CN1126892C - 扩胀成型的承插式柔刚两用接口钢管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种扩胀成型的承插式柔刚两用接口钢管,其特点是钢管的两端分别是具有特殊形状的承头和插头。这种承头和插头安装时既能应用胶圈进行钢管的柔性连接,又能采用搭接焊缝进行钢管的刚性连接。这种钢管的承头和插头是通过对钢管内孔施加均布载荷,使管端部整体圆周同时径向受力胀大并贴合在承、插头的模具上成型。它具有制造成本低、成型精度高、安装快捷方便、施工费低、接口质量好等优点,特别适合大中型输水管道使用。

Description

扩胀成型的承插式柔刚两用接口钢管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种管材,特别是一种钢管。
背景技术
管道是输送介质最快捷、经济和可靠的方法,天然气、水、石油、煤块等都可以通过管道来输送。随着经济的发展,管道的使用量越来越多,管径也越来越大,如上海市的长江引水工程就使用直径2.7米的钢管,广州市的西北江输水工程则拟使用直径3.5米的钢管。由工厂制造出来的管材,必须通过现场的安装才能连接成管道输送介质。
目前大中型输水管道的安装有柔性和刚性两种的连接,其中常用的预应力混凝土管、球铁管和玻璃管等都是柔性连接的管材,现时钢管的直接连接只有刚性连接的形式。柔性连接的管材安装时,采用胶圈进行密封接口的连接。现时柔性连接的管材虽具有安装方便、快捷、能适应地基不均匀沉降和管道伸缩等优点,但不能承受轴向推力和弯矩,所以在管道的转弯、变径、三通和管堵等有轴向推力以及在过河或架空等需承受弯矩等管段,一般都需置换成刚性连接的钢管段来承受外力,因此使用时存在转换管材的麻烦。
现时钢管的现场安装主要有螺纹、法兰及焊接等形式的刚性连接。其中螺纹连接只适用于小直径的钢管;而法兰连接虽质量可靠,但需加法兰、螺栓等配件,成本很高,难以普遍使用:焊接连接是指通过焊接工艺,使钢管实现接口的焊接连接,目前大、中型口径钢管的边接都是采用对接焊接的形式(如图2所示),但由于钢管存在的不圆度,使安装相邻两根管子会出现管壁对接口错边(如图2A所示),造成钢管连接口强度下降的缺陷。同时安装时的现场焊接是手工操作,焊接质量受环境、天气及工人的操作质量直接影响会出现焊缝质量的缺陷,以及接口焊缝无法消除残余应力,当地形、温度或者载荷发生变化时,有缺陷的接口焊缝就会出现应力集中易爆裂。因此在一些重要的接口,也有采用外加“套管”焊接接口的方法(如图1所示),把传统钢管的连接由对接焊缝变为搭接焊缝,这种连接解决了安装相邻两根传统钢管的管壁错边问题,使接口的质量得到一定的提高,但需增加套管等连接配件,增加了施工的成本,因此制约了大量的应用。此外,由于这同样是一种刚性的连接,无法适应管道的伸缩及沉降,为此在一些要求很高的接口也有采用外加“法兰式柔性连接器”的柔性连接方法(如图6所示),这种方法是通过旋紧螺栓,令法兰和套管的压迫力使胶圈密封接口,这种连接虽使钢管的接口具有柔性连接的功能,但该种“法兰式柔性连接器”价钱十分昂贵,所以只能在一些十分重要的接口才会使用,因此如何能使钢管不需外加“连接配件”,又能有效提高钢管的接口质量,这是钢管需要解决的课题。
1995年9月19日美国专利公布的5450738A号专利,(下称对比文献NO.1)公开了一项名称为“具有多重外向台阶管道接头部件成型方法和器械”的专利技术。其特征是采用压轮对管壁单边施加压力,并带动管子一起旋转通过压轮的滚轧使管子端部成为具有外向台阶的管型,令现有的“端部开槽连接器”能应用连接。这项专利存在如下缺陷:
1、采用压轮对管子单边管壁施加外向压力并带动管子一起旋转,通过压轮的滚轧令管子端部成型。其加工的功能只能将管子端部滚轧成具有外向台阶的管型,对管子不能起到整圆的作用,所以加工后管子的圆度较差。
2、加工出来的管子必须应用“端部开槽连接器”才能连接,所以应用成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种加工成本低、成型精度高、安装快捷方便、施工费用低、接口质量好、安装时能采用胶圈进行柔性连接,在特殊的管段又能采用搭接焊缝进行刚性连接的新型钢管及其制造方法。
扩胀成型承插式柔刚两用接口钢管是采用对钢管的内孔施加均布载荷,使钢管的端部整个圆周同时径向受力胀大并贴合在承、插头的模具上成型,使其两端的承、插头在柔性连接时只需将胶圈套在插头的端部,再把它拉进已安装管的承头内,通过胶圈受压力反弹密封接口,实现了现时钢管需外加“法兰式柔性连接器”才能达到的柔性连接的功能。在特殊管段需刚性连接时则在两根管的承头和插头相互套入的内外搭接点直接进行搭接焊缝的焊接,实现了现时钢管需外加“套管”才能达到的提高刚性接口强度的效果。
本发明的管型构造是:由连成一体的承头(4)、管体(7)和插头(5)构成的柔刚两用接口钢管(见图3所示),承头(4)的内径大于插头(5)的外径,承头(4)前端有一段过渡圆锥面(6),其作用是安装管道时导向插头(5)插入和方便具弹性的密封圈(3)进入承头(4)的密封工作面。插头(5)上设有一凸圆环(1),其外径与承头过渡圆锥面(6)相配合,插头端部(16)与承头内径亦相配合。柔性连接时还有一密封胶圈(3),密封胶圈(3)的内径稍小于插头(5)端部的外径,其外径则稍大于承头(4)的内径。插头的凸圆环(1)的外径与承头的过渡圆锥面(6)的相互配合还起着支承管段之间和径向力及调整两根安装管的承头(4)与插头(5)之间的圆环间隙的作用,使密封胶圈(3)通过反弹变形达到紧密封闭接口的作用。凸圆环(1)还可防止密封胶圈(3)在安装和使用过程中轴向滑移。刚性连接时插头(5)插进承头(4)内,使插头端部(16)和凸圆环(1)的外径分别与承头(4)的内径和过渡圆锥面(6)搭接,通过对这搭接点进行角焊焊接,而形成强度较好的搭接焊缝(2)和(17)。
本发明的安装方法是:
一、刚性连接
1、将准备安装管的插头(5)对准放进已安装管的承头(4)的过渡过圆锥面(6)内;
2、采用推或拉力将安装管的插头(5)插进已安装的承头(4)内;
3、在插头的凸圆环(1)与承头过渡圆锥面(6)的外搭接点进行角焊焊接。即焊缝(7),在承头内径与插头端部(16)的内搭接点进行角焊焊接。即焊缝(2);
4、重复以上程序安装下一根管。
二、柔性连接
1、将密封胶圈(3)放进清理干净准备安装管的插头(5)的端部;
2、清洗已安装管的承头(4)内孔并抹上润滑剂;
3、将安装管的插头(5)对准放进已安装管的承头(4)的过渡锥面(6)内;
4、采用推或拉力将安装管的插头(5)插进已安装管的承头(4)内;
5、检查承头(4)和插头(5)及密封胶圈(3)的套入尺寸;
6、回填土以固定钢管的位置;
7、重复以上程序继续安装下一根管。
本发明有如下优点:
(1)承头和插头是采用对钢管内孔施加均布载荷,使钢管端部整个圆周同时径向受力胀大并贴合在承、插头的模具上成型,成型精度高;
(2)承头和插头不用机加工,加工成本低;
(3)每根管两端具有的承头和插头安装时能采用胶圈进行柔性连接,又能采用搭接焊缝进行刚性连接,应用方便;
(4)柔性连接时,胶圈是处在两根连接管的承插头相互套入后形成的闭合区内,当承受很高管内的压力也不会被挤出密封工作面,密封性能好;
(5)刚性连接时,是以搭接焊缝代替现时钢管的对接焊缝,接口强度高;
(6)柔性连接时,接口能适应管道的伸缩和不均匀的沉降,具有良好的抗震性能,同时能降低管道的温度应力,接口性能良好;
(7)柔性连接时,施工成本低、效率高、能有效缩短施工的工期;
(8)刚性连接时,接口强度高,能降低力集中系数,解决了现时钢管对接焊口易爆裂的质量问题,特别适合过河及架空等需刚性连接的特殊管段应用。
附图说明
图1为现时加强钢管焊接接口方法—加“套管”的焊接接口示意图;
18套管,7钢管,2内搭接点焊缝,17外搭接点焊缝。
图2为目前普遍使用的钢管焊接连接方法—对接焊接接口示意图;
19对接焊接接口焊缝。
图2A为容易产生应力集中的对接焊接口—对接管之间的管壁错边示意图;
20管壁对接错边焊缝。
图3为本发明的结构及柔性接口连接示意图;
7钢管,5插头,4承头,1凸圆环,6承头过渡圆锥面,16插头端部,3密封胶圈,25闭合区。
图3A为本发明的结构及刚性接口连接示意图;
17外搭接点焊逢,2内搭接点焊缝。
图4为内模具扩胀成型法示意图;
7钢管,8圆锥形扩孔头,9内模具,12底板。11液压缸轴,10液压缸。
图5为外模具扩胀成型法示意图;
7钢管,13外模具,15输液管,14橡胶皮囊。
图6为法兰式柔性连接器示意图;
7钢管,21胶圈,22套管,23法兰,24螺栓。
具体实施方式
实施例1:(如图4所示)
一种由连成一体的管体(7)、承头(4)和插头(5)构成,直径2.4米的钢管,使用厚度16毫米的Q235B钢板材料焊接而成,承头的长度为35厘米,经计算,加工承头(4)的胀力大于592吨,液压缸工作的拉力大于307吨(摩擦系数取0.1),具体的生产程序如下:
A、承头(4)的加工;先把钢管的一端套在承头内模具(9)外,再将锥度为14度的圆锥型扩孔头(8)插于内模具(9)中央,液压缸轴(11)是与扩孔头(8)连接在一起,当启动液压缸(10)时,圆锥形扩孔头(8)向下移动,通过其锥面,迫使由多块扩孔块组成的承头内模具(9)径向扩大,使套在外围的钢管胀大贴合内模具(9),并按内模具(9)的尺寸胀贴成承头(4)。最后通过液压缸(10),使扩孔头(8)上移复位,并将已成型的半成品管吊离。
B、插头(5)的加工的工序与承头(4)相同,只是将承头的内模具(9)改为插头的内模具(9)。
实施例2:(如图5所示)
拟加工的钢管直径、采用的钢板的材料和规格以及扩胀承头的长度,与实施例1相同,只是采用外模具实施成型。采用外模具(13),必须配合橡胶皮囊(14),并通过输液管(15)向橡胶皮囊(14)中输入液压液体,经计算,采用外模具(13)对上述规格的钢管实施成型,其液压泵的工作压力应大于7.1Mpa。具体的生产工序如下:
1、把橡胶皮囊(14)装入钢管(7)的空腔内;
2、把钢管(7)整体放进外模具(13)内;
3、启动液压泵;
4、往橡胶皮囊(14)内注入压力液体;
5、利用液体将橡胶皮囊(14)胀大,迫使钢管(7)的两端胀大贴合于外模具(13)上成型;
6、拆开外模具(13),吊出成品。

Claims (4)

1、扩胀成型的承插式柔刚两用接口钢管,其特征在于钢管管体(7)的两端有与之连成一体的承头(4)和插头(5),其中承头(4)的内径比插头(5)的外径大,承头(4)的端部有一段过渡圆锥面(6),插头(5)有一凸圆环(1),柔性连接时有一安装前套在插头(5)端部的具弹性的密封胶圈(3),密封胶圈(3)的内径小于插头(5)的端部外径,其外径则大于承头(4)的内径,当两根管承插头相互套入后插头的凸圆环(1)和端部(16)的外径分别与相连接管的承头(4)的过渡圆锥面(6)和承头的内径是相互搭接配合。
2、扩胀成型承插式柔刚两用接口钢管的制造方法,其特征在于通过对钢管的内孔施加均布载荷,使钢管端部整体圆周同时径向受力胀大并贴合在承、插头的模具上成型。
3、根据权利要求2所述的扩胀成型承插式柔刚两用接口钢管的制造方法,其特征在于承、插头在模具上成型的具体程序是:先把钢管的一端套在由多个模块组成的承头内模具(9)外,再将圆锥型扩孔头(8)插在内模具(9)的中央,液压缸轴(11)与扩孔头(8)连接在一起,当启动液压缸(10)时,圆锥形扩孔头(8)向下移动,通过其圆锥面迫使承头内模具(9)径向变大,使套在外围的钢管端部整体圆周同时径向受力胀大并贴合于内模具(9)上,按内模具(9)的尺寸成为具承头的管型。最后通过液压缸(10),使扩孔头(8)上移复位,将半成品管吊离,再把钢管的另一端套在插头内模具(9)外,其余的加工程序与承头相同,只是将承头的内模具(9)改为插头的内模具(9)。
4、根据权利要求2所述的扩胀成型承插式柔刚两用接口钢管的制造方法,其特征在于承、插头在模具上成型,具体程序是:把橡胶皮囊(14)装入钢管(7)的空腔内,再把钢管(7)整体放进外模具(13)内,启动液压泵,往橡胶皮囊(14)内注入压力液体,并利用液压泵向皮囊中的液体增加压力,将橡胶皮囊(14)胀大,迫使钢管(7)的两端整体圆周同时径向受力胀大并贴合外模具(13)上成型,最后折开外模具(13),吊出成型钢管。
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