郝振興 張淑潔 王 瑞 肖 琪 (天津工業(yè)大學紡織學院,天津,300160)

管道修復用管狀機織物復合材料的增強體結(jié)構(gòu)設(shè)計＊

郝振興 張淑潔 王 瑞 肖 琪 (天津工業(yè)大學紡織學院,天津,300160)

管狀機織物增強復合材料應(yīng)用于管道修復領(lǐng)域,以非開挖方法修復管道代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全面開挖更換新管,不僅方便、經(jīng)濟而且環(huán)保。針對待修管道對管狀機織物增強復合材料強度、厚度與管徑的要求,對管狀機織物增強復合材料的增強體即管狀織物的結(jié)構(gòu)與織造工藝進行了設(shè)計,并采用 SPSS軟件對管狀織物的熱縮性能進行了分析,建立了反映熱縮時間、熱縮溫度與織物縮率之間關(guān)系的數(shù)學模型,從而指導管狀機織物增強復合材料的管徑設(shè)計,據(jù)此可重新修正織造工藝參數(shù),為管狀機織物增強復合材料的生產(chǎn)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

管狀機織物增強復合材料,結(jié)構(gòu)設(shè)計,管狀織物,織造工藝,熱縮性能,管道修復

埋地管道 (如燃氣管道、輸水管道等)由于老化或破壞,常常造成易燃氣體泄漏和水的流失事故或交通堵塞。城市地下管道損壞通常以更換新管道的辦法來修復,不僅困難且成本高,而采用管道內(nèi)部修復、防護技術(shù)能有效防止受損管道的進一步惡化。

采用管狀紡織復合材料襯于原管道的內(nèi)部,以非開挖方法管道翻襯修復技術(shù) (CIPP)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全面開挖更換新管的方法[1],不僅方便、經(jīng)濟,而且環(huán)保(不開挖,塵土少,噪音小,不影響交通),符合城市發(fā)展需求。采用管狀紡織復合材料修復的管道結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)依次為:原管道、織物增強樹脂、防滲膜,其中織物增強樹脂由管狀織物和樹脂兩部分構(gòu)成。管狀織物主要起到增強的作用,是管道紡織復合材料的增強體,浸在織物里的樹脂層將防滲膜、管狀織物緊緊地與待修復管道黏在一起,起到增強內(nèi)襯管剛度和強度的作用。直接與管道內(nèi)介質(zhì)接觸的防滲膜對管道的介質(zhì)起到密封的作用,并能改善管狀復合材料的表面性能,可使管道內(nèi)壁更加光滑,利于介質(zhì)的流動。此項技術(shù)的采用給現(xiàn)代管道修復領(lǐng)域帶來了福音。

1 管狀織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計管狀紡織復合材料時根據(jù)使用目的和性能要求選定其原材料、骨架制作、復合工藝等。CIPP技術(shù)中,管狀紡織復合材料作為內(nèi)襯管修復管道,其厚度、強度、翻襯彈性及強度等直接影響修復效果,因此根據(jù)待修復管道的情況,確定 CIPP技術(shù)對管狀紡織復合材料厚度、強度與翻襯時的彈性、強度等方面的要求。

1.1 管狀織物的強度設(shè)計

管狀紡織復合材料通過管道翻襯修復技術(shù)襯于受損管道的內(nèi)部。在翻襯時管狀紡織內(nèi)襯材料受到翻襯壓力的作用緊貼在管壁上。管道投入使用后,管道內(nèi)介質(zhì)對管狀紡織復合材料也產(chǎn)生一個綜合作用力,管狀紡織復合材料的強度必須滿足管道內(nèi)壓引起的應(yīng)力,否則會出現(xiàn)翻襯或使用時管狀紡織復合材料的開裂和爆破現(xiàn)象[2],導致工程的失敗。

管道內(nèi)壓包括翻襯時產(chǎn)生的內(nèi)壓 Pf和運行時輸送介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓 Ps。由于大管徑管道一般是排水或排污管道,屬于非壓力管道,因此輸送的介質(zhì)對管道產(chǎn)生壓力很小,忽略不計。

翻襯壓力引起管狀機織物增強復合材料的緯向應(yīng)力[3]為;

式中:σy——管狀機織物增強復合材料的緯向應(yīng)力(MPa);

Pf——翻襯壓力 (MPa);

Dy——管道內(nèi)徑(mm);

H——管狀機織物增強復合材料厚度(mm)。

管道內(nèi)壓引起管狀機織物增強復合材料的經(jīng)向應(yīng)力為[3]:

式中:σx——管狀機織物增強復合材料的經(jīng)向應(yīng)力(MPa);

Z——氣體的壓縮系數(shù),一般 Z為 1;

ρ——氣體密度(kg/m3);

R——氣體常數(shù),對空氣R為287.06 J/(kg·℃);

T——絕對溫度(K);

β1——動能修正系數(shù),在流動計算問題中,一般β1為 1;

qv1——介質(zhì)的體積流量 (m3/s);

v1——介質(zhì)的平均流動速度 (m/s);

S——管道的截面積 (m2)。

經(jīng)向、緯向應(yīng)力的要求是管狀紡織復合材料設(shè)計的主要依據(jù),管狀紡織復合材料的經(jīng)緯向極限強度必須超過上述應(yīng)力要求才能安全使用。

1.2 管狀織物的厚度設(shè)計

不同的管道種類和受損情況 (一般為局部損壞),對管狀紡織復合材料厚度的要求不同。壓力管道在部分損壞的環(huán)境下,管狀紡織復合材料厚度的設(shè)計應(yīng)能支撐管道內(nèi)由輸送介質(zhì)產(chǎn)生的壓力。根據(jù)AST M F1216—2003標準(Standard Practice for Rehabilitation of Existing Pipelines and Conduits by the Inversion and Curing of a Resin- Impregnated Tube),管道所承受的內(nèi)壓與管狀紡織復合材料的結(jié)構(gòu)、性能之間存在以下關(guān)系[4]:

式中:P——管道內(nèi)壓力(MPa);

σTL——管狀紡織復合材料的拉伸斷裂強度(MPa);

d——原有管道管壁上破損小孔的直徑(mm);

N——安全系數(shù)。

由式(3)可推算出管狀紡織復合材料厚度的計算公式:

當采用 CIPP技術(shù)對局部損壞壓力管道進行修復時,可采用式(4)進行管狀紡織復合材料厚度的計算。

1.3 管狀織物的彈性設(shè)計

管狀紡織內(nèi)襯材料經(jīng)向彈性伸長率越小越好,從而保證在翻襯過程中其長度變化最小。對管狀紡織內(nèi)襯材料緯向彈性伸長率的要求比較復雜,對存在變形和彎管的管道進行修復時,要求管狀紡織內(nèi)襯材料緯向具有拉伸變形特點,從而保證能夠?qū)⑵浒惭b在不規(guī)則管段和彎管處,在翻轉(zhuǎn)過程中內(nèi)襯管能夠向圓周方向拉伸,從而保證內(nèi)襯管能夠與原管內(nèi)壁緊密地貼合在一起,在彎管處無褶皺。

假設(shè)受損待修管道有角度為α的彎頭(如圖 1所示),在管道彎頭處,以中軸值即中弧長為參數(shù)基準值,管狀內(nèi)襯材料的彈性伸長率計算公式如下[4]:

式中:ε——彈性伸長率(%);

L1——內(nèi)弧長(mm);

L2——外弧長(mm);

L——中弧長(mm)。

在管狀紡織內(nèi)襯材料彈性設(shè)計中,其斷裂伸長率要求不小于ε即可。

圖1 彎管示意圖

1.4 管狀織物管徑的設(shè)計

在管狀紡織復合材料制作過程中,設(shè)計管狀機織物幅寬時,首先要考慮待修復管道的內(nèi)徑,它是管徑設(shè)計的基礎(chǔ)。管狀紡織復合材料由防滲膜與織物增強樹脂組成,它的厚度是防滲膜的厚度與織物增強樹脂的厚度之和,由此設(shè)計的管狀紡織復合材料的內(nèi)徑Df計算公式如式(6)所示:

式中:Df——管狀紡織復合材料的內(nèi)徑(mm);

DY——原管道的平均內(nèi)徑(mm);

Hm——織物增強樹脂的厚度(mm);

Hf——防滲膜的厚度(mm)。

管狀紡織復合材料的內(nèi)徑是由內(nèi)襯增強織物的管徑?jīng)Q定的,也是在制備管狀紡織復合材料時應(yīng)首先考慮的,增強織物的內(nèi)徑計算公式如式 (7)所示:

式中:Dg——增強織物的內(nèi)徑(mm)。

機織管狀織物織造幅寬計算公式如式 (8)所示:

式中:Lj——管狀機織物的幅寬(mm)。

2 管狀織物的織造工藝設(shè)計

2.1 管狀機織物的紗線選擇

2.1.1 纖維與紗線的選擇

CIPP技術(shù)修復管道,屬于紡織材料在產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用,為了實現(xiàn)對各類輸送管道的修復與加固,對材料的物化性能要求較高,所以只能選擇各方面性能都比較好的工業(yè)用化學纖維。由于 CIPP技術(shù)中對管狀紡織復合材料主要是強度、彈性方面的要求,所以在選擇纖維原料時重點考慮其強伸性。作為翻襯修復管道用的管狀織物,在厚度上也有特殊要求,因此為了使織物達到厚密效果,以保證施工過程的伸縮要求和使用過程的物理機械性能要求,紗線選擇為高線密度錦綸、滌綸長絲[5]。

2.1.2 紗線線密度的選擇

紗線的線密度直接決定織物的厚度進而影響管狀紡織復合材料的厚度,根據(jù)對管狀紡織復合材料厚度的要求,可計算出紗線線密度。假設(shè)織物經(jīng)緯紗密度與緊度相同,織物厚度為 h,則經(jīng)緯紗直徑 d均為 h/2,紗線線密度與直徑之間的換算公式為[6]:

式中:Tt——紗線的線密度 (tex);

d——紗線直徑(mm);

l——紗線的體積質(zhì)量 (g/cm3)。

滌綸與錦綸的紗線體積質(zhì)量一般為0.98 g/cm3與 0.95 g/cm3,通過上式可以計算出紗線的線密度在 222～1 111 tex之間。本文管狀織物的經(jīng)緯紗都選用 555 tex的紗線。

本文試織兩塊織物,分別為試樣 A與試樣 B,紗線選擇見表 1。

表1 紗線的選擇

2.1.3 紗線捻度的選擇

由于管狀織物在后續(xù)工序中還將進行涂層與浸漬樹脂,在厚度與密度上都有一定要求。涂層過程中,若防滲膜浸漬到織物另一面,整個產(chǎn)品就會非常僵硬,不利于翻襯施工?？椢锖衩軙r防滲膜不易滲透到?jīng)]涂層的那一面,而且織物厚密時樹脂浸漬容易,在翻襯過程中,管狀織物樹脂攜帶量大,樹脂與管壁黏結(jié)效果好,因此為了使織物達到厚密型外觀效果,選擇無捻或弱捻滌綸、錦綸長絲。

2.2 管狀織物的設(shè)計

設(shè)計織物為平紋組織,因為平紋組織是最簡單的織物組織,織造容易,適合大批量生產(chǎn);平紋組織是所有織物組織中交織次數(shù)最多的組織,因而平紋組織織物的斷裂強度較大;平紋組織正反面的特征基本相同,平紋組織織物表面平整,有利于防滲膜的涂覆。

以上是一些基礎(chǔ)設(shè)計包括織物的強度、厚度、彈性、管徑的設(shè)計和紗線及織物組織的選擇,下面對試織的兩塊試樣進行定量設(shè)計。假設(shè)管道內(nèi)徑為 10 cm,設(shè)計管狀織物為平紋組織,預(yù)設(shè)織物的經(jīng)緯密都為50根/10 cm,預(yù)設(shè)縮率:試樣A的下機縮率為2.2%,熱縮率為 10%;試樣 B的下機縮率為2%,熱縮率為19%。

2.2.1 管狀織物幅寬的設(shè)計

管狀織物下機后會有一定的收縮,而且管狀織物后續(xù)加工要經(jīng)過熱定型和精練等后整理,整理后也會有一定的收縮。

由管狀織物的內(nèi)徑計算管狀織物的下機幅寬計算公式為:

式中:W1——下機幅寬(cm);

y——熱縮率(%)。

設(shè)上機縮率為 a,則上機幅寬計算公式為:

式中:W2——上機幅寬(cm);

a——上機縮率(%)。

將預(yù)定數(shù)值代入式(10)和(11)得

試樣A:W1=17.44 cm,W2=17.83 cm;

試樣B:W1=19.38 cm,W2=19.77 cm。

2.2.2 管狀織物密度的設(shè)計

管狀織物的密度直接影響管狀織物的拉伸性能,而且對后續(xù)涂層與浸漬樹脂也有一定的影響。若密度小,織物稀松,涂層時防滲膜容易浸透到織物另一面,使成品硬挺;如果織物密度太大,樹脂黏結(jié)劑浸漬困難,織物攜帶樹脂黏結(jié)劑量不足,影響樹脂與管壁的黏結(jié)。

因此,應(yīng)根據(jù)所選擇紗線的線密度,嚴格控制織物的密度,參照國外類似產(chǎn)品的規(guī)格及本文研究中合作單位的實踐經(jīng)驗,經(jīng)緯紗若選用 333～999 tex錦綸與滌綸 (本文試織選用 555 tex經(jīng)緯紗)經(jīng)緯密控制在 45～50根 /10 cm為宜[7]。

2.2.3 管狀織物總經(jīng)根數(shù)的設(shè)計管狀織物總經(jīng)根數(shù)計算公式:

式中:Mj——管狀織物總經(jīng)根數(shù);

Rj——基礎(chǔ)組織的經(jīng)紗循環(huán)數(shù);

Z——表、里基礎(chǔ)組織總循環(huán)數(shù);

Sw——基礎(chǔ)組織的緯向飛數(shù) (當?shù)谝痪暤耐毒暦较蚝捅砝镯樞蚍謩e為自左向右投表緯或自右向左投里緯時,取 -Sw;當?shù)谝痪暤耐毒暦较蚝捅砝镯樞蚍謩e為自右向左投表緯或自左向右投里緯時,取 +Sw)。

式(12)代入數(shù)值得

試樣A:Mj=179根 (第一緯的投緯方向和表里順序分別為自左向右投表緯)。

試樣B:Mj=199根 (第一緯的投緯方向和表里順序分別為自左向右投表緯)。

2.2.4 管狀織物織造筘號的設(shè)計

織物筘號的設(shè)計可按經(jīng)驗計算公式計算,對于經(jīng)密小于 254根/10 cm的織物,筘號可按下面經(jīng)驗公式計算:

式中:NΦm——公制筘號(筘齒/10 cm);

Pj——經(jīng)密 (根/10 cm);

n——經(jīng)紗每筘齒穿入根數(shù)。

經(jīng)驗公式不受經(jīng)緯紗織縮率的制約,這樣便于筘號設(shè)計。試樣經(jīng)密為 50根/10 cm,經(jīng)紗每筘齒穿入 2根時,代入式(13),計算得出公制筘號數(shù)為44。

2.2.5 上機圖及其他工藝參數(shù)

管狀平紋織物的表、里組織如圖 2(a)與 2(b)所示。管狀平紋織物需 4片棕,采用“順穿法”穿綜,兩筘一入。管狀平紋織物的上機圖如圖 2(c)所示。

2.3 上機織造

本文試樣在數(shù)字小樣織機上完成織造。下機后測兩塊織物的實際下機縮率,試樣A為 1.6%,試樣B為1.1%。

3 管狀織物的熱縮率分析

圖2 平紋管狀織物的上機圖

管狀織物在進行防滲膜涂層前,需經(jīng)過預(yù)縮定型處理,否則在涂層時的熱收縮會造成管狀織物內(nèi)徑變小,從而會影響管狀紡織復合材料覆膜的效果。因此設(shè)計管狀紡織復合材料的管徑時,必須考慮其熱縮性能。

以下通過熱縮實驗對增強織物的熱縮性能進行分析,采用 SPSS軟件對實驗結(jié)果進行分析,建立熱縮時間、熱縮溫度與縮率的數(shù)學模型,指導管狀紡織復合材料的管徑設(shè)計。熱縮實驗在烘箱內(nèi)進行,熱定型工藝為:定型溫度 180～210℃,定型時間 1～5 min[8]。

3.1 試樣的制備

將試織的兩塊試樣 A和 B各剪 9個長度為15 cm左右,寬度為 10 cm的試樣,在每個試樣的正反兩面的正中心標定邊長為 5cm的小正方形 (記為A1～A9和B1～B9),分別在不同的溫度和時間條件下熱縮處理,觀察織物的經(jīng)緯密的變化。熱縮實驗試樣標定如表 2。

表2 熱縮實驗試樣標定

3.2 實驗結(jié)果與分析

計算分析各試樣熱縮率,結(jié)果見表 3。

通過以上數(shù)據(jù)我們可以很直觀地看出織物熱縮率與熱縮的時間和溫度有關(guān),溫度在 180～210℃時,溫度越高織物的熱縮率越大;而同一溫度下,熱縮時間越長織物的熱縮率越大。

表3 各試樣熱縮率 (單位:%)

3.3 SPSS分析

由熱縮實驗結(jié)果可以看出,熱縮率是與溫度和時間有很大關(guān)系的,為了探明它們之間的關(guān)系,運用了 SPSS軟件對它們的關(guān)系進行分析,以試樣A為例。

首先對試樣A基于溫度和時間的變化對縮率的影響進行雙因素方差分析,如表 4所示,由第一行的糾正模型的顯著性概率值 Sig.顯示為極小值,遠小于系統(tǒng)默認的臨界值 0.05,模型有統(tǒng)計學意義;由第二行的截距的顯著性概率 Sig.也遠小于0.05知,模型中的常數(shù)項是存在的;由第三、四、五行的顯著性概率 Sig.都為極小值,可得到溫度和時間對縮率是具有顯著影響的,且溫度和時間存在交互作用[9]。表 5所示為系數(shù)的分析結(jié)果,表 5中的常數(shù)項、溫度、時間的顯著性概率 Sig.都遠小于0.05,說明分析得到的系數(shù)具有統(tǒng)計學意義,從而得到熱縮率和溫度與時間之間的函數(shù)關(guān)系,如式(14)所示:

式中:y——織物的熱縮率(%);

T——溫度(℃);

t——時間 (min);

C——常數(shù)(試樣A為0.304,試樣B為0.313)。

在以后的幅寬設(shè)計中,當增強織物的原料不變,且覆膜工藝一定時,即覆膜溫度與時間已知時,那么就可以通過式 (14)來預(yù)測增強織物的熱縮率,從而對增強織物覆膜前的幅寬進行預(yù)測和計算。表 5為 SPSS數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

表4 試樣A基于溫度和時間對縮率影響的雙因素方差分析結(jié)果

表5 試樣A的縮率、時間、溫度關(guān)系分析結(jié)果

3.4 織造工藝優(yōu)化

由于在計算管狀織物總經(jīng)根數(shù)時的熱縮率為預(yù)設(shè)值,與實驗值相差很大,所以總經(jīng)根數(shù)不準確,需要對織造工藝進行優(yōu)化。當覆膜工藝一定時,即覆膜溫度與時間已知時,那么就可以通過式 (14)來預(yù)測織物的熱縮率,從而對織物上機前的各項工藝參數(shù)進行計算和優(yōu)化。

由 SPSS分析結(jié)果對試樣A、B的織造工藝進行如下優(yōu)化。

試樣A:將 T=210℃,t=3 min,代入式(12)得y=0.146,即熱縮率 y=14.6%。將熱縮率 y= 14.6%,下機縮率 a=1.6%,Dg=10 cm,W1= 18.38 cm,W2=18.68 cm代入式 (12)可得總經(jīng)根數(shù)Mj=186.8根,則修正后總經(jīng)根數(shù)Mj為 187根。

試樣B:將 T=210℃,t=3 min,代入式(12)得y=0.137,即熱縮率 y=13.7%。將熱縮率 y= 13.7%,下機縮率 a=1.1%,Dg=10 cm,W1= 18.19 cm,W2=18.39 cm代入式 (12)可得總經(jīng)根數(shù)Mj=183.9根,則修正后總經(jīng)根數(shù)Mj為 184根。

由上面的工藝優(yōu)化可見,在以后的生產(chǎn)設(shè)計中,如果管狀機織物紗線的材料與本文的相同,就可以通過式 (14)來預(yù)測織物的熱縮率,對織物上機前的各項工藝參數(shù)進行計算和優(yōu)化,使結(jié)果與設(shè)計值更接近。

4 結(jié)語

管狀機織物增強復合材料應(yīng)用于管道修復,拓寬了管狀機織物增強復合材料的應(yīng)用領(lǐng)域,CIPP技術(shù)采用非開挖方法修復管道克服了全面開挖更換新管所造成的占用道路多和工程量大、成本高等弊端,是較理想和高效率的管道修復技術(shù)。管狀紡織復合材料作為內(nèi)襯管實現(xiàn)對舊管道的修復,具有許多金屬材料不具備的優(yōu)良特性,如抗疲勞性、減震能力、破壞安全性及耐腐蝕性等,且使得管道的使用壽命增加 30～50年。

本文主要針對待修復管道對管狀機織物增強復合材料強度、厚度與管徑的要求,對管狀機織物增強復合材料的增強體即管狀織物的結(jié)構(gòu)與織造工藝進行了設(shè)計,可為機織物增強體的設(shè)計與制作提供理論依據(jù)。對管狀機織物進行熱縮處理,采用SPSS軟件對管狀織物的熱縮性能進行了分析,建立了反映熱縮時間、熱縮溫度與縮率之間關(guān)系的數(shù)學模型,從而指導管狀紡織復合材料的管徑設(shè)計,據(jù)此可重新修正織造工藝參數(shù),從而優(yōu)化了管狀織物織造工藝,填補了國內(nèi)部分技術(shù)空白,對加速CIPP管道修復技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

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Structure design of enhanced body of tubular fabric composite material for pipeline rehabilitation

Hao Zhenxing,Zhang Shujie,W ang Rui and Xiao Q i
(College of Textiles,Tianjin Polytechnic University)

Applying tubular fabric-reinforced composite material in the field of pipeline repair men,the technology for repairing pipe using trenchless excavation to substitute general replacementwith new pipe,which is not only convenient,economic but also friendly to environment.The structure and weaving technology of enhanced body of tubular fabric composite materialwas designed,which meeted the requirement of the damaged pipeline to the strength,thickness and diameter of tubular woven fabric reinforced composite material.The hot shrinkage property of tubular fabric was analysed by the software of SPSS,and the model that affected the relationship among hot shrinkage of tubular fabric,time and temprature was established,thus it can guide the pipe diameter design of the tubular textile composite material,and modified accordinglyweaving parameters,providing the theoretical basia for the productiong and application of tubularwoven fabric reinforced composite materials.

tubular fabric composite material,structure design,tubular fabric,weaving technology,hot-shrinking property,pipeline repairmen

TS105.11

A

1004-7093(2010)06-0011-07

＊天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計劃(08JCYBJC11400);天津市高等學?？萍及l(fā)展基金計劃項目 (ZD200720);天津工業(yè)大學大學生創(chuàng)新性實驗計劃資助項目(08005)

2009-12-01

郝振興,男,1988年生,在讀本科生。主要研究方向為紡織材料與紡織品設(shè)計。