CN106051370A - 地下管道临时封堵堵头及其制作方法 - Google Patents

地下管道临时封堵堵头及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种地下管道临时封堵堵头及其制作方法，包括一体成型的粘结部分和堵头主体，其中，所述粘结部分为环状，其外径与地下管道的内径相匹配，用于与地下管道内壁相粘结；所述堵头主体为中空的半圆体，且其与粘结部分连接的横截面的内径和外径分别与粘结部分的内径和外径一致；所述粘结部分和堵头主体均采用碳纤维布层制成。本发明提供的地下管道临时封堵堵头及其制作方法，充分利用了碳纤维材料质量轻、抗拉强度高、同混凝土基面粘结性能优异的特点，采用碳纤维片材形成的壳体作为临时堵头，能承受大直径地下管道检修期间的内水压；使制备的临时堵头，承载大、结构轻巧、施工便捷、便于拆卸，比较适合大直径地下管道的临时检修。

Description

地下管道临时封堵堵头及其制作方法
技术领域
本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种地下管道临时封堵堵头及其制作方法。
背景技术
经资料查询及调研，目前国内、外地下管道临时封堵多采用橡胶充气堵头，在内水压0.2MPa以内，堵头最大直径可达3.0m左右。如内水压力提高到0.5MPa，目前的橡胶堵头技术只能对管径小于1.5m的管道进行临时封堵。对于直径大于3.0m、承受内压0.5MPa的临时堵头，国内外无成熟技术可资借鉴。
发明内容
为解决现有技术的不足，提供一种适用于大直径地下管道的临时封堵堵头，本发明提供了一种地下管道临时封堵堵头，包括一体成型的粘结部分和堵头主体，其中，
所述粘结部分为环状，其外径与地下管道的内径相匹配，用于与地下管道内壁相粘结；
所述堵头主体为中空的半圆体，且其与粘结部分连接的横截面的内径和外径分别与粘结部分的内径和外径一致；
所述粘结部分和堵头主体均采用碳纤维布层制成，且所述粘结部分的纵向长度大于1米。
其中，前述粘结部分和堵头主体上设置的碳纤维布层的层数设为一层以上。
其中，前述粘结部分和堵头主体上设置的碳纤维布层的层数设为三层。
其中，前述粘结部分与地下管道的混凝土基面通过粘结剂粘结，所述粘结剂的材质为环氧树脂。
其中，前述碳纤维布层由双向碳纤维布涂覆形成。
其中，前述粘结部分和堵头主体的内表面涂覆有聚脲涂层。
其中，前述聚脲涂层的厚度不小于3mm。
其中，前述聚脲涂层为单组份聚脲涂层。
本发明另外提供了一种地下管道临时封堵堵头制作方法，包括如下步骤：
S1：制作封堵堵头模型；
S2：在封堵堵头模型表面刮涂粘结树脂；
S3：在粘结树脂表面黏贴碳纤维布，形成碳纤维布层；
S4：沿纤维方向滚压碳纤维布层，挤除气泡，使粘结树脂成分渗入碳纤维布层；
S5：等粘结树脂干燥后立即刮涂及黏贴下一层粘结树脂及碳纤维布层；
S6：碳纤维布层黏贴完毕后，在最后一层碳纤维布层上均匀刮涂粘结剂，所述粘结剂的材质为环氧树脂；
S7：在碳纤维布成型后28天，拆除堵头封堵模型。
其中，前述碳纤维布层一共黏贴涂覆三层。
其中，前述步骤S3及步骤S5中，黏贴的碳纤维布为双向碳纤维布。
其中，还包括如下步骤：
S8：在封堵堵头内表面涂刷聚脲涂层。
其中，前述聚脲涂层的厚度不小于3mm。
其中，前述聚脲涂层为单组份聚脲涂层。
本发明提供的地下管道临时封堵堵头及其制作方法，充分利用了碳纤维材料质量轻、抗拉强度高、同混凝土基面粘结性能优异的特点，采用碳纤维片材形成的壳体作为临时堵头，能承受大直径地下管道检修期间的内水压；使制备的临时堵头，承载大、结构轻巧、施工便捷、便于拆卸，比较适合大直径地下管道的临时检修。
附图说明
图1：本发明的立体结构示意图；
图2：本发明剖视图。
具体实施方式
为了对本发明的技术方案及有益效果有更进一步的了解，下面配合附图详细说明本发明的技术方案及其产生的有益效果。
图1为本发明的立体结构示意图，图2为本发明的剖视图，如图1-图2所示，本发明提供的地下管道临时封堵堵头，包括一体成型的粘结部分1和堵头主体2，其中，
所述粘结部分1为环状，其外径与地下管道3的内径相匹配，用于与地下管道3内壁相粘结，粘结部分1长度较佳设为大于1米，以实现与地下管道3的稳定粘结；
所述堵头主体2为中空的半圆体，且其与粘结部分1连接的横截面的内径和外径分别与粘结部分1的内径和外径一致；
所述粘结部分1和堵头主体2均采用碳纤维布层制成，且所述粘结部分的纵向长度大于1米。
本发明中，由于所述粘结部分1和堵头主体2均采用碳纤维布层制成，其能充分利用碳纤维材料质量轻、抗拉强度高、同混凝土基面粘结性能优异的特点，采用碳纤维片材形成的壳体作为临时堵头能承受大直径地下管道检修期间的内水压，使制备的临时堵头，承载大、结构轻巧、施工便捷、便于拆卸，比较适合大直径地下管道的临时检修。
较优的，所述粘结部分1和堵头主体2上设置的碳纤维布层的层数设为一层以上。在内水压及摩擦系数相同的情况下，层数越多，堵头的厚度越厚，堵头相同位置处在相同方向上的位移值越小，结构也越稳定，越能保证施工安全，较佳的，所述粘结部分1和堵头主体2上设置的碳纤维布层的层数设为三层。
较优的，所述粘结部分1与地下管道3的混凝土基面通过粘结剂粘结，所述粘结剂的材质为环氧树脂；
具体的，粘结剂包括浸胶以及用它配置的底涂胶和修补胶，粘结剂的基本性能如表1所示，通过设置此粘结剂，使得粘结部分1与地下管道3的混凝土基面的粘结强度不小于2.0MPa。
表1粘结剂的基本性能要求
较优的，所述碳纤维布层由双向碳纤维布涂覆形成。
较优的，所述粘结部分1和堵头主体2的内表面涂覆有聚脲涂层4。
本发明中，所谓的内表面是指，相反于粘结部分1和堵头主体2与混凝土内壁连接的一面。
聚脲涂层4优异的防渗性能以及高延展率的性质决定了其涂覆在碳纤维布表面时，能作为堵头的防渗体，防止堵头漏水。
较优的，所述聚脲涂层4为单组份聚脲涂层。
单组分聚脲材料是一类反应型、无溶剂污染的涂料产品，其由含多异氰酸酯的高分子预聚体与经封端的多元胺(包括氨基聚醚)混合，并加入其他功能性助剂所组成。在无水状态下，体系稳定，一旦开桶施工，在空气中水分的作用下，迅速产生多元胺，多元胺迅速与异氰酸酯反应，形成涂膜材料。
具体的，单组份聚脲的基本性能如表2所示。
表2单组份聚脲基本性能
通过提供上述聚脲，能使所述碳纤维布层与聚脲涂层的粘结强度不小于2.0MPa。
较优的，聚脲涂层4的厚度不小于3mm。
本发明另外提供了一种地下管道临时封堵堵头制作方法，包括如下步骤：
S1：制作封堵堵头模型；
S2：在封堵堵头模型表面刮涂粘结树脂；
S3：在粘结树脂表面黏贴碳纤维布，形成碳纤维布层；
S4：沿纤维方向滚压碳纤维布层，挤除气泡，使粘结树脂成分渗入碳纤维布层；
S5：等粘结树脂干燥后立即刮涂及黏贴下一层粘结树脂及碳纤维布层；
S6：碳纤维布层黏贴完毕后，在最后一层碳纤维布层上均匀刮涂粘结剂，所述粘结剂的材质为环氧树脂；
S7：在碳纤维布成型后28天，拆除堵头封堵模型。
较优的，所述碳纤维布层一共黏贴涂覆三层。
较优的，所述步骤S3及步骤S5中，黏贴的碳纤维布为双向碳纤维布。
较优的，还包括如下步骤：
S8：在封堵堵头内表面涂刷聚脲涂层。
较优的，所述聚脲涂层为单组份聚脲涂层。
具体实施时，需要在碳纤维布层表面涂刷聚脲潮湿型界面剂，待界面剂用手指触碰呈干燥时涂刷单组份聚脲涂层。
较优的，所述聚脲涂层的厚度不小于3mm，因此一般需要涂刷四遍左右，每层涂刷的间隔不得大于三小时。
粘贴碳纤维片材并涂刷聚脲涂层后，自然养护24小时达到初期固化，应保证固化期间不受干扰。碳纤维片粘贴后达到设计强度所需自然养护的时间：日平均气温在10℃以下时为10天左右；日平均气温在10℃以上时为3～7天。在此期间应防止碳纤维临时堵头受到硬性冲击。
本发明在具体实施时，所谓的碳纤维布层是由碳纤维复合增强材料形成，碳纤维复合材料指的是碳纤维布用胶浸渍后形成的复合材料。
为进一步了解本发明的有益效果，下面将结合具体的模型参数对本发明提供的封堵堵头，其所能应用的管道环境(直径、内水压等)以及性能(位移值、应力分布等)做进一步介绍。
一、几何参数及荷载参数设定
混凝土管道实际衬砌内径为4.6m，衬砌厚度为40cm。堵头直径为4.6m。一层碳纤维布层的厚度为0.5mm，两层碳纤维布层的厚度为1.0mm，三层碳纤维布层的厚度为1.5mm。
碳纤维复合材料与混凝土粘结的长度为拟按1m计算，摩擦系数初始设置为0.5，摩擦系数敏感性分析时改变摩擦系数的取值。
荷载为均布内水压，大小为0.5MPa。
二、技术路线概述
1、地下管道临时封堵堵头(下文简称“CFRP堵头”)混凝土管道有限元模型
建立包含混凝土管道、CFRP半球形堵头的三维有限元模型。其中，半球形堵头采用可以反映平面应力分量的四边形空间膜单元模拟，管道混凝土采用空间8节点六面体实体单元模拟，而堵头与混凝土的接触部分通过指定目标面和接触面，生成接触单元的方式模拟粘结-滑移效应。其中，在建立有限元模型时应考虑到CFRP堵头材料厚度、荷载大小、摩擦系数的变化，以便进行敏感性分析。
2、材料力学法理论计算
为了便于和有限元分析结果进行对比验证，采用简化的力学模型对封堵堵头的受力、粘结长度等进行初步理论计算分析。计算得到了在给定水压力下的堵头结构不破坏的最小粘结长度，CFRP堵头截面最大应力等。
3、CFRP堵头与混凝土非线性粘结-滑移的模拟
在外界水压力作用下，CFRP堵头与外围混凝土的粘结接触是一个复杂的接触非线性问题，包括材料非线性和接触非线性。线弹性有限元法则难以反映在荷载作用下堵头与混凝土粘结作用的应力变化与滑移范围。为了更真实的模拟界面间粘结接触的力学行为，利用ANSYS中内含的多种单元类型、材料本构模型以及ANSYS的接触分析功能，实现CFRP堵头与混凝土非线性粘结-滑移问题的数值模拟。在CFRP堵头和混凝土的界面上插入界面单元，采用面-面接触单元，CFRP堵头接触表面被当作目标面，采用Targe170单元模拟；混凝土表面被当作接触面，采用Contact174单元模拟，并对接触单元设置实常数和关键字。
计算模型采用笛卡尔直角坐标系，其x轴为水平方向，与管道轴线方向垂直，y轴为水平方向，沿管道轴线指向堵头，z轴为铅垂方向，向上为正；坐标系原点取在半球形堵头的球心处。
三、CFRP堵头三维非线性有限元计算分析结果
1、在均布水压力作用下，一层CFRP整体堵头沿管道轴向位移量最大，即CFRP堵头端部具有最大位移，为40.884mm。
2、CFRP整体堵头结构应力在CFRP粘结与非粘结界面上最大，该区域为材料最易破坏区域，轴向最大应力为1260MPa。
3、堵头与混凝土表面粘结接触界面的剪切应力满足摩擦库伦模型，在粘聚力参数＝0.5MPa，摩擦系数取为0.5的计算条件下，在界面的最大滑移距离为9.774mm。滑移区域发生在粘结段端部。
四、堵头材料厚度的敏感性计算分析结果
1、两层和三层CFPR堵头结构在给定内水压P＝0.5MPa，摩擦系数μ＝0.5计算条件下，相较于x方向与z方向，堵头结构沿y轴方向(管道轴向)上的位移值最大，而且三层CFPR堵头结构的最大位移值小于两层CFPR堵头的位移值。
2、在给定内水压P＝0.5MPa，摩擦系数μ＝0.5计算条件下，两层和三层CFPR堵头结构沿y轴方向上的应力值最大，最大应力值均小于CFPR堵头材料本身的抗拉强度715MPa，满足材料强度要求。
3、根据数据分析，在相同荷载、边界条件下，两层CFPR堵头的最大应力值约是一层CFPR堵头最大应力值的一半，三层CFPR堵头的最大应力值约是一层CFPR堵头最大应力值的三分之一。
4、在相同荷载、边界条件下，两层和三层CFPR堵头结构粘结接触界面的摩擦应力均达到界面最大剪应力值，随着堵头材料厚度的增加，堵头粘结接触界面最大滑移距离减小。因此，采用三层CFPR堵头结构的安全储备更高，堵头结构更不容易破坏。
总体说来，采用三层CFPR堵头结构时，可以从强度上保证堵头结构的安全，而且有一定程度的富裕，即从强度看，三层CFPR堵头结构有更高的承载能力，对大直径地下管道临时封堵结构具有足够的安全性。
五、摩擦系数的敏感性计算分析结果
1、在相同荷载作用下，摩擦系数的变化对CFPR堵头结构x方向、z方向的最大位移值影响不大，对y方向上的最大位移值有影响。随着摩擦系数的增加，堵头结构在y方向上的最大位移值减小。
2、在同等荷载条件和边界条件下，摩擦系数的改变对半球形堵头结构的最大应力值几乎无影响。
3、摩擦系数对CFPR堵头结构粘结接触段的最大应力值有一定的影响，随摩擦系数的增加，x、y、z方向上CFPR接触段最大应力值均有相应减小。
4、相同荷载条件与边界条件下，堵头粘结接触界面的最大滑移距离随摩擦系数的增加而减小，而堵头结构接触界面摩擦应力均达到最大摩擦应力值。
总体来说，摩擦系数对堵头结构承载能力影响不大，对粘结接触界面的最大滑移距离有一定影响，摩擦系数越大，大直径堵头结构在与混凝土粘结接触界面越不容易发生滑移破坏。
六、有限元计算结论分析
1、在均布水压力作用下，CFPR整体堵头结构端部位移量最大。摩擦系数取值为0.5，一层、两层和三层CFPR堵头结构的最大位移分别是：40.884mm、22.96mm、17.274mm。可以看出，堵头材料的厚度越大，CFPR堵头结构端部位移量越小。
2、CFPR堵头结构沿y轴正向(管道轴线方向)具有最大应力，一层、两层和三层CFPR堵头结构的轴向最大应力分别是：1260MPa、692MPa、497MPa。CFPR堵头结构的轴向最大应力随材料厚度的增加而减小。且CFPR整体堵头结构最大应力出现在CFPR粘结与非粘结交界面处，该区域为材料最易受拉破坏区域。
3、由设计方提供的CFPR(碳纤维复合材料)的抗拉强度为715MPa可知，在给定荷载作用下，一层CFPR堵头本身的材料会超过弹性范围，CFPR结构造成破坏；两层和三层堵头结构均能满足材料强度，并且采用三层CFPR堵头结构有更高的承载能力，对大直径地下管道临时封堵结构更具有足够的安全性。
4、在相同荷载、边界条件下，一层CFPR堵头结构的最大滑移距离最大，为9.774mm；两层CFPR堵头结构的最大滑移距离次之，为8.1mm；三层CFPR堵头结构的最大滑移距离最小，为7.53mm。一层、两层和三层CFPR堵头结构粘结接触界面的摩擦应力均达到界面最大剪应力值1.75MPa。随着堵头材料厚度的增加，堵头粘结接触界面最大滑移距离减小，CFPR堵头与混凝土表面粘结接触部位越不容易发生滑移破坏。
5、通过摩擦系数敏感性分析可知，堵头结构摩擦系数为0.3、0.5、0.7的最大位移分别是20.55mm、17.273mm、15.706mm，CFPR堵头结构最大应力分别是：505MPa、497MPa、501MPa。可以看出，摩擦系数对堵头结构承载能力影响不大，但粘结接触界面的最大滑移距离会受到摩擦系数的影响，摩擦系数越大，堵头结构在与混凝土粘结接触界面最大滑移距离越短，堵头结构安全储备度越高。
因此，结合模型分析得出的数据，可知本发明提供的地下管道临时封堵堵头及其制作方法，具有下述优点：
1、采用碳纤维材料作为主体材料，能充分利用碳纤维材料质量轻、抗拉强度高、同混凝土基面粘结性能优异的特点，采用碳纤维片材形成的壳体作为临时堵头，能承受大直径地下管道检修期间的内水压，使制备的临时堵头，承载大、结构轻巧、施工便捷、便于拆卸，比较适合大直径地下管道的临时检修。
2、利用了聚脲涂层优异的防渗性能以及高延展率的性质，可防止制作的堵头漏水。
3、封堵堵头包括三层碳纤维布层，使其结构具有更高的承载能力，在对大直径地下管道进行临时封堵时，保证足够的安全性，且具有一定的富裕，在内径为4.6m的混凝土管道内，能承受0.5MPa的内水压，也即，解决了现有技术无法解决的在管道直径大于3.0m，且内水压达到0.5MPa时封堵技术。
虽然本发明已利用上述较佳实施例进行说明，然其并非用以限定本发明的保护范围，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变动与修改仍属本发明所保护的范围，因此本发明的保护范围以权利要求书所界定的为准。

Claims (14)

1.一种地下管道临时封堵堵头，其特征在于，包括一体成型的粘结部分和堵头主体，其中，
所述粘结部分为环状，其外径与地下管道的内径相匹配，用于与地下管道内壁相粘结；
所述堵头主体为中空的半圆体，且其与粘结部分连接的横截面的内径和外径分别与粘结部分的内径和外径一致；
所述粘结部分和堵头主体均采用碳纤维布层制成，且所述粘结部分的纵向长度大于1米。
2.如权利要求1所述的地下管道临时封堵堵头，其特征在于：所述粘结部分和堵头主体上设置的碳纤维布层的层数设为一层以上。
3.如权利要求2所述的地下管道临时封堵堵头，其特征在于：所述粘结部分和堵头主体上设置的碳纤维布层的层数设为三层。
4.如权利要求1所述的地下管道临时封堵堵头，其特征在于：所述粘结部分与地下管道的混凝土基面通过粘结剂粘结，所述粘结剂的材质为环氧树脂。
5.如权利要求1-4中任一项所述的地下管道临时封堵堵头，其特征在于：所述碳纤维布层由双向碳纤维布涂覆形成。
6.如权利要求1所述的地下管道临时封堵堵头，其特征在于：所述粘结部分和堵头主体的内表面涂覆有聚脲涂层。
7.如权利要求6所述的地下管道临时封堵堵头，其特征在于：所述聚脲涂层的厚度不小于3mm。
8.如权利要求6所述的地下管道临时封堵堵头，其特征在于：所述聚脲涂层为单组份聚脲涂层。
9.一种地下管道临时封堵堵头制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：制作封堵堵头模型；
S2：在封堵堵头模型表面刮涂粘结树脂；
S3：在粘结树脂表面黏贴碳纤维布，形成碳纤维布层；
S4：沿纤维方向滚压碳纤维布层，挤除气泡，使粘结树脂成分渗入碳纤维布层；
S5：等粘结树脂干燥后立即刮涂及黏贴下一层粘结树脂及碳纤维布层；
S6：碳纤维布层黏贴完毕后，在最后一层碳纤维布层上均匀刮涂粘结剂，所述粘结剂的材质为环氧树脂；
S7：在碳纤维布成型后28天，拆除堵头封堵模型。
10.如权利要求9所述的地下管道临时封堵堵头制作方法，其特征在于，所述碳纤维布层一共黏贴涂覆三层。
11.如权利要求9所述的地下管道临时封堵堵头制作方法，其特征在于，所述步骤S3及步骤S5中，黏贴的碳纤维布为双向碳纤维布。
12.如权利要求9所述的地下管道临时封堵堵头制作方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S8：在封堵堵头内表面涂刷聚脲涂层。
13.如权利要求12述的地下管道临时封堵堵头制作方法，其特征在于，所述聚脲涂层的厚度不小于3mm。
14.如权利要求12述的地下管道临时封堵堵头制作方法，其特征在于，所述聚脲涂层为单组份聚脲涂层。
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