（纺织工程专业论文）管状纺织复合材料及其在管道修复技术上的应用研究.pdf

摘要 随着现代工业以及现代城市建设的发展，管道作为现代生活不可缺少的建筑设施 显得越来越重要，一般来讲城市埋地管线投产1 5 2 0 年后，就进入事故高发期，有 计划地开展对管道的修复已刻不容缓，采取非开挖手段解决现代管网改造中的开挖问 题，减少管网改造带来的负面影响是城市建设的需要。正是在这样的背景下，管道的 非开挖内衬修复技术便应运而生。利用纺织复合材料技术修复受损管道，将内衬织物 的纤维选择、织物结构设计与管道的最终修复技术要求结合为一体，实现管道内衬修 复的技术经济最优化。 本课题是在现有管道内衬修复技术的基础上，结合纺织工程技术，围绕原料选用、 异形管件的纺织加工方法、工艺等主要内容进行研究，探讨了无接缝纺织复合材料内 衬加工技术及其在管道修复上的应用。采用纺织的方法制作管道修复内衬，可保证内 衬软管的无缝整体性，避免了施工翻转时的接口开裂；且制作内衬软管时材料、强度、 厚度、直径可设计性强；可避免安装时在管道的弯头和变径处出现褶皱；纺织内衬软 管较国内目前非织造内衬软管的弹性大，具有延伸性和防破裂性能，更适应翻衬法旋 工。这样便可以解决目前国内已开发类似技术中产品存在的整体性差，耐压和承载能 力差，翻衬时容易产生褶皱，工艺路线长，成本高等问题。 本课题根据a s t m ( 美国材料实验协会) 标准和受损管道具体情况与要求为主要 设计依据，以燃气管道的修复为例来进行研究。首先对纺织内衬软管的厚度、弹性、 强力、材料和结构依次进行设计，然后根据理论推导对各个参数进行实验验证与探讨， 从而分析出合适的修复用纺织管道内衬材料的具体结构参数。通过织造、压膜工艺模 拟制作了纺织内衬软管，进而探讨了施工中软管硬化，即浸渍热固性树脂后固化修复 管道的过程与特点，模拟制作了纺织复合材料刚性管道材料。然后对压膜前后的纺织 内衬软管及固化成型后的刚性纺织复合材料软管进行了物理性能的测试，并采用最小 二乘法和灰色理论对实验结果进行了分析。最后进行了施工方案的模拟设计。 本课题针对应用于管道非开挖纺织内衬修复技术中的管状纺织复合材料进行了 较为全面的研究，特别是原材料和制作工艺。制作出了三种纺织复合材料内衬管，探 讨了纺织复合材料内衬管与压膜前的预成型件之间以及压膜前后的预成型件之间的 性能关系。研究内容与结论可为进一步研究探讨及工程应用打下一定的基础，由于时 间与条件所限，本文只作了部分基础性的研究工作，但通过本研究，明确了下一步的 研究重点与方向。 关键字：管道修复纺织内衬管状纺织复合材料非开挖翻衬技术 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r ya n dc i t yb u i l d i n g ，p i p e l i n es h o w st h eg r e a t i m p o r t a n c eo nm o d e mt i m e s a f t e rt h eu r b a nu n d e r g r o u n dp i p e l i n e sw o r k e df o ra b o u t15 t o2 0y e a r s ，t h ea c c i d e n t so c c u rf r e q u e n t l y s o ，i t su r g e n tt or e n o v a t et h eo l dp i p e s d e s i g n e d l ya n dr e s o l v et h ep r o b l e mo fp i p e l i n e s r e b u i l d i n gw i t ht r e n c h l e s st e c h n o l o g ya n d r e d u c et h eb a di n f l u e n c eo fp i p e l i n e s r e b u i l d i n g o nt h i sb a c k g r o u n d ，w es t u d yt h e c o m p o u n dt e x t i l el i n i n gp i p e sw h i c ha p p l i e so np i p e l i n et r e n c h l e s st e x t i l el i n i n gr e n o v a t i o n t e c h n o l o g y u s i n gt h et e x t i l ec o m p o s i t et e c h n o l o g yt or e p a i rt h ed a m a g e dp i p e s ，t h es t u d y m a k e st h ef i b e rc h o i c ea n df a b r i cd e s i g nm e e tt h el a s tr e h a b i l i t a t i o nt e c h n o l o g y r e q u i r e m e n t t h eo p t i m i z a t i o no f t h et e c h n o l o g ye c o n o m yc a nb er e a l i z e d t h es t u d yi sb a s e do nt h ep r e s e n tp i p e l i n el i n e rr e h a b i l i t a t i o nt e c h n o l o g ya n du s e s t e x t i l et e c h n o l o g yt os t u d yt h em e a s u r e sa n dt e c h n i q u e sf o ra b n o r m i t yp i p ea n ds e l e c t s m a t e r i a l s t h ea p p l i c a t i o no ft h et e x t i l ec o m p o s i t el i n e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo nt h ep i p e r e h a b i l i t a t i o ni sd i s c u s s e d u s i n gt h et e x t i l em e t h o dt om a k el i n e rc a ne n s u r et h el i n e r w i t h o u ts l i ta n da v o i dt h ec r a z e sd u r i n gi n v e r s i o n t h em a t e r i a l ，i n t e n s i t y ，t h i c k n e s s ， d i a m e t e rc a nb ed e s i g n e de a s i l y w h e nt h el i n e ri sf i x e d ，t h ed r a p ew i l ln o ta p p e a ri nt h e p i p ee l b o wa n dd i f f e r e n t d i a m e t e rs i t u a t i o n t h ee l a s t i c i t yo ft h et e x t i l el i n e rp i p ei sb e t t e r t h a nt h en o - w o v e nl i n e rp i p ea tp r e s e n ti no u rc o u n t r y ，w h i c hh a v eg o o de x t e n s i o na n di s m o r es u i t a b l ef o ri n v e r s i o n s o ，t h ep r o b l e m sa tp r e s e n ti no u rc o u n t r ys u c ha st h eb a d l o a d i n ga b i l i t y ，t h el o n gc r a f tr o u t ea n dh i g hc o s tc a nb er e s o l v e d b a s i n go nt h ea s t ma n d t h ed a m a g e dp i p e c o n c r e t es i t u a t i o n ，t h ed e s i g nt a k e st h e n a t u r a lg a sp i p ea sa ne x a m p l et os t u d yt h el i n e rr e h a b i l i t a t i o nt e c h n o l o g y f i r s t l y t h e t h i c k n e s s ，e l a s t i c i t y ，i n t e n s i t y ，m a t e r i a la n df a b r i ca r ed e s i g n e di nt u r n t h e ne x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do u tt ov a l i d a t ea n dd i s c u s se a c hp a r a m e t e ra c c o r d i n gt ot h et h e o r i e sd e d u c i n g f r o ma b o v es t e p s ，t h ep r o p e rp a r a m e t e r sf o rt e x t i l e c o m p o s i t ep i p e m a t e r i a lf o r r e h a b i l i t a t i n gc a r lb ef o u n d t h et e x t i l ec o m p o s i t ep i p ei sm a d eb yw e a v i n g ，f i l mp r e s s u r e a n dr e s i ni m p r e g n a t i o n t h e nt h et e s t so ft h ep h y s i c sc a p a b i l i t i e so ft e x t i l ep i p eb e f o r ea n d a f t e rf i l mp r e s s u r ea n dt h et e x t i l ec o m p o s i t ep i p ea r ec a r r i e do u t t h et e s tr e s u l t sa r e a n a l y z e dt h o u g hl e a s ts q u a r em e t h o da n dg r a yt h e o r y a tl a s t ，t h ea n a l o gd e s i g no f c o n s t r u c t i o nm e t h o di sg i v e n t h es t u d yi sc a r r i e do u tc o m p l e t e l ya i m i n ga tt h et e x t i l ec o m p o s i t ep i p ew h i c ha p p l i e d o nt h ep i p e l i n et r e n c h l e s st e x t i l el i n e rr e h a b i l i t a t i o nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h em a t e r i a l s a n dm a k i n gt e c h n i q u e s t h r e ek i n d so ft e x t i l ec o m p o s i t el i n e rp i p e sa r em a d e t h e r e l a t i o n s h i po ft h ec a p a b i l i t yb e t w e e nt e x t i l ec o m p o s i t ep i p ea n dt e x t i l ep i p ew i t h o u tf i l m p r e s s u r e ，a sw e l l a st h et e x t i l ep i p ew i t h o u tf i l mp r e s s u r ea n dt e x t i l ep i p ew i t hf i l m p r e s s u r e t h ei n v e s t i g a t i v ec o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sg r o u n df o rf u r t h e rr e s e a r c hs t u d ya n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no ft i m ea n dc o n d i t i o n ，o n l yp a r t so f f o u n d a t i o nr e s e a r c hw o r ka r em a d e ，b u tt h r o u 【g ht h i ss t u d y , t h en e x ts t u d ye m p h a s e sa n d d i r e c t i o nc a nb ed e f i n e d k e yw o r d s ：p i p e l i n er e h a b i l i t a t i o n ；t e x t i l el i n e r ；t u b et e x t i l ec o m p o s i t e ； t r e n c h l e s st e c h n o l o g y ；i n v e r s i o nt e c h n o l o g y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得丞洼王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 学位论文作者签名：委潲两签字f 期：卯口6 年f 月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：旅丽 签字日期：砌6 年f 月9 同 导师签名： 1 m b 签字同期：一庐月铲r 学位论文的主要创新点 一、采用纺织的方法保证了内衬软管的无缝整体性，避免了翻转时的接 口开裂；纺织内衬软管较国内非织造软管的弹性大，具有延展性和 防破裂性能，更适应翻衬法。 二、根据管道的规格以及受损情况，制作内衬软管时材料、强度、厚度、 直径、弹性等各项指标的可设计性强。国内已有的管道内衬修复技 术在管道的弯头和变径处容易出现褶皱，而采用该技术可以解决此 难题。 三、通过最d , - - 乘法和灰色预报模型得出压膜前后纺织内衬软管的厚度 之间以及压膜前的纺织内衬软管和纺织复合材料内衬管的厚度之间 存在的定量关系，这样便可以通过工程的需要由最终所需产品厚度 来确定或者预报预成形件的厚度。 第一章绪言 第一章绪言 1 1 管状纺织复合材料在产业上的应用 随着纺织复合材料和纺织加工技术的进一步发展，管状纺织复合材料r 益显示出 巨大的应用潜力，它是产业用纺织品的一个新兴领域，其产品可以应用于某些特殊场 合。管状纺织复合材料的增强体一般是采用连续纤维或者纱线织造而成的管状织物， 在此织物中纱线相互交织或者交叉，并且沿着多个方向取向，从而使织物成为一个管 状的整体，然后再与树脂等材料进行复合而成管状复合材料。根据其不同的使用性能， 可以广泛应用于消防、给水排水、石油运输、医疗等领域。在消防方面，水龙带的应 用已经十分普遍。在医疗领域，可以采用管状纺织复合材料来制作人造血管“1 。在给 排水、石油运输方面，特别是在管道输送网络中可采用管状纺织复合材料来制作下水 管道和石油管道。除此以外，管状纺织复合材料的性能还使其在管道修复技术中也有 广阔的用途。我国已将复合材料用于混凝土”3 及金属部件”上，但“一焊、二补、三 换”的传统管道修复思路，加之复合材料本身成本较高，在一定程度上制约了复合材 料在管道修复中的广泛应用。我国目前用于管道修复的材料以聚乙烯居多，其次为玻 璃钢。在以纤维增强塑料( f r p ) 为主体的管道修复技术方面，已成功开发了缝编织物 ( n c f ) 玻璃钢内衬修复技术，采用无纺布、环氧树脂等材料，修复了己穿孔、腐蚀的 管道“1 。管状纺织复合材料的发展，给传统的纺织工业注入了新的活力，开辟了一条 高技术之路。 1 2 管道的非开挖纺织内衬修复技术。1 对现有的城市管网进行改造，是城市发展过程中不可回避的问题。在城市地下管 网设施的更新过程中，如果全面采用开挖更换的手段，其庞大的财政开支暂且不说， 由此引起的环境问题、交通问题、社会负面影响以及对居民生活的影响都将是巨大的， 而且造成的损失是难以估量的。 采取非开挖手段解决现代管网改造中的丌挖问题，减少管网改造带来的负面影响 是城市建设以及现代社会生活的强烈要求，正是在这样的背景下，管道非开挖内衬修 复技术应运而生。管道非开挖内衬修复技术是指通过给现存管道内部安装及铺设内衬 的方式使管道获得再生，管道可以重新获得3 0 5 0 年以上的使用寿命。管道非开挖 内衬修复技术的主要应用领域是城市公用管道系统，包括燃气管道、给排水管道、化 工管道、电信管道、热力管道、石油管道、以及其他工厂地下工业管道等“1 。 第一章绪言 1 2 1 管道的非开挖内衬修复技术及发展 1 2 1 1 传统管状复合材料内衬法 也称为插管法，采用的复合材料管是比原管道直径小或等径的塑料管，将其插入 原管道内，在内衬软管和原管道之间的环形间隙中灌浆，予以固结，形成一种管中管 的管道结构，从而使塑料管道的防腐性能和原管道的机械性能合二为一，改进管道的 工作性能。传统管状复合材料内衬法是使用最早的一种非开挖地下管道修复方法，适 用于各种地下管道的修复。新管可以是由聚乙烯管预先对焊而成的连续长管，也可以 是一节一节的短塑料管、玻璃管等，在工作坑连接后分别送入原管道内。美国在2 0 世纪5 0 年代使用该方法，使用的管材主要有c a b ( 醋酸一丁酸纤维素) 、p v c ( 聚氯乙烯) 、 p e ( 聚乙烯) 等管材，近期主要使用p e 管材。由于其施工费用低，且仅需开挖工作坑部 位的地面，因此该方法目前已经广泛应用于城市管网、长输管网、气体管网和液体管 网等地下管网，并从小口径扩大到大口径管线。 这种方法可适用于原管中无障碍、管道无明显变形的情况下，管径为6 0 2 5 0 r a m ， 长度为6 0 0 m 左右的各类管道的修复。 传统管状复合材料内衬法的主要优点是：内衬塑料管制作简单，原材料廉价，施 工简单，对工作人员的技术要求低，施工速度快；不需要用专用的设备，投资少、施 工成本低；可适应大曲率半径的弯管。 传统管状复合材料内衬法的主要缺点是：采用此管状复合材料内衬修复之后的管 道过流断面( 垂直于管道的截面) 损失较大，但管径较大时影响较小；环形间隙要求灌 浆；分支管的连接点需开挖进行；适用性比较差，一般只适用于圆形断面的管道。 1 2 12 改进的管状复合材料内衬法 此方法是在传统管状复合材料内衬法的基础上改进的一种内衬法。又称为紧配合 的管状复合材料内衬法，采用的复合材料管是聚乙烯管，是在施工前先将内衬软管( 主 要是聚乙烯管) 通过机械变形，使其断面产生变形( 直径变小或改变形状) ，随后将其 送入原管内，最后通过加热、加压或靠自然作用使其恢复到原来的形状和尺寸，从而 与原管形成紧密的配合。这种非开挖管状复合材料内衬法的主要目的是减少修复后管 道过流断面的损失。 改进的管状复合材料内衬法适用于管径为7 5 1 2 0 0 m m 、管线长度为1 0 0 0 m 左右的各 类管道的修复。 与传统管状复合材料内衬法相比，此内衬法的优点是：采用此管状复合材料内衬 修复之后的管道过流断面的损失很小；不需要灌浆，可长距离修复。 此内衬法的缺点是：由于此管状复合材料不是柔性的，其分支管的连接需要开挖 进行；管的结构性破坏会导致施工困难；只适用于修复直圆形管道。 第一章绪言 1 2 1 3 复合材料软管内衬法 针对上述两种方法的缺陷，开发出了非开挖复合材料软管内衬法( 以下简称软衬 法) ，也称为原始固化法，其管状复合材料采用的是浸有液态热固性树脂的软管，此 软管是可以是编织管或非编织管，最常用的是编织带，也有的采用玻璃纤维加强的编 织管，或者缝合而成的非织造物管，管的内外表面浸有非渗透性的涂层，以保护管中 的树脂。这种软管主要组成材料是：柔性的纤维增强软管或编织物、热固性树脂。将 这种软管衬入现有的原管内壁上，通过加热( 利用热水、热汽或紫外线等) 使树脂固化， 形成与原管紧密配合的薄层管。管道的过流断面没有损失，但流动性能大大改善了。 使用这项技术修复的管道寿命可达3 0 5 0 年。软衬法是目前最受欢迎的非丌挖管道修 复施工方法，自1 9 7 1 年首次投入使用以来，在全世界用此法修复的管道总长度超过 6 6 0 0 k m 。软衬法适用于管径为5 0 2 7 0 0 m m 、管线长度为9 0 0 m 左右的各类管道的修复。 与上述两种方法相比，软衬法的优点有：采用此种管状复合材料内衬修复之后的 管道没有接头、表面光滑、流动性好；施工速度快、工期短；可全天候旌工；可适应 非圆形断面和弯曲的管段；不需灌浆，过流断面损失小。 软衬法的缺点有：在安装过程中，由于此种软管沿轴向有接缝，所以容易开裂， 造成安装失败。而且需要特殊的施工设备，对工人的技术要求较高；工程规模小时， 成本较高；树脂固化时间较长( 一般在5 小时以上) ；每个工程要求使用不同的软衬管。 1 2 2 管道的非开挖纺织内衬修复技术的提出 针对上述三耪修复技术的缺陷，本课题提出将管状纺织复合材料内村应用于管 道的非开挖内衬修复技术之中。管道的非开挖纺织复合材料内衬修复技术是指在不开 挖地表的条件下，采用纺织纤维等材料制成纺织内衬软管，对其进行压膜和树脂浸渍 处理，然后采用翻转法利用气压或水压使之翻转紧贴在原管道内壁上，加温加压热固 成型后形成光滑的内衬软管，从而形成对原管道的防护与修复。1 ，如图卜1 所示。 图卜1 纺织复合材料管结构示意图 第一章绪言 纺织内衬软管需要携带树脂，直到它就位并且固化为止。这就要求纺织内衬软管 能承受其安装时的应力，并且具有足够的柔性以适应管道的不规则性。纺织复合材料 内衬管充分利用了待修复管道残余的机械力学性能，而原管道则利用了复合材料内衬 管的密封性、完整性和抗化学性，二者相互配合形成防腐、防渗并且具有一定机械强 度的新管。使用这种技术可修复铸铁管、钢管、混凝土管、水泥管和石棉管等多种管 材的地下管道，尤其适用于城市中交通拥挤、地面设施集中或占压严重、采用常规丌 挖地面的方法无法修复和更新的管道，既可用于燃气管道、供水管道和污水管道的修 复，也可用于化工等工业管道的修复。 管道的非开挖纺织内衬修复技术在英国、美国及日本已经成功开发与应用。将管 状纺织复合材料应用在这个方面，这项技术在我国才n bv i 开始起步0 3 ，与国外的先进 技术水平相比，有很大的差距。尤其在采用的管状复合材料方面往往不能满足修复要 求。 1 2 3 国内外研究情况 国内管状复合材料内衬管的制作一般采用市售的无纺布，由研发或者施工单位委 托专业厂家粘贴防渗膜或涂层，经人工缝制成软管，接缝处采用粘结剂进行粘结“。 此种方法的缺点是：接缝处的牢固性难以保证，粘结剂不能适应长期的耐水与耐温要 求，长期使用会使输送的液体渗漏到原管与内衬软管之间的夹层处，造成对管道的腐 蚀。且接缝处在施工过程中由于压力作用容易丌裂。 国外在油、气、水管道内衬修 复技术上已有所突破。例如，美国的一家专门从事内衬修复技术的跨国公司已有2 0 多年的历史，其总部设在美国，他们在9 5 年前己采用此项技术修复了近1 1 ，0 0 0 k m 的管 线，这些管线的管径范围为1 0 0 1 2 0 0 m m ，压力可达1 0 5 m p a 。日本、德国和法国采用 内衬软管修复管道的技术广泛用于城市的地下管道修复领域1 。德国一家公司采用锦 纶机织平纹无缝软管做衬里，在织物上涂层后浸渍树脂，采用翻衬法来进行管道修复。 纺织复合材料内衬管道修复技术在我国b j t j b lv j 开始起步，引进国外产品价格昂贵，不适 应国内市场及成本的要求。但与国外工业化、专业化技术水平相比，差距甚大，尤其 在翻衬材料方面，采用缝合无纺毡作内衬材料“，强度、弹性均不能满足翻衬要求， 更不能成功实现对叉口、弯头、三通、变径等管道的修复0 1 。 1 3 本课题的研究目的与意义 综合以上分析，本课题拟开展的非开挖纺织内衬修复技术在现有管道内衬修复技 术的基础上，针对原管道及受损的情况，结合纺织工程技术，围绕纺织原料和纺织工 艺等主要内容进行。重点研究无接缝纺织复合材料内衬的设计、加工及性能。采用纺 织的方法制作管状内衬保证内衬软管的无缝整体性，可避免翻转时的接口开裂；制作 第一章绪言 内衬软管时材料、强度、厚度、直径和弹性可设计性强：纺织软管中纤维及结构的良 好伸缩性可避免安装时在管道的弯头和变径处出现褶皱；纺织软管较国内非织造软管 的弹性大，具有延展性和防破裂性能，更适应翻衬法；纺织方法制作管状织物操作简 单而且控制灵活，适合大批量生产，生产成本低廉。这样便可以解决目前国内采用非 织造布缝合软管所存在的整体性差，耐压和承载能力差，翻衬时容易产生褶皱，工艺 路线长，成本高等问题，而且更适合于非开挖技术。非开挖管道内衬修复技术具有不 影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合施工成本低、社会效益显著等优点，可广 泛用于穿越公路铁路、建筑物、河流，以及在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保 护区等地下管道的供水、煤气、石油、天然气等管线的修复“，其技术含量高，经济 效益和社会效益显著“。 第二章纺织内衬软管结构参数的理论推导 第二章纺织内衬软管结构参数的理论推导 2 1 纺织内衬软管设计依据 地下管道的种类繁多，结构复杂，按功能主要可分为排水管道、给水管道、煤气 管道、热力管道、工业管道等五大类，每类管线按其传输的物质和用途又可分为若干 种，如表2 - 1 所示。管状纺织复合材料内衬可以应用于地下管线的油气井、排水、给 水、燃气等领域的管道修复之中。 表2 一l地下管道分类表 在纺织复合材料内衬管应用于管道修复方面，我国还没有相应的标准可以遵 循。本课题的设计以a s t m ( 美国材料实验协会) 标准为主要的设计依据。下面以燃气 管道的内衬修复为例来进行说明。 2 1 1 埋地燃气管道的工作及受损情况 我国自改革开放以来，城市燃气得到了迅速的发展。截止到2 0 0 4 年底，全国天 然气管道总长度约2 4 0 0 0 k m ，其中管径大于4 2 6 m m 的管道总长度为1 4 8 0 0 k m 。中国石 油的天然气管道总长度为1 8 0 0 0 k m ，占全国的7 2 “。我国城市燃气管道建设所采用 的管道绝大部分是钢铁管道，其中主要以钢制管道为主，现在已有许多城市丌始采用 聚乙烯管道。管道建设初期由于当时的技术及经济条件无论管道的施工质量还是防腐 质量都有较大的差距，同时我国燃气气种、气源种类较多，燃气质量与国外相比具有 第二章纺织内衬软管结构参数的理论推导 较大的差距，造成燃气管道内外腐蚀较为严重，早期建设的管道因腐蚀造成泄漏以致 发生事故的情况时有发生；许多城市已经在更换早期建设的管道。 非开挖纺织内衬修复技术是对于已经腐蚀穿孔的管道现场进行非开挖加入纺织 管状内衬，用内部加衬的办法解决管道由于腐蚀造成的泄漏问题。事实上，不论是铸 铁管道还是钢铁管道，经常出现的是接头的泄露或局部的穿孔腐蚀，这样的损坏对于 管道的整体使用强度都不会有太大的影响，管道的绝大部分是非常完好的，仅仅是由 于局部的泄露造成管道的整体运营失效“。这些钢管在厚度上看不出由于腐蚀造成的 减薄，各项强度指标非常完好，存在的问题绝大部分是由于钢管的接头处的施工质量、 及局部破损等造成的腐蚀穿孔“”。对于铸铁管道可以说根本不存在腐蚀问题，造成管 道泄露主要是由于以下原因：( 1 ) 由于输送的介质变化( 湿气改输干气、煤制气改输天 然气) ，管道承插口的密封材料不能适应新的介质要求，接口处出现泄露；( 2 ) 铸铁管 道是刚性材料，随着城市建设的发展、道路的整修及扩建，地下水位的变化等造成地 面的不均匀下沉，原来铺设的铸铁管道也随之出现不均匀的沉降，从而接头处被掰开 缝隙造成管道泄露；( 3 ) 各种工程建设施工对于铸铁管道的机械性破坏“。从上述情 况可以看出；管道存在的问题并非是整体性的，仅仅是由于个别原因造成管道的整体 失效。但是由于管道深埋地下，腐蚀破坏具有随机性及不可见性、输送介质具有危险 性同时又与公众的日常生活密切相关，所以对于管道业主来讲，当某一条管道泄露超 出正常值时，考虑到必须保障城市公众的安全用气，燃气公司必须更换旧的管道。这 样一来势必造成管道资源的极大浪费：同时城市管道铺设工程是真正的市政工程，路 面的开挖给城市的正常运营造成极大的不便，城市市民的正常生活受到干扰；管道的 开挖及重建制造了大量的建筑垃圾，各种噪音、粉尘给城市造成很大污染；而燃气公 司也不得已必须承受由此带来的巨大的经济损失。 2 1 2 采用纺织复合材料内衬管修复管道的具体要求 管道修复工作的最终目的是恢复管道的原设计功能或者增强某些特定功能，延长 管道的使用寿命。为了满足使用与施工要求，达到恢复受损管道原设计功能的目的， 本研究首先根据a s t m ( 美国材料实验协会) 标准f 1 2 1 6 0 3 中内衬软管的要求，即软管 必须是由一层或多层柔性编织物粘和在一起，编织物可以是无纺布、编织布、或无纺 布与编织布组合在一起的材料组成，这种材料要能够携带树脂，且能承受施工的压力 和固化的温度。纺织内衬软管材料必须能与树脂体系相融合，并且要能够延伸开与部 分不规则的管道部位相适宜以及通过管道的弯曲部位。软管的外表面必须有一层塑性 涂层，这种塑性材料应能与所使用的热固性树脂体系相融合。软管必须与待修复的管 道具有相同的长度，并且其直径的大小要能恰好与旧管道的内壁紧贴在一起“。根据 这些要求，必须对纺织复合材料软管的厚度、弹性、强力、纤维材料、结构等进行设 计。 第二章纺织内衬软管结构参数的理论推导 其次，根据燃气管道的形状等具体情况来进行设计。需要修复的燃气管道的形状 通常由直管、弯头、三通、分叉等形状部分组成，针对这些情况，需要设计出符合上 述形状的纺织内衬软管。采用此种技术可修复的管径范围为5 0 一2 7 0 0 m m 、管道长度范 围在7 5 一1 0 0 0 m 。翻衬工艺对纺织内衬软管的要求：操作压力不超过 1 0 0 p s i g ( 6 8 9 k p a ) c 2 0 o 管状纺织复合材料内衬的结构、形状及性能要求随管道的修复方案不同而异，总 的来讲，设计时要重点考虑以下因素。 ( 1 ) 内衬修复对流量的影响。由于内衬层有一定的厚度，所以采用内衬修复后管 道的内径就会有不同程度的缩小。要根据所需修复的强度要求来适当的确定内衬层的 厚度，使厚度尽可能的小，以减小对流量的影响。还可以通过改进内衬层内表面的光 滑程度来研究抵消压力降的影响或者增加液流量o “。 ( 2 ) 内衬修复对于强度的影响。管状纺织复合材料内衬的最终强度是由纺织内衬 软管的织物组织、密度、以及纱线的强力等来决定的，所以对于其强度的设计，要根 据使用要求及上述参数来考虑。 ( 3 ) 内衬软管的拉伸弹性要符合翻衬旋工的要求，并且在弯头处弹性能够适应和 满足弯径的要求，也要紧贴受损管道的内壁且不产生褶皱。 ( 4 ) 内衬软管与原管道的配合情况。要求两者之问配合紧密，不留空隙。与原管 道的配合情况一方面取决于原材料及织物结构，另一方面主要由施工技术和所采用的 树脂来决定。根据a s t m 标准f 1 2 1 6 0 3 ，一般采用非饱和苯乙烯基的热固性树脂和催化 剂体系或者是一种环氧树脂和固化剂体系，树脂的选取应与所采用的翻转工艺相匹配 2 0 】 2 2 纺织内衬软管的厚度设计 采用美国固体力学之父铁木辛柯( t i m o s h e n k o ) 的圆形管厚度计算公式，其计算值 的适用范围是在变形为1 0 三l 内的地下管道。复合材料内衬管厚度设计方法如下“： h ：r i ( 2 - 1 ) 嗣2 7 2 c e lj “ 式中： h ：纺织复合材料内衬管的厚度； d ：原管直径； c ：原管变形饿c = ( 1 - 剐- + 制3 第二章纺织内衬软管结构参数的理论推导 其中：a ：椭圆率a 2 o o ! 塑号磊笋 e l ：复合材料内衬管长期弹性模数； f ：地下水压力( 能够承受来自地下水的液体负荷) ； r ：安全系数； v ：内衬材料的泊松比( 平均0 3 ) 。 从上述公式可以得到，纺织复合材料内衬管厚度h 与原管道管径d 、地下水压力p 等成正比，与材料的抗弯弹性系数e 。成反比。纺织复合材料内衬管由三个主体组成： 纺织内衬软管、树脂与防渗膜，纺织内衬软管要经过压膜与树脂浸渍工艺才能形成刚 性纺织复合材料内衬管。所以要通过实验探讨纺织内衬软管厚度与刚性复合材料内衬 管厚度之间的关系，才能最终确定所要织造的纺织内衬软管的厚度。 2 3 纺织内衬软管的弹性设计 根据a s t m 标准f 1 2 1 6 0 3 ，纺织内衬软管必须能够伸展开与部分不舰则的管道部位 相适宜以及通过管道的弯曲部位”。所以内衬软管必须具有弹性的拉伸变形特点，从 而保证能够将其安装在不规则管段和弯管处。在翻转施工过程中，内衬软管能够向圆 周方向延伸，从而保证内衬软管能够与原管内壁紧密地贴合在一起，在弯管处无褶皱。 假设待修管道有a 。的标准弯头，如图2 1 所示，则纺织内衬软管的总体弹性伸长率可 如下方法确定。 l i 图2 - 1 带有a 。的标准弯头 在管道弯头处，以中轴值为参数基准值弹性伸长率e 计算公式为 e ：生兰。1 0 0 三 ：生生1 0 0 工 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 第二章纺织内衬软管结构参数的理论推导 其中：e ：纺织内衬软管的弹性伸长率 l 。：原管道的外弧长； l ：原管道的内弧长： l ：原管道的中弧长。 压膜后的纺织内衬软管的弹性设计要求不低于上述弹性伸长率e 即可。例如： 假若标准弯头处参数为：a = 4 2 。，管道内直径d 为5 1 3 n t m ，r = i 5 1 ) ，r 为原管道外弧 圆的半径，代入上式，得弹性伸长率e 为2 5 ，则压膜后的纺织内衬软管弹性不低 于2 5 即可。压膜前后的纺织内衬软管弹性之间的关系需要实验进行分析确定。 2 4 纺织内衬软管的强力设计 纺织内衬软管的强力是由纤维的强度、纱线的强度、织物的厚度、织物组织等各 种因素共同决定的。其中，各个因素之间又是互相联系互相影响的。在织物厚度和组 织一定的情况下，可以推导出单根纱线或合纤长丝断裂强度与内衬软管强度之间的定 量关系。 在翻衬过程中，假设压膜后的纺织内衬软管受到的压力为p ( m p a ) 时，则压膜后 的纺织内村软管的受力值o ( 局部应力值) 为： 。：p ( d - h ) ( 2 - 4 、 2 爿 式中：o ：压膜后的纺织内衬软管的局部应力值( 由。如何推算压膜前纺织内衬 管的强力需要实验来进行探讨) ： p ：压膜后纺织内衬软管受到的压力； d ：原管道直径： h ：压膜后的纺织内衬软管厚度。 设压膜前的纺织内衬软管的厚度为h ，可通过实验探讨出h 与h 之间的关系。 织物断裂强度的大小，是由经纬纱强度所决定的。用单根纱线或合纤长丝的断裂 强度计算织物断裂强度的公式为。”： o ：兰：! ：丝：互。9 8 2 1 0 0 0 ( 2 - 5 ) 由式2 5 反推，用织物的断裂强度计算单根纱线或合纤长丝断裂强度的公式为： f 2 1 0 0 0 q p k 一9 8 ( 2 6 ) 其中：q ：织物断裂强度，即极限应力值； f ：单根纱线或合纤长丝的断裂强度； p ：织物的经密或纬密； 第二章纺织内衬软管结构参数的理论推导 k ：纱线的单强在织物中的利用系数； t t ：纱线的特数。 如若织物厚度为h ( m m ) ，按经纬纱密度、紧度相同计算，经纬纱直径d ：h 2 ( 咖) ， 纱线直径与其特数之间换算计算公式为”“： 厅 拈0 0 3 5 6 8 、删 ( 2 _ 7 ) 由公式2 7 可得纱线特数与纱线直径之间的换算公式： i 志卜川 。， 式中：t t ：纱线的特数( t e x ) ； d ：纱线直径； 。：纱线的体积重量。 代入公式2 - 8 得纱线的特数t t ，再把q 、p 、k 、t t 代入织物的断裂强度公式( 2 - 6 ) 计算单根纱线或合纤长丝断裂强度的公式，得单根纱线或合纤长丝断裂强度f ，即选 用原材料时纱线或长丝的强度不低于f 值。 2 5 纺织内衬软管材料的选择与设计 2 5 1 纤维的选择 本课题是对管道的修复，属于纺织材料在产业上的应用，因此首先把性能符合于 服用而不符合管道修复用的棉、麻、丝、毛等纤维排除，把纤维材料限定在工业用的 化学纤维上。工业上常用的化学纤维有：涤纶、锦纶、丙纶、玻璃纤维、芳纶、碳纤 维等。由于本课题对纺织内衬软管主要是强力、弹性方面的要求，所以这里列举了几 种化学纤维的强力与弹性性能，如表2 2 所示。 表2 - 2 化学纤维性能比较 第二章纺织内衬软管结构参数的理论推导 从上表可以看到，玻璃纤维、芳纶与碳纤维，断裂伸长都在5 以下，这对存在 弯头的管道进行修复，其弹性太小，与要求相差太大，不宜用作纺织内衬软管。但是 因为玻璃纤维的强度、刚度很高，而且价格低廉，对于某些特定用途的管道，特别是 直管的修复，可考虑采用玻璃纤维。涤纶、锦纶与丙纶的断裂强度与断裂伸长率相差 不大，均满足要求，但相比之下丙纶的初始模量太小，在受拉伸力很小时抵抗变形的 能力太弱，因此也被排除。因此能满足需要的纤维有涤纶与锦纶。 2 5 2 纱线设计 2 5 2 1 纱线细度 当确定了织物的厚度为h ( i l l m ) 时，在经纬纱线的屈曲波高相同的情况下，涤纶纱 或锦纶纱的直径为d ：h 2 ( m m ) ，由公式( 2 7 ) 可换算为纱线特数值为t t 。 2 5 2 2 纱线捻度 由于作为翻衬用的纺织内衬软管的后续工序中还将进行压膜与浸渍树脂工艺，在 厚度与密度上都有一定要求，因此为了使织物达到厚密型外观，纱线设计为涤纶或锦 纶的弱捻长丝。 2 5 2 3 纱线强度 根据公式2 - 6 可由织物的断裂强度计算单根纱线或合纤长丝的断裂强度即选用 纱线的强力值必须为不小于f 。 2 5 2 4 纱线弹性 纺织内衬软管的弹性变形率要求为e 。由表2 2 可知，涤纶长丝的断裂伸长率 为7 1 7 ，锦纶长丝为2 5 6 5 ，因此可以看出锦纶长丝能够充分的符合一般工程要 求。对于涤纶长丝，其断裂伸长率略小一些，但还可以通过变化织物组织使得其弹性 达到要求。 2 6 纺织内衬软管的织物结构设计 2 6 1 机织内衬软管的织物结构设计 采用机织方法不仅可以制得符合各种尺寸要求的直管道的定径管状织物，还可针 对实际存在的叉口、弯头、三通、变径管道，通过“压扁一织造一还原”法应用双层 组织设计分叉管状织物、弯径管状织物、三通管状织物和变径管状织物。由于管状织 物的设计除须考虑织物的内在质量和外观效应外，还要特别注意保持两侧边缘部位组 织的连续性，这就使得该类织物的设计比较复杂“。 第一二章纺织内衬软管结构参数的理论推导 2 6 1 1 定径管状织物的设计 对修复直管道或者是弯度不太大的管道，可根据直径要求，利用双层织物组织设 计定径管状织物，由于它一次成型，没有接缝，从周围外观看均为同一种组织，而且 组织点连续。纬纱按照管状组织的要求周而复始地循环，依次与上、下层经纱交织， 形成上、下两层织物，同时两侧边缘相接，连续不断，下机后撑开即成无接缝的圆管状 织物“，如图2 2 所示。 图2 2 定径管状结构示意图 本实验共设计了六种组织的管状织物，组织分别为：管状平纹组织、管状斜纹组 织、管状五枚三飞缎纹组织、管状纬起绒组织、管状三纬毛巾组织、管状单层索织圈 绒地毯组织。下面分别进行说明与论述。 ( 1 ) 管状平纹织物 管状平纹组织中，由于经纱和纬纱之间每次丌口都进行交错，使纱线屈曲增多， 经、纬纱的交织最紧密。所以在同样的条件下，管状平纹织物的手感较硬，质地坚牢 ”。在本实验所设计的六种织物组织中，管状平纹组织的经向弹性比较小。 进行此项织造工艺只需要单梭织机即可，本研究的织造是在c s w - 0 3 型电脑织样机 上进行的，穿筘时最边上的筘齿传入l 根经纱，其余筘齿每齿穿入2 根，特线位于幅宽 方向两侧边缘的内侧。表、里组织随投梭方向的变化而变化，如图2