Decyzja odnośnie skorzystania z konkretnej metody rehabilitacji powinna uwzględniać różne kryteria projektowe. Niestety, zbyt często wyznacznikiem wyboru metody renowacji jest niski poziom kosztów związanych z procesem instalacji. Tymczasem właściwa procedura selekcji metody obejmuje ocenę stanu istniejącego rurociągu, określenie wymagań w stosunku do odnowionego rurociągu i dopiero, w następnej kolejności, wybór odpowiednich technik, z których można wyłonić tę najbardziej optymalną kosztowo.

Główne zasady dotyczące projektowania Sposób postępowania przy wyborze optymalnej metody rehabilitacji przedstawiono schematycznie na rys. 1 [7]. Przy ocenie funkcjonowania istniejącego rurociągu (krok 1) konieczne jest zgromadzenie:

  • ogólnych informacji na temat istniejącego rurociągu, a zwłaszcza rodzaju zastosowanych rur (materiał), średnic i kształtek;
  • informacji o utrudnieniach eksploatacyjnych, na które ma wpływ stan rurociągu, a zwłaszcza: informacji o nieregularnościach geometrycznych (np. zmiany średnicy wewnętrznej), inkrustacjach, wystających do wnętrza włączeniach bocznych oraz uszkodzeniach strukturalnych rurociągu;
  • informacji o warunkach organizacji placu budowy, które mogą wpływać na przebieg procesu instalacyjnego, a szczególnie o dostępie do istniejącego rurociągu, poziomie wody gruntowej, potrzebie zastosowania rurociągów obejściowych tzw. by-passów.

Wymagania w stosunku do odnowionego rurociągu (krok 2) można podzielić na dwie grupy:

  • wymagania dotyczące wydajności hydraulicznej;
  • wymagania konstrukcyjne.

Aby wybrać najbardziej ekonomiczną metodę renowacji, konieczne jest wcześniejsze ponowne określenie rzeczywiście potrzebnej wydajności hydraulicznej. Rurociąg poddany rehabilitacji powinien wytrzymać wszelkie obciążenia wewnętrzne i zewnętrzne. W aplikacjach ciśnieniowych czynnikiem nadrzędnym jest sposób przenoszenia obciążeń wewnętrznych. W przypadku rehabilitacji rur ciśnieniowych szczególnie istotne jest zrozumienie wzajemnych oddziaływań pomiędzy elastyczną wykładziną a relatywnie sztywną rurą odnawianego rurociągu w aspekcie przenoszenia naprężeń obwodowych pochodzących od ciśnienia wewnętrznego. Zagadnienie to zostanie omówione w dalszej części artykułu.

Klasyfikacja konstrukcyjna wykładzin do renowacji rurociągów ciśnieniowych
W najnowszej wersji norm ISO dotyczących rehabilitacji rurociągów przyjęto nową klasyfikację konstrukcyjną wykładzin. Obejmuje ona 4 klasy - od klasy A do klasy D [1, 2, 3, 11].
Nowy podział wprowadza możliwość dokonania szczegółowej charakterystyki rodzin technik renowacyjnych (tab. 1, rys. 2).
Klasa A, wykładziny niezależne, samodzielnie wytrzymują bez uszkodzenia działanie wszystkich występujących obciążeń przez cały zakładany okres ich trwałości, bez konieczności wsparcia poprzecznego, zapewnianego przez istniejący rurociąg. Mogą być instalowane jako wykładziny luźno lub ciasno pasowane. Są w stanie reagować na naprężenia dynamiczne, związane z ewentualną awarią konstrukcyjną istniejącej rury, i przenosić naprężenia obwodowe również w całym projektowanym okresie ich trwałości. Większość użytkowników z łatwością akceptuje fakt, że wykładziny, które nie są połączone z istniejącym rurociągiem, takie jak ciasno pasowany polietylen, są w stanie przetrwać awarię, podczas gdy wykładziny, które są lub mogą być połączone z istniejącym rurociągiem, wymagają przeprowadzenia prób!
Wykładziny interaktywne zaliczane do klasy B oraz klasy C nie są zdolne do samodzielnego reagowania na wszystkie obciążenia wewnętrzne i, w związku z tym, wymagają wsparcia w zakresie przenoszenia naprężeń obwodowych ze strony istniejącego rurociągu. Jeśli zdolność wykładziny poddanej długoterminowemu naprężeniu od ciśnienia wewnętrznego jest mniejsza od MOP (Maksymalne Ciśnienie Operacyjne) rehabilitowanego rurociągu, to wykładzina taka określana jest mianem interaktywnej.
Interaktywna wykładzina ciśnieniowa jest z definicji wykładziną ciasno pasowaną. Wykładziny klasy B posiadają własną sztywność obwodową, podczas gdy wykładziny klasy C wykorzystują wsparcie istniejącego rurociągu (mają bezpośredni kontakt z wnętrzem starego rurociągu). Nowa wykładzina pokrywa dziury i szczeliny obwodowe występujące w odnawianym rurociągu. Wykładzina klasy D może jedynie zabezpieczyć stary rurociąg przed zużyciem ściernym lub korozyjnym, natomiast nie wpływa na jego właściwości konstrukcyjne.
Nowa klasyfikacja ISO odnosi się jedynie do reakcji wykładziny na ciśnienie wewnętrzne. Podczas wpisywania do projektu wykładziny do renowacji rurociągów ciśnieniowych projektant powinien uwzględnić także inne siły działające na wykładzinę, takie jak obciążenia zewnętrzne - naprężenia związane z poziomem wody gruntowej lub podciśnienie [3].

Zastosowanie rur z materiałów termoplastycznych
Materiały termoplastyczne w systemach rurowych do przesyłania różnych mediów stosowane są od ponad 50 lat. Firma Wavin, wiodący obecnie na świecie producent rur z tworzyw sztucznych, powstała w roku 1955. Impulsem do wykorzystania tworzyw w rurociągach była walka z zanieczyszczeniami wody pitnej powodowanymi korozją rur z materiałów tradycyjnych. Bardzo szybko dostrzeżono również inne (oprócz odporności na korozję) zalety tworzyw, takie jak np. niska wartość modułu elastyczności. Dzięki temu konstrukcje rurowe z tworzyw bardzo dobrze zachowują się w gruncie.
Rury plastikowe zaczęto równie wcześnie stosować w aplikacjach bezwykopowych. I tak na przykład w roku 1967 w Wielkiej Brytanii firma South Western Electricity Board zdecydowała się na wykorzystanie metody slipliningu do renowacji nieszczelnych połączeń w rurociągu kanalizacyjnym z rur kamionkowych. Użyte zostały rury PVC łączone za pomocą cementu.
W momencie pojawienia się rur z PE na rynku, zaczęto jeszcze intensywniej wykorzystywać szczególne własności tworzyw. Obecnie rury termoplastyczne powszechnie są uważane za materiał idealny do stosowania w trudnych warunkach instalacyjnych, szczególnie wtedy, gdy prowadzenie robót w wykopie otwartym jest niemożliwe lub kiedy zachodzi konieczność ograniczenia zakresu robót ziemnych.

Wymiana istniejących rur metodami bezwykopowymi
Metoda pipe bursting polega na zastąpieniu starego rurociągu nowym. Ekspander kruszy lub rozcina istniejący rurociąg od wewnątrz, formując przestrzeń pozwalającą na zainstalowanie nowego przewodu. Na rynku dostępne są dwa typy urządzeń do pipe burstingu: hydrauliczne/pneumatyczne lub mechaniczne.
Metoda dynamicznego kruszenia rur (dynamic pipe bursting) polega na tym, że stara rura rozcinana jest za pomocą pneumatycznego mechanizmu udarowego lub ekspandera hydraulicznego, a jej fragmenty rozpychane są na boki wraz z otaczającym gruntem. Metoda ta stosowana jest wówczas, gdy istniejący rurociąg wykonany jest z materiału kruchego: betonu, kamionki lub azbestu. Możliwe jest wciągnięcie rury o większej średnicy. Metoda statycznego kruszenia rur (static pipe bursting) zakłada, iż we wnętrzu starej rury z dużą siłą przeciągane jest ostrze, które kruszy/rozcina rurę. Ze względu na duże siły ciągnienia potrzebne do przeciągania głowicy z nożami tnącymi używa się prętów. Statyczny pipe bursting wykorzystywany jest do kruszenia rur stalowych i żeliwnych, ułożonych blisko innych rur, które nie są poddawane renowacji. Podczas układania i eksploatacji rury PE wykorzystywane do pipe burstingu są narażone na:

  • zarysowania powierzchni zewnętrznej (podczas wciągania rury);
  • naciski punktowe pojawiające się po zainstalowaniu rury.


Ścieralność PE jest materiałem wykazującym doskonałą odporność na ścieranie, zwłaszcza w porównaniu z takimi materiałami, jak PVC, żeliwo i stal. Tłumaczy to nadzwyczajną popularność PE w aplikacjach przemysłowych (ryzyko zarysowań wewnętrznej ściany rury) i metodzie slipliningu (ryzyko zarysowań od zewnątrz).

Naciski punktowe
Ściana zewnętrzna wykładziny PE zainstalowanej wewnątrz odnawianej rury podlega działaniu nacisków punktowych pochodzących od fragmentów starego rurociągu. Naciski punktowe mogą wystąpić zaraz po zainstalowaniu rury lub w trakcie dalszej eksploatacji rurociągu na skutek parcia i osiadania gruntu. Obciążenia punktowe, którym podlegają rury PE, zostały gruntownie przebadane w Niemczech [16]. Wyniki badań pokazały, że przy naciskach punktowych występują naprężenia i odkształcenia plastyczne, które mogą kolejno prowadzić do:

  • wgniecenia zewnętrznej ścianki rury;
  • inicjacji pęknięć na wewnętrznej stronie rury;
  • powolnego wzrostu pęknięć od wnętrza rury do jej powierzchni (ciśnienie wewnętrzne stymuluje wzrost pęknięć).

Rura PE, odporna na naciski punktowe i działanie ciśnienia wewnętrznego, powinna charakteryzować się następującymi właściwościami ochronnymi:

  • powinna posiadać warstwę przeciwdziałającą pęknięciom na wewnątrznej ścianie rury;
  • bardzo opóźnioną inicjacją pęknięć; pęknięcie (jeśli już się pojawi) nie powinno rosnąć (skutkiem rosnących pęknięć jest nieszczelność rury).

Wielu producentów oferuje odpowiednie rury PE o różnej charakterystyce. Rury z zewnętrznymi warstwami ochronnymi są odporne na zarysowania powierzchni zewnętrznej, natomiast rury z ochronną warstwą wewnętrzną - na naciski punktowe. Rury mające warstwy ochronne zewnętrzne i wewnętrzne charakteryzują się podwójnymi właściwościami ochronnymi.
Wavin oferuje rurę Wavin TSDOQ®. Jest to współwytłaczana trójwarstwowa rura. Warstwa środkowa wykonana jest z PE. Warstwy zewnętrzna i wewnętrzna (każda o grubości 25% całkowitej grubości ścianki) zrobione są z materiału XSC50, który charakteryzuje się wysoką odpornością na ścieranie i naciski punktowe. XSC50 uchodzi za materiał o wyjątkowych własnościach ochronnych (optymalna ochrona przed działaniem obciążeń punktowych).

Bezwykopowe metody renowacji istniejących rurociągów
Do renowacji istniejących rurociągów wykorzystuje się różne techniki bazujące na rurach termoplastycznych.

Sliplining to najstarsza i powszechnie stosowana technika (w normach międzynarodowych określana jako metoda renowacji rurą ciągłą). W metodzie tej wykorzystuje się rury termoplastyczne, głównie rury PE. Odcinek rury (odwijany ze zwoju lub bębna) jest wciągany do wnętrza starego rurociągu. Powstałą między starym a nowym przewodem przestrzeń wypełnia się zazwyczaj mieszaniną na bazie cementu, co zapobiega wzdłużnym przemieszczeniom wykładziny. Renowacja rurą ciągłą wymaga wykonania dużego wykopu startowego (długość wykopu = 8 x jego głębokość). Jakkolwiek sliplining wymaga podczas instalacji udziału przeszkolonego technicznie personelu, jest metodą relatywnie tanią i łatwą w stosowaniu. Zalety slipliningu przyczyniły się do popularności tej metody, zwłaszcza w przypadku renowacji rur ciśnieniowych, w których redukcja przekroju poprzecznego rury może być kompensowana wzrostem wartości ciśnienia roboczego.

Ciasne pasowanie, oficjalnie zwane wykładaniem rurą ciągłą, jest ulepszoną wersją slipliningu. Przekrój rury jest zmniejszany w celu ułatwienia wciągnięcia jej do wnętrza odnawianego rurociągu. W procesie rewersji rura odzyskuje swój kształt, przylegając ściśle do wnętrza odnawianego rurociągu (pamięć kształtu PE).
Pierwsza generacja rur ciasno pasowanych wykorzystuje rury o wymiarze redukowanym bezpośrednio na placu budowy. Rury PE są zgrzewane w długi, ciągły odcinek, który jest z dużą siłą przeciągany przez element redukujący bezpośrednio przed wciągnięciem. Po wciągnięciu rury powracają do kształtu pierwotnego, w pewnych przypadkach pod ciśnieniem.
Swagelining jest typowym przykładem techniki ciasno pasowanej, która wykorzystuje rurę deformowaną na placu budowy. Druga generacja technik ciasno pasowanych wykorzystuje rury deformowane fabrycznie. Rura PE zagięta do środka w kształt litery C dostarczana jest w postaci nawiniętej na bęben. Na placu budowy rurę w łatwy sposób można odwinąć z bębna i wciągnąć do wnętrza odnawianego rurociągu. Po wciągnięciu poddawana jest ona procesowi rewersji przy pomocy pary wodnej i dzięki pamięci kształtu odzyskuje przekrój kołowy, przylegając ściśle do wnętrza starej rury.
Compact Pipe jest typowym przykładem techniki ciasno pasowanej wykorzystującej rury deformowane fabrycznie

System zapewnienia jakości - wykładziny ciasno pasowane
W podejściu zaproponowanym przez międzynarodowe instytucje standaryzacyjne, CEN i ISO, opracowano specjalne normy zapewnienia jakości dla wykładzin renowacyjnych. Skrócony system norm dla produktów do renowacji istniejących rurociągów [4, 5] podkreślał jedną zależność: kształt i właściwości wielu produktów ulegają zmianie podczas procesu instalacji. Odnosi się to zwłaszcza do rur wykładzinowych stosowanych w technikach ciasno pasowanych. Ponieważ użytkownik systemu jest zainteresowany właściwym działaniem produktów, po zakończeniu procesu instalacji można stwierdzić, że produkty dostarczane przez producenta są jedynie półproduktami. Ze względu na zmienność charakterystyki produktu końcowego w standardach renowacyjnych CEN zostało wprowadzone rozróżnienie dwóch stanów wykładziny:

  • stan "M" - stan, w jakim rura znajduje się po jej wyprodukowaniu, przed procesami technologicznymi zachodzącymi na placu budowy, związanymi z zastosowaniem poszczególnych technik renowacyjnych;
  • stan "I" - stan, w jakim rura znajduje się po jej zainstalowaniu, stan finalny po przeprowadzeniu procesów technologicznych na placu budowy, związanych z poszczególnymi technikami renowacyjnymi.

W nowym systemie norm opracowanym dla rur z tworzyw sztucznych do renowacji istniejących rurociągów wprowadzono specjalne wymagania dotyczące charakterystyki produktów po symulowanym procesie instalacji (po przeprowadzeniu procesów technologicznych na placu budowy). Normy te określają również wymagania odnośnie charakterystyki rur po wyprodukowaniu. Sposobem na wykazanie, że wykładzina jest w stanie spełniać wymagania dla stanu "I" jest sprawdzenie rury w stanie "I" i porównanie jej z charakterystyką rury w stanie "M". Zilustrowano to na rys.3. (zgodnie z zapisami wyjętymi z norm międzynarodowych):

  • Badanie reprezentatywnej próbki pobranej z instalacji rzeczywistej.
  • Badanie reprezentatywnej próbki pobranej z instalacji symulowanej.

W symulowanym procesie instalacyjnym prowadzonym przy uwzględnieniu wszystkich istotnych czynników, które mogą wpływać na charakterystykę produktu końcowego, uzyskiwane są próbki odpowiadające rurze po zainstalowaniu. Badanie próbek "po zainstalowaniu" pozwala na ocenę funkcjonalnych właściwości produktów przed ich zainstalowaniem. Jest to unikalna właściwość konstrukcji rurociągu, nawet w przypadku nowo zainstalowanych rur. Dzięki tym badaniom producenci systemów są w stanie zademonstrować właściwości oferowanej przez nich i zainstalowanej wykładziny przy użyciu odpowiedniej techniki [8, 9]. Można zatem stwierdzić, że wysoka jakość instalowanych wykładzin jest zapewniona.

Przykłady zrealizowanych projektów


1) Renowacja wodociągu prowadzącego wodę morską metodą swageliningu - Hong Kong Rosnąca liczba awarii sieci wodociągowych w Hong Kongu skłoniła zakłady wodociągowe (WSD) do wdrożenia programu rehabilitacji 3000 km rur. Częścią tego programu była renowacja 3 km magistrali prowadzącej wodę morską biegnącej pod jedną z najbardziej ruchliwych autostrad. Do renowacji średnic 700 i 800 mm wybrano metodę swageliningu. Duże średnice odnawianych rur i wymagania dotyczące ciśnienia roboczego (10 bar) stanowiły ogromne wyzwanie dla wykonawcy. Prace zakończyły się sukcesem. Wykonawca - firma instalacyjna U-Tech [12].

2) Renowacja magistrali gazowej metodą Compact Pipe - Szanghaj W celu wyeliminowania nieszczelności występujących w rurociągu gazowym firma Shanghai Dazhong Gas Co. Ltd. podjęła decyzję o wymianie rurociągu i wykorzystaniu technik bezwykopowych. Za najbardziej optymalną metodę renowacji 2 km odcinka rurociągu uznano Compact Pipe. Prace budowlane ograniczone do wykonania małego wykopu trwały zaledwie 40 dni.

3) Renowacja wodociągu metodą Compact Pipe - Hong Kong Jednym z etapów dużego projektu renowacyjnego (opisanego w [1]), realizowanego przez Hong Kong WSD, była rehabilitacja starych magistrali wodnych. System Compact Pipe okazał się idealnym rozwiązaniem dla rehabilitacji wodociągu w centrum bardzo zatłoczonego miasta - prace budowlane ograniczone zostały do niewielkiego wykopu, a renowacja łuków była prowadzona na trasie rurociągu. Wykonawca prac pokazanych na zdjęciach - firma Per Aarsleff.

Wnioski

  • W przypadku rehabilitacji rurociągów ciśnieniowych konieczne jest przeprowadzenie odpowiedniej procedury projektowej, ukierunkowanej na wybór optymalnej techniki renowacyjnej;
  • zaleca się 4-etapowe podejście do procesu projektowania, w którym kolejno oceniane są: stan istniejącego rurociągu, wymagania odnośnie odnowionego rurociągu, możliwości zastosowania odpowiedniej techniki renowacyjnej, optymalne kosztowo rozwiązanie;
  • techniki renowacyjne odpowiednie dla rehabilitacji rurociągów ciśnieniowych można uporządkować za pomocą klasyfikacji strukturalnej (klasy A-D);
  • system zapewnienia jakości dla rur wykładzinowych działa w oparciu o stosowanie międzynarodowych norm dotyczących renowacji istniejących rurociągów;
  • rehabilitacja rurociągów ciśnieniowych przy użyciu metod wymiany bezwykopowej i technik renowacyjnych pozwala na redukcję kosztów i ogranicza ingerencję w środowisko naturalne;
  • rury wykonane z materiałów termoplastycznych okazały się idealnym rozwiązaniem dla technik bezwykopowych;
  • w przypadku wymiany bezwykopowej (pipe bursting) należy uwzględniać zjawisko przenoszenia obciążeń punktowych. Dedykowane tej metodzie rury powinny posiadać warstwy ochronne zapobiegające uszkodzeniom wciąganej rury;
  • w przypadku renowacji istniejącego rurociągu wykładziny ciasno pasowane tworzą nowy niezależny rurociąg wewnątrz odnawianej rury (klasa A);
  • w metodzie swageliningu wykorzystuje się rurę polietylenową deformowaną na placu budowy, a w metodzie Compact Pipe - rurę deformowaną fabrycznie. Każdy system oferuje określone korzyści w zależności od warunków eksploatacyjnych;
  • swagelining sprawdza się w przypadku renowacji bardzo długich, prostych odcinków rur o dużych średnicach;
  • Compact Pipe to metoda idealna do stosowania w trudnych warunkach, przy konieczności renowacji łuków, np. w zatłoczonych centrach miast.


Literatura
[1] CEN, EN 13689, 2002, Guidance on the classification and design of plastics piping systems used for renovation, CEN, European Committee for Standardisation, Brussels.
[2] Gumbel J., Elzink W. & Heavens J., 2004, The rehabilitation of pressure pipelines: key issues in the design and selection of renovation technologies, International NO-DIG 2004, Hamburg.
[3] ISO/DIS 11295, 2008, Techniques for rehabilitation of pipeline systems by the use of plastics pipes and fittings, International Standards Organisation, Geneva.
[4] EN 14409, 2004, Plastics piping systems for renovation of underground water supply networks - Part 1: General & Part 3: Lining with close-fit pipes, CEN, European Committee for Standardisation, Brussels. (being worked up by ISO to become ISO 11298, Part 1, 3).
[5] EN 14408, 2004, Plastics piping systems for renovation of underground gas supply networks - Part 1: General & Part 3: Lining with close-fit pipes, CEN, European Committee for Standardisation, Brussels. (being worked up by ISO to become ISO 11298, Part 1, 3).
[6] WAVIN, 2004, Technical Manual Pipeline Rehabilitation, Twist.
[7] WAVIN, 2007, Design Manual Compact Pipe for pressure applications, Dedemsvaart.
[8] Elzink W., 2001, Quality assurance of close-fit liners, Trenchless Egypt, Cairo.
[9] Elzink W., 2006, Compact Pipe & Neofit - Quality in Pipeline Rehabilitation, International Conference on Trenchless Technology, Subang Jaya.
[10] Elzink W., 2006, Compact Pipe - the Experience in the Far East, Trenchless Asia, Shanghai.
[11] Elzink W., 2006, Close-Fit Lining of Pressure Pipelines - Quality Assurance and Application, International NO-DIG Conference, Brisbane.
[12] Vickridge I., Ngo S., Shou S., Kwok Hung W., 2006, Innovation and Record Breaking in Hong Kong, Trenchless Asia, Shanghai.
[13] Advantica, Swagelining web site: http://www.advantica.biz/Default.aspx?page = 324.
[14] Elzink W., 2007, Thermoplastics Pipes and their use in Trenchless Technologies, Trenchless Middle East, Dubai.
[15] Elzink W., 2007, Trenchless replacement with dedicated PE pipes, Trenchless Middle East, Dubai.
[16] Elzink W., 2007, Lining of Pressure Pipelines with close-fit pipes, Trenchless Technologies in Asia/Pacific, Macau.