CN109291238B - 一种预压应力双套耐磨管的制造方法 - Google Patents

一种预压应力双套耐磨管的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种预压应力双套耐磨管的制造方法，包括如下步骤：1、对双套耐磨管的耐磨内管和外管分别进行独立制造；2、将耐磨内管套入两端带有法兰的外管内，将外管和内管之间的间隙调整均匀并予以固定，然后在外管两端法兰上分别安装临时档板和水泥砂浆注入端盖；3、制备膨胀水泥砂浆；4、将水泥砂浆注入水泥砂浆注入孔，向外管与耐磨内管间隙中注入膨胀水泥砂浆并充填密实；5、注入膨胀水泥砂浆结束后12～20小时内拆除临时档板，清理法兰端面；6、进行外管表面涂装。本发明方法制造的预压应力双套耐磨管通过采用膨胀水泥砂浆对双套的内管和外管间隙的密实填充，制得管道具有高抗磨损性、高强度和韧性。

Description

一种预压应力双套耐磨管的制造方法
技术领域
本发明属于特种金属管材制备技术领域，具体涉及一种预压应力双套耐磨管的制造方法。
背景技术
管道输送是固体颗粒物运输的主要方式之一，固体颗粒物管道输送通常采用固体颗粒物与液体混合管道输送(如挖泥船泥管、矿渣管道、油砂管道)、固体颗粒物与气体混合管道输送，是一种多相流混合管道输送，如挖泥船泥管、矿渣管道、油砂管道、固体颗粒物对管道过流面(内壁)冲蚀磨损是其失效的最主要方式。为了满足物料输送效率和输送距离要求，这种固体颗粒输送管道内必须具有一定的压力，因此要求管道必须具有较好的塑性、韧性、抗冲击能力和必要的强度以保证安全性能要求，同时又要兼备优异的抗冲蚀磨损能力以提高该管道使用寿命要求，单一材料难以达到这种多重性能要求，目前单一材料的输送管道多采用保证其安全性而牺牲其使用寿命。目前为了解决这种多重性能要求问题，多采用堆焊、喷涂喷焊、内壁镶嵌陶瓷等方法，耐磨层均残存较大的拉应力，工作时存在容易开裂、剥落的弊端
中国发明专利CN101787721A公开的一种挖泥船用复合排泥管的制备方法，一定程度上解决了这一矛盾，但其双层管间隙内填充环氧树脂有如下主要缺陷：
1)环氧树脂凝固后体积收缩率较大，致使内管和外管间存在缝隙，且因其强度低，内管为脆性材料，进而大大降低了内管的抗冲击能力，内管在使用中容易破裂；
2)内管和外管间的环氧树脂，200℃以上开始分解失重，其软化温度更低(100℃左右)，难以适用较高温度条件，更为严重的是在现场安装管道过程中，在复杂安装环节下，遇到焊接和切割作业时，环氧树脂高分子材料会碳化、气化失效，严重时引起火灾或爆炸；
3)在制造或回收利用是对环境会造成污染。
本发明是基于对输送管道的复合性能要求及绿色环保要求，提出的一种预压应力双套耐磨管的制造方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种预压应力双套耐磨管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对双套耐磨管的耐磨内管和外管分别进行独立制造；
步骤二、将耐磨内管套入两端带有法兰的外管内，将外管和内管之间的间隙调整均匀并予以固定，然后在外管两端法兰上分别安装临时挡 板和水泥砂浆注入端盖；
步骤三、制备膨胀水泥砂浆；
步骤四、将水泥砂浆注入端盖上的水泥砂浆注入孔，向外管与耐磨内管间隙中注入膨胀水泥砂浆并充填密实；
步骤五、注入膨胀水泥砂浆结束后12～20小时内拆除临时挡 板，清理法兰端面，使缝隙内已固化的膨胀水泥砂浆与套管端面平齐；
步骤六、进行外管表面涂装。
所述耐磨内管采用耐磨钢或髙铬铸铁铸造制得。
所述外管两端焊接有法兰，外管和法兰采用强度较高、塑性、韧性及焊接性好的低碳钢或低合金钢或不锈钢材料制得。
所述膨胀水泥砂浆由水、水泥、细沙、膨胀剂按比例混合而成。
所述步骤三中膨胀水泥砂浆的具体制备过程为：
(a)依据外管的最大工作应力按公式(1)确定外管的预拉应力：
σ0≤[σ]-σmax (1)
σmax为管道内流体对外管产生的最大拉应力，其数值可按下式计算：
σmax＝R/δ·Pmax
式中：σ0—外管所受预拉应力；
[σ]—外管许用应力；
σmax—管道内流体对外管产生的最大拉应力；
R—外管外径
δ—外管厚度；
Pmax—管内流体最大压力；
(b)依据外管所受预拉应力按公式(2)确定内管所受预压应力
σ＝r/R·σ0 (2)
式中：σ—内管所受预压应力；
σ0—外管所受预拉应力；
r—内管外圆半径；
R—外管外径；
(c)根据内管所需预应力大小，按公式(3)确定水泥砂浆固化体积膨胀率η，
Figure GDA0002479186020000041
式中：η—水泥砂浆固化体积膨胀率；
E—外管的弹性模量；
σ—内管所受预压应力；
r—内管外圆半径；
R1—外管内圆半径；
(d)根据水泥砂浆固化体积膨胀率η确定水泥、细沙、水、水泥膨胀剂比例，其质量比例范围为:1：0～1:0.4～1：0.01～0.1；本步骤根据选用的水泥膨胀剂的种类、内管与外管间隙大小、流动性要求，从质量比例范围中进行选择后通过具体实验得到满足计算所得水泥砂浆固化体积膨胀率要求的具体质量配比，制得的水泥砂浆固化体积膨胀率的大小与膨胀剂的加入量成正相关，即膨胀剂加入量越多，水泥砂浆固化体积膨胀率越大；
(e)对称量好的水泥、细沙、水、水泥膨胀均匀混合。
公式(1)、公式(2)、公式(3)均是依据耐磨管受力条件和基本力学公式推导而出，依据公式(1)在保证外管安全的条件下确定外管预拉应力范围并选取适当数值；进一步依据公式(2)确定外管预拉应力与内管预压应力的关系，再进一步依据公式(3)确定的水泥砂浆固化体积膨胀率η。
本发明具有如下优点：
现有耐磨双套管内管和外管间隙内的填充物有高分子材料或普通水泥，这种填充材料固化后均有体积收缩，进而在填充缝隙内形成固化孔洞和缝隙无法对内管产生预压应力作用，因耐磨内管通常是脆性材料，这种孔洞和缝隙的存在，使内管抗固体物料的冲击能力大大降低，无法充分有效发挥内管的资源效益，同时填充物是高分子材料(CN101787721A)时，在安装使用过程中具有焊接和切割环境下存在易燃易爆风险，且在回收利用或过磨损条件下会对环境产生污染。
本发明方法制造的预压应力双套耐磨管最显著的特征是通过采用膨胀水泥砂浆对双套的内管和外管间隙的密实填充，没有固化收缩缝隙并依靠膨胀水泥砂浆的固化膨胀作用对内层耐磨管产生预压应力效果，进而提高了内层耐磨管的抗冲击防裂能力和抗磨损性能，外管采用强度高、韧性好和焊接性能好的低碳钢或低合金钢或不锈钢制造，满足了制造及工作时对管道的高抗磨损性、高强度和韧性等复合性能要求，可大大提高管道的使用寿命并具备环保和防燃防爆特点。
附图说明
图1为预压应力双套耐磨管示意图；
图2为预压应力双套耐磨管水泥砂浆注入示意图；
其中：1-外管；2—水泥砂浆；3—耐磨内管；4—法兰焊缝；5—法兰，6—临时挡板，7—水泥砂浆注入端盖；8—水泥砂浆注入孔；9—螺栓与螺母，10—排气管。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1-2所示，结合6000方挖泥船预压应力双套耐磨管的制造具体说明如下：
外管1制造：采用板厚16mm的Q345B材料卷制和焊接外管，采用CO2气体保护电弧焊焊接，内圆焊缝余高≤0.5mm；焊后校圆，然后在其两端焊接法兰5，并在法兰焊接后进行两端面机械机加工；
耐磨内管2制造：耐磨内管采用Cr27高铬铸铁材料铸造，铸造方法离心铸造，在铸造浇注后待耐磨内管温度≤980℃，吹风冷却(包括出模过程中)至室温，然后260℃消应力退火，硬度≥53HRC，最后进行两端面机械加工；
将加工后的耐磨内管2套入加工后的外管1内，保证二者端面平齐和间隙均匀并可靠固定；
按附图2装配在两端法兰上分别安装特制的临时挡 板6和水泥砂浆注入端盖7；
按以下步骤计算水泥砂浆2的体积膨胀率η：
1)依据公式σ0≤[σ]-σmax、公式σmax＝R/δ·Pmax和公式σ＝r/R·σ0，求得外管所受预拉应力范围为：σ0≤62.71MPa；计算出内管所受预压应力范围为：σ≤58.9MPa，实际取σ＝15MPa；
2)依据公式：
Figure GDA0002479186020000061
计算出水泥砂浆体积膨胀率η＝0.0854；
依据水泥砂浆体积膨胀率η＝0.0854，通过实验确定水泥、细沙、水、水泥膨胀剂比例，其质量比例范围为:1：1:1：0.062，并将水泥、细沙、、水泥膨胀剂均匀混合，最后加水混合；
通过附图2所示的水泥砂浆注入孔8，向外管与内管间隙中注入制备好的膨胀水泥砂浆并在溢出孔有膨胀水泥砂浆时表示已充填密实，关闭注入阀门结束膨胀水泥砂浆注入；
注入膨胀水泥砂浆后12小时～20内拆除临时挡 板6和水泥砂浆注入端盖7，清理法兰5端面，使缝隙内已固化的膨胀水泥砂浆与套管端面平齐，待膨胀水泥砂浆固化72小时后进行下道工序；
最后进行外管表面涂装。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (3)

1.一种预压应力双套耐磨管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对双套耐磨管的耐磨内管和外管分别进行独立制造；
步骤二、将耐磨内管套入两端带有法兰的外管内，将外管和内管之间的间隙调整均匀并予以固定，然后在外管两端法兰上分别安装临时挡板和水泥砂浆注入端盖；
步骤三、制备膨胀水泥砂浆；
步骤四、将水泥砂浆注入端盖上的水泥砂浆注入孔，向外管与耐磨内管间隙中注入膨胀水泥砂浆并充填密实；
步骤五、注入膨胀水泥砂浆结束后12～20小时内拆除临时挡板，清理法兰端面，使缝隙内已固化的膨胀水泥砂浆与套管端面平齐；
步骤六、进行外管表面涂装；
所述步骤三中膨胀水泥砂浆由水、水泥、细沙、膨胀剂按比例混合而成；
所述步骤三中膨胀水泥砂浆的具体制备过程为：
(a)依据外管的最大工作应力按公式(1)确定外管的预拉应力：
σ0≤[σ]-σmax (1)
σmax为管道内流体对外管产生的最大拉应力，其数值可按下式计算：
σmax＝R/δ·Pmax
式中：σ0—外管所受预拉应力；
[σ]—外管许用应力；
σmax—管道内流体对外管产生的最大拉应力；
R—外管外径
δ—外管厚度；
Pmax—管内流体最大压力；
(b)依据外管所受预拉应力按公式(2)确定内管所受预压应力
σ＝r/R·σ0 (2)
式中：σ—内管所受预压应力；
σ0—外管所受预拉应力；
r—内管外圆半径；
R—外管外径；
(c)根据内管所需预应力大小，按公式(3)确定水泥砂浆固化体积膨胀率η，
Figure RE-FDA0002479186010000021
式中：η—水泥砂浆固化体积膨胀率；
E—外管的弹性模量；
σ—内管所受预压应力；
r—内管外圆半径；
R1—外管内圆半径；
(d)根据水泥砂浆固化体积膨胀率η确定水泥、细沙、水、水泥膨胀剂比例，其质量比例选择范围为:1：0～1:0.4～1：0.01～0.1；
(e)对称量好的水泥、细沙、水、水泥膨胀均匀混合。
2.权利要求书1所述的一种预压应力双套耐磨管的制造方法，其特征在于：所述步骤一中耐磨内管采用耐磨钢或髙铬铸铁铸造制得。
3.权利要求书1所述的一种预压应力双套耐磨管的制造方法，其特征在于：所述步骤一中外管两端焊接有法兰，外管和法兰采用强度较高、塑性、韧性及焊接性好的低碳钢或低合金钢或不锈钢材料制得。
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