CN1274060A - 扩胀成型的承插式柔刚两用接口钢管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种扩胀成型的承插式柔性和刚性(焊接)两用接口钢管,其特点是由具特殊尺寸的承头和插头,在柔性连接时,只需在插头套上胶圈,再把插头插进另一根钢管的承头内,而无需焊接便可实现密封连接,在刚性连接时,则在承插头套入的内外搭接面进行焊接,接口的强度特别强,同时承插头的接口允许有一定的借转角度,这种钢管的承头和插头是通过对钢管两端管壁施加扩胀压力,使其按模具尺寸扩胀成型,它具有制造成本低,安装方便,工效高,施工成本低,安装质量特别好等优点,特别适合于中大型的输水管道使用。

Description

扩胀成型的承插式柔刚两用接口钢管及其制造方法

本发明涉及一种管材，特别是一种钢管。

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大，管径也越来越粗，如上海市的长江引水工程就使用DN2.7米的钢管，而广州市的西北江输水工程，则拟使用DN3.5米的钢管。

目前管道的主要管材有塑料管、水泥管、铸铁管及钢管等，这些管材，都存在有各自的问题。其中塑料管抗压差，水泥管重量大、质量差，铸铁管强度低并有直径限制等。相比之下，钢管在管材质量方面，大大优于上述其它管材，因此被广泛使用，尤其在大直径的管道中，由于钢管具有强度高、韧性好、重量轻、能承受很高的内压等优点而成为首选的管材。但在应用上，随着选用管径的越来越大，钢管的接口安装存在的工艺复杂、效率差、施工成本重、影响接口质量因素较多等弱点也就更加明显，成为制约钢管管道发展的最重要的因素。

目前钢管接口形式主要有螺纹连接、佛兰连接及焊接连接等，其中螺纹连接只适用于小直径钢管，而佛兰连接虽然质量可靠而且适用于较大直径的钢管，但需增加佛兰等配件，成本很高，难以普遍使用。焊接连接是指通过焊接工艺，使钢管实现连接。这种方法在中大型直径钢管管道中普遍使用，但由于接口是现场人工焊接，所以存在工艺复杂落后、焊接工人劳动强度大、施工效率低、焊缝质量受环境、天气及操作者的操作质量直接影响以及接口的焊缝无法消除残余应力，当地形、温度或载荷发生变化，有缺陷的接口焊缝就会出现应力集中，这是钢管通常出现爆裂事故的主要原因。在国外，为了提高接口的质量，在一些重要的接口，也有采用外加套管焊接接口的方法(如图1所示)。这种方法是把原接口的对接焊缝变搭接焊缝，所以接口的强度得到一定的提高，但必须增加套管及增加近3倍的焊缝焊接的工程量，使施工成本明显增加、工效更低。因此没有被大量使用。此外，由于这同样是一种刚性连接，当地基变化时，管道承受的外力仍然无法消除。

承插式柔性接口连接，在水泥管和铸铁管中普通使用，它具有安装方便、工效高和施工质量容易保证等优点。但柔性接口最大的弱点是管道的转弯、三通、变径和堵头的管段需捣制混凝土止推加固墩，防止管道位移。因此这成为制约大型管道采用柔性接口的关键技术，因此如何采用低成本，把每根钢管制成具有承插式柔性和刚性(焊接)两用的接口的，满足不同环境对接口形式的需要，从根本上解决原钢管的安装存在的薄弱环节，充分发挥钢管管材的优势，这是钢管管道发展的方向。

本发明的目的，是提供一种制造成本低、成型精度高、安装效率高、安装质量好，安装时根据实际情况既可无需焊接而采用柔性连接，又可采用刚性(焊接)连接，同时亦可采用刚柔并用的特强连接的新型高级钢管管材及其制造方法。

承插式柔性和刚性(焊接)两用接口钢管是采用扩胀工艺，使钢管两端分别按模具形状扩胀成具特别尺寸的承头和插头、在柔性连接时，只需将胶圈套在插头上，再把插头插进另一根钢管的承头内，便可实现密封连接，使在提高安装效率的同时又较大降低钢管的安装成本，在刚性连接时，则在两根管的承插头套入的内外搭接面进行焊接连接，这种焊接口强度特别高，不会出现应力集中现象，解决了原钢管焊接缝易爆裂的现象。因此在过河管、架空管等需要刚性连接的管段，通过对承插头套入的搭接面焊接，使之成为刚性特别强的管道、同时在管道转弯、三通、变径或堵头的管段既可采用刚性连接、又可在柔性连接的基础上通过增加适当的焊缝连接，承受拉力，使管道与泥土产生的摩擦力替代原需捣制混凝土加固墩的止推作用，因此这种管材不但保持钢管管材的优点，而且在安装方面更优于其它所有的管材。

本发明的上述目的是这样实现的：一种承插式柔性和刚性(焊接)两用接口钢管(如图3所示)，由连成一体的承头(4)、管体(7)和插头(5)构成。承头(4)的内径大于插头(5)的外径，承头(4)前端有一段过渡园锥面(6)，其作用是在安装管道时，导向插头(5)插入和方便具弹性的密封胶圈(3)滑入承头(4)的密封工作面，插头(5)上设有一凸园环(1)其外径与承头过渡园锥面(6)相配合，插头端部(16)与承头内径亦相配合。柔性连接时，还套有一密封胶圈(3)，密封胶圈(3)的内径稍小于插头(5)的外径，其外径则稍大于承头(4)的内径。插头的凸园环(1)还起着承受管段的径向力及调整承头(4)和另一条钢管的插头(5)之间空隙的作用，使密封胶圈(3)通过弹性变形，达到紧密封闭的作用。凸园环(1)还可防止密封胶圈(3)在安装和使用过程中轴向滑移。刚性连接时由于插头(5)插进承头(4)内，使插头端部(16)和凸园环(1)分别与承头(4)的内径和过渡园锥面(6)搭接，通过对这两处进行角焊焊接，得到强度很高的刚性接口连接。

本发明的安装方法如下：

一、刚性连接：

(1)将安装管的插头(5)对准已安装管的承头(4)的过渡园锥面(6)；

(2)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；

(3)在插头的凸园环(1)和承头过渡园锥面(6)进行外搭接焊，即焊缝(17)，在承头内径和插头端部(16)进行内搭接焊，即焊缝(2)；

(4)回填土以固定钢管位置；

(5)在承头的小孔(18)进行气压检验，检查焊缝(2)和(17)的密封质量。

二、柔性连接：

(1)将密封胶圈(3)放进清理干净的准备安装管的插头(5)的前端；

(2)清洗已安装管的承头(4)并抹上润滑剂；

(3)将安装管的插头端(5)对准放进另一条已放置好的安装管的承头(4)的过渡园锥面(6)内；

(4)采用推力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)在有轴向推力发生的管段，可在承插头的外搭接面增加适当的焊接，利用管段与泥土的摩擦力达到止推作用。

钢管扩胀承插头的加工方法是，通过对钢管的两端管璧施加扩胀压力，使其发生塑性变形，并按模具的尺寸扩胀成型。

综上所述，本发明有如下特点：

(1)每根管两端的承插头既可柔性连接又可刚性(焊接)连接；

(2)直接对钢管冷扩胀成型；

(3)承插头不用机加工；

(4)带凸园环的新型插头结构；

(5)管道可在水淹状态下进行安装(柔性连接)；

(6)柔性连接管在管道转角、三通和堵头的管段经过增加的焊接处理后，可不设止混凝土推力加固墩；

(7)刚性接口钢管可直接对每处焊缝单独进行气压密封检验。

本发明有如下优点：

(1)加工快捷，生产工艺简单、可靠；

(2)加工成本低、成型精度高；

(3)成型强度、刚性比原直身钢管高；

(4)扩孔过程也是对钢板及其焊缝质量的检查过程，有效保证产品的质量；

(5)安装容易，密封可靠，安装质量好；

(6)具有良好的抗震性(柔性接口)；

(7)安装工效高，施工成本低；

(8)刚性连接(焊接)接口强度高，不会出现应力集中现象，解决原钢管焊接口易爆裂的问题，特别适合过河管，架空管等承受力较大的管道使用；

(9)可直接在管段开叉及成型角度；

(10)安装管道允许每个接口都有一定的借转角度，使刚性连接时可减少修管口工序，同时可采用角度渐变替代大角度转变，减少水阻及配件；

(11)原平口对接焊口钢管为弥补接口质量低下所降低有效板厚，而增加钢板厚度部分，现新管型可以节省。

(12)经济实用，是目前最优的管材。在一般的钢管生产线上，只需增加扩胀工序，便可将传统的直身钢管升级为新一代的理想新管型，彻底解决原钢管安装存在的薄弱环节并能满足各种环境的使用。

附图说明：

图1为目前较先进的钢管焊接法——加套管的焊接接口示意图；

图2为目前普遍使用的钢管焊接法——对接焊接接口示意图；

图3为扩胀成型承插式柔性和刚性(焊接)两用接口钢管的结构及连接示意图；

图4为内模具扩胀成型法示意图；

图5为外模具扩胀成型法示意图。

1.凸园环，2.内搭接焊缝，3.密封胶圈，4.承头，5.插头，6.承头过渡锥形面，7.钢管管体，8.扩孔头，9.内模具，10.液压缸，11.液压缸轴，12.工作底座，13.外模具，14.橡胶皮囊，15.输液管，16.插头端部，17.外搭接焊缝，18.试验气压小孔。

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Q233B钢板材料焊接而成，扩胀承口的长度为35厘米，经计算，加工承头4的最大扩胀力为592吨，液压缸工作的最大拉力为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度的园锥形扩孔头8插于内模具9中央，由于液压缸轴11与扩孔头8连接在一起，因此，当启动液压缸10时，园锥形扩孔头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，使套在外围的钢管壁产生的拉伸应力，超过材料的屈服极限而产生塑性变形。当扩孔头8下移到相应位置，使钢管端部，按内模具9的尺寸扩胀成承头4。最后，通过液压缸10，使扩孔头8上移复位，并将已扩孔成型的半成品管吊离。

B.插头5的加工的工序基本同承头4的加工，只是将承头4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口的长度，同实施例1，只是采用外模具实施扩胀成型。采用外模具13，必须配合橡胶皮囊14，并通过输液管15在橡胶皮囊14中，输入压力液体，经计算，采用外模具13对上述规格的钢管实施冷扩胀，其液压泵的启动工作压力应大于7.1Mpa。具体的生产程序如下：

(1)把橡胶皮囊14装入钢管7的空腔内；

(2)把钢管7整体(或分段)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的两端胀大并贴合于外模具13上成型；

(6)拆开外模具13，吊出成品钢管。

Claims (4)

1.一种扩胀成型的承插式柔性和刚性(焊接)两用接口钢管，其特征在于钢管管体(7)的两端分别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)的端部有一段过渡园锥面(6)，插头(5)有一凸园环(1)，柔性连接时有一安装前套上的具弹性的密封胶圈(3)，插头的凸园环(1)和端部(16)的外径与承头(4)的内径相配合，密封胶圈(3)的内径稍小于插头(5)的外径，其外径则稍大于承头(4)的内径，刚性连接时，由于插头的凸园环(1)及端面(16)分别与承头的过渡园锥面(6)及承头的内径的接触点是同园轨迹，所以在接口一定的借转角度的范围内，以上两处的接触面是吻合的，以保证焊接的质量。

2.一种扩胀成型的承插式柔性和刚性(焊接)两用接口钢管的制造方法，其特征在于：通过对钢管的两端管壁施加扩胀压力，使其发生塑性变形，并按模具的尺寸扩胀成型。

3.根据权利要求2所述的扩胀成型的承插式柔性和刚性(焊接)两用接口钢管的制造方法，其特征在于通过对管壁施压扩胀成型的具体程序可以是：先把钢管的一端套在由多个模块组成的承头内模具(9)外，再将园锥形扩孔头(8)插在内模具(9)的中央，由于液压缸轴(11)与扩孔头(8)连接在一起，因此，当启动液压缸(10)时，园锥形扩孔头(8)向下移动，通过其锥面迫使承头内模具(9)径向扩大，使套在外围的钢管壁产生塑性变形，当扩孔头(8)下移到相应位置，使钢管被加工的一端，按内模具(9)的尺寸扩胀成承头(4)，最后，通过液压缸(10)，使扩孔头(8)上移复位，并将已扩孔成型的半成品管吊离，再把钢管的另一端，套在插头模具(9)外，其余的工序基本同承头(4)的加工，只是将承头(4)的内模具(9)改为插头(5)的内模具(9)。

4.根据权利要求2所述的扩胀成型的承插式柔性和刚性(焊接)两用接口钢管的制造方法，其特征在于通过对钢管管壁施压扩胀成型的具体程序可以是：把橡胶皮囊(14)装入钢管(7)的空腔内，再把钢管(7)整体(或分段)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)的两端胀大并贴合于外模具(13)上成型，最后，拆开外模具(13)，吊出成品钢管。

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