地下管道临时封堵堵头及其制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种地下管道临时封堵堵头及其制作方法，包括一体成型的粘结部分和堵头主体，其中，所述粘结部分为环状，其外径与地下管道的内径相匹配，用于与地下管道内壁相粘结；所述堵头主体为中空的半圆体，且其与粘结部分连接的横截面的内径和外径分别与粘结部分的内径和外径一致；所述粘结部分和堵头主体均采用碳纤维布层制成。本发明提供的地下管道临时封堵堵头及其制作方法，充分利用了碳纤维材料质量轻、抗拉强度高、同混凝土基面粘结性能优异的特点，采用碳纤维片材形成的壳体作为临时堵头，能承受大直径地下管道检修期间的内水压；使制备的临时堵头，承载大、结构轻巧、施工便捷、便于拆卸，比较适合大直径地下管道的临时检修。
【专利说明】
地下管道临时封堵堵头及其制作方法
技术领域
[0001] 本发明设及水利工程技术领域，具体设及一种地下管道临时封堵堵头及其制作方 法。
【背景技术】
[0002] 经资料查询及调研，目前国内、外地下管道临时封堵多采用橡胶充气堵头，在内水 压0.2MPaW内，堵头最大直径可达3. Om左右。如内水压力提高到0.5MPa，目前的橡胶堵头技 术只能对管径小于1.5m的管道进行临时封堵。对于直径大于3.0m、承受内压0.5M化的临时 堵头，国内外无成熟技术可资借鉴。
【发明内容】
[0003] 为解决现有技术的不足，提供一种适用于大直径地下管道的临时封堵堵头，本发 明提供了一种地下管道临时封堵堵头，包括一体成型的粘结部分和堵头主体，其中，
[0004] 所述粘结部分为环状，其外径与地下管道的内径相匹配，用于与地下管道内壁相 粘结；
[0005] 所述堵头主体为中空的半圆体，且其与粘结部分连接的横截面的内径和外径分别 与粘结部分的内径和外径一致；
[0006] 所述粘结部分和堵头主体均采用碳纤维布层制成，且所述粘结部分的纵向长度大 于1米。
[0007] 其中，前述粘结部分和堵头主体上设置的碳纤维布层的层数设为一层W上。
[000引其中，前述粘结部分和堵头主体上设置的碳纤维布层的层数设为=层。
[0009] 其中，前述粘结部分与地下管道的混凝±基面通过粘结剂粘结，所述粘结剂的材 质为环氧树脂。
[0010] 其中，前述碳纤维布层由双向碳纤维布涂覆形成。
[0011] 其中，前述粘结部分和堵头主体的内表面涂覆有聚脈涂层。
[0012] 其中，前述聚脈涂层的厚度不小于3mm。
[0013] 其中，前述聚脈涂层为单组份聚脈涂层。
[0014] 本发明另外提供了一种地下管道临时封堵堵头制作方法，包括如下步骤：
[0015] S1:制作封堵堵头模型；
[0016] S2:在封堵堵头模型表面刮涂粘结树脂；
[0017] S3:在粘结树脂表面黏贴碳纤维布，形成碳纤维布层；
[0018] S4:沿纤维方向滚压碳纤维布层，挤除气泡，使粘结树脂成分渗入碳纤维布层；
[0019] S5:等粘结树脂干燥后立即刮涂及黏贴下一层粘结树脂及碳纤维布层；
[0020] S6:碳纤维布层黏贴完毕后，在最后一层碳纤维布层上均匀刮涂粘结剂，所述粘结 剂的材质为环氧树脂；
[0021 ] S7:在碳纤维布成型后28天，拆除堵头封堵模型。
[0022] 其中，前述碳纤维布层一共黏贴涂覆=层。
[0023] 其中，前述步骤S3及步骤S5中，黏贴的碳纤维布为双向碳纤维布。
[0024] 其中，还包括如下步骤：
[0025] S8:在封堵堵头内表面涂刷聚脈涂层。
[0026] 其中，前述聚脈涂层的厚度不小于3mm。
[0027] 其中，前述聚脈涂层为单组份聚脈涂层。
[0028] 本发明提供的地下管道临时封堵堵头及其制作方法，充分利用了碳纤维材料质量 轻、抗拉强度高、同混凝±基面粘结性能优异的特点，采用碳纤维片材形成的壳体作为临时 堵头，能承受大直径地下管道检修期间的内水压;使制备的临时堵头，承载大、结构轻巧、施 工便捷、便于拆卸，比较适合大直径地下管道的临时检修。
【附图说明】
[0029] 图1:本发明的立体结构示意图；
[0030] 图2:本发明剖视图。
【具体实施方式】
[0031] 为了对本发明的技术方案及有益效果有更进一步的了解，下面配合附图详细说明 本发明的技术方案及其产生的有益效果。
[0032] 图1为本发明的立体结构示意图，图2为本发明的剖视图，如图1-图2所示，本发明 提供的地下管道临时封堵堵头，包括一体成型的粘结部分1和堵头主体2,其中，
[0033] 所述粘结部分1为环状，其外径与地下管道3的内径相匹配，用于与地下管道3内壁 相粘结，粘结部分1长度较佳设为大于1米，W实现与地下管道3的稳定粘结；
[0034] 所述堵头主体2为中空的半圆体，且其与粘结部分1连接的横截面的内径和外径分 别与粘结部分1的内径和外径一致；
[0035] 所述粘结部分1和堵头主体2均采用碳纤维布层制成，且所述粘结部分的纵向长度 大于1米。
[0036] 本发明中，由于所述粘结部分1和堵头主体2均采用碳纤维布层制成，其能充分利 用碳纤维材料质量轻、抗拉强度高、同混凝±基面粘结性能优异的特点，采用碳纤维片材形 成的壳体作为临时堵头能承受大直径地下管道检修期间的内水压，使制备的临时堵头，承 载大、结构轻巧、施工便捷、便于拆卸，比较适合大直径地下管道的临时检修。
[0037] 较优的，所述粘结部分1和堵头主体2上设置的碳纤维布层的层数设为一层W上。 在内水压及摩擦系数相同的情况下，层数越多，堵头的厚度越厚，堵头相同位置处在相同方 向上的位移值越小，结构也越稳定，越能保证施工安全，较佳的，所述粘结部分1和堵头主体 2上设置的碳纤维布层的层数设为=层。
[0038] 较优的，所述粘结部分1与地下管道3的混凝±基面通过粘结剂粘结，所述粘结剂 的材质为环氧树脂；
[0039] 具体的，粘结剂包括浸胶^及用它配置的底涂胶和修补胶，粘结剂的基本性能如 表1所示，通过设置此粘结剂，使得粘结部分1与地下管道3的纔凝上基面的粘结强度不小于 2.0MPa〇
[0041]
[0040] 表1粘结剂的基本性能要求
[0042]
[0043] 较优的，所述碳纤维布层由双向碳纤维布涂覆形成。
[0044] 较优的，所述粘结部分1和堵头主体2的内表面涂覆有聚脈涂层4。
[0045] 本发明中，所谓的内表面是指，相反于粘结部分1和堵头主体2与混凝±内壁连接 的一面。
[0046] 聚脈涂层4优异的防渗性能W及高延展率的性质决定了其涂覆在碳纤维布表面 时，能作为堵头的防渗体，防止堵头漏水。
[0047] 较优的，所述聚脈涂层4为单组份聚脈涂层。
[0048] 单组分聚脈材料是一类反应型、无溶剂污染的涂料产品，其由含多异氯酸醋的高 分子预聚体与经封端的多元胺(包括氨基聚酸)混合，并加入其他功能性助剂所组成。在无 水状态下，体系稳定，一旦开桶施工，在空气中水分的作用下，迅速产生多元胺，多元胺迅速 与异氯酸醋反应，形成涂膜材料。
[0049] 具体的，单组份聚脈的基本性能如表2所示。
[(K)加]表2单组份聚脈基本性能
[0化1 ]
[0052] 通过提供上述聚脈，能使所述碳纤维布层与聚脈涂层的粘结强度不小于2.OMPa。
[0053] 较优的，聚脈涂层4的厚度不小于3mm。
[0054] 本发明另外提供了一种地下管道临时封堵堵头制作方法，包括如下步骤：
[0055] S1:制作封堵堵头模型；
[0056] S2:在封堵堵头模型表面刮涂粘结树脂；
[0057] S3:在粘结树脂表面黏贴碳纤维布，形成碳纤维布层；
[0058] S4:沿纤维方向滚压碳纤维布层，挤除气泡，使粘结树脂成分渗入碳纤维布层；
[0059] S5:等粘结树脂干燥后立即刮涂及黏贴下一层粘结树脂及碳纤维布层；
[0060] S6:碳纤维布层黏贴完毕后，在最后一层碳纤维布层上均匀刮涂粘结剂，所述粘结 剂的材质为环氧树脂；
[0061] S7:在碳纤维布成型后28天，拆除堵头封堵模型。
[0062] 较优的，所述碳纤维布层一共黏贴涂覆=层。
[0063] 较优的，所述步骤S3及步骤S5中，黏贴的碳纤维布为双向碳纤维布。
[0064] 较优的，还包括如下步骤：
[0065] S8:在封堵堵头内表面涂刷聚脈涂层。
[0066] 较优的，所述聚脈涂层为单组份聚脈涂层。
[0067] 具体实施时，需要在碳纤维布层表面涂刷聚脈潮湿型界面剂，待界面剂用手指触 碰呈干燥时涂刷单组份聚脈涂层。
[0068] 较优的，所述聚脈涂层的厚度不小于3mm，因此一般需要涂刷四遍左右，每层涂刷 的间隔不得大于S小时。
[0069] 粘贴碳纤维片材并涂刷聚脈涂层后，自然养护24小时达到初期固化，应保证固化 期间不受干扰。碳纤维片粘贴后达到设计强度所需自然养护的时间：日平均气溫在i〇°cw 下时为10天左右；日平均气溫在l〇°CW上时为3~7天。在此期间应防止碳纤维临时堵头受 到硬性冲击。
[0070] 本发明在具体实施时，所谓的碳纤维布层是由碳纤维复合增强材料形成，碳纤维 复合材料指的是碳纤维布用胶浸溃后形成的复合材料。
[0071] 为进一步了解本发明的有益效果，下面将结合具体的模型参数对本发明提供的封 堵堵头，其所能应用的管道环境(直径、内水压等）W及性能(位移值、应力分布等)做进一步 介绍。
[0072] -、几何参数及荷载参数设定
[0073] 混凝±管道实际衬搁内径为4.6m，衬搁厚度为40cm。堵头直径为4.6m。一层碳纤维 布层的厚度为0.5mm，两层碳纤维布层的厚度为1.0mm，=层碳纤维布层的厚度为1.5mm。
[0074] 碳纤维复合材料与混凝±粘结的长度为拟按Im计算，摩擦系数初始设置为0.5，摩 擦系数敏感性分析时改变摩擦系数的取值。
[0075] 荷载为均布内水压，大小为0.5MPa。
[0076] 二、技术路线概述
[0077] 1、地下管道临时封堵堵头(下文简称"CFRP堵头"）混凝±管道有限元模型
[0078] 建立包含混凝±管道、CFRP半球形堵头的S维有限元模型。其中，半球形堵头采用 可W反映平面应力分量的四边形空间膜单元模拟，管道混凝±采用空间8节点六面体实体 单元模拟，而堵头与混凝±的接触部分通过指定目标面和接触面，生成接触单元的方式模 拟粘结-滑移效应。其中，在建立有限元模型时应考虑到CFRP堵头材料厚度、荷载大小、摩擦 系数的变化，W便进行敏感性分析。
[00巧]2、材料力学法理论计算
[0080]为了便于和有限元分析结果进行对比验证，采用简化的力学模型对封堵堵头的受 力、粘结长度等进行初步理论计算分析。计算得到了在给定水压力下的堵头结构不破坏的 最小粘结长度，CFRP堵头截面最大应力等。
[0081 ] 3、CFRP堵头与混凝±非线性粘结-滑移的模拟
[0082] 在外界水压力作用下，CFRP堵头与外围混凝±的粘结接触是一个复杂的接触非线 性问题，包括材料非线性和接触非线性。线弹性有限元法则难W反映在荷载作用下堵头与 混凝±粘结作用的应力变化与滑移范围。为了更真实的模拟界面间粘结接触的力学行为， 利用ANSYS中内含的多种单元类型、材料本构模型W及ANSYS的接触分析功能，实现CFRP堵 头与混凝±非线性粘结-滑移问题的数值模拟。在CFRP堵头和混凝±的界面上插入界面单 元，采用面-面接触单元，CFRP堵头接触表面被当作目标面，采用化rgel70单元模拟;混凝± 表面被当作接触面，采用Contact 174单元模拟，并对接触单元设置实常数和关键字。
[0083] 计算模型采用笛卡尔直角坐标系，其X轴为水平方向，与管道轴线方向垂直，y轴为 水平方向，沿管道轴线指向堵头，Z轴为铅垂方向，向上为正;坐标系原点取在半球形堵头的 球屯、处。
[0084] S、CFRP堵头S维非线性有限元计算分析结果
[0085] 1、在均布水压力作用下，一层CFRP整体堵头沿管道轴向位移量最大，即CFRP堵头 端部具有最大位移，为40.884mm。
[0086] 2、CFRP整体堵头结构应力在CFRP粘结与非粘结界面上最大，该区域为材料最易破 坏区域，轴向最大应力为1260MPa。
[0087] 3、堵头与混凝±表面粘结接触界面的剪切应力满足摩擦库伦模型，在粘聚力参数 =0.5MPa，摩擦系数取为0.5的计算条件下，在界面的最大滑移距离为9.774mm。滑移区域发 生在粘结段端部。
[0088] 四、堵头材料厚度的敏感性计算分析结果
[0089] 1、两层和S层CFPR堵头结构在给定内水压P = 0.5M化，摩擦系数y = 0.5计算条件 下，相较于X方向与Z方向，堵头结构沿y轴方向（管道轴向）上的位移值最大，而且S层CFPR 堵头结构的最大位移值小于两层CFPR堵头的位移值。
[0090] 2、在给定内水压P = 0.5MPa，摩擦系数y = 0.5计算条件下，两层和S层CFPR堵头结 构沿y轴方向上的应力值最大，最大应力值均小于CFPR堵头材料本身的抗拉强度715MPa，满 足材料强度要求。
[0091] 3、根据数据分析，在相同荷载、边界条件下，两层CFPR堵头的最大应力值约是一层 CFPR堵头最大应力值的一半，S层CFPR堵头的最大应力值约是一层CFPR堵头最大应力值的 三分么一。
[0092] 4、在相同荷载、边界条件下，两层和S层CFPR堵头结构粘结接触界面的摩擦应力 均达到界面最大剪应力值，随着堵头材料厚度的增加，堵头粘结接触界面最大滑移距离减 小。因此，采用=层CFPR堵头结构的安全储备更高，堵头结构更不容易破坏。
[0093] 总体说来，采用S层CFH?堵头结构时，可W从强度上保证堵头结构的安全，而且有 一定程度的富裕，即从强度看，S层CFH?堵头结构有更高的承载能力，对大直径地下管道临 时封堵结构具有足够的安全性。
[0094] 五、摩擦系数的敏感性计算分析结果
[00M] 1、在相同荷载作用下，摩擦系数的变化对CFPR堵头结构X方向、Z方向的最大位移 值影响不大，对y方向上的最大位移值有影响。随着摩擦系数的增加，堵头结构在y方向上的 最大位移值减小。
[0096] 2、在同等荷载条件和边界条件下，摩擦系数的改变对半球形堵头结构的最大应力 值几乎无影响。
[0097] 3、摩擦系数对CFPR堵头结构粘结接触段的最大应力值有一定的影响，随摩擦系数 的增加，X、y、Z方向上CFPR接触段最大应力值均有相应减小。
[0098] 4、相同荷载条件与边界条件下，堵头粘结接触界面的最大滑移距离随摩擦系数的 增加而减小，而堵头结构接触界面摩擦应力均达到最大摩擦应力值。
[0099] 总体来说，摩擦系数对堵头结构承载能力影响不大，对粘结接触界面的最大滑移 距离有一定影响，摩擦系数越大，大直径堵头结构在与混凝±粘结接触界面越不容易发生 滑移破坏。
[0100] 六、有限元计算结论分析
[0101] 1、在均布水压力作用下，CFH?整体堵头结构端部位移量最大。摩擦系数取值为 0.5，一层、两层和S层CFPR堵头结构的最大位移分别是:40.884mm、22.96mm、17.274mm。可 W看出，堵头材料的厚度越大，CFPR堵头结构端部位移量越小。
[0102] 2、CFH?堵头结构沿y轴正向（管道轴线方向）具有最大应力，一层、两层和S层CFPR 堵头结构的轴向最大应力分别是：1260MPa、692MPa、497MPaDCFH?堵头结构的轴向最大应力 随材料厚度的增加而减小。且CFH?整体堵头结构最大应力出现在CFIW粘结与非粘结交界面 处，该区域为材料最易受拉破坏区域。
[0103] 3、由设计方提供的CFPR(碳纤维复合材料)的抗拉强度为715MPa可知，在给定荷载 作用下，一层CFH?堵头本身的材料会超过弹性范围，CFPR结构造成破坏;两层和S层堵头结 构均能满足材料强度，并且采用S层CFPR堵头结构有更高的承载能力，对大直径地下管道 临时封堵结构更具有足够的安全性。
[0104] 4、在相同荷载、边界条件下，一层CFH?堵头结构的最大滑移距离最大，为9.774mm; 两层CFPR堵头结构的最大滑移距离次之，为8. lmm;S层CFPR堵头结构的最大滑移距离最 小，为7.53mm。一层、两层和S层CFPR堵头结构粘结接触界面的摩擦应力均达到界面最大剪 应力值1.75MPa。随着堵头材料厚度的增加，堵头粘结接触界面最大滑移距离减小，CFH?堵 头与混凝±表面粘结接触部位越不容易发生滑移破坏。
[0105] 5、通过摩擦系数敏感性分析可知，堵头结构摩擦系数为0.3、0.5、0.7的最大位移 分别是20.55mm、17.273mm、15.706mm，CFPR堵头结构最大应力分别是：505MPa、497M化、 SOlMPa。可W看出，摩擦系数对堵头结构承载能力影响不大，但粘结接触界面的最大滑移距 离会受到摩擦系数的影响，摩擦系数越大，堵头结构在与混凝±粘结接触界面最大滑移距 离越短，堵头结构安全储备度越高。
[0106] 因此，结合模型分析得出的数据，可知本发明提供的地下管道临时封堵堵头及其 制作方法，具有下述优点：
[0107] 1、采用碳纤维材料作为主体材料，能充分利用碳纤维材料质量轻、抗拉强度高、同 混凝±基面粘结性能优异的特点，采用碳纤维片材形成的壳体作为临时堵头，能承受大直 径地下管道检修期间的内水压，使制备的临时堵头，承载大、结构轻巧、施工便捷、便于拆 卸，比较适合大直径地下管道的临时检修。
[0108] 2、利用了聚脈涂层优异的防渗性能W及高延展率的性质，可防止制作的堵头漏 水。
[0109] 3、封堵堵头包括=层碳纤维布层，使其结构具有更高的承载能力，在对大直径地 下管道进行临时封堵时，保证足够的安全性，且具有一定的富裕，在内径为4.6m的混凝±管 道内，能承受〇.5MPa的内水压，也即，解决了现有技术无法解决的在管道直径大于3.0m，且 内水压达到0.5MPa时封堵技术。
[0110] 虽然本发明已利用上述较佳实施例进行说明，然其并非用W限定本发明的保护范 围，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变 动与修改仍属本发明所保护的范围，因此本发明的保护范围W权利要求书所界定的为准。
【主权项】
1. 一种地下管道临时封堵堵头，其特征在于，包括一体成型的粘结部分和堵头主体，其 中， 所述粘结部分为环状，其外径与地下管道的内径相匹配，用于与地下管道内壁相粘结； 所述堵头主体为中空的半圆体，且其与粘结部分连接的横截面的内径和外径分别与粘 结部分的内径和外径一致； 所述粘结部分和堵头主体均采用碳纤维布层制成，且所述粘结部分的纵向长度大于1 米。2. 如权利要求1所述的地下管道临时封堵堵头，其特征在于:所述粘结部分和堵头主体 上设置的碳纤维布层的层数设为一层以上。3. 如权利要求2所述的地下管道临时封堵堵头，其特征在于:所述粘结部分和堵头主体 上设置的碳纤维布层的层数设为三层。4. 如权利要求1所述的地下管道临时封堵堵头，其特征在于:所述粘结部分与地下管道 的混凝土基面通过粘结剂粘结，所述粘结剂的材质为环氧树脂。5. 如权利要求1-4中任一项所述的地下管道临时封堵堵头，其特征在于:所述碳纤维布 层由双向碳纤维布涂覆形成。6. 如权利要求1所述的地下管道临时封堵堵头，其特征在于:所述粘结部分和堵头主体 的内表面涂覆有聚脲涂层。7. 如权利要求6所述的地下管道临时封堵堵头，其特征在于:所述聚脲涂层的厚度不小 于 3mm〇8. 如权利要求6所述的地下管道临时封堵堵头，其特征在于:所述聚脲涂层为单组份聚 脲涂层。9. 一种地下管道临时封堵堵头制作方法，其特征在于，包括如下步骤： S1:制作封堵堵头模型； S2:在封堵堵头模型表面刮涂粘结树脂； S3:在粘结树脂表面黏贴碳纤维布，形成碳纤维布层； S4:沿纤维方向滚压碳纤维布层，挤除气泡，使粘结树脂成分渗入碳纤维布层； S5:等粘结树脂干燥后立即刮涂及黏贴下一层粘结树脂及碳纤维布层； S6:碳纤维布层黏贴完毕后，在最后一层碳纤维布层上均匀刮涂粘结剂，所述粘结剂的 材质为环氧树脂； S7:在碳纤维布成型后28天，拆除堵头封堵模型。10. 如权利要求9所述的地下管道临时封堵堵头制作方法，其特征在于，所述碳纤维布 层一共黏贴涂覆三层。11. 如权利要求9所述的地下管道临时封堵堵头制作方法，其特征在于，所述步骤S3及 步骤S5中，黏贴的碳纤维布为双向碳纤维布。12. 如权利要求9所述的地下管道临时封堵堵头制作方法，其特征在于，还包括如下步 骤： S8:在封堵堵头内表面涂刷聚脲涂层。13. 如权利要求12述的地下管道临时封堵堵头制作方法，其特征在于，所述聚脲涂层的 厚度不小于3mm。14.如权利要求12述的地下管道临时封堵堵头制作方法，其特征在于，所述聚脲涂层为 单组份聚脲涂层。
【文档编号】B32B9/04GK106051370SQ201610565990
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】夏世法, 冯启, 窦铁生, 马宇, 王兴勇, 汪正兴, 张福成, 杨伟才, 李蓉, 徐振东, 王艳, 杨进新, 张奇, 汪东黎, 刘江宁
【申请人】中国水利水电科学研究院, 北京市南水北调东干渠管理处, 北京中水科海利工程技术有限公司, 北京市水利规划设计研究院