管道全景量化檢測機器人在管道修復設計中的應用

劉志國1，翟樨祚2，于建輝3

（武漢中儀物聯(lián)技術(shù)股份有限公司）

摘要：在CIPP管道修復設計中，內襯管厚度的設計需要相關(guān)參數進(jìn)行計算，若不對待修復管道進(jìn)行全面的量化，則相當一部分參數需要進(jìn)行估算或者按照傳統方法進(jìn)行給定，例如在管道變形量無(wú)法進(jìn)行量化時(shí)，進(jìn)行內襯管厚度計算時(shí)，管道變形量一般取值為2%，但是對于管道變形量大于2%時(shí)，則會(huì )對內襯厚度計算產(chǎn)生偏差，導致修復失敗，因此在管道修復設計中，采用管道量化檢測機器人對管道進(jìn)行量化處理，獲得管道的幾何參數，對管道修復設計起到關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞：量化檢測，管道檢測機器人，管道變形量，管道修復設計，結構性修復。

1 引言

  隨著(zhù)城市現代化進(jìn)程不斷加快，人們對于城市建設有了越來(lái)越高的要求。其中城市的排水工程就是很重要的一項城市建設，這關(guān)系著(zhù)居民的生活和安全。給排水設計和管道修復是給排水工程的重點(diǎn)，設計是施工的重要前提，管道修復是保障管道正常使用的重要手段。

  關(guān)于非開(kāi)挖技術(shù)，國際上定義為“利用微開(kāi)挖或不開(kāi)挖技術(shù)對地下管線(xiàn)。管道和地下電纜進(jìn)行鋪設、修復或更換的一門(mén)科學(xué)"。非開(kāi)挖管道修復技術(shù)最初在英國開(kāi)始應用，其中技術(shù)主要包括管道內部檢測技術(shù)，管道清洗技術(shù)以及管道修復技術(shù)。在管道修復技術(shù)中，原位固化法逐漸成為主流的管道修復技術(shù)。該工藝將修復材料在原管道中通過(guò)循環(huán)熱水或蒸汽固化，形成管中管結構，增強了原有管道的結構強度。

  紫外光固化法作為原位固化法（Cured-in-place-Pipe，簡(jiǎn)稱(chēng)CIPP）的升級修復方法，通過(guò)將玻璃纖維增強內襯材料通過(guò)拉入紫外燈光鏈產(chǎn)生的紫外光進(jìn)行固化，其修復后的管道質(zhì)量和安全性與通過(guò)鋼管進(jìn)行修復后的質(zhì)量相當，同時(shí)由于玻璃纖維增強的軟管具有較高的力學(xué)性能，減少了內襯管的設計厚度，并可以增強固化效果。因此采用玻璃纖維增強復合材料的紫外光固化法進(jìn)行地下管道修復具有廣闊的發(fā)展前景。

2 排水管道結構性修復設計思路

2.1 方法及定義

  依據行業(yè)標準《城鎮排水管道非開(kāi)挖修復更新工程技術(shù)規程》，排水管道非開(kāi)挖修復分為半結構性修復與結構性修復。半結構性修復(Semi—structural rehabilitation) 定義為新的內襯管依賴(lài)于原有管道的結構，在設計壽命之內僅需要承受外部的靜水壓力，而外部土壓力和動(dòng)荷載任然原有管道支撐。結構性修復 (Structural rehabilitation ) 定義為修復后的新管道結構具有不依賴(lài)于舊管道而獨立承受外部靜水壓力、土壓力和動(dòng)荷載作用的性能。排水管道結構性修復內襯壁厚反映了在安全經(jīng)濟條件下，內襯管道與原有管道分擔水、土荷載以及動(dòng)荷載的能力。不同修復工藝其內襯管道壁厚的計算方式不同。 

2.2 內襯管壁厚度設計

  根據ASTM標準，對于管道修復設計中分為局部破壞管道和*破壞管道，因此針對不同的破壞情況，需要進(jìn)行半結構性修復或結構性修復。

  在進(jìn)行內襯管壁厚度設計時(shí)，需要考慮很多變量和參數，以確保設計的管道能夠承受外部載荷的性能。參數取值決定了修復設計的合理性，如果無(wú)法取得精確的參數值，則采用工程評價(jià)的方法進(jìn)行評價(jià)和取值。表1中示出了一些CIPP設計參數。

  在半結構修復中，當管道位于地下水位以下時(shí)，在水荷載作用下，內襯管的厚度計算公式為：

  在結構破壞的情況下，CIPP內襯管道設計時(shí)，必須要計算出CIPP管道上承受的總荷載Pt，其中總荷載主要由靜水壓力、土的有效壓力、活荷載以及其他荷載組成。

  在排水管道結構性修復內襯管獨立承受外部總荷載（地下水靜液壓力、土壤靜載荷、活載荷）時(shí)，管壁厚度應按下列公式計算：

3 管道變形量對結構性修復影響研究

3.1管道變形量影響

  根據現行國家行業(yè)標準《城鎮排水管道檢測與評估技術(shù)規程CJJ181》和《城鎮給水管道非開(kāi)挖修復更新工程技術(shù)規程》可知管道變形量q會(huì )有效影響管道橢圓度修正系數C，進(jìn)而影響CIPP中管道內襯厚度設計。在現行CIPP修復設計過(guò)程中，由于原有管道最小內徑以及最大內徑無(wú)法準確測算，因此通常在管道結構性修復和半結構性修復中，將管道的形狀變形率q取值2%來(lái)進(jìn)行計算，進(jìn)而計算獲得管道內襯厚度，并根據相應的厚度來(lái)進(jìn)行管道修復。

3.2 管道變形量對修復影響研究實(shí)驗

  部分使用年限較長(cháng)的排水管道，可能變形量會(huì )相對較大，此時(shí)依舊采用2%的變形率取值易導致計算的管道內襯厚度不夠而使得修復效果不理想或修復失敗。

  在一次修復實(shí)驗過(guò)程中，僅通過(guò)管道檢測機器人對管道進(jìn)行了常規檢測，并沒(méi)有對管道進(jìn)行量化，當實(shí)驗人員進(jìn)行修復設計時(shí)，按照常規的變形量2%作為參數進(jìn)行內襯修復厚度計算，管頂覆土為2米，管道直徑1000mm，ν=0.3，N=2，地下水位0.5米，內襯管短期彈性模量16000Mpa，K=7，經(jīng)過(guò)計算得到內襯管厚度應該在8.02mm。

  實(shí)驗中，采用8.02mm厚度的內襯管進(jìn)行管道修復，最終出現修復失敗，內襯管因為強度原因，發(fā)生屈曲變形，如圖1和圖2所示。

  后通過(guò)管道量化檢測機器人進(jìn)行檢測，測量得到該管道最大直徑為1111mm，如圖3所示，計算變形率為11%。若將變形量參數修改為11%后，再通過(guò)上述方法對內襯管壁厚度進(jìn)行計算，得到的內襯管壁厚度為t=13.64mm。

圖1

圖2

圖3

3.3 管道量化機器人對管道變形量測定研究

  通過(guò)實(shí)驗可得知，管道的變形量對CIPP修復過(guò)程中內襯管厚度計算起到至關(guān)重要的影響，因此對管道變形量的量化在管道檢測過(guò)程中尤為重要。

  在管道變形率量化方案中，包括基于圓形激光的量化檢測、基于攝影測量的量化檢測和基于激光雷達（LIDAR）的量化測量。

  基于圓形激光的量化測量中如圖4所示，通過(guò)將激光投射到管壁，再用魚(yú)眼攝像頭觀(guān)察成像，采用圖像方法提取輪廓，根據輪廓分析，并進(jìn)行多輪廓拼接成三維。

圖4

  由于該方案使用魚(yú)眼鏡頭，不能與CCTV同時(shí)使用，并且為確保效果，需要在關(guān)燈的情況下進(jìn)行檢測。

  基于攝影測量的量化檢測則是通過(guò)高清CCTV攝像頭對管道內部進(jìn)行拍攝，如圖5示。檢測完成后，通過(guò)3D軟件，生成3D管道模型，在三維軟件內，進(jìn)行測量、計算。

圖5

  該方案可以量化各種缺陷以及管道變形量，測量之前要先標定，測量效率較低。

  通過(guò)激光雷達進(jìn)行量化測量，在檢測設備上搭載激光雷達模塊，如圖6所示，在檢測過(guò)程中，通過(guò)激光雷達獲取管道內的橫截面信息，進(jìn)而對管道進(jìn)行量化。

  圖6

  在進(jìn)行管道檢測過(guò)程中，實(shí)時(shí)獲取管道當前檢測處的輪廓信息，如圖7所示。

圖7

  最后通過(guò)三維管道量化系統，將輪廓信息拼接為管道三維模型，圖8所示。進(jìn)而對管道變形量進(jìn)行量化，圖9所示。

  圖8

圖9

  采用激光雷達進(jìn)行量化中，由于激光雷達的高精確性，能夠對管道進(jìn)行完整的3D還原，獲取的數據更加精準，同時(shí)管道三維模型，能夠對管道修復設計進(jìn)行更為精確的計算。另外，采用激光雷達進(jìn)行管道量化時(shí)，無(wú)需提前進(jìn)行標定，隨著(zhù)常規CCTV檢查時(shí)進(jìn)行數據收集，檢查完畢后即可獲得管道三維量化數據，相較于其他量化方式，效率更高。

  基于激光雷達的管道量化計算中，還可以對管道其他參數進(jìn)行量化，包括管道尺寸、破裂尺寸、管道沉積量、支管尺寸和排口尺寸等，圖10中可見(jiàn)在進(jìn)行管道量化后，可對管道的沉積量進(jìn)行量化，獲得管道的沉積圖，能夠對管道修復設計提供更為科學(xué)的依據。

圖10

4 結語(yǔ)

  在管道修復設計中，為了保證修復的合理性，科學(xué)性，需要對計算參數進(jìn)行合理的測算，采用管道量化檢測機器人，對管道進(jìn)行量化，根據管道的三維數據，可以獲取包括變形量在內的多種修復設計參數，無(wú)需對相關(guān)參數進(jìn)行預估，使得在管道修復中，內襯厚度設計能夠更加科學(xué)。進(jìn)一步的，管道量化機器人可以延伸至新管驗收、管道養護計劃、雨污混接調查和排口溯源領(lǐng)域，為管道的驗收，養護，排查提供科學(xué)參考。

5 參考文獻

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【3】趙雅宏, 曾正, 馬保松. 《給排水管道原位固化法修復工程技術(shù)規程》關(guān)鍵技術(shù)[J]. 特種結構, 2019, 036(001):108-112。

【4】中華人民共和國行業(yè)標準CJJT 210-2014 城鎮排水管道非開(kāi)挖修復更新工程技術(shù)規程。

【5】美國 ASTM 標準 F1947—04折疊聚氯乙烯內襯管修復污水管道的標準規范

Standard Practice for Installation of Folded Poly(Vinyl Chloride) (PVC)Pipe into Existing Sewer and Conduits。