專利名稱：擴(kuò)脹成型的承插式柔剛兩用接口鋼管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管材，特別是一種鋼管。
管道是輸送介質(zhì)最快捷、經(jīng)濟(jì)和可靠的方法，天然氣、水、石油、煤塊等都可以通過管道來輸送。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，管道的使用量越來越大，管徑也越來越粗，如上海市的長江引水工程就使用DN2.7米的鋼管，而廣州市的西北江輸水工程，則擬使用DN3.5米的鋼管。
目前管道的主要管材有塑料管、水泥管、鑄鐵管及鋼管等，這些管材，都存在有各自的問題。其中塑料管抗壓差，水泥管重量大、質(zhì)量差，鑄鐵管強(qiáng)度低并有直徑限制等。相比之下，鋼管在管材質(zhì)量方面，大大優(yōu)于上述其它管材，因此被廣泛使用，尤其在大直徑的管道中，由于鋼管具有強(qiáng)度高、韌性好、重量輕、能承受很高的內(nèi)壓等優(yōu)點(diǎn)而成為首選的管材。但在應(yīng)用上，隨著選用管徑的越來越大，鋼管的接口安裝存在的工藝復(fù)雜、效率差、施工成本重、影響接口質(zhì)量因素較多等弱點(diǎn)也就更加明顯，成為制約鋼管管道發(fā)展的最重要的因素。
目前鋼管接口形式主要有螺紋連接、佛蘭連接及焊接連接等，其中螺紋連接只適用于小直徑鋼管，而佛蘭連接雖然質(zhì)量可靠而且適用于較大直徑的鋼管，但需增加佛蘭等配件，成本很高，難以普遍使用。焊接連接是指通過焊接工藝，使鋼管實(shí)現(xiàn)連接。這種方法在中大型直徑鋼管管道中普遍使用，但由于接口是現(xiàn)場人工焊接，所以存在工藝復(fù)雜落后、焊接工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工效率低、焊縫質(zhì)量受環(huán)境、天氣及操作者的操作質(zhì)量直接影響以及接口的焊縫無法消除殘余應(yīng)力，當(dāng)?shù)匦?、溫度或載荷發(fā)生變化，有缺陷的接口焊縫就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，這是鋼管通常出現(xiàn)爆裂事故的主要原因。在國外，為了提高接口的質(zhì)量，在一些重要的接口，也有采用外加套管焊接接口的方法(如圖1所示)。這種方法是把原接口的對(duì)接焊縫變搭接焊縫，所以接口的強(qiáng)度得到一定的提高，但必須增加套管及增加近3倍的焊縫焊接的工程量，使施工成本明顯增加、工效更低。因此沒有被大量使用。此外，由于這同樣是一種剛性連接，當(dāng)?shù)鼗兓瘯r(shí)，管道承受的外力仍然無法消除。
承插式柔性接口連接，在水泥管和鑄鐵管中普通使用，它具有安裝方便、工效高和施工質(zhì)量容易保證等優(yōu)點(diǎn)。但柔性接口最大的弱點(diǎn)是管道的轉(zhuǎn)彎、三通、變徑和堵頭的管段需搗制混凝土止推加固墩，防止管道位移。因此這成為制約大型管道采用柔性接口的關(guān)鍵技術(shù)，因此如何采用低成本，把每根鋼管制成具有承插式柔性和剛性(焊接)兩用的接口的，滿足不同環(huán)境對(duì)接口形式的需要，從根本上解決原鋼管的安裝存在的薄弱環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮鋼管管材的優(yōu)勢，這是鋼管管道發(fā)展的方向。
本發(fā)明的目的，是提供一種制造成本低、成型精度高、安裝效率高、安裝質(zhì)量好，安裝時(shí)根據(jù)實(shí)際情況既可無需焊接而采用柔性連接，又可采用剛性(焊接)連接，同時(shí)亦可采用剛?cè)岵⒂玫奶貜?qiáng)連接的新型高級(jí)鋼管管材及其制造方法。
承插式柔性和剛性(焊接)兩用接口鋼管是采用擴(kuò)脹工藝，使鋼管兩端分別按模具形狀擴(kuò)脹成具特別尺寸的承頭和插頭、在柔性連接時(shí)，只需將膠圈套在插頭上，再把插頭插進(jìn)另一根鋼管的承頭內(nèi)，便可實(shí)現(xiàn)密封連接，使在提高安裝效率的同時(shí)又較大降低鋼管的安裝成本，在剛性連接時(shí)，則在兩根管的承插頭套入的內(nèi)外搭接面進(jìn)行焊接連接，這種焊接口強(qiáng)度特別高，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，解決了原鋼管焊接縫易爆裂的現(xiàn)象。因此在過河管、架空管等需要?jiǎng)傂赃B接的管段，通過對(duì)承插頭套入的搭接面焊接，使之成為剛性特別強(qiáng)的管道、同時(shí)在管道轉(zhuǎn)彎、三通、變徑或堵頭的管段既可采用剛性連接、又可在柔性連接的基礎(chǔ)上通過增加適當(dāng)?shù)暮缚p連接，承受拉力，使管道與泥土產(chǎn)生的摩擦力替代原需搗制混凝土加固墩的止推作用，因此這種管材不但保持鋼管管材的優(yōu)點(diǎn)，而且在安裝方面更優(yōu)于其它所有的管材。
本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種承插式柔性和剛性(焊接)兩用接口鋼管(如圖3所示)，由連成一體的承頭(4)、管體(7)和插頭(5)構(gòu)成。承頭(4)的內(nèi)徑大于插頭(5)的外徑，承頭(4)前端有一段過渡園錐面(6)，其作用是在安裝管道時(shí)，導(dǎo)向插頭(5)插入和方便具彈性的密封膠圈(3)滑入承頭(4)的密封工作面，插頭(5)上設(shè)有一凸園環(huán)(1)其外徑與承頭過渡園錐面(6)相配合，插頭端部(16)與承頭內(nèi)徑亦相配合。柔性連接時(shí)，還套有一密封膠圈(3)，密封膠圈(3)的內(nèi)徑稍小于插頭(5)的外徑，其外徑則稍大于承頭(4)的內(nèi)徑。插頭的凸園環(huán)(1)還起著承受管段的徑向力及調(diào)整承頭(4)和另一條鋼管的插頭(5)之間空隙的作用，使密封膠圈(3)通過彈性變形，達(dá)到緊密封閉的作用。凸園環(huán)(1)還可防止密封膠圈(3)在安裝和使用過程中軸向滑移。剛性連接時(shí)由于插頭(5)插進(jìn)承頭(4)內(nèi)，使插頭端部(16)和凸園環(huán)(1)分別與承頭(4)的內(nèi)徑和過渡園錐面(6)搭接，通過對(duì)這兩處進(jìn)行角焊焊接，得到強(qiáng)度很高的剛性接口連接。
本發(fā)明的安裝方法如下一、剛性連接(1)將安裝管的插頭(5)對(duì)準(zhǔn)已安裝管的承頭(4)的過渡園錐面(6)；(2)采用推或拉力將安裝管的插頭(5)插進(jìn)已安裝管的承頭(4)內(nèi)；(3)在插頭的凸園環(huán)(1)和承頭過渡園錐面(6)進(jìn)行外搭接焊，即焊縫(17)，在承頭內(nèi)徑和插頭端部(16)進(jìn)行內(nèi)搭接焊，即焊縫(2)；(4)回填土以固定鋼管位置；(5)在承頭的小孔(18)進(jìn)行氣壓檢驗(yàn)，檢查焊縫(2)和(17)的密封質(zhì)量。
二、柔性連接(1)將密封膠圈(3)放進(jìn)清理干凈的準(zhǔn)備安裝管的插頭(5)的前端；(2)清洗已安裝管的承頭(4)并抹上潤滑劑；(3)將安裝管的插頭端(5)對(duì)準(zhǔn)放進(jìn)另一條已放置好的安裝管的承頭(4)的過渡園錐面(6)內(nèi)；
(4)采用推力或拉力將安裝管的插頭(5)插進(jìn)已安裝管的承頭(4)內(nèi)；(5)檢查承頭(4)和插頭(5)及密封膠圈(3)的套入尺寸；(6)回填土以固定鋼管的位置；(7)在有軸向推力發(fā)生的管段，可在承插頭的外搭接面增加適當(dāng)?shù)暮附?，利用管段與泥土的摩擦力達(dá)到止推作用。
鋼管擴(kuò)脹承插頭的加工方法是，通過對(duì)鋼管的兩端管璧施加擴(kuò)脹壓力，使其發(fā)生塑性變形，并按模具的尺寸擴(kuò)脹成型。
綜上所述，本發(fā)明有如下特點(diǎn)(1)每根管兩端的承插頭既可柔性連接又可剛性(焊接)連接；(2)直接對(duì)鋼管冷擴(kuò)脹成型；(3)承插頭不用機(jī)加工；(4)帶凸園環(huán)的新型插頭結(jié)構(gòu)；(5)管道可在水淹狀態(tài)下進(jìn)行安裝(柔性連接)；(6)柔性連接管在管道轉(zhuǎn)角、三通和堵頭的管段經(jīng)過增加的焊接處理后，可不設(shè)止混凝土推力加固墩；(7)剛性接口鋼管可直接對(duì)每處焊縫單獨(dú)進(jìn)行氣壓密封檢驗(yàn)。
本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)(1)加工快捷，生產(chǎn)工藝簡單、可靠；(2)加工成本低、成型精度高；(3)成型強(qiáng)度、剛性比原直身鋼管高；(4)擴(kuò)孔過程也是對(duì)鋼板及其焊縫質(zhì)量的檢查過程，有效保證產(chǎn)品的質(zhì)量；(5)安裝容易，密封可靠，安裝質(zhì)量好；(6)具有良好的抗震性(柔性接口)；(7)安裝工效高，施工成本低；(8)剛性連接(焊接)接口強(qiáng)度高，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，解決原鋼管焊接口易爆裂的問題，特別適合過河管，架空管等承受力較大的管道使用；(9)可直接在管段開叉及成型角度；(10)安裝管道允許每個(gè)接口都有一定的借轉(zhuǎn)角度，使剛性連接時(shí)可減少修管口工序，同時(shí)可采用角度漸變替代大角度轉(zhuǎn)變，減少水阻及配件；(11)原平口對(duì)接焊口鋼管為彌補(bǔ)接口質(zhì)量低下所降低有效板厚，而增加鋼板厚度部分，現(xiàn)新管型可以節(jié)省。
(12)經(jīng)濟(jì)實(shí)用，是目前最優(yōu)的管材。在一般的鋼管生產(chǎn)線上，只需增加擴(kuò)脹工序，便可將傳統(tǒng)的直身鋼管升級(jí)為新一代的理想新管型，徹底解決原鋼管安裝存在的薄弱環(huán)節(jié)并能滿足各種環(huán)境的使用。


圖1為目前較先進(jìn)的鋼管焊接法——加套管的焊接接口示意圖；圖2為目前普遍使用的鋼管焊接法——對(duì)接焊接接口示意圖；圖3為擴(kuò)脹成型承插式柔性和剛性(焊接)兩用接口鋼管的結(jié)構(gòu)及連接示意圖；圖4為內(nèi)模具擴(kuò)脹成型法示意圖；圖5為外模具擴(kuò)脹成型法示意圖。
1.凸園環(huán)，2.內(nèi)搭接焊縫，3.密封膠圈，4.承頭，5.插頭，6.承頭過渡錐形面，7.鋼管管體，8.擴(kuò)孔頭，9.內(nèi)模具，10.液壓缸，11.液壓缸軸，12.工作底座，13.外模具，14.橡膠皮囊，15.輸液管，16.插頭端部，17.外搭接焊縫，18.試驗(yàn)氣壓小孔。
實(shí)施例1(如圖4所示)一種由連成一體的管體7、承頭4和插頭5構(gòu)成，直徑2.4米的鋼管，使用厚度16毫米的Q233B鋼板材料焊接而成，擴(kuò)脹承口的長度為35厘米，經(jīng)計(jì)算，加工承頭4的最大擴(kuò)脹力為592噸，液壓缸工作的最大拉力為307噸(摩擦系數(shù)取0.1)，具體的生產(chǎn)程序如下
A.承頭4的加工。先把鋼管的一端套在承頭內(nèi)模具9外，再將錐度為14度的園錐形擴(kuò)孔頭8插于內(nèi)模具9中央，由于液壓缸軸11與擴(kuò)孔頭8連接在一起，因此，當(dāng)啟動(dòng)液壓缸10時(shí)，園錐形擴(kuò)孔頭8向下移動(dòng)，通過其錐面，迫使由多塊擴(kuò)孔塊組成的承頭內(nèi)模具9徑向擴(kuò)大，使套在外圍的鋼管壁產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，超過材料的屈服極限而產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)擴(kuò)孔頭8下移到相應(yīng)位置，使鋼管端部，按內(nèi)模具9的尺寸擴(kuò)脹成承頭4。最后，通過液壓缸10，使擴(kuò)孔頭8上移復(fù)位，并將已擴(kuò)孔成型的半成品管吊離。
B.插頭5的加工的工序基本同承頭4的加工，只是將承頭4的內(nèi)模具9，改為插頭的內(nèi)模具9。
實(shí)施例2(如圖5所示)擬加工的鋼管直徑、采用的鋼板的材料和規(guī)格以及擴(kuò)脹承口的長度，同實(shí)施例1，只是采用外模具實(shí)施擴(kuò)脹成型。采用外模具13，必須配合橡膠皮囊14，并通過輸液管15在橡膠皮囊14中，輸入壓力液體，經(jīng)計(jì)算，采用外模具13對(duì)上述規(guī)格的鋼管實(shí)施冷擴(kuò)脹，其液壓泵的啟動(dòng)工作壓力應(yīng)大于7.1Mpa。具體的生產(chǎn)程序如下(1)把橡膠皮囊14裝入鋼管7的空腔內(nèi)；(2)把鋼管7整體(或分段)放進(jìn)外模具13內(nèi)；(3)啟動(dòng)液壓泵；(4)往橡膠皮囊14內(nèi)注入壓力液體；(5)利用液體將橡膠皮囊14脹大，迫使鋼管7的兩端脹大并貼合于外模具13上成型；(6)拆開外模具13，吊出成品鋼管。
權(quán)利要求
1.一種擴(kuò)脹成型的承插式柔性和剛性(焊接)兩用接口鋼管，其特征在于鋼管管體(7)的兩端分別有與之連成一體的承頭(4)和插頭(5)，其中承頭(4)的內(nèi)徑比插頭(5)的外徑大，承頭(4)的端部有一段過渡園錐面(6)，插頭(5)有一凸園環(huán)(1)，柔性連接時(shí)有一安裝前套上的具彈性的密封膠圈(3)，插頭的凸園環(huán)(1)和端部(16)的外徑與承頭(4)的內(nèi)徑相配合，密封膠圈(3)的內(nèi)徑稍小于插頭(5)的外徑，其外徑則稍大于承頭(4)的內(nèi)徑，剛性連接時(shí)，由于插頭的凸園環(huán)(1)及端面(16)分別與承頭的過渡園錐面(6)及承頭的內(nèi)徑的接觸點(diǎn)是同園軌跡，所以在接口一定的借轉(zhuǎn)角度的范圍內(nèi)，以上兩處的接觸面是吻合的，以保證焊接的質(zhì)量。
2.一種擴(kuò)脹成型的承插式柔性和剛性(焊接)兩用接口鋼管的制造方法，其特征在于通過對(duì)鋼管的兩端管壁施加擴(kuò)脹壓力，使其發(fā)生塑性變形，并按模具的尺寸擴(kuò)脹成型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的擴(kuò)脹成型的承插式柔性和剛性(焊接)兩用接口鋼管的制造方法，其特征在于通過對(duì)管壁施壓擴(kuò)脹成型的具體程序可以是先把鋼管的一端套在由多個(gè)模塊組成的承頭內(nèi)模具(9)外，再將園錐形擴(kuò)孔頭(8)插在內(nèi)模具(9)的中央，由于液壓缸軸(11)與擴(kuò)孔頭(8)連接在一起，因此，當(dāng)啟動(dòng)液壓缸(10)時(shí)，園錐形擴(kuò)孔頭(8)向下移動(dòng)，通過其錐面迫使承頭內(nèi)模具(9)徑向擴(kuò)大，使套在外圍的鋼管壁產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)擴(kuò)孔頭(8)下移到相應(yīng)位置，使鋼管被加工的一端，按內(nèi)模具(9)的尺寸擴(kuò)脹成承頭(4)，最后，通過液壓缸(10)，使擴(kuò)孔頭(8)上移復(fù)位，并將已擴(kuò)孔成型的半成品管吊離，再把鋼管的另一端，套在插頭模具(9)外，其余的工序基本同承頭(4)的加工，只是將承頭(4)的內(nèi)模具(9)改為插頭(5)的內(nèi)模具(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的擴(kuò)脹成型的承插式柔性和剛性(焊接)兩用接口鋼管的制造方法，其特征在于通過對(duì)鋼管管壁施壓擴(kuò)脹成型的具體程序可以是把橡膠皮囊(14)裝入鋼管(7)的空腔內(nèi)，再把鋼管(7)整體(或分段)放進(jìn)外模具(13)內(nèi)，啟動(dòng)液壓泵，往橡膠皮囊(14)內(nèi)注入壓力液體，并利用液壓泵向囊中的液體增加壓力，將橡膠皮囊(14)脹大，迫使鋼管(7)的兩端脹大并貼合于外模具(13)上成型，最后，拆開外模具(13)，吊出成品鋼管。
全文摘要
一種擴(kuò)脹成型的承插式柔性和剛性(焊接)兩用接口鋼管,其特點(diǎn)是由具特殊尺寸的承頭和插頭,在柔性連接時(shí),只需在插頭套上膠圈,再把插頭插進(jìn)另一根鋼管的承頭內(nèi),而無需焊接便可實(shí)現(xiàn)密封連接,在剛性連接時(shí),則在承插頭套入的內(nèi)外搭接面進(jìn)行焊接,接口的強(qiáng)度特別強(qiáng),同時(shí)承插頭的接口允許有一定的借轉(zhuǎn)角度,這種鋼管的承頭和插頭是通過對(duì)鋼管兩端管壁施加擴(kuò)脹壓力,使其按模具尺寸擴(kuò)脹成型,它具有制造成本低,安裝方便,工效高,施工成本低,安裝質(zhì)量特別好等優(yōu)點(diǎn),特別適合于中大型的輸水管道使用。
文檔編號(hào)F16L13/02GK1274060SQ0011423
公開日2000年11月22日 申請(qǐng)日期2000年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月16日
發(fā)明者程金煦 申請(qǐng)人:程宇鳴