CN104266006A

CN104266006A - 一种带加强环的螺旋钢管及其制作方法

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Publication number: CN104266006A
Application number: CN201410477708.6A
Authority: CN
Inventors: 战福军
Original assignee: Nanjing Lianzhong Construction Engineering Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Lianzhong Engineering Technology Co ltd
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2034-09-18
Also published as: CN104266006B; WO2016041290A1

Abstract

本发明公开了一种带加强环的螺旋钢管及其制作方法，钢管包括由主钢带螺旋卷绕形成的螺旋管体，该螺旋管体相邻主钢带之间形成螺旋状接缝，加强环以螺旋方式卷绕扣合设于螺旋管体的外壁或内壁，以及螺旋状接缝处，所述加强环由窄钢带弯曲形成断面为圆弧状、方形或梯形。该加强环能增强管道整体的环向强度，管体厚度可以减薄一半以上，大大节约了成本，同时，管道周向断面惯性矩成几何倍数提高，比一般的加强方式提高很多，如此解决了大直径钢管特别是直径大于4米时的钢管生产时的变形问题，可以制作出超大直径(10米或10米以上)的钢管。同时螺旋钢管相邻管节之间形成的螺旋状接缝可通过加强环包裹起来，加强了接缝处的泄漏保护。

Description

一种带加强环的螺旋钢管及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种钢管，尤其涉及一种带加强环的螺旋钢管及其制作方法。

背景技术

目前有钢筋混凝土管道、塑料管道和钢质管道等多种管道，但上述管道的直径都不能太大，例如，钢筋混凝土管道直径超过2米时就很难制作，长度也不能太长，管体笨重，施工困难，易泄露，介质压力也不能太大，不可以用作压力管道使用；塑料管道的弹性模量小，做大口径管道使用时，环向刚度不能满足要求，也不能用作压力管道；钢质管道在口径太大时，为了满足最基本的抗压扁强度，也就是环向刚度时，就必须增加钢板厚度，成本很高，并且口径不能太大，当直径超过4米时，在重量影响下，生产时管道就可能变形，不易加工。当管道埋地时，超大口径管道很难抵抗两侧回填产生的压力。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种直径超大、管壁薄、环向刚度增加、对相邻管节的接缝有保护作用的带加强环的螺旋钢管；本发明的第二目的是提供该螺旋钢管的制作方法。

技术方案：本发明所述的螺旋钢管，包括由主钢带螺旋卷绕形成的螺旋管体，该螺旋管体相邻主钢带之间形成螺旋状接缝，加强环以螺旋方式卷绕扣合设于螺旋管体的外壁或内壁，以及螺旋状接缝处，所述加强环由窄钢带弯曲形成断面为圆弧状、方形或梯形。

其中，所述加强环形成的空腔内填充混凝土。

本发明所述带加强环的螺旋钢管的制作方法，包括如下步骤：

首先，预备用于制作螺旋管体的主钢带和用于制作加强环的窄钢带；

其次，将窄钢带弯曲形成断面为圆弧状、方形或梯形的加强环，并将至少一条加强环纵向扣合在主钢带上，该主钢带以螺旋方式卷绕形成外壁或内壁带有加强环的螺旋钢管，其中，所述加强环一侧纵向扣合在主钢带的边缘处，另一侧悬空露在主钢带外；当该主钢带卷绕形成螺旋钢管时，螺旋管体相邻主钢带之间形成螺旋状接缝，悬空露在主钢带外侧的加强环扣合在该螺旋状接缝处。

所述加强环形成的空腔内填充混凝土。

所述主钢带上纵向并列扣合三条加强环。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、螺旋钢管管壁上的加强环能够增强管道整体的环向强度，管体厚度可以减薄一半以上，大大节约了成本，同时，管道周向断面惯性矩成几何倍数提高，比一般的加强方式提高很多，如此解决了大直径钢管特别是直径大于4米时的钢管生产时的变形问题，可以制作出超大直径(10米或10米以上)的钢管。

2、加强环的高度、宽度以及在管壁上的间距可以调整，使用时可以充分利用管土效应，周向力大部分由加强环承受，减少了管壁受力；管道埋地时，可以在加强环形成的空腔内填充高强度混凝土，巧妙利用混凝土钢管原理、钢管混凝土拱桥原理、管土共同受力产生管土效应原理和钢波纹管式公路涵洞的管壳效应原理，充分发挥混凝土的抗压优势，让混凝土代替钢结构承受压应力，保护管体内壁，而加强环腔体又对混凝土起了环向包裹作用，防止腔体内的混凝土柱体在受压时产生失稳等破坏，在埋地施工时，这本发明的钢管可以经受两侧的回填土对管侧的压力，钢管内壁不易变形。

3、在制作过程中，加强环与钢管壁可以同时加工成型；同时，钢管管壁的材质与加强环的材质可根据实际需要进行选择，特别是钢管管壁为特殊材料或者贵重金属时，加强环可选择其它材质，从而可以大大节约管体钢材的用量。

4、螺旋钢管相邻管节即主钢带之间形成的螺旋状接缝可通过加强环包裹起来，加强了接缝处的泄漏保护。同时，将空心的加强环与钢管形成空腔的两端堵住，形成密闭空腔，从加强环表面开一小孔，注水进行试压和检漏，如此容易对焊缝进行试压及检漏；而目前的大口径管，需要将管道两端端口封堵起来进行试压及检漏，注水量大，注水及放水时间长，试压工装体积太大，设备复杂，浪费大量的人力、物力和时间。

5、本发明的钢管在外壁上设置加强环时，内壁光滑，水流阻力小；在内壁上设置加强环时，可用于地铁枕木或地下管线等。

附图说明

图1为窄钢带摆放位置的结构示意图；

图2为窄钢带弯曲压制成圆弧状的结构示意图；

图3为主钢带焊接圆弧状窄钢带后的结构示意图；

图4为带加强环(空心)的主钢带进入三辊卷圆装置的结构示意图；

图5为本发明钢管成型过程中的三维示意图；

图6为图5的局部放大图；

图7为钢管成型后螺旋状焊缝所在位置的结构示意图；

图8为本发明钢管整体结构示意图；

图9为图8的A向三维示意图；

图10为在加强环的空腔内加填混凝土的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1-3所示，根据所制作的螺旋焊接钢管的直径，将螺旋管整型机的成型角调节为合适值。将窄钢带5经过放卷、矫平、修边等工序后，按图1所示位置排列，本实施例中，窄钢带5摆放在主钢带1下方，由此可制作出外壁带加强环的螺旋钢管，如果窄钢带5放置在主钢带1上方，则可制作出内壁带加强环的螺旋钢管。窄钢带5再经过弯曲机构，弯曲成断面为圆弧状(本实施例，当然还可以为梯形、方形等)的加强环4，如图2所示。然后将加强环4上移，与主钢带1贴合，将加强环4的两端与主钢带1接触的部分焊接在一起，如图3所示，其中本实施例为每个主钢带1上纵向平行设置3个窄钢带5(窄钢带5的数目根据实际情况确定)，其中，一个加强环一侧7纵向扣合在主钢带1的边缘处，另一侧8悬空露在主钢带1外(如图7所示)；当该主钢带1卷绕形成螺旋管体2时，螺旋管体相邻主钢带之间形成螺旋状接缝3，悬空露在主钢带外侧的加强环4扣合在该螺旋状接缝3处。

再将图3所示的带有加强环4的主钢带板材送入三辊卷圆装置中，如图4、5所示，按照一定的螺旋角，卷制成外壁带螺旋空心加强环、内壁光滑的螺旋焊接钢管。在成型的同时对自身形成的螺旋状焊缝3进行焊接，再将带有空心的加强环在卷圆成型后未焊接的一端(如图6、7所示)与螺旋钢管焊接，将螺旋状焊缝3包裹起来。如此制作出的螺旋焊接钢管的三维示意图如图8、9所示。制作的螺旋钢管，包括由主钢带1螺旋卷绕形成的螺旋管体2，该螺旋管体相邻主钢带之间形成螺旋状接缝3，加强环4以螺旋方式卷绕扣合设于螺旋管体的外壁或内壁，以及螺旋状接缝处，所述加强环由窄钢带5弯曲形成断面为圆弧状、方形或梯形。图中只是螺旋焊接钢管的一部分，可以制作出多段焊管，对接成需要的长度。当为埋置式或半埋置式管道，可在空心的加强环空腔管内填高强度的混凝土6，如图10所示。

下面对本发明螺旋钢管的机械性能进行测算。

(1)普通螺旋焊接钢管强度计算

根据普通流体输送管道用螺旋缝埋弧焊钢管标准SY/T5037-2000，根据类推法(

T_{c} = \frac{{PD}_{0}}{2 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)}

)得出：

当D₀＝3m时，壁厚最小为18.9mm；

当D₀＝4m时，壁厚最小为25.2mm；

当D₀＝6m时，壁厚最小为37.8mm；

当D₀＝8m时，壁厚最小为50.39mm；

当D₀＝10m时，壁厚最小为63mm。

先计算D₀＝3m时普通螺旋焊接钢管的强度：

a、设计载荷

动载荷LL：填土高度为6m时，LL＝5.92KN/m²

静载荷DL：DL＝ωH＝20KN/m³×6＝120KN/m²

b、设计压力P_V

当填土高度H>D₀时，P_V＝K(DL+LL)＝0.75×(120+5.92)＝94.44kPa

c、强度

环向应力：C＝P_V×S/2＝94.44×3/2＝141.66KN/m

当回填土体的压实度达到90％的压实标准时，最小屈服应力(极限压应力f_b)为230MPa，极限应力f_c为：

f_c＝f_b/2＝230/2＝115MPa

d、强度校核

根据设计要求，必须使得设计应力P_c≦f_c，而环向压力C和设计应力P_c有如下关系，即：

P_C＝C/A＝141.66/1.89＝7.5MPa<115MPa；

故直径D₀＝3.0m，普通螺旋焊接钢管在6m填土高度荷载作用下能够满足截面强度要求。

当直径D₀＝4米、6米、8米、10米的计算过程同上，计算结果见表1。

表1

上表结果表示，本发明的螺旋钢管在上述条件下能够满足截面强度要求。

(2)当承受与普通螺旋焊接钢管相同压力时，本发明钢管的综合壁厚：

T_{c} = \frac{{PD}_{0}}{60 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)};

式中：T_c——本发明钢管的综合壁厚；P——设计压力，表压，MPa；D₀——钢管外径，mm；[σ]^t——许用应力，MPa；E_j——焊缝质量系数，对于螺旋钢管，取0.85；Y——系数，取0.4。其中，综合壁厚是指管壁与加强环相加的平均厚度。

当D₀＝3m时，P＝7.5MPa，[σ]^t＝115MPa，E_j＝0.85，Y＝0.4

T_{c} = \frac{{PD}_{0}}{60 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)} = (7.5 \times 3000) / [60 \times (115 \times 0.85 + 0.4 \times 0.75)] = 3.72 mm

当D₀＝4米、6米、8米、10米时，计算过程同上，计算结果以及与普通螺旋焊接钢管壁厚相比较数据见表2。

表2

直径/mm	普通螺旋钢管壁厚/mm	本发明钢管综合壁厚/mm
			3000	18.9	3.72
4000	25.2	4.96
			6000	37.8	5.74
8000	50.39	7.65
			10000	63	9.56

上表结果表示，在受力相同的情况下，本发明钢管的壁厚比普通螺旋焊接钢管明显减薄。

(3)a、设本发明主管壁承受1/3P_C时，主管壁的壁厚为：

δ = \frac{{PD}_{0}}{40 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)};

式中：δ——主管壁壁厚，mm；P——设计压力，表压，MPa；D₀——钢管外径，mm；[σ]^t——许用应力，MPa；E_j——焊缝质量系数，对于螺旋钢管，取0.85；Y——系数，取0.4。其中，主管壁是指螺旋钢管管体的管壁厚度。

当D₀＝3m时，P＝1/3P_C＝2.5MPa，[σ]^t＝115MPa，E_j＝0.85，Y＝0.4，

δ = \frac{{PD}_{0}}{40 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)} = (2.5 \times 3000) / [40 \times (115 \times 0.85 + 0.4 \times 2.5)] = 1.90 mm;

当D₀＝4m时，P＝1/3P_C＝2.5MPa，[σ]^t＝115MPa，E_j＝0.85，Y＝0.4，

δ = \frac{{PD}_{0}}{40 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)} = (2.5 \times 4000) / [40 \times (115 \times 0.85 + 0.4 \times 2.5)] = 2.53 mm;

当D₀＝6m时，P＝1/3P_C＝1.91MPa，[σ]^t＝115MPa，E_j＝0.85，Y＝0.4，

δ = \frac{{PD}_{0}}{40 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)} = (1.91 \times 6000) / [40 \times (115 \times 0.85 + 0.4 \times 1.91)] = 2.91 mm;

当D₀＝8m时，P＝1/3P_C＝1.91MPa，[σ]^t＝115MPa，E_j＝0.85，Y＝0.4，

δ = \frac{{PD}_{0}}{40 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)} = (1.91 \times 8000) / [40 \times (115 \times 0.85 + 0.4 \times 1.91)] = 3.88 mm;

当D₀＝10m时，P＝1/3P_C＝1.91MPa，[σ]^t＝115MPa，E_j＝0.85，Y＝0.4，

δ = \frac{{PD}_{0}}{40 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)} = (1.91 \times 10000) / [40 \times (115 \times 0.85 + 0.4 \times 1.91)] = 4.84 mm .

b、验证当加强环承受2/3P_C时，加强环的壁厚为

δ = \frac{{PD}_{0}}{30 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)};

式中：δ——加强环壁厚，mm；P——设计压力，表压，MPa；D₀——加强环内径，mm；[σ]^t——许用应力，MPa；E_j——焊缝质量系数，对于本发明的螺旋钢管，取1；Y——系数，取0.4。

当D₀＝3m时，P＝2/3P_C＝5MPa，[σ]^t＝115MPa，E_j＝1，Y＝0.4，

δ = \frac{{PD}_{0}}{30 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)} = (5 \times 3000) / (30 \times 115 + 30 \times 0.4 \times 5) = 4.27 mm;

当D₀＝4m时，P＝2/3P_C＝5MPa，[σ]^t＝115MPa，E_j＝1，Y＝0.4，

δ = \frac{{PD}_{0}}{30 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)} = (5 \times 4000) / (30 \times 115 + 30 \times 0.4 \times 5) = 5.70 mm;

当D₀＝6m时，P＝2/3P_C＝3.83MPa，[σ]^t＝115MPa，E_j＝1，Y＝0.4，

δ = \frac{{PD}_{0}}{30 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)} = (3.83 \times 6000) / (30 \times 115 + 30 \times 0.4 \times 3.83) = 6.57 mm;

当D₀＝8m时，P＝2/3P_C＝3.83MPa，[σ]^t＝115MPa，E_j＝1，Y＝0.4，

δ = \frac{{PD}_{0}}{30 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)} = (3.83 \times 8000) / (30 \times 115 + 30 \times 0.4 \times 3.83) = 6.61 mm;

当D₀＝10m时，P＝2/3P_C＝3.83MPa，[σ]^t＝115MPa，E_j＝1，Y＝0.4，

δ = \frac{{PD}_{0}}{30 ({[σ]}^{t} E_{j} + YP)} = (3.83 \times 10000) / (30 \times 115 + 30 \times 0.4 \times 3.83) = 10.96 mm .

直径/mm

当受力为2/3P_C时，加强环壁厚/mm

综合受力时，加强环壁厚/mm

3000	4.27	5.54
			4000	5.70	7.39
6000	6.57	8.57
			8000	6.61	11.42
10000	10.96	14.28

表3

上表结果表示，当主管壁受力1/3P_C、加强环受力2/3P_C的预设是合理的。

(4)钢管重量计算

根据公式：普通钢管重量＝(直径-壁厚)*壁厚*0.02466*长度，设钢管长100米，当D₀＝3m时，重量＝(3000-18.9)×18.9×0.02466×100/1000＝138.94t；

根据公式：本发明的钢管重量＝(直径-壁厚)*壁厚*0.02466*长度*1.2，设钢管长100米，当D₀＝3m时，重量＝(3000-3.72)×3.72×0.02466×100×1.2/1000＝32.98t。

D₀＝6米、8米、10米的计算过程同上，计算结果以及与普通螺旋焊接钢管重量相比较数据见表4。

表4

直径/mm	普通螺旋焊接钢管重量/t	本发明钢管重量/t
			3000	138.94	32.98
4000	247.01	58.64
			6000	555.77	101.82
8000	987.83	180.93
			10000	1543.79	282.63

上表结果表示，与普通螺旋钢管相比，本发明钢管的重量明显减轻。

(5)本发明施工刚度的验算

根据美国AISI标准相关规范，用柔度系数验证施工刚度，柔度系数FF＝D²/EI，应满足FF≦0.114，

式中：E——柔性模数，E＝20×10⁴MPa；D——直径；I——惯性矩

当D分别为3米、4米、6米、8米和10米时，计算钢管的柔度系数，结果见表5。

表5：

上表结果表示，本发明的螺旋钢管柔度系数FF均小于0.114，满足施工要求。

(6)当水压达到0.5MPa时，，本发明钢管主管壁的厚度承压能力的验算

根据公式：

式中：δ——主管壁厚度，mm；P——管内介质压力，MPa；D——管子外径，mm；——焊缝系数，螺旋缝焊接钢管[σ]——管材的许用应力MPa。其中，主管壁是指螺旋钢管管体的管壁厚度。

当D₀＝3m时，δ＝0.5×3000/(20×115×0.6+0.5)＝1.09mm

当D₀＝4m时，δ＝0.5×4000/(20×115×0.6+0.5)＝1.45mm

当D₀＝6m时，δ＝0.5×6000/(20×115×0.6+0.5)＝2.17mm

当D₀＝8m时，δ＝0.5×8000/(20×115×0.6+0.5)＝2.90mm

当D₀＝10m时，δ＝0.5×10000/(20×115×0.6+0.5)＝3.62mm

当本发明的钢管分别承受外压(见计算过程(3)，钢管主管壁承受1/3P_C)和内压时，主管壁壁厚数据如表6所示。

表6

由上表可知，当本发明的钢管承受内压时，其壁厚满足要求。

Claims

1.一种带加强环的螺旋钢管，其特征在于：包括由主钢带(1)螺旋卷绕形成的螺旋管体(2)，该螺旋管体(2)相邻主钢带之间形成螺旋状接缝(3)，加强环(4)以螺旋方式卷绕扣合设于螺旋管体(2)的外壁或内壁，以及螺旋状接缝(3)处，所述加强环(4)由窄钢带(5)弯曲形成断面为圆弧状、方形或梯形。

2.根据权利要求1所述的螺旋钢管，其特征在于：所述加强环(4)形成的空腔内填充混凝土(6)。

3.根据权利要求1所述带加强环的螺旋钢管的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

首先，预备用于制作螺旋管体(2)的主钢带(1)和用于制作加强环(4)的窄钢带(5)；

其次，将窄钢带(5)弯曲形成断面为圆弧状、方形或梯形的加强环(4)，并将至少一条加强环(4)纵向扣合在主钢带(1)上，该主钢带(1)以螺旋方式卷绕形成外壁或内壁带有加强环(4)的螺旋钢管，其中，所述加强环(4)一侧纵向扣合在主钢带(1)的边缘处，另一侧悬空露在主钢带(1)外侧；当该主钢带(1)卷绕形成螺旋钢管时，螺旋管体(2)相邻主钢带之间形成螺旋状接缝(3)，悬空露在主钢带(1)外侧的加强环(4)扣合在该螺旋状接缝(3)处。

4.根据权利要求3所述带加强环的螺旋钢管的制作方法，其特征在于：所述加强环(4)形成的空腔内填充混凝土(6)。

5.根据权利要求3或4所述带加强环的螺旋钢管的制作方法，其特征在于：所述主钢带(1)上纵向并列扣合三条加强环(4)。