CIPP拉入法内衬修复的热固化工艺

技术领域：本发明涉及一种排水管道非开挖 原位内衬修复一- CIPP拉入法内衬修 复技术中使树脂固化的加热方法， 具体为把热源发生装置安装在软管内部， 直 接或间接给树脂加热使树脂固化的一类方法。

背景技术： 运营数十年的排水管道极易被腐蚀、 产生管身强度下降、 断裂、 错 位及污水渗漏， 待地层逐渐被淘空， 就会出现我们经常会遇到的地面塌陷等市 政事故， 造成巨大的生命、 财产损失。 近四十年来， 在英国 Eric wood工程师 命名的 CIPP (Cured in place pipe)技术的引领下， 全球各地都在采用类似的 非开挖内衬技术对旧管道进行有计划性的修复 ， 在我国这类修复技术的开发应 用也在蓬勃开展。

现场原位固化成型的 CIPP技术主要有软管翻转法和软管拉入法两种� �装工 艺。 由于以玻璃纤维浸渍树脂为主体材料的软管拉 入法修复技术属有机无机复 合材料， 具有极高的抗拉、 抗弯强度和弹性模量， 与聚酯纤维毡等有机合成纤 维制成的软管翻转法技术相比较， 所能承受的负载要高很多， 如 ASTMF1216标 准中规定软管翻转法的弹性模量为 1725MPa, 而软管拉入法的弹性模量可达 12000MPa, 同一条管线修复时软管拉入法的内衬层设计厚 度要比软管翻转法低 很多。 所以， 近年来玻璃纤维浸渍树脂的软管拉入法修复技 术得到了市场广泛 认同。

在玻璃纤维浸渍树脂的软管拉入法修复施工中 的树脂固化采用的工法有： 紫外线 （UV) 固化工艺、 加热固化工艺两大类。 其中紫外线 （UV) 固化工艺与 其他所有的热固化工艺的主要区别在于两个方 面， 一是材料配方上， 要确保树 脂固化， 配方中要加入紫外线引发剂， 它吸收辐射能后形成活性基团， 进而引 发体系中含不饱和双键发生化学反应 (主要是各类聚合反应）， 形成交联的立体 说 明 书

网络结构的高分子聚合物， 它具固化时间短， 可低温固化等加热固化技术不可 比拟的优点， 称为新一代绿色工艺。 而加热固化的树脂配方中有引发剂、 促进 剂等， 当配方体系被加热到一定程度时， 在促进剂的作用下引发剂分解产生的 游离基促使不饱和聚酯分子与交联单体苯乙烯 之间所发生游离基型共聚反应； 另一个不同是固化设备为紫外光灯， 树脂吸收了紫外线后就可以短时间固化。 但光固化技术的应用对比加热固化技术的劣势 是内衬层厚度比较薄，一般在 5iran 左右， 北京航空航天大学黄达教授等通过测定光固化 试样的显微硬度分析表明， 对于较厚的试样， 超过 5mm后因为紫外线通过树脂层时会发生反射、 吸收和散 射等现象， 穿透力有限导致深处的光强大大削弱， 特别对于玻璃纤维材料本身 是白色透明的， 使得厚制件不能充分固化。 而按照 ASTM F1216设计计算采用拉 入法玻璃纤维浸渍树脂工艺的内衬层壁厚很多 要超过 5毫米， 有些要达到 15毫 米以上， 紫外光固化技术应用的内衬层壁厚往往不能满 足修复要求， 即紫外光 固化技术的应用范围受到限制。所以热固化工 艺更适合在 CIPP拉入法内衬修复 技术中应用。

目前， 国内外修复施工中热固化工艺主要有热蒸汽固 化工艺、 混合蒸气固 化工艺、 热空气固化工艺等， 其共同特点是热源都在软管外面， 都属于顶替加 热工艺， 如全球都在执行的美国 ASTM F2019-03 规定的蒸汽固化工艺， 德国 Saertex公司采用的是水蒸汽固化工艺，美国 Inliner公司和中国天津振津工程 集团公司采用的是 "水蒸汽与空气"混合气的固化工艺， 天津华赛管道技术有 限公司新开发的热空气固化工艺等， 热量发生装置如加热锅炉等都在地面上， 在恒定压力下， 热气体从一端进入软管， 从另一端排出， 靠顶替给软管加温最 终使树脂固化， 其最大的弱点在于： 锅炉属于压力容器， 施工中必须随时移动， 这对施工安全造成很大隐患， 有些城市根本就不允许锅炉上路施工； 另一个弱 说 明 书

点在于： 软管靠热量顶替逐渐加热内部气体进而加热树 脂， 没有形成循环加热 模式， 造成能量或热量损失严重， 加热时间长， 热效率低， 碳排放对环境的破 坏也会很大。 为此， 本发明致力于提供一类热源发生装置安装在软 管内部来提 供热量并保证树脂固化的方法， 除地层吸收的少量热量外， 不再有其他的能量 损失， 必然会提高固化效率， 而且没有了带压蒸汽锅炉当然安全会得到保障 。 发明内容

首先， 我们要描述的是本发明的使用环境： 内衬材料可以是浸渍各类热固 性树脂的含有玻璃纤维的软管， 浸渍树脂采用热固化配方； 安装工艺是拉入法， 软管胀贴在旧管内壁使用的是空气， 换言之翻转内衬法和水压膨胀工艺不在本 发明的应用范围； 加热使树脂固化的途径可以是给树脂直接加热 ， 也可以是给 软管里的空气环境加热间接给树脂升温。

主要工艺过程包括有以下步骤： 现场勘测； 管道清理； 管道内窥镜检测； 排水管道管内局部处理； 复合纤维软管制作； 纤维软管浸渍树脂混合物； 已浸 渍树脂的内衬软管拉入定位； 充气使软管膨胀贴在旧管内壁； 恒压下加热固化， 内衬端头处理； 验收通水运行。 图 1是本发明的原理图。

本发明首先要解决的技术问题是找到适用的热 源发生设备。 我们知道， 常 用的热源提供者有光变热、 电变热、 化学反应热等。 因为使用环境的限制， 有 效的电变热是我们的主攻方向， 如电光热、 电热线加温、 热风炉加温、 电伴热 带加温等， 其中电光热可以包括红外线灯、 紫外线灯、 卤素灯等靠光照射能使 物体吸收光的能量， 温度升高。

热源的体积要有一定限制， 不能超过所修复管道的内径， 长度适中； 要能 够在管道内运行， 可以是自动的， 也可以是人工控制的； 放热均匀； 热源设备 要能够保证在加热温度下长期工作； 要求热源的加热效率高， 速度快， 确保在 说 明 书

2-10个小时以内使树脂固化达到运行要求。

综合分析， 上文所述之适用的热源设备可以是电热暖风系 列。 如电热暖风 机是一种通过消耗电能发出暖风的设备，在软 管内吸入低温空气，沿着电加 热容器内部特定换热流道，带走电热元件所产 生的高温热能，使被加热空气 温度逐渐升高。为达到升温需要， 电热暖风机功率要能够满足在 3-5小时内 使树脂固化的温度。

上文所述之适用的热源设备可以是电伴热带、 电热膜类型。 这类加热材料 发热体以碳为主要成份， 不是用于加热管内空气， 而是附着在软管内膜上直接 加热树脂， 当然也会对管内空气温度有所提高， 他最初是用于原油管道的电伴 加热， 由于它为薄片状产品 （标准厚度为 1.5mm)， 具有很好的柔软性， 可以与 被加热物体完全紧密接触。 更容易贴近加热体， 且形状可随加热的设计要求变 化， 这样， 就能够让热传递到任何所需的地方。 这里我们利用它给树脂加热时 可以通过计算给出排列密度和电功率。 .

上文所述之适用的热源设备可以是电磁感应热 类装置， 如可以是我们俗 称的辐射式电磁加热板。 它利用电磁加热磁感应及热辐射的原理， 将电磁加热 装置的面板设置为非透磁的面板， 通过设置在面板下电磁加热装置内的磁芯和 磁感应线圈， 形成强烈的交变磁场， 该磁场内的磁力线， 通过面板产生回路， 并在面板内形成无数个涡旋状感应电流， 该电流的能量直接通过面板的电阻转 化成热能， 使面板的温度迅速升高， 然后， 再由面板通过热辐射对空气介质加 热。 而且， 为了提高热效率， 面板下电磁加热装置内的磁芯可以采用 "山"字 型结构的磁芯， 以提高单位面积的磁通密度。 上文所述之适用的热源设备可以是微波加热类 装置， 如我们俗称的微波炉、 微波固化机等。 微波是指频率为 0. 3- 300GHz的电磁波。 材料在微波作用下会产 说 明 书

生升温发生化学反应。 微波辐射能使化学反应在相同的温度升甚至更 低的温度 下，产生比常规方法高几倍甚至几十倍的效率 。微波辐射可以使用材料温度升 高， 因此， 直观来看， 微波辐射固化的原理就是利用微波辐射产生热 量， 直 接使树脂温度升高而发生固化反应，而不是加 热软管内的空气。相对于常规 的加热方式， 微波是一种内加热， 具有加热速度快、温度均勾、无滞后效应 等特点， 因此能加快固化速度。 当然， 微波对化学反应发生作用的机理非常 复杂， 一方面使是反应物分子吸收了微波能量， 提高了分子运动速度， 致使 分子运动杂乱无章， 导致熵的增加； 另一方面微波对极性分子的作用， 迫使 其按照电磁场作用方式运动， 导致了熵的减少。 因此， 微波对化学反应的作 用不能仅用微波致热效应来描述的。 总之， 微波作用下的有机反应， 改变了 反应动力学， 减低了反应活化能。 上文所述之适用的热源设备可以是光能生热类 型， 如红外光灯、 紫外光灯、 远红外灯等。红外线的波长为 0. 75 u m-1000 u m, 红外线的重要作用是热作用。 不饱和聚酯的分子在汲取红外光能后， 也可使分子的转动能量产生变革。 并且， 振动光谱有一种加宽振动、 转动的作用， 能扩大以平衡位置为中间的振幅， 加 剧其内部的振动。 因为电子的活动和分子的振动是处在极高的速 度下， 这种活 动不停地使晶格、 键团的振动在其相互间孕育产生碰撞。 这种活动状态的变革， 犹如两种快速运转的物体加快了摩擦而发热升 温， 因此， 其升温速度快。 同时， 红外辐射加热物品时， 是根据红外辐射能穿透的部位， 其温度每每比外貌来得 高一些。 红外线灯的传热形式是辐射传热， 由电磁波传递能量。 在远红外线照射到 被加热的物体时， 一部分射线被反射回来， 一部分被穿透过去。 当发射的远红 说 明 书

外线波长和被加热物体的吸收波长一致时， 被加热的物体吸收远红外线， 这时， 物体内部分子和原子发生 "共振"——产生强烈的振动、 旋转， 而振动和旋转 使物体温度升高， 达到加热目的。 我们选用的红外线加热器可以是棒状加热器， 是以加热棒为轴心， 其辐射方向是 360度全向辐射。 本发明所用之红外光灯、 紫外光灯、 远红外灯等起到加热软管内空气和直接加热树 脂的双重作用。

本发明其次要解决的技术问题是热源发生装备 怎样在施工时安装在软管 内。 一般来说， 热源装备可以在软管拉入到旧管内就位前后任 何时间内安装到 软管内的， 需要注意的是在软管拉入到旧管内就位前热源 装备已经就位的要确 保在软管拉入操作时不要损坏设备及控制连接 部分； 而软管拉入到旧管内就位 后热源装备再安装到位的， 需要在井底进行安装操作， 那么重点是在捆扎盲堵 的设计和加工， 以确保热源设备的快速安装。 如图 2所示是能满足快速拆装的 盲堵面板设计的部分。

本发明再次要解决的关键技术问题是热源装备 怎样在软管内运行以便均勾 加热。 首先， 要把热源装置安装在可以运动带车轮 （或可以是履带传动等多种 形式） 的小车上， 确保热源可以沿管道移动； 然后给小车一个动力系统， 方法 可以是软管制造时在管内预埋牵引绳， 牵引绳的一端与热源装置的小车连接， 另一端穿过尾盲堵面板与窨井口的卷扬机连接 ， 这个卷扬机可以是手摇的， 也 可以是电动无极调速的。 当然， 这个安装了热源装置的小车也可以是全自动的 ， 在地面上可以遥控操作的。 车载热源发生装置见图 3示意。

本发明还要解决的关键技术问题是软管内如何 保证压力基本恒定。 因为热 源装置必须得有控制系统和动力系统， 一定需要穿过盲堵与外界连接， 而且因 为热源装置小车是运动的， 接口部位一定会漏气， 虽然我们可以很容易保证管 内气压基本恒定， 但大量漏气还是不可以的， 因为这会产生温降对固化不利。 说 明 书

我们的解决方法是采用动密封， 既可允许电缆线的移动， 又可把气体泄漏量降 低到最小。

本发明的效果是通过热源在软管内部直接或间 接给树脂加热固化的一类方 法的使用， 提高了能源的利用率， 降低了能量的损耗， 当然会大大提高加热和 固化速度； 而且没有了锅炉这种压力容器在施工现场， 施工安全会得到进一步 保障； 同时现场地面没有了锅炉， 也就少了油箱、 水箱等， 自然对市政交通的 影响也会进一步减低。

本发明是在 CIPP软管拉入固化工法上做了改进，保持了原� �玻璃纤维浸渍 树脂软管拉入工艺的所有技术优势， 即可以做到 1 0 0 %不开挖地面； 利用内 衬软管的特性， 可以修复圆形、 拱形、 方形等异形管道； 内衬表面光滑， 不影 响流量； 固化后形成的韧性交联体， 作为有机无机复合产品， 化学键相当稳定， 使用寿命可达到 5 0年以上等。

附图说明：

图 1 : 为本发明工艺原理图

图 2: 可快速拆装的盲板平面示意图

图 3: 车载热源发生装置示意图

图 1〜3中：

1一车载控制系统； 2—控制线缆和电源线；

3—前盲堵； 4一车载热源发生装置；

5—内衬软管； 6—尾盲堵；

7—电动调速卷扬机； 8—堵水气囊；

9一压力计接口； 10—温度计接口；

11一气源接口； 12—控制线和电源线接口； 说 明 书

13—控制线缆； 14一牵引绳；

15—车轮。

具体实施方式

承包方在进入工地开始作业前， 要根据内衬修复工艺要求对待修管道及道 路环境进行现场考察， 需要了解管道所在道路交通状况， 在每日交通流量小的 时间段施工， 以达到对道路交通影响最小； 精确测量各管道相关参数， 确保施 工工艺的顺利实施；根据管道流量变化合理制 定堵水和调水方案；进行管道 CCTV 内窥检测， 掌握管道内部的现场资料， 为内衬修复提供参考。

施工中先进行管道清洗， 清洗质量检测合格后进行拉入玻璃纤维软管材 料 的作业， 然后进行本发明所要实施的加热、 树脂固化步骤。 此过程是大量树脂 的固化过程， 要保证玻璃纤维树脂材料能够紧密的和原管道 贴紧， 同时还要保 证不破坏原管道， 在固化阶段需严格控制压力， 材料的直径、 厚度、 长度、 环 境温度等都直接影响材料在固化过程中的温度 和时间的控制， 制定温度和时间 的控制方案， 使固化过程顺利的完成。

实施例 1

在软管拉入前， 热源产生装置小车已经安装在前盲堵内， 在拉入玻璃纤维 软管材料时要精心操作， 不要破坏热源装置， 待拉入作业完成后， 开启空压机 使软管充气膨胀， 直至胀贴在旧管内壁。 压力恒定后， 开始操作控制器进行加 热。 随时检测管内压力和两端温度指示， 在加热后半程树脂开始固化， 可以发 现有一个温度快速上升的区间， 这是树脂在集中反应放热的过程， 继续加热， 一个小时以后切断电源停止加热， 通入冷空气， 打开尾堵放气阀， 使管内空气 以每分钟 1- 3°C的速度降温， 待管内温度降低到 38°C以下后， 进行端口切除等 后续施工作业。 实施例 2 拉入玻璃纤维软管材料的作业完成后， 开启空压机使软管充气膨胀， 直至 胀贴在旧管内壁。 压力恒定后， 快速开启前盲堵面板， 把热源装置小车推入软 管内， 迅速接好电缆和控制线缆， 重新闭合前盲堵， 继续充气恒压后， 开始操 作控制器进行加热。 随时检测管内压力和两端温度指示， 在加热后半程树脂开 始固化， 可以发现有一个温度快速上升的区间， 这是树脂在集中反应放热的过

说

程， 继续加热， 一个小时以后切断电源停止加热， 通入冷空气， 打开尾堵放气 阀， 使管内空气以每分钟 1- 3°C的速度降温， 待管内温度降低到 38'C以下后，

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进行端口切除等后续施工作业。