CN113085910B - 一种环向绝缘的管道结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环向绝缘的管道结构及制作方法，解决了现有技术中纯钢制管道存在导电和建设成本高的问题，具有保证真空管道气密性、绝缘的有益效果，具体方案如下：一种环向绝缘的管道结构，包括至少两层混凝土层，相邻两层混凝土层之间夹有拼装层；拼装层包括第一板和拼接件，第一板和拼接件拼成环形的拼装层，拼接件的材料为绝缘材料，拼接件与第一板固定连接；拼接件包括沿着管道结构环向设置的环向拼接件和沿着管道结构轴向设置的轴向拼接件，环向拼接件与轴向拼接件在交叉处连接。

Description

一种环向绝缘的管道结构及制作方法

技术领域

本发明涉及真空管道超高速列车领域，尤其是一种环向绝缘的管道结构及制作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

截止至2019年底，中国已建成世界上最大的高速铁路网络。中国高铁总建设里程已超过3.5万公里，覆盖全国29个省级行政区。当传统高铁在中国快速发展的同时，有“第五种交通工具”之称的真空管道超高速列车也渐渐进入人们的视野。真空管道超高速列车作为一种新型尖端轨道交通技术，采用“磁悬浮+低真空管道”，利用磁悬浮与地面脱离接触消除摩擦阻力，通过内部接近真空的管道有效减少空气阻力和噪声，实现磁浮列车在接近真空的低压管道内超高速行驶。开展低真空环境时速千公里级的磁悬浮列车研究，是航天科技与高铁技术相结合的一次颠覆性技术革命，已成为当今世界轨道交通领域研究的重点和热点。

超高速列车的运行需要配套相应的基础设施，其中最关键的部分之一就是低真空管道。无论是在地上或地下建立密闭管道，都需要先通过抽取空气令管道内部达到接近真空，然后磁悬浮列车才能在极弱的空气阻力下超高速运行。因此，这就要求管道具有超高的气密性，以保证列车运行过程中管道内部低真空环境的稳定性。钢制管道是一种选择，一方面材料本身具有很高的强度，另一方面其气密性能达到要求。因此国外很多研究机构在建设超高速列车试验线时都采用纯钢筒管道。

但是，发明人发现，纯钢筒管道1存在两个明显的弊端。参考图1所示，一是基于超导原理的磁悬浮列车通过时，管道中会形成电流场(尤其在环向)，电流2的产生会导致磁阻力的形成，从而对列车的运行产生影响(磁悬浮列车车体携带超导体，类似一个巨大的磁体，而钢制管道相当于线圈，那么根据法拉第定律，磁体沿线圈截面进行穿梭时，线圈中会形成电流，从而会形成磁阻力)。

二是钢制管道成本较大。目前国外的试验线均在5km以内，造价成本还可以接受；但考虑后期的实际应用，飞行列车的线路将是几百上千甚至上万公里，纯钢制管道的建设成本将是巨大的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种环向绝缘的管道结构，避免真空管道结构环向导电，而且提高管道的支撑强度，并保证管道的气密性，能有效满足超高速飞行列车运行对低真空管道气密性及不产生磁阻力的特殊要求。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种环向绝缘的管道结构，包括至少两层混凝土层，混凝土层沿着管道的环向设置，相邻两层混凝土层之间夹有拼装层；

拼装层包括第一板和拼接件，第一板具有设定的强度，第一板和拼接件拼成环形的拼装层，拼接件的材料为绝缘材料，拼接件与第一板固定连接；拼接件包括沿着管道结构环向设置的环向拼接件和沿着管道结构轴向设置的轴向拼接件，环向拼接件与轴向拼接件在交叉处连接。

上述的管道结构，并非纯钢筒结构件，其在环向设置多层混凝土层，混凝土层中之间设置拼装层，拼装层中拼接件为绝缘材料，通过绝缘的拼接件连接第一板，由此降低管道结构在环向的导电性能；进一步混凝土层与拼装层的混合搭配，使得低真空管道结构的制造成本得到有效降低；而且混凝土层可提供支撑大气压及管道结构自重的抗压能力，保证管道结构的整体稳定性。

如上所述的一种环向绝缘的管道结构，最内层所述混凝土层内侧涂覆有第一涂层；

最外层混凝土层的外侧涂覆有第二涂层，通过第一涂层和第二涂层涂覆于混凝土层的表面，不仅可以增强管道结构的整体气密性，且延缓混凝土层在低真空服役环境下水分损失；而且可以防止外界气体、离子或水分进入混凝土层内部进而腐蚀水泥基材料及拼装层，有效提升外层混凝土层及管道整体的耐久性。

如上所述的一种环向绝缘的管道结构，为了保证拼装层的整体性，所述拼装层中所述第一板设于所述拼接件的两侧，所述拼接件两侧的第一板接触设置，或者拼接件两侧的钢板之间间隔距离设置。

如上所述的一种环向绝缘的管道结构，为了实现第一板与拼接件的可靠连接，所述拼装层中所述第一板与所述拼接件通过锁紧件紧固连接，锁紧件可为螺栓或螺丝，螺栓或螺丝的头部或端部可在混凝土层成型过程中，增强水泥基材料与拼装层的粘结强度，有利于提高管道结构的稳定性。

如上所述的一种环向绝缘的管道结构，为了方便拼装层的安装，沿着所述管道的环向方向设置多条所述的环向拼接件，每一环向拼接件均包括多段环向拼接件，相邻两段环向拼接件之间通过锁紧件连接。

如上所述的一种环向绝缘的管道结构，沿着管道的轴向方向设置多条轴向拼接件，每条轴向拼接件包括多段轴向拼接件，相邻两段轴向拼接件之间通过锁紧件连接，通过轴向拼接件和环向拼接件限定了第一板的设置空间，可有效保证第一板与拼接件的连接可靠性。

如上所述的一种环向绝缘的管道结构，所述拼接件的材料为聚乙烯塑料板，聚乙烯塑料板具有较好的耐腐蚀、电绝缘性能。

如上所述的一种环向绝缘的管道结构，所述混凝土层的原材料为水泥基材料，水泥基材料包括如下成份：水泥、粉煤灰、硅灰、中砂、粒径小于8mm的碎石、水和减水剂，各成份的重量依次为：280-320、45-60、20-28、800-920、900-1000、130-180和7-12，单位为kg/m³。

第二方面，本发明还提供了一种环向绝缘的管道结构的制作方法，包括如下内容：

制备拼装层，通过第一板和拼接件拼成环形的拼装层；

制作混凝土层成形的模具，将拼装层固定于模具中，将制备的水泥基材料浇筑于模具中；

待管道硬化后拆除模具，并养护设定时间。

如上所述的一种环向绝缘的管道结构的制作方法，还包括如下内容：

在养护设定时间后，对混凝土层进行干燥处理；

干燥后，对最内层混凝土层的内侧涂覆第一涂层，在外层混凝土层的外侧涂覆第二涂层。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明通过混凝土层之间设置拼装层，拼装层由具有设定强度的第一板和拼接件拼装而成，相比于现有的纯钢筒管道和钢管混凝土管道，可有效保证管道结构的气密性，同时，降低管道结构在环向的导电性能；且拼装层与混凝土层的搭配结构，大大降低了纯钢管结构的制造成本。

2)本发明通过混凝土层作为拼装层的内外侧支撑，不仅可提供支撑大气压及管道自重的抗压能力，而且其高碱性环境可有效保护管道中第一板不锈蚀。

3)本发明拼装层中通过拼接件与第一板的可靠连接，保证拼装层的性能，使得拼装层具有较高的强度、韧性，而且降低管道结构的环向导电性能。

4)本发明通过在管道结构的内表面和外表面均涂覆涂层，可增强管道的整体气密性，且延缓水泥基材料在低真空服役环境下水分损失；而且可以防止外界气体、离子或水分进入水泥基材料内部进而腐蚀水泥基材料及钢筒，有效提升混凝土层及管道整体的耐久性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是现有的纯钢筒管道示意图。

图2是本发明根据一个或多个实施方式的一种环向绝缘的管道结构中拼装层的示意图。

图3是本发明根据一个或多个实施方式的一种环向绝缘的管道结构的半剖示意图。

图4是本发明根据一个或多个实施方式的一种环向绝缘的管道结构中拼接件与钢板连接处的示意图。

图5是纯混凝土管道、钢管混凝土管道和具有拼装层的管道结构三者的环向绝缘性检测结果(30V直流电压)对比图。

图6是纯混凝土管道、钢管混凝土管道和具有拼装层的管道结构三者的气密性检测结果对比图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1.纯钢筒管道，2.电流，3.钢板，4.拼接件，5.第一涂层，6.第二涂层，7.混凝土层，8.螺栓。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在纯钢管结构存在制作成本高、其环向存在导电的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种环向绝缘的管道结构。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，参考图3所示，一种环向绝缘的管道结构，包括至少两层混凝土层7，相邻两层混凝土层7之间夹有拼装层，混凝土层布设于拼装层的外侧和内侧，混凝土层不仅可提供支撑大气压及管道自重的抗压能力，而且其高碱性环境可有效保护管道中钢板不锈蚀。

本实施例中，设置两层混凝土层，分别为内层混凝土层和外层混凝土层。

参考图2所示，拼装层包括第一板和拼接件4，第一板可为钢板3，通过钢板3和拼接件4拼成环形的拼装层，拼接件4为绝缘材料，拼接件4与钢板3固定连接，且拼接件两侧的钢板接触设置，或者拼接件两侧的钢板之间间隔距离设置，通过绝缘的拼接件与钢管的拼装，使得拼装层在环向导电性能降低，由此避免现有技术中钢管混凝土管道内部的钢管可导电的情况。

可以理解的是，即使拼接件两侧钢板接触设置，因拼装层中钢板不是一个整体结构，因此降低拼装层的导电性能。

为了降低拼装层的导电性能，相邻两钢板之间间隔设定距离，且相邻两钢板之间设置两层拼接件，拼接件设于相邻两钢板端部的内侧和外侧，通过锁紧件依次穿过内侧拼接件、钢板端部和外侧的拼接件，在混凝土层成形过程中，拼接件因突出于钢板，拼接件可与混凝土层连接为一体结构。

在拼装层的内侧涂覆第一涂层5，在混凝土层的周侧涂覆第二涂层6，第一涂层5和第二涂层6均为防水涂层，这样第一涂层5和第二涂层6不仅可以增强管道的整体气密性，且延缓混凝土层在低真空服役环境下水分损失；而且可以防止外界气体、离子或水分进入混凝土层内部进而腐蚀混凝土层中的水泥基材料及钢板，有效提升外层混凝土层及管道整体的耐久性。

具体地，第一涂层5和第二涂层6可选用现有的混凝土涂料。

拼接件4和钢板3的拼装而成的拼装层，因拼接件和钢管的性能，使得拼装层不仅具有高强度、高韧性，同时也具有较好的气密性，满足高速飞行列车运行对低真空管道的特殊要求。

容易理解的是，拼装层包括多圈钢板3，每一圈钢板共设置两块或三块弧形钢板，优选地，共设置三块弧形钢板，不仅能有效降低拼装层的导电性能，而且方便钢板与拼接件的安装。

拼接件具有设定的长度和宽度，参考图4所示，拼接件与钢板固定连接，具体地，拼接件4和钢板3在拼装处各自设置多个通孔，通孔为螺纹孔，螺栓8穿过拼接件4和钢板3的螺纹孔，并通过螺母锁紧实现拼接件和钢板的锚固，螺栓8的头部和螺母从拼装层的两侧露出，这样在两层混凝土层成形过程中，螺栓与混凝土层更加紧密地结合在一起，增强了混凝土层与拼装层的粘结强度，利于管道整体的稳定性。

在一些示例中，拼接件设置通孔，钢板设置盲孔，由此螺栓不会从钢板穿过设置。

进一步，拼接件4沿着管道的环向方向和轴向方向均设置有多处，为了方便安装，沿管道结构环向方向设置多条环向拼接件，每一环向拼接件包括至少一段，优选地，每一圈共设置多段环向拼接件，每一段环向拼接件均为弧形，相邻两环向拼接件之间通过锁紧件如螺栓固定连接。

沿着管道的轴向方向设置多条轴向拼接件，轴向拼接件与环向拼接件之间通过锁紧件如螺栓连接。

针对轴向拼接件，每条轴向拼接件包括多段轴向拼接件，相邻两段轴向拼接件之间同样可通过锁紧件如螺栓进行连接。

需要说明的是，拼接件的材料为现有技术中的聚乙烯塑料板。

需要解释的是，本实施例中采用混凝土层，混凝土层的原材料为水泥基材料，水泥基材料也有效提高管道的气密性，并有利于提高管道的绝缘性，水泥基材料可采用现有技术中的高性能水泥基材料，具有一定的密实性。

当然，在一些示例中，水泥基材料包括如下成份：水泥、粉煤灰、硅灰、中砂、碎石(粒径小于8mm)、水和减水剂，各成份的重量依次为：280-320、50-60、22-27、830-920、900-1000、130-180和7-12,单位为kg/m³，水胶比(水与胶凝材料的质量比，胶凝材料为水泥、粉煤灰及硅灰)为0.3-0.48，通过各材料的选择，及配比的合适选择，能够充分保证水泥基材料的性能，提高混凝土层的密实性，以保证真空管道的气密性。

实施例二

一种环向绝缘的管道结构的制作方法，包括如下内容：

制备拼装层，通过钢板和拼接件拼成环形的拼装层；

制作混凝土层成形的模具，将拼装层固定于模具中，将制备的水泥基材料浇筑于模具中；

待管道硬化后拆除模具，并养护设定时间。

一些示例中，养护14天以上，由于在低真空环境下，水泥基材料内部的水分会快速的蒸发损失，如果水泥基材料此时水化不充分，那么水泥基材料表面出现裂缝导致其性能及密实性下降的可能性将大大增加。因此，养护14天以上是为了保证水泥基材料充分水化并提升材料性能及密实性的稳定性。

在对混凝土层养护设定时间后，对管道进行干燥处理；干燥的目的一是方便喷涂或粉刷涂层，二是防止水泥基材料中的多余水分导致管道结构环向导电。

最后，内层混凝土层的内侧涂覆第一涂层，在外层混凝土层的外侧涂覆第二涂层，第一涂层和第二涂层为相同的涂层，可都为混凝土涂层。

具体地，以实际示例进行举例，制作管道，管道的内径320mm，外径400mm，高600mm的管道，其中拼装层的直径360mm。

一种环向绝缘的管道结构的制作方法，包括如下内容：

选用玻璃纤维和聚乙烯树脂复合制备拼接件，选用普通碳钢制备尺寸(长×宽×厚)为600mm×375mm×2mm的弧形薄钢板，因此由三块该尺寸薄钢板及三条轴向拼接件就可拼接成直径为360mm的圆筒形拼装层。

沿每块薄钢板两个长边分别等间隔预留12个直径为5mm左右的圆孔，通过螺丝或螺栓将环形拼接件和钢板紧密固定。

由此，实现对设定长度管道内拼装层的拼装，拼装后，将拼装层置于模具的中间位置，利用表1中的各材料及配合比制备水泥基材料，并浇筑到模具中。

表1高性能高密实混凝土配合比(kg/m³)

水泥	粉煤灰	硅灰	中砂	碎石(<8mm)	水	水胶比	减水剂
								300	55	25	860	950	160	0.42	9

分层浇筑并充分振捣，保证混凝土在模具中完全填充。浇筑完成后抹面并覆盖保鲜膜，放于室温下待其硬化。48h后拆除模具，并将预制的管道放置于温度23±2℃、湿度大于90％的条件下养护至龄期28d。

养护完成后对管道进行晾干，接下来对其环向绝缘性及气密性进行检测。

首先检测管道结构环向绝缘性：对管道结构环向一侧端部的钢板施加不同大小的电压，通过电流检测仪检测管道结构中另一侧端部的钢板是否有电流通过以及电流大小。注意，环向电流检测过程中要确保安全。

然后检测管体的气密性。利用钢制盖板和密封胶如橡胶圈密闭管道两端，尤其是界面处要进行严格密闭处理，确保外界气体无法通过管道两端进入管道内部。其中一端钢制盖板中央留有抽气孔，通过抽气孔连接气压表及真空泵。将管道内气压抽至-0.1后停止抽真空，并记录管道内气压值升高0.001Mpa所需时间(从-0.1增大到0.09)的时间，以此来反映管道结构的气密性。

另外，制作相同大小的纯混凝土管道，最后通过相同的方法评估纯混凝土管道的气密性和环向绝缘性；

并制作钢管混凝土管道，即内部夹层为纯钢管，通过相同的方法评估钢管混凝土管道的气密性和环向绝缘性。

三类管道的环向绝缘性和气密性检测数据如图5和图6所示。从图5中可以看出，采用拼装层的管道结构的环向绝缘性非常好，与纯混凝土管道相近，而呈数量级的低于纯钢筒混凝土管道。因此说明该类型复合夹层管道满足了超高速列车运行对管道结构环向绝缘性的要求。

而由图6可知，纯混凝土管道气密性较差，纯混凝土管道还是具有一定的透气性；而采用拼装层的管道结构(图6中的复合夹层)的气密性与纯钢管混凝土相当，具有超高的气密性，能够在长时间内保持低真空环境稳定。因此采用拼装层的管道结构也满足了超高速列车运行对管道超高气密性的要求。

综上，本发明的超高气密性且环向绝缘管道结构及制备方法能够满足超高速列车运行对管道的特殊要求，大大推动了超高速飞行列车基础设施的建设。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种环向绝缘的管道结构，其特征在于，包括至少两层混凝土层，

混凝土层沿着管道的环向设置，相邻两层混凝土层之间夹有拼装层；

拼装层包括第一板和拼接件，第一板和拼接件拼成环形的拼装层，拼接件的材料为绝缘材料，拼接件与第一板固定连接；拼接件包括沿着管道结构环向设置的环向拼接件和沿着管道结构轴向设置的轴向拼接件，环向拼接件与轴向拼接件在交叉处连接；

所述拼装层中所述第一板设于所述拼接件的两侧，所述拼接件两侧的第一板接触设置，或者拼接件两侧的第一板之间间隔距离设置，所述第一板为钢板；

沿着所述管道的环向方向设置多条所述的环向拼接件，每一环向拼接件均包括多段环向拼接件，相邻两段环向拼接件之间通过锁紧件连接；

通过绝缘的拼接件与钢管的拼装，拼装层环向导电性能降低，避免钢管混凝土管道内部的钢管可导电的情况；

拼接件两侧钢板接触设置，拼装层中钢板不是一个整体结构，能够降低拼装层的导电性能；

最内层所述混凝土层内侧涂覆有第一涂层；

最外层混凝土层的外侧涂覆有第二涂层；

第一涂层和第二涂层均为防水涂层，第一涂层和第二涂层增强管道的整体气密性，延缓混凝土层在低真空服役环境下水分损失。

2.根据权利要求1所述的一种环向绝缘的管道结构，其特征在于，所述拼装层中所述第一板与所述拼接件通过锁紧件紧固连接。

3.根据权利要求1所述的一种环向绝缘的管道结构，其特征在于，沿着管道的轴向方向设置多条轴向拼接件，每条轴向拼接件包括多段轴向拼接件，相邻两段轴向拼接件之间通过锁紧件连接。

4.根据权利要求1所述的一种环向绝缘的管道结构，其特征在于，所述拼接件的材料为聚乙烯塑料板。

5.根据权利要求1所述的一种环向绝缘的管道结构，其特征在于，所述混凝土层的原材料为水泥基材料，水泥基材料包括如下成份：水泥、粉煤灰、硅灰、中砂、粒径小于8mm的碎石、水和减水剂，各成份的重量依次为：280-320、45-60、20-28、800-920、900-1000、130-180和7-12。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种环向绝缘的管道结构的制作方法，其特征在于，包括如下内容：

制备拼装层，通过第一板和拼接件拼成环形的拼装层；

制作混凝土层成形的模具，将拼装层固定于模具中，将制备的水泥基材料浇筑于模具中；

待管道硬化后拆除模具，并养护设定时间。

7.根据权利要求6所述的一种环向绝缘的管道结构的制作方法，其特征在于，还包括如下内容：

在养护设定时间后，对混凝土层进行干燥处理；

干燥后，对最内层混凝土层的内侧涂覆第一涂层，在外层混凝土层的外侧涂覆第二涂层。

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