防护管套装在塑料主管外侧，采用PE100(RC)原料制成。
制备方法，包括如下步骤：
S1.选用密度在950～960kg/m3，熔体流动速率在0.25～0.35g/10min，200℃下热稳定性>20min的HDPE为原料；
S2.将步骤S1.所述聚乙烯原料进行干燥，直到其水分含量小于150mg/kg，然后进行挤出、定径、牵引和冷却；使用的挤出机为单螺杆挤出机，螺杆的长径比设为36，在挤出机的加料段与塑化段之间的区段、塑化段与计量段之间的区段各设有2～3个不等距的螺纹；挤出机中，进料口温度为205～210℃，机筒温度为210～225℃，机头温度为210～230℃，口模温度为210～230℃；定径的真空度设为0.03～0.06Mpa。
S3.穿插时，首先将卡瓦固定在防护管的前端，利用专用的牵引设备的牵引端连接到卡瓦上，然后开启牵引设备将防护管套装至内层PE管上。
实施例2
与实施例1的不同之处在于，所述防护管的内径比聚乙烯燃气管外径的1.01-1.02倍。
实施例3
与实施例1的不同之处在于，所述聚乙烯防护管和塑料主管通过焊接固定。
实施例4
与实施例1的不同之处在于，管材的错位量不应超过管壁厚度的10％，通过调整管材直线度和松紧卡瓦可在一定程度上进行校正，保证合拢时管材两端面间隙满足施工要求。
实施例5
一种用于非开挖穿越和城市老旧管网改造用的防护管，所述防护管套装在塑料主管外侧，采用PE100(RC)原料或普通的PE100、PE80聚乙烯原料制成。
实施例6
一种用于非开挖穿越和城市老旧管网改造用的聚乙烯防护管，所述防护管套装在塑料主管外侧，采用PE100(RC)原料制成；所述塑料主管为聚乙烯管、硬质聚氯乙烯管、氯化聚氯乙烯管、交联聚乙烯管、三型聚丙烯管、聚丁烯管、工程塑料管、玻璃钢夹砂管、铝塑料复合管或钢塑复合管。
实施例7
一种用于非开挖穿越和城市老旧管网改造用多层套管，包括塑料主管和实施例1所述的防护管。
实施例8
与实施例7的不同之处在于，所述防护管的内径为塑料主管外径的1.01-1.02倍。
实施例9
与实施例7的不同之处在于，所述防护管和塑料主管焊接。
实施例10
与实施例7的不同之处在于，管材的错位量不应超过管壁厚度的10％，通过调整管材直线度和松紧卡瓦可在一定程度上进行校正，保证合拢时管材两端面间隙满足施工要求。
实施例11
与实施例7的不同之处在于，所述塑料主管为聚乙烯管、硬质聚氯乙烯管、氯化聚氯乙烯管、交联聚乙烯管、三型聚丙烯管、聚丁烯管、工程塑料管、玻璃钢夹砂管、铝塑料复合管或钢塑复合管。
实施例12
与实施例7的不同之处在于，所述防护管套装在塑料主管外侧，采用PE100(RC)原料或普通的PE100、PE80聚乙烯原料制成。
采用国际上统一的NPT标准(ISO13479:1997)对实施例制备的管材进行检测：管材的壁厚大于5mm；沿管材表面机械加工出4个纵向切口；将切口的管材浸没到80℃的水箱中进行静液压实验，记录破坏时间。管材的规格为SDR11，实验压力为0.8MPa(PE80级)/0.92MPa(PE100级)，实验次数为6次。
结果表明：实施例1-12中的防护管的破坏时间超过500h，塑料主管无破坏；即：上述实施例制造的用于非开挖穿越和城市老旧管网改造用的聚乙烯防护管能够抵抗各种原因造成的外部划伤引起的破坏，防止因恶劣施工条件及管道运行过程中诸如石块、金属等坚硬物对管材造成的点载荷破坏，延长管材的使用寿命。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付。

Claims (10)

1.一种用于非开挖穿越和城市老旧管网改造用管道防护技术，其特征在于，将防护管套装在用于非开挖穿越和城市老旧管网改造的塑料主管外侧，所述防护管为能够抵抗低应力条件下引起的慢速裂纹扩展的塑料管；所述防护管的厚度为3-7mm。
2.如权利要求1所述的技术，其特征在于，所述防护管的内径为塑料主管外径的1.01-1.02倍。
3.如权利要求1所述的技术，其特征在于，所述防护管为采用PE100(RC)原料或普通的PE100、PE80聚乙烯原料制成。
4.如权利要求1所述的技术，其特征在于，所述塑料主管为聚乙烯管、硬质聚氯乙烯管、氯化聚氯乙烯管、交联聚乙烯管、三型聚丙烯管、聚丁烯管、工程塑料管、玻璃钢夹砂管、铝塑料复合管或钢塑复合管。
5.如权利要求1所述的技术，其特征在于，所述防护管和塑料主管通过焊接固定。
6.如权利要求1所述的技术，其特征在于，所述防护管或塑料主管的错位量不应超过管壁厚度的10％，通过调整其直线度和松紧卡瓦可在一定程度上进行校正，保证合拢时管材两端面间隙满足施工要求。
7.权利要求1所述的技术，其特征在于，所述将防护管套装在塑料主管外侧的具体步骤为：
穿插时，首先将卡瓦固定在防护管的前端，利用专用的牵引设备的牵引端连接到卡瓦上，然后开启牵引设备将防护管套装至内层塑料主管上。
8.一种用于非开挖穿越和城市老旧管网改造的多层套管，其特征在于，包括塑料主管和权利要求1-7任意项所述的防护管。
9.如权利要求8所述的多层套管，其特征在于，所述防护管的内径为塑料主管外径的1.01-1.02倍。
10.如权利要求8所述的多层套管，其特征在于，所述防护管和塑料主管焊接。
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