一种金属内衬多层复合管及其制造方法与流程

本发明属于复合管，具体为一种金属内衬多层复合管及其制造方法。

背景技术：

1、复合管是一种广泛用于液体输送管网系统中的管材。使用时，要求复合管与液体接触的部位具有良好的防腐性，防止复合管因为长期接触到液体导致锈蚀，影响输送液体的品质。现有复合管，一般外层为金属管、内层为塑料管，内层和外层之间通过复合工艺复合起来。即将外层金属管的内壁通过塑料管进行包覆。现有复合管的结构为承插式，金属管的一端为插口、另一端为承口。在管网安装时，多根复合管依次连接，一根复合管的插口插入与其相邻的复合管的承口。金属外管的承口的内壁为不平整的阶梯状，在进行金属管内壁包覆防腐时，金属管的中部和插口通过内层塑料管包覆，承口的内壁和插口的外壁一般直接涂刷防腐油漆，或采取喷塑/涂塑处理。然而，这种方式没有使复合管的防腐包覆形成一整体，在使用过程中管道内液体长期冲刷下会导致液体通过不同材料间的间隙渗入金属管内壁，导致防腐失效、管壁发生腐蚀，影响管道使用寿命，对管道内输送液体产生污染。

2、对于正常使用的给水管，会承受较大的内部供水压力，该内部压力为正压，因此管材必须满足规定的强度要求。现有一些标准（团体标准和国家标准）中规定了不同压力等级和不同公称直径下的公称壁厚，符合标准的管材在对应的压力等级范围内均能满足强度要求。因此，现有管材生产企业生产的管材一般都符合相应标准规定。

3、但是，当管网出现故障，例如，管网中有管材发生爆管时，管网中的水会从爆管处喷出，管网中的压力会迅速下降，甚至形成负压。另外，管材还会受到一些外部压力，例如埋在土体中的管材会受到其上部土体的重力。在上述外部压力和内部负压作用下，管材会产生径向上的变形，若插口变形量过大，插口会和与其连接的承口分离，导致承口和插口的连接处发生泄漏，使水管内部受到污染。因此，需要保证管材的插口在上述情况下的变形不超出一定范围。为此，对于插口，要获得满足变形要求的最小插口厚度，若选用的管材的插口厚度小于满足变形要求的最小插口厚度，则需要采取措施，使其满足变形要求，例如，在管材二次加工或安装时，在插口套接环形加强圈，以增强抵抗变形的能力。

4、对于承口，现有标准没有给出其壁厚要求，但一般都需要保证其厚度足够以满足强度要求，最好使承口各处的厚度在满足使用强度的同时厚度最小或接近最小。当前，一般基管（即外管）的承口的材质只有一种，比如为球墨铸铁或q235钢，这种承口是单层承口。然而，为了提高管材的性能，承口可以被制作成复合承口，即包括至少两层同轴的从内到外依次套接的不同材质的结构，例如内层为不锈钢、外层为q235钢或球墨铸铁，节省成本的同时可以提高管材的耐腐蚀性。同理，该复合承口若能满足强度同时厚度最小或接近最小，也能大大降低成本。对于复合承口，基管承口内壁可以完全被内衬覆盖或未完全被内衬覆盖。当基管承口内壁未完全被内衬覆盖时，复合承口包括单层结构和多层结构部分，所述单层结构为没有被内衬覆盖的部分，只有一层，即最外层的基管，所述多层结构包括至少两层，即包括最外层的基管以及套接在基管内的各内衬。

5、所述基管是指处于出厂设置的管材，即基管没有安装加强圈、没有进行复合工艺等二次加工。所述基管包括依次连接的承口、管身和插口。管身可分为两部分，分别为主体部和过渡部，过渡部用于主体部和承口的过渡连接，即承口、过渡部、主体部和插口依次连接。管身内壁面为圆柱面，即过渡部的内径和主体部的内径相等。主体部为圆筒状，过渡部外壁面为锥面，换言之，主体部各处厚度基本均匀，过渡部厚度沿着从承口到插口的方向逐渐减小。管身外径是指所述主体部的外径，管身厚度是指所述主体部的厚度，基管外径即为管身外径。图12中，x为插口端部倒角的沿轴线方向的长度，y为插口端部倒角的高度（即径向上的尺寸），de是插口的外径，t6是插口的长度。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种金属内衬多层复合管及其制造方法，耐腐蚀材质的内管覆盖外管内壁和插口端面，插口也为耐腐蚀材质，将外管与所述复合管内流通的液体完全隔离，有效阻止外管发生锈蚀，提高了复合管的使用寿命，避免外管的锈蚀污染水质，中间层同时起到绝缘隔离和连接的作用，防止内管发生电化学腐蚀，防止内管在负压下分层变形，安装时，所述复合管的插口插入相邻复合管的承口并通过密封圈密封，密封圈外圈紧压承口的内管内壁，防止作为内衬的内管脱落同时防止管身和承口接触到液体发生腐蚀。可通过理论分析和计算获得不同管径的承插式管材满足变形要求的复合插口最小或接近最小的厚度以及满足强度要求的复合承口最小或接近最小厚度，节约了材料，降低了管材的生产、制造和运输成本，设计最小壁厚的方法为理论计算，成本低、效率高，为实验和管材设计提供了有力支撑，为二次加工和安装提供参考；管网系统使用更可靠，大大降低了管材发生爆管时相邻管材的插口和承口发生变形分离导致的漏水和供水被污染的情况，以及承口发生裂开的情况。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种金属内衬多层复合管，包括从内到外依次套接的内管、中间层和外管，外管包括依次连接的承口、管身和耐腐蚀性金属材质的插口，内管的材质为耐腐蚀性金属，内管一端覆盖部分承口的内壁、中部覆盖管身的内壁、另一端覆盖插口的内壁和插口的端面。

4、作为上述技术方案的进一步改进：

5、优选的，中间层的材质为非金属，承口和管身的材质为金属。

6、优选的，中间层的材质为热熔胶。

7、优选的，中间层的材质为橡胶。

8、优选的，中间层的材质为塑料。

9、优选的，承口和管身的材质为球墨铸铁或碳钢。

10、优选的，当中间层的材质为热熔胶时，内管、中间层和外管粘接成复合管。

11、优选的，当中间层的材质为塑料或橡胶时，内管、中间层和外管压紧构成复合管。

12、优选的，相邻两根所述复合管连接时，一根复合管的插口插入与其相邻的复合管的承口并通过密封圈密封，密封圈的外圈接触一根复合管承口的内管内壁、密封圈的内圈接触相邻复合管插口的外壁。

13、优选的，中间层的厚度不小于0.2mm，内管的厚度不小于0.1mm。

14、优选的，当中间层的材质为热熔胶时，中间层的厚度为0.2mm~0.5mm。

15、优选的，插口的端面和包覆所述端面的内管之间设有密封垫。

16、优选的，密封垫包括一体连接的压边和翻边，压边位于插口一端的内壁和内管之间，翻边位于插口的端面和包覆所述端面的内管之间。

17、优选的，当中间层的材质为橡胶时，在插口一端，中间层超出插口的端部，超出插口端部的中间层翻边形成密封垫。

18、承口和内管覆盖承口内壁的部分形成复合承口，插口和内管覆盖插口内壁的部分形成复合插口。

19、复合插口厚度的设计方法包括如下步骤：

20、步骤a1：根据圆环的挠曲线微分方程和力矩平衡方程获得圆环的径向变形的微分方程和微分方程的通解；

21、步骤a2：根据步骤a1得到的微分方程的通解计算并获得所述圆环径向变形最大量的计算公式；

22、步骤a3：根据步骤a2获得的径向变形最大量的计算公式求得基管的满足变形要求的插口最小厚度；

23、步骤a4：对于插口厚度小于步骤a3得到的最小厚度的基管，在基管的插口内套接至少一层环形加强圈，形成复合插口，若加强圈的材质和基管的插口的材质相同，则复合插口的厚度不小于步骤a3得到的最小厚度即可，若加强圈的材质和基管的插口的材质不相同，则转步骤a5；

24、步骤a5：确定加强圈的最小厚度，加强圈的厚度不小于所述最小厚度，则复合插口的厚度即为满足变形要求的最小厚度；

25、设复合承口的最外层为基层，其它层为非基层，对于所述复合承口中的多层结构，所述设计方法包括如下步骤：

26、步骤c1：基于复合承口各层应变相同、根据非单层材料平衡方程获得任一非基层的环向应力计算公式；

27、步骤c2：确定任一非基层的厚度和基层的厚度的关系，确定原则为：非基层的应力与非基层的材质的屈服强度的比值不大于管身内壁应力与管身材质的屈服强度的比值；

28、步骤c3：根据步骤c2确定的关系计算非基层和/或基层的厚度。

29、步骤a2包括如下步骤：

30、步骤a21：假设所述圆环受到至少两个相对圆心对称的径向集中力，基于所述假设，计算微分方程通解中的常数项，获得微分方程第一形式；

31、步骤a22：基于步骤a21获得的微分方程第一形式，假设所述圆环只受到两个相对圆心对称的径向集中力，则微分方程第一形式变换为微分方程第二形式；

32、步骤a23：通过引入系数将所述圆环受到的内部负压引入微分方程第二形式，获得微分方程第三形式；

33、步骤a24：根据步骤a23得到的微分方程第三形式获得带系数的所述圆环直径最大变化量的计算公式。

34、步骤a3包括如下步骤：

35、步骤a31：根据已有剪切载荷公式计算一参考管材的参数，所述参考管材的材质、外径分别和基管的材质、外径相同；

36、步骤a32：根据步骤a31计算得到的参数通过仿真模拟获得所述参考管材插口最大变形量；

37、步骤a33：将步骤a32获得的插口最大变形量代入步骤a2的计算公式，得到所述计算公式中的系数值，从而得到已知系数的圆环径向变形最大量的计算公式；

38、步骤a34：根据许用变形规定和步骤a33得到的公式计算得到基管的满足变形要求的插口最小厚度。

39、步骤a1中，得到的径向变形量 u的微分方程为：

40、，

41、其通解为：，

42、其中， r为所述圆环的外圆半径和内圆半径的平均值； e是管材的弹性模量，pa； i是圆管截面的惯性矩，m4； m是局部区域某段圆环承受的弯矩，单位n*m；建立二维坐标系，是变形量为 u处的点和坐标系原点的连线与二维坐标系中 x轴正方向之间的夹角，；a1、a2、a3、b2、b3为常数。

43、步骤a5中，通过实验或仿真或理论计算获得和确定加强圈的最小厚度，通过理论计算获得和确定加强圈的最小厚度时，基于基管的插口厚度和根据纵向复合梁的抗弯强度计算公式获得加强圈的最小厚度。

44、对于同一基管，沿着从承口到插口的方向，承口的内壁包括依次排列的第一阶梯、第二阶梯、第三阶梯、第四阶梯、第五阶梯，管身的内壁一端为第六阶梯，第四阶梯和第五阶梯连接处的倒角为第一倒角，第五阶梯和第六阶梯连接处的倒角为第二倒角，第二阶梯和第三阶梯连接处的倒角为第三倒角，第一阶梯和第二阶梯连接处的倒角为第四倒角、第三阶梯和第四阶梯连接处的倒角为第五倒角。

45、步骤c1中，把所述多层结构视作包括至少一个内壁为圆锥面的压力容器加上至少一个安装在压力容器内壁上的环形加强圈的结构，步骤c1中，第一圆锥为一个内壁为圆锥面的压力容器，第一倒角处和第二倒角处位于第一圆锥的内壁上。

46、步骤c1中，设具有m层非基层和一层基层，则所述多层结构的平衡方程为：

47、；

48、其中， p为圆锥形容器的内部压力，d为圆锥形容器待计算处的直径，为圆锥高度，s1、s2、…、sm分别为各非基层的厚度，sb是基层的厚度，、、…、分别为各非基层的环向应力，是基层的环向应力， α为圆锥形容器的半锥角；

49、步骤c1中，基层的应变和各非基层的应变相同，满足：，即，其中，e1、e2、…、em分别为各非基层的弹性模量，eb是基层的弹性模量，结合所述平衡方程得到第n层非基层的环向应力计算公式为：，其中，是第n层非基层的环向应力，n取1~m，en是第n层非基层的弹性模量。

50、步骤c2中，为了使复合承口达到强度要求，则第n层非基层内部应力与管身内壁应力之间满足：，，其中，q0、qn分别为管身和第n层非基层的材料的屈服强度；为管身的环向应力，s为管身厚度，d0为管身外径，p是管内流体给的压力，联立第n层非基层的环向应力计算公式，得到第n层非基层的厚度和基层的厚度的关系：。

51、已知应力最大处对应的基层的厚度时，根据第n层非基层的厚度和基层的厚度关系求出屈服应力最小一层的最小厚度，设该层为最小应力层，将其它非基层的厚度设为不小于最小应力层的最小厚度；已知非基层的厚度时，首先，选取基层应力易集中的至少一处，选取原则为：各选取处的强度满足要求后，按照外壁设计要求设计出的基层的其它地方强度也满足要求；然后根据第n层非基层的厚度和基层的厚度关系求出各选取处的厚度。

52、一种承插式异材多层复合管的制造方法，用于制造所述的复合管，包括如下步骤：

53、步骤s1：处理承口和管身的内壁和外壁、制作内管和插口；

54、步骤s2：将插口和管身同轴固定连接；

55、步骤s3：将内管、中间层和外管依次从内到外设置；

56、步骤s4：将内管和中间层压紧在外管上；

57、步骤s5：复合；

58、步骤s6：将内管的插口一端翻边密封；

59、当中间层材质为塑料或橡胶时，则没有步骤s5。

60、优选的，步骤s4中，通过旋压成型或者液压成型，使内管紧压在插口内壁、管身内壁、承口内壁。

61、本发明的有益效果是：

62、（1）耐腐蚀材质的内管覆盖外管内壁和插口端面，将外管与所述复合管内流通的液体完全隔离，有效阻止外管发生锈蚀，起到较好的防腐作用，提高了复合管的使用寿命，避免外管的锈蚀污染水质，提高了液体输送性能。

63、（2）耐腐蚀材质的内管作为内衬，与塑料管内衬相比，杜绝了复合时因内衬塑受热熔化产生的内表面褶皱、凹凸不平等缺陷，提高了复合管内表面平整度，内衬厚度较小，提高了管道输水效率、降低运行能耗。

64、（3）耐腐蚀材质的内管作为内衬，与塑料管内衬相比，热膨胀系数小，内管与外管因温度变化产生的相互分离的内应力更小，内衬更不易发生分层。

65、（4）耐腐蚀材质的内管作为内衬，与塑料管内衬相比，管材可应用于输送高温液体介质，在管材受到外界火灾等高温影响时，内衬不会受到破坏。

66、（5）中间层同时起到绝缘隔离和连接的作用，防止内管发生电化学腐蚀，当中间层是热熔胶时，中间层粘接强度大，防止内管在负压下分层变形。

67、（6）安装时，所述复合管的插口插入相邻复合管的承口并通过密封圈密封，密封圈外圈紧压承口的内管内壁，防止作为内衬的内管脱落。

68、（7）相邻两根复合管连接后，一根复合管的插口端面和与其相邻的复合管的管身端面之间存在间隙，液体会通过此间隙渗入、接触到插口外壁，此时，耐腐蚀材质的插口本身会起到防腐作用，无需再在插口的外壁上包覆其它防腐材料，同时，密封圈的内圈紧压插口的外壁，将管身和承口完全与液体隔开，防止管身和承口接触到液体发生腐蚀。

69、（8）耐腐蚀材质，如不锈钢单价高于球墨铸铁，插口使用耐腐蚀材质材质、承口和管身使用球墨铸铁材质，在保证防腐效果同时降低了整体成本。

70、（9）中间层采用热熔胶时，内衬耐腐蚀材质厚度更薄、成本更低；外管内径相同的情况下，所述复合管的内径更大、输送效率更高。

71、（10）可通过理论分析和计算获得不同管径的承插式管材满足变形要求的复合插口最小或接近最小的厚度以及满足强度要求的复合承口最小或接近最小厚度，节约了材料，降低了管材的生产、制造和运输成本，设计最小壁厚的方法为理论计算，成本低、效率高，为实验和管材设计提供了有力支撑，为二次加工和安装提供参考；管网系统使用更可靠，大大降低了管材发生爆管时由于插口变形过度导致相邻管材的插口和承口分离导致的漏水和供水被污染的情况，以及承口发生裂开的情况。