專利名稱：在管的制造中使用的中空型材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱塑性材料型材及其制造方法。具體而言，本發(fā)明關(guān)于具有基本上為矩形的橫截面的中空熱塑性材料型材，該型材在螺旋纏繞(spirally wound)的雙壁熱塑性材料管的制造中使用。還描述了ー種制造此種型材的方法，以及制造由中空型材構(gòu)成的螺旋纏繞的雙壁熱塑性材料管的方法。
背景技術(shù)：
在商業(yè)上稱為Weholite的類型的雙壁熱塑性材料管的制造中，中空型材圍繞對應(yīng)于管的內(nèi)徑的圓筒等螺旋纏繞，且中空型材的相鄰環(huán)焊接在一起來形成管的圓柱形壁。以所述方式制造的管重量輕，且相比于使用相同的材料量制造的實心管，呈現(xiàn)出 了良好的環(huán)壓挺度，且雙壁結(jié)構(gòu)將給予管良好的絕熱性質(zhì)。常規(guī)螺旋纏繞的管的制造中使用的中空型材具有基本上為矩形的橫截面。通常，以相同尺寸的圓角半徑使矩形的所有邊緣圓整，且中空型材的各個壁均具有大致相同的厚度。為了產(chǎn)生在焊接之后具有均勻厚度的管壁，聯(lián)結(jié)在一起的型材的壁必須很直，且具有相同的高度，這不可避免地導(dǎo)致矩形橫截面。型材中的孔應(yīng)當(dāng)沿著外橫截面的輪廓，以便最大限度地減少材料的使用。主要g在用于流體的無壓輸送的這些管的以上壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化成用以對抗外部載荷，如土載荷、地下水和交通載荷，但它們并非g在用于管中的內(nèi)部壓カ升高的應(yīng)用。升高的內(nèi)部壓カ可能破壞管的壁。國際專利申請NO.W02004/076903公開了ー種尤其為了在較低或中等的壓カ下引導(dǎo)流體而開發(fā)的以上基本結(jié)構(gòu)的實施例。提出的解決方案包括ー種中空型材結(jié)構(gòu)，其中鄰近中空型材的較厚的壁的邊緣的內(nèi)圓角半徑遠大于腔的兩個其它邊緣的圓角半徑。此外，中空型材的壁的厚度在該壁的中間區(qū)段中最小，且厚度朝鄰近該壁的兩個中空型材側(cè)邊緣逐漸地増大。公知的型材提供了管的強度的改善，以便經(jīng)得起內(nèi)部壓力，但應(yīng)カ峰值設(shè)定在對于管的制造和長期使用而言并非最佳的點上。即，應(yīng)カ峰值設(shè)定在內(nèi)壁的中間處和型材的環(huán)之間的焊縫處。因此，這并不是問題，但焊縫總是會造成材料中的間斷性，由此，因此而引起的切ロ系數(shù)尤其是在末端變化的載荷下可引起結(jié)構(gòu)破壞和損壞的風(fēng)險。通常，變化的載荷涉及不同種類的振動。例如，對于管，變化的載荷可通過在相對較長時間內(nèi)的壓カ的變化或通過泵送弓I起的快速變化而引起。焊縫還可包括小裂紋或雜質(zhì)，小裂紋或雜質(zhì)可提供用于裂紋在材料中發(fā)展的起始點(基點)。出于以上原因，結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要原則在于創(chuàng)造出用于該結(jié)構(gòu)的這種形狀和尺寸，其設(shè)計成使得應(yīng)力點或應(yīng)カ峰值遠離結(jié)構(gòu)的任何間斷部。例如，由于必須同時地考慮材料的使用、結(jié)構(gòu)的整體可用性和最終產(chǎn)品的重量，因此這可能被證明是很難的。然而，當(dāng)弾性材料用于制作管時，材料的弾性吸收裂紋基點周圍的ー些應(yīng)力，由此它們較不易于形成可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞的傳播裂紋。在任何情況下，無論使用何種材料，都最好是將結(jié)構(gòu)設(shè)計成最高應(yīng)カ位于材料盡可能一致和均勻的區(qū)域上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種備選的型材結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可用于構(gòu)造螺旋纏繞的管壁，該管壁適用于引導(dǎo)非加壓流體和處于達到大約2bar或甚至達到3bar的壓カ下的加壓流體。本發(fā)明基于提供ー種具有大體上矩形的橫截面的中空型材的構(gòu)想，其中在型材的中空腔中，在形成管的內(nèi)側(cè)的型材的ー側(cè)上，在型材的縱向方向上呈現(xiàn)出至少基本上沿型材的全長延伸的突起。因此，在橫截面中，型材在矩形橫截面的下方的內(nèi)側(cè)上具有肋條，該肋條大體上朝矩形的中間延伸。肋條具有小于型材的總寬度的50%的側(cè)向延伸。所指出的種類的型材可通過擠出型材來產(chǎn)生，型材通過具有模和心軸的擠出機模頭擠出，所述模和心軸均具有環(huán)形橫截面，其中模的內(nèi)部形狀限定型材的外橫截面，而心軸的外橫截面限定型材的內(nèi)橫截面，即，腔的橫截面的形狀。心軸包括具有一定尺寸的凹槽，該尺寸對應(yīng)于型材的腔中的突起的尺寸。
出于上述原因，型材的外橫截面以及內(nèi)橫截面為矩形。作為優(yōu)選，不包括肋條的中空型材的三個壁可具有彼此相等的厚度。用于制造具有1200mm的內(nèi)徑的管的中空型材的較厚的壁的最小厚度與其它壁的厚度的比例優(yōu)選為120:77，且鄰近較厚的壁的邊緣的內(nèi)圓角半徑優(yōu)選為24mm。通過本發(fā)明將實現(xiàn)顯著優(yōu)點。型材的腔中的肋條以相比于任何先前的型材完全不同的方式分布應(yīng)力?，F(xiàn)在，在管道結(jié)構(gòu)上進行的仿真示出了最大應(yīng)カ峰值位于肋條的根部旁邊，且減小了焊縫處的應(yīng)力水平。這增大了在靜載荷下結(jié)構(gòu)的強度，并增大了在可變載荷下的可靠性和強度?，F(xiàn)在，最大應(yīng)カ位于已經(jīng)通過連續(xù)擠出產(chǎn)生的材料的區(qū)段上。在連續(xù)擠出中，可保持制造參數(shù)和制造條件恒定且盡可能接近最佳，由此產(chǎn)生的材料具有均質(zhì)結(jié)構(gòu)，且可能作為裂紋的基點的材料缺陷能夠被保持為最小。另外，最高應(yīng)カ的區(qū)域位于型材的腔處。這提供了額外的安全性，因為在內(nèi)壁破裂的罕見情況下，外壁完好且可堅持足夠久，以便可避免在管中輸送的材料的溢出。管的內(nèi)表面可焊接成平滑的，由此可實現(xiàn)良好的抗壓性，因為減小了焊縫的切ロ系數(shù)。在此情況下，接頭和配件的制造也很容易，因為它們可更容易地適配在平滑表面上。本發(fā)明優(yōu)選地結(jié)合W02004/076903中描述的圓整的內(nèi)邊緣使用。


在下文中，參照包含的附圖描述了本發(fā)明，在附圖中
圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例并且以橫截面示出了包括載荷下的應(yīng)力水平的管的區(qū)段的圖。圖2為圖I中所示的管的區(qū)段的橫截面的另ー視圖。圖3示出了使用第一焊接方法的管區(qū)段的一個實施例。圖4示出了使用另ー焊接方法的管區(qū)段的一個實施例。
具體實施例方式對于用于中空型材的材料，可以使用可擠出的熱塑性材料，如聚烯烴，優(yōu)選為HD-聚こ烯或聚丙烯。通過用填料和/或增強劑使熱塑性材料改性，實現(xiàn)了與改善的環(huán)壓挺度性質(zhì)組合的改善的抗壓性質(zhì)。一些標(biāo)準(zhǔn)要求在加壓系統(tǒng)中使用壓カ額定的PE等級。當(dāng)前，歐洲和亞洲允許PE80或PElOO材料，且北美允許例如PE3408。舉例來說，本文所述的管為適合大量客戶的要求的典型實例。尺寸的目標(biāo)為大小達到內(nèi)徑1200mm、最大壓カ2bar，且管壁結(jié)構(gòu)中的最大應(yīng)力水平為5MPa。圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的由型材制成的管的區(qū)段的橫截面。相鄰型材I之間的接縫并未清楚地可見，但接縫位于型材I的兩個腔2之間的壁的中間。型材的橫截面為矩形，具有兩個較長的壁(外壁3和內(nèi)壁4)和兩個側(cè)壁5，它們聯(lián)結(jié)在一起形成管。如可從圖中看到的那樣，型材的所有壁3和5均具有大致相同的厚度，且其中空腔2的所有邊緣被圓整。例如，對于制造1200mm的內(nèi)徑的螺旋纏繞的傾斜管，可使用這種類型的中空型材1，該型材I的橫截面的外部寬度為93. 8mm，而外部高度為75mm。根據(jù)本發(fā)明的中空型材I使得能夠制造螺旋纏繞的管，該管好得多地抵抗內(nèi)部壓力。g在形成螺旋纏繞的管的內(nèi)壁的根據(jù)本發(fā)明的中空型材的壁4相比于中空型材的其它 壁3和5，具有實質(zhì)上更大的厚度，而鄰近內(nèi)壁4的中空空間4的邊緣的圓角半徑7遠大于兩個其它邊緣6的圓角半徑。根據(jù)ー個有利的實施例，壁4的厚度在其全部寬度上不是恒定的。內(nèi)壁具有在壁4的中間的肋條8。肋條8朝腔2的內(nèi)部延伸，且其尺寸使得其寬度小于型材的側(cè)壁5的內(nèi)側(cè)之間的距離的一半，且小于內(nèi)壁4的最小厚度。換言之，位置指向管道的內(nèi)側(cè)的壁的表面之間的距離小于內(nèi)壁4的最小直徑的兩倍。肋條8輪廓確定為具有平滑的圓形橫截面，圓形橫截面聯(lián)結(jié)內(nèi)壁4來作為平滑斜坡，以便最大限度地減小切ロ系數(shù)。厚度在凸脊與側(cè)壁5的中間最小，且厚度朝鄰近側(cè)壁5的中空型材的兩個邊緣逐漸地増大，以便中空型材I的腔在該加厚的壁2處具有大致波形的橫截面。對于制造1200mm的內(nèi)徑的螺旋纏繞的管，加厚的壁4的最小厚度可為12mm，而中空型材I的其它壁3和5具有7. 7mm的厚度。在鄰近內(nèi)壁4的中空空間2的邊緣處的圓角半徑7處于其最小的24mm。為了與W02004/076903的中空型材相比較，已經(jīng)使用了 FEM-計算和壓カ測試分析了根據(jù)本發(fā)明的管區(qū)段。圖I和圖2中的線繪出了由此獲得的應(yīng)力水平。在內(nèi)部壓カ下的最高應(yīng)カ存在于內(nèi)壁4上的肋條8的旁邊。用參考標(biāo)號9(圖2)標(biāo)記該區(qū)域。標(biāo)記為10的焊縫區(qū)域上的應(yīng)カ減小至5MPa，這是本發(fā)明的原始目標(biāo)。最高應(yīng)カ水平也已經(jīng)從接縫區(qū)域轉(zhuǎn)移。當(dāng)研究管區(qū)段的外表面時，接縫區(qū)域(標(biāo)記為11，12)處的該應(yīng)力水平較低，而焊接的分隔壁5，5內(nèi)側(cè)的應(yīng)力13在較大的區(qū)域上擴散，且減少了點狀應(yīng)力。如從結(jié)果中所示的那樣，借助于根據(jù)本發(fā)明的中空型材實現(xiàn)了相對于管的抗壓性質(zhì)的顯著改善。圖3和圖4示出了由根據(jù)本發(fā)明的型材制成的兩種不同種類的管區(qū)段。必須注意的是，管一般制造為整個管而非區(qū)段，且僅出于說明的目的在本文中示出這些區(qū)段。在圖3中，接縫14以用于制作這些種類的管的普通方式焊接。在此解決方案中，兩個平行的凹槽15形成在接縫14的各側(cè)上。因此，凹槽為壁中的最弱點，因為它們在加壓的壁中形成了應(yīng)力峰值。然而，如果適當(dāng)?shù)卮_定管的尺寸，則凹槽就不是風(fēng)險。圖4中描述了更為優(yōu)選的實施例。圖3中還示出的一個特征為型材在待制造的管的內(nèi)表面和外表面處僅部分地焊接在一起。由于應(yīng)カ位于結(jié)構(gòu)的表面上或結(jié)構(gòu)的表面附近，故在整個深度上焊接接縫是不必要的。圖4中的焊縫14在焊接區(qū)域16上為平坦的，從而提供了平滑的均勻表面。由于肋條造成不同的應(yīng)カ分布，故這是可能的。當(dāng)使焊接部平滑時，可確保的是，應(yīng)カ峰值在肋條8旁邊的型材的內(nèi)壁處，且不在最高壓カ所處的 型材的外壁處。平滑表面使得更容易在管上實現(xiàn)固定和連接。
權(quán)利要求
1.一種在螺旋纏繞的雙壁熱塑性材料管的制造中使用的中空型材(I)，所述中空型材具有基本上矩形的橫截面，兩個側(cè)壁(5)和外壁(3)以及內(nèi)壁(4)在所述中空型材內(nèi)限定了腔(2)，用于形成所述管的內(nèi)壁(4)的壁比用于形成所述管的外壁(3)的所述中空型材的壁(3)更厚，其特征在于， 鄰近所述中空型材的較厚的壁(4)的邊緣的內(nèi)圓角半徑(7)遠大于腔(6)的兩個其它邊緣的圓角半徑(6)，以及 所述較厚的壁(4)的內(nèi)表面包括在形成所述管的內(nèi)側(cè)的所述型材的一側(cè)上的肋條(8)，所述肋條(8)在所述型材的中空腔中延伸，沿著所述型材的縱向方向，至少基本上沿所述型材的整個長度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的中空型材(I)，其特征在于，形成管的所述內(nèi)壁的所述中空型材的壁(4)的厚度在該壁的中間部分的所述肋條(8)處最大，并且朝定位成鄰近該壁(2)的所述中空型材(I)的兩個側(cè)邊緣逐漸地增加，所述壁的最薄部分在所述肋條(8)與所述邊緣之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中空型材(I)，其特征在于，所述肋條具有小于所述厚壁(4)的最小厚度的兩倍的高度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的中空型材(I)，其特征在于，所述肋條(8)的寬度小于所述型材的側(cè)壁(5)的內(nèi)側(cè)之間的所述距離的一半，且小于所述內(nèi)壁⑷的最小厚度。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的中空型材(I)，其特征在于，所述中空型材(I)由 可擠出的熱塑性材料制成，如聚烯烴，優(yōu)選PE-HD或聚丙烯。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的中空型材(I)，其特征在于，所述熱塑性材料用填料和/或增強劑改性，以便進一步改善抗壓性質(zhì)和環(huán)壓挺度性質(zhì)。
全文摘要
一種在螺旋纏繞的雙壁熱塑性材料管的制造中使用的中空型材(1)，該中空型材具有基本上矩形的橫截面，兩個側(cè)壁(5)和外壁(3)以及內(nèi)壁(4)在其中限定了腔(2)。在中空型材中，用于形成管的內(nèi)壁(4)的壁比用于形成管的外壁(3)的中空型材的壁(3)更厚。鄰近中空型材的較厚的壁(4)的邊緣的內(nèi)圓角半徑(7)遠大于腔(6)的兩個其它邊緣的圓角半徑(6)，且較厚的壁(4)的內(nèi)側(cè)表面包括在形成管的內(nèi)側(cè)的型材的一側(cè)上的肋條(8)，肋條(8)在型材的中空腔中延伸，沿著型材的縱向方向，至少基本上沿型材的整個長度。
文檔編號B29C53/78GK102834242SQ201180006760
公開日2012年12月19日 申請日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月22日
發(fā)明者S.斯約貝格, C.韋斯特曼 申請人:Kwh管道公司