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[讨论、求助] 北京市发明专利奖掠影 三等奖:中铁五院——盾构掘进的“保险锁”-盾尾密封油脂

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发表于 2019-4-15 13:56:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
北京市发明专利奖掠影 三等奖:中铁五院——盾构掘进的“保险锁”-盾尾密封油脂-1.jpg

“北京市发明专利奖掠影”系列之9

盾构技术在开挖隧洞中的应用大大加快了铁路、公路的修建速度,然而在地下几十米,尤其是穿江过河的施工,如何预防突发的透水、泥浆、甚至江水倒灌等事故带来的潜在威胁?小编带你看看获奖专利“环保型盾尾密封油脂”是如何在地下为盾构机以及操作人员保驾护航的。

本文涉及第五届北京市发明专利三等奖

专利号:ZL201210472649.4

专利名称:环保型盾尾密封油脂及其制备方法与应用

专利权人:中铁第五勘察设计院集团有限公司、北京铁五院工程机械有限公司

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盾构技术是目前国际上较为广泛采用的地下隧洞全机械化开挖施工技术, 盾构技术运用的关键是使用了盾构机, 盾构机是盾构法施工中的主要施工机械。盾构机的基本组成如下:

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盾构法施工具有自动化程度高、施工速度快、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响地面交通等特点,尤其在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下,盾构法施工更为经济合理。

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盾构机在掘进过程中,管片是静止不动的,盾体是连续移动的,因此盾尾和已装管片之间存在相对滑动。盾尾和管片之间存在的间隙直接将盾构机人员操作仓与地下外部环境连通,该间隙也是外部地下水和泥浆涌入盾构机内部的通道。

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为了防止外部地下水和泥浆等进入盾构机内,保证盾构机内施工人员的安全,必须对盾尾和管片之间的间隙进行密封处理,盾尾密封一方面靠装在盾尾内壁的钢丝刷密封,另一方面则是靠充满整个油脂腔的密封油脂建立起压力进行密封,二者相辅相成、一起保驾护航。

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盾构机问世至今已有近200年的历史,其始于英国,发展于日本、德国。因此,欧洲和日本生产的盾尾密封脂基本上反映了盾尾密封脂的国际先进水平。在获奖专利产品的申请日(2012年11月20日)之前,对涉及盾构密封油脂的专利申请情况在中国国家知识产权局、欧洲专利局和日本特许厅的统计结果如下:

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从申请情况对比可知,我国在盾尾密封油脂领域专利申请起步较晚,申请量也相对较少。在获奖专利申请日之前,在我国仅有8件专利申请。起步晚、研发力量偏少导致国产品牌产品与国外品牌相比,在质量水平总体上还存在一定差距,一些施工条件苛刻、地质条件复杂、高水压区域的施工场合,尤其是施工风险高、盾尾密封失效风险大的场合,比如过江隧道所需盾构直径大、地层渗透系数高,多选用国外品牌盾尾密封脂产品。让小编欣慰的是,在2012年后,我国在该领域的申请量基本呈递增趋势:

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盾构机用盾尾密封油脂相比用于电动机、轴承、水泵的油脂有何不同,其更注重什么性能?让小编为你一一道来。

泵送性:盾尾密封油脂通常采用机泵加入, 在水压较高的情况下,盾构机在推进过程中需不断地向盾尾油脂腔中注入油脂,防止带有一定压力的水和泥浆进入盾构机内部。由于油脂的连续充填,可以获得充足的止水效果。因此泵送性是盾尾密封油脂的重要性能。

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密封油脂注射泵示意图

为保证盾尾密封脂的可泵送性,通过向密封脂中加入合成高分子类物质,获奖专利对应的产品则选用醇类合成高分子进一步改善了产品的泵送性,泵送性是同类其它产品的2.4倍。

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获奖专利团队研制的盾尾密封脂泵送性试验装置

抗水压密封性:抗水密封性是盾尾密封脂的关键性能, 佛山市轨道交通2号线在施工过程中曾出现因隧道透水坍塌造成11人死亡、1人失踪、8人受伤的事故。该事故与盾尾密封油脂性能欠佳、进而导致了盾尾密封被外部水土压力击穿有一定的关系。所以抗水密封性是盾尾密封脂所必须具备的性能。获奖专利产品通过选择特定的基础油、粘度指数改进剂、润滑剂、天然可降解纤维、填充颗粒材料、合成高分子使得抗水压密封性比同类产品提高了1.5倍左右,大大保证了安全性能。

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获奖专利团队研制的抗水密封性试验装置

环保、经济性:我国越来越关注润滑剂带来的环境污染问题,已规定了地面水中石油类成分含量的限制标准。盾尾密封脂在城市地铁建设中广泛应用对城市地下水的影响将会加大。进口产品虽然不会污染环境,但却存在着成本较高的问题,如日本松村石油公司的产品价格已经超过了30元/kg,而且其用量也很大。获奖专利产品对环境友好、造价低,综合性能与进口产品相当,价格仅为其40%。

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目前,国际标准化组织(ISO)及其他相关国际组织或协会均未发布有关盾尾密封脂产品或分类的权威性标准。我国也未制定盾尾密封脂的统一标准,再加上最低价中标的情况,导致劣质产品充斥市场,给盾构施工带来了极大风险。如:“可泵送性”由于本领域没有比较合适的定量表征设备,对盾尾密封油脂泵送性的表征比较混乱。

获奖专利的专利权人围绕获奖专利产品,研制了泵送性、抗水压密封性和抗水冲性三个主要性能的测试设备并已获得授权。包括:

ZL201520790100.9涉及一种专用毛细管流变仪

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ZL201520790100.9说明书附图

ZL201621127737.0涉及一种盾尾密封油脂专用水压密封测试仪和ZL201520790117.4涉及一种水冲测试仪。提出了相应的测试方法与评价标准,建立了企业标准,为行业标准建立打下了坚实基础。

目前,国内穿江过河等高水压盾构施工用盾尾密封油脂产品长期被国外公司垄断(如法国CONDAT公司、法国道达尔、日本松村石油、德国巴斯夫等)。获奖专利产品在高水压盾构施工的成功应用,打破了进口产品在国内高水压盾构施工中的垄断地位,填补了我国高端盾尾密封油脂配方、生产工艺、性能测试设备等技术的空白,产品综合性能达到国际先进水平。

制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基,没有强大的制造业,就没有国家和民族的强盛。笔者相信在不远的将来,会制造出更高质量水平的盾尾密封油脂,也会有相应的国家或行业标准,以及与之相配套的试验方法。让我们拭目以待吧!

本文作者:

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心

刘文军 张明辉
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