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【摘要】本文为抗腐、耐磨、抗耗损管道的防腐和修复提供了一种最经济和有效的解决方法。详细介绍了异径HDPE管缩径穿插自动复原贴合技术和高温压制复合法兰接口技术及其配套设备和工艺。该技术为国内首创，适用于陆上和海上的各种管道(天然气管道、输油管道、注水管道、排污管道、煤气管道、自来水管道等)的防腐和再建，开辟了管道防腐和修复的新领域。
关键词：HDPE管；穿插；修复；管道；原理；工艺；复合；腐蚀；耐磨
1、前言
高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，以后简称HDPE）塑料管具有极好的化学稳定性、超低的摩擦阻力系数、优异的耐磨性能和良好的抗冲击性能以及适应温度范围较宽、承压能力好、耐老化等突出的优点，因此在管道工业界越来越得到广大使用者的高度重视。
对腐蚀严重或泄露的旧铁管和钢管，内衬HDPE构成结构性复合管，可达到恢复管线功能、延长使用寿命的目的。性能优异的HDPE管能大幅度地提高在线旧管道的承压能力、耐腐蚀性能和输送能力，而修复成本仅为新建管线综合费用的50%左右。因此，内衬HDPE管修复在线旧管道，具有明显的经济效益和社会效益。尤其是在城市不可开挖地段对不能以新汰旧的管线进行重建的情况下，效益更为显著。
为此，胜利油田供水公司技术人员与山东柯林瑞尔管道工程有限公司紧密协作，从1994年开始，借助石油大学技术力量雄厚、实验设备先进的优势，对穿插HDPE管修复在线旧管道技术进行了研究，开发出异径HDPE管缩径穿插自动复原贴合技术和高温压制复合法兰接口技术，取得了十余项国家发明专利，开创了管道防腐或修复技术的又一新领域。该技术为国内首创，可成功地解决供气、供水、排污及酸碱输送管道的防腐在线旧管道的修复问题。
2、原理与方法
2.1异径HDPE管缩径穿插自动贴合技术
异径HDPE管缩径穿插自动贴合技术的原理如图1所示。
该技术设计使用热塑性HDPE管，它具有变形后能自动恢复原始物理形态的特性。选用的内衬HDPE管的外径比待修复主管道的内径略大一些。穿插时，让连接好的HDPE管首先通过专门设计的滚轮缩径机。从缩径机出来的HDPE管的直径将缩小10%左右，小于待修复主管道的内径。直径比主管道内径小的HDPE管，在一定的牵引力和一定的速度下很容易拉入主管道。拉力撤消以后，聚乙烯管慢慢恢复到原来的直径，数小时后内管与外管紧紧结合在一起。
实验表明，HDPE管从缩径机出来时，直径稍微有些增大，而后在一定的拉伸力作用下，直径便稳定在所设计的数值，直到拉力被撤消。在整个穿插过程中直径的变化规律如图2所示。
图2穿插过程中HDPE管直径的变化
对于一定的收缩比，所需的拉伸力与HDPE管的屈服强度和横截面积成正比关系：
式中： —拉伸力，千牛；
—系数，取值与HDPE管的直径和收缩比有关；
—HDPE的屈服强度，千牛/平方厘米；
A—HDPE管的横截面积，平方厘米。
在穿插过程中，为确保HDPE管不被拉断，最大拉伸力不以超过材料屈服强度的二分之一。据此由公式可以计算出对应于一定直径和收缩比的HDPE管的最大允许壁厚。
2.2无法兰特殊接头连接技术和高温压制复合法兰接口技术
管道的连接设计使用在管端高温压制聚乙烯与钢法兰紧密结合的
复合法兰的连接方法，如图3所示。
图3复合法兰连接方法
首先，将多余的HDPE管按预定的长度切下，聚乙烯隔热加固垫安装在伸出的HDPE管上，再加一个限流金属环。然后，用专门设计的复合法兰高温压制装置，将伸出的HDPE管加热到压缩成型所需的温度，压缩HDPE管形成聚乙烯与钢法兰紧密结合的复合法兰，用以连接相邻的两段管道。
这种管道连接方法通过衬管与主管法兰端面拟合，可在衬管与主管之间和两管段之间形成有效的密封，具有很高的承压能力。
2.3主要设备
2.3.1缩径机
用于暂时缩小HDPE管的直径。设计的缩径机由变频调速电机驱动的多级滚压轮构成，靠滚轮滚压缩径。本设计具有能耗低、无级变速、速度自动耦合、操作简单方便、运行可靠等特点。HDPE管通过缩径机后，直径可缩小10%。
2.3.2牵引装置
设计的牵引装置由绞车、导向滑轮、钢丝绳和牵引头等组成。绞车为柴油机驱动，能自动显示和记录牵引力、牵引速度和长度，最大可提供400千牛的牵引力。
2.3.3热熔焊机采用热熔焊技术连接HDPE管。为了形成连续长度（每根约12米长的HDPE管需要仔细地进行熔融对接，并对每一道焊缝进行探伤检查，外部焊道应光滑无裂缝。实验表明，熔融焊接处的强度高于管体本身的强度。
2.3.4复合法兰高温压制装置
该装置由加热系统、液压系统和固定系统组成。可将聚乙烯衬管加热到一定温度后压紧在主管法兰端面上，构成紧密结合的复合法兰，在相邻两管段之间实现有效连接。
2.3.5管内自动摄像探测系统
该系统可在管内跨越障碍物爬行3公里以上，并通过遥控系统对管内的状况进行三维摄像，可准确地探测出管内结垢、锈层及接口、铸馏等情况，这对铸铁管和水泥管的修复尤为重要。
2.3.6 管线物理清洗设备
从美国进口的高压水射流清洗设备及长输管线PIG物理清洗除馏系统，可有效地清除管内污垢、锈层、铸馏及焊馏，为穿插成功提供保证（管道清洗前后效果对比）。
3、施工工艺
施工前，设计和工程技术人员首先应沿着旧管线铺设路径进行现场勘察，对管线的历史、目前的状况及周围环境等做详细的调研，确定合适的开挖地点和切断位置，作好工程设计和施工计划，然后按设计和计划进行施工。异径HDPE管穿插法修复在线旧管道的施工工艺方法如下：
3.1旧管线改造和处理
首先，按设计的长度开挖断开旧管道，并在管段的两端焊接法兰盘或特殊接头。开挖断开长度根据选用的HDPE管的直径、壁厚、屈服强度和现场环境条件来确定。推荐的管段长度一般不超过1000米。若管段过长，HDPE管可能会承受较大的拉应力，以至于超过其屈服强度而受到损伤。其次，对管道进行清洗，彻底清除管道内的杂物、管壁上的结垢、锈层及其它附着物。推荐采用PIG物理清洗工艺，清洗速度快、质量好，并能起到通径的作用。
3.2HDPE管焊接和检查
在现场将单根HDPE管连接成一定长度的管段，连起来的HDPE衬管段比待修复的主管段至少要长30米。焊接完后，要切除HDPE管在热熔焊接时所产生的焊瘤，使其表面光滑平整以保证穿插顺利和紧密贴合。整体接好后，HDPE管进行探伤和试压检查，确保衬管连接质量。
3.3试样HDPE管段试穿插
正式穿插前，先用一段试样HDPE管段进行试穿插，主要目的是：（1）检查待修复主管的通径；（2）确定摩擦阻力的大小；（3）检查试样衬管的表面损伤情况，了解待修主管的内表面状况。若试穿插遇阻或者表面损伤严重，须对待修主管做进一步的处理。
3.4缩径穿插HDPE衬管
将牵引头固定在HDPE衬管的首端，接好牵引缆绳。同步启动缩径机和牵引绞车，按照规定的速度均匀牽引HDPE衬管通过缩径机缩径后进入待修主管道的一端，从另一端拉出设计的长度。在穿插过程中，操作者要严格监控HDPE衬管段的应力大小，防止超过其拉伸屈服极限。
3.5压制复合法兰
穿插结束后，立即用复合法兰高温压制成型装置在管段两端压制复合法兰。这一工序要在HDPE衬管尚未完全复原贴合之前完成。这样，HDPE管完全复原后所产生的拉伸力可使聚乙烯法兰盘与主管法兰更加紧密地贴合在一起。当相邻的两段旧管道内衬完毕后，用螺栓将相邻的一对法兰连接在一起。
3.6弯头及三通
对于管线中的弯头和三通一般需进行改造，预制和原管线相匹配的防腐弯头及三通；而对于大于135°的弯头，无需进行改造，可直接进行穿插。
3.7收尾工作
试压，回填，试运行，验收合格后结束。
3.8应用情况
（1）胜利油田供水公司仙河镇dn200--dn500供水管线改造8500米，2009年7月1日开工，2009年9月1日竣工投产。
（2）胜利油田供水公司八分场北线dn500---dn400供水管线内衬修复6000米，2009年3月5日开工，2009年4月29日竣工投产
（3）胜利油田供水公司胜兴dn500供水管网内衬1000米，1010年7月9日开工，2010年7月30日竣工投产。
（4）大港油田采油三厂小六站新铺设外输管线内衬工程，dn200油水混输管线5200米，2010年6月20日开工，同年8月18日竣工投产。
（5）胜利油田临盘采油厂采油二矿商70-1外输管线内衬工程，修复dn200油水混輸管线3000米，开竣工日期2010年4月20日--5月30日。
（6）大港油田dn500港沧天然气管线6236米内衬HDPE修复工程，开竣工日期2009年8月10日---9月10日。
（7）山东曲阜市自来水公司东104国道dn500水泥供水管线内衬工程2300米，开竣工日期2010年3月5日----2010年4月15日。
4、技术特点与经济效益
异径HDPE管穿插法修复在线旧管道技术具有以下特点：
(1)、HDPE管材化学稳定性极好，一般的酸、碱等因素都不会使其腐蚀或损坏，也不会滋生细菌、微生物或结垢生锈，管材本身无毒。
(2)、优异的耐磨性能：德国用分别含有7﹪和14﹪石英沙的水（流速为7米/秒）对HDPE管及钢管进行了磨损实验，结果表明，HDPE管的耐磨性为钢管的4倍。
(3)、HDPE管的摩擦阻力系数极小，达到相同的输送流量，HDPE管的内径只需达到新不锈钢管的96﹪，球墨铸铁管的93.6﹪，使用10～20年球墨铸铁管的87.8﹪，水泥管的90.7﹪。
(4)、衬有HDPE管的管系具有较高的承压能力：壁厚为7mm的旧钢管（多处
穿孔，最大穿孔直径为12mm）内衬HDPE管后，承压能力达到3MPa。
(5)、由衬管形成法兰，密封性好。
(6)、施工周期短，减少停产时间；
(7)、一次修复距离长，开挖量和断开点少；
(8)、适用于直径3～36英寸的各种管道。
应用该技术修复在线旧管道，可大幅度降低综合成本(约为新建管线综合费用的50%左右)，明显提高管道的使用寿命(长达50年)，具有显著的经济效益和社会效益。
5、流量计算公式
Hazzen-Williams公式
Q＝0.2785 Cd2.63i0.54
Q—流量, m3/s ;
C—Hazzen-Williams摩阻值;
d—管内径,m ;
i—水力坡降,m/m
不同管材，C值不同：
PE、PP等热塑性管C＝155（不随时间运行变化）
钢管（新）C＝130－145
（30年）C＝115
球墨铸铁管（新）C＝130
（30年）C＝90
6、结束语
异径HDPE管穿插法修复在线旧管道技术为国内首创，为腐蚀和磨蚀严重的钢铁管的防腐和修复提供了一种经济有效的手段。该技术可成功地用来修复直径在3到36英寸(即75毫米至于900毫米)的多种的管道(如天然气管道、输油管道、注水管道、排污管道、煤气管道、自来水管道等)，可应用于市政、油田、电力、化工等行业的管道防腐与再建。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：HDPE管；穿插；修复；管道；原理；工艺；复合；腐蚀；耐磨
1、前言
高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，以后简称HDPE）塑料管具有极好的化学稳定性、超低的摩擦阻力系数、优异的耐磨性能和良好的抗冲击性能以及适应温度范围较宽、承压能力好、耐老化等突出的优点，因此在管道工业界越来越得到广大使用者的高度重视。
对腐蚀严重或泄露的旧铁管和钢管，内衬HDPE构成结构性复合管，可达到恢复管线功能、延长使用寿命的目的。性能优异的HDPE管能大幅度地提高在线旧管道的承压能力、耐腐蚀性能和输送能力，而修复成本仅为新建管线综合费用的50%左右。因此，内衬HDPE管修复在线旧管道，具有明显的经济效益和社会效益。尤其是在城市不可开挖地段对不能以新汰旧的管线进行重建的情况下，效益更为显著。
为此，胜利油田供水公司技术人员与山东柯林瑞尔管道工程有限公司紧密协作，从1994年开始，借助石油大学技术力量雄厚、实验设备先进的优势，对穿插HDPE管修复在线旧管道技术进行了研究，开发出异径HDPE管缩径穿插自动复原贴合技术和高温压制复合法兰接口技术，取得了十余项国家发明专利，开创了管道防腐或修复技术的又一新领域。该技术为国内首创，可成功地解决供气、供水、排污及酸碱输送管道的防腐在线旧管道的修复问题。
2、原理与方法
2.1异径HDPE管缩径穿插自动贴合技术
异径HDPE管缩径穿插自动贴合技术的原理如图1所示。
该技术设计使用热塑性HDPE管，它具有变形后能自动恢复原始物理形态的特性。选用的内衬HDPE管的外径比待修复主管道的内径略大一些。穿插时，让连接好的HDPE管首先通过专门设计的滚轮缩径机。从缩径机出来的HDPE管的直径将缩小10%左右，小于待修复主管道的内径。直径比主管道内径小的HDPE管，在一定的牵引力和一定的速度下很容易拉入主管道。拉力撤消以后，聚乙烯管慢慢恢复到原来的直径，数小时后内管与外管紧紧结合在一起。
实验表明，HDPE管从缩径机出来时，直径稍微有些增大，而后在一定的拉伸力作用下，直径便稳定在所设计的数值，直到拉力被撤消。在整个穿插过程中直径的变化规律如图2所示。
图2穿插过程中HDPE管直径的变化
对于一定的收缩比，所需的拉伸力与HDPE管的屈服强度和横截面积成正比关系：
式中： —拉伸力，千牛；
—系数，取值与HDPE管的直径和收缩比有关；
—HDPE的屈服强度，千牛/平方厘米；
A—HDPE管的横截面积，平方厘米。
在穿插过程中，为确保HDPE管不被拉断，最大拉伸力不以超过材料屈服强度的二分之一。据此由公式可以计算出对应于一定直径和收缩比的HDPE管的最大允许壁厚。
2.2无法兰特殊接头连接技术和高温压制复合法兰接口技术
管道的连接设计使用在管端高温压制聚乙烯与钢法兰紧密结合的
复合法兰的连接方法，如图3所示。
图3复合法兰连接方法
首先，将多余的HDPE管按预定的长度切下，聚乙烯隔热加固垫安装在伸出的HDPE管上，再加一个限流金属环。然后，用专门设计的复合法兰高温压制装置，将伸出的HDPE管加热到压缩成型所需的温度，压缩HDPE管形成聚乙烯与钢法兰紧密结合的复合法兰，用以连接相邻的两段管道。
这种管道连接方法通过衬管与主管法兰端面拟合，可在衬管与主管之间和两管段之间形成有效的密封，具有很高的承压能力。
2.3主要设备
2.3.1缩径机
用于暂时缩小HDPE管的直径。设计的缩径机由变频调速电机驱动的多级滚压轮构成，靠滚轮滚压缩径。本设计具有能耗低、无级变速、速度自动耦合、操作简单方便、运行可靠等特点。HDPE管通过缩径机后，直径可缩小10%。
2.3.2牵引装置
设计的牵引装置由绞车、导向滑轮、钢丝绳和牵引头等组成。绞车为柴油机驱动，能自动显示和记录牵引力、牵引速度和长度，最大可提供400千牛的牵引力。
2.3.3热熔焊机采用热熔焊技术连接HDPE管。为了形成连续长度（每根约12米长的HDPE管需要仔细地进行熔融对接，并对每一道焊缝进行探伤检查，外部焊道应光滑无裂缝。实验表明，熔融焊接处的强度高于管体本身的强度。
2.3.4复合法兰高温压制装置
该装置由加热系统、液压系统和固定系统组成。可将聚乙烯衬管加热到一定温度后压紧在主管法兰端面上，构成紧密结合的复合法兰，在相邻两管段之间实现有效连接。
2.3.5管内自动摄像探测系统
该系统可在管内跨越障碍物爬行3公里以上，并通过遥控系统对管内的状况进行三维摄像，可准确地探测出管内结垢、锈层及接口、铸馏等情况，这对铸铁管和水泥管的修复尤为重要。
2.3.6 管线物理清洗设备
从美国进口的高压水射流清洗设备及长输管线PIG物理清洗除馏系统，可有效地清除管内污垢、锈层、铸馏及焊馏，为穿插成功提供保证（管道清洗前后效果对比）。
3、施工工艺
施工前，设计和工程技术人员首先应沿着旧管线铺设路径进行现场勘察，对管线的历史、目前的状况及周围环境等做详细的调研，确定合适的开挖地点和切断位置，作好工程设计和施工计划，然后按设计和计划进行施工。异径HDPE管穿插法修复在线旧管道的施工工艺方法如下：
3.1旧管线改造和处理
首先，按设计的长度开挖断开旧管道，并在管段的两端焊接法兰盘或特殊接头。开挖断开长度根据选用的HDPE管的直径、壁厚、屈服强度和现场环境条件来确定。推荐的管段长度一般不超过1000米。若管段过长，HDPE管可能会承受较大的拉应力，以至于超过其屈服强度而受到损伤。其次，对管道进行清洗，彻底清除管道内的杂物、管壁上的结垢、锈层及其它附着物。推荐采用PIG物理清洗工艺，清洗速度快、质量好，并能起到通径的作用。
3.2HDPE管焊接和检查
在现场将单根HDPE管连接成一定长度的管段，连起来的HDPE衬管段比待修复的主管段至少要长30米。焊接完后，要切除HDPE管在热熔焊接时所产生的焊瘤，使其表面光滑平整以保证穿插顺利和紧密贴合。整体接好后，HDPE管进行探伤和试压检查，确保衬管连接质量。
3.3试样HDPE管段试穿插
正式穿插前，先用一段试样HDPE管段进行试穿插，主要目的是：（1）检查待修复主管的通径；（2）确定摩擦阻力的大小；（3）检查试样衬管的表面损伤情况，了解待修主管的内表面状况。若试穿插遇阻或者表面损伤严重，须对待修主管做进一步的处理。
3.4缩径穿插HDPE衬管
将牵引头固定在HDPE衬管的首端，接好牵引缆绳。同步启动缩径机和牵引绞车，按照规定的速度均匀牽引HDPE衬管通过缩径机缩径后进入待修主管道的一端，从另一端拉出设计的长度。在穿插过程中，操作者要严格监控HDPE衬管段的应力大小，防止超过其拉伸屈服极限。
3.5压制复合法兰
穿插结束后，立即用复合法兰高温压制成型装置在管段两端压制复合法兰。这一工序要在HDPE衬管尚未完全复原贴合之前完成。这样，HDPE管完全复原后所产生的拉伸力可使聚乙烯法兰盘与主管法兰更加紧密地贴合在一起。当相邻的两段旧管道内衬完毕后，用螺栓将相邻的一对法兰连接在一起。
3.6弯头及三通
对于管线中的弯头和三通一般需进行改造，预制和原管线相匹配的防腐弯头及三通；而对于大于135°的弯头，无需进行改造，可直接进行穿插。
3.7收尾工作
试压，回填，试运行，验收合格后结束。
3.8应用情况
（1）胜利油田供水公司仙河镇dn200--dn500供水管线改造8500米，2009年7月1日开工，2009年9月1日竣工投产。
（2）胜利油田供水公司八分场北线dn500---dn400供水管线内衬修复6000米，2009年3月5日开工，2009年4月29日竣工投产
（3）胜利油田供水公司胜兴dn500供水管网内衬1000米，1010年7月9日开工，2010年7月30日竣工投产。
（4）大港油田采油三厂小六站新铺设外输管线内衬工程，dn200油水混输管线5200米，2010年6月20日开工，同年8月18日竣工投产。
（5）胜利油田临盘采油厂采油二矿商70-1外输管线内衬工程，修复dn200油水混輸管线3000米，开竣工日期2010年4月20日--5月30日。
（6）大港油田dn500港沧天然气管线6236米内衬HDPE修复工程，开竣工日期2009年8月10日---9月10日。
（7）山东曲阜市自来水公司东104国道dn500水泥供水管线内衬工程2300米，开竣工日期2010年3月5日----2010年4月15日。
4、技术特点与经济效益
异径HDPE管穿插法修复在线旧管道技术具有以下特点：
(1)、HDPE管材化学稳定性极好，一般的酸、碱等因素都不会使其腐蚀或损坏，也不会滋生细菌、微生物或结垢生锈，管材本身无毒。
(2)、优异的耐磨性能：德国用分别含有7﹪和14﹪石英沙的水（流速为7米/秒）对HDPE管及钢管进行了磨损实验，结果表明，HDPE管的耐磨性为钢管的4倍。
(3)、HDPE管的摩擦阻力系数极小，达到相同的输送流量，HDPE管的内径只需达到新不锈钢管的96﹪，球墨铸铁管的93.6﹪，使用10～20年球墨铸铁管的87.8﹪，水泥管的90.7﹪。
(4)、衬有HDPE管的管系具有较高的承压能力：壁厚为7mm的旧钢管（多处
穿孔，最大穿孔直径为12mm）内衬HDPE管后，承压能力达到3MPa。
(5)、由衬管形成法兰，密封性好。
(6)、施工周期短，减少停产时间；
(7)、一次修复距离长，开挖量和断开点少；
(8)、适用于直径3～36英寸的各种管道。
应用该技术修复在线旧管道，可大幅度降低综合成本(约为新建管线综合费用的50%左右)，明显提高管道的使用寿命(长达50年)，具有显著的经济效益和社会效益。
5、流量计算公式
Hazzen-Williams公式
Q＝0.2785 Cd2.63i0.54
Q—流量, m3/s ;
C—Hazzen-Williams摩阻值;
d—管内径,m ;
i—水力坡降,m/m
不同管材，C值不同：
PE、PP等热塑性管C＝155（不随时间运行变化）
钢管（新）C＝130－145
（30年）C＝115
球墨铸铁管（新）C＝130
（30年）C＝90
6、结束语
异径HDPE管穿插法修复在线旧管道技术为国内首创，为腐蚀和磨蚀严重的钢铁管的防腐和修复提供了一种经济有效的手段。该技术可成功地用来修复直径在3到36英寸(即75毫米至于900毫米)的多种的管道(如天然气管道、输油管道、注水管道、排污管道、煤气管道、自来水管道等)，可应用于市政、油田、电力、化工等行业的管道防腐与再建。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。