Renowacja kanałów i rurociągów metodą rękawów CIPP – zarówno termoutwardzalnych, jak i utwardzanych promieniowaniem UV – stanowi dziś jedną z kluczowych technologii bezwykopowej odnowy infrastruktury podziemnej. Rozwiązania te są szeroko opisane w normach i wytycznych branżowych oraz powszechnie akceptowane przez wykonawców i inwestorów.
Montowana bezwykopowo, szczelna i gładka rura w rurze wydaje się idealnym rozwiązaniem. Niestety zdarza się, iż na jej powierzchni występują zmarszczki i fałdy. Zwykle ich przyczyną są wady materiałowe i wykonawcze.
Od wielu lat jestem świadkiem i uczestnikiem akademickich dyskusji na temat fałd w rękawach, które – obok tematów o module Younga i sztywności obwodowej – budzą wiele emocji wynikających zwykle z braku wiedzy i doświadczenia. W tym artykule postaram się wyjaśnić naturę powstawania fałd, omówię związane z tym normy i powszechnie stosowane praktyki odbiorowe oraz udzielę kilku rad, jak zapobiegać powstawaniu fałd, jak też wskażę kilka sposobów ich naprawy.
Z moich doświadczeń i obserwacji wynika, iż rękaw w 99,9% wykazuje wady zaraz po montażu, a dokładnie – po niewłaściwym montażu.
Z punktu widzenia norm i wytycznych, podstawowym celem każdej renowacji CIPP jest wykonanie ciągłej, szczelnej i konstrukcyjnie nośnej wykładziny, która w możliwie największym stopniu przylega do ścian rury i wiernie odwzorowuje lub odtwarza jej geometrię. Przyjmuje się, iż poprawnie zaprojektowany i przeprowadzony proces technologiczny powinien prowadzić do wykonania wykładziny wolnej od istotnych deformacji geometrycznych. Ale jeżeli naprawiany rurociąg już ma deformacje geometryczne, czy przez cały czas żądanie przylegania i odwzorowania kształtu ma sens?
Norma EN ISO 11296-4 podaje jednoznaczny limit nierówności powierzchni wykładziny wyłącznie dla odcinków prostych, określając go na poziomie 2% średnicy nominalnej rury lub 6 mm – w zależności od tego, która wartość jest większa. Dla łuków norma nie definiuje wartości liczbowych, co w praktyce oznacza konieczność odwołania się do wytycznych branżowych lub zapisów kontraktowych. W praktyce odbiorowej często stosuje się wytyczne DWA-A143-3, które doprecyzowują dopuszczalność fałd w zależności od promienia łuku, przyjmując te same wartości co norma dla odcinków prostych i łuków o dużym promieniu oraz wyższe dopuszczalne wartości dla łuków o średnim promieniu. Dla łuków ostrych kryteria dopuszczalności fałd wymagają każdorazowo indywidualnej oceny inżynierskiej. Warunkiem akceptacji jest przy tym brak fałd poprzecznych do kierunku przepływu oraz brak negatywnego wpływu na hydraulikę i późniejszą eksploatację.
W specyfikacjach anglosaskich spotyka się podejście bardziej rygorystyczne, w którym wymaga się wykładziny „wolnej od fałd”, a ewentualne zmarszczenia dopuszcza się jedynie w miejscach lokalnych nieregularności starej rury. To podejście konserwatywne, ale jednak z odniesieniem do geometrii starej rury, czyli bardzo logicznie. W praktyce oznacza to, iż nie istnieje jeden uniwersalny limit dopuszczalnych fałd, a ich ocena zawsze powinna uwzględniać geometrię starej rury przed renowacją, orientację fałd względem kierunku przepływu oraz ich wpływ na utrzymanie i czyszczenie rurociągu.
Wymagania i odbiór prac powinny być skorelowane ze stanem technicznym rury przed naprawą. Mam wrażenie, iż zarówno normy, jak i wymagania inwestorów są pisane do naprawy idealnych geometrycznie rur, a nie do występujących w rzeczywistym świecie połamanych i zdeformowanych rurociągów wymagających natychmiastowej pomocy.
Kłania się tu też ulubiona przeze mnie zasada Pareto, gdzie, żeby doprowadzić stan rury do poprawnego pod względem eksploatacyjnym, możemy włożyć tylko 20-40% energii i kosztów, a przeznaczamy dodatkowe 80-60% energii i kosztów, żeby doprowadzić rurę do stanu idealnego, w którym być może nigdy nie była.
Dlatego fałdy poprzeczne, powodujące lokalne przewężenia światła lub sprzyjające odkładaniu się osadów, powinny być traktowane jako wada technologiczna. Z kolei niewielkie fałdy i zmarszczki wzdłużne, mieszczące się w ustalonych granicach i niewpływające na eksploatację, powinny być tolerowane, choć nie są celem ani standardem poprawnie wykonanej renowacji.
Byłem przy renowacjach kanałów w USA i Niemczech, gdzie renowacji poddawano kanały z ledwie widocznymi początkami erozji, dlatego nie dziwi mnie fakt ich konserwatywnego podejścia odbiorowego. W Polsce naprawiamy bardzo stare kanały i rury, które są zwykle w dużo gorszym stanie technicznym; o nieregularnej i zmiennej geometrii, dlatego wymaganie idealnego odwzorowania kształtu przez rękaw naprawianej rury ma w tym przypadku znaczenie relatywne.
Powstawanie fałd i zmarszczek w rękawach CIPP
Powstawanie fałd i zmarszczek w rękawach CIPP instalowanych w istniejących, wyeksploatowanych rurociągach jest zjawiskiem wynikającym z jednoczesnego oddziaływania zmiennej geometrii przewodu, adekwatności materiałowych rękawa oraz warunków obciążenia występujących podczas instalacji i utwardzania.
Wpływ zmiennej geometrii rurociągu
W strefach, w których rzeczywisty obwód rury jest mniejszy niż obwód geometrycznie odpowiadający rękawowi w stanie rozprężonym, powstaje lokalny nadmiar materiału, który nie może zostać rozłożony w sposób ciągły i równomierny, mimo redukcji średnicy zastosowanej przez producenta. Nadmiar ten prowadzi do lokalnej utraty stateczności powłoki i ujawnia się w postaci fałd lub zmarszczek. Zjawisko to jest analogiczne do wyboczenia elementów cienkościennych poddanych ściskaniu obwodowemu, o czym piszę poniżej. Po przekroczeniu krytycznego stanu naprężeń dochodzi do lokalnej deformacji powłoki, której charakter zależy od sztywności materiału, grubości rękawa, warunków podparcia oraz rozkładu obciążeń. W rurociągach o nieregularnym przekroju proces ten ma charakter lokalny i jest silnie zależny od zmian geometrii konkretnego odcinka.
Wpływ ciśnienia inwersji/kalibracji
Rękaw CIPP w trakcie instalacji i utwardzania pracuje jak cienkościenna struktura powłokowa, poddana jednoczesnemu oddziaływaniu obciążeń mechanicznych, termicznych i reologicznych, narzuconych zarówno przez nieregularną geometrię istniejącej rury, jak i przez warunki procesu technologicznego. Ciśnienie inwersji lub kalibracji, zgodnie z prawem Pascala, dąży do równomiernego rozprężenia rękawa i jego dopasowania do ścian przewodu, jednak lokalne zmiany przekroju, owalizacja oraz nieciągłości geometryczne ograniczają swobodę przemieszczeń materiału. Bo przecież rękaw nie rozdmuchuje się idealnie jak balon.
Ciśnienie generuje naprężenie obwodowe – nie mylić ze sztywnością obwodową – (σ = p·D / 2t) i rękaw przemieszcza się, pokonując siły tarcia o powierzchnię nierównej rury. I dlatego, choć ciśnienie jest to samo, to odkształcenia i naprężenia w powłoce są różne. Następuje lokalne ściskanie obwodowe, utrata stateczności powłoki cienkościennej i w ten sposób powstają zmarszczki i fałdy.
Niejednorodność adekwatności materiałowych rękawa
Dodatkowym czynnikiem sprzyjającym powstawaniu fałd jest nierównomierny rozkład sztywności rękawa, wynikający z lokalnych różnic nasycenia żywicą, temperatury lub stopnia utwardzenia. W rękawach termoutwardzalnych zbyt szybkie przejście do fazy żelowania może utrwalić przejściową geometrię rękawa, zanim osiągnie on pełne dopasowanie do ścian rury. W systemach UV analogiczny efekt występuje w sytuacji, gdy proces naświetlania rozpoczyna się przed ustabilizowaniem geometrii wykładziny. W obu przypadkach powstałe deformacje mają charakter trwały i stają się integralną częścią struktury wykładziny.
Należy podkreślić, iż w kontekście renowacji rurociągów fałdy i zmarszczki nie zawsze są wyłącznie skutkiem nieprawidłowego wykonawstwa. W wielu przypadkach stanowią one naturalną konsekwencję adaptacji wykładziny do rzeczywistej, nieregularnej geometrii rury istniejącej. Ocena ich znaczenia technicznego powinna być dokonywana nie w odniesieniu do idealnej geometrii, jak już pisałem, ale w kontekście spełnienia funkcji konstrukcyjnych, hydraulicznych i eksploatacyjnych odnowionego przewodu.
Wpływ czynników procesowych
Oprócz uwarunkowań geometrycznych istotną rolę w powstawaniu fałd i zmarszczek odgrywają czynniki procesowe, związane z przygotowaniem rękawa, przebiegiem instalacji oraz kontrolą warunków utwardzania. W wielu przypadkach to właśnie nierównomierności procesu decydują o lokalnym charakterze deformacji wykładziny.
Wpływ składu żywicy i dodatków
Nadtlenki przy nadmiernej inicjacji dają za krótki pot life – żywica łapie za szybko, częściowo już w czasie inwersji. Powstają też lokalne przegrzania, skurcze i marszczenie. Zbyt mało inicjatora powoduje migrację żywicy, nierówny docisk i powstawanie worków. Nieraz źle dobrane nadtlenki lub aplikowane w złych warunkach (wilgotność, temperatura) mogą prowadzić do powstawania pęcherzy gazowych, co też generuje nierównomierność utwardzania.
By zapobiec pęcherzom, dodaje się odpieniacz (np. BYK), ale kiedy jest źle użyty, powoduje pogorszenie zwilżalności włókien i obniża lepkość pozorną, co w efekcie może wpływać na nierównomierne utwardzanie. Tak samo jest z inhibitorami do przyspieszania lub opóźniania reakcji, modyfikacji lepkości itd. Pozostaje jeszcze problem z adekwatnym użyciem wypełniaczy – o ile tak nie jest, nieprawidłowo wymieszane, także gwarantują powstanie miejscowych zmian adekwatności materiału i, co za tym idzie, zmarszczek i fałd.
Podsumowując, lokalne różnice mieszanki żywicy z dodatkami prowadzą do nierównomiernego przebiegu reakcji sieciowania, a tym samym do zróżnicowanego tempa wzrostu lepkości i sztywności rękawa wzdłuż jego długości i obwodu. W obszarach o podwyższonym stężeniu utwardzacza proces żelowania rozpoczyna się wcześniej, co może utrwalić niepożądaną geometrię. Z kolei strefy o niższym stężeniu pozostają dłużej plastyczne, co sprzyja koncentracji odkształceń w sąsiednich obszarach.
Kiedy byłem Prezesem Polinera, robiliśmy z każdej partii żywicy rękaw porównawczy o długości 1–2 m, żeby sprawdzić czy mieszanina żywicy z dodatkami w wyprodukowanym rękawie ma jednorodny, amorficzny układ. I oczywiście testy izotermiczne mieszaniny żywicy z dodatkami.
Nierównomierność przepływu medium grzewczego
W procesach utwardzania termicznego najważniejsze znaczenie ma jednorodny przepływ gorącej wody, pary lub powietrza wzdłuż całej długości rękawa. Zaburzenia tych obiegów prowadzą do nierównomiernego rozkładu temperatury. Strefy przegrzane ulegają szybszemu usztywnieniu, podczas gdy obszary niedogrzane pozostają dłużej podatne na odkształcenia, co powoduje powstawanie różnic w sztywności obwodowej i sprzyja lokalnemu wyboczeniu struktury rękawa. Dlatego dążymy do przepływów turbulentnych w całej objętości naprawianej rury, aby zapewnić jak najbardziej adekwatny rozkład temperatury.
Lokalne wychładzanie przez wody gruntowe
Istotnym czynnikiem jest lokalna utrata temperatury wskutek oddziaływania wód gruntowych, omywających rurę z zewnątrz i infiltrujących do naprawianej rury. Prowadzi to do powstawania lokalnych stref o obniżonej temperaturze, w których proces utwardzania przebiega wolniej lub – w granicznych przypadkach – powoduje niedotwardzenie. Powstają gradienty temperaturowe i czasowe, a w konsekwencji różnice w podatności materiału na odkształcenia i możliwość wtórnych przemieszczeń rękawa pod wpływem ciśnienia wewnętrznego.
Nieprawidłowe ułożenie rękawa względem osi rurociągu
Skręcenie rękawa, jego przesunięcie osiowe lub niekontrolowane obracanie się podczas instalacji prowadzą do nierównomiernego rozkładu materiału na obwodzie rury. W efekcie część rękawa podlega lokalnemu nadmiarowi długości obwodowej, podczas gdy inne strefy są nadmiernie rozciągane. Koncentracja odkształceń w takich strefach sprzyja powstawaniu fałd, szczególnie na łukach i w odcinkach o zmiennej geometrii.
Zbyt duże i nierównomierne siły podczas inwersji lub wciągania rękawa
Proces inwersji lub wciągania rękawa wiąże się z działaniem znacznych sił osiowych. o ile siły te są zbyt duże lub zmienne w czasie, prowadzą do lokalnego naciągania materiału, które nie jest kompensowane równomiernym przemieszczeniem rękawa. Powstałe zagniecenia mogą nie zostać usunięte w fazie kalibracji. Impulsowy charakter obciążeń sprzyja lokalnym niestabilnościom geometrycznym, które w przypadku rozpoczęcia utwardzania przed rozładowaniem naprężeń zostają trwale utrwalone.
Jak zapobiegać fałdom – praktyka wykonawcza
Skuteczne ograniczenie ryzyka powstawania fałd i zmarszczek w rękawach CIPP wymaga podejścia systemowego, obejmującego cały proces renowacji: od diagnostyki i pomiaru rurociągu oraz jego otoczenia, przez adekwatny dobór rękawa i mieszanki żywicznej, aż po kontrolowaną instalację i świadome prowadzenie procesu utwardzania. najważniejsze znaczenie ma tu doświadczenie wykonawcze oraz dostosowanie technologii do rzeczywistych warunków geometrycznych rurociągu, a nie do założeń idealnych, które w praktyce renowacyjnej występują bardzo rzadko, a adekwatnie nigdy.
W przeciwieństwie do produkcji elementów w kontrolowanych warunkach fabrycznych, renowacja metodą CIPP realizowana jest w istniejących, często zdeformowanych i niejednorodnych przewodach. Oznacza to, iż choćby poprawnie zaprojektowany system może generować lokalne deformacje wykładziny, o ile proces instalacji i utwardzania nie uwzględnia rzeczywistej geometrii rury oraz zmiennych warunków otoczenia. Z tego względu zapobieganie fałdom nie polega na eliminacji jednego czynnika, ale na konsekwentnej kontroli całego procesu technologicznego.
Poniżej przedstawiam zestaw kilku praktycznych rad, które pomogą ograniczyć powstawanie fałd i zmarszczek.
Jak ograniczyć ryzyko powstawania fałd w rękawach CIPP
1. Dokładnie zmierz rurę lub kanał przed zamówieniem rękawa.
Należy uwzględnić rzeczywistą średnicę wewnętrzną, owalizację oraz lokalne zmiany geometrii. Opieranie się wyłącznie na nominalnej DN zwiększa ryzyko przewymiarowania rękawa i powstawania nadmiaru materiału na obwodzie. Zamawiaj w odniesieniu do najmniejszej zmierzonej średnicy w odcinku.
2. Przy podejrzeniu choćby niewielkich zmian geometrii i przesunięć osiowych, zamów rękaw o średnicy mniejszej o 2–3%.
Jednocześnie należy zwiększyć grubość rękawa tak, aby po rozprężeniu do adekwatnego wymiaru zachował on wymagane parametry wytrzymałościowe.
UWAGA: producent rękawa ma własną metodykę zmniejszania średnicy rękawa w stosunku do średnicy oczekiwanej. Doświadczony instalator sam narzuca producentowi zmniejszenie średnicy rękawa w stosunku do średnicy nominalnej, kierując się poniższymi zasadami i swoim doświadczeniem.
3. Świadomie koryguj zależność średnicy i grubości rękawa.
Przy zachowaniu tej samej ilości materiału w przekroju można przyjąć zależność:
t2 ≈ t1 · (D1 / D2)
co w praktyce oznacza, iż zmniejszenie średnicy o 1% wymaga zwiększenia grubości o około 1–1,5%. Wartość ta powinna być każdorazowo zweryfikowana obliczeniami statycznymi oraz danymi producenta rękawa.
4. Rury jajowe i wyraźnie zdeformowane traktuj jak przypadki wymagające korekty średnicy.
Dobór rękawa „na styk” zwiększa ryzyko fałd; zapas grubości jest zwykle rozwiązaniem bezpieczniejszym i ekonomicznie uzasadnionym.
5. Kontroluj położenie taśmy wzdłużnej lub szwu rękawa.
Taśma powinna przez cały proces pozostawać w tej samej, zaplanowanej pozycji, najlepiej na godzinie 12. Nie należy dopuścić do obracania się rękawa w trakcie instalacji.
6. Wprowadzaj rękaw powoli i jednostajnie.
Należy unikać naciągania oraz impulsowych sił osiowych. Zaleca się stosowanie podajników i prowadzenia rękawa zapewniających stały, kontrolowany posuw. Utrzymuj w kolumnie stałe ciśnienie = równy słup wody.
7. Stosuj preliner i środki ułatwiające poślizg rękawa w czasie wprowadzania. Jest to jednocześnie pożądane ze względu na zmniejszenie tarcia rękawa w czasie odwzorowania kształtu i relaksacji.
8. Po napełnieniu rękawa wykonaj fazę relaksacji.
Rękaw powinien mieć czas na naturalne ułożenie się w rurze przed rozpoczęciem utwardzania, szczególnie w warunkach niskiej temperatury materiału i otoczenia.
9. Wygrzewaj rękaw zgodnie z instrukcją producenta.
Należy żądać od producenta rękawa krzywej egzotermicznej mieszanki żywicznej.
Należy stosować etap wstępny, zwykle w zakresie 40–50° C, a następnie stopniowo przechodzić do temperatury roboczej, unikając gwałtownych zmian termicznych.
10. Zadbaj o turbulentny przepływ gorącej wody poprzez odpowiednie zastosowanie otworów wzdłuż rury podającej gorącą wodę w rękawie.
11. Kontroluj temperaturę dzięki termopar lub pirometrów.
Rzeczywista temperatura w rękawie i rurociągu ma najważniejsze znaczenie dla przebiegu utwardzania i stabilności geometrycznej wykładziny.
12. Prowadź pełny zapis procesu w rejestratorze.
Dokumentowanie temperatury, czasu i ciśnienia stanowi element kontroli jakości oraz istotne zabezpieczenie wykonawcy na etapie odbioru technicznego.
Nie spiesz się. Większość problemów z fałdami nie wynika z samej technologii CIPP, ale z prób skracania lub upraszczania procesu instalacji i utwardzania.
Jak naprawiać fałdy
W podejściu do fałd powstających po renowacji metodą CIPP należy zachować racjonalną proporcję pomiędzy wymaganiami formalnymi a rzeczywistym efektem technicznym renowacji. Praktyka eksploatacyjna pokazuje, iż choćby wykładzina zawierająca niewielkie, lokalne fałdy stanowi rozwiązanie zdecydowanie korzystniejsze niż pozostawienie rurociągu w stanie nienaprawionym lub jego pełna, kosztowna wymiana.
Z tego względu niewielkie fałdy, które nie mają charakteru poprzecznego, nie powodują istotnego ograniczenia światła przepływu ani nie wpływają negatywnie na hydraulikę i możliwość czyszczenia, mogą zostać pozostawione. W takich przypadkach zasadne jest objęcie ich monitoringiem eksploatacyjnym, a w razie potrzeby potraktowanie jako czynnika uzasadniającego wydłużenie okresu gwarancyjnego lub wprowadzenie dodatkowych kontroli inspekcyjnych.
Decyzja o naprawie fałd powinna być każdorazowo poprzedzona oceną ich charakteru geometrycznego, orientacji względem przepływu oraz potencjalnego wpływu na trwałość i eksploatację rurociągu, a także ryzyk związanych z podjęciem naprawy fałd. Dopiero przekroczenie ustalonych kryteriów technicznych lub funkcjonalnych uzasadnia podjęcie działań naprawczych.
Naprawa fałd rękawem kalibrującym
Jedną z metod korekty fałd jest zastosowanie rękawa kalibrującego, którego zadaniem jest wtórne dociśnięcie i częściowe wygładzenie wykładziny. Metoda ta może być skuteczna w przypadku świeżych instalacji, gdy materiał rękawa nie osiągnął jeszcze pełnej sztywności lub gdy fałdy mają niewielką amplitudę. Jej skuteczność jest jednak ograniczona i zależna od stopnia utwardzenia pierwotnej wykładziny oraz charakteru deformacji.
Przez rękaw kalibrujący, zainstalowany w rurze przepuszczamy gorącą wodę o temperaturze choćby do 95°. To prosty zabieg, ale tylko wtedy, gdy wykonuje go doświadczony instalator.
Nie wszyscy wiedzą, iż rękaw utwardza się jeszcze przez długi czas po renowacji, choćby do kilku miesięcy. Dlatego w krótkim czasie po naprawie dość łatwo wprowadzić go w wysokiej temperaturze w stan quasi-termoplastu.
Uwaga na marginesie: im później oddasz próbkę wyciętą do badań, tym wynik otrzymasz lepszy.
Naprawa fałd poprzez frezowanie i naprawy miejscowe pakerami
W przypadku fałd lokalnych, które powodują nieakceptowalne przewężenia lub utrudniają eksploatację, możliwe jest mechaniczne frezowanie deformacji, a następnie wykonanie napraw miejscowych z użyciem pakerów. Metoda ta pozwala na punktowe przywrócenie adekwatnej geometrii i ciągłości wykładziny bez konieczności ingerencji na całej długości rurociągu. Wymaga jednak precyzyjnej kontroli zakresu obróbki oraz zachowania ciągłości strukturalnej rękawa.
Frezowanie fałd i powtórny montaż rękawa
Najbardziej radykalnym rozwiązaniem jest frezowanie fałd na większym odcinku lub ich całkowite usunięcie, a następnie wykonanie kolejnej wykładziny CIPP. Metoda ta znajduje zastosowanie wyłącznie w przypadkach istotnych wad technologicznych, gdy fałdy mają charakter konstrukcyjny, znacząco ograniczają światło rury lub nie spełniają wymagań kontraktowych. Jest to rozwiązanie kosztowne i technicznie złożone, dlatego powinno być traktowane jako ostateczność, a nie standardowa praktyka naprawcza. zwykle powtórny montaż wykonuje się rękawem o mniejszej grubości.
Podsumowanie
W praktyce renowacyjnej najważniejsze znaczenie ma rozróżnienie pomiędzy fałdami dopuszczalnymi a wadami wymagającymi interwencji. Nadmiernie rygorystyczne podejście do każdej deformacji geometrycznej może prowadzić do nieuzasadnionego wzrostu kosztów bez realnej poprawy funkcjonowania rurociągu. Ocena fałd powinna zawsze odnosić się do ich wpływu na funkcję konstrukcyjną, hydrauliczną i eksploatacyjną odnowionego przewodu, a nie wyłącznie do idealnych kryteriów geometrycznych.
Z jednej strony nie oczekujmy, iż renowacja starej, zdeformowanej rury odwzoruje idealną, teoretyczną geometrię – bez fałd, zmarszczek i zastanych niedoskonałości.
Z drugiej strony wiek i deformacja naprawianej rury nie zwalniają nas z rzetelnego rozpoznania jej stanu, adekwatnego przygotowania renowacji oraz profesjonalnego, zgodnego z procedurami wykonania robót – z konsekwentnym dążeniem do najlepszej możliwej jakości.