CN102834242B - 在管的制造中使用的中空型材 - Google Patents

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Abstract

一种在螺旋缠绕的双壁热塑性材料管的制造中使用的中空型材(1)，该中空型材具有基本上矩形的横截面，两个侧壁(5)和外壁(3)以及内壁(4)在其中限定了腔(2)。在中空型材中，用于形成管的内壁(4)的壁比用于形成管的外壁(3)的中空型材的壁(3)更厚。邻近中空型材的较厚的壁(4)的边缘的内圆角半径(7)远大于腔(6)的两个其它边缘的圆角半径(6)，且较厚的壁(4)的内侧表面包括在形成管的内侧的型材的一侧上的肋条(8)，肋条(8)在型材的中空腔中延伸，沿着型材的纵向方向，至少基本上沿型材的整个长度。

Description

在管的制造中使用的中空型材
技术领域
本发明涉及热塑性材料型材及其制造方法。具体而言，本发明关于具有基本上为矩形的横截面的中空热塑性材料型材，该型材在螺旋缠绕（spirally wound）的双壁热塑性材料管的制造中使用。还描述了一种制造此种型材的方法，以及制造由中空型材构成的螺旋缠绕的双壁热塑性材料管的方法。
背景技术
在商业上称为Weholite的类型的双壁热塑性材料管的制造中，中空型材围绕对应于管的内径的圆筒等螺旋缠绕，且中空型材的相邻环焊接在一起来形成管的圆柱形壁。
以所述方式制造的管重量轻，且相比于使用相同的材料量制造的实心管，呈现出了良好的环压挺度，且双壁结构将给予管良好的绝热性质。
常规螺旋缠绕的管的制造中使用的中空型材具有基本上为矩形的横截面。通常，以相同尺寸的圆角半径使矩形的所有边缘圆整，且中空型材的各个壁均具有大致相同的厚度。为了产生在焊接之后具有均匀厚度的管壁，联结在一起的型材的壁必须很直，且具有相同的高度，这不可避免地导致矩形横截面。型材中的孔应当沿着外横截面的轮廓，以便最大限度地减少材料的使用。
主要旨在用于流体的无压输送的这些管的以上壁结构优化成用以对抗外部载荷，如土载荷、地下水和交通载荷，但它们并非旨在用于管中的内部压力升高的应用。升高的内部压力可能破坏管的壁。
国际专利申请No.WO2004/076903公开了一种尤其为了在较低或中等的压力下引导流体而开发的以上基本结构的实施例。提出的解决方案包括一种中空型材结构，其中邻近中空型材的较厚的壁的边缘的内圆角半径远大于腔的两个其它边缘的圆角半径。此外，中空型材的壁的厚度在该壁的中间区段中最小，且厚度朝邻近该壁的两个中空型材侧边缘逐渐地增大。
公知的型材提供了管的强度的改善，以便经得起内部压力，但应力峰值设定在对于管的制造和长期使用而言并非最佳的点上。即，应力峰值设定在内壁的中间处和型材的环之间的焊缝处。因此，这并不是问题，但焊缝总是会造成材料中的间断性，由此，因此而引起的切口系数尤其是在末端变化的载荷下可引起结构破坏和损坏的风险。通常，变化的载荷涉及不同种类的振动。例如，对于管，变化的载荷可通过在相对较长时间内的压力的变化或通过泵送引起的快速变化而引起。焊缝还可包括小裂纹或杂质，小裂纹或杂质可提供用于裂纹在材料中发展的起始点(基点)。出于以上原因，结构设计中的主要原则在于创造出用于该结构的这种形状和尺寸，其设计成使得应力点或应力峰值远离结构的任何间断部。例如，由于必须同时地考虑材料的使用、结构的整体可用性和最终产品的重量，因此这可能被证明是很难的。然而，当弹性材料用于制作管时，材料的弹性吸收裂纹基点周围的一些应力，由此它们较不易于形成可导致结构损坏的传播裂纹。在任何情况下，无论使用何种材料，都最好是将结构设计成最高应力位于材料尽可能一致和均匀的区域上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种备选的型材结构，该结构可用于构造螺旋缠绕的管壁，该管壁适用于引导非加压流体和处于达到大约2bar或甚至达到3bar的压力下的加压流体。
本发明基于提供一种具有大体上矩形的横截面的中空型材的构想，其中在型材的中空腔中，在形成管的内侧的型材的一侧上，在型材的纵向方向上呈现出至少基本上沿型材的全长延伸的突起。因此，在横截面中，型材在矩形横截面的下方的内侧上具有肋条，该肋条大体上朝矩形的中间延伸。肋条具有小于型材的总宽度的50%的侧向延伸。
所指出的种类的型材可通过挤出型材来产生，型材通过具有模和心轴的挤出机模头挤出，所述模和心轴均具有环形横截面，其中模的内部形状限定型材的外横截面，而心轴的外横截面限定型材的内横截面，即，腔的横截面的形状。心轴包括具有一定尺寸的凹槽，该尺寸对应于型材的腔中的突起的尺寸。
出于上述原因，型材的外横截面以及内横截面为矩形。
作为优选，不包括肋条的中空型材的三个壁可具有彼此相等的厚度。
用于制造具有1200mm的内径的管的中空型材的较厚的壁的最小厚度与其它壁的厚度的比例优选为120:77，且邻近较厚的壁的边缘的内圆角半径优选为24mm。
通过本发明将实现显著优点。型材的腔中的肋条以相比于任何先前的型材完全不同的方式分布应力。现在，在管道结构上进行的仿真示出了最大应力峰值位于肋条的根部旁边，且减小了焊缝处的应力水平。这增大了在静载荷下结构的强度，并增大了在可变载荷下的可靠性和强度。现在，最大应力位于已经通过连续挤出产生的材料的区段上。在连续挤出中，可保持制造参数和制造条件恒定且尽可能接近最佳，由此产生的材料具有均质结构，且可能作为裂纹的基点的材料缺陷能够被保持为最小。另外，最高应力的区域位于型材的腔处。这提供了额外的安全性，因为在内壁破裂的罕见情况下，外壁完好且可坚持足够久，以便可避免在管中输送的材料的溢出。
管的内表面可焊接成平滑的，由此可实现良好的抗压性，因为减小了焊缝的切口系数。在此情况下，接头和配件的制造也很容易，因为它们可更容易地适配在平滑表面上。
本发明优选地结合WO2004/076903中描述的圆整的内边缘使用。
附图说明
在下文中，参照包含的附图描述了本发明，在附图中：
图1示出了根据本发明的一个实施例并且以横截面示出了包括载荷下的应力水平的管的区段的图。
图2为图1中所示的管的区段的横截面的另一视图。
图3示出了使用第一焊接方法的管区段的一个实施例。
图4示出了使用另一焊接方法的管区段的一个实施例。
具体实施方式
对于用于中空型材的材料，可以使用可挤出的热塑性材料，如聚烯烃，优选为HD-聚乙烯或聚丙烯。通过用填料和/或增强剂使热塑性材料改性，实现了与改善的环压挺度性质组合的改善的抗压性质。一些标准要求在加压系统中使用压力额定的PE等级。当前，欧洲和亚洲允许PE80或PE100材料，且北美允许例如PE3408。
举例来说，本文所述的管为适合大量客户的要求的典型实例。尺寸的目标为：大小达到内径1200mm、最大压力2bar，且管壁结构中的最大应力水平为5MPa。
图1示出了根据本发明的一个实施例的由型材制成的管的区段的横截面。相邻型材1之间的接缝并未清楚地可见，但接缝位于型材1的两个腔2之间的壁的中间。型材的横截面为矩形，具有两个较长的壁(外壁3和内壁4)和两个侧壁5，它们联结在一起形成管。如可从图中看到的那样，型材的所有壁3和5均具有大致相同的厚度，且其中空腔2的所有边缘被圆整。例如，对于制造1200mm的内径的螺旋缠绕的倾斜管，可使用这种类型的中空型材1，该型材1的横截面的外部宽度为93.8mm，而外部高度为75mm。
根据本发明的中空型材1使得能够制造螺旋缠绕的管，该管好得多地抵抗内部压力。旨在形成螺旋缠绕的管的内壁的根据本发明的中空型材的壁4相比于中空型材的其它壁3和5，具有实质上更大的厚度，而邻近内壁4的中空空间4的边缘的圆角半径7远大于两个其它边缘6的圆角半径。根据一个有利的实施例，壁4的厚度在其全部宽度上不是恒定的。内壁具有在壁4的中间的肋条8。肋条8朝腔2的内部延伸，且其尺寸使得其宽度小于型材的侧壁5的内侧之间的距离的一半，且小于内壁4的最小厚度。换言之，位置指向管道的内侧的壁的表面之间的距离小于内壁4的最小直径的两倍。肋条8轮廓确定为具有平滑的圆形横截面，圆形横截面联结内壁4来作为平滑斜坡，以便最大限度地减小切口系数。厚度在凸脊与侧壁5的中间最小，且厚度朝邻近侧壁5的中空型材的两个边缘逐渐地增大，以便中空型材1的腔在该加厚的壁2处具有大致波形的横截面。对于制造1200mm的内径的螺旋缠绕的管，加厚的壁4的最小厚度可为12mm，而中空型材1的其它壁3和5具有7.7mm的厚度。在邻近内壁4的中空空间2的边缘处的圆角半径7处于其最小的24mm。
为了与WO2004/076903的中空型材相比较，已经使用了FEM-计算和压力测试分析了根据本发明的管区段。图1和图2中的线绘出了由此获得的应力水平。在内部压力下的最高应力存在于内壁4上的肋条8的旁边。用参考标号9(图2)标记该区域。标记为10的焊缝区域上的应力减小至5MPa，这是本发明的原始目标。最高应力水平也已经从接缝区域转移。当研究管区段的外表面时，接缝区域(标记为11,12)处的该应力水平较低，而焊接的分隔壁5,5内侧的应力13在较大的区域上扩散，且减少了点状应力。如从结果中所示的那样，借助于根据本发明的中空型材实现了相对于管的抗压性质的显著改善。
图3和图4示出了由根据本发明的型材制成的两种不同种类的管区段。必须注意的是，管一般制造为整个管而非区段，且仅出于说明的目的在本文中示出这些区段。在图3中，接缝14以用于制作这些种类的管的普通方式焊接。在此解决方案中，两个平行的凹槽15形成在接缝14的各侧上。因此，凹槽为壁中的最弱点，因为它们在加压的壁中形成了应力峰值。然而，如果适当地确定管的尺寸，则凹槽就不是风险。图4中描述了更为优选的实施例。
图3中还示出的一个特征为型材在待制造的管的内表面和外表面处仅部分地焊接在一起。由于应力位于结构的表面上或结构的表面附近，故在整个深度上焊接接缝是不必要的。图4中的焊缝14在焊接区域16上为平坦的，从而提供了平滑的均匀表面。由于肋条造成不同的应力分布，故这是可能的。当使焊接部平滑时，可确保的是，应力峰值在肋条8旁边的型材的内壁处，且不在最高压力所处的型材的外壁处。平滑表面使得更容易在管上实现固定和连接。

Claims (7)

1.一种在螺旋缠绕的双壁热塑性材料管的制造中使用的中空型材(1)，所述中空型材具有矩形的横截面，两个侧壁(5)和外壁(3)以及内壁(4)在所述中空型材内限定了腔(2)，用于形成所述管的内壁的所述中空型材的内壁(4)比用于形成所述管的外壁的所述中空型材的外壁(3)更厚，其特征在于，
邻近较厚的所述中空型材的内壁(4)的边缘的内圆角半径(7)远大于腔(2)的两个其它边缘的圆角半径(6)，
较厚的所述中空型材的内壁(4)的内表面包括在形成所述管的内侧的所述型材的一侧上的肋条(8)，所述肋条(8)在所述型材的中空腔中延伸，沿着所述型材的纵向方向，至少沿所述型材的整个长度，
形成所述管的内壁的所述中空型材的内壁(4)的厚度在所述中空型材的内壁(4)的中间部分的所述肋条(8)处最大，并且朝定位成邻近所述中空型材的内壁(4)的所述中空型材(1)的两个侧边缘逐渐地增加，所述中空型材的内壁(4)的最薄部分在所述肋条(8)与所述边缘之间。
2.根据权利要求1所述的中空型材(1)，其特征在于，所述肋条具有小于所述中空型材的内壁(4)的最小厚度的两倍的高度。
3.根据权利要求2所述的中空型材(1)，其特征在于，所述肋条(8)的宽度小于所述型材的侧壁(5)的内侧之间的距离的一半，且小于所述中空型材的内壁(4)的最小厚度。
4.根据权利要求1所述的中空型材(1)，其特征在于，所述中空型材(1)由可挤出的热塑性材料制成。
5.根据权利要求4所述的中空型材(1)，其特征在于，所述中空型材(1)由聚烯烃制成。
6.根据权利要求5所述的中空型材(1)，其特征在于，所述中空型材(1)由PE-HD或聚丙烯制成。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的中空型材(1)，其特征在于，所述热塑性材料用填料和/或增强剂改性，以便进一步改善抗压性质和环压挺度性质。
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