专利名称：清除公用管道并换上聚烯烃管道的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明的目的在于提供一种清除现有公用管道如污水管、煤气管和水管并换上聚烯烃管道的专用方法。另外本发明的目的在于提供一种清除或消除旧有公用管道的专用设备。更具体点说，本发明的专用装置或系统包括一个设有两组牙轮钻头的旋转头以便用切割、錾凿和磨削来拆除通常为混凝土管或瓦管的旧管。旋转头装在一个牵引聚烯烃管以便更换旧有公用管道的附件上。
更换公用管道是在美国和世界上其他国家内更新地下结构的重要部分。这种更换工作越来越多不必开挖沟槽来清除旧管并换上新管。还有一个趋势是采用聚烯烃管特别是聚乙烯管作为更换管。本发明的目的在于提供一种清除旧管并换上聚乙烯管的专用方法。另外，本发明的目的还在于提供一种包括专用旋转头的专用系统或装置。
英国煤气公司是发展更换煤气管系统方面的先导，其系统曾在美国专利U.S.4,505,302.U.S.4,674,914和U.S.4,693,404中公开。在每一个上述专利中都有一个装置插入到现有总管内，而该装置，或者是可旋转的割刀或者是可振动的破碎装置，用来使总管断裂。
英国的用水研究中心曾在两个美国专利中公开过一种敷设并更换管道的系统。这两个美国专利U.S4,634,313和U.S.4,648,746所公开的装置都有一个气动操作的冲击装置用来使现有总管断裂。
美国专利U.S.4,732,222和U.S.4,981,181都曾公开过一种冲击装置用来使敷设在地下的旧管断裂或分裂。
U.S.4,732,222公开过一种方法和装置用来使现有埋地管道在被压缩力和冲击力断裂之前预先冷却以便作好准备。
U.S.4,983,071公开过另一种装置，该装置使用气动操作的冲击锤来使现有总管断裂。
每一上述专利所公开的系统都需要有一个冲击装置来使现有总管断裂。但使用高冲击力来使总管断裂的这些系统能对周围结构如建筑物和高架的街道或小卷造成损害。另外，使主管道在未压实土壤内断裂的力虽可很好地被装置的设计预计到；但若土壤已被压实，或有混凝土包围着总管，或者存在着树根或其他不能看到或预见的障碍物，那么总管可能不会被断裂。
此外，U.S.4,507,019公开过一种管道更换系统，该系统包括一根被插入到现有总管内的可扩张并更换管道的心轴和一个将直线运动和转动传送给心轴的动力系统。U.S.4,925,344公开过U.S.4,507,019专利系统用的另一种心轴。
上两专利所公开的系统使用转动而不是冲击来使现有总管断裂；但该系统具有与高冲击系统同样的缺点。当水泥被用在修补的排放孔上或总管的连接上，或有树根或岩石与总管的外面接触时，这两专利的系统也许不能使现有总管断裂。
U.S.4,767,236公开过多个可沿径向扩张的管件或衬垫，它们可与现有管道中与它们邻近的部分接合，然后使这些部分断裂。该专利的系统尚无实际应用。
U.S.4,886,396和U.S.4,915,543公开过一种系统，其中包括一台从出发轴前进的盾构隧道机，一个用来将新的混凝土管压入到机器所挖出的空区并使机器前进的推进装置，一个可在机器前面的现有管道内移动的密封装置，一个将挖出的物质排放到地面上的排放装置，和一个用来使污水通过密封装置流到下游侧的管道内的临时的流水装置。
U.S.4,930,542公开过一种系统，其中许多短管被一个接一个且端对端地间歇地压入到管道内。在这成串管子的前端有一可扩张的穿孔器或类似的拉削工具通过该管道而被推进。
在上述每一个专利所公开的系统中，整体的成功取决于将短管推进使它越过某一距离的能力；但成为问题的是，在导引隧道机或可扩穿孔工具沿着旧总管的路线前进时缺乏稳定性。虽然这些专利假定要被更换的旧总管具有完整性可给系统提供前进方向，但旧总管往往因为缺乏完整性才被更换的。
U.S.5,112,128公开过一种系统，其中有一旋转头环绕在要更换的总管的外面以便切割并使现有管道断裂。
而本发明的方法和装置的优点在于，不论是清除旧总管还是换上聚烯烃管，本系统总是能稳定地在同一水平面上成一直线，本系统可摧毁现有的连接部和混凝土外壳以及侵入物如树根，本系统可应用该体来减少热量或摩擦并提高孔的稳定性，而且本系统能被放置在一十呎的竖井内。这样，本发明不仅可克服现有技术的缺点，而且比所有的已知系统具有显著的技术进步。
本发明的目的在于提供一种清除公用管道或总管并用聚烯烃管更换总管的方法。更具体地说，本发明的专用装置或系统包括一个连接到多个节管上的旋转头以便用切割、錾凿或磨削来清除通常为混凝土管或瓦管的旧管。旋转头的外周上设有牙轮钻头可用来将旧管或土壤切割、錾凿或磨削成碎片，这些碎片向内移动通过旋转头。在旋转头的后面为一不旋转的附件，它可撑开并填塞旋转头所形成的孔，以便将换上的聚烯烃管拉入到孔内。
现在简要说明附图
图1为本发明的系统在清除旧总管时的立视图；图2为本发明的系统内所用的旋转头的较优实施例的透视图；图3为操作本发明系统的钻孔单元的概略视图；图4为操作本发明系统的动力单元的概略视图。
本发明的装置系统独特地解决了现有技术所迂到的问题。本发明的系统需要设置竖井以便在现有公用管道的同一水平面上工作。在本发明的方法和装置中，最好有两个竖井，在现有管道要被清除和更换管段的每一端头各设一个竖井。在某些特殊的情况下，本发明的方法和装置也可只用一个竖井设在管道要被拆除管段的一端，而在另一端设一人孔。
现在参阅图1，其中所示本发明的系统10位在两个竖井(未示出)之间。系统10在图1左边的竖井内被装配，通过该竖井，熔融的聚烯烃管被拉入到本发明的系统所形成的孔内。图1右边的竖井安置着操作本发明的系统10所用的设备，即一个钻孔单元和一个动力单元(这两者在后面还要详述)。钻孔单元被放置在竖井内，而动力单元通常留在靠近竖井的地面上。
在本发明的较优实施例中，为了进行清除现有公用总管并用聚烯烃管来更换该总管，先要在要被清除的公用总管的管段的两端各掘一个竖井。在大多数情况下，各人孔之间的间距约为400呎，而要在人孔之间被更换的管段常为400呎到800呎或更长。本发明的较优实施例能在系统10的一次设定中容易地清除并更换400呎800呎或更长的管段。在管段的两端都各掘出一个竖井。在一个竖井(右面的竖井)内，钻孔单元被设定得对准要被清除的现有公用管道的中心，并通过现有的管道将成串节管从钻孔单元推向另一竖井(左边的竖井)。本发明的旋转头12是在左边的竖井内被装配的，并在与现有管道对准后开始操作。本发明的旋转头12被由节管构成的钻管成串件14转动，并从左边竖井被移动到右边竖井。
在本发明的系统10的较优实施例中，旋转头10被连接到由节管构成的钻管成串件14上。较优的旋转头12设有第一组牙轮钻头16。牙轮钻头16被焊接或用其他方法固定在靠近轴或节管14的地方以便与现有管道4的内直径咬合并刻划管道4的内表面。当旋转头12旋转时，这些牙轮钻头16被现有管道4的内直径保持着并维持稳定。在一包围着轴或节管14的轮圈18上设有第二组牙轮钻头20。牙轮钻头20将现有管道4切割錾凿并磨削成碎片，这些碎片移动通过旋转头12。如图1所示，牙轮钻头16所在平面与牙轮钻头20不同。这样牙轮钻头16在牙轮钻头20之前与管道4咬合，当牙轮钻头20与管道4咬合并将它清除时便可有助于旋转头12晌稳定。
在本发明的一个实施例中，一个Varel制造公司造的
吋三锥钻头被割成三块，每一块含有一个圆锥体并被焊接到旋转头12的轴14上作为牙轮钻头16。而牙轮钻头20是Varel制造公司生产的
吋的开孔器。
在旋转头12上使用的牙轮钻头的大小、钻头表面设计、位置和数目不一定限于这里所示出的而要根据多个因素来变化。最常迂列的污水或废水用的公用管道为混凝土管或瓦管；但若公用项目是煤气，那么管道就可能是铸铁。从一个情况到另一个情况可能都要选用具体的牙轮钻头(由于构造材料或设计的不同)。切割岩石或金属用的、在大小和设计方面都合适的牙轮钻头可从钻探和采矿行业找到。设计具体旋转头的一个因素是必须至少有一组牙轮钻头与现有管道4的所有表面咬合。如从图1可见，牙轮钻头20不仅要咬合牙轮钻头16所没有割掉的管道4的其余部分，而且还要咬合并割掉外径比管道4大的喇叭口6。由于现有公用管道的具体直径和更换的聚烯烃管的所需直径的不同，旋转头12的具体外形可能不同于图2所示的样子。例如，如果直径大过一呎，那么在旋转头的设计中可能采用多于两组的牙轮钻头。另一个要考虑的因素是所要清除的现有管道4的直径和所要更换上去的聚烯烃管的所需直径。图1所示的旋转头的设计就可说明所要清除的管道4具有一种直径而所要更换它的是一个直径比它大的管子(例如将8吋混凝土管换以10吋聚乙烯管；将4吋或6吋瓦管换以8吋聚乙烯管)。图1所示的较优的旋转头能够切割、錾凿并磨削掉任何可能包围在旧有管道4上的障碍物，例如树根或包在管道4外的混凝土。另外，该旋转头还能割掉混凝土的人孔。
在较优的系统10中，有一稳定器24装在旋转头12前面的钻管成串件14上。在稳定器24上设有外径比管道内径略小的叶片26。当旋转头旋转并被拉入与管道4咬合时，稳定器24可有助于维持旋转头12的稳定性。在旋转头12的后面为一旋转接头30。采用旋转接头30的目的是要防止聚烯烃管牵引附件40的旋转。牵引附件40的构造可从题为“塑料管和滑动套旋转头的牵引附件”的美国系列专利08/327,556号中找到，这里提到供参考。牵引附件40将聚烯烃管最好为聚乙烯管拉入到旋转头12所造成的孔内。
现在参阅图3，在竖井48内设有一个与现有管道4对准的钻孔单元50。钻孔单元50包括一台离心液压发动机52和传动机构，有一齿轮箱56将产生的动力转变为卡盘58的旋转，卡盘58被连接到钻孔接头14上以便使整个成串件14旋转。随着钻管的节管被插入到现有管道4内，新的节管又被加入到成串件内如图3所示的位置上。卡盘58和成串件14被一个装在齿条62上的小齿轮推动移向左方。当卡盘58接近基座51的左端或前端时，连结在卡盘58上的节管便被解开，载运卡盘58和发动机52的溜板被移动返回到所示的位置。另一个钻管的节管又被加入，操作重复进行。公用管道4的清除为反向操作。就在图中所示的位置上，停止卡盘58和钻管成串件14的旋转并将一个节管撤除和取到地面上。然后将溜板移动到基座51的左端并连结到下一个钻管的节管14上。随后在转动卡盘58和钻管14从而使旋转头12旋转时溜板又被移向右方。旋转和轴向运动使旋转头12能够切割、錾凿和磨削掉又一段现有管道4的长度。液压管路64和66被连结到发动机52上以便使钻管14的旋转和轴向运动获得动力。如图所示，溜板被装在一个齿条和小齿轮的结构上；但也可用一组活塞或一根螺杆来使卡盘58沿轴向移动。
本发明的系统10的动力单元70在图4中概略地示出。动力源74如柴油机和离心泵从储罐76中提供压力液体。卷盘80携带着连接到钻孔单元50的发动机52的管路64和66上所必需的液压管道。钻孔单元50在最大转速为150转/分时需要4000呎磅的转矩和20000磅的拉力。曾经制造出公路钻孔单元可为本发明的系统10提供所需的动力。
较优的实施例在操作时还使用液体。水是较好的液体；但用生物可降解的聚合物或钻孔液也可使用。在通过现有管道4牵引旋转头12时由管路68将来自储罐78的液体供到卡盘上注满钻管14。液体通过旋转头12的轴或节管14上的孔90泄出。该液体可减少积聚在牙轮钻头周围的热。另外，该液体可减少摩擦并帮助编聚管道4的碎片，这样在牵引聚烯烃管35通过旋转头12所形成的孔时可提高孔的稳定性。
如上所述，本发明的系统可用来清除现有的公用总管。现有技术的系统如同那些采用冲击来使总管断裂或用心轴来使总管断裂的装置不能清除旧有总管的仰拱部或底部。这样新管便只能放置在仰拱部的顶上。与此相反，本发明可切割、錾凿或磨削掉旧有管道的下部与侧边部和顶部同样麻利并可在侧边部和顶部已经破裂的情况下进行。在现有技术的系统内采用旧有管道作为导引，当旧有管道的顶部缺乏完整性时，系统便会趋向向地面上升，而当完整性恢复时不再能重新进入列管道内，或者如果环绕现有管道进行，系统会趋向深挖，而当完整性恢复时不再能环绕现有管道进行。与此相反，本发明的系统的旋转头采用一组牙轮钻头在现有管道的不论什么表面上旋转，并用一个稳定器坐落在仰拱部上来帮助第二组牙轮钻头切割、錾凿或磨削掉现有管道的剩余部分，故可彻底清除。
权利要求
1.一种清除现有公用总管并用聚烯烃管更换所说总管的方法，该方法包括转动多个牙轮钻头使与现有公用总管的一个面咬合以便将所说总管切割、錾凿、磨削成碎片，这些碎片向内移动通过支承所说牙轮钻头的旋转头；使支承所说牙轮钻头的所说旋转头沿着所说总管的轴线直线移动；牵引位在支承所说牙轮钻头的所说旋转头后面的不旋转的附件，该附件将所说旋转牙轮钻头形成的孔填塞并在其上连结着一根聚烯烃管。
2.按照权利要求1的方法还包括挖掘一个竖井，所说竖井须露出所要清除并更换的所说公用总管一段的一端。
3.按照权利要求2的方法还包括将钻孔单元放置到所说竖井内；通过所说要清除的总管将成串钻管从所说钻孔单元延伸到第二竖井；及连结上一个稳定器、承载所说牙轮钻头的所说旋转头、一个旋转接头和所说连结在所说聚烯烃管上的附件。
4.按照权利要求3的方法还包括在旋转时将液体供应给所说钻管。
5.一种清除现有公用总管并用聚烯烃管更换所说总管的系统，该系统具有装在旋转头上的多个牙轮钻头；连结在所说聚烯烃管上的连结附件；装在所说旋转头和所说连结附件之间的旋转接头；及用来转动所说旋转头并使所说旋转头、旋转接头和连结附件沿轴向移动的装置。
6.按照权利要求5的系统还具有一个连接到所说旋转头上的稳定器，所说稳定器具有一个比所说总管的直径略小的外径。
7.按照权利要求5的系统，其特征为，牙轮钻头包括两组牙轮钻头，每一根各在一个不同的平面内旋转。
8.一种清除现有公用总管并用聚烯烃管更换所说总管的系统，该系统具有一个连接在成串钻管上的稳定器，所说稳定器具有比所说要清除的总管的直径略小的外径；装在与所说稳定器连接的旋转头上的多个牙轮钻头连结在所说聚烯烃管上的连结附件；装在所说旋转头和所说连结附件之间的旋转接头；及用来转动所说钻管并使所说旋转头、旋转接头和连结附件沿轴向移动的装置。
9.按照权利要求8的系统还包括用来使所说钻管旋转的装置。
10.按照权利要求9的系统还包括在旋转时用来将液体供给所说钻管的装置。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种清除公用管道或总管并用聚烯烃管来更换总管的方法。更具体点说,本发明的专用装置或系统包括一个连接在多个节管上的旋转头以便用切割、錾凿和磨削的方法清除旧管,通常为混凝土管或瓦管。旋转头在其外周上设有多个牙轮钻头可将旧管或土壤切割、錾凿和磨削成碎片,这些碎片向内移动通过旋转头。在旋转头后面为一不旋转附件,它将旋转头形成的孔撑开并堵塞以便换上聚烯烃管,该管系被旋转头拉入到孔内。
文档编号E21B7/04GK1269003SQ96194216
公开日2000年10月4日 申请日期1996年4月26日 优先权日1995年4月28日
发明者罗伯特·O·帕里什二世, 克莱弗·C·雷伯 申请人:Tti管线施工技术有限公司