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PE内衬技术在给水管网维修方面应用的探讨

2018-06-27 15:39:04.0 来源:

  1 PE内衬技术应用在给水管网维修方面的必要性和可行性
  以沈阳市配水管网现状来看,老、旧管道仍占有一定比例,维修率和漏失率都非常高,是形成巨大的供、配水产销差率的主要原因,造成水公司运行成本的大幅上涨,资金和资源的浪费。近年来,公司投入巨资进行管网维修改造,但有些地区由于交通、道路、房屋占压等原因使得旧管道的更新异常困难,甚至是不可能的。因此开发管道更新技术市场十分必要。
  为彻底改变以上局面,沈阳市自来水公司引进了国际、国内新兴的PE管道内衬修复技术,通过实践应用证明了PE内衬技术在给水管网维修方面是可行的。
  2 PE内衬技术的工艺特点、理化指标及水力特征
  2.1 PE内衬技术具有以下工艺特点
  (1)同原有管路相比,管阻(沿程水头损失)大大降低。
  (2)使用寿命较长,水质条件好。PE内衬管为高密度聚乙烯高分子材料,无任何添加剂和挥发物
  质,可保证水质,并可保证50a使用寿命。
  (3)耐压力相对较高。PE管自身可抗3kg/cm2,加上原有管道可承受较大压力。
  (4)良好的抗弯、抗剪、抗拉伸率,可适用于地质结构复杂的环境中。
  (5)一次性施工段长,最长可达1km。
  (6)防腐蚀性强,可用于特殊环境中。
  (7)适应性强,对钢管、铸铁管、铅管、水泥管、PVC管等均适用。
  (8)耐磨力强,输送矿渣、固体物料的耐磨性是钢管的4倍以上。
  2.2 HDPE衬管的理化性能指标
  HDPE衬管的理化性能指标见表1。
  表1 理化性能指标
  序号    理化指标    单位    典型值    测定标准
  1     密度      g/cm3   0.958     ISO18721
  2    熔体流动速率   g/10min   0.12    ISO1133cond.4
  3    拉伸屈服强度    Mpa     23    ISO52750mm/min
  4    断裂伸长率     %     >500    ISO52750mm/min
  5    耐环境应力开裂   H     >1000    ASTMD1693B
  6    氧化诱导时间    Min    >20     ISOTR10837
  7    热胀系数     10℃~5℃  11~16
  8    弹性模量      Mpa   552~758
  9    脆化温度      ℃     -70
  10    泊松比      0.45
  11    介电强度     KV/mm    >20
  12   长期静压强度     Mpa    ≥8.0     20℃,50a
  2.3 PE管的水力特性
  根据流体力学原理可知,管道中水的流量同管道的压力、管径及管道壁摩擦阻力和管件的局部阻力等均相关。不同材质管道的摩擦损失及局部损失均不同,同一材质(尤其是钢、铸铁管)
  由于内壁表面腐蚀、结垢等因素,沿程水头损失增加,摩擦阻力随年限的增加而大大增加,过水断面流量则随之逐步减少。对衬管前后水阻及流量变化进行计算如下    (1)水力坡降
  达西—威斯巴赤公式:i=λ·v2/2gD(1)
  i——水力坡降
  v——平均流速(m/s)
  λ——摩阻系数
  g——(m/s2)
  D——管内径(m)
  λ=0.11(K/d + 68/Re)0.25(2)
  K——管内壁绝对粗糙度(mm)
  聚乙烯管取K=0.11mm;球墨铸铁管新管取K=0.06mm;铸铁管道运行20年后K值将增大到5~10倍(本次计取中取6倍),聚乙烯管由于无腐蚀,其K值不随时间变化而变化。
  Re=vD/r(3)
  Re——雷诺数
  d ——管内径(m)
  我们设定管内水流速v=1m/s,r=1.3*10m2/s(水温10℃),铸铁管内径D=300mm,聚乙烯内衬管径D=286mm,套用公式(1)(2)(3)可推算出铸铁管新管、运行20年后旧管及经HDPE衬管后内衬管的水力坡降分别为:
  ①球墨铸铁新管:     i=0.0028m
  ②运行20年后铸铁管:i=0.0037m
  ③HDPE内衬管:i=0.0026m
  由此可见,HDPE内衬管虽然内径较铸铁新管小14mm,但其沿程阻力损失却小于铸铁新管,同旧管相比沿程阻力损失更是下降了30%。
  (2)流量变化测定
  管网的流量同管径、阻力损失、流速有关。我们在上面水力坡降测算的基础上,继续推算流量变化情况。 海登—威廉公式: Q=0.27852.63i0.54(4)
  Q——管流量(m3/s)
  C——海登—威廉摩阻值。
  假设v=1.2m/s,PE管C=155(不随时间变化),球墨铸铁管新管C=130,运行30a后C=90。将前面计算中i值代入(4)中,则可以得出下面结果:
  ①球墨铸铁管新管   Q=230m3/h
  ②运行30年后铸铁管Q=185m3/h
  ③HDPE内衬管Q=230m3/h
  以上结果表明,经HDPE内衬修复后,修复段输水能力不仅完全可以做到新铺铸铁管的输水能力,而且可保持50年输水能力无大变化,比旧管输水能力增加20%。因衬管后水阻力损失减小,还可提高末端的管网运行压力。此外内衬管提高原有管道的耐压值,在可能的情况下还可以提高管网运行压力,增加管路输水能力。 综上,PE内衬管可降低管网沿程水头损失30%,同时提高输水能力20%,综合水力特性优于新铺管道,同时可保持50a不变,造价又可以较新建管路下降40%以上,具有极高的经济效益和社会效益。
  3 PE内衬修复技术的实际应用
  选定沈阳市东陵区炮兵学校一条漏水严重并已多次维修的管线进行内衬修复。
  3.1 管道现状
  修复段管道为铸铁管,其直径300mm,长350m。经现场观测管道内壁结垢较为严重,运行压力低于0.2MPa,腐蚀状况不详,承压能力不详。
  3.2 施工工艺流程
  管线勘察定位作业区划分作业坑开挖管线切割敷设临时管线清管及检测问题区
  段处理内衬修复、U型预制、管段焊接CCTV检测试压连接补口工程验收拆除临时线
  回填作业坑砌井室。
  3.3 现场施工过程
  (1)确定作业坑15m×2m×2m两个,整个管道350m划分为一个作业段。
  (2)在作业段首、末端加一个闸阀,用DN200PE管做临时跨越管线,保证不间断供水。
  (3)采用菊花型刮刀将管道内壁的锈垢刮除干净。
  (4)先将内衬管焊接成整管,用专用压凹机将预焊好的内衬PE管压成U型,然后使用专用绷
  带缠绕,利用牵引机导入原有管道中,待穿越完成后,两面封堵,用高温高压使塑料管复原,最后使其完全贴附在原有管道上,形成钢塑复合管线。
  (5)修复后管道内部情况用CCTV系统(管道内窥镜)进行检测,达到表面状态基本光滑平整、紧密,与原管道内壁粘合较好。  
      (6)管道修 复后的水压试验符合现行行业标准《城镇给水输配工程施工及验收规范》之水压试验的规定,强度试验符合现行行业标准《给水用聚乙烯管材》      (GBH13663—2000)的有关规定,内衬材料符合国家有关卫生标准(GB/T17219)。
  (7)工期10d,比重新铺设管路缩短工期。
  (8)本工程造价26万元,若按传统维修方法工程造价为51万元,节约工程资金近50%。
  4 结论
  经实践证明,PE内衬技术具有以下特点:
  (1)避免大面积开挖和避开不利地段施工;
  (2)衬管使用寿命长;
  (3)投资较小,据我们测算及国内有关施工项目核算,60%以上内衬修复工艺的费用为新铺管道综合费用的40%~60%;
  (4)施工周期短;
  (5)对周边环境和交通影响较小;
  (6)翻新管道长期漏水机率低;
  (7)抗环境变化力强;
  (8)水质良好,无二次污染;
  (9)水阻力小、耐压力高;
  (10)工程造价相对较低。
  以上这些特点使该项技术在给水管网的修复方面具备良好的发展前景,会带来可观的经济效益和社会效益。因此应大力推广开发这项技术,使其更全面的服务于我们的城市建设和发展。
换向阀双阀芯控制技术的使用
  传统换向阀的进出油口控制通过一根阀芯来进行,两油口听开口对应关系早在阀芯设计加工时已确定,在使用过程中不可能修改,从而使得通过两油口的流量或压力不能进行独立控制,互不影响。
  随着微处理控制器、传感器元件成本的下降,控制技术的不断完善,使得双阀芯控制技术在工程机械领域得以应用。英国Utronics公司利用自己的技术及专利优势研制出双阀芯多路换向阀,已广泛应用于JCB、Deere、DAWOO、CASE等公司的挖掘机、*车、装载机及挖掘装载机等产品上。为适应中国工程机械产品对液压系统功能要求。稳定性以及自动化控制程度的不断提高,Utronics公司产品适时进入中国市场,现已初步完成厦工(5t)装载机、詹阳(8t)挖掘机样机调试并进入试验阶段。
  1、传统单阀芯换向阀的缺陷
  传统的单阀芯换向阀所组成的液压系统难以合理解决好以下功能和控制之间存在的矛盾:
  (1)液压系统设计时为提高系统稳定性,减少负载变化对速度的影响,要么牺牲部分我们想实现的功能,要么增加额外的液压元件,如调速阀、压力控制阀等,通过增加阻尼,提高系统速度刚度来提高系统的稳定性。但是这样元件的增加又会降低效率,浪费能源;还会使得整个系统的可*性降低、增加成本。
  (2)由于换向结构的特殊性,使得用户在实现某一功能时必须购买相应的液压元件,再加上工程机械厂家会根据不同最终用户要求设计出相应的功能,这样会造成生产厂家采购同类、多规格的液压控制元件来满足不同功能要求的需要,不利于产品通用化及产品管理,同时会大大提高产品成本。
  (3)由于执行机构进出液压油通过一根阀芯进行控制,单独控制执行机构两侧压力是不可能的。因此,出油侧背压作用于执行机构运动的反方向,随着出油侧背压升高,为保质执行机构的运动,必须提高进油侧压力。这样会使得液压系统消耗的功能增加,效率低,发热增加。
  采用双阀芯技术的液压系统,由于执行机构进出油侧阀口阀芯位置及控制方式各自独立,互不影响,这样通过对两阀芯控制方式的不同组合,利用软件编程能很好解决传统单阀系统不能解决的问题,同时还可以轻易实现传统液压系统中难以实现的功能。
  2、双阀芯换向阀的两种基本控制策略
  由于双阀芯换向两油口控制的灵活性,两油口可分别采取流量控制、压力控制或流量压力控制。正面介绍两种简单的控制策略。
  (1)负载方向在整个工作过程中保持不变
  我们知道,对于汽车起重机、挖掘机、装载机等而言,其液压缸在整个工作过程中负载方向始终维持不变。下面以起重机变幅液压缸为例来探讨双阀芯的控制策略。
  起重机变幅缸在工作过程中其受力,负载方向始终保持不变,因此我们可以采取液压缸有杆控用压力控制、无杆腔用流量控制的控制策略。
  无杆腔流量控制是通过检测连接到无杆腔侧阀前后两侧的压差,再根据所需流入或流出流量的多少,计算出阀芯开口大小;有杆腔侧采用压力控制,使该侧维持一个低值的压力,使得更加节能、高效。
  由于我们在无杆腔采用了流量控制,因此原控制系统中所用的平衡阀可用一个液控单向阀来代替。这样可消除因平衡阀所带来的系统不稳定,从而提高系统稳定性。
  (2)负载方向在工作过程中发生改变
  在这种情况下,采取“进油侧压力控制,出油侧流量控制”,在液压缸有杆腔侧用压力控制,无杆腔侧有流量控制。
  如负载方向不变,由于出油侧采取了流量控制,我们可将双向平衡阀用液控单向阀来替换,从而提高系统的稳定性。进油侧用压力控制器来维持一个较低的参考压力,一方面提高系统效率,另一方面使系统不发生气穴。
  为了使负载方向变化的工作机构能得到很好控制,另外一个PI控制器将被运用到有杆腔的压力控制器中,当负载方向改变后,无杆腔的压力将减小;如果仍将有杆腔维持一个很低的压力,当负载很大时,液压缸将向反方向运动。此时我们可用所增加的PI控制器监视无杆腔压力的变化,当PI控制器检测到无杆腔压力低于所设定的参考值时,将提高有杆腔压力控制器所设定的压力,从而保证系统的正常工作。
  3、Ultronics液压控制系统
  Ultronics公司是一家集设计、研究和制造的电子液压技术公司。其液压控制系统采用了CAN总线通信,双阀芯控制技术,通过两个阀芯的组合控制,可实现对执行机构多种控制,以提高系统的稳定性,降低能源损耗,同时还可使得系统更加简单,降低成本,加快产品开发速度,这些都是传统的电子系统所不能做到的。
  Ultronics控制系统的硬件一般由操纵手柄、电控单元ECU、调节阀、双阀芯液压阀组和外接传感器或开关等组成,其间通过CAN总线通信,液压阀组为电控系统与液压系统的交汇点,系统的另一个重要组成部分就是软件。
  手柄为光电非接触形式,最多可带4个比例输出或2个比例输出和最多5个开关。开关有比例式和自锁式供选择。其防护等级达到了IP67。手柄的延时特性、输出曲线和死区等可通过专用软件JoyVal进行修改。
  电控单元ECU其供电压有12V和24V两种,25路和50路两种接口,提供模拟与数字输入、输出接口,同时该电控单元还提供了CAN信接口,使得系统可以接收传感器或控制信号或与其它系统进行连接。ECU中存储了系统控制所需的所有应用程序,该应用程序可将来自于手柄或连接于ECU上的其它器件和信号(如传感器检测信号、发动机控制系统信息等),经处理后转换成各个阀芯动作的指令。
  Ultronics控制系统的关键在于其独特的双阀芯控制技术,每片阀有两个阀芯,相当于将一个三位四通阀变成两个三位三通阀的组合,两个阀芯既可单独控制,也可根据控制逻辑进行成对控制,并且两个工作油口都有压力传感器,每一个阀芯都有位置传感器,通过对传感信号的闭环控制可以分别对两路液压油的压力或流量进行控制,具有很高的控制精度,通过不同的组合可以得到许许多多的控制方案,以满足系统的需要。
  每片阀都有两个完整的设置好的混合信号ASIC(模拟型专用集成电路)和一个RISC(精简指令处理器)。这些控制器给传感器提供激励和补偿、给控制传动装置提供动力、提供阀芯控制软件以及CAN总线通信。阀芯动作控制策略以及具体的参数可由用户根据被控执行元件的要求进行设置或修改。控制阀接收到指令后,其内嵌式处理器就运行阀芯动作控制软件实现设定的机能,多个阀间的功能协调是由ECU完成的,从而实现复杂的系统功能。这种分级控制方式使系统的应用具有非常好的灵活性,同时易于构建复杂的控制系统。
  Ultronics控制系统功能的多样性是通过应用软件实现的,通过有针对性的编制控制软件。Ultronics控制系统可实现的功能是极其广泛的。履带挖掘机、轮式挖掘机、装载机等先进机型在操作舒适性、作业效率、作业成本消耗、故障诊断、环境保护等方面所做的努力,比如发动机状态与液压系统的适应控制、特定作业功能等,采用Ultronics系统都可实现。
  总之,通过CAN总线通讯、独特的双阀芯结构和压力、位移传感器的应用以及压力或流量的闭环控制技术、Ultronics公司的电子液压控制系统使工程机械控制系统在功能的多样性、实现的灵活性、较低的性价比以及控制理念、维修模式等诸多方面都将引发一次革命性的变化。
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