使用纤维束和纤维束带强化管道的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了用于强化管道的系统和方法。机器人适于在管道中旋转而将树脂和/或纤维以大体螺旋形图案施加到管道的内表面。将树脂和/或纤维施加到所述管道可被主动调整来达到期望的施加。所述机器人在机器人每个转数沿着所述管道移动的速率可被调整。纤维朝向所述管道的所述内表面推进的速率可被调整用于将所述纤维以大体非张紧状态施加到所述管道的所述内表面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本公开大体涉及管道复原。特定地说，本公开涉及用于使用可呈纤维束带形式的纤维束强化管道的系统和方法。专利技术背景根据美国土木工程师学会(ASCE)，美国国家饮用水和废水基础设施具有D-级。因此，每年超过24万的总水管发生爆裂，且在下个五年中估计需要2550亿美元来充分解决所述问题。故障成本不仅是因为管道维修本身，还因为每次爆裂估计浪费了2500万加仑的水。这份努力集中在350万直线英尺的大直径(61cm(24英寸)和更大的)钢管道和估计会过早发生故障的钢筋混凝土圆筒管道(PCCP)上。这些故障由于各种因素引起，包括使用年限、构造质量、土壤撞击、地震、安装错误和劣质总设计。存在一些广泛使用的方法来维修故障管线，其中许多涉及对故障区段或其周围进行某种形式的开凿。最普遍的选择包括后张维修、滑动衬砌、更换和现场固化内衬安装(CIP)。后张维修是钢缆被包覆且拉紧到管道外侧用于强化的情况。这种系统的一个主要缺点在于其没有密封管道。管道还必须暴露(开凿)以便在圆周周围接达缆线。滑动衬砌是其中较小管道区段被插入在故障区段内部且接合到现存管道的惯例。需要开凿至少一个区段以便在故障区段内得到滑动线。另一个问题是由于内衬直径减小在管道中产生的流动限制。已坏管道区段的更换涉及在管道周围开凿、移除且接着安装新区段。由于需要开凿，所以任何上述方法过于侵入岩层或在建筑下方的水管情况中是不可能的。更好的方法是从管道内部维修区段。现场固化内衬在从内部密封故障管道方面很突出。然而，其无法提供全面的结构维修。良好形式的内部管道维修是呈纤维强化聚合物或复合物(FRP)形式，这是因为其无需开凿、完全管道密封、时间和结构强化能力。FRP因其高强度和低重量而主要用于航空和其它高端应用。在1997年以前，其尚未被广泛认可是管线维修的可行解决方案，这使其成为相当新的技术。FRP抗腐蚀，具有实现完全结构维修的高强度和模数，且在设计和应用两方面提供完全的材料挠性。碳化纤维能够被定向，其定向方式使得强度特性可适于应用来定制。维修还容易适于通过将更多碳施加到管道壁而简单地处理更多负荷。碳化纤维的典型安装涉及使用某种饱和器以使碳化纤维充满树脂且接着用手将饱和碳化纤维施加到管道内壁上。因为所述工艺是湿式叠层，所以碳化纤维能够完全顺应管道内部，确保完全接合到基板。这个工艺的另一益处是在大多数时候，通过所述区段的压头损失因FRP的平滑表面而减小。专利技术概要在第一方面，本专利技术包括一种适于在具有纵轴和包括圆周的内表面的管道中旋转的机器人。所述机器人包括框架，其具有所述框架适于在使用时旋转所绕着的轴。当机器人定位在管道中时，旋转轴在与管道的纵轴大体相同的方向上延伸。所述机器人包括多个轮子，其在相对于旋转轴的不同径向位置连接到框架用于在不同圆周位置接合管道的内表面。所述机器人包括驱动机构，其适于驱动轮子中的至少一个使轮子沿着管道的内表面滚动且使框架绕着管道的纵轴在管道中旋转。所述轮子适于沿着管道的内表面以大体螺旋形路径滚动用于当框架在管道中旋转时沿着管道的纵轴移动框架。在另一方面，本专利技术包括一种将材料施加到管道内表面来强化管道的方法。所述方法包括抵着管道的内表面驱动轮子来使轮子所连接的框架在管道内旋转并沿着管道的纵轴移动。当框架在管道内旋转时，将材料从材料棉网朝向管道的内表面推进并且以大体螺旋形图案施加到管道的内表面。在又另一方面，本专利技术包括一种将纤维施加到结构用于强化结构的方法。所述方法包括：朝向按压构件驱动纤维；相对于结构移动按压构件来通过将纤维按压到结构上而施加纤维；以及自动调整纤维被驱动朝向按压构件的速率使得由按压构件抵着结构按压的纤维是大体非张紧的。在下文中将部分明白且部分指出其它目标和特征。附图简述图1是本专利技术的机器人的透视图；图2是图1的机器人的施加器总成的放大图；图3是可由机器人安装的纤维束带的片段的透视图；图4是呈不稳定形态的带子的纤维束的透视图；以及图5是约有50％重叠的纤维束带的叠层的透视图。全部附图中对应的参考字符指示对应部分。具体实施方式本专利技术的强化系统适于通过将材料(例如纤维强化材料(例如纤维束带))施加到管道内表面上而强化管道。如下文进一步详细地讨论，可使用各种类型的纤维强化材料(广泛称为“材料”)。一般来说，强化系统可包括：纤维强化材料的供应器；用于使纤维强化材料浸满树脂的饱和器；和用于将纤维强化材料定位在管道内表面上的安装机器人或机器人(例如见图1)。在一般方法中，管道的内表面可通过清洗和/或将中间层或涂层施加到管道表面来制备。接着施加充满或浸满树脂的纤维强化材料。在树脂固化之后，纤维强化材料为管道提供增大的强度。在不脱离本专利技术范畴的情况下，强化系统可用于强化除了管道之外的结构(例如梁、支柱和其它结构)。强化系统的实例公开于美国专利申请序列号第12/709,388号、公开号第2010/0212803号中，其全文以引用方式并入本文中。如图1中所示，本专利技术的安装机器人的实施方案通常由参考数字10指示。安装机器人10适于导航管道且包括施加器总成12，其适于将纤维强化材料施加到管道内部。如下文进一步详细描述，安装机器人10被构造成绕着旋转轴旋转，旋转轴在使用时在与管道纵轴大体相同的方向上延伸。机器人10的旋转造成其沿着管道纵轴移动。因此，施加器总成12可选择性地在管道的内圆周周围以大体螺旋形路径移动。施加器总成12将材料(例如纤维强化材料)以一层或多层(其可重叠)施加在管道的整个内圆周区域周围。在描绘的实施方案中，纤维强化材料以包括纤维束(见图4)的带形式(见图3)提供，其可在施加时重叠(例如见图5)。纤维带和/或纤维束(即粗纤维或粗纱)可被称为材料棉网。如将明白，材料棉网的材料(不管是稳定形式(例如带)或是不稳定形式(例如松散束))可由机器人10施加到表面。如下文进一步详细描述，可使用各种形式的纤维强化材料。一般来说，安装机器人10包括具有三个支架20A、20B、20C的框架或机车20、施加器总成12和控制器30。如下文进一步详细地描述，控制器30可操作性地连接到安装机器人10的各个组件用于控制器操作。全部三个支架20A、20B、20C包括接合管道内表面的轮子。支架20A、20B中的两个包括呈自由可枢转脚轮40A、40B形式的轮子。第三个支架20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适于在具有纵轴和包括圆周的内表面的管道中旋转的机器人，所述机器人包括：框架，其具有所述框架适于在使用时旋转所绕着的轴，当所述机器人定位在所述管道中时，所述旋转轴在与所述管道的所述纵轴大体相同的方向上延伸；多个轮子，其在相对于所述旋转轴的不同径向位置连接到所述框架以在不同圆周位置接合所述管道的所述内表面；驱动机构，其适于驱动所述轮子中的至少一个使所述轮子沿着所述管道的所述内表面滚动且使所述框架绕着所述管道的所述纵轴在所述管道中旋转；所述轮子适于沿着所述管道的所述内表面以大体螺旋形路径滚动以当所述框架在所述管道中旋转时沿着所述管道的所述纵轴移动所述框架。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.17 US 61/600,4331.一种适于在具有纵轴和包括圆周的内表面的管道中旋转的机
器人，所述机器人包括：
框架，其具有所述框架适于在使用时旋转所绕着的轴，当所述机
器人定位在所述管道中时，所述旋转轴在与所述管道的所述纵轴大体
相同的方向上延伸；
多个轮子，其在相对于所述旋转轴的不同径向位置连接到所述框
架以在不同圆周位置接合所述管道的所述内表面；
驱动机构，其适于驱动所述轮子中的至少一个使所述轮子沿着所
述管道的所述内表面滚动且使所述框架绕着所述管道的所述纵轴在
所述管道中旋转；
所述轮子适于沿着所述管道的所述内表面以大体螺旋形路径滚
动以当所述框架在所述管道中旋转时沿着所述管道的所述纵轴移动
所述框架。
2.根据权利要求1所述的机器人，其中所述轮子中的至少一个
可移动地连接到所述框架以允许所述轮子相对于所述框架的所述旋
转轴选择性地径向移动。
3.根据权利要求1所述的机器人，其还包括连接到所述框架的
材料施加总成，所述纤维施加总成适于当所述框架在所述管道中移动
时将材料以大体螺旋形图案施加到所述管道的所述内表面。
4.根据权利要求3所述的机器人，其中所述材料施加总成包括
按压构件，其用于当所述框架在所述管道中旋转时抵着所述管道的所
述内表面按压材料棉网。
5.根据权利要求4所述的机器人，其中所述材料施加总成包括
驱动机构，其适于朝向所述按压构件推进所述材料棉网。
6.根据权利要求5所述的机器人，其还包括材料固定器，其适
于固定材料供应用于由所述按压构件施加到所述管道的所述内表面。
7.根据权利要求5所述的机器人，其还包括控制系统，所述控
制系统包括与所述驱动机构操作性连接的控制器，且包括用于调整所
述驱动机构朝向所述按压构件推进所述材料棉网的速率的指令，使得
由所述按压构件抵着所述管道的所述内表面按压的所述材料呈大体
非张紧状态。
8.根据权利要求7所述的机器人，其中所述控制系统包括棉网
张力传感器，所述棉网张力传感器适于感测所述材料施加总成上的所
述材料棉网的张力且产生表示所述棉网张力的棉网张力信号，所述控
制器操作性地连接到所述棉网张力传感器且包括指令来作为从所述
棉网张力传感器接收的所述棉网张力信号的函数而调整所述驱动机
构朝向所述按压构件推进所述材料棉网的速率。
9.根据权利要求3所述的机器人，其还包括调整机构，其适于
调整所述轮子中的至少一个相对于所述框架的定向而在当所述框架
在所述管道中旋转时改变所述框架沿着所述管道的所述纵轴推进的
速率。
10.根据权利要求9所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·顾德尔，S·维索茨基，H·卡尔，E·法伊夫，
申请(专利权)人：法伊夫有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US