CN101513771B - 可卷绕形成螺旋管的复合带、复合管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可卷绕成螺旋管的复合带、由其制成的复合管及制造方法。所述复合带包括：具有底部和至少一个从所述底部向上直立的纵向延伸的肋部的伸长的塑料带；以及纵向延伸的伸长强化带，其侧向被所述肋部支撑，所述强化带具有至少三比一的高度对厚度比，并且其位置基本上与所述底部垂直。当卷成一螺旋管时，所述强化带增强所述管承受的径向断裂载荷。圆筋将强化带密封起来与外界环境隔绝。期望的所述复合带进一步包括：纵向延伸且与所述底部连接的平面薄层，所述薄层比所述塑料带具有更高的杨氏模量和屈服强度。所述薄层极大改善了由所述带卷绕成的管的压力等级。

Description

可卷绕形成螺旋管的复合带、复合管及其制造方法
本申请是申请日为2003年4月17日、申请号为03809029.5的发明申请的分案申请，该发明申请的发明名称为“可卷绕形成螺旋管的复合带及其方法”。
技术领域
本发明涉及对强化有肋结构的改进，并且特别地是涉及由合成材料制成的强化或加强螺旋缠绕管或管道。
背景技术
众所周知，塑料管可以通过螺旋缠绕一个塑料带来制造，塑料带具有一系列问隔开的在带的纵向延伸的直立肋，这是在塑料变得更加柔韧的室温或者升高的温度下。螺旋缠绕管的这种形成已经在制管业广为人知，并且在涉及塑料带的形式以及由这种带制造管或者管道的机器的形式的专利申请中被描述。
对于这些管子来讲，为了实现高性能的应用以获得必要的强固程度，塑料带的壁厚必须非常结实，肋也是一样。作为选择，最终管或管道可以通过强化件或加强件来强化。
在一些应用中，强化的管或管道被埋在沟渠中或者承受高的地质载荷，管或管道的强度极其重要。
申请人的澳大利亚专利607431公开了一种生产强化塑料管的方法，该塑料管使用了以某种方式放置在肋之间的强化件，这种方式使得最终管或管道的偏转抗力显著增加。强化件包括具有U形横截面的一个金属件，设计用于在一对相邻肋的相对的凸缘形式下方相接合的强化件的自由端，藉此将金属带锁在肋之间的合适位置，并且反过来也使肋和最终管硬化。
申请人的澳大利亚专利661047公开了对上面所提到的澳大利亚专利607431公开内容的一种改进。改进是通过提供一种具有反向的U形或V形横截面的一个中心主体部分而实现的，所述中心主体的径向高度大于肋的径向高度，藉此基本上增加了复合管的有效外径。这提供了一个硬度更大的管。
已知的螺旋缠绕复合管是在多个操作阶段形成的。塑料主体被挤压出来并且随后被螺旋缠绕以形成一个管。伸长的钢强化件被分离地卷绕成形，以形成能提供所需硬度的外形(比如上面提到的反向U形或V形)。卷绕形成的钢外形然后被卷绕成接近螺旋缠绕的塑料主体的半径。最后，形成外形和半径的强化件被缠绕在塑料管的外部以形成具有所需硬度的复合管。
当使用澳大利亚专利607431和661047所公开的强化件时，将钢强化件卷绕以形成具有接近塑料管的半径的步骤包括将钢强化件拉伸超越其弹性限度。这需要在卷绕过程中施加相当大的力。相反，由于塑料的材料特性，挤压出的塑料外形卷绕成螺旋管通常需要很小的力。
本发明的一个目的是提供对前述专利说明书607431和661047所公开内容的某些改进，是针对强化的螺旋缠绕塑料管或管子，这些管子通过由塑料材料和/或金属形成的附加的强化件而有效地硬化了管或管道，以藉此产生一个复合塑料和金属结构。
本发明的另一个目的是提供一种改进的复合带，该复合带能够被卷绕形成一个螺旋管和管道，而在管的缠绕过程中及过程后不需要附加强化件。本发明的再一个目的是提供产生这种复合带的一种方法。
本发明的另一个目的是提供产生螺旋缠绕管的一种方法，该方法消除了对强化件被引入带的塑料主体以前对强化件预卷绕的需要。
本发明的再一个目的是提供一种由两种或更多材料构成的螺旋缠绕塑料管，这些材料具有不同的特性，因此合成的或者最终管或管道具有被加强的特性，并且管或管道能够以相对低的成本被制造。
本发明的再一个目的是提供一种具有高压力等级的螺旋缠绕塑料管，也就是说，这种管能够成功地抵抗高的内部压力。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种复合带，该复合带可卷绕成用于运输流体的螺旋管，其包括：
伸长的塑料带，所述塑料带具有底部，所述底部具有限定螺旋管内表面的下侧和限定螺旋管外表面的上侧；
至少一个从所述底部的上侧向上直立的纵向延伸的肋部；以及
纵向延伸并由所述肋部侧向支撑的伸长强化带，所述强化带定向为基本垂直于所述底部，并且所述强化带的高度对厚度比为3∶1～27∶1，所述螺旋管内表面在所述强化带的下方形成连续面，
其中，当卷成螺旋管时，所述强化带克服径向断裂载荷而增强所述管，并且所述螺旋管内表面使所述强化带与所述管中的流体相分离。
优选地，所述的高度对厚度比至少是四比一。
优选地，所述肋部包括一对沿所述底部纵向延伸的平行壁，所述肋部限定有一纵向延伸的缝隙，所述强化带保持在其中，所述带被所述缝隙的壁侧向支撑。
优选地，所述肋部包括一对沿所述底部纵向延伸的平行壁面，该平行壁面定向为基本上与所述底部垂直。
优选地，所述强化带是连续的，且其长度与所述塑料带共同延伸。
优选地，所述强化带被完全密封，以防止其暴露在外界环境中。
优选地，所述塑料带具有一列纵向延伸的缝隙，该缝隙形成由横穿所述带的宽度而间隔开的肋部，每个肋部支撑一个伸长强化带。
所述复合带可以包括各种材料，然而，优选的强化带由金属构成。更加特别的是，所述强化带优选地是由钢构成。
所述复合带进一步包括纵向延伸且与所述底部相连的平面薄层，所述薄层比所述塑料带具有更高的杨氏模量和强度；
其中，在所述复合带被卷绕形成螺旋管之后，所述薄层增强了所述螺旋管的压力等级。
优选地，所述薄层(50)包括纤维织物。优选地，所述纤维织物包括玻璃纤维。
根据本发明的第二个方面，提供一种由上述复合带制成的螺旋卷曲复合管，所述螺旋卷曲复合管的特征是，所述复合带的底部的下侧形成所述螺旋卷曲复合管的内侧，在将所述复合带卷曲成所述螺旋卷曲复合管之后，所述强化带的方位相对于所述底部基本上保持不变。
根据本发明的第三个方面，提供一种由上述复合带制成的螺旋卷曲复合管，所述螺旋卷曲复合管的特征是，所述复合带的底部的下侧形成所述螺旋卷曲复合管的内侧，在将所述复合带卷曲成所述螺旋卷曲复合管之后，所述强化带的方位相对于所述底部基本上保持不变。
其中，所述强化带为连续的，且其长度与所述塑料带共同延伸。
其中，所述强化带为连续的，且其长度与所述塑料带共同延伸。
其中，相邻的所述薄层卷绕结构并不直接连接在一起。
其中，所述强化带为连续的，且其长度与所述塑料带共同延伸，并且，相邻的所述薄层卷绕结构并不直接连接在一起。
附图说明
本发明的几个优选实施例在附图中被图示出来，包括：
图1展示了根据本发明的第一实施例的一个复合带的横截面图。
图2展示了图1的带的分解图。
图3是图1的复合带的透视图。
图4是由图1和图3所示的外形卷绕成的一个螺旋缠绕复合带的透视图。
图5展示了强化元件的图4的管的部分截面图。
图6是展示了被引入所述外形中的强化元件的一个透视图。
图7展示了根据本发明的第二实施例的一个复合带的横截面图。
图8展示了根据本发明的第三实施例的一个复合带的相邻卷绕的横截面图。
图9展示了根据本发明的第四实施例的一个复合带的横截面图。
图10展示了根据本发明的第五实施例的一个复合带的横截面图。
图11展示了根据本发明的第六实施例的一个复合带的横截面图。
图12展示了根据本发明的第七实施例的一个复合带的横截面图。
图13展示了根据本发明的第八实施例的一个复合带的横截面图。
图14展示了用于本发明实施例的卷轴驱动组件的透视图。
具体实施例
参考图1和图2，展示了一个可卷绕以形成螺旋管的伸长复合带。复合带包括一个伸长的塑料带11和一个伸长的金属强化带30。用于本发明的这个实施例的塑料是聚乙烯，尽管其它合适的塑料也可以使用。
塑料带11具有一个底部12，其带有一基本上平的侧面14。多个纵向延伸的肋部20从底部12向上凸出。在这个实施例中，每个肋部20包括沿着底部12纵向延伸的一对平行的壁22和24，以限定出一个纵向延伸槽23。槽23的尺寸和形状能够保证如图2最佳示出的那样紧密地接收强化带30。
塑料圆筋40被设置得能够桥接肋壁22和24的上端之间的缝隙，并且因此将强化带30完全密封。这防止了强化带30被暴露在环境中，并且因此有助于防止腐蚀。
在本发明的第一实施例中，提供了由横穿所述带的宽度而间隔开的三个纵向延伸肋20组成的一列。每个肋部分20支撑一个相应的伸长平面金属强化带30。在本发明的其它实施例中，可以使用或多或少的肋和强化带。支撑伸长金属强化带30的肋20不需要连续。只要能够支撑垂直定位的强化带30，肋20能够是任何形状。
参考图4，通过螺旋缠绕图1、2、3中的复合带而产生的一个螺旋缠绕管被展示出来。带的邻近卷绕结构的相邻边缘18和16之间的连接在图1的横截面中能最佳看出。
比较图1和图4，很明显，在卷绕所述带以形成管之后，强化带30相对于底部12的平的侧面14的位置基本上保持不变。在带10的卷绕期间，肋部20特别为强化带30提供支持。在卷绕所述带10以形成螺旋管期间，强化带30围绕着一个基本上横向于带10的一个轴线弯曲。肋部20有助于防止强化带30横向并且向着塑料带12的底部被毁坏。
图5展示了强化件30在被弯曲以缠绕图4所示的管以后它的一个弧形部分。皱折32的小区域也被图示出来。
重要的是皱折的这些区域要么是不存在的要么就是相对较小。如果出现过多的皱折，管抵抗径向断裂载荷的能力就要受到损害。
同时重要的是保持型面质量最小，而同时保持性能标准，以保证材料成本最小化。
塑料带12和伸长金属强化带30的尺寸和形状可以改变以适应将被卷绕的管的直径。下面的表格展示了适于内径范围从300到600毫米的管的结构的范围。
Figure GSB00001076337200071
CA3SNG：无涂层的冷轧软钢
所使用的钢强化带的高度、厚度和数量是可以变化的，这些影响了卷曲管的硬度。对于较大直径的管，塑料对管的硬度的贡献相对较小(＜10％)。对于较小直径的管，塑料对管的硬度的贡献相对较大(对于具有300毫米的内径的管来讲接近30％)。
因为很多原因，强化带30的高度对厚度比是重要的。从管的硬度和材料的有效使用角度来看，具有高的高度对厚度比的强化带是优选的，但是这必须权衡可能引起的不稳定。不稳定会造成强化带30横向向着塑料带12的底部被毁坏，或者会造成过多的皱折(在图5中展示了皱折)。
具有用于这个应用的最优杨氏模量(或者拉伸模量)以及屈服强度的钢的选择也是重要的。如果屈服强度多大，皱折就更容易产生。
具有上面表格所描述的外形范围，并且具有厚度范围在1.4毫米到1.8毫米的肋部，管能够被卷曲，其具有稳定的相对低的重量并且具有极佳的对径向断裂载荷的抗力。
尽管上面描述的实施例使用钢来强化，伸长的平面强化带也可以使用其它材料构造。
强化带30附加到塑料带12上也能够帮助改善管的压力等级。上面描述的复合带可以进一步与其它元素结合以改善卷曲管的压力等级。举个例子，可以提供纤维织物薄层(比如玻璃纤维)、塑料或者钢，用以改善管的压力等级。具有超过带的塑料材料的杨氏模量和强度的任何材料都可以使用。薄层可以以任何合适的方式与外形结合在一起。举个例子，薄层可以焊接到带12的底部，或者可以十字头地挤压到带12的底部之内。
也可以提供改善的互锁边缘结构以增强管的压力等级。用于高压应用的外形结构的例子在图7到图13中展示出来。
参考图7，本发明的第二实施例被展示，其中复合带10由PVC挤压而成。通过由塑料带11形成的一个凸边缘件16和一个凹边缘件18而提供了一个机械锁。还提供了上述类型的强化带30。这个型面是十字头地挤压密封强化带30，因为复合带10的制造不需要添加前述密封圆筋。一个薄层50结合到带11的底部中。薄层50具有高于PVC塑料带11的杨氏模量和强度。当卷曲成螺旋管时，这个型面能够提供适合于输送压力流体的高压管。尽管邻近的回旋结构并不直接限定在一起，塑料的厚度以及由邻接的边缘16和18形成的机械锁的结构保证了管能够抵抗显著的内部压力。
图8展示了根据本发明第三实施例的复合带10的两个相邻回旋结构的横截面视图。这个复合带10包括具有三个肋部20的聚乙烯挤压带11，肋部20从底部12延伸，每个肋部20支撑一个强化带30。支撑一个第四强化件31的一个第四肋部21也被提供。第四肋21和强化带31的位置在型面的边缘，以沿着相邻回旋结构的薄层之间的缝隙强化卷曲管。这个缝隙54在图8中展示。
通过在复合带的相邻回旋结构之间的锁的顶部以及薄层不连续的区域上方提供强化，能够抵抗高压的管也能够产生。
图9中展示了本发明的第四实施例。本发明的这个实施例与第三实施例相似，不同的是不是在连接区域上方提供一个附加的肋和强化件，而是凹锁部分具有一个厚壁，以在薄层不连续的地方提供抗压能力。
本发明的第五实施例在图10中展示，其中在相邻回旋结构之间没有提供附加的结构来覆盖薄层不连续的区域。
本发明的第六实施例在图11中展示。通过本发明的这个实施例，一个附加的薄层被焊接到所示型面的边缘部分。
本发明的第七实施例在图12中展示，本发明的这个实施例与上面描述的实施例稍有不同之处在于，在管卷曲过程中插入附加的薄层55。
本发明的最后一个实施例在图13中展示。通过本发明的这个实施例，一个连续的薄层或者是十字头挤压在外形底部12和锁定区域边缘中，或者是在挤压之后焊接到底部。
本发明的其它实施例可以提供薄层，或者是粘结到带12的底部或者是嵌入带12的底部。
具有方向特性的材料可以用作薄层或者在薄层内使用。举个例子，可以使用在纵向方向强度大而在横向方向强度弱的定向塑料薄膜带。这种带会改善卷曲管的“圆周”强度。
也可以使用在横向方向强度大而在纵向方向强度弱的塑料薄膜带。
在一些应用中，值得期待的是由在相互正交方向上强度大的两个(或更多)塑料薄膜带形成，藉此产生在所有方向上具有高强度的复合物。
具有方向特性的适当材料的例子包括高度拉伸的聚烯烃薄片。这种薄片具有很高比例的在同样方向上定位的分子，这些分子提供了高的杨氏模量和屈服强度。
当前，螺旋卷曲的复合管是在多个操作中形成的。通常一个塑料主体是在工厂环境内被挤压出来的并且随后缠绕到一个卷轴上用于运输。挤压出来的带然后从卷轴上松开，并且经过一个缠绕机，缠绕机也可以设置在工厂内，或者作为选择可以设置在最终管被需要的地点。最后，伸长的钢强化带卷绕到新的缠绕管上。在很多应用中，钢强化带在被引入塑料管外面以形成具有所需硬度的复合管之前被预卷绕成接近螺旋塑料主体的半径。当强化件在整个相关的弯曲轴上具有高度硬度的时候，就需要对强化带进行预弯曲。
由于在制造早期和管缠绕之前将强化件30引入带中，上面参考图1，2，3，5和6描述的型面形成螺旋管的加工过程得到了简化。
图6中示出了构造可缠绕成螺旋管的复合带10的一种方法。塑料带11被挤压，形成带有基本上平的侧面的底部和从底部12上向上直立的一列平行间隔的纵向延伸的肋部20。紧接着多个纵向金属带30被引入肋部20。强化带30具有至少四比一的高度对厚度比，并且其位置基本上垂直于底部12上的平侧面14。
当塑料带基本上是平的时，进行上述引入或插入步骤。强化带30不需要任何预弯曲垂直被插入。最后塑料圆筋40(如图1和2中所示)被挤压至肋部20的顶端来密封强化带30。
下述是构造可缠绕成螺旋管的复合带10的另一种方法。塑料带和钢带被引入挤压十字头模具，该模具将上述两种材料集成为一种复合型面，例如上面描述且如图3所示的复合带。通过十字头挤压形成的复合带稍微不同于上述型面之处在于，不需要塑料圆筋40(如图1和2中所示)，相反，可设计十字头模具使钢带从模具中出来时完全被塑料密封。
在生产出复合强化带之后，其能直接将上述带卷入螺旋卷曲管中，如图4中所示的管，或者可替换地，该带能被卷绕到卷轴上便于后续使用。
将复合型面卷绕到卷轴上用于运输的能力提供了许多优点。例如，可将单个卷轴运输到场地，且位置定位于邻近管卷绕机，该卷绕机位于需要最终管的位置。此时，不需要大量的专用设备以单一的操作来螺旋卷曲复合管。
为了能卷绕直的复合带12同时钢强化带30不起皱折，必须开发一种新卷绕方法。现有的传统卷绕方法是产生一种反向弯曲带的卷绕带的路径，然后在带进入卷轴彀之前将其变直。卷轴围绕水平轴旋转时，带被供给卷轴的顶端或上侧。这种方法满足于没有钢的塑料带。然而，当带中有钢强化带时，这种方法不合适且使钢强化带起皱折。
图14示出了一种开发用于卷绕钢强化复合带10的卷绕驱动装置100。卷轴101被支撑着且围绕着水平轴102旋转。提供带导辊110以将带10分配在卷轴的彀的整个宽度上。在圆杆112上驱动的循环气压缸114驱动带导辊110来回移动。
图14所示为钢强化带开发的卷绕方法具有带路径，其能够将施加在带上引起皱折的任何载荷降至最低。在这种设备中卷轴101上的带路径是通向卷轴下部或下侧103的直路径，而肋部朝下，因而底部12朝上，允许带弯曲于卷轴上的正确位置(肋部向上，正如其在卷曲管中一样)。
在新方法中开发的控制卷轴101转速的方法取决于带10中的拉力(马达上的扭矩)。除了改变卷绕方法之外，需要选择最佳的卷轴毂尺寸以防止在卷绕过程中肋部起皱折。试用原始的450毫米毂尺寸适用于某些钢厚度，然而当钢变得厚且长时，毂的尺寸也需要相应地增大。对于当前为最大约750毫米直径的管所制造的带10，要求1000毫米的毂的尺寸。
如图7至13所示，本发明的第二至第八实施例的型面可用上面针对图1至6所示的本发明第一实施例的型面所述的方法来构造。在带被挤压之后，能以单一的步骤引入薄层。
尽管为了更好地理解本发明，针对优选实施例描述了本发明，但应该理解，在不偏离本发明旨意的情形下可产生各种变形。因此，应当理解本发明包括在其范围内的各种变形。

Claims (17)

1.一种复合带(10)，该复合带(10)可卷绕成用于运输流体的螺旋管，其包括：
伸长的塑料带(11)，所述塑料带(11)具有底部(12)，所述底部(12)具有限定螺旋管内表面的下侧和限定螺旋管外表面的上侧；
至少一个从所述底部(12)的上侧向上直立的纵向延伸的肋部(20)；以及
纵向延伸并由所述肋部(20)侧向支撑的伸长强化带(30)，所述强化带(30)定向为基本垂直于所述底部(12)，并且所述强化带(30)的高度对厚度比为3∶1～27∶1，所述螺旋管内表面在所述强化带(30)的下方形成连续面，
其特征在于，当卷成螺旋管时，所述强化带(30)克服径向断裂载荷而增强所述管，并且所述螺旋管内表面使所述强化带(30)与所述管中的流体相分离。
2.如权利要求1所述的复合带(10)，其中所述高度对厚度比至少是四比一。
3.如权利要求2所述的复合带(10)，其中所述肋部包括一对沿所述底部纵向延伸的平行壁(22，24)，所述肋部限定有纵向延伸的缝隙(23)，所述强化带(30)保持在该缝隙(23)中，所述强化带(30)由所述缝隙(23)的壁侧向支撑。
4.如权利要求3所述的复合带(10)，其中所述强化带(30)是连续的，且其长度与所述塑料带共同延伸。
5.如权利要求4所述的复合带(10)，其中所述强化带(30)被完全塑料材料密封，以防止其暴露在外界环境中。
6.如权利要求5所述的复合带(10)，其中所述塑料带具有一列纵向延伸的缝隙，这些缝隙形成横穿所述带的宽度而间隔开的若干肋部，每个肋部支撑一个伸长强化带。
7.如权利要求4所述的复合带(10)，其中所述强化带由金属构成。
8.如权利要求7所述的复合带(10)，其中所述强化带由钢构成。
9.如权利要求1到8任一项所述的复合带(10)，所述复合带(10)进一步包括纵向延伸且与所述底部相连的平面薄层(50)，所述薄层(50)比所述塑料带具有更高的杨氏模量和强度；
其特征在于，在所述复合带(10)被卷绕形成螺旋管之后，所述薄层(50)增强了所述螺旋管的压力等级。
10.如权利要求9所述的复合带(10)，其中所述薄层(50)包括纤维织物。
11.如权利要求10所述的复合带(10)，其中所述纤维织物包括玻璃纤维。
12.一种由复合带(10)制成的螺旋卷曲复合管，所述复合带(10)如权利要求1到8中任一项所述，所述螺旋卷曲复合管的特征是，所述复合带(10)的底部的下侧形成所述螺旋卷曲复合管的内侧，在将所述复合带(10)卷曲成所述螺旋卷曲复合管之后，所述强化带的方位相对于所述底部基本上保持不变。
13.一种由复合带(10)制成的螺旋卷曲复合管，所述复合带(10)如权利要求9到11中任一项所述，所述螺旋卷曲复合管的特征是，所述复合带(10)的底部的下侧形成所述螺旋卷曲复合管的内侧，在将所述复合带(10)卷曲成所述螺旋卷曲复合管之后，所述强化带的方位相对于所述底部基本上保持不变。
14.如权利要求12所述的螺旋卷曲复合管，其中，所述强化带(30)为连续的，且其长度与所述塑料带共同延伸。
15.如权利要求13所述的螺旋卷曲复合管，其中，所述强化带(30)为连续的，且其长度与所述塑料带共同延伸。
16.如权利要求13所述的螺旋卷曲复合管，其中，相邻的所述薄层(50)卷绕结构并不直接连接在一起。
17.如权利要求13所述的螺旋卷曲复合管，其中，所述强化带(30)为连续的，且其长度与所述塑料带共同延伸，并且，相邻的所述薄层(50)卷绕结构并不直接连接在一起。
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