CN111706721A - 空心壁不锈钢大口径管道及制造方法 - Google Patents

Abstract

空心壁不锈钢大口径管道及制造方法。设薄壁内圆管，外表面周向均布固定N个一边开口的空心折板。相邻两折板间留有间隙,其内固定弧形封口面板。且在内圆管两端口各固定一个轴向封口环。折板焊接后,焊接轴向封口环,最后焊接弧形封口面板。折板用折板机或模具加工成型。经试验和计算比较,本发明利用内衬空心壁的方法可代替实心壁管道，满足金属管道所需要的曲挠度和环刚力，可取代现有的大口径塑料管道和球墨铸铁管。还可用本方法制造出更大口径的管道，而这些大口径管道是用其他方法无法制造的。本发明充分利用了不锈钢管道具有较大的许用强度和耐腐蚀性能。可用于排水管道、供水管道,或燃气管道。

Description

空心壁不锈钢大口径管道及制造方法

(一)技术领域：本发明空心壁不锈钢大口径管道及制造方法,涉及一种600～6000mm的大口径管道。属管道、管件类(F16L)。

(二)背景技术：

现有用于排水、供水和燃气的大口径管道,曾使用或研发过的有如下几种:

一、大口径塑料管道:这种管道口径在1m～2m之间，采用钢支架内胎缠绕式做法。即塑料PE作母体材料、PP或钢板作肋的管道。使用约20年,总结后存在如下问题:

1)管道环刚力不够，埋设在地下1m深处,但地面仍不能经汽车碾压。使用期间曾导致多次赔偿事件发生。2)管道塑料波纹管接口,采用插入焊接的方式，但仍然不能避免接口频繁产生裂口，导致频繁漏水事故。3)塑料的使用中实际老化程度比理论值快得多，管道在地面上经紫外线照射一天后就会发生塑料的高分子链断裂，埋在地下后更难保证有10年以上的使用寿命，这种管道作污水管道时泄漏事故频发。4)欧洲的禁塑令是2008.5.16颁布的，欧洲不允许再使用塑料管道，之后德国“克拉公司”将塑料管道生产线逐渐移到中国，中国现在很多省市也在颁布禁塑令，所以大口径塑料管道已经面临全面淘汰的局面。

二、玻璃钢管道的研发:由于玻璃钢的生产对环境不友好，玻璃纤维对人有永久性的损害，因此美国“康宁公司”经过在中国有三年的研发，最后对此项目在中国的开发叫停。

三、球墨铸铁管作排水管道的可行性:因球墨铸铁管的单位重量太重，2m直径的球墨铸铁管壁厚约20mm，单位重量为1068kg，见国家标准GB/T13295-2013。球墨铸铁管作为下水管道的铺设会带来很多麻烦，因为管道太重，在铺设管道前必须有足够强度的水泥垫层，为了防止塌陷还必须增加钢筋水泥垫层,所以在城市中万不得已时一般不会用球墨铸铁管作下水管道。

四、大口径碳钢管道作排水管存在的问题

因球墨铸铁管难以作下水管道,所以现在排水管道只能采用大口径塑料管道或大口径碳钢管道。使用碳钢管道时，为防止腐蚀穿孔，碳钢管道里面必须铺设高强度水泥，一旦高强度水泥破裂渗水，这样的管道只有两三年的使用寿命。备注：大口径球墨铸铁管内涂层也使用水泥涂层，为什么不穿孔漏水呢？原因是：球墨铸铁管中石墨阴极电位高达-2.1V，因此不会发生电化学腐蚀现象，而碳钢管道阴极电位为+0.44V，必然产生电化学腐蚀。

五、不锈钢管道作大口径排水管的状况和前景

综上所述,上述大口径排水管道无论采用塑料管道、或球墨铸铁管、或碳钢管道均存在致命缺陷。市场千呼万唤需要设计出一种廉价的寿命长久的不锈钢管道。不锈钢管道的优点是：对环境友好，它有很高的环刚力，有很强的耐腐蚀性，而且接口可以焊接连接，当选材得当时,其使用寿命几乎是半永久性的。不锈钢管道作为下水管道在欧洲已是强制性标准，见EN1124，但这套标准最大的缺点是最大口径只有315mm，小口径不锈钢管道不满足使用要求怎么办？于是欧洲靠多支管道并联来组成大口径的管道。由于工程需要，现在国内的大型污水处理厂也使用大口径的不锈钢管道，如DN800x30mm、DN1000x40mm、DN1600x60mm,这三种不锈钢管道的管壁分别为30、40和60mm，管道成本很高,怎么办呢？因为是国家的重点工程，即使是高成本也得花高价使用。而对于众多小型污水处理厂由于投资力不足，只能使用性能差寿命短的大口径塑料管道或涂覆(水泥或树脂)的碳钢管道。

(三)发明内容：

本发明提供的空心壁不锈钢大口径管道及制造方法,其目的之一是解决现有大口径塑料管道环刚力差、易破裂、接口脆弱的问题。其目的之二就是解决现有大口径球墨铸铁管在安装困难、成本高、用于饮用水管道时无法满足GB5749中对饮用水管道卫生性能的强制要求。

技术方案：

.空心壁不锈钢大口径管道,其特征是:

1)空心壁不锈钢大口径管道内圈为一个不锈钢薄壁内圆管1。2)在薄壁内圆管外表面,沿周向均布固定N个不锈钢截面为具有一条开口边的空心折板；开口边倒扣并焊接在薄壁内圆管的外表面。3)在薄壁内圆管外表面,周向相邻两个空心折板间为周向间隙3X。4)在N个周向间隙中均固定有不锈钢的弧形封口面板，面板弧长为πD_w/N。

上述薄壁内圆管外表面的空心折板可采用三角形折板2，三角形角度α选择为20～100°；在周向间隙外圆周处固定有环状弧形封口面板3。上述每根空心壁不锈钢大口径管道长度为1～12m，其长度两端口可各焊接一个轴向封口环4；或者在中间增设1个以上轴向封口环；轴向封口环的环宽等于三角形折板的径向高度。上述薄壁内圆管1壁厚Δ1可为1～10mm。

上述空心壁不锈钢大口径管道的制造方法,其特征是包括下列步骤:

1)备料:①制作一个不锈钢薄壁内圆管1。②制作N个不锈钢空心折板:用折板机加工成型、或模压成型或拉制成型。③制作N个不锈钢外圆周弧形封口面板:用模压成型或拉制成型。2)组合焊接成型:第一步:将N个不锈钢空心折板，用开口边两边条2.1直缝焊接在不锈钢薄壁内圆管1外圆周表面。第二步：将焊接有空心折板的薄壁内圆管两端口外表面各焊接一个轴向封口环4；或者在薄壁内圆管轴向中间段焊接增设的轴向封口环。第三步：在N个相邻空心折板间的周向间隙3X内焊接N个弧形封口面板。

本发明有益效果：

1)从后面两个表(表1、表2)的比较可以看出；作为不锈钢折板拼接焊组成的空心壁大口径排水管道与球墨铸铁管等壁厚或1.5倍壁厚产品的成本相比，基本处于相等状态，而不锈钢三角形折板拼接焊组成的空心壁大口径管道却显出无比的优越性能。

2)不锈钢管道在低速(<3m/s)流动状态下，它的动态曲线非常好，可以显示出优良的耐磨性能，平均每十年磨损0.03mm，2mm厚的内薄壁不锈钢管道经两百年后仍能安全使用(见世界不锈钢杂志中国版不锈钢的平均磨损曲线图)，因此薄壁不锈钢给排水管道其寿命几乎是半永久性的。空心壁大口径管道的力学参数完全满足球墨铸铁管的要求，所以不锈钢三角形型材拼接焊组成的空心壁大口径管道具有代替大口径塑料管道和大口径球墨铸铁管道的全部条件。

3)这里使用的三角形折板作内壁并非是唯一的选择，也可以选择其他截面形状的型材作空心折板；当增加空心折板壁厚或高度时，可以增加空心壁大口径管道的环刚力，特别是增加空心折板高度时，管道的环刚力成正比增加。

4)我们提供了两种不同高度空心折板，列出了空心壁不锈钢大口径管道的重量比较表，矮的空心折板组成的空心壁管道可作排水管道(本实施例1中宽B2X高H2X板厚Δ2＝47.7x41x2.25mm)，高的空心折板组成的空心壁管道可以代替球墨铸铁管作供水管道或燃气管道(实施例2表2中宽B2×高H2×板厚Δ2＝70.9×61×2.25)。

5)经试验和计算比较,本发明利用内衬空心壁的方法可代替实心壁管道，满足金属管道所需要的曲挠度和环刚力，可取代现有的大口径塑料管道和球墨铸铁管。还可用本方法制造出更大口径(如4000mm以上)的管道，而这些大口径管道是用其他方法无法制造的。本发明充分利用了不锈钢管道高强度和耐腐蚀的性能以及空心壁制造的管道的挠度与实心壁制造的管道的挠度基本相等的原理，这种方法制造的管道具有低成本、寿命长、易普及使用的特点。

6)轴向两端设置的轴向封口环4可增加空心壁大口径管道环刚力和管道的扭曲力。

7)空心折板采用三角形折板,方便于制作出外表面为弧形封口面板,使空心壁不锈钢大口径管道外表面为圆弧形,保持该管道的椭圆度与实心钢管的椭圆度相同。

(四)附图说明

图1实施例1空心壁不锈钢大口径管道立体图。(采用三角形折板2)。

图2实施例1横截面剖视图。即图1中B-B剖视图。

图3为实施例1图2中周向相邻两根三角形折板2间结构立体图。

图4为实施例1图3中环状弧形封口面板3立体图。

(五)具体实施方式

实施例1:空心壁采用截面为三角形折板2。

本实施例两种壁厚的空心壁不锈钢大口径管道,如下构成:

1)见图1、图2,空心壁不锈钢大口径管道内管为一个不锈钢薄壁内圆管1。薄壁内圆管1内径DN＝2000mm,壁厚Δ1＝2.5mm,薄壁内圆管1外径D1＝2005mm,管长L1＝6000mm。

2)见图1、图2,图3,在薄壁圆管1外表面,沿周向均布固定N＝132个截面为不锈钢三角形折板2,三角形折板倒扣薄壁内圆管1外表面,用开口边两边条2.1固定在薄壁内圆管1外表面。见图3。三角形折板的内角α取为60°。每个三角形折板2高度H2＝41mm,宽度B2＝47.7mm,板厚Δ2＝2.25mm。三角形折板长L2＝5994mm。

3)见图3,薄壁内圆管1外表面,周向相邻两个三角形折板2间留有周向间隙3X,最大间隙弧长X约为49.5mm,在最外圆周处。在该处即周向间隙外圆周位置固定有一个环状弧形封口面板3，见图2,整圆同共132个。见图4,每个环状弧形封口面板3尺寸为弧宽B3×长L3×厚度Δ3＝49.5mmx5994mmx3mm。这样使空心壁大口径管道的外圆周全部由环状弧形封口面板3封口，形成外圆周面。

4)设轴向封口环4：见图1,每根空心壁不锈钢大口径管道长度L1为3～6m，其长度两端口各固定有一个轴向封口环4，轴向封口环4的环宽4b等于在薄壁内圆管圆周上的三角形折径向高度H2。因轴向封口环套在簿壁内圆管1外表面,所以轴向封口环内径D4等于簿型内圆管1外径D1＝2000mm,单个轴向封口环厚度为Δ4＝3mm每个轴向封口环径向环宽4b＝41mm内。每个轴向封口环外径与空心壁大口径管道外径相同均为DW＝2087mm。

本实施例1空心壁不锈钢大口径管道的制造方法,包括下列步骤:

1)备料:

①见图1,图2,制作一个不锈钢薄壁内圆管1。尺寸为:内径DN＝2000mm,壁厚Δ1＝2.5mm,外径D1＝2005mm管长L1＝6000mm。

②见图2,制作132个不锈钢三角形折板2:三角形折板是用折板机加工板材或模具拉钢带成型。见图3,每块三角形折板尺寸见上述。即为宽B2X高H2X板厚Δ2＝47.7x41x2.25mm，三角形折板长L2＝5994mm。

③见图2,制作132个不锈钢环状弧形封口面板3,用模压成型或拉制成型。见图4,每块环状弧形封口面板3尺寸也可见前述。

④见图1:制作两个轴向封口环4。尺寸见前述。单个轴向封口环用激光下料成型。

2)组合焊接成型:

第一步:见图2、图3,将132个三角形折板2,周向均布,且将开口边两边条2.1放在不锈钢薄壁内圆管1外圆周表面。见图3相邻两三角形折板2间留有周向最大间隙弧长为X＝49.5mm后；将132个三角形折板倒扣在薄壁内圆管的外周,将开口边两边条2.1进行直缝焊接。第二步：见图1,在焊接完三角形折板2后,再将焊接有三角形折板的薄壁内圆管两端口外表面各焊接一个轴向封口环4。第三步:见图2、图4,将132个周向间隙3X内外圆周均装入和焊接环状弧形封口面板3进行外圆周封口焊。在完成上述第三步后,进行第四步：检查空心壁是否有漏气点，如有漏气点，进行补焊；使空心壁呈与空气隔绝的真空状态。

最后组合成型的本实施例空心壁不锈钢大口径管道尺寸为:见图2,内径DN＝2000mm，外径DW＝2087mm。见图1,轴向每端使用厚度Δ4＝3mm环宽4b＝41mm的内圆直径D4为2005mm的轴向封口环4封口。

上面是本实施例1举例用内径DN＝2000mm说明空心壁不锈钢大口径管道的结构及制作方法。下面我们制作了表1,内径DN在600—4000mm范围内,按上述设计和制造方法获得空心壁大口径管道规格、大口径管道估计重量、估计造价的表。以便比较。本实施例1数据见表1中DN＝2000mm。

表1

60°三角形折板不锈钢管道数据表(mm)(低三角形折板)

注：本表数据有约2％的误差。

实施例2空心壁采用三角形折板2。三角形折板高H2比实施例1高。

本实施例2空心壁不锈钢大口径管道,除以下尺寸与实施例1不同,其于描述全部相同。

三角形折板3尺寸:宽B2X高H2X板厚Δ2＝＝70.9×61×2.25mm。见表2中DN＝2000mm。这方案属高三角形折板,其空心壁不锈钢大口径管道可替代现有球墨铸铁管。而实施例1方案属低三角形折板,其空心壁不锈钢大口径管道可替代现有塑料管。其它内径DN的数据见表2。

表2

60°三角形折板不锈钢管道数据表(mm)(高三角形折板)

注：本表数据有约2％的误差。

Claims (5)

1.空心壁不锈钢大口径管道,其特征是:

1)空心壁不锈钢大口径管道内圈为一个不锈钢薄壁内圆管(1)；

2)在薄壁内圆管外表面,沿周向均布固定N个不锈钢截面为具有一条开口边的空心折板；开口边倒扣并焊接在薄壁内圆管的外表面；

3)在薄壁内圆管1外表面,周向相邻两个空心折板间为周向间隙(3X)；

4)在N个周向间隙中均固定有不锈钢的弧形封口面板。

2.按权利要求1所述空心壁不锈钢大口径管道,其特征是:在薄壁内圆管外表面的空心折板采用三角形折板(2)，三角形角度α选择为20°～100°；在周向间隙外圆周处固定有环状弧形封口面板(3)。

3.按权利要求2所述空心壁不锈钢大口径管道，其特征是,每根空心壁不锈钢大口径管道长度为1～12m，其长度两端口各焊接一个轴向封口环(4)；或者在中间增设1个以上轴向封口环；轴向封口环的环宽等于三角形折板的径向高度。

4.按权利要求1所述空心壁不锈钢大口径管道,其特征是:薄壁内圆管壁厚Δ1为1～10mm。

5.按权利要求1所述空心壁不锈钢大口径管道的制造方法,其特征是包括下列步骤:

1)备料:

①制作一个不锈钢薄壁内圆管(1)；

②制作N个不锈钢空心折板:用折板机加工成型、或模压成型或拉制成型；

③制作N个不锈钢外圆周弧形封口面板:用模压成型或拉制成型；

2)组合焊接成型:

第一步:将N个不锈钢空心折板，用开口边两边条(2.1)直缝焊接在不锈钢薄壁内圆管(1)外圆周表面；

第二步：将焊接有空心折板的薄壁内圆管两端口外表面各焊接一个轴向封口环(4)；或者在薄壁内圆管轴向中间段焊接增设的1个以上轴向封口环；

第三步：在N个相邻空心折板间的周向间隙(3X)内焊接N个弧形封口面板。

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