Sposoby utwardzania „in situ” powłok żywicznych w odnowie przewodów instalacji wewnętrznych

Technologia utwardzanych „in situ” powłok żywicznych ma wiele odmian, które różnią się poszczególnymi parametrami. Do najistotniejszych należą:

• rodzaj materiałów tekstylnych nasączanych żywicą,
• rodzaj żywic stosowanych do nasączania materiałów tekstylnych,
• rodzaj folii ochronnych,
• sposób nasączania powłok żywicznych,
• sposób instalacji powłok nasączonych żywicami,
• sposób utwardzania.

Technologia CIPP jest stosowana powszechnie nie tylko w instalacjach wewnętrznych, ale także w zewnętrznych sieciach ze względu na uniwersalność, m.in. możliwość dostosowania powłok do:

• szerokiego zakresu średnic odnawianych przewodów (od ok. 50 do 3000 mm),
• szerokiego zakresu przekrojów poprzecznych przewodów, w tym przekrojów: kołowych, jajowych, dzwonowych, prostokątnych i innych dowolnych,
• rodzaju materiału, z którego wykonano przewody (betonowe, ceglane, kamionkowe, stalowe, żeliwne, z tworzyw sztucznych i inne).

Kolejnym czynnikiem dającym technologii CIPP przewagę nad innymi metodami jest możliwość jednoetapowej odnowy długich odcinków, w przypadku sieci zewnętrznych dochodzących do ok. 750 m. Duża elastyczność i rozciągliwość powłok umożliwia ich dopasowanie do zmian kierunku ułożenia oraz nieznacznych zmian kształtu przekroju poprzecznego przewodu.

Korzystne parametry eksploatacyjne uzyskane dzięki ciągłości powłoki, braku złączy, wyrównaniu nierówności oraz dużej gładkości powierzchni przyczyniły się do powszechnego stosowania tej technologii.

Warto zaznaczyć, że również polskie firmy mogą się pochwalić szczególnymi osiągnięciami w rozwoju tej technologii [8–10].

Rehabilitacja przewodów instalacji wewnętrznych

Etapem wstępnym prac rehabilitacyjnych przy zastosowaniu technologii utwardzanych in situ powłok żywicznych jest wykonanie czyszczenia i inspekcji telewizyjnej przewodu przeznaczonego do odnowy. Inspekcje przykanalików przeprowadzane ze studzienek rewizyjnych lub otworów rewizyjnych w budynkach wykonuje się za pomocą przenośnych zestawów kompaktowych albo modułowych [12,14].

W celu inspekcji przyłączy lub innych trudnodostępnych odgałęzień o niewielkich przekrojach opracowano system inspekcyjny wyposażony w dodatkową kamerę satelicką (rys. 1) pozwalającą badać przykanaliki podłączone do kanału głównego z jego wnętrza. Kamera satelicka umożliwia badanie stanu technicznego kanału, a także lokalizowanie podłączonych przykanalików [12].

Długość półsztywnego kabla wynosi ok. 30–50 m (w zależności od producenta) [14]. W przypadku występowania łuków pod kątem 90° zasięg działania kamery satelickiej zmniejsza się i wynosi ok. 10–15 m. W przewodach ze zmianami kierunku o 90° stosuje się również rozwiązania z hydraulicznym przemieszczeniem kamery satelickiej – pozwala to zwiększyć zasięg działania kamery do 60 m [14].

Jeżeli po wprowadzeniu kamery do wnętrza przewodu występują uszkodzenia, takie jak np. osady stałe, przeprowadzane jest czyszczenie wstępne, a następnie powtórna inspekcja. Po ustaleniu zakresu naprawy wykonuje się czyszczenie zasadnicze. Sama technologia polega na wprowadzeniu do odnawianego przewodu zaimpregnowanej żywicą powłoki z materiału tekstylnego, którą wypełnia się np. wodą lub sprężonym powietrzem, aby ściśle przylegała do ścianki odnawianego przewodu.

Następnie powłokę utwardza się poprzez pozostawienie jej w temperaturze otoczenia, recyrkulację gorącej wody, pary wodnej lub naświetlanie promieniami ultrafioletowymi [12]. Po utwardzeniu powłoki i schłodzeniu medium ciśnienie wody lub pary wodnej we wnętrzu przewodu jest zmniejszane i odcinane są końcówki powłoki.

Ostatnim etapem prac jest bezinwazyjne otworzenie przyłączy przy pomocy specjalnego robota frezującego. Takie roboty „pająki” mogą otwierać przyłącza w pionowych przewodach kanalizacyjnych o średnicach 90–125 mm [5].

Utwardzanie w warunkach otoczenia – „na zimno”

Technologia utwardzania w warunkach otoczenia polega na wprowadzeniu do odnawianego przewodu powłoki tekstylnej nasączonej żywicą poprzez jej przeciągnięcie i napompowanie lub inwersję sprężonym powietrzem. Następnie zachodzi proces samoutwardzania się żywicy. Materiałami stosowanymi w tej technologii są poliestrowe powłoki filcowe nasączane żywicami chemoutwardzalnymi.

Ze względu na brak kontroli procesu samoutwardzania się żywicy technologię tę stosuje się do odnowy przewodów na krótkich odcinkach [17]. Do utwardzania „na zimno” przewodów instalacji wewnętrznej stosuje się żywice epoksydowe z dodatkiem odpowiednich katalizatorów, którymi nasączana jest powłoka w miejscu instalacji.

Przykładem zastosowania technologii utwardzania w warunkach otoczenia jest system Brawoliner wykorzystujący poliestrową powłokę nasączoną żywicą epoksydową pokrytą warstwą folii poliuretanowej. System stosowany jest do odnowy przewodów w zakresie średnic 70–250 mm, o długości do 60 m [19].

Instalację powłoki wykonuje się metodą inwersji sprężonym powietrzem – zwykle od miejsca przyłączenia do kanału głównego (rys. 2). Powłoka pokonuje kolana (do 90°) oraz nieznaczne zmiany kształtu przekroju poprzecznego.

W systemie tym stosuje się dwa rodzaje żywic: Konudur 160 Brawo I oraz III. W przypadku żywicy Konudur 160 Brawo I następuje chemiczny proces samoutwardzania, który w temperaturze 10°C trwa 10 godzin. Im wyższa temperatura otoczenia, tym krótszy będzie ten okres.

Czas przydatności do obróbki powłoki nasączonej żywicą wynosi 15 min w temp. 20° (30 min przy 15°C). Żywica Konudur 160 Brawo III umożliwia dłuższą obróbkę – ok. 65 min w temperaturze 20°C (105 min przy 15°C). Utwardza się chemicznie przez 30 godzin w temperaturze 10°C [15].

Utwardzanie w temperaturze otoczenia jest najtańsze ze względu na brak konieczności dostarczania np. wody czy pary wodnej oraz stosowania pieców grzewczych lub innych źródeł ciepła. Powłoka impregnuje się na miejscu instalacji, więc nie ma problemu z jej przechowywaniem. Jednak wolne w porównaniu z innymi metodami tempo utwardzania zmniejsza wydajność tej technologii i wydłuża czas wyłączenia przewodu z użytku [23].

Żywice stosowane w tej metodzie mają krótki czas obróbki – np. w temperaturze 20°C wynosi on 15 minut [15]. W technologii tej brakuje też kontroli nad parametrami utwardzania.

Utwardzanie poprzez cyrkulację gorącej wody

Technologia utwardzania poprzez cyrkulację gorącej wody polega na wprowadzeniu nasączonej żywicą powłoki do odnawianego przewodu dzięki jej inwersji przy pomocy słupa wody pod ciśnieniem.

Woda zastosowana do odwrócenia powłoki oraz jej dociśnięcia do odnawianego przewodu poddawana jest następnie cyrkulacji. Przepływa przez piec grzewczy, gdzie jest podgrzewana, po czym wywołuje proces termicznego utwardzenia żywicy, którą została nasączona powłoka. Temperatura wody jest ściśle kontrolowana, zgodnie z wytycznymi producenta żywicy.

Najczęściej stosuje się w tej technologii nienasycone żywice poliestrowe katalizowane za pomocą kombinacji nadtlenków, które zaczynają polimeryzować w temperaturze 50–60°C, a następnie kontynuują reakcję, wykorzystując wysokie temperatury wynikające z jej egzotermicznego charakteru.

Docelowa temperatura utwardzania wynosi od 80 do 85°C i utrzymywana jest przez kilka godzin [12], a sam proces podgrzewania wody powinien przebiegać możliwie szybko – ważne jest, by żywica nie utraciła swojej lepkości, bo może to doprowadzić do jej spłynięcia po ściankach powłoki. Po zakończeniu procesu utwardzania woda jest schładzana i usuwana z wnętrza powłoki.

Materiałami stosowanymi w tej technologii są głównie poliestrowe powłoki filcowe, rzadziej poliestrowe powłoki filcowe wzmocnione włóknem szklanym lub węglowym.

Przykładem zastosowania utwardzania tego typu jest technologia łącząca dwa produkty: wywijaną powłokę do rehabilitacji przewodu oraz kołnierz w kształcie kapelusza uszczelniający miejsce połączenia przykanalika z kanałem (rys. 3). Powłoka taka wprowadzana jest z kanału do przykanalika przy zastosowaniu wody pod ciśnieniem wywołującym wywijanie się powłoki, która następnie wraz z kapeluszem zostaje utwardzona gorącą wodą.

Cyrkulacja gorącej wody stosowana jest do utwardzania powłok na długich odcinkach i dla całego zakresu średnic przewodów. Zaletą tej metody jest też brak ograniczeń dotyczących zastosowanych materiałów oraz możliwość powtórzenia procesu (nawet po kilku dniach) w razie niezadowalających wyników uzyskanych podczas pierwszego utwardzania.

Sterowanie i kontrola parametrów procesu, takich jak temperatura, ciśnienie wody oraz równomierne rozprowadzanie ciepła na całej powierzchni powłoki, nie przysparzają operatorowi problemów. Dzięki dużej pojemności cieplnej woda bardzo dobrze spełnia funkcję nośnika ciepła i zapewnia ścisłe przyleganie powłoki do ścianek odnawianego przewodu [12].

Jednym z ograniczeń dotyczących tej technologii jest czas składowania powłok fabrycznie nasączonych żywicą – wynoszący do 4 tygodni [13]. Dodatkowo do przewozu takiej powłoki konieczne jest zastosowanie samochodu chłodni lub specjalnych termostatycznych pojemników [2]. Ograniczeniem może być również w niektórych przypadkach długi czas instalacji powłok [21].

Utwardzanie poprzez cyrkulację strumienia pary wodnej

Technologia utwardzania poprzez cyrkulację strumienia pary wodnej polega na inwersji za pomocą sprężonego powietrza lub na przeciągnięciu powłoki i nadmuchaniu jej powietrzem. Proces utwardzania wyzwala przegrzana para wodna lub gorące powietrze, które jest przeważnie podgrzewane do temperatury 120°C, dzięki czemu żywica utwardza się szybciej przy jednoczesnej redukcji kondensacji wewnątrz powłoki [4]. Jednak metodę tę zaleca się tylko do utwardzania powłok nasączanych żywicami poliestrowymi [12].

Z uwagi na możliwość przegrzania strumienia pary wodnej długość odcinków, które są poddawane utwardzaniu w ten sposób, nie powinna przekraczać 100–120 m, a średnice odnawianych przewodów nie powinny być większe niż 1000 mm [12].

Technologię tę wykorzystano m.in. w rehabilitacji 12 pionów deszczowych umieszczonych w murach Pałacu w Wilanowie (fot. 1). Piony deszczowe wykonane z rur żeliwnych o średnicy 150 mm miały znaczną korozję powierzchniową, a na każdym pionie występowało od 5 do 7 łuków ok. 90°. W celu wyeliminowania możliwości przenikania wody do muru (m.in. ze względu na trwający w tym samym czasie remont elewacji) oraz do gruntu pod pałacem zastosowano technologię Aarsleff.

Powłoka nasączana była żywicą na przewoźnej linii technologicznej zamontowanej na samochodzie ciężarowym, po czym wprowadzona została do pionów przy pomocy sprężonego powietrza. Utwardzono ją przegrzaną parą wodną dostarczaną z wytwornicy zamontowanej na samochodzie ciężarowym – temperatura pary wypełniającej powłokę wynosiła ok. 100°C. Proces utwardzania wraz z podgrzaniem i stopniowym chłodzeniem trwał ok. 4 godzin, a odnowę przewodów wykonano w ciągu trzech dni.

Rehabilitacja przewodów długimi kształtkami kapeluszowymi w technologii Aarsleff stosowana jest także do odnowy przyłączy kanalizacyjnych. Jest to pierwsza skutecznie wdrożona technologia rekonstrukcji przykanalików włączonych do kanału poza studniami rewizyjnymi.

Realizowana jest od strony kolektora głównego do lica budynku, studni lub rewizji. „Rondo” profilu mocuje się w przewodzie głównym wokół otworów przyłączy, a jego końce wprowadza się do wnętrza przykanalika przy pomocy sprężonego powietrza (ewentualnie wody pod ciśnieniem).

Po zainstalowaniu kształtkę kapeluszową poddaje się utwardzaniu. Metoda ta umożliwia naprawę przyłączy na całej długości, gdy dostęp do nich poza kanałem głównym jest niemożliwy lub utrudniony. Długie kształtki kapeluszowe na połączeniu przykanalik-kanał główny służą do odnowy odcinków przyłączy kanalizacyjnych o długości do ok. 20 mb. [8].

Niewątpliwą zaletą tej metody utwardzania jest niewielkie zużycie wody w porównaniu z metodą wykorzystującą cyrkulację. Mimo że woda potrzebna jest do wytwarzania pary wodnej, jej ilość w postaci pary stanowi tylko 5–10% ilości wymaganej do inwersji, utwardzania i chłodzenia przy cyrkulacji gorącej wody. Oznacza to, że para wodna może być używana nawet wtedy, gdy woda nie jest łatwo dostępna na miejscu inwestycji.

Mniejsze zapotrzebowanie na wodę oraz faktyczne wyeliminowanie cyklu podgrzewania znacznie zmniejsza czas utwardzania [24]. Dodatkowo utwardzanie poprzez cyrkulację strumienia pary wodnej może zmniejszyć zużycie energii podczas instalacji o ok. 95% [4]. Kolejną zaletą tej metody jest możliwość stosunkowo szybkiego zwiększenia temperatury z wartości średnich do szczytowych.

Natomiast ograniczeniem dla tej technologii może być nierównomierny rozkład ciepła w powłoce na skutek miejscowego tworzenia się kondensatu oraz możliwość miejscowego przegrzania termicznego powierzchni powłoki, co w konsekwencji spowodować może jej uszkodzenie na skutek rozkładu termicznego żywic [6].

Utwardzanie z wykorzystaniem promieni ultrafioletowych

Utwardzanie za pomocą promieni ultrafioletowych polega na wciągnięciu powłoki tekstylnej nasączonej żywicą do odnawianego przewodu i jej napompowaniu. Do procesu utwardzania wykorzystywany jest zespół lamp halogenowych w postaci specjalnej samojezdnej konstrukcji, tzw. pociąg ultrafioletowy, o mocy 400–1000 W, w zależności od średnicy odnawianego przewodu [12].

Utwardzanie powłoki następuje w wyniku przemieszczania się pociągu UV przez jej wnętrze, w którym występuje stałe nadciśnienie. Intensywność naświetlania kontrolowana jest przez system komputerowy sterujący zapalaniem się lamp oraz temperaturą i prędkością przemieszczania się pociągu wzdłuż napompowanej powłoki. W technologii utwardzania UV powłoka, zbudowana zazwyczaj z włókien szklanych, jest formowana bezszwowo poprzez spiralne nawijanie.

Powłoka jest impregnowana żywicą poliestrową bądź winyloestrową [16]. Przy odnowie przewodów instalacji wewnętrznych o małych średnicach stosuje się żywice epoksydowe. Do żywic dodawane są tzw. fotoinicjatory, np. sole boranowe lub pochodne imidazopirydyny, które w stanie płynnym współistnieją z monomerami bez żadnych reakcji.

Gdy fotoinicjatory zostaną naświetlone promieniowaniem ultrafioletowym o długości fali 360–420 nm [12], następuje ich rozpad na wolne rodniki, które inicjują polimeryzację. W przewodach o dużych przekrojach poprzecznych i grubości ścianek powyżej 10 mm [1] stosowane są żywice kombinowane, które oprócz ultrafioletu reagują także na podwyższoną temperaturę.

W technologii utwardzania UV powłoka ma również specjalną folię wewnętrzną i zewnętrzną – zewnętrzna zabezpiecza powłokę przed działaniem promieni UV, a wewnętrzna folia ochronna usuwana jest po utwardzeniu.

Dopuszczalny okres magazynowania impregnowanej powłoki wynosi ok. 6 miesięcy bez konieczności chłodzenia. Technologię tę z reguły stosuje się do odnowy przewodów o średnicach od 150 do 1200 mm i długości do ok. 300 m.

Przykładem zastosowania tej metody do bezwykopowej odnowy przewodów instalacji wewnętrznych jest system INFlex [22]. Powłoka nasączona dwuskładnikową żywicą epoksydową wprowadzana jest do odnawianego przewodu, a następnie utwardzana przy pomocy promieniowania UV lub w temperaturze otoczenia. W zależności od przyjętej metody utwardzania zakres odnawianych średnic wynosi od 50 do 250 mm, a długość przewodu maks. 40 m.

Utwardzona powłoka może mieć grubość: 2,5; 3,0 i 3,5 mm [22]. Do bezwykopowej odnowy przewodów instalacji wewnętrznych utwardzanie promieniami UV jest bardzo rzadko stosowane.

Zaletą tego sposobu jest możliwość wykorzystania kamery TV jeszcze przed utwardzeniem w celu oceny poprawności ułożenia powłoki nasączonej żywicą wewnątrz odnawianego przewodu [7]. Powłoki z włókien szklanych charakteryzują się wielokrotnie wyższym modułem Younga od powłok filcowych, dzięki czemu, aby spełnić te same wymagania statyczno-wytrzymałościowe, wystarcza powłoka o znacznie mniejszej grubości, a dodatkowo proces utwardzania inicjowany lampami UV jest znacznie szybszy niż za pomocą pary wodnej [3].

Technologię tę cechuje wysoka cena w porównaniu z innymi opisywanymi metodami utwardzania.

Podsumowanie

Technologia utwardzanych in situ powłok żywicznych z powodzeniem wykorzystywana jest do odnowy przewodów instalacji wewnętrznych. Powłoki utwardzane są najczęściej za pomocą pary wodnej. Ze względu na trudności techniczne (małe średnice przewodów, kolana, łuki) rzadko stosuje się utwardzanie promieniami UV.

Dzięki uniwersalności i możliwości dostosowania do zróżnicowanych warunków panujących na miejscu inwestycji popularność tej technologii stale rośnie. Dlatego ważne jest, by właściciele infrastruktury, firmy inżynieryjne i wykonawcy poznali zarówno jej zalety, jak i ograniczenia.

Literatura

1. Andrzejewski M., Renowacja kanałów ściekowych rękawami utwardzanymi promieniami UV, „Inżynieria Bezwykopowa” nr 1/2007.
2. Błażejewski R., Naprawa i renowacja za pomocą utwardzanego rękawa, „Wodociągi – Kanalizacja” nr 3/2010.
3. Persson B., UV cured structural lining. Overcoming the challenges, NO-DIG 2010, Singapore, Paper No. 67.
4. CIPP cure for damaged pipe, „Trenchless International” No. 10/2009.
5. Dancutter Mini-Systems, prospekt firmy Dancutter A/S.
6. Jasiński B., Kilka uwag o rękawach, „Inżynieria Bezwykopowa” nr 3/2003.
7. Kolonko A., Madryas C., Uwagi o wykładzinach CIPP, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 2/2011.
8. Kubicka U., Najciekawsze projekty z zastosowaniem technologii bezwykopowych nagrodzone statuetkami Expert 2010, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” nr 5/2010.
9. Kubicka U., Polskie innowacyjne osiągnięcia w technologiach bezwykopowych nagrodzone „Expertami”, „Instal” nr 4/2012.
10. Kubicka U., Polskie sukcesy w technologiach bezwykopowych nagrodzone „Expertami”, materiały konferencyjne „Technologie bezwykopowe” NO-DIG Poland 2012, Kielce.
11. Kuliczkowski A., Problemy bezodkrywkowej odnowy przewodów kanalizacyjnych, monografia nr 13, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2004.
12. Kuliczkowski A. i in., Technologie bezwykopowe w inżynierii środowiska, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa 2010.
13. Latawiec T., Wykładziny z rur utwardzanych na miejscu i wykładziny z rur ściśle pasowanych, „Inżynieria Bezwykopowa” nr 2/2009.
14. Madryas C., Przybyła B., Wysocki L., Badania i ocena stanu technicznego przewodów kanalizacyjnych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2010.
15. Materiały informacyjne MC Bauchemie.
16. Montemarano R., The Next Generation of UV curing CIPP technology: Designed in America, Made in America, NO-DIG 2012, Nashville, Paper No. B-3-04
17. Per Aarsleff Polska, Technologie Per Aarsleff, „Renowacja i Zabytki” nr 3/2012.
18. Przewodnik technologii bezwykopowych: vademecum bezwykopowych technologii budowy, renowacji, napraw i wymiany rurociągów i instalacji podziemnych, PFTT.
19. Dilg R., Survey of CIPP (Cured-In-Place Pipes) – Methods for Lateral, NO-DIG 2004, Hamburg.
20. Materiały informacyjne firmy Rausch.
21. Stawiński P., CIPP – woda czy promienie UV?, „Inżynieria Bezwykopowa” nr 1/2007.
22. Stein R., Rehabilitation and maintenance of drains and sewers, Ernst & Sohn, Berlin 2001.
23. Retrospective Evaluation of Cured-in-Place Pipes (CIPP) Used in Municipal Gravity Sewers, United State Environmental Protection Agency, January 2012.
24. Urządzenie i sposób do odwracania przy użyciu powietrza i utwardzania przy użyciu pary wodnej wykładzin rurowych utwardzanych na miejscu, Urząd Patentowy RP, PL/EP 1886059, 2006.

Praca współfinansowana ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach projektu „INWENCJA – Potencjał młodych naukowców oraz transfer wiedzy i innowacji wsparciem dla kluczowych dziedzin świętokrzyskiej gospodarki” o numerze identyfikacyjnym WND-POKL.08.02.01-26-020/1.