管道量化检测机器人在管道修复设计中的应用
管道量化检测机器人在管道修复设计中的应用
刘志国 翟樨祚 于建辉
1.武汉中仪物联技术股份有限公司, 湖北 武汉 430040
摘要：在CIPP管道修复设计中，内衬管厚度的设计需要相关参数进行计算，若不对待修复管道进行全方位的量化，则相当一部分参数需要进行估算或者按照传统方法进行给定，例如在管道变形量无法进行量化时，进行内衬管厚度计算时，管道变形量一般取值为2%，但是对于管道变形量大于2%时，则会对内衬厚度计算产生偏差，导致修复失败，因此在管道修复设计中，采用管道量化检测机器人对管道进行量化处理，获得管道的几何参数，对管道修复设计起到关键作用。
关键词：量化检测，管道检测机器人，管道变形量，管道修复设计，结构性修复
1 引言
随着城市现代化进程不断加快，人们对于城市建设有了越来越高的要求。其中城市的排水工程就是很重要的一项城市建设，这关系着居民的生活和安全。给排水设计和管道修复是给排水工程的重点，设计是施工的重要前提，管道修复是保障管道正常使用的重要手段。
关于非开挖技术，国际上定义为“利用微开挖或不开挖技术对地下管线、管道和地下电缆进行铺设、修复或更换的一门科学”。非开挖管道修复技术最初在英国开始应用，其中技术主要包括管道内部检测技术，管道清洗技术以及管道修复技术，在管道修复技术中，原位固化法逐渐成为主流的管道修复技术，该工艺将修复材料在原管道中通过循环热水或蒸汽固化，形成管中管结构，增强了原有管道的结构强度。
紫外光固化法作为原位固化法（Cured-in-place-Pipe，简称CIPP）的升级修复方法，通过将玻璃纤维增强内衬材料通过拉入紫外灯光链产生的紫外光进行固化，其修复后的管道质量和安全性与通过钢管进行修复后的质量相当，同时由于玻璃纤维增强的软管具有较高的力学性能，减少了内衬管的设计厚度，并可以增强固化效果。因此采用玻璃纤维增强复合材料的紫外光固化法进行地下管道修复具有广阔的发展前景。
2 排水管道结构性修复设计思路
2.1 方法及定义
依据行业标准《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》，排水管道非开挖修复分为半结构性修复与结构性修复。半结构性修复 (Semi—structural rehabilitation ) 定义为新的内衬管依赖于原有管道的结构，在设计寿命之内仅需要承受外部的静水压力，而外部土压力和动荷载任然原有管道支撑。结
构性修复 (Structural rehabilitation ) 定义为修复后的新管道结构具有不依赖于旧管道而独立承受外部静水压力、土压力和动荷载作用的性能。排水管道结构性修复内衬壁厚反映了在安全经济条件下，内衬管道与原有管道分担水、土荷载以及动荷载的能力。不同修复工艺其内衬管道壁厚的计算方式不同。
2.2 内衬管壁厚度设计
根据ASTM标准，对于管道修复设计中分为局部破坏管道和完全破坏管道，因此针对不同的破
2020年12月 第6期  No.6 Dec.,2020《非开挖技术》杂志
社Periodical office of china Trenchless Technology
2020年第6期                                刘志国 翟樨祚 于建辉：管道量化检测机器人在管道修复设计中的应用
坏情况，需要进行半结构性修复或结构性修复。
在进行内衬管壁厚度设计时，需要考虑很多变量和参数，以确保设计的管道能够承受外部载荷的性能。参数取值决定了修复设计的合理性，如果无法取得精确的参数值，则采用工程评价的方法进行评
价和取值。表1中示出了一些CIPP 设计参数。
表1 CIPP 设计参数意义表
在半结构修复中，当管道位于地下水位以下时，在水荷载作用下，内衬管的厚度计算公式为：
在结构破坏的情况下，CIPP 内衬管道设计时，必须要计算出CIPP 管道上承受的总荷载Pt，其中总荷载主要由静水压力、土的有效压力、活荷载以及其他荷载组成。
在排水管道结构性修复内衬管独立承受外部总荷载（地下水静液压力、土壤静载荷、活载荷）时，管壁厚度应按下列公式计算：
祚
3 管道变形量对结构性修复影响研究
3.1管道变形量影响
根据现行国家行业标准《城镇排水管道检测与评估技术规程CJJ181》和《城镇给水管道非开挖修复更新工程技术规程》可知管道变形量q 会有效影响管道椭圆度修正系数C，进而影响CIPP
中管道内衬厚度设计。在现行CIPP 修复设计过程中，由于原有管道最小内径以及最大内径无法准确测算，因此通常在管道结构性修复和半结构性修复中，将管道的形状变形率q 取值2%来进行计
算，进而计算获得管道内衬厚度，并根据相应的厚度来进行管道修复。
3.2 管道变形量对修复影响研究实验
部分使用年限较长的排水管道，可能变形量会相对较大，此时依旧采用2%的变形率取值易导致计算的管道内衬厚度不够而使得修复效果不理想或修复失败。
在一次修复实验过程中，仅通过管道检测机器人对管道进行了常规检测，并没有对管道进行量化，当实验人员进行修复设计时，按照常规的变形量2%作为参数进行内衬修复厚度计算，管顶覆土为2m，管道直径1000mm，ν=0.3，N=2，地下水位0.5m，内衬管短期弹性模量16000MPa，
K=7，经过计算得到内衬管厚度应该在8.02mm。
实验中，采用8.02mm 厚度的内衬管进行管道修复，最终出现修复失败，内衬管因为强度原因，
序号
参数意义
描述对象
1t 内衬管壁厚（mm）内衬管2
D0
内衬管外径（mm）3EL
内衬管的长期弹性模量 (MPa ) ，宜根据试验资料确定或取短期弹性模量的50%；此参数考虑内衬管材物理性能
4ν泊松比，一般取值0.35C 管道椭圆度修正系数原有管道6q 管道变形量（%）管道的形状
变形百分值。7DE 原有管道的平均内径（mm）8Dmin 原有管道的最小内径（mm）9
Dmax
原有管道的最大内径（mm）10K
环境影响系数，反映土壤和原有管道等外界条件对内衬管的有利影响。7为推荐的最小值，已充分考虑外界环境
对内衬管的作用外部环境
11N 安全系数，一般取值1.5~2.0。但在大直径的管道修复中由于人工可进入管道测量，相关数据都比较准确，则安全
系数可以取值1.5.安全储备
12Pw 作用在CIPP内衬管上的静水
压力（MPa）
外部荷载
非开挖技术china Trenchless Technology                                                        2020年12月
发生屈曲变形，如图1和图2所示。
后通过管道量化检测机器人进行检测，测量得到该管道最大直径为1111mm，如图3所示，计算变形率为11%。若将变形量参数修改为11%后，再通过上述方法对内衬管壁厚度进行计算，得到的内衬管壁厚度为t=13.64mm。
图1 原位固化法修复实验效果图一
图2 原位固化法修复实验效果图二
图3 实验管道变形率测定图3.3 管道量化机器人对管道变形量测定研究
通过实验可得知，管道的变形量对CIPP修复过程中内衬管厚度计算起到至关重要的影响，因此对管道变形量的量化在管道检测过程中尤为重要。
在管道变形率量化方案中，包括基于圆形激光的量化检测、基于摄影测量的量化检测和基于激光雷达（LIDAR）的量化测量。
基于圆形激光的量化测量中如图4所示，通过将激光投射到管壁，再用鱼眼摄像头观察成像，采用图像方法提取轮廓，根据轮廓分析，并进行多轮廓拼接成三维。
图4 圆形激光的量化测量示例图
由于该方案使用鱼眼镜头，不能与CCTV同时使用，并且为确保效果，需要在关灯的情况下进行检测。
基于摄影测量的量化检测则是通过高清CCTV摄像头对管道内部进行拍摄，如图5示。检测完成后，通过3D软件，生成3D管道模型，在三维软件内，进行测量、计算。
图5 管道3D模型生成效果图
该方案可以量化各种缺陷以及管道变形量，测量之前要先标定，测量效率较低。
通过激光雷达进行量化测量，在检测设备上
搭载激光雷达模块，如图6所示，在检测过程中，通过激光雷达获取管道内的横截面信息，进而对管道进行量化。
图6 管道量化检测机器人结构图
在进行管道检测过程中，实时获取管道当前检测处的轮廓信息，如图7所示。
图7 管道轮廓信息获取效果图
最后通过三维管道量化系统，将轮廓信息拼接为管道三维模型，图8所示。进而对管道变形量进行量化，图9所示。
图8 管道三维模型生成效果图
图9 管道变形率测定折线图
采用激光雷达进行量化中，由于激光雷达的高精确性，能够对管道进行完整的3D还原，获取的数据更加精准，同时管道三维模型，能够对管道修复设计进行更为精确的计算。另外，采用激光雷达进行管道量化时，无需提前进行标定，随着常规CCTV检查时进行数据收集，检查完毕后即可获得管道三维量化数据，相较于其他量化方式，效率更高。
基于激光雷达的管道量化计算中，还可以对管道其他参数进行量化，包括管道尺寸、破裂尺寸、管道沉积量、支管尺寸和排口尺寸等，图10中可见在进行管道量化后，可对管道的沉积量进行量化，获得管道的沉积图，能够对管道修复设计提供更为科学的依据。
图10 管道沉积量量化示意图
4 结语
在管道修复设计中，为了保证修复的合理性，科学性，需要对计算参数进行合理的测算，采用管道量化检测机器人，对管道进行量化，根据管道的三维数据，可以获取包括变形量在内的多种修复设计参数，无需对相关参数进行预估，使得在管道修复中，内衬厚度设计能够更加科学。进一步的，管道量化机器人可以延伸至新管验收、管道养护计划、雨污混接调查和排口溯源领域，
为管道的验收，养护，排查提供科学参考。
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非开挖技术  china Trenchless Technology                                                        2020年12月
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[1] [2] [3] 业，提高检测效率，减少停水时间，降低泵站压力。
(3) 宜采用大型CCTV 检测设备检测，大型CCTV 设备应配置独立驱动的爬行器，以提高其行进稳定性和爬坡能力，实现转向和180°调头等功能，保证设备居中，并通过可升降镜头适应特大管径管道的检测。
(4) 水位不能降至要求水位时，可采用CCTV 漂流检测、综合检测设备或全地形设备进行检测。
(5) 检测设备应配置可调节的多种亮度拍摄灯光，以适应管内雾气较重，或管径较大的管道检测。
(6) 特大管径管道检测因进口小、设备大，多数检测设备需要在井下进行组装，需要注意人员下井安全。
5 结语
城市地下管道，是城市的命脉与经络，采用
各类设备及手段了解各管段的危险程度，可预防和有效减少事故并节约管道维修资金，是保证管道安全的重要措施。随着管道电视检测需求的不断增长，我们也真诚地期待，在地下管线检测领域能够研制出更多更先进的能适应各种管径、各种环境的检测方法及检测设备，使地下管道的检测方法有更多的选择。
参考文献
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