CN205013895U - 预制拼装钢混复合式钢管 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种预制拼装钢混复合式钢管，钢管包括由带弧度的单元板片沿周向拼装形成的管体；相邻单元板片通过侧边法兰连接，每个单元板片首尾两端均设有与单元板片截面形状相吻合的端部法兰，同时，单元板片的外表面设有弧度与单元板片一致的加强环，并且在该加强环内填充混凝土。由于该钢管采用单元板片拼装而得，单元板片可叠层运输，方便运输的同时节省运费，大大缩短施工周期，同时降低造价，竞争优势明显；该管体内部无螺栓孔及螺栓，密封性好，提高了安全性；管内底部专门设有防冲刷金属层，防腐性及耐磨性得到了提高，从而延长使用寿命；管体适应变形性好，强度提高，可以解决因地基不均匀沉降导致的钢管破坏。

Description

预制拼装钢混复合式钢管

技术领域

本实用新型公开了一种钢管，尤其涉及一种预制拼装钢混复合式钢管。

背景技术

管道一般是运送流体的主要结构。现有的管道一般分为钢管、混凝土管、有机非金属管道、波纹钢管。当以上管道直径超过2.5米时，属于超高运输。钢管的直径一般最大也只能达到3米。国家标准的最大径口是2.4米，并且管壁很厚，要达到18mm～25mm厚度，造价高。混凝土管道的重量很大，是钢管的10倍左右，因此混凝土管管底的基础要做专项处理，并且每节管节长度只有2米左右，安装完成后，接头太多，容易产生泄露。另外，混凝土管道是刚性的，所以容易开裂。有机非金属材质的管道，因该管道材料本身弹性模量的限制，管道口径不能太大，一般小于1.5米。特别是该材质管道对温度很敏感，低温则脆，温度稍高则软，不耐火。钢板材质的钢波纹管涵则存在如下问题：①管体内部有波纹，流阻大。所以设计时不得不加大一级管径；②由于有波纹的存在，容易积淤，导致后期的清淤困难；③内壁布满轴向和周向螺栓孔，渗漏是工程难题；④螺栓及板片很容易被盗；⑤周向接缝螺栓受剪力，是应力集中区域，是不安全因素；⑥管体要做热镀锌防腐，成本高且污染环境；⑦管体内部波纹的迎水面易被冲刷、磨损以及防腐层会脱落；⑧管身柔性太大，易周向及轴向变形；⑨周向及轴向接缝太多，密封性及管身整体强度降低；⑩安装要求太高，很难达到设计要求；制作精度难把控。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种强度高、易于拼装和运输的预制拼装钢混复合式钢管。

技术方案：本实用新型所述的钢管，包括由带弧度的单元板片沿周向拼装形成的管体；相邻单元板片通过侧边法兰连接，每个单元板片首尾两端均设有与单元板片截面形状相吻合的端部法兰，同时，单元板片的外表面设有弧度与单元板片一致的加强环，并且在该加强环内填充混凝土。

由于钢管内部常年暴露在外、易受恶劣环境的腐蚀，同时钢管常常被水流冲刷，所以在单元板片的内表面设有金属内衬。

本实用新型中的加强环的截面为闭合状或半闭合状。

本实用新型的管体可由主钢带螺旋卷绕形成螺旋状管体，相邻主钢带之间形成螺旋型接缝，加强环可以螺旋方式卷绕扣合于管体的外壁以及螺旋形接缝处，用以保护接缝，该加强环呈螺旋状；单元板片由螺旋状管体裁剪形成任意片数，例如3片或4片不等；本实用新型的加强环还可以为套设于管体外壁的环状结构，每节管体上根据需要并列设置几个加强环。

本实用新型预制拼装钢混复合式钢管的一种制作方法，包括如下步骤：

A、准备用于制作管体的主钢带，将制作加强环的窄钢带，并将窄钢带弯曲成截面为半闭合状的加强环；

B、在主钢带的下表面贴合加强环形成复合型钢带，将该复合型钢带螺旋卷绕形成外壁带加强环的管体；

C、将管体切割成所需长度，并在其两端设置端部法兰；

D、纵向切割管体得到单元板片；

E、在单元板片的加强环内填充混凝土；

F、待混凝土凝固后，在单元板片两侧设置侧边法兰，得到无金属内衬的单元板片；

G、将单元板片沿周向拼装得到预制拼装钢混复合式钢管。

其中，在步骤A中，还可以准备用于制作金属内衬的衬里钢带；步骤B中，在主钢带的下表面贴合窄钢带，上表面贴合衬里钢带，形成复合型钢带，将该复合型钢带螺旋卷绕形成内壁带金属内衬、外壁带加强环的管体；按照步骤A-F制作得到带金属内衬的单元板片；将带金属内衬的单元板片和无金属内衬的单元板片拼装得到水位线以下管体内壁上设有金属内衬的预制拼装钢混复合式钢管。

本实用新型预制拼装钢混复合式钢管的另一种制作方法包括如下步骤：

A、准备用于制作管体的主钢带，用于制作加强环的窄钢带；

B、将主钢带螺旋卷绕形成管体；

C、将窄钢带弯曲成截面为闭合状的加强环，该加强环为环状结构，其直径略大于管体口径，且并列套设于管体外壁上；

D、将管体切割成所需长度，并在其两端设置端部法兰；

E、纵向切割管体得到单元板片；

F、在单元板片的加强环内填充混凝土；

G、待混凝土凝固后，在单元板片两侧设置侧边法兰，得到无金属内衬的单元板片；

H、将单元板片沿周向拼装得到预制拼装钢混复合式钢管。

其中在步骤A中，还准备用于制作金属内衬的衬里钢带；步骤B中，在主钢带的上表面贴合衬里钢带，形成复合型钢带，将该复合型钢带螺旋卷绕形成内壁带金属内衬的管体；按照步骤A-G制作得到带金属内衬的单元板片；将带金属内衬的单元板片和无金属内衬的单元板片拼装得到水位线以下管体内壁上设有金属内衬的预制拼装钢混复合式钢管。

实用新型原理：本实用新型巧妙的利用了石拱桥工作原理、管土受力原理和混凝土钢管工作原理。石拱桥原理是将块状的石材排列成圆弧状的拱，拱圈与周围的结构物或土石结合成稳定的承重结构。管土共同受力原理是管道在埋置后，管道上部的荷载不是靠管道的刚性来承受的，而是靠管道与四周土石相互之间受力，相互作用，就形成了管土共同受力作用，垂直向下的荷载就会转化为管体管壁子午向的内压力。而混凝土钢管工作原理是在空心的钢管内充填混凝土，利用混凝土的承压能力和钢管对混凝土的包围作用，使钢管的竖向承压能力增加的结构构件。另外，本实用新型将普通碳钢、不锈钢和混凝土三种材料有机的结合在一起，并充分利用各自的特点优势，在结构中承担不同的作用。在本实用新型中，首先利用石拱桥原理，将数片单元板片组装成圆管形或半圆管形。在管体周向回填土石之后，土石与管体之间相互受力，并将分片组装的管体结构稳定，管土共同受力效应形成，此时，管体上部垂直向下的动荷载与静荷载就转化为管体管壁内部周向内压力，即单元板片接触面的压力。这就要求管体管壁有很强的抗周向内压的能力，纵向截面就必须有较大的惯性矩，加强环的存在成几何倍数的加大了这个惯性矩。而在加强环内浇混凝土后，混凝土与包围它的钢板形成了混凝土钢管。根据混凝土钢管理论，混凝土钢管式组合结构，注满混凝土的钢管中，混凝土代替管壁承受环向压力，使该组合结构承受环向压力的能力成倍数提高。这个组合结构是对加强环承压能力的再次加强和提高，确保管壁在承压时不会壁面失稳和弯曲变形。同时，还可以将管壁和加强环的钢板减薄使用，节省材料。在这三个原理的支持下预制拼装钢混复合式钢管就具备了优良的性能。

本实用新型的优势在于不仅可以用于城市污水和工业污水管道以及城市综合管廊，还可以用作涵洞。此外，现有的钢管通常是先在工厂制作完成，然后运输至施工现场，由于钢管体积和质量较大，这不仅对运输的交通工具提出了较高的要求，而且运费非常昂贵，同时还存在现场施工难度大、造价高、工期长、易受气候等缺陷。同时，本实用新型的钢管可以解决一般管道存在的一些缺陷，并有如下优越性：①方便运输；②降低造价；③强度提高；④管体不易开裂；⑤内部平滑无流阻；⑥管内底部专门设置有不锈钢防冲刷层；⑦内部无螺栓孔及螺栓，密封性好；⑧舍弃抗剪螺栓，提高了安全性；⑨防腐性及耐磨性提高，使用寿命提高；⑩施工周期大大缩短；可以解决因地基不均匀沉降而导致的管道破坏。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下显著优点：该钢管时由单元板片进行拼装的，可先将单元板片可叠层运输，运输至施工场地后才进行组装，运输方便的同时节省了运费，竞争优势明显；该管体内部无螺栓孔及螺栓，密封性好，提高了安全性；管内底部专门设有金属防冲刷层，防腐性及耐磨性提高，使用寿命延长高；管体内部平滑无流阻，管体不易开裂，强度提高，可以解决因地基变形导致的钢管破坏；机械化加工，工作强度大幅减小，质量得到保障；该钢管的单元板片由螺旋状管体纵向裁剪形成，可以是任意片数。在分片后再进行内部不锈钢内衬的制作，可以大大降低设备投资的成本。拼装时把带不锈钢内衬的板片单元拼装在底部，可以更进一步的防止砂石对管体的冲刷。

附图说明

图1-14为本实用新型第一种实施方式的施工过程图；

图1为本实用新型三种钢带在生产线上的排列位置示意图；

图2为本实用新型窄钢带弯曲成加强环钢带的结构示意图；

图3为本实用新型三种钢带贴合后形成复合型钢带的结构示意图；

图4为本实用新型三种钢带贴合后形成复合型钢带的立体图；

图5为利用图4中的复合型钢带螺旋卷绕成钢管的示意图；

图6为将图5中的钢管切割成管节的结构示意图；

图7为将图6中管节两端设置了端部法兰的结构示意图；

图8为将图7中的钢管切割成单元板片的结构示意图；

图9为本实用新型带金属内衬的单元板片的剖视图；

图10为在本实用新型单元板片的加强环内填充混凝土后的剖视图；

图11为在本实用新型单元板片两侧设置了侧边法兰的结构示意图；

图12为本实用新型不带金属内衬的单元板片的剖视图；

图13、14为利用本实用新型单元板片拼装成钢管的横截面图；

图15-20为本实用新型第二种实施方式的部分施工过程图；

图15为本实用新型主钢带与衬里钢带贴合后的剖视图；

图16为本实用新型另一种加强环的结构示意图；

图17为将图16中的加强环套设于管体外壁的结构示意图；

图18为在图17管体两端设置了端部法兰的结构示意图；

图19为本实用新型另一种单元板片两侧贴合侧边法兰的剖视图；

图20为图19的A-A剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。

本实用新型的钢管包括由带弧度的单元板片101沿周向拼装形成的管体100，相邻管体可以根据需要拼接形成涵洞、管道、管廊等。该单元板片是弧形板片；管体的形状根据实际情况选择，可以为普通的圆柱形管体，也可以是截面为半闭合状(例如半圆形)的管体；同时，管体可采用高温耐候钢，根据美国ASTM标准推荐的腐蚀速率，每腐蚀0.25毫米的厚度，需要119年，本实用新型预留0.5mm腐蚀余量，则寿命超过200年，由于舍弃了热镀锌防腐，减少污染、有利于环境保护。

相邻单元板片101通过侧边法兰200连接，该侧边法兰优选为带有螺栓孔的平直钢板，也可以是其它能实现该功能的形状。

每个单元板片首尾两端均设有与单元板片截面形状相吻合的端部法兰300，该端部法兰用以连接相邻管节，其优选为带螺栓孔的圆弧板法兰。

单元板片101的外表面设有弧度与单元板片101一致的加强环400，该加强环400的截面为闭合状或半闭合状，其中闭合状可以为圆形、方形、梯形等，半闭合状可以为半圆形、抛物线形、梯形、正弦波浪形等。在该加强环400内填充混凝土600，因为混凝土参与承受压力，同规格钢管的周向承压能力约比普通的钢波纹管增加2～5倍。以本实用新型的钢管制作涵洞为例，正是因为混凝土参与承压，所以钢材的用量比钢波纹管式涵洞减少，综合造价约比钢筋混凝土式的涵洞降低50％，约比普通的钢波纹管式涵洞降低20～30％。另外，本实用新型的单元板片可预先在工厂内制作，然后运输至施工现场，根据现场情况拼装得到钢管；由于单元板片运输方便、施工不受气候影响，且每节管道的长度为10米左右，周向拼装的接缝是普通钢波纹管涵洞的1/6，施工快速，工期是现浇混凝土涵洞的1/5，是钢制波纹管涵洞的1/2；同时，由本实用新型管道制作的涵洞重量轻，重量只有混凝土式涵洞重量的1/6-1/3。

由于钢管常年暴露在外，易受恶劣环境的腐蚀和水流的冲刷，所以在单元板片的内表面设有金属内衬500。该内衬可以为不锈钢内衬，内衬与钢管壁之间的夹层完全封焊，内衬的氧气及水分消耗完毕后即停止氧化，防止干湿交替腐蚀，防腐蚀效果好。

本实用新型的管体可由主钢带102螺旋卷绕形成螺旋状的管体100，相邻主钢带102之间形成螺旋形接缝103，加强环400可以螺旋方式卷绕扣合于管体的外壁以及螺旋形接缝处，用以保护接缝，这样的加强环为螺旋形状，加强环还可以为环状结构、并列独立地套设于管体外壁上。本实用新型的单元板片由螺旋状管体纵向裁剪形成任意片数，例如3片或4片不等。

本实用新型的钢管采用如下方法制作而成：

制作前，根据所螺旋焊接钢管的直径，将螺旋成型机的成型角调节为合适值。

A、如图1、2所述，预备主钢带102、窄钢带401并将窄钢带弯曲成截面为半圆形的加强环400，以及衬里钢带501。

B、在主钢带102的下表面贴合窄钢带401形成复合型钢带，上表面贴合衬里钢带501，将得到的复合型钢带螺旋卷绕形成外壁带加强环、内壁带金属内衬的管体，其中，这里的“贴合”可以是焊接，衬里钢带501的宽度可以小于主钢带102的宽度，例如一条主钢带对应两条衬里钢带和三条窄钢带，再将衬里钢带与管体内壁之间的缝隙采用三位一体焊全部封焊，如图3-5、图9所示。如图4所述，部分加强环可以设于主钢带边缘处，加强环一端与主钢带连接，另一端悬空，当复合型钢带卷绕形成螺旋形钢管时，并且该螺旋形钢管上有螺旋形接缝103，悬空加强环的一侧扣于该螺旋形接缝上，以此保护接缝。

C、如图6-7所示，将管体切割成所需长度，并在其两端焊接端部法兰300；

D、如图8所示，采用本领域通用的设备将管体纵向切割成3或4片单元板片101，当然也可以为任意片数的单元板片；

E、如图10所示，在单元板片的空心加强环内浇注混凝土600；

F、如图11所示，待混凝土凝固后，在单元板片两侧焊接侧边法兰200，得到每片均带金属内衬的单元板片；

本实用新型可以去掉步骤A中的衬里钢带，重复B至F步骤，即可得到每片均无金属内衬的单元板片，如图12所示。

再按设计要求，将两种单元板片沿周向组装，其中，带金属内衬的单元板片装在管体的底部及其周围，可组装形成一节预制拼装钢混复合钢管，该节钢管由3或4片单元板片拼装而得，如图13-14所示；将组装成节的钢管沿轴向连续组装成设计长度，即可完成制作。

如图15-20所示，本实用新型的钢管还可以采用另一种方法制作而成：

A、预备用于主钢带102和窄钢带401；

B、将主钢带螺旋卷绕形成管体100；

C、将窄钢带401弯曲成截面为圆形的加强环400，且该加强环为圆环结构，其直径略大于管体口径，并列套设焊接在管体外壁上，如图16-17所示；

D、将管体切割成所需长度，并在其两端焊接端部法兰300，如图18所示；

E、采用本领域通用的设备将管体纵向切割得到单元板片101，；

F、在单元板片的加强环内填充混凝土600；

G、待混凝土凝固后，在单元板片两侧焊接侧边法兰200，得到每片均无金属内衬的单元板片；

本实用新型在步骤A中还可以预备衬里钢带501，如图15所示；步骤B中，在主钢带的上表面贴合衬里钢带，形成复合型钢带，将该复合型钢带螺旋卷绕形成内壁带金属内衬的管体，如图19-20所示，按照步骤C-G制作得到每片均带金属内衬的单元板片。

再按设计要求，将两种单元板片沿周向组装，其中，带金属内衬的单元板片装在管体的底部及其周围，可组装形成一节预制拼装钢混复合钢管，该节钢管由3或4片单元板片拼装而得；将组装成节的钢管沿轴向连续组装成设计长度，即可完成制作。

本实用新型的钢管质量高，所有的带孔的部件，包括例如侧边法兰和端部法兰，其加工完毕后，不再进行弯曲和塑性变形加工，孔的外形不再发生变化，孔的位置不再有加工偏移。安装施工时，对孔及穿螺栓快速，安装方便。而一般的钢波纹管式涵洞，所有的螺栓孔都是在前期完成后在进行弯曲卷圆，进行弯曲变形和塑性变形后孔的外形会有变化，孔的位置会发生偏移，在现场安装时，对孔困难。甚至经常在现场用火焰重新割孔，违反施工要求。

同时，本实用新型由于加工方法与普通的钢波纹管涵洞不同，保证了加工质量和加工精度。一般的分片拼装的每片板片单元是单独弯曲卷圆，每片板片单元的曲率存在不同的偏差，组装成圆形后，圆度偏离差较大，故交通部的标准容许圆度偏差达到±2％。而本实用新型的钢管是先加工成一个整圆管，然后在进行分割，分割后每片板片单元的曲率一致，圆度偏差缩小，可缩小到±1％以内，提高一倍以上。

本实用新型的钢管内壁无螺栓孔，可防渗漏、防盗窃；并且内壁无螺栓及波纹，流阻大大减少，后期清淤维护方便；同时，单元板片拼装时所用的周向螺栓只起到简单的紧固作用，螺栓孔的孔壁也不再承压，单元板片周向拼装时所用螺栓去掉了一个应力集中环节，避免了一般钢波纹管式涵洞需要进行搭接缝强度计算，由于接缝处是应力集中点，厚度一般不能满足设计要求，迫使整个管体厚度加大，浪费材料。

本实用新型的大直径的预制拼装钢混复合式钢管拆分为标准片后，可层叠运输，节省运费。每节管体的长度可以很长，长度一般为8-10米左右。而普通的钢波纹管式涵洞每节长度只有0.9-1.5米，周向接缝多出6倍多，易渗漏，强度低。单元板片之间的接触面全部由普通钢波纹管涵洞的曲面变为平面，使接触面的密封性完全改变，密封效果大幅度提高。本实用新型钢管可少量变形吸收沉降及地震能量，不易使其开裂，沉降大的地方，可每隔一定距离设置专门的全密封伸缩沉降钢管。纵坡角度大的工况条件下，也可以使用本实用新型的钢管，角度甚至可以达到90度，即可以在垂直状态下使用。

本实用新型减少或根本舍弃了常规建材，如水泥、黄沙、石子、木材的使用，有利于环境保护，低碳环保，意义深远。

本实用新型单元板片由螺旋状管体纵向裁剪形成，可以是任意片数。

本实用新型钢管采用机械化加工，工作强度大幅减小，质量得到保障。

本实用新型的钢管可用作公路涵洞、城市污水和工业污水管道以及城市综合管廊等。

实施例1带螺旋状加强环的预制装拼钢混复合式钢管的实施方案

根据所制作的螺旋焊接钢管的直径，将螺旋成型机的成型角调节为合适值。主钢带板材进行除锈、喷丸处理后，将螺旋焊接钢管用窄钢带和衬里钢带(数量按实际情况设定)经过放卷、矫平、修边等工序后，按主钢带、衬里钢带和窄钢带顺序排列，较宽的衬里钢带间留有1-2mm的间隙，窄钢带再经过弯曲机构，弯曲成断面为半圆弧状的板带，即为加强环。将加强环上移，与主钢带板材贴合，将主钢带板材与加强环两侧的接触部分焊接在一起,同时较宽的衬里钢带下移，与主钢带板材贴合后，利用气体保护焊将衬里钢带、主钢带板材以及加强环进行三位一体焊接，形成的复合钢带送入卷圆机构，得到外壁带加强环、内壁带金属内衬的管体。将管体切割成所需长度，并在其两端钻孔、焊接端部法兰，然后将钢管按周向分割成相应的单元板片，该单元板片带有一定弧度，在其两侧焊接带螺栓孔的平钢板(即为侧边法兰)，用于周向拼接，将平钢板上多余的加强环去除，拼装后将分段的加强环连接成一个整体。可以用钢筋穿入空心加强环内，并在空心加强环内注入高强度混凝土，如此得到带金属内衬的单元板片。去除衬里钢带，重复上述步骤，得到不带金属内衬的单元板片。拼装时，将带不锈钢内衬的单元板片放在底部及其周围，组装形成一节预制拼装钢混复合钢管。

实施例2带环状加强环的预制拼装钢混复合式钢管的实施方案

步骤与实施例1基本相同，不同之处在于加强环单独制作，而不与主钢带和/或衬里钢带贴合形成复合钢带。将窄钢带弯曲成断面为圆形的加强环，且将该加强环制作成一个可套设在管体外壁上的圆环，该圆环独立并列焊接在管体外壁上。其中，由于受主钢带板宽的限制，主钢带等卷圆时，环状加强环的长度只能是管体的一个圆周。

Claims (5)

1.一种预制拼装钢混复合式钢管，其特征在于：包括由带弧度的单元板片(101)沿周向拼装形成的管体(100)；相邻单元板片(101)通过侧边法兰(200)连接，每个单元板片(101)首尾两端均设有与单元板片(101)截面形状相吻合的端部法兰(300)，同时，单元板片(101)的外表面设有弧度与单元板片(101)一致的加强环(400)，并且在该加强环(400)内填充混凝土(600)。

2.根据权利要求1所述的预制拼装钢混复合式钢管，其特征在于：所述单元板片(101)的内表面设有防止水流冲刷和腐蚀的金属内衬(500)。

3.根据权利要求1所述的预制拼装钢混复合式钢管，其特征在于：所述管体(100)内壁位于水位线以下的单元板片(101)上设有金属内衬(500)。

4.根据权利要求1-3任一所述的预制拼装钢混复合式钢管，其特征在于：所述加强环(400)的横截面为闭合状或半闭合状。

5.根据权利要求1-3任一所述的预制拼装钢混复合式钢管，其特征在于：所述单元板片(101)由螺旋状的管体裁剪而成，该管体(100)由主钢带(102)螺旋卷绕形成螺旋状的管体，相邻主钢带(102)之间形成螺旋形接缝(103)，所述加强环(400)以螺旋方式卷绕扣合于管体(100)的外壁以及螺旋形接缝(103)处，或该加强环(400)为环状结构、并列套设于管体(100)外壁。