CN109140059B - 中空壁管材及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管材领域，特别涉及一种中空壁管材及其制造方法。本发明包括内层、外层以及中空增强层，中空增强层由直线形型材在内层和外层之间螺旋缠绕而成，直线形型材包括方形单壁波纹管以及包覆层，方形单壁波纹管的四个壁沿轴向方向均呈波峰和波谷依次交替设置的波纹结构，方形单壁波纹管四个壁的波峰位置和波谷位置均相对应，方形单壁波纹管四个壁的连接处均采用圆角进行过渡连接，波峰和波谷的连接处采用圆角进行过渡连接。该管材在受外力和高温时不易变形，具有更优良的抗压强度、抗破坏性和环刚性；该制造方法熔接强度高，不仅避免出现现有冷态缠绕管材极易断裂的现象，而且操作简便、工艺稳定、可任意生产超大口径管材。
Description
技术领域
本发明涉及管材领域，特别涉及一种中空壁管材及其制造方法。
背景技术
目前排水排污管领域的管材一般为HDPE双壁波纹管或普通HDPE中空壁管等，其中HDPE双壁波纹管存在如下的缺点：1、HDPE双壁波纹管材质较软，弯曲模量低，一般为800MPa左右，造成管材环刚度偏低，一般为8KN/m2；2、管材表面为波纹状，与土壤摩擦力，无法应用于非开挖施工领域；3、管材接头处强度差，造成连接强度不够，易渗漏；4、管材环柔性差，一般为压至管径30％左右的变形量时产生破裂；5、HDPE双壁波纹管目前口径规格普通偏小，无法生产超过DN1500mm管材，无法满足市场对于大口径管材需求。
普通HDPE中空壁管存在如下的缺点：1、管材由一预制好的实壁型材经再加热通过粘胶剂拼接起来，实壁型材为冷态，虽经再加热，但焊接强度仍较差，易因此造成管材纵向断裂，同时因此原因，冷态的实壁型材的弯曲残余应力较大，在管材后期的存放、搬运、安装和使用过程中，受到外力时容易产生应力释放，从而造成管材破坏，并且因为应力问题，也不利于管材的长期使用寿命；2、管材重量较重，成本高，施工效率差；3、管材环刚度较低，一般不超过8KN/m2；4、管材只有内壁和外壁两层，相对而言，受外力冲击时抗破坏性差；5、管材环柔性差，一般为压至管径30％左右的变形量时产生破裂。
总体来说，目前行业中现有的排水排污管材普通存在的问题主要就是：1、管材环刚度偏低；2、焊接(或称熔接或复合)强度差；3、残余应力大，特别是冷态缠绕类管材，尤以大口径管材为甚，造成管材在后期在受外力作用时因应力释放而破坏，并大幅缩短管材使用寿命；4、成本高管材重量普通较重，材料用量大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中空壁管材及其制造方法，该管材的中空增强层由方形单壁波纹管和包覆于方形单壁波纹管外周的包覆层螺旋缠绕而成、方形单壁波纹管的四个壁沿轴向方向均呈波峰和波谷依次交替设置的波纹结构，使得管材在受外力和高温时不易变形，具有更优良的抗压强度、抗破坏性和环刚性；该制造方法采用热态缠绕将各层复合在一起，熔接强度高，不仅避免出现现有冷态缠绕管材极易断裂的现象，而且操作简便、工艺稳定、可任意生产超大口径管材。
本发明是这样实现的：
方案(一)：
一种中空壁管材，其特征在于：包括内层、外层以及设置于内层和外层之间的中空增强层，所述中空增强层由直线形型材在内层和外层之间螺旋缠绕而成，所述直线形型材包括方形单壁波纹管以及包覆设置于方形单壁波纹管外周的包覆层，所述方形单壁波纹管的四个壁沿轴向方向均呈波峰和波谷依次交替设置的波纹结构，方形单壁波纹管四个壁的波峰位置和波谷位置均相对应，方形单壁波纹管四个壁的连接处均采用圆角进行过渡连接，所述波峰和波谷的连接处采用圆角进行过渡连接。
优选的，所述方形单壁波纹管的截面为正方形或长方形，所述方形单壁波纹管的高度为波纹结构的高度的8～12倍，所述波峰宽度为波谷宽度的1～2倍，所述中空壁管材的内径为方形单壁波纹管的高度的8～15倍，所述方形单壁波纹管的高度为方形单壁波纹管的壁厚的50～100倍。
优选的，所述内层和外层采用聚丙烯制成，所述方形单壁波纹管和包覆层采用改性聚丙烯制成。
优选的，所述内层、外层和包覆层的厚度均为2～10cm。
方案(二)：
一种中空壁管材的制造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
①将制作方形单壁波纹管的材料进行熔融，并利用挤出机挤出，形成方形单壁波纹管；
②将步骤①制得的方形单壁波纹管引入包覆模具内，所述包覆模具包括外模以及设置于外模内的内模，所述外模沿轴向方向上设有方形通孔一，所述内模的外周壁呈方形，所述内模沿轴向方向上设有尺寸与方形单壁波纹管相匹配的方形通孔二，所述内模的一端与外模的一端固定连接，所述内模的外周壁和方形通孔一的内周壁之间围成一个用于浇注包覆层的浇注腔体，所述包覆模具还包括开设于外模上的用于连通外部和浇注腔体之间的浇注通道，所述方形单壁波纹管引入方形通孔二中；
③将制作包覆层的材料进行熔融，然后通过浇注通道注入浇注腔体内，挤出包覆层，挤出包覆层后对方形单壁波纹管进行冷却；
④在进行步骤①、②、③的同时，将制作内层的材料进行熔融，并利用挤出机挤出带状料坯，然后将带状料坯引入缠绕辊进行螺旋缠绕，螺旋缠绕时带状料坯相邻的边相互熔融搭接，形成内层；
⑤将包覆模具输出的方形单壁波纹管和包覆层压至缠绕辊上的内层的外表面，随着缠绕辊的转动，方形单壁波纹管和包覆层螺旋缠绕在内层的外表面，螺旋缠绕时包覆层相邻的面相互熔融搭接，形成中空增强层；
⑥中空增强层和内层全部复合好后，将制作外层的材料进行熔融，并利用挤出机挤出带状料坯，然后将带状料坯压至中空增强层的外表面，随着缠绕辊的转动，带状料坯螺旋缠绕在中空增强层的外表面，形成外层，然后对外层进行冷却定型，最终制得中空壁管材。
优选的，步骤①中制作方形单壁波纹管的材料的熔融的温度为180℃～250℃，熔融前还包括将材料在70℃～100℃的温度下进行烘料的步骤，烘焙时间不低于20min；
步骤③中制作包覆层的材料的熔融的温度为180℃～250℃，熔融前还包括将材料在70℃～100℃的温度下进行烘料的步骤，烘焙时间不低于20min；
步骤④中制作内层的材料的熔融的温度为180℃～230℃，熔融前还包括将材料在70℃～100℃的温度下进行烘料的步骤，烘焙时间不低于20min；
步骤⑥中制作外层的材料的熔融的温度为180℃～250℃，熔融前还包括将材料在70℃～100℃的温度下进行烘料的步骤，烘焙时间不低于20min。
优选的，所述步骤③中对方形单壁波纹管的冷却采用冷风进行冷却或者冷风和水雾混合进行冷却，冷风温度为-5℃±1℃，通风压力为50kpa～200kpa。
较之现有技术而言，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的中空壁管材及其制造方法，该管材的中空增强层由方形单壁波纹管和包覆于方形单壁波纹管外周的包覆层螺旋缠绕而成、方形单壁波纹管的四个壁沿轴向方向均呈波峰和波谷依次交替设置的波纹结构，使得管材在受外力和高温时不易变形，具有更优良的抗压强度、抗破坏性和环刚性；该制造方法采用热态缠绕将各层复合在一起，熔接强度高，不仅避免出现现有冷态缠绕管材极易断裂的现象，而且操作简便、工艺稳定、可任意生产超大口径管材；
(2)本发明提供的中空壁管材，方形单壁波纹管有利于在缠绕受外力和高温作用时，保持整体形状，管材抗压强度高，环刚度可达25kN/m2以上，避免出现变塌而造成最终的中空壁管材增强层变矮、环刚度降低等问题；
(3)本发明提供的中空壁管材，多层结构且材料视每层功能进行区分设置，内、外层因系与水流和土壤接触，要求抗冲击破坏性更好，所以选用韧性优良的聚丙烯，而包覆层和方形单壁波纹管，系起增强抗压作用的，所以选用强度和耐热性更好的改性聚丙烯材料，同时内外层的韧性优良的材料与增强层强度优良的材料结合起来，一方面极大改善了管材的环刚度，同时也相互用用，极大提高了管材的环柔性(管材可压至内径的50％而不破裂)和复原率(管材压至内径的40％不出现屈服，并在1小时内恢复至原内径的95％以上)，另一方面，因各层刚柔结构和材料的设置，在增加管材性能同时，降低了材料用量，成本得到大幅降低；
(4)本发明提供的中空壁管材，内外壁光滑平整，外壁与土壤接触面积大，单位压强小，不容易破坏管道施工基础，有利于管道长期使用寿命得到保障，同时，外壁光滑平整，与土壤摩擦阻力小，可应用于非开挖领域；
(5)本发明提供的中空壁管材，方形单壁波纹管本身无弯曲应力，经热态包覆后，亦不存在弯曲成型应力问题，可生产任意大口径管材，管径规格可达4000mm以上，同时包覆层选用模量超过2000Mpa的改性聚丙烯材质，在管径做大后，环刚度也可得到保障，解决了现有管材因材料模量高但弯曲成型应力大的问题；
(6)本发明提供的中空壁管材的制造方法，挤出包覆层后对方形单壁波纹管进行冷却，能将方形单壁波纹管受到的热量迅速带走，避免方形单壁波纹管包覆了包覆层后，螺旋缠绕时两个相邻面不断拼接后出现变形，从而造成管材的中空增强层塌陷。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明中空壁管材的三维结构示意图；
图2是图1中A的局部放大示意图；
图3是本发明直线形型材的三维结构示意图；
图4是图3中方形单壁波纹管的三维结构示意图；
图5是方形单壁波纹管的主视图；
图6是图5中的B-B剖视图；
图7是包覆模具的剖面结构示意图；
图8是包覆模具的主视结构示意图。
图中符号说明：1、内层，2、外层，3、中空增强层，31、直线形型材，311、方形单壁波纹管，3111、波峰，3112、波谷，312、包覆层，4、包覆模具，41、外模，42、内模，421、方形通孔二，43、浇注腔体，44、浇注通道，H、方形单壁波纹管的高度，h、波纹结构的高度，b1、波峰宽度，b2、波谷宽度，D、中空壁管材的内径，t、方形单壁波纹管的壁厚。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明内容进行详细说明：
具体实施方式(一)：
如图1-6所示为本发明提供的一种中空壁管材，其特征在于：包括内层1、外层2以及设置于内层1和外层2之间的中空增强层3，所述中空增强层3由直线形型材31在内层1和外层2之间螺旋缠绕而成，所述直线形型材31包括方形单壁波纹管311以及包覆设置于方形单壁波纹管311外周的包覆层312，所述方形单壁波纹管311的四个壁沿轴向方向均呈波峰3111和波谷3112依次交替设置的波纹结构，方形单壁波纹管311四个壁的波峰3111位置和波谷3112位置均相对应，方形单壁波纹管311四个壁的连接处均采用圆角进行过渡连接，所述波峰3111和波谷3112的连接处采用圆角进行过渡连接。
所述方形单壁波纹管311的截面为正方形或长方形，所述方形单壁波纹管的高度H为波纹结构的高度h的8～12倍，所述波峰宽度b1为波谷宽度b2的1～2倍，所述中空壁管材的内径D为方形单壁波纹管的高度H的8～15倍，所述方形单壁波纹管的高度H为方形单壁波纹管的壁厚t的50～100倍。
所述内层1和外层2采用聚丙烯制成，所述方形单壁波纹管311和包覆层312采用改性聚丙烯制成。
所述内层1、外层2和包覆层312的厚度均为2～10cm。
具体实施方式(二)：
一种中空壁管材的制造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
①将制作方形单壁波纹管311的材料进行熔融，并利用挤出机挤出，形成方形单壁波纹管311；
②如图7-8所示，将步骤①制得的方形单壁波纹管311引入包覆模具4内，所述包覆模具4包括外模41以及设置于外模41内的内模42，所述外模41沿轴向方向上设有方形通孔一，所述内模42的外周壁呈方形，所述内模42沿轴向方向上设有尺寸与方形单壁波纹管1相匹配的方形通孔二421，如图8所示，所述内模42的一端与外模41的一端通过螺栓固定连接，固定后浇注腔体靠近螺栓的一端为封闭状态，所述内模42的外周壁和方形通孔一的内周壁之间围成一个用于浇注包覆层312的浇注腔体43，所述包覆模具4还包括开设于外模41上的用于连通外部和浇注腔体43之间的浇注通道44，所述方形单壁波纹管1引入方形通孔二421中；
③将制作包覆层312的材料进行熔融，然后通过浇注通道44注入浇注腔体43内，挤出包覆层312，挤出包覆层312后对方形单壁波纹管311进行冷却；
④在进行步骤①、②、③的同时，将制作内层的材料进行熔融，并利用挤出机挤出带状料坯，然后将带状料坯引入缠绕辊进行螺旋缠绕，螺旋缠绕时带状料坯相邻的边相互熔融搭接，形成内层1；
⑤将包覆模具4输出的方形单壁波纹管311和包覆层312压至缠绕辊上的内层1的外表面，随着缠绕辊的转动，方形单壁波纹管311和包覆层312螺旋缠绕在内层1的外表面，螺旋缠绕时包覆层312相邻的面相互熔融搭接，形成中空增强层3；
⑥中空增强层3和内层1全部复合好后，将制作外层的材料进行熔融，并利用挤出机挤出带状料坯，然后将带状料坯压至中空增强层3的外表面，随着缠绕辊的转动，带状料坯螺旋缠绕在中空增强层3的外表面，形成外层2，然后对外层2进行冷却定型，最终制得中空壁管材。
步骤①中制作方形单壁波纹管311的材料的熔融的温度为180℃～250℃，熔融前还包括将材料在70℃～100℃的温度下进行烘料的步骤，烘焙时间不低于20min；
步骤③中制作包覆层312的材料的熔融的温度为180℃～250℃，熔融前还包括将材料在70℃～100℃的温度下进行烘料的步骤，烘焙时间不低于20min；
步骤④中制作内层的材料的熔融的温度为180℃～230℃，熔融前还包括将材料在70℃～100℃的温度下进行烘料的步骤，烘焙时间不低于20min；
步骤⑥中制作外层的材料的熔融的温度为180℃～250℃，熔融前还包括将材料在70℃～100℃的温度下进行烘料的步骤，烘焙时间不低于20min。
所述步骤③中对方形单壁波纹管311的冷却采用冷风进行冷却或者冷风和水雾混合进行冷却，冷风温度为-5℃±1℃，通风压力为50kpa～200kpa。
表1：本发明与现有管材的主要性能对比表
从表1中可以看出，本发明热态缠绕中空壁管，环刚度、纵向弯曲性能、冲击性能、环柔性、复原率和管材重量(成本)明显优于现有的管材。
上述具体实施方式只是对本发明的技术方案进行详细解释，本发明并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种中空壁管材，其特征在于：包括内层（1）、外层（2）以及设置于内层（1）和外层（2）之间的中空增强层（3），所述中空增强层（3）由直线形型材（31）在内层（1）和外层（2）之间螺旋缠绕而成，所述直线形型材（31）包括方形单壁波纹管（311）以及包覆设置于方形单壁波纹管（311）外周的包覆层（312），所述方形单壁波纹管（311）的四个壁沿轴向方向均呈波峰（3111）和波谷（3112）依次交替设置的波纹结构，方形单壁波纹管（311）四个壁的波峰（3111）位置和波谷（3112）位置均相对应，方形单壁波纹管（311）四个壁的连接处均采用圆角进行过渡连接，所述波峰（3111）和波谷（3112）的连接处采用圆角进行过渡连接，所述内层（1）和外层（2）为平壁结构。
2.根据权利要求1所述的中空壁管材，其特征在于：所述方形单壁波纹管（311）的截面为正方形或长方形，所述方形单壁波纹管的高度（H）为波纹结构的高度（h）的8～12倍，所述波峰宽度（b1）为波谷宽度（b2）的1～2倍，所述中空壁管材的内径（D）为方形单壁波纹管的高度（H）的8～15倍，所述方形单壁波纹管的高度（H）为方形单壁波纹管的壁厚（t）的50～100倍。
3.根据权利要求1所述的中空壁管材，其特征在于：所述内层（1）和外层（2）采用聚丙烯制成，所述方形单壁波纹管（311）和包覆层（312）采用改性聚丙烯制成。
4.根据权利要求1所述的中空壁管材，其特征在于：所述内层（1）、外层（2）和包覆层（312）的厚度均为2～10cm。
5.一种权利要求1-4中任一项所述中空壁管材的制造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
①将制作方形单壁波纹管（311）的材料进行熔融，并利用挤出机挤出，形成方形单壁波纹管（311）；
②将步骤①制得的方形单壁波纹管（311）引入包覆模具（4）内，所述包覆模具（4）包括外模（41）以及设置于外模（41）内的内模（42），所述外模（41）沿轴向方向上设有方形通孔一，所述内模（42）的外周壁呈方形，所述内模（42）沿轴向方向上设有尺寸与方形单壁波纹管（311）相匹配的方形通孔二（421），所述内模（42）的一端与外模（41）的一端固定连接，所述内模（42）的外周壁和方形通孔一的内周壁之间围成一个用于浇注包覆层（312）的浇注腔体（43），所述包覆模具（4）还包括开设于外模（41）上的用于连通外部和浇注腔体（43）之间的浇注通道（44），所述方形单壁波纹管（311）引入方形通孔二（421）中；
③将制作包覆层（312）的材料进行熔融，然后通过浇注通道（44）注入浇注腔体（43）内，挤出包覆层（312），挤出包覆层（312）后对方形单壁波纹管（311）进行冷却；
④在进行步骤①、②、③的同时，将制作内层的材料进行熔融，并利用挤出机挤出带状料坯，然后将带状料坯引入缠绕辊进行螺旋缠绕，螺旋缠绕时带状料坯相邻的边相互熔融搭接，形成内层（1）；
⑤将包覆模具（4）输出的方形单壁波纹管（311）和包覆层（312）压至缠绕辊上的内层（1）的外表面，随着缠绕辊的转动，方形单壁波纹管（311）和包覆层（312）螺旋缠绕在内层（1）的外表面，螺旋缠绕时包覆层（312）相邻的面相互熔融搭接，形成中空增强层（3）；
⑥中空增强层（3）和内层（1）全部复合好后，将制作外层的材料进行熔融，并利用挤出机挤出带状料坯，然后将带状料坯压至中空增强层（3）的外表面，随着缠绕辊的转动，带状料坯螺旋缠绕在中空增强层（3）的外表面，形成外层（2），然后对外层（2）进行冷却定型，最终制得中空壁管材。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：
步骤①中制作方形单壁波纹管（311）的材料的熔融的温度为180℃～250℃，熔融前还包括将材料在70℃～100℃的温度下进行烘料的步骤，烘焙时间不低于20min；
步骤③中制作包覆层（312）的材料的熔融的温度为180℃～250℃，熔融前还包括将材料在70℃～100℃的温度下进行烘料的步骤，烘焙时间不低于20min；
步骤④中制作内层的材料的熔融的温度为180℃～230℃，熔融前还包括将材料在70℃～100℃的温度下进行烘料的步骤，烘焙时间不低于20min；
步骤⑥中制作外层的材料的熔融的温度为180℃～250℃，熔融前还包括将材料在70℃～100℃的温度下进行烘料的步骤，烘焙时间不低于20min。
7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述步骤③中对方形单壁波纹管（311）的冷却采用冷风进行冷却或者冷风和水雾混合进行冷却，冷风温度为-5℃±1℃，通风压力为50kpa～200kpa。
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