CN109268624B - 延寿管道结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种延寿管道结构，包括管道本体和内衬层，所述内衬层贴合于所述管道本体内壁上；所述管道本体为钢管混凝土压力管道，其内壁为砂浆层；所述砂浆层由管道两端部的扩口部和管道中部的支承部组成，所述扩口部的壁厚为所述支承部壁厚的20‑90％；所述扩口部沿管道轴线方向上的长度为20‑500mm。本发明中还公布了上述延寿管道结构的制备方法。本发明中的延寿管道结构加工使用过程不会带来任何增加的成本，而且提升了压力混凝土管在海水中的服役寿命20‑50年。

Description

延寿管道结构及其制备方法

技术领域

本发明属于管道防腐延寿领域，具体涉及一种延寿管道的结构及其制备方法。

背景技术

混凝土管道作为海水压力输水管道时，由于海水中氯离子的渗透作用会对混凝土管道内部密封的加强钢板、钢筋产生严重的腐蚀作用，使用到一定程度以后会发生渗水或者管道破裂的情况，严重影响了混凝土管道的使用寿命，而且给整体管线的正常运行带来了非常高的安全风险。为了延长海水输送的混凝土管道的寿命或者修复混凝土管道上的缺陷，往往采用在管道内壁上加设一层具有结构刚度的内衬，如使用聚合物材料或者耐蚀金属材料等，用于将海水介质与混凝土管道本体进行隔离，从而阻止海水介质对混凝土管道的腐蚀。现有技术中给混凝土管道添加内衬进行防腐的工艺大致包括：前处理待处理管道内壁→增加内衬→对内衬端部进行切割、密封，使其符合使用要求。经过上述工艺处理后，依靠内衬与原始管道之间的结合力/摩擦力达到内衬结构稳定、不被水利冲击滑动的目的，从而实现防腐延寿。

现有技术中添加内衬的防腐延寿技术在实际使用过程中存在以下问题：

1、管道服役过程中，当水流流速较高或者水流形成瞬间冲击性流体时，对内衬的轴向冲击力非常大，会使内衬出现轴向整体滑移，导致内衬丧失稳定型，进一步还会使内衬端部的密封结构破损，使整体延寿防腐的工艺失效，造成严重安全问题和经济损失。

2、内衬使用的多为高分子聚合物材料，其热膨胀系数远高于混凝土管的热膨胀系数。防腐延寿工艺中内衬材料的加工(如固化、端部密封)均在常温下实施，实际服役过程中会经历不同的环境温度，一旦环境温度升高或者降低，由于内衬材料与混凝土管道本体之间存在热膨胀量的差异，会导致内衬材料与混凝土管之间相对位置发生改变，在实际使用过程中表现为端部发生位移，混凝土管道使用过程中环境温度与常温差距越大，该问题越显著、越严重。

3、现有技术中的内衬材料往往加工延伸至管道最端部，以求对管道内壁进行全面的防护。压力混凝土管道为了连接成连续的管线，在端部使用钢制结构的法兰进行连接，在连接过程中，钢制法兰不可避免的要和内衬材料相接触。在管道服役过程中，流体介质借由冲击力很容易进入内衬材料与钢制法兰之间的空隙，尤其当流体介质为海水时，对钢制法兰在较短时间内即产生非常严重的缝隙腐蚀，导致管线连接处成为腐蚀损失最为严重的结构。

由于存在上述问题，压力混凝土管道很少使用内衬结构加工作为防腐延寿的选择，尤其是应用于海水介质输送工作环境下的压力混凝土管道，根本无法使用现有的内衬结构用于防腐延寿，现有技术中也并没有解决上述技术问题的方法。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种能够应用于压力海水输送作业环境下的具有内衬结构的延寿管道结构，该延寿管道结构防腐延寿效果好，能够耐受长期的海水腐蚀，在恶劣工况条件下内衬材料不发生位移，而且管线连接处的法兰腐蚀问题得到解决。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：

本发明中提供的延寿管道结构，包括管道本体和内衬层，所述内衬层贴合于所述管道本体内壁上；所述管道本体为钢管混凝土压力管道，其内壁为砂浆层；所述砂浆层由管道两端部的扩口部和管道中部的支承部组成，所述扩口部的壁厚为所述支承部壁厚的20-90％；所述扩口部沿管道轴线方向上的长度为20-500mm。

进一步地，所述扩口部与所述支承部相接处为平滑过渡面。

进一步地，所述内衬层厚度为2-50mm。

进一步地，所述内衬层沿管道轴线方向上的长度与管道相同。

进一步地，所述内衬层包括两端部的封堵部和中部的内衬部，所述封堵部沿管道轴线方向上的总体长度不超过管道端部，且短于扩口部长度。

进一步地，所述封堵部与所述内衬部相接处设有斜面相接面，其所述斜面相接面与管道轴线所呈角度为2-20°。

进一步地，所述封堵部和内衬部相接处呈阶梯状相接。

进一步地，所述内衬层为光固化后的防腐层。

进一步地，所述内衬层外部设有防护层，其厚度为0.1-0.5mm。

进一步地，所述内衬层弯曲模量大于4000MPa，所述内衬层材料的线性热膨胀系数大于所述管道本体。

本发明中还提供一种制备上述延寿管道结构的方法，包括如下步骤：

步骤一，将原始管道两端部的砂浆层进行凿除，然后打磨至平滑，未打磨处为支承部，打磨变薄处为扩口部，扩口部壁厚为支承部壁厚的20-90％，扩口部长度沿管线轴线方向为20-500mm，形成的扩口部类似喇叭状结构；

步骤二，选用厚度为2-50mm的紫外光固化内衬，内衬材料弯曲模量为大于4000MPa，其热膨胀系数大于混凝土，紫外光固化内衬的固化加工温度高于管道服役温度，然后采用原位固化法对内衬进行紫外光固化；

步骤三，按照设定的形状切除管道端部多余的内衬层，打磨成与管道轴线所呈角度为2-20°的斜面，随后对端部利用环氧砂浆进行密封。

本发明具有以下优点：

1、本发明中的延寿管道结构中，内部防腐内衬由于具有两端直径大、中部直径小的结构，服役过程中，水流冲击时在端部扩口处形状约束下不会出现与管道本体之间的相对位移，避免在水流冲击作用下丧失稳定型，提升了安全性。

2、本发明中的延寿管道结构中，内部防腐内衬当服役温度变化时，只要温度低于成型时，内衬仍然处于拉应力状态，尺寸不会发生变化，端部也不会发生位移，从而端部不会表现出热膨胀位移差异。

3、本发明中的延寿管道结构中，钢制法兰与内衬材料不会进行接触，故在服役期间，钢制法兰产生缝隙腐蚀的几率大大减少，管线连接处服役时间与管道本体能够保持一致。

4、本发明中的延寿管道结构加工使用过程不会带来任何增加的成本，而且提升了压力混凝土管在海水中的服役寿命20-50年。

附图说明

图1为本发明中延寿管道结构的剖面结构示意图；

图2为本发明中第二种延寿管道结构的剖面结构示意图；

图3为本发明中第三种延寿管道结构的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

本实施例中提供的延寿管道结构如附图1所示，包括管道本体和内衬层103，内衬层紧密贴合于管道本体内壁上。实施例中的管道本体为现有的钢管混凝土压力管道，在本实施例中主要应用于核电站的冷却水运输，冷却水介质为海水。管道本体的结构依次包括外部钢筋混凝土层104、中间层薄钢板101、中间层端部加厚钢板105和内壁砂浆层102，在端部以钢制法兰106进行管线的连接。

上述结构中：

如附图1中所示，砂浆层102并不是均匀厚度的结构，而是由位于管道两端的扩口部和管道中部的支承部组成。虽然在图中并未用标号标出，但是在附图中可以清楚看出扩口部和支承部的位置，位于端部的扩口部(图中右侧，靠近法兰106侧)壁厚小于支承部(图中左侧)，扩口部与支承部相接处为平滑过渡面，如附图1、2、3中椭圆5形虚线处的位置。在实际的管道处理过程中，扩口部与支承部之间设为平滑面可以有效保证内衬层与砂浆层的紧密贴合，实际处理中，若不采用平滑过渡面，就需要提升内衬层在加工过程中与砂浆层的结合力。扩口部处的壁厚设为支承部壁厚的20-90％为宜，根据实际情况进行设计，综合考虑内衬层的径向延伸率、轴向延伸率、热膨胀率、溶胀率等各种因素。扩口部沿着管道轴线方向上的长度为20-500mm即可满足使用需求，该长度在附图中表现为扩口部的横向长度(不包括过渡面长度)。

内衬层103是实施例中为管道提供防腐延寿的保护层，其厚度优选为2-50mm，内衬层优选使用紫外光固化型的聚合物-织物复合保护层，例如现有技术中CIPP法中使用的光固化内衬。内衬层103可以沿管道轴线方向上的长度与管道相同，以形成对管道内壁的全面保护，在实际操作中，为了避免法兰处的腐蚀，需要对内衬层端部进行封堵，一方面避免内衬层与法兰相接触引起法兰的缝隙腐蚀，另一方面防止管道服役过程中，水流对内衬层端部产生冲击至其端部易剥离、老化。封堵后的内衬层103包括两端部的封堵部和中部的内衬部，附图1中对右侧端部的封堵部1031(在附图2、3中同样标注有封堵部2031和3031)做出了额外的标注以便更清楚的理解，封堵部多采用聚合物砂浆，如环氧砂浆进行端部封堵，将端部填充成为无缝隙的实体。封堵部1031沿管道轴线方向上的长度大于管道与管道之间连接段长度(即大于法兰106的接连长度)、小于扩口部长度(即不会超过扩口部的位置)。封堵部1031与位于其左侧的内衬部相接处设有斜面相接面，该斜面相接面与管道轴线所呈角度为2-20°(附图1中圆形虚线框内结构)。

附图2中的延寿管道结构与附图1中的结构大致相同，不同之处在于内衬层203的封堵部2031和内衬部相接处的接触面除了包含有斜面相接面，其靠近砂浆层的接触处为竖直接触面。

附图3中的延寿管道结构与附图1中的结构大致相同，不同之处在于内衬层303的封堵部3031和内衬部相接处呈阶梯状相接。

在实际延寿管道的加工过程中，内衬层的封堵部和内衬部加工成如附图1所示的斜面相接的状态时，首先需要把内衬部切割成设定的斜面形状，其顶部厚度过薄，容易在加工过程中出现剥离的状况，对其进行改进则可加工成附图2、附图3中的接触面形状，不仅能够避免上述缺陷的产生，而且能够提升内衬部和封堵部的结合力。进一步地，两者的结合面还可设为其他更为合适的形状，但是需要综合考虑施工难度和可行性。

对内衬层表面可加设一层防护层，优选厚度为0.1-0.5mm的柔性塑胶膜片，可有效防止内衬层在加工过程中表面被划伤损坏。同时，为了保证内衬层使用过程中不产生整体滑移，采用的内衬层材料的弯曲模量大于4000MPa，且内衬层材料的线性热膨胀系数大于管道本体。

以下提供一种制备如附图1所示延寿管道的方法，用于进一步理解本发明的内容，具体步骤如下：

步骤一，将原始管道两端部的砂浆层进行凿除，然后打磨至平滑，未打磨处为支承部，打磨变薄处为扩口部，扩口部壁厚为支承部壁厚的70％(26mm)，扩口部长度沿管线轴线方向为300mm，形成的扩口部类似喇叭状结构。

步骤二，选用厚度为8mm的紫外光固化内衬，内衬材料弯曲模量为5200MPa，其热膨胀系数为39×10^-6/℃，大于混凝土10×10^-6/℃，紫外光固化内衬的固化加工温度为92-95℃，远高于管道服役温度(5-50℃)。采用原位固化法对内衬进行紫外光固化，固化后内衬层的膨胀率约为3％。固化过程中，内衬层热膨胀，内衬在端部保持喇叭口状结构固化成型，随后降低温度后，内衬两端保持形状不变，而内衬收缩，形成拉应力；

步骤三，按照如附图1中设定的形状切除端部多余的内衬层，打磨成与管道轴线所呈角度为10°的斜面，随后对端部利用环氧砂浆进行密封。在服役阶段，水流冲击时在端部喇叭口形状约束下，内衬不会出现相对位移，当服役温度变化时，只要温度低于成型时，内衬仍然处于拉应力状态，尺寸不会发生变化，从而端部不会表现出热膨胀位移差异。

上述实施例中制备得到的延寿管道应用于国内某核电站海水输送管道的防腐工程中，与现有技术相比，本发明中的延寿管道结构中，内部防腐内衬由于具有两端直径大、中部直径小的结构，服役过程中，水流冲击时在端部扩口处形状约束下不会出现与管道本体之间的相对位移，避免在水流冲击作用下丧失稳定型，提升了安全性。本发明中的延寿管道结构中，内部防腐内衬当服役温度变化时，只要温度低于成型时，内衬仍然处于拉应力状态，尺寸不会发生变化，端部也不会发生位移，从而端部不会表现出热膨胀位移差异。本发明中的延寿管道结构中，钢制法兰与内衬材料不会进行接触，故在服役期间，钢制法兰产生缝隙腐蚀的几率大大减少，管线连接处服役时间与管道本体能够保持一致。经财务核算，本发明中的延寿管道结构加工使用过程不会带来任何增加的成本，而且提升了压力混凝土管在海水中的服役寿命20-50年。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种延寿管道结构，其特征在于：

包括管道本体和内衬层，所述内衬层贴合于所述管道本体内壁上；

所述管道本体为钢管混凝土压力管道，其内壁为砂浆层；所述砂浆层由管道两端部的扩口部和管道中部的支承部组成，所述扩口部的壁厚为所述支承部壁厚的20-90％；所述扩口部沿管道轴线方向上的长度为20-500mm；

所述内衬层包括两端部的封堵部和中部的内衬部，所述封堵部和所述内衬部相接处包括斜面相接面及竖直接触面，所述竖直接触面靠近所述砂浆层。

2.如权利要求1所述延寿管道结构，其特征在于：所述扩口部与所述支承部相接处为平滑过渡面。

3.如权利要求1所述延寿管道结构，其特征在于：所述内衬层厚度为2-50mm。

4.如权利要求1所述延寿管道结构，其特征在于：所述内衬层沿管道轴线方向上的长度与管道相同。

5.如权利要求1所述延寿管道结构，其特征在于：所述封堵部沿管道轴线方向上的总体长度不超过管道端部，且短于扩口部长度。

6.如权利要求5所述延寿管道结构，其特征在于：所述斜面相接面与管道轴线所呈角度为2-20°。

7.如权利要求5所述延寿管道结构，其特征在于：所述封堵部和内衬部相接处呈阶梯状相接。

8.如权利要求1所述延寿管道结构，其特征在于：所述内衬层为光固化后的防腐层。

9.如权利要求1所述延寿管道结构，其特征在于：所述内衬层外部设有防护层，其厚度为0.1-0.5mm，所述内衬层材料的弯曲模量大于4000MPa，且所述内衬层材料的线性热膨胀系数大于所述管道本体。

10.一种制备如权利要求1-9任一所述延寿管道结构的方法，包括如下步骤：

步骤一，将原始管道两端部的砂浆层进行凿除，然后打磨至平滑，未打磨处为支承部，打磨变薄处为扩口部，扩口部壁厚为支承部壁厚的20-90％，扩口部长度沿管线轴线方向为20-500mm，形成的扩口部类似喇叭状结构；

步骤二，选用厚度为2-50mm的紫外光固化内衬，内衬材料弯曲模量为大于4000MPa，其热膨胀系数大于混凝土，紫外光固化内衬的固化加工温度高于管道服役温度，然后采用原位固化法对内衬进行紫外光固化；

步骤三，按照设定的形状切除管道端部多余的内衬层，打磨成与管道轴线所呈角度为2-20°的斜面，随后对端部利用环氧砂浆进行密封。

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