本發(fā)明屬于復(fù)合管，具體為一種異材多層復(fù)合管及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、復(fù)合管是一種廣泛用于液體輸送管網(wǎng)系統(tǒng)中的管材。使用時(shí)，要求管材與液體接觸的部位具有良好的防腐性，防止管材因?yàn)殚L期接觸到液體導(dǎo)致銹蝕，影響輸送液體的品質(zhì)。現(xiàn)有復(fù)合管，一般外層為金屬管、內(nèi)層為塑料管，或者外層為金屬管，內(nèi)層為不銹鋼管。內(nèi)層為塑料管的復(fù)合管，復(fù)合時(shí)，內(nèi)層塑料管受熱熔融，溫度過高時(shí)易產(chǎn)生內(nèi)表面不平整或局部熔穿現(xiàn)象，輸送液體時(shí)內(nèi)表面不平整會(huì)導(dǎo)致阻力增大，內(nèi)層塑料管局部熔穿導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，生產(chǎn)成本提高，內(nèi)層塑料管熱膨脹系數(shù)大，在低溫下收縮大，與外層金屬管產(chǎn)生的相互剝離的內(nèi)應(yīng)力較大，長期使用存在內(nèi)襯分層的風(fēng)險(xiǎn)。內(nèi)層為不銹鋼管的復(fù)合管，由于內(nèi)層不銹鋼管與外層金屬管存在電位差，易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，影響管道使用壽命；內(nèi)襯不銹鋼管與外層金屬管之間未粘合，在負(fù)壓下易產(chǎn)生內(nèi)層不銹鋼管變形、脫落，影響管道的正常使用。

2、為解決以上問題，目前主要采用內(nèi)層不銹鋼管與外層金屬管之間設(shè)置膠水或者純熱熔膠的方案，但采用膠水作為內(nèi)層和外層之間的中間部時(shí)，膠水易老化，粘結(jié)時(shí)由于膠水流動(dòng)性大，易出現(xiàn)局部內(nèi)層不銹鋼管與外層金屬管直接接觸的現(xiàn)象，無法達(dá)到防止電化學(xué)腐蝕和抗負(fù)壓的效果。采用純熱熔膠作為中間部，需要達(dá)到一定的厚度才能保證防電化學(xué)腐蝕的效果，中間部熱熔膠采用噴塑/滾塑技術(shù)方案，厚度均勻性差，質(zhì)量難以保障，采用擠出成型技術(shù)方案，壁厚太薄擠出難度大，厚度太厚，由于熱熔膠材料成本非常高，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)成本高，不利于產(chǎn)品的市場推廣。

3、外層金屬管的一端為插口、另一端為承口。安裝時(shí)，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。對于正常使用的給水管，會(huì)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(qiáng)度要求?，F(xiàn)有一些標(biāo)準(zhǔn)（團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)）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(zhǔn)的管材在對應(yīng)的壓力等級范圍內(nèi)均能滿足強(qiáng)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(zhǔn)規(guī)定。

4、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(shí)，管網(wǎng)中的水會(huì)從爆管處噴出，管網(wǎng)中的壓力會(huì)迅速下降，甚至形成負(fù)壓。另外，管材還會(huì)受到一些外部壓力，例如埋在土體中的管材會(huì)受到其上部土體的重力。在上述外部壓力和內(nèi)部負(fù)壓作用下，管材會(huì)產(chǎn)生徑向上的變形，若插口變形量過大，插口會(huì)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(shí)，在插口套接至少一層環(huán)形加強(qiáng)圈，形成復(fù)合插口，以增強(qiáng)抵抗變形的能力。然而，加強(qiáng)圈的材質(zhì)往往與基管的材質(zhì)不同，因?yàn)榧訌?qiáng)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(shí)厚度最小或接近最小成為待解決的問題。而和復(fù)合插口插接的承口，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度要求，最好使承口各處的厚度在滿足使用強(qiáng)度的同時(shí)厚度最小或接近最小。

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(qiáng)圈、沒有進(jìn)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8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(shí)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異材多層復(fù)合管及其制造方法，內(nèi)襯為耐腐蝕金屬材質(zhì)的內(nèi)管，提高了管材的抗內(nèi)腐蝕性、衛(wèi)生性能、管道輸水效率，降低運(yùn)行能耗。中間部為三層形成的復(fù)合層，過渡層材質(zhì)為聚乙烯、兩側(cè)為熱熔膠，與過渡層也使用熱熔膠材質(zhì)相比，降低了生產(chǎn)成本，中間部同時(shí)起到絕緣隔離和連接的作用，防止外管和內(nèi)管發(fā)生電化學(xué)腐蝕，中間部粘接強(qiáng)度大，防止內(nèi)管在負(fù)壓下分層變形，中間部將內(nèi)外層粘固為一體，杜絕管道內(nèi)負(fù)壓造成內(nèi)襯分層現(xiàn)象?？赏ㄟ^理論分析和計(jì)算獲得不同管徑的承插式管材滿足變形要求的復(fù)合插口最小或接近最小的厚度以及滿足強(qiáng)度要求的單層承口最小或接近最小厚度。

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

3、一種異材多層復(fù)合管，包括從內(nèi)到外依次套接的內(nèi)管、中間部和外管，內(nèi)管和外管通過中間部連接，內(nèi)管采用耐腐蝕金屬制成，中間部包括依次連接的第一粘合層、過渡層和第二粘合層。

4、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

5、優(yōu)選的，第一粘合層的材質(zhì)和第二粘合層的材質(zhì)為熱熔膠。

6、優(yōu)選的，過渡層的材質(zhì)為非金屬。

7、更優(yōu)選的，過渡層的材質(zhì)為聚乙烯。

8、優(yōu)選的，外管采用金屬材料制成。

9、更優(yōu)選的，外管的材質(zhì)球墨鑄鐵或碳鋼。

10、優(yōu)選的，外管包括一體連接并且同軸依次布置的承口、管身和插口。

11、更優(yōu)選的，中間部的長度不小于管身的長度。

12、更優(yōu)選的，內(nèi)管的長度不小于管身的長度。

13、優(yōu)選的，內(nèi)管的厚度不小于0.1mm，第一粘合層的厚度不小于0.1mm，第二粘合層的厚度不小于0.1mm，中間部的總厚度不小于1.0mm。

14、優(yōu)選的，第一粘合層的厚度為0.1mm~0.2mm，第二粘合層的厚度為0.1mm~0.5mm。

15、一種承插式管材的復(fù)合插口和單層承口厚度的設(shè)計(jì)方法，用于計(jì)算所述復(fù)合管的復(fù)合插口厚度和/或單層承口厚度，承口為單層承口，插口和內(nèi)管覆蓋插口內(nèi)壁的部分形成復(fù)合插口。

16、復(fù)合插口厚度的設(shè)計(jì)方法包括如下步驟：

17、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；

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

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

20、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(qiáng)圈，形成復(fù)合插口，若加強(qiáng)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(qiáng)圈的材質(zhì)和基管的插口的材質(zhì)不相同，則轉(zhuǎn)步驟a5；

21、步驟a5：確定加強(qiáng)圈的最小厚度，加強(qiáng)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。

22、單層承口厚度的設(shè)計(jì)方法包括如下步驟：

23、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(qiáng)度要求，則按照外壁設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的單層承口每一處壁厚都滿足強(qiáng)度要求；

24、步驟b2：確定步驟b1中各選取處的最小壁厚，得到各選取處的外壁，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(shí)，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(shí)，各選取處的應(yīng)力與單層承口材質(zhì)的屈服強(qiáng)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(qiáng)度的比值。

25、步驟a2包括如下步驟：

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

27、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(gè)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；

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

29、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(jì)算公式。

30、步驟a3包括如下步驟：

31、步驟a31：根據(jù)已有剪切載荷公式計(jì)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；

32、步驟a32：根據(jù)步驟a31計(jì)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；

33、步驟a33：將步驟a32獲得的插口最大變形量代入步驟a2的計(jì)算公式，得到所述計(jì)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(jì)算公式；

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

35、步驟a1中，得到的徑向變形量 u的微分方程為：

36、，

37、其通解為：，

38、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，是變形量為 u處的點(diǎn)和坐標(biāo)系原點(diǎn)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)。

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

40、（1）在處，由于對稱性，處截面的轉(zhuǎn)角為0，即滿足以下公式：；

41、（2）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：

42、；

43、（3）在a點(diǎn)臨近切開，去除a點(diǎn)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：；

44、聯(lián)立以上三個(gè)公式和微分方程的通解，得到微分方程第一形式：

45、；

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

47、；

48、引入系數(shù)m，得到微分方程第三形式：

49、；

50、作用力p的作用點(diǎn)處為最大變形量處，圓環(huán)直徑變化量為：

51、,其中，i=s3/12，s為管身的壁厚。

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

53、對于同一基管，沿著從單層承口到插口的方向，單層承口的內(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，管身的內(nèi)壁一端為第六階梯，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。

54、步驟b2中，通過應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算得到步驟b1中各選取處的最小壁厚，把單層承口視作包括至少兩個(gè)同軸連接的內(nèi)壁為圓錐面的壓力容器加上至少一個(gè)安裝在壓力容器內(nèi)壁上的環(huán)形加強(qiáng)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。

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

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

57、一種異材多層復(fù)合管的制造方法，用于制造所述的復(fù)合管，包括如下步驟：

58、步驟s1：處理外管的內(nèi)壁和外壁、制作內(nèi)管、制作中間部；

59、步驟s2：將內(nèi)管、中間部和外管依次從內(nèi)到外設(shè)置；

60、步驟s3：將內(nèi)管和中間部壓緊在外管上；

61、步驟s4：復(fù)合。

62、本發(fā)明的有益效果是：

63、（1）內(nèi)襯為耐腐蝕金屬材質(zhì)的內(nèi)管，與塑料管內(nèi)襯相比，提高了管材的抗內(nèi)腐蝕性和衛(wèi)生性能，提高了所述復(fù)合管內(nèi)表面平整度，內(nèi)襯厚度小，可提高管道輸水效率、降低運(yùn)行能耗。

64、（2）內(nèi)襯為耐腐蝕金屬材質(zhì)的內(nèi)管，與塑料管內(nèi)襯相比，大幅降低了內(nèi)管與外管之間因材料膨脹系數(shù)不一致產(chǎn)生的相互剝離的內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)襯不易發(fā)生分層、變形。

65、（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)，在管材受到外界火災(zāi)等高溫影響時(shí)，內(nèi)襯不會(huì)受到破壞。

66、（4）中間部同時(shí)起到絕緣隔離和連接的作用，防止外管和內(nèi)管發(fā)生電化學(xué)腐蝕，中間部粘接強(qiáng)度大，防止內(nèi)管在負(fù)壓下分層變形，中間部將內(nèi)外層粘固為一體，杜絕管道內(nèi)負(fù)壓造成內(nèi)襯分層現(xiàn)象。

67、（5）中間部為三層形成的復(fù)合層，過渡層材質(zhì)為聚乙烯、兩側(cè)為熱熔膠，與過渡層也使用熱熔膠材質(zhì)相比，降低了生產(chǎn)成本。

68、（6）使用熱熔膠作為粘合材料，克服了使用普通膠水易老化造成的內(nèi)襯分層現(xiàn)象，以及使用普通液態(tài)膠水流動(dòng)性大造成的膠層不均現(xiàn)象，解決了普通膠水粘合強(qiáng)度不高、衛(wèi)生性能差、絕緣效果差及外管內(nèi)壁不平整導(dǎo)致內(nèi)襯耐腐蝕金屬架空（即內(nèi)管存在未與外管連接的區(qū)域）等技術(shù)問題。

69、（7）可通過理論分析和計(jì)算獲得不同管徑的承插式管材滿足變形要求的復(fù)合插口最小或接近最小的厚度以及滿足強(qiáng)度要求的單層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(yùn)輸成本，設(shè)計(jì)最小壁厚的方法為理論計(jì)算，成本低、效率高，為實(shí)驗(yàn)和管材設(shè)計(jì)提供了有力支撐，為二次加工和安裝提供參考；已知基管插口厚度后，可計(jì)算出滿足變形要求的復(fù)合插口的加強(qiáng)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(shí)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。