专利名称：管道衬里材料的制作方法
序言本发明涉及例如水、气体或其它流体管道的衬里材料，其能够以结实的内管的形式形成管道的衬里。
由于管道特别是地下管道的更换工作成本高、难度大，多年来一直使用管状衬里材料用于修理和增强已经建造和埋在地面上的被损坏或被废弃的管道。例如美国专利3,132,062和3,494,813中披露的早期开发的管道敷设方法是相当简单的，且在实际的管道敷设操作中有许多缺陷。在这些情况下，在管道敷设方法和其中使用的衬里材料方面都进行了各种改进。
例如在美国专利4,368,091、4,334,943、4,350,548中提出了几种改进的敷设方法；美国专利4,427,480和4,334,943被认为是用于敷设管道的优秀方法。根据这些方法，将在其内表面涂覆有粘结剂的管状衬里材料插入管道中，并且当使其里朝外翻转(外翻(evagination))时使其前进，由此，使用粘结剂将衬里材料粘接到管道的内表面。
通常，管道的衬里材料合乎要求地设置在管道的内表面，且带有气密性膜或涂层，以赋予衬里材料以防水和/或不透气性。
多种管状衬里材料已经用于更换管或管道的衬里。通常，衬里材料由毡和/或织物和/或其它多孔的柔性或泡沫材料制成，且在其上具有防水和/或不透气的膜或涂层。
为增强用于输送高压流体的管道例如气体管道(根据实际使用，至多64kg/cm2的工作压力)、城市用主体管道线(根据实际使用，至多18kg/cm2的工作压力)等，需要使用管状衬里材料。
对于城市用主体管道线，通常使用城市用水级管道，其最初具有高达30kg/cm2的耐压性，但是随着时间的流逝逐渐劣化，以致其耐压性最终降至几个kg/cm2。对于包括城市用主体管道线的这些管道，除了耐压性以外，还需具有有力的抵抗由外部冲击或载荷或甚至地震引起的管道破裂或损坏的性能。对于用于高压流体的管道，由管道的损坏而引起的危害是严重的。因此，就需要用于这些管道的管状衬里材料具有这样的功能，从而使其不受到破坏而且即使当管道性能下降或破裂时也能够代替管道。相似地，即使管道被废弃和严重破裂或损坏，管状衬里材料本身也应当合乎需要地保持高压流体通道的功能。在这种情况下，衬里材料本身应当承受被输送的流体的压力，对衬里材料的要求将变得严格，特别是当管道直径较大时。如果由于例如地震导致的强外力造成管道破裂或断裂，则能够将管状衬里从损坏的管道上剥离下来而其本身不受破坏，从而保持了高压流体通道的功能。
此处使用的术语“结构-抵抗性(structural-resistance)”是指管状衬里材料特定的机械性能。换句话说，此处使用术语“结构-抵抗性”表示吸收外部负荷的性能与抵抗内压的性能的组合，当管道破裂或断裂时，仅使用管状衬里材料承担高压流体通道的功能。为了为管状衬里材料提供结构-抵抗性，所述管状衬里材料应当同时在纵向和横向上具有足够高的韧性和在一定程度上令人满意的抵抗性，以至于在受到外部负荷和/或剪切破坏力之前衬里材料不损坏，其中所述外部负荷和/或剪切破坏力来自管道和衬里材料之间的粘接损耗(binding loss)。当管道埋入松软的土壤或被开垦的土地时，管道可能会因土壤中的沟壑或因地震而破裂或断裂。即使管道破裂或断裂，具有结构-抵抗性的管状衬里材料能够通过剪切破坏固化的粘结剂而从破坏的管道上分离出来，并且仍然用作高压流体的通道。因此，衬里材料的结构-抵抗性是除了耐(极)高的内部工作压力性能以外的最重要的特性之一，将更新的管道埋在可能产生外部负荷和/或存在松软土壤或被开垦的土地和/或可能发生地震的地方。但是，在现有技术的管状衬里材料中，没有考虑到这种结构-抵抗性。
当通过外翻将管状衬里材料覆在管道的内表面时，管状衬里材料应当是柔性的且进行外翻操作不需要高的流体压力是重要的。通常，随着管状衬里材料厚度的增大，外翻操作变得更加困难。因此，对于固化的管状衬里材料，除了结构-抵抗性以外，固化前还需要具有好的柔性。
美国专利5,186,987披露了一种管道衬里材料，其包括柔性管状膜、覆盖该管状膜的外表面的片以及能够被剥离的、覆盖该片外表面的第二层膜。片由高韧性纤维的织物和垫构成，所述纤维浸渍有增稠的液体可热固化树脂，由于高韧性片具有足够的长度和大于待处理的管道的内部周长的宽度，形成了织物-纤维增强复合物。所述单个高韧性片的横向端部可移动地相互重叠，形成环绕管状膜的管，该管的外部周长小于管道的内部周长。
当对插入管道中的衬里材料进行充气以使衬里材料平坦地与管道的内表面密切接触时，衬里的一个重叠部分在另一重叠部分上滑动，且衬里材料的周长伸展，使得衬里材料与管道紧密接触。
但是，衬里材料的周长的伸展是有限的，需要相当强的压力来克服重叠部分的衬里材料的摩擦阻力。
发明目的本发明的目的是提供一种新型管道衬里材料，其能够平坦地覆着在管道的内表面并且能够形成结实的复合衬里。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提出一种用于加固管道的管状衬里材料，其可用在管道敷设方法中。将这种在其内表面布置有粘结剂的管状衬里材料插入管道中，并且当在流体压力作用下使里朝外翻转管状衬里材料时使管状衬里材料在管道中前进，由此利用置于管道和管状衬里材料之间的粘结剂将管状衬里材料施加在管道的内表面上。所述管状材料设置在具有内部增强管状夹套的管道内部，其中所述内部增强管状夹套包括至少两片高强度和高模量纤维片，其中所述两片至少在两个位置相互重叠，并且其中所述重叠部分在内部管状夹套的纵向上延伸。
所提出的用于加固管道的管状衬里材料具有好的粘结剂吸附性能，在固化之前仍然非常柔软而易于外翻，而且具有好的周边扩展性能以适应主体管道(host pipe)。
粘结剂固化以后，衬里材料变硬，形状稳定，并且即使管道或其接头部件破裂或断裂，即使比所用粘结剂的粘接强度更大的外力将管状衬里材料从管道或其接头部件上剥离下来，其结构-抵抗性和耐压性也足以维持其自身作为通道的功能。
本发明的衬里材料的另一个优势在于其周边扩展仅需要低压来克服重叠滑动的需要(overlap slipping needs)。
至少有两个重叠部分存在大大增加了扩展能力，因为该扩展可以发生在两个分开的位置且允许设计初始周边尺寸相当小的管状衬里。在更换衬里时形成褶皱的可能性被降到最小或甚至被避免。
另外，如果，根据优选实施方案，甚至在直径扩展之后，重叠部分延伸跨过被压平的管状衬里材料的两个相对边，以前的平整折叠(flattening folds)将保留在双层重叠区。
该实施方案的优势在于，除了浸渍和固化之后复合材料的最佳均匀抵抗性之外，延伸跨过扁平管的两个相对边的两个重叠部分允许衬里材料的总厚度、柔性和重量保持在相当低的水平上。该特性导致明显节省树脂并使该衬里材料更具竞争力且更易于加工。
由于覆盖平整折叠的双层增强区，克服了物理折叠(physical folding)对高强度/高模量纺织材料的负面作用，管状衬里保持了其整个周边的结构性能，尽管在复合结构中使用了对折叠和剪切敏感的增强纤维或纱。
事实上，已经发现，例如美国专利5,186,987中披露，即使在衬里材料中使用高强度/高模量的织物时，仅具有单个的重叠部分的衬里材料也不能承受非常高的压力。
令人吃惊地是，具有两个径向相对的、高强度和高模量织物或垫子重叠部分的衬里材料比仅具有一个重叠部分的类似衬里材料的耐压性高得多。
这一令人吃惊的效果似乎是由衬里材料在生产过程中被折叠，然后以扁平状态被存储和运输而导致的。仅当衬里材料被引入管道中且覆着在管道的内表面上时，衬里材料变成圆形。已经发现，在内部增强管状夹套中使用的高拉伸强度和高模量纤维在衬里材料被压平时具有断裂的倾向。内部增强管状夹套包括至少两片高拉伸强度和高模量纤维或纱的片或垫子，所述片或垫子在衬里材料折叠的位置处沿纵向重叠，这一事实显著增加了仍旧完整无损的纤维的数目并且因此增大了固化衬里材料的结构强度和耐压性。
例如，使用一个独立的1.20m长和DN 400mm的浸渍和固化衬里进行爆裂试验(burst test)。该衬里由6.25mm厚的聚酯涂层毡和1500g/m2(经线500g/m2和纬线1000g/m2)扁平增强E-CR玻璃纤维织物构成，并对其成型形成在横向折叠边缘外部具有单个重叠区的通道(channel)。短期爆裂压力为16巴，使长期工作压力为+/-5.3巴(长期抵抗性＝1/2短期抵抗性，且安全系数＝1.5)。
使用相同的设计，但是使用两层单独的玻璃纤维织物层构成玻璃材料通道时，跨过折叠边缘区域的重叠部分长160mm，短期爆裂压力为37.5巴，使长期工作压力为12.5巴。
所述的至少两片高拉伸强度和高模量材料织物或垫的片优选每片至少重叠5cm。
有利地，与管道直径相比，根据衬里的尺寸，特别是当“DN”大于320mm时，所述的至少两片高拉伸强度和高模量材料织物或垫的片，优选每片至少重叠约2×0.10DN(标称直径)～约2×0.30DN，最优选约2×0.20DN。本领域的技术人员能够根据将被更新的管道的直径，由预期的工作压力、片或垫子的类型和质量，以及实施过程中预期的管状衬里的扩展，来确定重叠的最佳值。
根据另一优选实施方案，管状衬里材料还包括位于不透气外层和内部增强管状夹套之间的柔性管状夹套，或者位于内部增强管状夹套上的柔性管状夹套，或者位于不透气外层和内部增强管状夹套之间的第一柔性管状夹套和位于内部增强管状夹套上的第二柔性管状夹套。
该柔性管状夹套优选包括可伸长的织物结构，例如无纺织物或毡、针织层，或者弹性机织物。
更具体地，所述柔性管状夹套包括无纺织物毡、纺粘垫或绒头织物、机织或编织或针织织物结构，或者柔性多孔吸收层例如开孔泡沫体。
外层的不透性材料优选包括弹性体的或柔性的天然或合成材料，其选自天然和合成橡胶、聚酯弹性聚合物、聚烯烃聚合物、聚烯烃共聚物、聚氨酯聚合物，或其混合物。优选这些材料是“食品上安全的(food approved)”材料。
根据衬里材料的最终目的，外层是不透气的和/或防水的。
通常，外层的厚度为0.2～2.0mm，优选0.5～1.5mm。
内部增强管状夹套和任选的柔性管状夹套优选浸渍有粘结剂，该粘结剂在固化或干燥后形成硬质复合材料。
所述粘结剂可以包含树脂或胶，所述树脂或胶选自热固性或冷固性硬化材料，例如聚氨酯、不饱和聚酯、乙烯酯、环氧树脂、丙烯酸(酯)类树脂、异氰酸酯、混凝土或水玻璃，或其混合物。
在固化或干燥后，粘结剂粘接高强度和高模量增强片的重叠边缘。
根据优选实施方案，高拉伸强度和高模量材料的至少两个片包括由玻璃、对芳族聚酰胺(para aramide)、碳或其它高模量纤维或纱制成的机织、编织或针织结构或垫，或者无纺片。
优选选择高强度和高模量材料，以便在一定程度上克服由于管状衬里生产过程中的折叠操作导致的强度损失。每根横截面直径最大为17微米的“E”或“E-CR”玻璃纤维和“E”或“E-CR”玻璃丝以及所选的具有环氧树脂相容性的胶粘剂非常适合于该应用。也可以使用以商标Kevlar、Twaron或Technora销售的对芳族聚酰胺纤维和丝或者碳纤维和丝。
由下面的描述，本发明的其它目的、特征和优势将会变得更加显而易见。
由下面结合附图的描述，能够更加充分地理解本发明，其中图1示出翻转之前的结构衬里材料的横截面。
图2示出根据翻转之前的结构衬里材料的一个优选实施方案的横截面。
图3示出翻转之后的结构衬里材料的横截面。
具体实施方案图1示出翻转之前的结构衬里材料的横截面，该衬里材料包括柔性多层结构，其被生产用于更换管道的衬里。该衬里材料被设计用于在浸渍可固化树脂或粘结剂、外翻和待更新管道内部固化之后加固管道的结构。
外层1由覆在柔性多孔吸收衬底1.b外表面的不透气涂层材料1.a.制成。柔性多孔吸收衬底1.b最常见由具有长丝或人造短纤维的无纺织物结构例如毡、垫、热压粘合物或织物制成。在有些情况下，它还可以是机织、编织或针织结构；或者其它任何类型的柔性多孔吸收材料例如开孔泡沫体。当将纺织材料用于多孔吸收层时，使用合成或人造纤维或丝，例如聚酰胺、聚烯烃、丙烯酸(酯)类树脂、玻璃、人造丝(rayon)、芳族聚酰胺或最常用的聚酯。在特定情况下，也可以使用天然纤维，特别是来自植物来源的天然纤维例如亚麻、大麻、黄麻、洋麻或苎麻的纤维。根据具体要求，相对于国际标准例如ASTM F.1216，设计柔性多孔层1的结构和厚度，以保证相对于用于浸渍的树脂或粘结剂的机械性能(E模量)，整个复合衬里的结构增强。
例如，DN＝500mm的部分劣化的管具有2％的椭圆度减小率，使其承受1.5m的水柱，考虑地面增强因子(ground enhancement factor)K＝7.0且安全因子N＝1.5，使用短期E-模量＝3500Mpa的复合衬里材料更新该管，需要最小5mm的层。
柔性多孔吸收衬底1可以由单层或者多层相同或不同材料的层制成。
在该柔性多孔吸收衬底内部，放置并叠合两片高强度和高模量纺织材料的独立片2和3，在两条边缘上具有自由重叠部分，以形成内部通道。两个重叠部分相对布置，形成沿衬里材料的长度方向的双层材料。设置双层以覆盖被压平的衬里边缘4a-a’和4b-b’。
两片高强度和高模量材料的片2和3可由使用人造短纤维、长丝或纱的无纺或机织、编织或针织结构制成。纵向和横向纱或长丝为垂直方向的结构例如机织或经线和纬线针织织物是优选使用的。就结构衬里材料的内部耐压性而言，该布置能够获得最大的增强效果。在实践中，在片2和3中使用连续的高强度和高模量复丝纱，其中纬纱沿衬里材料的纵向且经纱沿衬里材料的横向。设计片2和3的结构，以达到横向拉伸断裂强度是纵向拉伸断裂强度的两倍。由此保证最终结构衬里材料的最佳爆裂压力。
片2和3由高强度和高模量材料如碳、对芳族聚酰胺和高性能聚乙烯(HPPE)制成，由于经济原因优选玻璃。
当将玻璃用于片2和3时，选择化学和机械上的最高抵抗等级，以呈现出长期性能并将衬里生产过程和存储过程中的强度损失降到最低。关于这一点，E玻璃或优选E-CR玻璃或无硼等级玻璃是优先选择的。
片2和3通常由同种纤维或纱制成，但是也可以结合不同的材料。
片2和3上的重叠位置和宽度通常在两侧是相等的，但是可以不同。
图2示出根据翻转之前的结构衬里材料的一个优选实施方案的横截面。
可以将另外的柔性多孔吸收材料的管状层5插入由片2和3构成的通道内。
所述层通常与多孔吸收衬底1.b相似。但是，所述层也可以是防水和/或不透气层，能够保护热固性树脂或粘结剂在主体管道中浸渍时不变湿。
图3示出翻转之后的结构衬里材料的横截面。
翻转之后，层1进入衬里材料的内部，其防水涂层面1.a与更新的管中输送的流体接触。
热固性树脂或粘结剂固化之后，(多个)层1.b在很多方面有助于衬里材料的结构增强，这是由其设计厚度和E-模量导致的。
两片高强度和高模量纺织材料的片2和3已环绕内管1，但在其边缘处仍旧重叠，因此增强了以前的折叠区域4a-a’和4b-b’。在借助蒸汽、热空气或UV光固化之后，热固性树脂或粘结剂承担了两个重叠区域之间的牢固连接，并形成增强的耐压复合管。
由于高强度和高模量增强片2和3，固化衬里能够抵抗高的内部压力并且能够在这些条件下保持其尺寸和形状。
与现有技术的原位(in place)固化的衬里不同，这种特定的高模量结构构造使衬里材料能准确适合更新的管道，且遏制了复合衬里内部的压力。
由于这些特定性能，得以保护敏感和/或受损主体管道在这种结构性的更换衬里之后不受压力作用。
根据例如美国专利4,334,943中披露的任何合适的管道敷设方法，当将本发明的管状衬里材料覆在管道内表面时，管状衬里材料在其内表面上浸渍足量的、含在多孔柔性层中的粘结剂，以保证管状衬里材料的不同增强片的整体粘合，且将管状衬里材料粘接到管道的内表面上。可以使用多种粘结剂例如不饱和聚酯、乙烯酯，但是环氧类粘结剂是优选的。在使用环氧类粘结剂时，可以选择芳族或脂族聚胺作为固化剂。
下面借助于具体的实施例，针对用于管道的管状衬里材料详细说明本发明的管状衬里材料的构造，其中所述管道在6米水柱下的工作压力为15巴，标称直径为400mm。
使用1400g/m2的7mm厚的扁平无纺聚酯毡生产不透气管状夹套，所述聚酯毡涂布有1mm的不透气聚乙烯(LLDPE)层。在1159mm的宽度处切割之后，成型和粘接该涂层毡，以形成软管，在该软管内部叠合788mm宽且每层重1500g/m2的两层机织玻璃纤维织物，形成内管，所述两层的两边缘在跨过平整衬里的折叠的整个长度上以80mm的最大宽度重叠。
所述玻璃纤维织物由100％的无硼纱连续复丝制成，所述纱经耐磨的、与环氧树脂相容的胶粘剂处理。
然后浸渍衬里材料，使其具有10.35kg/m2的含有脂族聚胺硬化剂的环氧树脂。
在使用压缩空气外翻之后，在将被更新的管中循环蒸汽，在85～90℃下使蒸汽与复原衬里的内涂层面接触5小时。在树脂完全固化之后，保持气压直到冷却至30℃。然后，该衬里能够承受38巴(短期)爆裂压力和相当于6米地下水位的外部负荷。
由于可以在不偏离本发明的实质和范围的情况下对本发明采取许多明显不同的实施方案，因此应当理解，除了如所附权利要求书中所限定的，本发明不限于其具体实施方案。
权利要求
1.一种可用在管道敷设方法中用于加固管道的管状衬里材料，在所述管道敷设方法中，将其内表面上布置有粘结剂的所述管状衬里材料插入管道中，并且当在流体的压力下使里朝外翻转管状衬里材料时使管状衬里材料在管道中前进，由此利用置于管道和管状衬里材料之间的粘结剂将管状衬里材料施加在管道的内表面上，所述管状衬里材料包括不透性材料的外层，并且所述管状衬里材料借助内部增强管状夹套设置在管道内表面上，其中所述内部增强管状夹套包括至少两片高拉伸强度和/或高模量纤维的片，且其中所述片在至少两个位置重叠，且其中所述重叠部分在内部管状夹套的长度方向上延伸。
2.权利要求1的管状衬里材料，其中重叠部分位于径向相对的位置。
3.权利要求1或2的管状衬里材料，其中至少两片高拉伸强度和/或高模量材料片至少重叠5cm。
4.权利要求1或2的管状衬里材料，其中高拉伸强度和/或高模量材料的增强片重叠2×0.10DN～2×0.30DN。
5.上述权利要求中任一项的管状衬里材料，其中所述管状衬里材料还包括位于不透气外层和内部增强管状夹套之间的柔性管状夹套。
6.权利要求1-4中任一项的管状衬里材料，其中所述管状衬里材料还包括位于内部增强管状夹套上的柔性管状夹套。
7.权利要求1-4中任一项的管状衬里材料，其中所述管状衬里材料还包括位于不透气外层和内部增强管状夹套之间的第一柔性管状夹套和位于内部增强管状夹套上的第二柔性管状夹套。
8.权利要求5-7中任一项的管状衬里材料，其中所述柔性管状夹套包括无纺织物毡、纺粘垫或绒头织物、机织或编织或针织织物结构，或者柔性多孔吸收层例如开孔泡沫体。
9.上述权利要求中任一项的管状衬里材料，其中所述外层的不透性材料包括弹性体的或柔性的天然或合成材料。
10.权利要求11的管状衬里材料，其中所述外层的不透气材料选自天然和合成橡胶、聚酯弹性聚合物、聚烯烃聚合物、聚烯烃共聚物、聚氨酯聚合物或其混合物。
11.上述权利要求中任一项的管状衬里材料，其中所述外层是不透气的和/或防水的。
12.上述权利要求中任一项的管状衬里材料，其中所述外层的厚度为0.2～2.0mm，优选0.5～1.5mm。
13.上述权利要求中任一项的管状衬里材料，其中内部增强管状夹套和任选的一个或多个柔性管状夹套浸渍有粘结剂，该粘结剂在固化或干燥后形成硬质复合材料。
14.权利要求13的管状衬里材料，其中所述粘结剂包含树脂或胶，所述树脂或胶选自热固性或冷固性硬化材料，例如聚氨酯、不饱和聚酯、乙烯酯、环氧树脂、丙烯酸(酯)类树脂、异氰酸酯、混凝土或水玻璃。
15.上述权利要求中任一项的管状衬里材料，其中所述粘结剂在固化或干燥之后粘接高强度和高模量增强片的重叠边缘。
16.上述权利要求中任一项的管状衬里材料，其中所述高强度和高模量片包括由玻璃、对芳族聚酰胺、碳或其它高模量纤维或纱制成的无纺、机织、编织或针织结构或垫。
17.权利要求16的管状衬里材料，其中所述纤维或纱包括玻璃如E、E-CR和/或无硼玻璃的连续复丝。
全文摘要
一种可用在管道敷设方法中用于加固管道的管状衬里材料，在所述管道敷设方法中，将其内表面上布置有粘结剂的所述管状衬里材料插入管道中，并且当在流体的压力下使里朝外翻转管状衬里材料时使管状衬里材料在管道中前进，由此利用置于管道和管状衬里材料之间的粘结剂将管状衬里材料施加在管道的内表面上，所述管状衬里材料包括不透性材料的外层，并且所述管状衬里材料借助内部增强管状夹套设置在管道内表面上，其中所述内部增强管状夹套包括至少两片高拉伸强度和/或高模量纤维的片，且其中所述片在至少两个位置重叠，且其中所述重叠部分在内部管状夹套的长度方向上延伸。
文档编号F16L55/165GK1745270SQ200380109493
公开日2006年3月8日 申请日期2003年10月31日 优先权日2003年2月3日
发明者弗兰克·戴夫洛斯, 休格斯·博尔西 申请人:诺迪管道技术公司