壓鑄混凝土或砂漿襯裡鋼管及其製造方法

2023-05-08 14:40:56 1

專利名稱：壓鑄混凝土或砂漿襯裡鋼管及其製造方法
技術領域：
本發明涉及混凝土或砂漿襯裡鋼管，更加特別地，涉及使用以下方法製造的壓鑄 混凝土或砂漿襯裡鋼管，該方法允許同時使管固化和對管施加預應力，從而增大鋼的容許 設計應力，同時保持製造效率和降低製造成本。
背景技術：
傳統的混凝土襯裡鋼製水管(例如大直徑管)目前設計成在鋼中的最大工作應力 為大約21，OOOpsi。限制這種管的容許設計應力的原因是，這種管的混凝土或砂漿襯裡的容 許應變是有限的。更高的鋼應力將使混凝土或砂漿襯裡在壓力作用下破裂，從而導致形成 有害的破裂，不利地影響襯裡的性能，並且使襯裡可能失效或者以其他方式從鋼管內掉出。這種鋼管採用混凝土或砂漿襯裡是眾所周知的用在水管行業中，因為它們已被證 明可以長時間地(例如超過50年)保護鋼管免受內部腐蝕。作為混凝土襯裡的替代，可以 在鋼管中使用聚合物塗層例如環氧基塗層等，這種鋼管設計成具有更高的失效應變。然而， 在沒有某種形式的定期維護(通常為大約15年的間隔)的情況下，目前可用的聚合物塗層 不能保證或期望在供水工程中持續50年。不切實際的是，例如當用作總水管等時，為了維 護的目的而每15年或一定的年數把這種塗層的鋼製水管停用取出以便對襯裡進行噴砂和 重新塗覆。混凝土襯裡鋼製水管的第二個局限是工程技術上的考慮，需要的直徑對厚度比例 為大約M0，優選地該比例小於大約220。這意味著，直徑為100英寸的管必須具有最小管 壁厚為大約0. 417英寸(D/t = 240 ；t = 100/240 = 0. 417)。這種設計要求的結果是，由 於內部壓力而本來可以設計成具有更小壁厚的管現在卻需要更大的壁厚來應對搬運、運輸 和安裝應力。在該100"內徑X0. 417"壁厚的實例中，等級為P= O * t *應力)/D = 2 * 0. 417 * 21，000/100 = 175psi或更小的管仍然必須具有基於D/t = 240的管壁厚。該 D/t的要求是基於搬運、運輸和安裝管的實用性做出的。在差的土壤條件下，如果不通過增 大襯裡厚度、增大鋼管壁厚、連接加強件或者高價進口更穩定的墊底料來進行加強，則管也 容易壓扁或過度變形。常規的預應力鋼筒混凝土管(PCCP)包括內混凝土管或芯，通過使用纏繞於該內 管上的鋼絲而使其處於大壓縮狀態。作用於在用管上的壓力載荷由使用高容許設計應力的 預應力鋼絲承載，因此也可減少用於提供期望壓縮量所需的鋼用量。混凝土芯抵抗預應力 鋼絲，並有助於在埋入狀態下支撐土載荷。預應力混凝土芯也有助於在運輸和安裝過程中 支撐管。然而，PCCP的其中一個問題是，在將管投入使用時難以保護高強度預應力鋼絲免 受腐蝕環境的影響，並且，如果施加過度的陰極保護，這些鋼絲容易發生氫脆變。由於置於 預應力鋼絲上用於防腐蝕的典型砂漿塗層具有低介電強度，因此進一步使得易於對預應力 鋼絲陰極保護的能力複雜化。該介電抗性可通過施加合適的聚合物塗層(例如可從Ameron hternational獲得的產品名稱為Amercoat 1972B)而提高。儘管使用這種聚合物塗層更易於對預應力鋼絲進行陰極保護，但這樣做在製造步驟及原材料成本方面具有附加的成 本。由於這些年來在典型大城市中的管道地下工程複雜性和地表或淺地表運輸系統 已經增大了，因「陰極幹涉」或雜散的大地電流而產生了另一個問題，所述「陰極幹涉」或雜 散的大地電流是由處於防外部腐蝕的陰極保護作用下的附近鋼管線產生的，並且是由直流 供電的運輸系統產生的。多年前安裝的大型水管現在會發現附近已經安裝了新的管道。這 些新的管道可以是被陰極保護的，陰極保護引發的雜散大地電流會在PCCP中產生腐蝕電 流。由於可能存在這種雜散大地電流的緣故，許多城市供水機構現在更願意使用具有防外 部腐蝕的介電塗層的傳統鋼管，或者在外部載荷高時使用鋼筒增強的混凝土管。儘管這是 控制管腐蝕的一種有效方法，但是其成本很高。本領域已知的一種製造預應力鋼管的方法是採用多步驟的工藝，首先形成/鑄造 混凝土芯，把鋼管套在預製混凝土芯上，然後將高壓水泥漿泵送到預製混凝土芯和鋼管之 間的環形間隙中，從而使混凝土芯處於壓縮。然而，這種製造管的方法存在兩個主要問題。 第一個問題涉及到難以在壓力灌漿操作過程中使混凝土芯的端部完美地密封在鋼管上。第 二個問題涉及到如何在水泥漿固化過程中向水泥漿施加和保持壓力，特別是如果在水泥漿 固化時在鋼管和混凝土芯之間的密封部發生水泥漿微小洩露時。如果使用高壓灌漿泵，則 固化過程中水泥漿的可能洩露必須由灌漿泵來彌補。這意味著灌漿泵必須在固化操作過程 中一直運行，以彌補洩露，這樣可能使水泥漿在泵中固化，從而毀壞泵和導致管的預應力不 夠大。因此，期望的是，開發出一種管結構和其製造方法，以便能夠提供期望水平的特 性，例如能夠與傳統的PCCP或混凝土襯裡鋼管所提供的通常最小為50年的使用壽命相匹 配的管剛度和抗內部腐蝕性。還期望的是，這種管結構能夠提供期望程度的保護以免受外 部腐蝕和陰極幹涉。還期望的是，這種管結構的製造方式從原材料以及製造管時所花費的 時間和勞力來看都是有成本效率的。

發明內容
本發明的壓鑄襯裡鋼管包括形成管內徑的環形混凝土或砂漿襯裡和包圍襯裡的 金屬殼。襯裡與金屬殼的內壁面直接接觸，且金屬殼使襯裡處於壓縮的狀態。襯裡和金屬 殼的壁厚比例範圍是大約5 1至80 1，優選地是大約10 1至50 1。在一個示例 性實施例中，金屬殼的壁厚範圍是大約0. 06至0. 75英寸，襯裡的壁厚範圍是大約1. 5至10 英寸。根據特定管的實施例和最終使用用途，襯裡的壁厚可以是金屬殼壁厚的10至50倍。 如果期望，管還可包括沿金屬殼外表面布置的介電材料塗層。通過使用模具組件形成管，所述模具組件特別地構造成利於容納期望量的混凝土 或砂漿成分，然後對混凝土或砂漿成分施加計算的壓力以向金屬殼施加期望的應力。在一 個示例性實施例中，可以這樣形成所述管，即，通過將一定量的混凝土或砂漿成分輸送到形 成在沿外徑的金屬殼和沿內徑的可動芯元件之間的模具中。然後對灌注的混凝土或砂漿成 分施加壓力，以使金屬殼膨脹。在一個示例性實施例中，壓力以加壓流體例如水的形式提 供，其中，使加壓流體與灌注成分的表面相接觸。一旦達到所需程度的固化，就釋放壓力，從 而使金屬殼向混凝土或砂漿襯裡施加期望的壓縮力。
在一個示例性實施例中，模具組件包括限定管的金屬外部的筒形金屬殼；與金 屬殼的底部可操作地連接的底部元件；與金屬殼的頂部可操作地連接的頂部元件。內模具 元件同心地定位在金屬殼內。環形混凝土或砂漿室形成在金屬殼和內模具元件之間，用於 容納一定量的混凝土或砂漿成分。在一個示例性實施例中，內模具元件的直徑能夠減小，以 便能在形成後允許從模具取出壓鑄襯裡管。該組件還包括流體加壓介質弓I入裝置，用於將 流體加壓介質例如水引入模具並引到混凝土或砂漿成分的表面上，以便混凝土或砂漿成分 使金屬殼膨脹。本發明的壓鑄襯裡鋼管提供了期望水平的管剛度和抗內部腐蝕性，能與傳統的 PCCP或混凝土襯裡鋼管所提供的通常最小為50年的使用壽命相匹配。此外，本發明的這種 管能夠提供期望程度的保護以免受外部腐蝕和陰極幹涉。進一步地，本發明的管可形成為 具有減小的金屬殼或鋼管壁厚，從而期望地節省了原材料成本。


通過參考下面結合附圖考慮的詳細描述，將更好地理解本發明的這些以及其他的 特徵和優點，其中圖1是根據本發明原理構造的一個示例性實例的壓鑄鋼管的側透視圖；圖2是用於製造圖1的壓鑄鋼管的一個示例性實例的工藝的側剖面圖；圖3是用於製造圖1的壓鑄鋼管的另一個示例性實例的工藝的側剖面圖；以及圖4是用於製造圖1的壓鑄鋼管的另一個示例性實例的工藝的側剖面圖。
具體實施例方式根據本發明原理的壓鑄襯裡鋼管(PCSP)及其製造方法包括被金屬殼或鋼管包圍 的混凝土或砂漿襯裡，即避免像上述的傳統PCCP —樣使用張緊鋼絲或預應力鋼絲。如下面 更加詳細描述地，襯裡厚度和殼厚度的比例能夠並且將根據特定最終用途所需的特定工程 設計要求和/或性能標準而變化。這種PCSP結構的特徵是，它們根據一種或多種不同的壓鑄技術製造，所述壓鑄技 術可在對包圍的金屬殼和最終的管結構預加應力的過程中在現場形成混凝土或砂漿襯裡， 從而避免了多個步驟，這些步驟例如涉及到單獨地形成與金屬外管殼相結合的預製混凝土 或砂漿襯裡以便進行後續應力弓I入處理。正如在此所使用的，術語「在現場」用於表示混凝 土或砂漿成分(用於製造混凝土或砂漿襯裡)形成和固化的同時被加壓，以便使包圍著的 金屬外殼或鋼管處於受應力狀態。本發明的PCSP的特徵是，它們的構造方式為，給具有混凝土或砂漿襯裡的金屬殼 預加應力，使得可以通過內部流體壓力來增大鋼應力，而不用擔心會使襯裡不利地破裂。此 外，壓縮的混凝土或砂漿襯裡也有助於在投入使用時抵抗運輸載荷、安裝載荷和土載荷。本 發明的PCSP還可以塗覆有多種介電塗層，從而提供期望水平的外部防腐。這樣就消除了附 近管線和運輸系統帶來的陰極幹涉的問題，在這類管中使用的鋼具有比預應力鋼絲更低的 屈服應力，因此在陰極保護的作用下更不容易發生氫脆。圖1示出了根據本發明原理構造的PCSP10，該PCSPlO大致包括筒形金屬或鋼的 殼、套、管或罩12，其包圍由期望的混凝土或砂漿成分構成的內襯裡14。該內襯裡14同心地布置在殼12的內徑之內，在一個示例性實施例中與殼直接接觸，即沒有其他類型的中間 材料插入在襯裡和殼之間。PCSPlO包括與管10的一個軸向端18相連的喇叭口形端部16和與管10的相對端 21相連的插頭(spigot) 20。該插頭20設計成具有一外徑，其尺寸和形狀適於裝配在另一 管的喇叭口形端部16中，並且該插頭20包括一個或多個圍繞其圓周布置的環形槽22，所述 環形槽構造成在其內分別容納一個或多個環形密封元件或密封物(如圖2所示)，以便在相 鄰管端部之間提供期望的防漏密封。承插連接端部16和20可以構造成與傳統鋼管所使用 的相同或相似，以及使用合適的焊接技術與金屬殼的端部相連。密封元件可以由彈性體材 料構成。正如鋼管設計領域的普通技術人員所能理解地，傳統鋼管所用的其他連接技術例 如使用成型的承插連接端部或其他不同地構造的端部、對焊的平頭管或搭焊的鋼管也同樣 適用於PCSP。儘管圖1所示PCSP的一個示例性實施例具有特定類型的端部，但是應該理解，本 發明的PCSP可以根據特定的最終用途構造成具有不同類型的端部。例如，PCSP可以具有聯 接環(形式為所示出的承插連接)，或者可以在現場對焊，或可具有滑動配合鋼管外徑以便 現場搭焊的陷型喇叭口，或者可具有包括用於密封在鋼管外徑上的密封槽的陷型喇叭口， 或者可具有裝配在陷型喇叭口(陷型到管壁中)內的軋制插頭槽(插頭軋入管壁)。應該 理解，根據本發明原理構造的PCSP可包括所有這些提到的形式。PCSP的另一個特徵是，在將成品管布置在應用目的地之前，例如在管運輸並埋入 地下一定深度之前，通過操作直接作用在襯裡上的金屬殼12，使混凝土或砂漿襯裡14處於 期望的壓縮狀態。在一個示例性實施例中，在鑄造(即澆注和固化)襯裡14的過程中對金 屬殼12施加期望程度的應力，以便使襯裡一旦固化就處於期望的壓縮狀態，以滿足期望的 管性能標準，例如滿足特定最終用途。PCSP的殼和襯裡的厚度可以並且將根據特定設計/性能標準和/或最終用途而變 化。PCSP的一般特徵是，金屬殼厚度遠小於傳統鋼管(即，不包括處於壓縮狀態的混凝土襯 裡)的金屬殼厚度。在壓縮狀態下較薄的金屬殼與較厚的襯裡相結合可允許使用傳統鋼管 不可能達到的D/t比例，這將具有更大的柔性來抵抗在這種更高D/t比例時的搬運載荷和 安裝載荷。這樣，就可以使用較高的設計應力來設計較薄的金屬殼，而不會在操作壓力下不 利地使混凝土或砂漿襯裡破裂。與PCCP中使用張緊鋼絲或預應力鋼絲相比，使用鋼殼將襯 裡置於期望的壓縮狀態下，這樣就提供了更堅固的結構，這種結構更耐外部腐蝕並且提供 了比張緊鋼絲或預應力鋼絲更可預測的失效機理。例如，當在傳統的PCCP中使用的張緊鋼絲或預應力鋼絲由於外部腐蝕而失效時， 其結果是作用於混凝土襯裡上的壓力突然損失，從而導致管突然失效。此外，當管處於地下 時，難以對斷裂的張緊鋼絲進行維修。本發明的PCSP具有與鋼管相似的失效機理，S卩，這種 失效機理的特徵是穿過鋼殼的逐漸洩露，不會導致對混凝土或砂漿襯裡的壓縮突然損失， 並且可以通過利用焊接工藝使用外部金屬補丁等在現場方便地進行維修。根據本發明原理製造的PCSP包括混凝土或砂漿襯裡或芯和包圍的金屬殼或鋼 管。襯裡對殼的相對厚度可根據工程設計標準、所使用的材料特性以及期望的性能而變化。 在一個示例性實施例中，襯裡對金屬殼壁厚的比例範圍是大約5 1至80 1，優選的範圍 是大約10 1至50 1。襯裡的典型強度範圍是大約3，000至10，OOOpsi，當內部壓力減CN 102046342 A說明 書5Λ9頁小到零且外鋼管上的應力部分地傳遞給混凝土或砂漿芯時，襯裡上的預應力的範圍是大約 500psi至6，000psi。根據所需的壓力等級以及外鋼殼中所用鋼的屈服點，鋼殼的容許設計 應力的範圍是大約25，000至72，OOOpsi。一般來說，期望的是襯裡或芯為金屬殼厚度的大約10至50倍。作為一個實例，筒 形金屬殼初始地在壓力作用下被施加大約42，OOOpsi的應力。這是目前鋼管設計應力的兩 倍，使得鋼管壁的厚度為目前壁厚的約一半。由於鋼代表了管的主要材料成本，因此PCSP 中鋼構件的壁厚減小一半意味著大大節省了原材料成本。在形成PCSP的過程中在釋放鑄造壓力後襯裡、芯或內管的直徑減小取決於芯的 厚度和模量、金屬殼或鋼管的厚度以及在鑄造壓力下鋼中的應力大小。在鋼筒和芯(即它 們是彼此相對的兩個彈簧)之間形成力平衡。芯中應變的變化也必須等於鋼管中應變的變 化。可以建立一系列的方程式來匹配這些標準。參照內徑為84英寸的PCSP作為實例，提 供下面的方程式。84英寸、150級的壓鑄鋼管該製造方法包括在混凝土襯裡的鑄造和固化過程中給外鋼管和模具加壓。在鑄造 過程中給模具加壓使外鋼管處於張緊狀態。當釋放了在鑄造操作過程中保持的壓力時，外鋼管將收縮到混凝土襯裡上。外鋼 管將持續收縮，一直到混凝土襯裡中的力等於鋼管所施加的力。可以定義以下方程式。
權利要求
1.一種壓鑄襯裡鋼管，包括形成管內徑的環形混凝土或砂漿襯裡；包圍襯裡的金屬殼；其中，襯裡與金屬殼的內壁面直接接觸，以及金屬殼使襯裡處於壓縮的狀態。
2.如權利要求1所述的管，其中，襯裡和金屬殼的壁厚比例範圍是大約5 1至 80 1。
3.如權利要求1所述的管，其中，襯裡和金屬殼的壁厚比例範圍是大約10 1至 50 1。
4.如權利要求1所述的管，其中，金屬殼的壁厚範圍是大約0.06至0. 75英寸，襯裡的 壁厚範圍是大約1. 5至10英寸。
5.如權利要求1所述的管，還包括沿金屬殼外表面布置的介電材料塗層。
6.如權利要求1所述的管，其中，在現場形成混凝土襯裡，同時對未固化的混凝土或砂 漿成分和金屬殼加壓，以便在襯裡固化和釋放壓力時使襯裡處於壓縮狀態。
7.一種壓鑄襯裡鋼管，包括形成管內徑的環形混凝土或砂漿襯裡；包圍襯裡且壁厚為大約0. 06至0. 75英寸的金屬殼；其中，襯裡的壁厚為金屬殼壁厚的約10至50倍，襯裡與金屬殼的內壁面直接接觸，以 及金屬殼使襯裡處於壓縮的狀態。
8.一種用於製造壓鑄襯裡鋼管的方法，包括以下步驟將一定量的混凝土或砂漿成分輸送到形成在沿外徑的金屬殼和沿內徑的可動芯元件 之間的模具中；對混凝土或砂漿成分施加壓力，以使金屬殼膨脹；在混凝土或砂漿成分達到一定程度的固化而形成混凝土或砂漿襯裡後釋放壓力，其中，釋放壓力的步驟使金屬殼向襯裡施加壓縮力；以及從襯裡的內逕取出可動芯元件。
9.如權利要求8所述的方法，其中，對混凝土或砂漿成分施加壓力的步驟包括對混凝 土或砂漿成分的表面施加加壓流體。
10.如權利要求8所述的方法，其中，加壓流體是水。
11.如權利要求8所述的方法，其中，可動芯元件以彈性體元件的形式提供。
12.如權利要求8所述的方法，其中，可動芯元件以可收縮剛性元件的形式提供。
13.如權利要求8所述的方法，其中，可動芯元件以筒形剛性結構的形式提供，該筒形 剛性結構能夠膨脹以允許形成襯裡以及能夠收縮以允許在壓鑄後取出可動芯元件。
14.如權利要求8所述的方法，其中，可動芯元件以高強度鋼管的形式提供。
15.如權利要求8所述的方法，其中，可動芯元件選自由以下材料構成的組纖維增強 樹脂管、塑料管及它們的組合。
16.如權利要求8所述的方法，其中，混凝土或砂漿成分包括膨脹劑，該膨脹劑與金屬 殼一起用於向襯裡施加壓縮力。
17.如權利要求8所述的方法，其中，模具包括豎直定向的環形室。
18.一種根據權利要求8所述的方法製造的壓鑄襯裡鋼管，其中，混凝土或砂漿襯裡與金屬殼的內壁面直接接觸。
19.一種根據權利要求8所述的方法製造的壓鑄襯裡鋼管，其中，混凝土或砂漿襯裡的 壁厚為金屬殼壁厚的約10至50倍。
20.一種用於製造襯裡鋼管的壓鑄組件，包括 限定管外部的筒形金屬殼；與金屬殼的底部可操作地連接的底部元件； 與金屬殼的頂部可操作地連接的頂部元件； 同心地定位在金屬殼內的內模具元件；形成在金屬殼和內模具元件之間的環形室，用於容納一定量的混凝土或砂漿成分；以及流體加壓介質引入裝置，用於將流體加壓介質引入模具並引到混凝土或砂漿成分的表 面上，以便混凝土或砂漿成分使金屬殼膨脹；其中，一旦混凝土或砂漿成分達到確定程度的固化，內模具元件的直徑就可減小。
21.如權利要求20所述的壓鑄組件，其中，流體加壓介質是水。
22.如權利要求20所述的壓鑄組件，還包括同心地定位在內模具元件內的排量管。
23.如權利要求20所述的壓鑄組件，其中，流體加壓介質布置在形成於排量管和內模 具元件之間的環形流體室內。
24.如權利要求23所述的壓鑄組件，其中，流體加壓介質的壓力在混凝土或砂漿成分 表面與在環形流體室內大致相同。
25.如權利要求20所述的壓鑄組件，還包括密封部件，用於在使用流體加壓介質進行 加壓操作的過程中使混凝土或砂漿成分保持在環形室內。
26.如權利要求20所述的壓鑄組件，其中，頂部元件包括位於金屬殼端部之上的頂環。
27.如權利要求沈所述的壓鑄組件，其中，混凝土或砂漿成分的表面在被加壓前高於 金屬殼端部，且位於頂環之內。
28.如權利要求20所述的壓鑄組件，其中，環形室豎直地定向。
29.如權利要求20所述的壓鑄組件，其中，內模具元件是具有相對縱向邊緣的剛性筒 形元件，所述邊緣被可動地控制，以減小內模具元件的直徑。
30.如權利要求20所述的壓鑄組件，其中，內模具元件是彈性體元件。
31.如權利要求20所述的壓鑄組件，其中，內模具元件是剛性筒形元件，該剛性筒形元 件能夠膨脹和收縮足夠的量，以允許形成襯裡和從該剛性筒形元件上釋放襯裡。
全文摘要
一種壓鑄襯裡鋼管，包括沿內徑的環形混凝土或砂漿襯裡(14)和包圍襯裡的金屬殼(12)，其中，襯裡(14)與金屬殼(12)直接接觸。襯裡的壁厚可為金屬殼壁厚的10至50倍。所述管可塗覆有介電材料。用於形成管的模具組件包括環形混凝土或砂漿成分室，該室形成在金屬殼和內模具元件之間。在模具組件中使用加壓水給混凝土或砂漿成分加壓，並向金屬殼施加期望的壓力，同時混凝土或砂漿成分在模具中固化。一旦達到期望程度的固化，就釋放壓力，從而使金屬殼將期望的壓縮力施加在固化的襯裡上。
文檔編號F16L58/06GK102046342SQ200980119010
公開日2011年5月4日 申請日期2009年4月1日 優先權日2008年4月2日
發明者P·庫巴特, R·S·弗裡德裡克, 盛其仲 申請人:阿邁隆國際公司