CN101981363A - 管形件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带(10)和由所述带(10)制成的管形件(74)，该管形件例如可用于油气产业来输送易挥发流体或腐蚀性流体且处于高的温度和/或压力下的流体。该带(10)包括多个结合的台阶(扣榫)和拱肋构造。在装配好的成品管形件中，该带(10)以螺旋自搭叠的关系缠绕从而允许相应的台阶部中的一个安放在另一个中。该台阶有效地提供了现有技术已知的扣榫和拱肋的双重功能，并且以这种方式设置减小了在材料中形成的应力且增大了成品的强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种管形件，尤其但又非仅仅涉及一种适合用于油气行业中的气体或液体输送且由自搭叠螺旋缠绕材料构成的至少一条带制成的大体刚性的管形件。这样的结构可用于制造直的或锥形的细长管或类似物。
背景技术
美国专利US3530567公开了由单条带构成的多层管形结构的成型，该单条带包括沿其宽度的多个扣榫-台阶，从而允许自搭叠带部安置在由该扣榫-台阶所形成的空间中，从而形成在整个长度范围内具有恒定直径和恒定宽度的多层管形结构。制造扣榫-台阶的方法包括通过迫使带的一部分离开其原始平面来产生锐弯，从而形成扣榫-台阶。所需的变形可能会沿其长度产生局部应力点，这可能导致出现微观裂纹，而这些微观裂纹可能会扩展并因此破坏管形件自身的一体性。当采用高强度材料例如超高强度钢时，这种影响将会显著地增大，因为这些材料不是特别有延展性且会更容易产生裂纹。
美国专利US5837083描述了一种由带形成的多层管形件的成型，该带具有位于扣榫-台阶之间的肋，这给管形件带来了多种附加的有益性能，例如改进的轴向和外部压塌性、改进的柔韧性并提供外部螺旋形螺纹构形，其可以用于例如附接法兰或连接器。这种肋还有助于制造过程，在制造过程中其可以用于确保该螺旋缠绕带的多层相对于彼此正确定位。遗憾的是，这种配置还依赖肋部之间的扣榫，并且带的边缘未到达肋部，从而减小了肋处的壁厚，这显然是非常不希望有的，因为这会对对管形件自身的结构一体性造成不利的影响。
除了上述情况之外，由于在扣榫处(其通常位于两个相邻的肋的中间位置处)出现的带边缘的搭叠所产生不连续部分是可能出现高局部轴向应力的区域，这很可能会不利于螺旋缠绕管形结构的整体稳定性。
美国专利US4209043描述了一种通过自搭叠方式螺旋缠绕带来制造管形件的方法，其中该带的自搭叠部分包括通过锯齿状齿互锁的肋，这些锯齿状的齿接合同样位于该带上的相应的齿。带边缘以上述方式搭叠在肋部段处。遗憾的是，这种配置其自身仅适用于单层管形结构的成型且互锁/肋部包括尖缘，并且如果互锁部分彼此接合其必须是非常柔韧的材料。这种结构的带不适合在高压下使用并且将很难由高强度材料制成。这样的配置同样是所描述的非稳定结构，其通常是单层的并且仅在带的边缘处搭叠。
EP1407707描述了一种刚性的单层螺旋缠绕管，该管具有带突出的台阶的边缘部，该突出的台阶形成用于与相邻的带部的边缘相接合的互锁结构，而US6668867同样公开了一种用在柔性管结构中的类似结构。
由此，将认识到以允许在管的成型中使用高强度材料设计的带这将会显著增加这类产品的性能和使用价值。另外，高强度材料的使用将允许流体以更高的压力和温度通过且从而进一步扩展了这类产品的工作能力。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种通过螺旋缠绕单条自搭叠带材而获得的多层管形件，其尤其但并非仅仅用于油气或化工工业的多层管形件，其中带材的构造相对现有技术进行了改进，从而减少甚至消除了现有技术中已知的不希望有的影响。
根据本发明一个方面提供由自搭叠螺旋缠绕材料构成的一条或多条带，其中所述带包括在内部的第一直径D1处的第一平状部、在外部的第二直径处的第二平状部、沿带的宽度W彼此间隔开的第一台阶部和第二台阶部，其中所述第一台阶部位于所述第一和第二平状部之间并且包括具有大于所述第二直径的外径和第一曲率半径的弧形台阶，其中所述第二台阶部位于所述第二平状部的另一自由端处并且包括具有第二曲率半径的弧形台阶，其中所述第二曲率半径(R6，R8)大于所述第一曲率半径，从而允许所述第二台阶部搭叠到所述第一台阶部上。弧形台阶结合了台阶或扣榫和拱肋的功能，这允许形成这样的多层管形件，其在扣榫中具有低的材料应力集中而同时还提供拱肋的功能，且同时保持轴向性能和径向载重性以及保持螺旋状螺纹构型。该弧形台阶主要通过较大的曲率半径提供了更平滑且更圆滑的材料不连续部，这导致了更小的局部径向应力。因此，现在可以考虑使用更高强度的材料，并且这样的管形件的应用得到了扩展。
优选地，所述带具有厚度T且各台阶部包括在所述台阶和各直接相邻的平状部之间的连接部，其中所述连接部具有大于2T且优选为4T的曲率半径。
有利地，所述带包括多个在不同直径处的平状部和多个台阶部，它们沿该带的宽度彼此间隔开。
在特别有利的构造中，所述带包括在所述第一平状部上的该带的边缘处的第一边缘部，且其中所述第一边缘部包括从所述第一平状部的平面向外径向延伸的弧形轮廓。
在替代的构造中，所述第二台阶部包括在所述第二平状部上的该带的边缘处的第二边缘部，其中所述第二边缘部包括从所述第二平状部的平面向外径向延伸并终止于大于外径D2的直径处的弧形轮廓。
在优选的构造中，所述多个台阶部的曲率半径在所述带的该内部的直径和该外部的直径之间增大，从而允许外部台阶部叠合到相应的内部台阶部上。
有利地，该带结合有位于所述管形结构内的内衬部。
根据本发明的另一方案，提供一种适合于形成螺旋缠绕的管形结构的带，该带如上所述地具有在内部的第一直径处的第一平状部、在外部的第二直径处的第二平状部、沿该带的宽度彼此间隔开的第一台阶部和第二台阶部，其中所述第一台阶部位于所述第一和第二平状部之间并且包括具有大于所述第二直径的外径和第一曲率半径的弧形台阶，其中所述第二台阶部位于所述第二平状部的另一自由端处并且包括具有第二曲率半径的弧形台阶，其中所述第二曲率半径大于所述第一曲率半径，从而允许所述第二台阶部搭叠到所述第一台阶部上。
优选地，所述带具有厚度T且各台阶部包括在所述台阶和各直接相邻的平状部之间的连接部，其中所述连接部具有大于2T且优选为4T的曲率半径。
有利地，所述带包括多个在不同直径处的平状部和多个台阶部，各台阶部沿该带的宽度彼此间隔开。
在特别有利的构造中，所述带包括在所述第一平状部上的该带的边缘处的第一边缘部，且其中所述第一边缘部包括从所述第一平状部的平面向外径向延伸的弧形轮廓。
在另一更有利的构造中，所述第二台阶部包括在所述第二平状部的该带的边缘处的第二边缘部，其中所述第二边缘部包括从所述第二平状部的平面向外径向延伸并终止于大于外径的直径处的弧形轮廓。
所述多个台阶部的曲率半径在所述带的内径和外径之间增大，从而允许外部台阶部搭叠到相应的内部台阶部上。
本发明还打算提供一种用于保持或容纳如上所述的带的盒。
附图说明
现将仅以示例的方式参考附图更具体地描述本发明，其中：
图1是具有结合到本发明中的台阶特征的带的等角视图；
图2是图1的带的横截面视图；
图3是由图1和图2所示的带制成的成品的一部分的横截面视图；
图4是由图1-图3中所示的带制成的成品的端部横截面视图；
图5是根据本发明第一方案的具有曲形的内边缘部的带的横截面视图；
图6是多条图5中的带以自搭叠关系组装后的放大的局部横截面视图；
图7是根据本发明第二方案的具有曲形的内边缘的带的横截面视图；
图8是多条图7中的带以自搭叠关系组装后的放大的局部横截面视图；
图9是根据本发明的第三方案的具有曲形的内边缘部和外边缘部的带的横截面视图；
图10是多条图9中的带以自搭叠关系组装后的放大的局部横截面视图；
图11是适用于形成本文所述的带的辊对的局部剖视图；
图12是装载有本文所描述的带材的盒的示意图；
图13示出了在结合的拱肋/扣榫之间设置一个或多个平状部中的拱肋的另一构造。
具体实施方式
现在，整体参考附图，但尤其是参考图1和2，例如金属材料构成的带10具有厚度T并且包括在内部的第一直径D1或高度L1处的第一平状部12和在外部的第二直径D2或高度L2处的第二平状部14以及在它们之间的台阶部16。台阶部16包括弧形台阶18，该弧形台阶首先沿箭头U方向向上升起然后沿箭头D方向向下并且具有大于所述第二外径D2或高度L2的外径D3或高度L3。该台阶部有效地形成了现有技术中的扣榫和拱肋，同时减小了现有技术的扣榫有关的急弯曲度并从而减小了材料的局部应力。所述第一平状部12包括顶面20和底面22，且同样地，第二平状部14也包括顶面24和底面26。第一和第二平状部的这些面大致彼此平行延伸，但间隔分开距离H1，从而允许当以自搭叠关系缠绕时第一部的厚度T处于第二部的范围内。然而，将可以理解如果不使用粘合剂H1可以等于T。弧形台阶18设有在其自身和第一平状部12之间的第一连接部28以及在其自身和第二平状部14之间的第二连接部30。这些连接部28和30各自为具有给定半径R1或R2的弧形轮廓，该给定半径优选等于或大于2T且可选地高达比如4T，原因将在下文详述。台阶部16的主要部分构型成具有半径R3，该半径选定成在任何成型过程中在材料中不会导致过度的裂纹或应力。上述的总体准则在此同样适用。将可以理解也可以根据所使用材料的延展性采用其它的弯曲半径。
现简单参考图3，将会理解新的带构造允许带的边缘32直接靠近结合的弧形台阶/拱肋部18放置，如图所示，该处是强度增大的区域而不是像现有技术那样位于拱肋之间的强度减小的中间部34。在更稳定平衡的结构中，该带在其各边缘设有拱肋，从而以确保在各扣榫/拱肋18处存在有三层。这样的构造在图3中以虚线示出。在一些构造中，同样可以或者确实希望形成带有平顶部(未示出)的拱肋/扣榫18。
图4是管形件的横截面图，其可由上述带10制成并且示出了在36处的突出台阶/拱肋和在37处的多层。
上述结构特征在图5至8最清楚地示出的本发明的构造中被采用。从图5将会认识到所述带10的一个边缘38被构型成具有这样的弧形部段40，该弧形部段具有大致向上并随后向下延伸的、具有半径R4的弧段，其符合于上述的总体轮廓。该轮廓选择为能与相应的弧形台阶18相匹配，该弧形台阶18可能会在后续的成型过程中放置在其上。从而该构造允许任何随后成型的管形件在结合的台阶/拱肋部16处与大体平状部12和14处设置相同数目的层，从而还增加了任何成品的刚性和抗破裂强度。图5还示出了包括多个所述弧形台阶18a，18b的带的例子，其中当人们沿横过带自身看时曲率半径R5和R6在相邻的平状部之间是增大的，从而以允许多个外部14搭叠到相应的内部12上。图6适当地示出了图5的构造的优点，并且从图6将可以认识到，端部的弧形部40合适地安置在位于其上的弧形台阶18的轮廓中，且确保了该管形件在这三个台阶部16中的两个上设有相同数目的层。
图7示出了作为图5所示的替代构造，在其中，弧形部段42设在相对边缘44上并且位于较大的直径或高度处。直径R7到R9各相对于它们最接近的且里面的相邻部是增加的，从而允许当带10缠绕成如图3所示的管形件时容纳最接近的相邻部。除了上述的以外，将可以理解，较大的弧形边缘42稍短地终止，从而当组装成成品时允许其安置在最相邻但位于下面的弧形台阶18之上。图8合适地示出了这种安置构造，并且从图8将可以看出弧形边缘部42刚好终止于未达到会与其下的层相干扰的位置。
读者将会理解，包括弧形台阶18a，18b的中间部分的台阶部16执行台阶和拱肋的功能，并因此一次提供两个结构特征，并且允许平缓的弧段被施加到该台阶，在现有技术中该台阶通常是相对尖锐的并且难以使得台阶在材料轮廓中变化。另外，在任何成形辊上的独立轮廓的数目可以减少，因为一个独立的轮廓部可以形成台阶和拱肋这两者的轮廓。该结构特征共用到图5和图7中的同样结合了用于增加结构上的关键位置处的强度的边缘弧形部的构造中，以及应用到图9和10的中在带的两个边缘处设置边缘弧形部的构造中。因此用相同的附图标记40和42来强调这个方面。
现更具体地参考图9和图10，它们示出了本发明的另一构造，其中在两个边缘38和44中的每一个上设置轮廓呈弧形的边缘部40和42。在该构造中，台阶部16和弧形部40和42各自的半径大致对应于图5和7的半径R4至R6和R7至R9的不同半径R10至R13中的一个。各台阶部16还包括与相邻的平状部54，56，58相连的连接部46，48，50，52，其特性对应于上述参考图1至8所描述的那些。当组装成成品时，如图10部分示出的，该构造允许在每个突出台阶部16处设有附加的层。这样的特征有助于提高成品的结构一体性。本发明的另一特征也在各附图中示出，该特征包括内衬60，用于保护带材不受任何沿着该成品通过的材料的作用。这样的材料可能包括腐蚀材料例如酸、燃料、油或类似物；或者磨蚀性材料例如泥浆或原油。从图10将可以认识到，内衬自身可以通过螺旋缠绕方式来形成，其中该内衬的边缘62构造成一个型锻在另一个上以形成整体式的内衬管，这在图10中63处最佳地示出。成型方法为通过在压力下锻焊并且加热从而在内衬中形成锁缝接头66，其比简单的粘合剂粘接结构或卷边更能承受破裂压力。这种型锻特征的另一优点在于这样的事实，即型锻部能够“空间填充”由台阶部16和弧形边缘部40(如果应用)形成的凹口64，从而允许任何内部压力的通过内衬60直接进入外壳中，在该情况下由于外壳材料的高强度可以更容易抵抗这种压力。作为替代，凹口64可以填有钢丝68构成的扇形体、结构粘合剂或一些类似材料，这些同样空间填充该空隙并且允许内部压力直接通到外壳。这种金属丝可以由高抗拉材料构成，从而使其有助于成品自身的结构一体性，或者其可以简单地由具有其它特性例如多孔性的承载材料构成，在这种情况下，它可以作为用于任何能够进入到内衬60和外壳之间的间隙的气体或液体逸出的管道。
在薄钢带上(通过激光、钨极电弧惰性气体保护焊(TIG)、金属焊丝惰性气体保护焊(MIG)等，即常规的焊接手段)制造合适的焊接接头相关的主要困难是使得边缘接触正确地邻接。而任何的小间隙可能导致焊接接头中的瑕疵，即气孔等。制造锻焊锁缝接头允许边缘几何形状中存在容许误差，因为人们首先通过滚压成型出合适的带边缘结构来将边缘机械锁定在一起并且将该锁缝锻焊在一起以获得均匀的连接，这避免了现有技术中的问题。当以较高速度(约5米/分钟)连接带边缘时，这是特别有利，因为在下个步骤用马氏体带缠绕之前将很难检测和校正任何误差。值得强调的是马氏体层通过拱肋的嵌套机械锁定在一起，这有助于轴向特性、柔韧性、制造的简易性和可重复性，并且避免了仅通过粘合剂粘合来实现轴向特性的总可靠性。衬到马氏体外层是粘合剂粘合，但是内衬对管的整体结构性能的轴向特性没什么贡献，从而减小了对粘合的依赖性。内衬仅用作耐蚀阻隔层，即类似于轮胎的囊或内胎。通过嵌在拱肋的空隙中的锁缝锻焊接头将内衬机械锁定到马氏体层能够充分有利于完全省掉粘合剂，而仅依靠通过该带搭叠的形成波纹方法获得的未来的摩擦锁定系统。
将可以认识到图9和图10中的构造在带的边缘提供了弧形部40，42，当它们完全接合时给成品提供了在连接线处的额外的加强材料层。当在内衬60自身的连接线处提供附加的材料时，附加的材料大大地增强了管的破裂强度。用附加层的主要原因在于这样的事实，即在内压下的拱肋主要由于管段的轴向延伸而受到最高的应力。拱肋在这种内压下变形，即在高度上减小并且变长，即展开。由于这种变形，所有的拱肋半径受到比平状部更高的应力。取决于位于弯曲部的内弧面或外弧面，这些应力可以是压缩的和拉伸的。在该位置布置附加的层使得该区域局部增强并且减小在该半径处的应力水平，这是因为拱肋已被局部加强。
现参考图11和12，将可以想到上述带可以通过使得预裁切的平带通过一对或多对成形辊70，72从而使得该带变形成上述的横截面轮廓来成型。该成型步骤可以在后续的缠绕操作之前有效地执行或者当执行缠绕过程时执行。如果采用之前的构造，那么带可以以其已预装载到运输盒74中的成型状态供应，该运输盒74专门成形以用于将来自于例如在钢厂中的加工站的带运输到要加工出成品的地点。该地点可以是在工厂中、邻近于使用地点或者实际上就在最终使用地点处。
图13示出了另一实施例，其中，一个或多个平状部中的拱肋90设在在结合的拱肋/扣榫部分18之间的其它平状部中。该图仅示出带的一个节距，并且读者将理解拱肋直径将在节距之间增加，从而允许拱肋落置在另一个的顶部上，如图13的上部分所示。平状部中的拱肋提供附加的柔韧性。
如图4中所示的成品管形件76的制造仅需采用现有技术已知的自搭叠螺旋缠绕方法。在该方法中，带10被这样卷绕，从而后续的层位于之前落置的层上，从而相应的弧形台阶部18如上图所示地一个安置在另一个中。弧形台阶部18实际上作为促进各接连的层准确地对准下方的层的引导件。适用于实施该制造方法的设备在此并未示出，但其可包括转动的缠绕头，该缠绕头具有通过上述的盒74供应到这里的带预成形横截面的带材源。作为替代，成形设备可以包括当带被缠绕成成品时用于形成想要的横截面轮廓的多个成形辊。这样的配置在现有技术里是已知的，因此在此不再做进一步详述。
将可以认识到，上述构造提供了耐用的螺旋缠绕管形件，其适用于可以在高于大气压的压力下存储或输送的腐蚀性材料或其它材料的存储或输送。实际上，因为低应力的制造过程使其自身可以使用高强度钢，例如回火马氏体；或其它高强度金属，例如高碳钢、钛和其它高性能材料。然而，人们将会认识到，本发明的构造可使用较低的或高延展性材料，例如铜、铝和低碳钢来生产带和管形件。
除了上述的，将可以认识到，通过提供呈具有总体上平缓的弧形轮廓的结合的拱肋和扣榫形式的扣榫台阶，可以减少并且可能消除与现有已知方法相关的应力。
此外，人们将可以理解，通过提供如上所述的拱肋/扣榫部分，可以使得带的边缘终止于脊状部分中，该脊状部分是增大的强度区域，而不是所述脊状部分之间的会形成薄弱区的区域。
重要的是要注意，在如上所示的构造中，尤其是图5至图10和图13中的构造中，一个或多个平状部中的拱肋(例如40，42)设置在结合的拱肋/扣榫部分18的一侧或多侧。
结合的拱肋/扣榫部的其它优点在于这样的事实，即它有助于带的落置或带的安置，且最终轮廓比单独的简单扣榫的构造更有柔韧性/柔顺性。
Claims (14)
1.一种管形件(10)，其包括由自搭叠螺旋缠绕材料构成的一条或多条带(12)，其中所述带包括在内部的第一直径D1处的第一平状部(41，54)、在外部的第二直径D2处的第二平状部(43，56)、和沿所述带(12)宽度W方向彼此间隔开的第一台阶部(16a)和第二台阶部(16b)；
其中所述第一台阶部(16a)位于所述第一和第二平状部(41，54，43，56)之间，且包括具有大于所述第二直径D2的外部直径D3和第一曲率半径(R5，R7)的弧形台阶(18a)；
其中所述第二台阶部(16b)位于所述第二平状部(43，56)的另一自由端处，且包括具有第二曲率半径(R6，R8)的弧形台阶(18b)；
其中，所述第二曲率半径(R6，R8)大于所述第一曲率半径(R5，R7)，从而允许所述第二台阶部搭叠到所述第一台阶部上。
2.根据权利要求1所述的管形件，其特征在于，所述带具有厚度T，并且各台阶部具有位于所述台阶和各直接相邻的平状部之间的连接部，其中所述连接部具有大于2T且优先为4T的曲率半径。
3.根据权利要求1或2所述的管形件，其特征在于，所述带包括在不同直径处的多个所述平状部、和多个所述台阶部，它们沿所述带的宽度彼此间隔开。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的管形件，其特征在于，该管形件包括在所述第一平状部上的所述带的边缘处的第一边缘部，其中该第一边缘部包括从第一平状部的平面径向向外延伸的弧形轮廓。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的管形件，其特征在于，所述第二台阶部包括在所述第二平状部上所述带的边缘处的第二边缘部，其中该第二边缘部包括从该第二平状部的平面径向向外延伸并且终止于大于该外部的第二直径D2的直径处的弧形轮廓。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的管形件，其特征在于，所述多个台阶部的曲率半径在所述带的该内部的直径与该外部的直径之间是增大的，从而允许外部台阶部搭叠在相应的内部台阶部上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的管形件，其特征在于，该管形件包括位于管形结构内的内衬部。
8.一种适合于形成根据权利要求1至7中任一项所述的螺旋缠绕管形结构的带，所述带包括在内部的第一直径D1处的第一平状部(41，54)、在外部的第二直径D2处的第二平状部(43，56)、和沿所述带(12)的宽度W彼此间隔开的第一台阶部(16a)和第二台阶部(16b)；
其中所述第一台阶部(16a)位于所述第一和第二平状部(41，54，43，56)之间，且包括具有大于所述第二直径D2的外部直径D3和第一曲率半径(R5，R7)的弧形台阶(18a)；
其中所述第二台阶部(16b)位于所述第二平状部(43，56)的另一自由端处，且包括具有第二曲率半径(R6，R8)的弧形台阶(18b)；
其中，所述第二曲率半径(R6，R8)大于所述第一曲率半径(R5，R7)，从而允许所述第二台阶部搭叠到所述第一台阶部上。
9.根据权利要求8所述的带，其特征在于，所述带具有厚度T，并且各台阶部具有位于所述台阶和各直接相邻的平状部之间的连接部，其中所述连接部具有大于2T且优先为4T的曲率半径。
10.根据权利要求8或9所述的带，其特征在于，所述带包括在不同直径处的多个所述平状部、和多个所述台阶部，它们彼此沿所述带的宽度间隔开。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的带，其特征在于，该带包括在所述第一平状部上的所述带的边缘处的第一边缘部，其中该第一边缘部包括从该第一平状部的平面径向向外延伸的弧形轮廓。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的带，其特征在于，所述第二台阶部包括在所述第二平状部上所述带的边缘处的第二边缘部，其中该第二边缘部包括从该第二平状部的平面径向向外延伸并且终止于大于该外部的直径D2的直径处的弧形轮廓。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的带，其特征在于，该多个台阶部的曲率半径在所述带的该内部的直径与该外部的直径之间是增大的，从而允许外部台阶部搭叠在相应的内部台阶部上。
14.一种容纳根据权利要求8至13中任一项所述的带的卷的盒。
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