本發(fā)明屬于管材，具體為一種耐腐蝕金屬內(nèi)襯的承插式多層管材。

背景技術(shù)：

1、復(fù)合管是廣泛使用的管材，常用于液體輸送管網(wǎng)系統(tǒng)中，一般為承插式結(jié)構(gòu)，包括外層的金屬管和內(nèi)層的塑料管，即塑料管作為內(nèi)襯，金屬管的一端為插口、另一端為承口。安裝時，多根復(fù)合管依次連接，一根復(fù)合管的插口插入與其相鄰的復(fù)合管的承口。然而，塑料管內(nèi)襯熱膨脹系數(shù)和金屬外管的膨脹系數(shù)區(qū)別較大，內(nèi)管與外管因溫度變化會產(chǎn)生一定大小的相互分離的內(nèi)應(yīng)力，會使內(nèi)襯發(fā)生分層。另外，液體易從管端滲入，導(dǎo)致外管銹蝕污染輸送的液體，以及導(dǎo)致各層端面發(fā)生剝離和分層，長期沖刷下甚至將內(nèi)層沖掉。

2、對于正常使用的給水管，會承受較大的內(nèi)部供水壓力，該內(nèi)部壓力為正壓，因此管材必須滿足規(guī)定的強度要求?，F(xiàn)有一些標(biāo)準（團體標(biāo)準和國家標(biāo)準）中規(guī)定了不同壓力等級和不同公稱直徑下的公稱壁厚，符合標(biāo)準的管材在對應(yīng)的壓力等級范圍內(nèi)均能滿足強度要求。因此，現(xiàn)有管材生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的管材一般都符合相應(yīng)標(biāo)準規(guī)定。

3、但是，當(dāng)管網(wǎng)出現(xiàn)故障，例如，管網(wǎng)中有管材發(fā)生爆管時，管網(wǎng)中的水會從爆管處噴出，管網(wǎng)中的壓力會迅速下降，甚至形成負壓。另外，管材還會受到一些外部壓力，例如埋在土體中的管材會受到其上部土體的重力。在上述外部壓力和內(nèi)部負壓作用下，管材會產(chǎn)生徑向上的變形，若插口變形量過大，插口會和與其連接的承口分離，導(dǎo)致承口和插口的連接處發(fā)生泄漏，使水管內(nèi)部受到污染。因此，需要保證管材的插口在上述情況下的變形不超出一定范圍。為此，對于插口，要獲得滿足變形要求的最小插口厚度，若選用的管材的插口厚度小于滿足變形要求的最小插口厚度，則需要采取措施，使其滿足變形要求，例如，在管材二次加工或安裝時，在插口套接至少一層環(huán)形加強圈，形成復(fù)合插口，以增強抵抗變形的能力。然而，加強圈的材質(zhì)往往與基管的材質(zhì)不同，因為加強圈直接接觸管內(nèi)水，其需要采用不銹鋼等耐腐蝕材質(zhì)，而基管一般采用球墨鑄鐵、q235等相對便宜材質(zhì)。因此，如何保證上述復(fù)合插口滿足最大變形要求同時厚度最小或接近最小成為待解決的問題。

4、對于承口，現(xiàn)有標(biāo)準沒有給出其壁厚要求，但一般都需要保證其厚度足夠以滿足強度要求，最好使承口各處的厚度在滿足使用強度的同時厚度最小或接近最小。當(dāng)前，一般基管的承口的材質(zhì)只有一種，比如為球墨鑄鐵或q235鋼，這種承口是單層承口。然而，為了提高管材的性能，承口可以被制作成復(fù)合承口，即包括至少兩層同軸的從內(nèi)到外依次套接的不同材質(zhì)的結(jié)構(gòu)，例如內(nèi)層為不銹鋼、外層為q235鋼，節(jié)省成本的同時可以提高管材的耐腐蝕性。同理，該復(fù)合承口若能滿足強度同時厚度最小或接近最小，也能大大降低成本。對于復(fù)合承口，基管承口內(nèi)壁可以完全被內(nèi)襯覆蓋或未完全被內(nèi)襯覆蓋。當(dāng)基管承口內(nèi)壁未完全被內(nèi)襯覆蓋時，復(fù)合承口包括單層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)部分，所述單層結(jié)構(gòu)為沒有被內(nèi)襯覆蓋的部分，只有一層，即最外層的基管，所述多層結(jié)構(gòu)包括至少兩層，即包括最外層的基管以及套接在基管內(nèi)的各內(nèi)襯。另外，針對單層承口，二次加工廠家或用戶為了提高其耐腐蝕性能，一般會在承口內(nèi)套接一耐腐性材質(zhì)的襯環(huán)，顯然襯環(huán)同時可以作為加強圈。此時，襯環(huán)和基管的承口形成了復(fù)合承口。

5、所述基管是指處于出廠設(shè)置的管材，即基管沒有安裝加強圈、沒有進行復(fù)合工藝等二次加工。所述基管包括依次連接的承口、管身和插口。管身可分為兩部分，分別為主體部和過渡部，過渡部用于主體部和承口的過渡連接，即承口、過渡部、主體部和插口依次連接。管身內(nèi)壁面為圓柱面，即過渡部的內(nèi)徑和主體部的內(nèi)徑相等。主體部為圓筒狀，過渡部外壁面為錐面，換言之，主體部各處厚度基本均勻，過渡部厚度沿著從承口到插口的方向逐漸減小。管身外徑是指所述主體部的外徑，管身厚度是指所述主體部的厚度，基管外徑即為管身外徑。圖9中，x為插口端部倒角的沿軸線方向的長度，y為插口端部倒角的高度（即徑向上的尺寸），de是插口的外徑，t6是插口的長度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種耐腐蝕金屬內(nèi)襯的承插式多層管材，管材包括從內(nèi)到外依次套接的內(nèi)管、中間層和外管，外管包括依次連接的承口、管身和插口，外管的材質(zhì)為金屬材料，內(nèi)管采用具有耐腐蝕功能的材料制成，所述管材的每端都設(shè)有一個密封層和一個耐腐蝕金屬材質(zhì)的襯環(huán)，可通過理論分析和計算獲得不同管徑的承插式管材滿足變形要求的單層插口和/或復(fù)合插口最小或接近最小的厚度以及滿足強度要求的單層承口和/或復(fù)合承口最小或接近最小厚度。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、一種耐腐蝕金屬內(nèi)襯的承插式多層管材，包括從內(nèi)到外依次套接的內(nèi)管、中間層和外管，承口內(nèi)壁設(shè)有階梯和/或凹槽，內(nèi)管、中間層和外管粘接成所述管材或壓緊構(gòu)成所述管材，外管包括依次連接的承口、管身和插口，外管的材質(zhì)為金屬材料，內(nèi)管采用具有耐腐蝕功能的材料制成，所述管材的每端都設(shè)有一個密封層和一個耐腐蝕金屬材質(zhì)的襯環(huán)，承口一端的襯環(huán)包覆內(nèi)管內(nèi)壁一端、內(nèi)管一端端面、中間層一端端面、管身的端面，插口一端的襯環(huán)包覆內(nèi)管另一端的內(nèi)壁、內(nèi)管另一端的端面、中間層另一端端面、插口的端面。

4、作為上述技術(shù)方案的進一步改進：

5、中間層的材質(zhì)為熱熔膠、塑料或橡膠。

6、密封層的材質(zhì)為橡膠或熱熔膠，密封層的材質(zhì)為熱熔膠時，密封層將襯環(huán)和內(nèi)管粘接在一起。

7、承口一端的襯環(huán)還延伸至完全或不完全包覆承口內(nèi)壁。

8、插口一端的襯環(huán)伸入管材內(nèi)部的部分的長度不小于插口的長度。

9、插口一端的襯環(huán)外翻至包覆插口外壁。

10、在承口一端，內(nèi)管的端面、中間層的端面和管身的端面三者平齊，在插口一端，內(nèi)管的端面、中間層的端面和插口的端面三者平齊。

11、在承口一端，密封層包覆管身的端面、中間層的端面、內(nèi)管的端面和內(nèi)管一端的內(nèi)壁，在插口一端，密封層包覆插口的端面、中間層的端面、內(nèi)管的端面和內(nèi)管另一端的內(nèi)壁，襯環(huán)將密封層壓緊，使用時，插口一端的襯環(huán)和密封層對插口端面形成全密封，承口一端的襯環(huán)和密封層對管身端面形成全密封；

12、密封層包括密封層壓邊和密封層翻邊，密封層壓邊為圓筒狀，密封層翻邊為圓環(huán)狀，襯環(huán)包括襯環(huán)壓邊和襯環(huán)翻邊，襯環(huán)壓邊和襯環(huán)翻邊為一整體，襯環(huán)壓邊為圓筒狀，襯環(huán)壓邊將密封層壓邊壓緊，襯環(huán)翻邊將密封層翻邊壓緊，襯環(huán)壓邊的長度不小于20mm。

13、插口一端的襯環(huán)伸入管材內(nèi)部的部分的長度小于插口的長度時，所述管材的插口為單層插口，單層插口厚度的設(shè)計方法包括如下步驟：

14、步驟a1：根據(jù)圓環(huán)的撓曲線微分方程和力矩平衡方程獲得圓環(huán)的徑向變形的微分方程和微分方程的通解；

15、步驟a2：根據(jù)步驟a1得到的微分方程的通解計算并獲得所述圓環(huán)徑向變形最大量的計算公式；

16、步驟a3：根據(jù)步驟a2獲得的徑向變形最大量的計算公式求得基管的滿足變形要求的插口最小厚度。

17、插口一端的襯環(huán)伸入管材內(nèi)部的部分的長度不小于插口的長度時，插口和插口一端的襯環(huán)形成復(fù)合插口，復(fù)合插口厚度的設(shè)計方法還包括如下步驟：

18、步驟a4：對于插口厚度小于步驟a3得到的最小厚度的基管，在基管的插口內(nèi)套接至少一層環(huán)形加強圈，形成復(fù)合插口，若加強圈的材質(zhì)和基管的插口的材質(zhì)相同，則復(fù)合插口的厚度不小于步驟a3得到的最小厚度即可，若加強圈的材質(zhì)和基管的插口的材質(zhì)不相同，則轉(zhuǎn)步驟a5；

19、步驟a5：確定加強圈的最小厚度，加強圈的厚度不小于所述最小厚度，則復(fù)合插口的厚度即為滿足變形要求的最小厚度。

20、步驟a2包括如下步驟：

21、步驟a21：假設(shè)所述圓環(huán)受到至少兩個相對圓心對稱的徑向集中力，基于所述假設(shè)，計算微分方程通解中的常數(shù)項，獲得微分方程第一形式；

22、步驟a22：基于步驟a21獲得的微分方程第一形式，假設(shè)所述圓環(huán)只受到兩個相對圓心對稱的徑向集中力，則微分方程第一形式變換為微分方程第二形式；

23、步驟a23：通過引入系數(shù)將所述圓環(huán)受到的內(nèi)部負壓引入微分方程第二形式，獲得微分方程第三形式；

24、步驟a24：根據(jù)步驟a23得到的微分方程第三形式獲得帶系數(shù)的所述圓環(huán)直徑最大變化量的計算公式。

25、步驟a3包括如下步驟：

26、步驟a31：根據(jù)已有剪切載荷公式計算一參考管材的參數(shù)，所述參考管材的材質(zhì)、外徑分別和基管的材質(zhì)、外徑相同；

27、步驟a32：根據(jù)步驟a31計算得到的參數(shù)通過仿真模擬獲得所述參考管材插口最大變形量；

28、步驟a33：將步驟a32獲得的插口最大變形量代入步驟a2的計算公式，得到該計算公式中的系數(shù)值，從而得到已知系數(shù)的圓環(huán)徑向變形最大量的計算公式；

29、步驟a34：根據(jù)許用變形規(guī)定和步驟a33得到的公式計算得到基管的滿足變形要求的插口最小厚度。

30、步驟a1中，得到的徑向變形量 u的微分方程為：，其通解為：，

31、其中， r為所述圓環(huán)的外圓半徑和內(nèi)圓半徑的平均值； e是管材的彈性模量，pa； i是圓管截面的慣性矩，m4； m是局部區(qū)域某段圓環(huán)承受的彎矩，單位n*m；建立二維坐標(biāo)系， φ是變形量為 u處的點和坐標(biāo)系原點的連線與二維坐標(biāo)系中 x軸正方向之間的夾角，；a1、a2、a3、b2、b3為常數(shù)。

32、步驟a2中，假設(shè)所述圓環(huán)受到至少兩個相對圓心對稱的徑向集中力p，且相鄰兩個徑向集中力p之間的夾角為，所述圓環(huán)滿足以下三個邊界條件：

33、第一、在處，由于對稱性，處截面的轉(zhuǎn)角為0，即滿足以下公式：；

34、第二、由于對稱性，每一等分段內(nèi)的圓弧的總的切向位移為0；即有：；

35、第三、在a點臨近切開，去除a點及作用的力p，由對稱性及平衡條件可知，圓環(huán)切口處截面上的剪力，即有：；

36、聯(lián)立以上三個公式和微分方程的通解，得到微分方程第一形式：

37、；

38、假設(shè)所述圓環(huán)只受到兩個相對圓心對稱的徑向集中力p，則：，得到微分方程第二形式：

39、；

40、引入系數(shù)m，得到微分方程第三形式：

41、；

42、作用力p的作用點處為最大變形量處，圓環(huán)直徑變化量為：

43、，其中，i=s3/12，s為管身的厚度。

44、步驟a5中，通過實驗或仿真或理論計算獲得和確定加強圈的最小厚度，通過理論計算獲得和確定加強圈的最小厚度時，基于基管的插口厚度和根據(jù)縱向復(fù)合梁的抗彎強度計算公式獲得加強圈的最小厚度。

45、承口一端的襯環(huán)未包覆承口內(nèi)壁時，所述管材的承口為單層承口，承口一端的襯環(huán)延伸至完全或不完全包覆承口內(nèi)壁時，承口和承口一端的襯環(huán)形成復(fù)合承口。

46、對于同一管材，沿著從承口到插口的方向，承口的內(nèi)壁包括依次排列的第一階梯、第二階梯、第三階梯、第四階梯、第五階梯、第六階梯，第四階梯和第五階梯連接處的倒角為第一倒角，第五階梯和第六階梯連接處的倒角為第二倒角，第二階梯和第三階梯連接處的倒角為第三倒角，第一階梯和第二階梯連接處的倒角為第四倒角、第三階梯和第四階梯連接處的倒角為第五倒角。

47、單層承口厚度的設(shè)計方法包括如下步驟：

48、步驟b1：選取單層承口內(nèi)壁上應(yīng)力易集中的多處，選取原則為：若這幾處的壁厚滿足應(yīng)力強度要求，則單層承口每一處壁厚都滿足強度要求；

49、步驟b2：確定步驟b1中各選取處的最小壁厚，確定原則為：當(dāng)單層承口的材質(zhì)和管身的材質(zhì)相同時，各選取處的應(yīng)力不大于管身內(nèi)壁應(yīng)力；當(dāng)單層承口的材質(zhì)和管身的材質(zhì)不相同時，各選取處的應(yīng)力與單層承口材質(zhì)的屈服強度的比值不大于管身內(nèi)壁應(yīng)力與管身材質(zhì)的屈服強度的比值。

50、步驟b2中，通過應(yīng)力計算公式計算得到步驟b1中各選取處的最小壁厚，得到各選取處的外壁，把單層承口視作包括至少兩個同軸連接的內(nèi)壁為圓錐面的壓力容器加上至少一個安裝在壓力容器內(nèi)壁上的環(huán)形加強圈，，，其中，為管身的環(huán)向應(yīng)力，為選取處的環(huán)向應(yīng)力，d0是基管外徑，d是選取處直徑，p是基管內(nèi)流體的壓力，s為基管厚度，s0為選取處的壁厚，α為選取處所在圓錐的半錐角。

51、當(dāng)單層承口的材質(zhì)和管身的材質(zhì)相同時，所述應(yīng)力計算公式為：。

52、當(dāng)單層承口的材質(zhì)和管身的材質(zhì)不相同時，所述應(yīng)力計算公式為：，其中，q0為管身材料的屈服強度，q1為單層承口所用材料的屈服強度。

53、復(fù)合承口厚度的設(shè)計方法包括如下步驟：

54、設(shè)復(fù)合承口的最外層為基層，其它層為非基層，對于所述復(fù)合承口中的多層結(jié)構(gòu)，所述設(shè)計方法包括如下步驟：

55、步驟c1：基于復(fù)合承口各層應(yīng)變相同、根據(jù)非單層材料平衡方程獲得任一非基層的環(huán)向應(yīng)力計算公式；

56、步驟c2：確定任一非基層的厚度和基層的厚度的關(guān)系，確定原則為：非基層的應(yīng)力與該層材質(zhì)的屈服強度的比值不大于管身內(nèi)壁應(yīng)力與管身材質(zhì)的屈服強度的比值；

57、步驟c3：根據(jù)步驟c2確定的關(guān)系計算非基層和/或基層的厚度。

58、步驟c1中，把所述多層結(jié)構(gòu)視作包括至少一個內(nèi)壁為圓錐面的壓力容器加上至少一個安裝在壓力容器內(nèi)壁上的環(huán)形加強圈的結(jié)構(gòu)，步驟c1中，第一圓錐為一個內(nèi)壁為圓錐面的壓力容器，第一倒角處和第二倒角處位于第一圓錐的內(nèi)壁上。

59、步驟c1中，設(shè)具有m層非基層和一層基層，則所述多層結(jié)構(gòu)的平衡方程為：

60、；

61、其中， p為圓錐形容器的內(nèi)部壓力，d為圓錐形容器待計算處的直徑，為圓錐高度，s1、s2、…、sm分別為各非基層的厚度，sb是基層的厚度，、、…、分別為各非基層的環(huán)向應(yīng)力，是基層的環(huán)向應(yīng)力， α為圓錐形容器的半錐角；

62、步驟c1中，基層的應(yīng)變和各非基層的應(yīng)變相同，滿足：，即，其中，e1、e2、…、em分別為各非基層的彈性模量，eb是基層的彈性模量，結(jié)合所述平衡方程得到第n層非基層的環(huán)向應(yīng)力計算公式為：，其中，是第n層非基層的環(huán)向應(yīng)力，n取1~m，en是第n層非基層的彈性模量。

63、步驟c2中，為了使復(fù)合承口達到強度要求，則第n層非基層內(nèi)部應(yīng)力與管身內(nèi)壁應(yīng)力之間滿足：，，其中，q0、qn分別為管身和第n層非基層的材料的屈服強度；為管身的環(huán)向應(yīng)力，s為管身厚度，d0為管身外徑，p是管內(nèi)流體給的壓力，聯(lián)立第n層非基層的環(huán)向應(yīng)力計算公式，得到第n層非基層的厚度和基層的厚度的關(guān)系：。

64、已知應(yīng)力最大處對應(yīng)的基層的厚度時，根據(jù)第n層非基層的厚度和基層的厚度關(guān)系求出屈服應(yīng)力最小一層的最小厚度，設(shè)該層為最小應(yīng)力層，將其它非基層的厚度設(shè)為不小于最小應(yīng)力層的最小厚度；已知非基層的厚度時，首先，選取基層應(yīng)力易集中的至少一處，選取原則為：各選取處的強度滿足要求后，按照外壁設(shè)計要求設(shè)計出的基層的其它地方強度也滿足要求；然后根據(jù)第n層非基層的厚度和基層的厚度關(guān)系求出各選取處的厚度。

65、本發(fā)明的有益效果是：

66、（1）耐腐蝕金屬材質(zhì)的內(nèi)管作為內(nèi)襯，將外管與所述管內(nèi)流通的液體完全隔離，有效阻止外管發(fā)生銹蝕，起到較好的防腐作用，提高了管材的使用壽命，避免外管的銹蝕污染水質(zhì)，提高了液體輸送性能。

67、（2）耐腐蝕金屬材質(zhì)的內(nèi)管作為內(nèi)襯，與塑料管內(nèi)襯相比，杜絕了復(fù)合時因內(nèi)襯塑受熱熔化產(chǎn)生的內(nèi)表面褶皺、凹凸不平等缺陷，提高了所述管材內(nèi)表面平整度，內(nèi)襯厚度較小，提高了管道輸水效率、降低運行能耗。

68、（3）耐腐蝕金屬材質(zhì)的內(nèi)管作為內(nèi)襯，與塑料管內(nèi)襯相比，管材可應(yīng)用于輸送高溫液體介質(zhì)。

69、（4）中間層為絕緣材質(zhì)的熱熔膠或塑料或橡膠，將內(nèi)管和外管完全隔開，防止外管和內(nèi)管接觸導(dǎo)致內(nèi)管發(fā)生電化學(xué)腐蝕，同時杜絕了中間層使用普通液態(tài)膠水流動造成的膠層不均，以及內(nèi)襯耐腐蝕金屬與外層金屬管未粘結(jié)而直接接觸發(fā)生電化學(xué)腐蝕，還克服了普通膠水易老化、絕緣性差等問題。

70、（5）中間層為熱熔膠時，熱熔膠將內(nèi)外層粘固為一體，杜絕管道內(nèi)負壓造成內(nèi)襯分層現(xiàn)象，中間層為橡膠時，橡膠的彈性使金屬外管與耐腐蝕金屬內(nèi)管形成相互彈性力，對金屬管內(nèi)壁密封性能好，可防止液體與金屬外管內(nèi)壁接觸造成管壁銹蝕。

71、（6）管材端部設(shè)置耐腐蝕金屬襯環(huán)和密封層，防止各層材料之間的粘合面端部與水接觸，受水的張力發(fā)生剝離，防止金屬外管內(nèi)壁銹蝕剝離造成水質(zhì)污染；襯環(huán)和密封層對內(nèi)管起固定作用，在密封失效，內(nèi)襯完全分層的情況下，仍能保護內(nèi)襯不受水流沖刷作用被沖走；襯環(huán)和密封層的設(shè)置增強了管材端口的環(huán)剛度，插口不易變形，便于管材的安裝，提高了密封層和兩管連接處密封圈的均勻密封效果，減少管道漏損。密封層材質(zhì)為橡膠或熱熔膠，提高了管材端面的密封性，當(dāng)密封層的材質(zhì)為熱熔膠時，密封層將襯環(huán)和內(nèi)管粘接在一起，進一步提高了襯環(huán)的安裝穩(wěn)固性。

72、（7）在插口一端，襯環(huán)伸入管內(nèi)的部分的長度可設(shè)置為不小于插口長度或者襯環(huán)同時外翻至包覆插口外壁，如此插口和金屬材質(zhì)的襯環(huán)形成復(fù)合插口，提高了所述管材插口一端的強度和抵抗變形的能力；在承口一端，襯環(huán)可延伸至部分覆蓋或完全覆蓋插口內(nèi)壁，如此承口和金屬材質(zhì)的襯環(huán)形成復(fù)合承口，提高了所述管材承口一端的強度。

73、（8）可通過理論分析和計算獲得不同管徑的承插式管材滿足變形要求的單層插口和/或復(fù)合插口最小或接近最小的厚度以及滿足強度要求的單層承口和/或復(fù)合承口最小或接近最小厚度，節(jié)約了材料，降低了管材的生產(chǎn)、制造和運輸成本，設(shè)計最小壁厚的方法為理論計算，成本低、效率高，為實驗和管材設(shè)計提供了有利支撐，為二次加工和安裝提供參考；已知基管插口厚度后，可計算出滿足變形要求的復(fù)合插口的加強圈的最小厚度，如此安裝的管材和管網(wǎng)系統(tǒng)使用更可靠，大大降低了管材發(fā)生爆管時由于插口變形過度導(dǎo)致相鄰管材的插口和承口分離導(dǎo)致的漏水和供水被污染的情況，以及承口發(fā)生裂開的情況。