本發(fā)明屬于復(fù)合管，具體為一種金屬內(nèi)襯多層復(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)，要求復(fù)合管與液體接觸的部位具有良好的防腐性，防止復(fù)合管因?yàn)殚L(zhǎng)期接觸到液體導(dǎo)致銹蝕，影響輸送液體的品質(zhì)?，F(xiàn)有復(fù)合管，一般外層為金屬管、內(nèi)層為塑料管，內(nèi)層和外層之間通過(guò)復(fù)合工藝復(fù)合起來(lái)。即將外層金屬管的內(nèi)壁通過(guò)塑料管進(jìn)行包覆?，F(xiàn)有復(fù)合管的結(jié)構(gòu)為承插式，金屬管的一端為插口、另一端為承口。在管網(wǎng)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。金屬外管的承口的內(nèi)壁為不平整的階梯狀，在進(jìn)行金屬管內(nèi)壁包覆防腐時(shí)，金屬管的中部和插口通過(guò)內(nèi)層塑料管包覆，承口的內(nèi)壁和插口的外壁一般直接涂刷防腐油漆，或采取噴塑/涂塑處理。然而，這種方式?jīng)]有使復(fù)合管的防腐包覆形成一整體，在使用過(guò)程中管道內(nèi)液體長(zhǎng)期沖刷下會(huì)導(dǎo)致液體通過(guò)不同材料間的間隙滲入金屬管內(nèi)壁，導(dǎo)致防腐失效、管壁發(fā)生腐蝕，影響管道使用壽命，對(duì)管道內(nèi)輸送液體產(chǎn)生污染。

2、對(duì)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。現(xiàn)有一些標(biāo)準(zhǔn)（團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）中規(guī)定了不同壓力等級(jí)和不同公稱直徑下的公稱壁厚，符合標(biāo)準(zhǔn)的管材在對(duì)應(yīng)的壓力等級(jí)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。

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(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(guò)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(duì)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)，在插口套接環(huán)形加強(qiáng)圈，以增強(qiáng)抵抗變形的能力。

4、對(duì)于承口，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)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。當(dāng)前，一般基管（即外管）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鋼或球墨鑄鐵，節(jié)省成本的同時(shí)可以提高管材的耐腐蝕性。同理，該復(fù)合承口若能滿足強(qiáng)度同時(shí)厚度最小或接近最小，也能大大降低成本。對(duì)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(shí)，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(méi)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。

5、所述基管是指處于出廠設(shè)置的管材，即基管沒(méi)有安裝加強(qiáng)圈、沒(méi)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(guò)渡部，過(guò)渡部用于主體部和承口的過(guò)渡連接，即承口、過(guò)渡部、主體部和插口依次連接。管身內(nèi)壁面為圓柱面，即過(guò)渡部的內(nèi)徑和主體部的內(nèi)徑相等。主體部為圓筒狀，過(guò)渡部外壁面為錐面，換言之，主體部各處厚度基本均勻，過(guò)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12中，x為插口端部倒角的沿軸線方向的長(zhǎng)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(zhǎng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種金屬內(nèi)襯多層復(fù)合管及其制造方法，耐腐蝕材質(zhì)的內(nèi)管覆蓋外管內(nèi)壁和插口端面，插口也為耐腐蝕材質(zhì)，將外管與所述復(fù)合管內(nèi)流通的液體完全隔離，有效阻止外管發(fā)生銹蝕，提高了復(fù)合管的使用壽命，避免外管的銹蝕污染水質(zhì)，中間層同時(shí)起到絕緣隔離和連接的作用，防止內(nèi)管發(fā)生電化學(xué)腐蝕，防止內(nèi)管在負(fù)壓下分層變形，安裝時(shí)，所述復(fù)合管的插口插入相鄰復(fù)合管的承口并通過(guò)密封圈密封，密封圈外圈緊壓承口的內(nèi)管內(nèi)壁，防止作為內(nèi)襯的內(nèi)管脫落同時(shí)防止管身和承口接觸到液體發(fā)生腐蝕。可通過(guò)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(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；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)相鄰管材的插口和承口發(fā)生變形分離導(dǎo)致的漏水和供水被污染的情況，以及承口發(fā)生裂開(kāi)的情況。

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、一種金屬內(nèi)襯多層復(fù)合管，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、管身和耐腐蝕性金屬材質(zhì)的插口，內(nèi)管的材質(zhì)為耐腐蝕性金屬，內(nèi)管一端覆蓋部分承口的內(nèi)壁、中部覆蓋管身的內(nèi)壁、另一端覆蓋插口的內(nèi)壁和插口的端面。

4、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

5、優(yōu)選的，中間層的材質(zhì)為非金屬，承口和管身的材質(zhì)為金屬。

6、優(yōu)選的，中間層的材質(zhì)為熱熔膠。

7、優(yōu)選的，中間層的材質(zhì)為橡膠。

8、優(yōu)選的，中間層的材質(zhì)為塑料。

9、優(yōu)選的，承口和管身的材質(zhì)為球墨鑄鐵或碳鋼。

10、優(yōu)選的，當(dāng)中間層的材質(zhì)為熱熔膠時(shí)，內(nèi)管、中間層和外管粘接成復(fù)合管。

11、優(yōu)選的，當(dāng)中間層的材質(zhì)為塑料或橡膠時(shí)，內(nèi)管、中間層和外管壓緊構(gòu)成復(fù)合管。

12、優(yōu)選的，相鄰兩根所述復(fù)合管連接時(shí)，一根復(fù)合管的插口插入與其相鄰的復(fù)合管的承口并通過(guò)密封圈密封，密封圈的外圈接觸一根復(fù)合管承口的內(nèi)管內(nèi)壁、密封圈的內(nèi)圈接觸相鄰復(fù)合管插口的外壁。

13、優(yōu)選的，中間層的厚度不小于0.2mm，內(nèi)管的厚度不小于0.1mm。

14、優(yōu)選的，當(dāng)中間層的材質(zhì)為熱熔膠時(shí)，中間層的厚度為0.2mm~0.5mm。

15、優(yōu)選的，插口的端面和包覆所述端面的內(nèi)管之間設(shè)有密封墊。

16、優(yōu)選的，密封墊包括一體連接的壓邊和翻邊，壓邊位于插口一端的內(nèi)壁和內(nèi)管之間，翻邊位于插口的端面和包覆所述端面的內(nèi)管之間。

17、優(yōu)選的，當(dāng)中間層的材質(zhì)為橡膠時(shí)，在插口一端，中間層超出插口的端部，超出插口端部的中間層翻邊形成密封墊。

18、承口和內(nèi)管覆蓋承口內(nèi)壁的部分形成復(fù)合承口，插口和內(nèi)管覆蓋插口內(nèi)壁的部分形成復(fù)合插口。

19、復(fù)合插口厚度的設(shè)計(jì)方法包括如下步驟：

20、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；

21、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；

22、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；

23、步驟a4：對(duì)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；

24、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；

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

26、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(jì)算公式；

27、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)力與非基層的材質(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；

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

29、步驟a2包括如下步驟：

30、步驟a21：假設(shè)所述圓環(huán)受到至少兩個(gè)相對(duì)圓心對(duì)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；

31、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(duì)圓心對(duì)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；

32、步驟a23：通過(guò)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；

33、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。

34、步驟a3包括如下步驟：

35、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；

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

37、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；

38、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。

39、步驟a1中，得到的徑向變形量 u的微分方程為：

40、，

41、其通解為：，

42、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)。

43、步驟a5中，通過(guò)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(guò)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。

44、對(duì)于同一基管，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，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。

45、步驟c1中，把所述多層結(jié)構(gòu)視作包括至少一個(gè)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)圈的結(jié)構(gòu)，步驟c1中，第一圓錐為一個(gè)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。

46、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：

47、；

48、其中， p為圓錐形容器的內(nèi)部壓力，d為圓錐形容器待計(jì)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；

49、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(jì)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。

50、步驟c2中，為了使復(fù)合承口達(dá)到強(qiáng)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(qiáng)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(jì)算公式，得到第n層非基層的厚度和基層的厚度的關(guān)系：。

51、已知應(yīng)力最大處對(duì)應(yīng)的基層的厚度時(shí)，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(shí)，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(qiáng)度滿足要求后，按照外壁設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出的基層的其它地方強(qiáng)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。

52、一種承插式異材多層復(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：

53、步驟s1：處理承口和管身的內(nèi)壁和外壁、制作內(nèi)管和插口；

54、步驟s2：將插口和管身同軸固定連接；

55、步驟s3：將內(nèi)管、中間層和外管依次從內(nèi)到外設(shè)置；

56、步驟s4：將內(nèi)管和中間層壓緊在外管上；

57、步驟s5：復(fù)合；

58、步驟s6：將內(nèi)管的插口一端翻邊密封；

59、當(dāng)中間層材質(zhì)為塑料或橡膠時(shí)，則沒(méi)有步驟s5。

60、優(yōu)選的，步驟s4中，通過(guò)旋壓成型或者液壓成型，使內(nèi)管緊壓在插口內(nèi)壁、管身內(nèi)壁、承口內(nèi)壁。

61、本發(fā)明的有益效果是：

62、（1）耐腐蝕材質(zhì)的內(nèi)管覆蓋外管內(nèi)壁和插口端面，將外管與所述復(fù)合管內(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，提高了復(fù)合管的使用壽命，避免外管的銹蝕污染水質(zhì)，提高了液體輸送性能。

63、（2）耐腐蝕材質(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(shí)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，提高了復(fù)合管內(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(yùn)行能耗。

64、（3）耐腐蝕材質(zhì)的內(nèi)管作為內(nèi)襯，與塑料管內(nèi)襯相比，熱膨脹系數(shù)小，內(nèi)管與外管因溫度變化產(chǎn)生的相互分離的內(nèi)應(yīng)力更小，內(nèi)襯更不易發(fā)生分層。

65、（4）耐腐蝕材質(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、（5）中間層同時(shí)起到絕緣隔離和連接的作用，防止內(nèi)管發(fā)生電化學(xué)腐蝕，當(dāng)中間層是熱熔膠時(shí)，中間層粘接強(qiáng)度大，防止內(nèi)管在負(fù)壓下分層變形。

67、（6）安裝時(shí)，所述復(fù)合管的插口插入相鄰復(fù)合管的承口并通過(guò)密封圈密封，密封圈外圈緊壓承口的內(nèi)管內(nèi)壁，防止作為內(nèi)襯的內(nèi)管脫落。

68、（7）相鄰兩根復(fù)合管連接后，一根復(fù)合管的插口端面和與其相鄰的復(fù)合管的管身端面之間存在間隙，液體會(huì)通過(guò)此間隙滲入、接觸到插口外壁，此時(shí)，耐腐蝕材質(zhì)的插口本身會(huì)起到防腐作用，無(wú)需再在插口的外壁上包覆其它防腐材料，同時(shí)，密封圈的內(nèi)圈緊壓插口的外壁，將管身和承口完全與液體隔開(kāi)，防止管身和承口接觸到液體發(fā)生腐蝕。

69、（8）耐腐蝕材質(zhì)，如不銹鋼單價(jià)高于球墨鑄鐵，插口使用耐腐蝕材質(zhì)材質(zhì)、承口和管身使用球墨鑄鐵材質(zhì)，在保證防腐效果同時(shí)降低了整體成本。

70、（9）中間層采用熱熔膠時(shí)，內(nèi)襯耐腐蝕材質(zhì)厚度更薄、成本更低；外管內(nèi)徑相同的情況下，所述復(fù)合管的內(nèi)徑更大、輸送效率更高。

71、（10）可通過(guò)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(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；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(guò)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(kāi)的情況。