专利名称：流体导管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及流体导管系统，特别是，涉及适用于喷水灭火系统及喷嘴系统。
在自动的喷水灭火系统的供水管线中，喷水灭火系统通常使用金属导管，例如铜管或更常用的铁管或钢管。这种金属材料显然比其他可以使用的结构材料更能够抵抗由火焰和温度造成的损害。各种金属具有与成本相关的优缺点。最常见的是，设置的管线有固定的长度，并且在安装之前必须切割为一定尺寸。这样，黑色金属管就通常要在工作场地制备螺纹，以与带螺纹的管接头相配合。在黑色金属管系统中使用螺纹连接大大提高了安装这种系统的劳动成本。由于可以简单地将切割成一定长度的铜管与相配合的管接头滑动配合，然后钎焊结合，铜管系统的安装比黑色金属管进行得更快。但是，铜管的材料成本比黑色金属管昂贵的多。
已经为金属，特别是钢管系统开发出了其它类型的非螺纹配合系统。例如，周知的卷边系统，在该卷边系统中，可以卷边的管接头可用于连接最轻的牌号为5的小直径钢管。还已知其他类型的、可机械压合的管接头，它们与带槽的管件的外端密封地配合。还有其他形式的机械连接系统，它们使用设置在一对邻接管件的各开口端中的管状插入件，和作用在管件端部和插入件上的外压合接头，使管件端部与插入物压靠。这种系统需要机械成型并且由于设置槽、法兰和类似物而破坏了管件的平滑的圆柱形端部和/或需要使用专门的和通常昂贵的压合接头。
在用于住宅和在一定程度上用于轻度火灾危险的喷水灭火系统中，可以使用一定的塑料。氯化聚氯乙烯(CPVC)塑料管和管接头已经由保险商试验室登记。一种登记的氯化聚氯乙烯组合物是由B.F.谷德里奇公司生产的BLAZEMASTER牌氯化聚氯乙烯。BLAZEMASTER牌是B.F.谷德里奇公司的注册商标。保险商试验室也登记了由加州的防火塑料有限公司在美国销售的Flameaway牌CPVC管件和管接头。保险商试验室还登记了用于住宅和轻度火灾危险的喷水灭火系统中的一些聚丁烯洒水管件和管接头。
已经证明，用塑料制造的管件的成本低于昂贵的铜管件，而且其安装费用也比铜管件的低。将两种类型的塑料管和铜管连接在一起需要同样的步骤。但是，塑料管有比金属管大的挠性。对于塑料管，需要提供比金属管更多的支撑支架，而聚丁烯塑料管比氯化聚氯乙烯塑料管需要更多的支撑支架。这样，可大大地增加安装塑料管道系统的材料成本和劳动成本，使得某些场合中这些塑料管道系统的总成本实际上比金属管道系统的成本还要高。已经发现，在住宅施工中主要使用的是塑料管道的喷水灭火系统，在这种场合，塑料管可以很容易地安装，因为其比金属管更易于穿过没有对准的开口，穿过和/或绕过椽子和梁。
根据最近的工业发展状况，住宅灭火喷水头大约占销售的全部喷水头的15％。但是，因为通常用在轻度的和普通的火灾危险场合的管道尺寸较大并且喷水装置的价格较昂贵，据估计，在用于住宅的轻度和普通火灾危险的喷水设施中，住宅喷水装置的实际市场销售额大约仅占整个市场销售额的10％或更低。
多年来在流体导管系统中已经推荐使用混合的塑料/金属管。
例如，Cokeh的美国专利US-5,143,407建议使用涂有为防止出现压痕的聚氯乙烯层的铜管，并且公开了各种局部涂有聚氯乙烯层的用于在这类多层导管的端部之间形成连接的铜管接头。在Cokeh的专利中没有说明这种复合管是如何制造的，或者是否能够制造。通过使用适当的塑料粘合剂将管件和管接头相联接，所述的粘合剂被涂敷在导管的塑料外表面上，其与围绕连接处的金属管部分形成的聚氯乙烯套筒相粘结。还说明了采用压力配合将管件端部固定到连接处。但是，在各个实施例中，公开了为提供防漏流体密封而使用的弹性垫圈，这是因为聚氯乙烯不能与铜相粘结而必须设置的。
为其他目的提出了其他类型的涂敷有塑料层的管件。例如，美国专利US-3,502,492公开了一种在金属基材的表面，例如金属管的外表面上，形成很薄的环氧树脂的静电沉积层，在此表面上形成较厚的聚氯乙烯树脂颗粒的静电沉积层，然后加热上述基材，以使聚氯乙烯和环氧树脂凝聚，形成粘结在基材表面上的聚氯乙烯层。本文中不讨论这种管件或其接头的物理结构。
美国专利US-4,481,239公开了一种用于涂敷金属基材，例如铁管的方法，其中在管件的表面上涂敷一种或几种交联树脂，对交联树脂进行充分加热，使其交联，并且在受热的经过了涂敷的基材上施加烯烃聚合物，以形成一外层。在本文中不讨论管件或其接头的结构。
美国专利US-2,646,822公开了利用聚乙烯(PE)或聚苯乙烯作为金属管的防腐外涂层。在此专利中说明的唯一实施例中，涂有PE的金属管设有无塑料的通常带有螺纹的端部。所述的管端部装在具有无塑料的内金属螺纹的用塑料覆盖的金属接头内，以形成连续的用塑料覆盖的长金属管。通过使管件外端上的螺纹与连接的金属管内的螺纹机械接合而形成接头处的连接。在此没有说明塑料层是否粘接到管件上。
本发明的一个方面是提供一种多层流体导管系统，其包括一由一段中空的金属管构成的中空导管，具有一对相对的开口端，所述开口端由完全封闭的管状外表面限定，管件的开口端限定了导管的开口端，一热塑性塑料层完全覆盖管件的管状外表面，并且在金属管和热塑性塑料层之间设有一粘合剂层，由此至少在导管的开口端，在金属和热塑性塑料层之间提供一沿周向的防漏密封；以及一安装在导管的一开口端上的管接头，该管接头包括至少一个开口端，以便容纳导管的开口端，并且与其搭接，管接头的一个开口端具有暴露的、最靠内层的管状热塑性塑料表面，该表面直接面对在导管的一开口端上的热塑性塑料层，并且与其相互粘接。
本发明的另一方面是提供一种制造上述流体导管系统的方法，其包括以下步骤至少在暴露于导管一开口端上的热塑性塑料层和管接头的、暴露的、最内层管状表面之一上涂敷在环境温度下活化的粘合剂；以及管接头的一开口端容纳并且覆盖导管的一端，保持所述导管和管接头的管状开口端在一起，直到粘合剂直接在管接头和导管之间形成防漏密封接头。
结合附图将更加清楚地了解前面对本发明的概述和后面对本发明优选实施例的描述。为了说明本发明的目的，在附图中采用示意图描述了本发明的优选实施例。但是，应当理解，本发明不受附图中公开的特殊实施例、构造、元件和方法的限制。
图1是根据本发明的一段多层导管的局部纵向剖视图；图2是塑料管接头的一个实施例的剖视图；图3是利用图1和2所示多层导管和管接头的自动顶板喷水灭火系统的一部分的侧视图；图4是沿图3中的4-4线的剖视图；图5是沿图4中的5-5线的剖视图；图6是用于装配类似图3所示多层导管系统中常规的螺旋消防喷水头或喷嘴的、本发明的多层金属/塑料，T形螺纹管接头的四分之一部分的侧视图；图7是四分之一剖面的侧视图，示出了具有如图6所示另一种紧固形式的本发明的管接头的实施例；图8是端视图，其描绘了具有如图6和7所示的另一种紧固形式的管接头的实施例；图9是制造按照本发明的多层导管的方法的示意图；图10是示意的剖视图，表示用于将氯化聚氯乙烯(CPVC)树脂层涂覆到黑色金属管的涂有粘结剂的外表面上的挤出头；图11是图10所示挤出头中挤出杆的端面示意图；图12是表示挤出头中气动定径套管的内部的示意图。
在下面的描述中采用了一些术语，这仅仅是为了描述方便，而不是限制本发明。词“左”、“右”、“上”和“下”是指附图中标号所示的方向。词“径向”和“轴向”涉及垂直于和沿着所述物品、零件和结构的中心轴线或其他指定的轴线的方向。词“向内”和“向外”分别涉及朝向和远离物品、零件或结构的几何中心的方向。这些术语包括上面提到的词汇、从这些词汇中转化来的词汇和引入的类似的词汇。此外，在全部附图中，相同的代号表示相同的零部件。
图1概略地描绘了本发明中涉及的典型的多层流体导管，一般用标号10表示。导管10由一定长度的中空金属管12形成，该金属管12有完全封闭的管状外表面13和相对的封闭的管状内表面14。该多层流体导管10还包括一层最好具有均匀厚度的热塑性塑料层20，最好，该塑料层20从金属管12和导管10的一端15到相对的另一端16至少基本上完全覆盖黑色金属管12的封闭的管状外表面13。在金属管12和热塑性塑料层20之间设置一粘结剂层22，由该粘结剂层22将热塑性塑料层20和金属管12的管状外表面13连接在一起。金属管12的管状内表面14和外表面13在本实施例中从一端15到另一端16是均匀平滑的(在制造公差范围内)，并且，有均匀一致的内、外直径。
图2概略地描绘了具有多种接口的接头30，它可和多层流体导管10一起使用，以组装成如图3中总的以标号40表示的、本发明的多层流体导管系统。
参见图2，接头30是常规的“ T”形喷水头接头，该接头30包括一具有第一和第二对置的管状开口端32和33的、整体式的热塑性塑料接头体。管状开口端32、33由一中央管分支部分34相连，该中央管分支部分34具有一第三管状开口端35。在接头体中最好模铸有金属插入件36，该金属插入件36具有内螺纹，用于容纳消防喷嘴或喷水头或其他附属的螺纹构件的带螺纹的部分，从而形成第三开口端35的内螺纹开口。暴露的管状开口端32和33的最内层管状表面是热塑性塑料做的，最好还具有均匀光滑的表面，并具有恒定的内径。
图3概略地描绘了使用本发明的多层流体导管10的一种防火系统40的一部分。由图3描绘的多层流体导管系统的那部分由多个用若干个T形接头30端对端地连接在一起的多层流体导管10形成。邻接的多层导管10的中空端部容纳在各T形接头30的对置的第一和第二开口端32或33中的每一个内。各T形接头30的管状开口端35容纳常规的消防喷水头38或喷嘴39的螺纹端。消防喷水头38可具有一插塞和保持该插塞处于适当位置直至释放的触发机构。消防喷嘴类似于消防喷水头，但没有插塞和触发机构。由于其开孔的特殊形状，它甚至可以没有导流装置也能获得水分布状态。
如图4和5所示，每个导管10的热塑性塑料的外层20在标号46处粘接在热塑性塑料接头30(或其他合适的接头)的管状开口端32和33之一的暴露的最内层管状表面上，从而在导管10和接头30之间形成密封连接。应当注意，中央管分支部分34限定了导管系统40的暴露的、热塑性塑料的管状内表面部分。
除了由类似接头30的热塑性塑料接头进行连接之外，应当理解，按照本发明，能够采用其他标准构形的接头连接多层导管10，或者换句话说相结合，这种有标准构形的接头常用于防火系统的全氯化聚氯乙烯(CPVC)管和其他用途的塑料导管系统。这些接头包括但不限制其他形式的喷水器接头、直管接头、弯头、套管、十字接头、管座、插塞、法兰、凹槽连接器和活接头，它们各自具有插口、套管或承插型的端部，以及递减的或均匀的内径。
在用于防火系统40的优选实施例中，导管的金属管12是黑色金属材料，最好是钢做的。热塑性塑料层20最好是适于防火的氯化聚氯乙烯(CPVC)，例如B.F.谷德里奇公司的BLAZEMASTER牌氯化聚氯乙烯产品。粘结剂层22是由这样一种粘结剂形成的，它永久性地使氯化聚氯乙烯层20粘结到黑色金属管12的外表面13上，并且，可适于具有不同热膨胀系数的钢和氯化聚氯乙烯，以保持连接。最好，接头30和用于防火系统的类似接头是适于防火的氯化聚氯乙烯，例如，BLAZEMASTER牌氯化聚氯乙烯产品，并具有黄铜制的螺纹插入件36，这种接头目前可以从包括Lansdale，PA的中央喷嘴公司的多种商品来源获得。
特别是，氯化聚氯乙烯的使用是本发明的较佳实施例在几个方面中尤其重要的一项。在防火系统方面，只有氯化聚氯乙烯和聚丁烯通过了为防火安全制订的工业标准，因此，只有它们才是现今在允许将塑料用于这种系统中的所有地方可以广泛地用于防火导管系统的塑料。但是，聚丁烯系统有较低的最大环境工作温度(120°F对氯化聚氯乙烯的150°F)，而且其比氯化聚氯乙烯更加柔软，需要热连接的机械翻边连接的设备。已经证明聚丁烯热连接接头在经过了连续的热循环之后易于损坏。在从大约0°F-100°F或更高的环境温度下，采用已知的溶剂基粘结剂，可以直接地将氯化聚氯乙烯粘接到氯化聚氯乙烯上，形成密封接头。与聚丁烯相比，氯化聚氯乙烯可以用很少的支撑架安装，并设置在较高的环境温度下，同时可采用很少的结构保护措施。在通常模塑或挤压的塑料中，氯化聚氯乙烯是最难加工的塑料之一。氯化聚氯乙烯聚合物的挤压温度范围一般大约从400°F到大约450°F。但是，对于具体的挤压设备和氯化聚氯乙烯的配方来说，挤压温度范围可能非常窄，即，只有约10°-20°F。例如BLAZEMASTER牌氯化聚氯乙烯化合物在将要描述的挤压形式中，推荐的挤压温度范围仅仅在约415°F-430°F之间。
最好，制作挤压的导管外层20的氯化聚氯乙烯(CPVC)是B.F.谷德里奇公司的BLAZEMASTER牌88745号化合物。这种氯化聚氯乙烯化合物的物理和热特性如下所述
在美国专利US-4，412，898中提供了有关用于BLAZEMASTER牌88745号氯化聚氯乙烯化合物的氯化聚氯乙烯树脂的其他信息，其全部在本文中作为参考。
很薄的冷轧钢，例如SAE C101020号钢是目前用于本发明的多层导管10中的黑色金属管12的较好材料，因为其成本效益在其他金属中是找不到的。其他可以使用的黑色金属包括镀锌钢、不锈钢或含碳量高于C1010的碳素钢，以便通过增加强度来减小壁厚。
由于氯化聚氯乙烯不能直接与金属粘接，即使当其以融熔形式挤压在金属表面上时也是如此，优选的氯化聚氯乙烯材料与黑色金属管12之间需要有粘合剂。当导管10连接在一起形成流体导管系统时，设置粘结层22，以防止在金属管12和覆盖金属管12的氯化聚氯乙烯外层20之间产生浸水的可能性。此外，粘结层22也还具有足够的弹性，以便适应金属管12(大约为6～7×10-6/°F)和氯化聚氯乙烯外层20(大约为3.4×10-5/°F)不同的热膨胀系数，从而防止在使用中氯化聚氯乙烯外层20和金属管12之间的连接被破坏。如果导管10能够为了使用而被切割为任意长度，粘结剂层22必须完全地围绕金属管12并从一端至另一端沿整个管12延伸。沿着管可以设置一系列分开的、独立的粘结环，但是，为了具有多万面的适应性，最好围绕整个管，沿着管的全长设置连续的粘结剂层。如果导管10不需要再切割就可以使用，只需要围绕管12的任一端，从该端部延伸出足够远的距离，设置一粘结剂层，以便围绕管12的每一端部在管12和氯化聚氯乙烯外层20之间产生耐久的防水密封。
最好的用于上述钢管和BLAZEMASTER牌氯化聚氯乙烯化合物的粘合材料是B.F.谷德里奇公司的A1718B号粘合剂和宾夕法尼亚州Erie的Lord公司的双组分系统Chemlok485和Curative 44，这种弹性材料产品。
B.F.谷德里奇公司的A1718B号粘合剂被认为是一种溶剂基的底层涂料。它是一种包括丁酮、甲苯、丁醇、乙醇、异丙醇和氧化丙烯独特混合物的液体。Chemlok485/Curative 44的成分构成一双组分弹性体粘合剂。产品Chemlok485包括独特地混合在一起的二甲苯、丁酮和乙苯。产品Curative 44包括独特地混合在一起的二甲苯芳族聚异氰酸酯、4，4’-二苯甲烷二异氰酸酯、乙苯和二苯甲烷二异氰酸酯。建议两种组分的混合比为100重量份Chemlok485对6～10重量份Curative 44。
最好将各种粘合剂喷洒在管12的外表面13上，并且不过份稀释，以在干燥时足以产生2-3密耳的厚度。最好，多层导管10提供的外径符合公称的管件外径，例如，管号为40和/或80(ASTM F438)，从而可与公称尺寸的管接头一起使用。多层导管10中金属管12、热塑性塑料层20和粘结剂层22的总厚度只要足以提供具有安全所需的强度和刚度的防漏导管系统即可，该系统可用于消防，或应用这种导管系统的场所。
为了使用相应的有公称尺寸的管接头，最好多层导管10的外径一般相应于公称的管件尺寸(NPS)，例如，管径从3/4英寸到至少4英寸。ASTM牌号为40和牌号为80的管接头有为用于防火导管系统中的塑料制订的标准尺寸。用于塑料管的具有大约2英寸或更小的公称尺寸的塑料管接头可用于有牌号为40的管件尺寸(ASTM F438)的防火系统，虽然有较厚的壁的牌号为80的管件尺寸(ASTM F439)也可以使用。用于塑料管的具有大于2英寸的公称管件尺寸的塑料管接头必须符合用于防火系统中的牌号为80的管件尺寸。对于用于其他用途的导管系统可以采用其他标准的管件和管接头尺寸。例如，可以使用其尺寸牌号范围从5～100的ASTM标准的管件和管接头。
至少对于防火导管系统，最好使氯化聚氯乙烯层20的壁厚小于0.1英寸，建议小于0.08英寸，最好仅为约0.04英寸，虽然在使用中也可以考虑使厚度薄至约0.02英寸，厚至0.075英寸。
对于喷水防火系统，多层流体导管10的黑色金属管12最好是非常薄的冷轧钢管，其壁厚小于0.1英寸，建议小于0.08英寸，甚至0.06英寸，最好大约仅为0.04英寸(如0.042英寸)，虽然也可以考虑使公称管件尺寸最高到至少3英寸的管的厚度在大约0.035和0.065英寸之间。由ASTM标准允许的、用于喷水防火系统的、最薄的、螺纹钢管的壁厚为0.087英寸。允许用于喷水防火系统的、有3/4英寸公称管件尺寸的、氯化聚氯乙烯管的最薄壁厚是0.085英寸。对于公称管件尺寸为1英寸或更大的管件，氯化聚氯乙烯的壁厚必须大于0.100英寸。
管件的公称尺寸由其具体的外径确定。用于管件的管接头相对于为可由管接头容纳的管件规定的标准外径以内尺寸为标准尺寸。对于标准的管接头尺寸，本系统中的导管10有至少在一定程度上大于所有的塑料管，甚至大于标准的钢管的内径。例如，1英寸(NPS)牌号为10的钢管，其广泛地用于喷水防火系统，它的实际内径为1.097英寸，壁厚为0.109英寸。虽然这种管件被设计成用于轧制凹槽，但其具有足以制作螺纹的厚度。用于防火系统的最薄的钢管是牌号为5的产品。在市场上，可以买到公称尺寸在1和2英寸之间的管件产品。所有管件都有0.065英寸的公称壁厚。这种薄壁管件是不能制出螺纹的。ASTM标准编号A795-93，“对用于防火用途的钢管的标准说明”，为可制有螺纹的牌号为10和40的钢管规定了公称管件尺寸、实际外径和公称壁厚的牌号，如下表
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在有最小的公称管件尺寸时，用于氯化聚氯乙烯管的壁厚与可制有螺纹的钢管相同，例如对于1/2英寸(公称管件尺寸)的钢管和氯化聚氯乙烯管，分别为0.087英寸与0.085英寸。在所有情况下，本发明的多层导管系统中的黑色金属管的管壁比为以前可用于防火系统中的有相同公称直径的最薄的管所规定的最薄公称壁厚更薄。
对于氯化聚氯乙烯壁厚需要更迅速地增加，其范围从1英寸直径(公称尺寸)的管(实际内径为1.101英寸)的0.107英寸到3英寸直径(NPS)管的0.300英寸。可以预计，在约有相同的公称管径尺寸时，通过使用本发明的具有标准氯化聚氯乙烯管接头的多层导管10而可提供的增加的内部尺寸可使水流量比常规的薄壁钢管系统(小于牌号10)高约4％，而比传统的牌号为10和40的钢管系统大约8％，与所有管件都是CPVC的系统，特别是尺寸大于1英寸的系统相比，这个增大了的能力甚至会更大。在某些情况下，这种内部尺寸的有效增加使得压缩机可减小用于喷水系统的管件尺寸，由此减轻了附加劳动和用于压缩机的材料。
如果多层导管10的外径由常规的与之一起使用的管接头的内径来确定，金属管12的外径将取决于热塑性塑料层20和粘结剂层22的厚度。因此，本发明的金属管通常没有标准的内外直径。
本发明的多层导管10具有全塑管的所有制造优点。本发明的多层导管10可以在工作场地用普通轮式切割机切割为任意长度。对切割的端部最好倒角，并且可以修削氯化聚氯乙烯层，以便于进行安装。为了形成连接，特别需要在导管的端部或金属管上没有螺纹、槽或其他破坏形式。围绕导管10的端部将在环境温度下活化的粘结剂简单地涂敷在暴露的热塑性塑料层20上和/或管接头的暴露的最内层表面上，该表面由暴露的热塑性塑料层形成，以用于接纳导管的端部。通过将导管端部插入管接头的开口端，并且进行扭转，以使粘结剂分布开，就使管件连接起来。对于形成的粘接连接进行固化，并且在几分钟内用推荐的指定粘结剂进行加压加固。热塑性塑料外层20还有防止金属管12的外部锈蚀的优点。
由加州的IPS公司和俄亥俄州的Oatey公司生产的一步液状粘固剂是优选的、在环境温度下活化的粘合剂，用它可连接上述的覆盖氯化聚氯乙烯的导管10和氯化聚氯乙烯管接头30，并且提供的接头在至少875psi或更高的压力状态下保持防漏和整体状态。IPS的配方被称为“中央喷洒器CSC-300液状粘固剂”。它还被称为“WELD-ON723”(为BLAZEMASTER牌氯化聚氯乙烯管改性的产品)。Oatey的配方被称为“Oatey Medium Red BLAZEMASTERCement CPVC-Low VOC.”这些粘合剂可以直接涂敷，不需要稀释，并且适用于环境温度，即在约0～120°F之间的某一(些)温度范围。每一种粘合剂是氯化聚氯乙烯树脂和包括四氢呋喃、丁酮、环己烷和丙酮的有机溶剂的混合物。对上述材料可以不加稀释的使用，并且在室温下(例如0～120°F)进行固化。
图6概略地描绘了本发明具有螺纹的多层金属/塑料喷水器接管型T形管接头的四分之一剖面图，它用标号130表示，可用于在有较重的火灾的场所增加热保护。改善的管接头130包括一内部通常是热塑性塑料，最好是氯化聚氯乙烯的管接头，例如图2所示的管接头30，和一采用标号132表示的包围该管接头30的金属壳。金属壳132可以是冲压、塑造或围绕T形管接头30折叠成型的，并用各种方式将其固定在管接头30上，所述方式包括但不限于总的在标号134处表示的钎焊或由条带136表示的粘结。在图7和8中表示了其他形式的固定方式。在图7中，成对的彼此面对的法兰(一个用标号138表示)设置在经过修改的再一种实施例的管接头130’上，在该管接头130’上具有安装常规紧固件142的开口140，所述紧固件142可以是铆钉、螺钉和螺栓螺母组合的螺栓部分。图8是另一个实施例的管接头130”的端视图，其中金属壳132”的向外卷和向内卷的相对的凸缘138”，139”相互重叠，并且围绕管接头30固定。上述各金属壳132、132’、132”提供的金属层至少基本上完全覆盖管接头30的外表面，足以适当的改善管接头30的耐热能力。
图9是方框示意图，表示制造多层导管10的步骤。最好，薄壁钢管12以单独的切割为标准的长度的形式提供。在工序60，清洁钢管中任何残余的氧化铁皮和其他污物，并且除油。然后，在工序62，例如采用强制的空气蒸发以清理除油剂。接着，在涂敷粘结剂的工序64中，采用任何适用的设备将合适的粘合材料24涂敷到完全封闭的管状外表面13上。最好将粘合材料喷涂到金属管12的全部外表面上，但是也可以将粘合材料24刷涂或辊涂到管件12上，或者可将管件12浸渍到其中。然后，在干燥工序66干燥粘合材料24。对于公开的优选的粘合剂，最好在低于活化温度的条件下，例如大约150°F，进行加热，完成干燥工序，以从粘合剂中充分地消除溶剂载体，使得覆盖有粘合剂的管件可以被使用。在下文中以标号12’表示用粘合剂覆盖的管件。通过加热，使温度达到不使粘合剂活化的程度，可干燥具有粘合材料层的管件12’。此温度对于B.F.谷德里奇的粘合剂大约为340～350°F，对于Lord公司的系统大约为250°F。
使具有粘合剂涂层的管件12’通过如图10所示的挤出头88。在施加熔融的氯化聚氯乙烯材料之前的加热活化工序68中，用一组预加热器85a，85b，85c或挤出头88的工艺装置将优选的粘合材料层24预加热到高于干燥温度的活化温度，要求大约为350°F。将指定的粘合剂加热到大约360°F或更高的温度，以便使粘合剂活化。如果需要，可以将Lord公司的系统加热到350°F温度以下，使其活化。最好在使粘合剂24实际进入挤出头88之前进行加热活化，但是也可以在挤出头88内进行加热活化。通过对在挤出头88的入口处的管件12’的表面进行预加热，仍然可以从挤出头的外部对管件12’进行加工，使之通过预加热器和挤出头。预加热管件12’有助于保持挤出塑料的温度。在挤出工序70中将氯化聚氯乙烯材料21或其他可挤出的热塑性塑料施加到管件上形成管状层20。
可以采用各种方法使多层导管10移动通过挤出头88，所述的方法包括推、拉或者最好是最初推和接着拉的混合方式，例如采用夹送轮(未图示)。
可以在定尺寸工序72中加工处理导管10，其中完成对外表面的精加工，以获得非常精确和均匀的氯化聚氯乙烯层20和导管10的外径尺寸。可以采用几种是用于确定塑料管的尺寸的标准的方式确定导管10的外径尺寸，这些方式包括但不限于机械轧制、真空精整或上述方式的组合，以及采用图12所示的正压空气压缩定型。
如果将采用机械方法切割成一定长度的钢管12连续地供给到挤出头88中，在切割加工过程中，这种管件的端部会稍微向内卷曲或“凹陷”。这种管件端部的管径稍微减小的程度在这种管子的正常制造公差范围内。虽然，管径尺寸是稍微地减小，但是应采用邻近探测器或类似装置对管件12的相互对接的端部的尺寸变化进行探测。还有，可以在一个或几个伺服控制轮上提供一台或几台编码器，以跟踪管件端部的位置，该控制轮使管件输送穿过挤出头，并有一个或几个可探测管件的初始端和末端的传感器。另外，对于供入挤出头的管件，在各管件之间可以有间隙。在邻接的管段的邻接端部之间，所述间隙大约为1/32”或更大，其尺寸取决于供给方式。由连续的氯化聚氯乙烯材料管跨越所述间隙，因为缺少内部支撑，应在管件之间形成凹陷，从而可以识别管件的端部。由于这些变化比凹陷的管件端部更明显，也可以使用其他类型的传感器，如超声波、磁、电和/或光学探测装置，以探测离开挤出头88的管件端部位置。于是，可以在精加工工序74中识别预先切割的金属管12的长度，将其相互分开，清除多余的氯化聚氯乙烯材料，获得加工好的多层导管10的端部。
图10概略地描绘了优选的挤出头88的主要工艺装置中的元件，用它将氯化聚氯乙烯材料施加到涂敷了粘合剂的金属管12’上。图中示出了常规的挤压机的一部分，并总的用标号80表示。挤压机80包括氯化聚氯乙烯的储罐，将氯化聚氯乙烯加热，并在加压状态下，以常规方式输送通过连接器82，供入挤出头88的供给导管86，并进入挤出头88内。氯化聚氯乙烯通过挤出头88的衬套87中的开口87a，进入压缩腔96，所述压缩腔96位于衬套87的管状内表面和挤出杆90的外表面之间。挤出杆90具有一中心孔91(以虚线表示)，用于容纳和通过涂敷了粘合剂的金属管12’。在挤出杆90的外表面上的供给通道92容纳来自供给导管86的氯化聚氯乙烯材料。挤出头88还包括顶杆94，其在杆90的上游端支撑着挤出杆。如果需要，也可以采用刀刃状支架在杆90的下游端进行支撑。所述刀刃状支架在杆90和衬套87之间延伸，或者在固定在衬套87上的模具98和杆90之间延伸。衬套87围绕杆90的根部，而模具98围绕杆90的末端。
供给通道92有两个对称的二分之一部分，其中之一由标号92a表示，并在图10中示出。在挤出杆90的另一侧的镜像是在图10中看不到的二分之一部分。在示出了挤出杆90的端视图的图11中用虚线表示了两个二分之一部分92a，92b。各供给通道部分92a，92b从开口87a沿螺旋线延伸到挤出杆90的相对一侧，即从开口87a围绕杆90转过180°。最好，挤压机80的供给轴线和连接器82与供给导管86的中心轴线相互处于同一平面，而且与供给通道92a，92b共面，以将停滞和剪切作用减到最小。各供给通道部分92a，92b的横截面从一基本上呈半圆形的直接邻接开口87a的横截面平滑地逐渐减小到无横截面积，在此，供给通道92a和它的镜像部分92b在挤出杆的相对一侧相会，背离开口87a。挤出杆90包括一通常是圆柱形的部分90a，它支撑着通道92。由此，杆90朝内向下倾斜，形成一锥形部分92b到达一具有较小直径的第二圆柱形部分90c，其壁厚小于0.1英寸，内径仅大于钢管12的外径60密耳。如果需要，可以在杆90的孔内设置多个沿径向向内并沿着纵向延伸的刀刃状边缘，当从挤出杆90的端部供给管件12’时，可有助于保持管件12’对中。在通道92下方的衬套87的内径比紧靠着通道92下方的杆90的直径大约大0.3英寸。此尺寸差基本上限定了环形压缩腔96的径向尺寸。模具98具有一面对杆90的倾斜部分90b的倾斜部分98a和一直径均匀的孔98b，由该孔98b容纳杆90的具有同一直径的末端90c。在模具98中的内径均匀的孔98b可以是，例如，大于挤出杆90最末端90c的外径约0.09到约0.12英寸，以便挤出的氯化聚氯乙烯管件的壁厚大约为45～60密耳，从而在管件12’上施加40密耳厚度的氯化聚氯乙烯或其他热塑性塑料。管件12’通过挤出头的速度大于氯化聚氯乙烯化合物的挤出速度。最好，将此速度控制成使氯化聚氯乙烯化合物被拉伸成厚度约为40密耳，稍小于原始挤出的厚度。
为了控制氯化聚氯乙烯化合物的温度，在挤出头的工艺装置中和其他装置中具有加热区域。最好，在连接器82、供给导管86、衬套87上方的挤出头壳体84，以及在供给导管86下方的衬套87自身上保持分开的，独立地控制的加热区域。此外，最好分开控制位于挤出头88上游的各预加热器85a，85b和85c，以便预加热管件12’，并且在该管件12’即刻通过挤出头88之前，使粘合剂覆盖层22活化。挤出头的加热区域最好保持在大约365°F，以允许在氯化聚氯乙烯化合物从挤出机80通过并通过挤出头88时产生部分剪切生热。
通道部分92a，92b的横截面的取向和逐渐的减小对氯化聚氯乙烯挤出工序的成功是非常重要的。部分92a和它的镜像相对部分92b使树脂更迅速地移动到挤出杆90的相对一侧，此移动速度高于树脂到达无通道92的位置的速度，以便防止沿周向围绕杆90的树脂不均匀冷却。通道的二分之一部分92a，92b与供给导管86和衬套开口87a的中心线处于同一平面内。各通道的二分之一部分92a，92b的深度在其从衬套开口87a(在杆90的0°位置)到杆90的相对一侧(180°位置)延伸时线性减小。此外，在槽的下游侧上的挤出杆90的圆柱形部分被进一步地切割，所述被切割部分从沿各通道的二分之一部分92a，92b大约为中途(即大约90°和270°的位置)的地方直到杆90的那一侧(即180°位置)，再在各中途位置(即大约90°和270°的位置)开始线性地切割，在杆90的相对一侧(即180°位置)达到深度约为0.090英寸。熔化的氯化聚氯乙烯的通常是均匀的冷却非常重要，因为这样可以防止形成显而易见的焊接或皱纹线或高的应力集中区域，这种线或区域常常出现在挤出杆90的相对于开口88a的一侧。
在一个优选的加工温度范围内，将覆盖有粘合剂的管件12’预热到接近挤出氯化聚氯乙烯的温度(例如，在至少约50°F的范围内，最好在小于施加的氯化聚氯乙烯的温度50°F的范围内)，这有助于在挤出头88中保持氯化聚氯乙烯化合物的温度。在挤出头88内，此温度范围仅约为15°F(大约为415至大约430°F)。由于经过氯化处理的氯化聚氯乙烯的粘度，较好的氯化聚氯乙烯化合物抵抗被拉出到最佳厚度。如果将温度冷却到410°F或更低，优选的化合物将趋于剥离。如果使温度超过450°F，优选的化合物将燃烧或擦伤。如果从工艺装置中过快地拉出氯化聚氯乙烯，氯化聚氯乙烯可由于摩擦和燃烧而过热。理想的排出氯化聚氯乙烯的温度是刚好低于或大约为450°F。在大约430°F的条件下，上面所述的设置将氯化聚氯乙烯化合物传送给杆90或管件12’。对于使用指定的氯化聚氯乙烯化合物、钢管和加热活化的粘合剂，1英寸直径的管件目前正以大约为30～35英尺/分钟的速率通过上述工艺装置。
图12表示一种推荐的用于确定尺寸的装置。管状定尺寸套环100安装在模具98的暴露端上。该套环100包括一内部通道102。当覆盖有塑料层的导管10离开模具98时，所述导管10从通道102穿过。环形集流腔104设置在与供给导管106相连的套环100内，通过供给导管106可以供给由箭头108表示的压缩空气源或其他可以应用的气体。多个单独的孔110沿径向从集流腔104向内延伸进入内部通道，并且形成一环状空气流，所述环状空气流围绕通过挤出头88的导管10。通过调整包括管件10’的供给速度，氯化聚氯乙烯化合物或其他挤出的热塑性塑料的供给速率和温度，以及吹过孔110的空气或其他气体的压力的工艺参数的组合，可以控制热塑性塑料层22的厚度。
本发明的多层导管和导管系统在成本和使用的容易程度方面有比特别是在防火系统中使用的其他已知的金属、塑料组合的金属/塑料导管系统更突出的优点。本发明的优选的多层导管在减小壁厚的条件下，与全塑管路相比，可以提供较高的强度和刚度。本发明的多层导管可以在没有火险或与安装铜焊系统相关联的成本或安装全钢系统的费用时，和全塑系统一样容易地结合在一起形成导管系统。安装本发明的多层导管系统不需要很高的技术劳动。并且没有加工螺纹的设备、扩管设备、焊炬设备、热粘结设备或弯曲设备的花费，也不需要其他昂贵的机械连接管接头的系统。
因为本发明的系统不需要对黑色金属管12或多层导管10的管状内、外表面进行螺纹加工或其他形式的穿孔加工，也不需要对管件或导管的端部进行压力加工，所以可以采用比已知的用于这种系统的钢管薄的钢管，以减轻重量，并降低成本，同时仍然可提供金属的刚度，并在875psi或更高的压力条件下保证本发明的系统完好无损。本发明的导管是使用塑料的第一导管系统，符合国家防火协会(NFPA)的规定，这种系统可以用于普通的易燃场所。但是，可以相信，该优选的复合系统有较宽的适用性，并且适用于在装置的防火系统中目前金属管占主导地位的火灾系统。特别是，对于本发明的优选的复合导管系统10所需的悬挂支撑至少与钢管系统一样好(支撑支架之间的最大跨度为15英尺)。因为本发明的导管系统的重量大大减少，该系统可以安全用于支撑支架跨度更大的场所(例如16～几乎20英尺)，以进一步地减少安装成本，同时具备很高的安装适应能力。
本发明的多层导管具有能够与有氯化聚氯乙烯管接头的软管一起使用的优点，通过这些管接头，可连接其他的铜、钢或传统的塑料(如PVC或ABS等)导管系统或管道系统。
虽然在这里已经公开了本发明的优选实施例和对其所做的某些改进，但是对于本专业的普通技术人员来说，还可以做出其它的修改和变化。例如，虽然在喷水灭火系统的导管系统中，最好使用具有氯化聚氯乙烯的管接头，并最好采用粘结的氯化聚氯乙烯，但也可以使用其他的聚合物。除氯化聚氯乙烯以外，其他可以使用的、可压缩、可粘结、在环境温度下可结合的聚合物包括聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚氨酯(聚酯和聚醚)、以及它们彼此之间以及与氯化聚氯乙烯的混合物。还包括所有可压缩的、可以与金属粘合的溶剂粘合剂。聚乙烯和氯化聚氯乙烯的区别在于以重量计，含有多于57％的氯的聚氯乙烯可认为是CPVC。
可以采用其他方法将优选的氯化聚氯乙烯层设置在钢管上。优选的氯化聚氯乙烯本身的强度很高。氯化聚氯乙烯外层22防止钢管12的外部锈蚀。由于这种管道系统是干燥的，或在喷水之前，管道内的水是静止水(不流动水)，通常在该系统内很少产生内部锈蚀。因此，即使钢管壁很薄，也可以用于防火系统，以及其他用于流动流体的导管系统。在防火系统以外的其他场所，也可以将其他聚合物用于黑色金属管或其他事先带有螺纹的金属管系统。
本发明并不限于公开的特殊的优选实施例和其他实施例，而是旨在将在所附权利要求书中提出的所有实施例包括在本发明中。
权利要求
1.一种多层流体导管系统，包括一由一段中空的金属管构成的中空导管，该金属管具有一对相对的开口端，所述开口端由完全封闭的管状外表面限定，管件的开口端限定了导管的开口端，一热塑性塑料层完全覆盖管件的管状外表面，并且在金属管和热塑性塑料层之间设有一粘合剂层，从而至少在导管的开口端，在金属管和热塑性塑料层之间提供沿周向的防漏密封；一安装在导管的一开口端上的管接头，该管接头包括至少一个开口端，以便容纳导管的一个开口端，并且与其搭接，管接头的一个开口端具有暴露的、最内层的管状热塑性塑料表面，该表面直接面对在导管的一个开口端上的热塑性塑料层，并且与其相互连接，以致直接在导管和管接头之间的导管的一个开口端处形成防漏的密封接头。
2.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是管件具有管状的内表面，黑色金属管的管状外表面和内表面从一端到另一端是均匀平滑的。
3.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是黑色金属管的材料是钢。
4.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是黑色金属管的壁厚不足以制作出螺纹。
5.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是黑色金属管的壁厚小于0.08英寸。
6.按照权利要求5所述的导管系统，其特征是黑色金属管的壁厚约为0.06英寸或更小。
7.按照权利要求6所述的导管系统，其特征是黑色金属管的壁厚约为0.04英寸。
8.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是在最高到3英寸的公称管件尺寸中，黑色金属管的壁厚小于0.08英寸。
9.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是导管的热塑性塑料层的壁厚小于0.08英寸。
10.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是导管的热塑性塑料层的壁厚约为0.04英寸。
11.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是导管的热塑性塑料层的壁厚在大约0.02英寸和0.075英寸之间。
12.按照权利要求11所述的导管系统，其特征是黑色金属管的壁厚小于0.08英寸。
13.按照权利要求11所述的导管系统，其特征是黑色金属管的壁厚约为0.06英寸或更小。
14.按照权利要求11所述的导管系统，其特征是黑色金属管的壁厚约为0.04英寸。
15.按照权利要求11所述的导管系统，其特征是黑色金属管的壁厚在大约0.035英寸和大约0.065英寸之间。
16.按照权利要求15所述的导管系统，其特征是在导管端部的管件的管状外表面和内表面无表面变化，它们能够与相配合的管接头压配合。
17.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是粘合剂层只有在被加热到高于300°F的温度时，才将热塑性塑料层与金属管粘结。
18.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是粘结剂层完全环绕黑色金属管的管状表面，并沿着管件从其端部充分延伸，以在管件和热塑性塑料层之间形成不间断的环形防漏密封。
19.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是导管的热塑性塑料层包括氯化聚氯乙烯。
20.按照权利要求19所述的导管系统，其特征是导管的热塑性塑料层主要包括氯化聚氯乙烯。
21.按照权利要求19所述的导管系统，其特征是管接头的最内层表面包括氯化聚氯乙烯。
22.按照权利要求21所述的导管系统，其特征是管接头的最内层表面主要包括氯化聚氯乙烯。
23.按照权利要求20所述的导管系统，其特征是管接头的最内层表面主要包括氯化聚氯乙烯。
24.按照权利要求20所述的导管系统，其特征是管接头的最内层表面包括氯化聚氯乙烯。
25.按照权利要求23所述的导管系统，其特征是导管的一个开口端和管接头的一端的结构使得导管与管接头可以压配合地连接。
26.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是管接头还包括至少基本上完全覆盖管接头的外金属层。
27.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是还包括一自动的喷水灭火装置，它与管接头流体地相联接。
28.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是还包括一灭火喷嘴，它与管接头流体地联接。
29.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是金属管和导管的热塑性塑料层的壁厚分别小于0.08英寸。
30.按照权利要求29所述的导管系统，其特征是金属管和导管的热塑性塑料层的壁厚之和约为0.10英寸或更小。
31.按照权利要求1所述的导管系统，其特征是还包括一在导管上的热塑性塑料层和管接头的、暴露的、最内层管状表面之间的在环境温度下活化的粘合剂，以直接在导管和管接头之间有效地形成围绕导管一端的防漏的密封接头。
32.一种用以制造权利要求1所述的具有管接头和中空导管的流体导管系统的方法，其包括以下步骤至少在导管一开口端上暴露的热塑性塑料层和管接头的、暴露的、最内层管状表面之一上涂敷在环境温度下活化的粘合剂；以及管接头的一开口端容纳并且覆盖导管的一端，保持所述导管和管接头的管状开口端在一起，直到粘合剂直接在管接头和导管之间形成环绕导管端部的防漏密封接头。
33.一种用以制造权利要求31所述的具有管接头和中空导管的流体导管系统的方法，包括以下步骤至少在导管一开口端上暴露的热塑性塑料层和管接头的、暴露的、最内层管状表面之一上涂敷在环境温度下活化的粘合剂；管接头的一开口端容纳并且覆盖导管的一端，保持所述导管和管接头的管状开口端在一起，直到粘合剂直接在管接头和导管之间形成环绕导管端部的防漏密封接头。
全文摘要
通过粘结金属管的管状外表面和热塑性塑料层形成多层流体导管。该外层允许仅通过使导管端部与热塑性塑料管接头粘结，使多层导管的端部相互连接成防漏的流体导管系统。对于防火系统，优选的金属是钢，优选的热塑性塑料是CPVC，而优选的粘合剂是加热活化的。预加热覆盖粘合剂的金属管，将CPVC挤到其外表面上。通过使用阻燃的CPVC，本发明的多层导管系统可以安装在非常严重的火灾危险区，其适应性优于现有的全塑管线。在现场，通过切割和使用相应的粘结剂直接与普通的全塑管接头连接，很容易将导管组装成管道系统。
文档编号B29C47/28GK1158948SQ9612106
公开日1997年9月10日 申请日期1996年10月30日 优先权日1995年11月2日
发明者史蒂文·J·迈耶, 乔治·G·迈耶, 卡迈恩·L·斯基亚沃内, 弗雷德·布兰南, 安德鲁·L·奥维尔, 托马斯·L·伊万斯, 吉里什·特里卡迈尔·达拉尔, 西奥多·约瑟夫·施米茨 申请人:B·F·谷德里奇公司, 中央喷洒公司