一种包含钢骨架-塑料复合管的管线及复合管的制造 【技术领域】
本发明涉及一种管线,特别是包含钢骨架-塑料复合管组成的管线,本发明还涉及这种钢骨架-塑料复合管的制造方法和装置。
背景技术
管线一般包括管道和连接结构,例如,WO9626380公开的管线就具有钢骨架-塑料复合管和连接结构。但是该技术连接部分过长的钢骨架和裸露的电阻丝设置不能使管线获得牢固可靠的连接。
钢骨架-塑料复合管的制造方法和装置是公知的。这种技术主要体现在SU1362645,WO94/09963,CN94104509,GB2277975等专利中。
其中SU1362645是一种分步挤出成型复合管的技术,其先成型内层塑料管,在内层塑料管内具有轴向均匀分布的经线钢丝,其上缠绕的纬线钢丝裸露在塑料的外面,而后在其上二次挤出成型塑料管的外层,由此制造出钢骨架-塑料复合管。
WO94/09963采用的是一步挤出成型技术,其主要是增加了一个焊接装置,首先采用该焊接装置将经线钢丝与纬线钢丝焊接在一起形成网状钢骨架,在围绕着网状钢骨架挤出塑料形成钢骨架-塑料复合管。
CN94104509与WO94/09963具有相同的技术原理,不同之处仅在于焊接装置的结构有所改变。
GB2277975与WO94/09963和CN94104509的原理相同,只是采用了两根或两根以上的纬线缠绕焊接在经线上。
上述技术均存在一些缺陷:1、塑料挤出复合机头内置在焊网成型机的腹腔中,塑料挤出机螺杆、料筒的中心线与管道生产设备地中心线重合(此种方法可称为中心进料挤出成型复合法)。此种复合机头与钢网焊接装置重合在一起的结构形式存有许多不足之处:首先,小口径管道(DN70以下)因受流道和定径套尺寸的限制而无法实现工业化生产;其次,制造大口径管道(DN400以上)的装置结构庞大、复杂;第三,由于复合机头内置在焊网成型机的腹腔中,而使得对工艺的调整及设备维修都不方便,从而导致产品质量难以控制;第四,复合机构中的承载轴承长期处于高温条件下工作,会导致设备零件的使用寿命减少。2、在已有技术中,钢骨架焊接成型机是双支撑结构,纬线盘套在主轴上,并可相对主轴旋转,使用的纬线需要先缠绕在备用线盘上供生产时使用,而备用线盘同样套在主轴上,这就使生产者只能预先缠绕一个备用线盘,且生产者要在钢骨架-塑料复合管道生产装置旁进行缠绕工作,增加了劳动强度并降低了工作效率。3、在已有技术中采用传统压力电阻焊的技术,一个或多个焊轮在弹簧的压力作用下压着纬线在经线、纬线的交点处进行通电焊接,这样的结构原理使焊轮既受焊接时出现的电弧的烧蚀,同时也由于承受高温的压力载荷而磨损严重,影响了焊轮的使用寿命。并且一个焊轮用一个焊机供电,应用多焊轮时必然要相应增加焊机的数量。
发明概述
本发明的一个目的是通过提供一种具有与管材相同钢骨架加强结构且外表完全防腐的管道连接结构及管件,来保证形成的管线具有可靠的连接及一致的防腐性能。
本发明的再一个目的是通过提供一种从外侧面进料挤出成型复合方法和装置来克服已有技术的缺陷,改善设备结构,提高产品质量。
本发明的另一个目的是通过提供一种外挂纬线盘的悬臂式钢骨架焊网成型机来降低劳动强度和提高工作效率。
本发明的又一目的是通过提供一种电阻模糊焊接技术来克服已有技术的缺陷,提高焊轮寿命,减少钢丝损伤。
为实现上述目的,本发明提出一种包括钢骨架-塑料复合管和连接结构的管线,其中一种永久性连接结构包括一个电熔套筒和与电熔套筒内表面紧密配合的具有钢骨架的管端,管端具有锥形封口结构,电熔套筒的内表面有作为电热元件与电源接线柱相连的涂塑的金属铜线,电熔套筒壁中间镶嵌着环形钢板网骨架,钢板网骨架的长度是电熔套筒全长的一半,电熔套筒一次注射成型时使用非金属塑料钉或戴塑料帽的钢支撑钉支撑钢板网骨架。另外对于非永久性的管道连接结构采取法兰连接的方式。
为实现上述目的,本发明提出一种制造钢骨架-塑料复合管的方法,包括:采用外挂纬线盘的方式向焊网成型机提供纬线钢丝,焊网成型机采用模糊电阻焊接将来自经线配送装置的经线和纬线钢筋焊接在一起形成网状钢骨架,将网状钢骨架连续地牵引通过复合机头,复合机头从外面包围网状钢骨架并接受塑料挤出机从侧面向复合机头连续供给的熔融的热塑性塑料,在复合机头内将熔融的热塑性塑料与钢骨架内外复合形成管坯,牵引管坯通过冷却装置形成复合管。
为实现上述方法,本发明提出了一种制造钢骨架-塑料复合管道的装置,该装置包括:经线配送装置、焊网成型机、塑料挤出机、复合机头、冷却装置、牵引机和切割机。其中,焊网成型机包括用悬臂结构支撑的缠绕焊接机构,缠绕焊接机构具有一个焊轮离开经线和纬线的焊点大于或等于60mm距离的模糊电阻焊接结构、一个惯性循环自冷却结构和一个外挂纬线盘的随缠绕焊接机构一起旋转的纬线支撑盘,复合机头可调整地设置在从外面包围网状钢骨架的位置,塑料挤出机从侧面向复合机头送料。
本发明的其它目的和优点将在下面结合附图所做的对本发明的详细描述中予以体现。
【附图说明】
图1是本发明的钢骨架-塑料复合管制造设备布置俯视图;
图2是本发明的焊网成型机结构原理图;
图3是图2所示的焊网成型机实现模糊电阻焊接的结构布置图;
图4是本发明的外侧进料挤出机复合机头的工作原理图;
图5是图4的K向视图,进一步表明了复合机头的调节功能;
图6是示意性地表示连接复合管形成复合管道组件的视图,其包含了电熔套筒连接和法兰连接两种形式;
图7是电熔套筒与法兰管件连接的结构图。
具体实施例
参见图1和2,将沿圆周轴向均匀分布的经线钢丝从经线配送装置1经过经线通道送过焊网成型机2,并在复合机头5处与牵引头相连。焊网成型机2为悬臂结构,包括机座13、连接在机座13上的悬臂支撑轴3和缠绕焊接机构4,其中机座13和悬臂支撑轴3固定不动,缠绕焊接机构4通过轴承支撑在悬臂支撑轴3上,缠绕焊接机构4的旋转缠绕功能是这样实现的:电动机通过常规的传动机构(未示)驱动与传动机构啮合的齿轮12,齿轮12固定连接在缠绕焊接机构4的连接套筒14上,从而通过支撑在悬臂支撑轴3上的连接套筒14带动缠绕焊接机构4围绕悬臂支撑轴3平稳转动,若干绕满纬线的纬线盘11悬挂在纬线支撑盘10上,纬线支撑盘10固定连接在连接套筒14上并随套筒14旋转,从而带动悬挂于其上的纬线盘11旋转,当纬线经过导线轮24和焊轮21缠绕固定在经线上时,旋转的纬线盘11继续保持向缠绕焊接机构4的焊轮提供缠绕焊接用纬线钢丝,纬线盘支撑轴与设备中心线平行。当纬线盘上的纬线使用完毕需要更换纬线钢丝时,可将空纬线盘11取下、换上绕满纬线的纬线盘继续生产,由于将纬线缠绕到纬线盘的工作可以不在生产现场进行,使本发明与现有技术相比明显具有降低劳动强度和提高工作效率的优点。
参见图2和3,本发明的缠绕焊接机构4具有固定在连接套筒14上的绕焊支撑盘15、导电环17、导电瓦16、导电板20、焊轮21、支持电极26,它们是这样实现模糊电阻焊接功能的:首先将经线钢丝25布置于支持电极26的经线槽内并与牵引头相连,然后将来自引线导轮24的纬线22经焊轮21缠绕到经线钢丝上,绕焊机构4旋转的同时纬线盘11的阻尼器10a通过对纬线盘的支撑轴产生阻力来影响纬线盘的转动,并借助焊轮对纬线的约束对纬线施加作用力使纬线22产生张紧力同时对经线产生压力。电源经导电瓦16、导电环17、导线23、导电板20将电流传送到焊轮21,焊接时,依靠纬线22的张紧力在纬线22与经线25的若干接触焊点处产生压力,同时纬线22起着传送焊接电流的导线作用,这样无须焊轮直接压在纬线与经线的接触焊点处,就可实现经线和纬线的焊接,此时焊轮离开焊点的距离S≥60mm。这就是本发明所称的模糊电阻焊接,它不预先确定对那个接触焊点焊接,而是选择这些接触焊点中电阻值较小的进行焊接,一般在距焊轮较近且回路的电阻值较小的接触焊点处发生焊接,通常采用模糊电阻焊接一次触发电流最少焊接两处焊点。这种模糊焊接技术既能保证对管材强度起主要加强作用的纬线钢丝受焊接损伤较小,又能保证钢丝网具有足够的结构稳定性,同时单位时间内焊点的数量比已有技术高出一倍。焊轮与焊点分离使得焊轮只起导通电流和约束纬线的作用,这样焊轮不直接吸收焊接热,因此避免了电烧蚀现象,降低了焊轮的温升,与现有技术相比非常显著地延长了焊轮的使用寿命。另外,在焊轮布置上不同于已有技术,本发明的焊轮数量采用偶数设置,正常焊网工作时,一对相邻的焊轮共用一个电源供电,既从电源箱一个电极输出的电流通过导电瓦16、导电环17及焊轮21传导给纬线22,再同时通过几个经纬线的交点和经线下面的支持电极26经与相邻的一组焊轮21a、导电板20a、导线23a及对应的导电环17a流回到电源箱的另一个电极形成焊接回路。这样相临两个焊轮可以共用一个焊机,取消了零线环,使设备的结构更简单适用。
为了保证焊接系统能长时间正常工作,本发明的缠绕焊接机构4还设置了独特的冷却系统,该冷却系统采取惯性循环自冷却的方式(见图2)对焊接系统进行冷却。惯性循环自冷却结构包括固定在缠绕焊接机构4的绕焊转盘15上的环型散热器18,并将其用软管19a与注水阀19、导电板20和20a相连接。工作前由注水阀19向循环管路注满冷却液后,将注水阀关闭。设备启动工作时,转盘15旋转带动环型散热器18一起旋转,而内装的冷却液由于惯性作用在相当长的时间内并不随环型散热器18同步旋转,而是相对于环型散热器18的管壁有方向相反的相对运动,这个相对运动构成了冷却液的循环,将焊接系统的热量带到散热器18散出,从而实现自循环冷却效果。此种自循环冷却系统不需要安装同步旋转的冷却液循环泵,而是通过周期性的换纬线停机,提供持续不断的循环动力。
这样在上述焊网成型机2完成经线钢丝和纬线钢丝的焊接形成网状钢骨架后,由牵引机7将钢骨架牵引入复合机头5。参见图1和图4、5,替代已有技术的中心进料复合机头,本发明的复合机头5设置成从外面包围网状钢骨架,挤出机9布置在复合机头的外侧,从外侧向复合机头进料,由于本发明不像已有技术那样将复合机头设置在焊网成型机腹腔内,而是设置在从外面包围网状钢骨架的外部位置,这就可以根据复合管的复合状况方便地调整复合机头,从而保证产品质量。除了复合机头的位置布置与已有技术不同外,本发明的复合机头在结构上也与已有技术不同。参见图4和5,本发明的复合机头5包括圆柱形外壳29和附有燕尾形阻尼板的均料套26,形成外壳29和均料套26之间的均化流道②,位于外壳29上且可旋入均化流道③的阻尼螺钉27,在复合区域④设置有筛孔套28和口模31、32。复合机头5通过调整螺钉35a、35b和压紧螺钉36安装在调整平台37上。工作时,塑料挤出机9从位于复合机头侧面的进料孔的流道①将熔融塑料送入复合机头的均化流道②,复合机头在均化流道②内将挤出机9挤入的熔融塑料均匀地分布在均化流道③的圆周上并挤过筛孔套28进入与网状钢骨架的复合区域④。一个圆柱形的成型内套30位于网状钢骨架的内腔与复合机头相配合对网状钢骨架内外同步进行塑料复合。之后,牵引机7将复合后形成的软的管坯拉出复合区④,进入内定径套34和带有冷却水槽33的外口模31及整形环32之间的环形空间定径、整形和冷却,得到内、外壁光滑平整的管材。而后经过切割机8进行定长切割,得到截面裸露钢丝的复合管半成品。
由于塑料加工成型过程中的热不均匀性导致料流的不均匀流动,进而产生管材壁厚不均匀的现象,因此必须调整复合机头使所成型的管材壁厚均匀。在已有技术中都采用中心进料挤出复合方式,由于复合机头在钢网焊接装置的内部,从而导致管材在离开复合机头时难以观察和测量制品的变化。特别是在运行状态下无法通过调整复合机头来控制壁厚,只能在停机的静态情况下完成操作,且操作较为复杂。而按照本发明,在生产过程中根据管材壁厚偏差的具体情况,可以利用调整平台37进行粗调整,既利用调整平台上的调整螺钉35a、35b进行上、下、左、右移动,从而带动复合机头5移动,可以改变复合机头外口模31、整形环32与成型内套30之间的间隙从而改变料流量,达到调整管材壁厚的目的;或利用阻尼螺钉27精细调整,调整阻尼螺钉27的升降改变了料流的阻力,也就改变了料流的速度,从而达到减小管材壁厚差的目的。本发明还可以将两种调整方式结合起来进行调整。
通过上面所述的改进,本发明与现有技术相比,无论在生产速度和产品质量都有明显的优势。下表列出的数据就能表现出本发明的优势:
表一 项目 管材材 料 外径 mm壁厚mm经线数量/直径mm纬线数量/直径mm网格净间距mm生产速度m/min SU1362645 HDPE 1501242/3.02/3.57.6*7.50.10 GB2277975 HDPE 3201490/3.02/3.57.6*80.12本发明管材 HDPE 32512.5100/2.54/3.05.5*50.30
本发明不但在生产速度上具有优势,而且由于采取侧进料的生产方式,可通过对生产状况的随时观察,及时调整生产设备,确保产品质量,极大地提高了产品合格率。
实际应用中管材必须组成管线,为了确保根据本发明的方法和设备制造的复合管能够获得可靠的连接,本发明通过提供与管材具有相同钢骨架加强结构和相同防腐性能的管道连接结构及管件来保证形成的管线,具有方便、可靠的连接及一致的防腐性能。为此发明人提出了用于该复合管的连接设计。现在参见图6和7,图6示意性地表示连接复合管形成复合管道组件的两种连接形式,包含电熔套筒连接和法兰连接。图7是电熔套筒与两种法兰连接的结构图。
当用于管线永久性连接时,通常采用电熔套筒连接结构为主。如图7所示。在电熔套筒连接结构中,由一个钢板网骨架增强的热塑性塑料电热熔套筒39及由套筒两端插入的锥形管端45所组成。管端45与电熔套筒39内园的锥形配合结构的目的是使结合面配合紧密、间隙小。管端45的锥形结构是采用注塑的方式制成的,具有塑封管端裸露钢丝的防腐作用。注塑成形的管端45锥形结构与注塑成型的电熔套筒39配合保证了产品尺寸及管线装配尺寸的一致性。电热熔套筒39是由与管材相同的热塑性塑料及镶嵌在塑料壁厚中间的环形钢板网骨架52以注塑的方式复合而成的。钢板网骨架52的长度约是电熔套筒39全长的一半,居中设置。为了即能保证在电熔套筒注塑成型过程中,钢板网骨架52在模腔中的正确位置,又能保证电熔套筒外表面没有金属裸露与管材有相同的防腐性能,在钢板网骨架52外表面上均匀布置有起支撑作用的塑料钉56或戴塑料帽54的金属钉55,而且56、54所用的塑料须与电熔套筒本体塑料具有相融性。电熔套筒39内表面设有均匀缠绕布置的包塑的金属导线51,导线51的始未端分别与镶嵌在电熔套筒两端的接线柱57相连。电熔套筒39与锥形封口接头45装配连接后,在电熔套筒两端的接线柱57间通过规定的电流,电流通过电热元件51后就能将套筒39内表面和锥形封口接头45表面塑料熔融,熔融的塑料经过冷却凝固后就能将直管40之间或与管件38、三通41、弯头42、46之间连接起来。该结构中管端45与电熔套筒39的锥形配合设计保证了两者贴合紧密、间隙小而均匀,使通电焊接时加热快而均匀。采用注塑成形方法生产锥形管端45与电熔套筒39,最大限度地保证了产品及安装配合尺寸的一致性,从而保证了管线的所有接头都有相同的质量。WO96/26380公开过此种锥形配合结构,但其提出的管端加工方式是在原管端上车削,车削必然是在采用某种方法对管端进行塑封之后进行,因而是通过两道工序制成锥形管端,效率低。另外采用车削的方法加工的管端的尺寸一致性及与套筒配合质量的一致性显然不如本发明提出的方法,因而其管线连接的系统质量自然也不如本发明。
在本发明的电熔套筒连接结构中,钢板网骨架53居中布置,长度约为套筒长度一半,同时采用包塑金属电热丝51等设计使得该连接结构即具有足够的结构强度又具有良好的焊接工艺性能,可确保根据本发明的方法和设备制造的复合管能够获得可靠的连接。作为公知技术被广泛采用的纯塑料管的电熔套筒连接结构,其电熔套筒内由于没有加强结构,在径向强度上不如本发明结构及WO96/26380所公开的相应结构,但其焊接工艺性却十分优良。当纯塑料管用电熔套筒通电焊接时,加热区域内的塑料熔化后,体积要膨胀30%左右使熔池内压力增大,但由于塑料具有良好的热膨胀性及较低的弹性模量,热膨胀性使套筒与管端间隙增大,缓解了熔池内压力的增高,而压力过大时,套筒与管材又都可以产生一定的变形,从而使压力保持在一个即能使熔体在环向及轴均匀分布,又不至于过高而导致熔体从套筒两端及管端对接面上向外或向内溢出,从而使焊缝均匀、饱满、密度高、残余应力低。WO96/26380所公开电熔套筒连接结构,电熔套筒壁内有接近于贯穿全长的钢骨架加强,管材内也有钢丝骨架的加强,两者强度与钢性都很高。但在焊接时,由于钢材的热膨胀性比塑料小得多,当熔池内熔体膨胀后,套筒由于钢骨架的约束作用,而不能有效膨胀,使得熔体的膨胀受到制约而使熔池压力过高导致熔融的塑料易从套筒两端及管端对接面处向外或向内溢出,而熔体溢出时的轴向流动又易使其裸露的电热线堆积接触,造成短路。塑料熔体的溢出会导致焊缝存在缺陷,电热丝短路则会造成焊接电流过高,使熔体过热而降解碳化,并产生气体形成气泡。缺陷、碳化及气泡的存在则使焊缝丧失了良好的强度及密封性。因此WO96/26380所公开的电熔连接结构,虽然零件都具有良好的强度,但组装连接起来的整体强度及密封性并不高,形不成可靠连接的管线。本发明的电熔套筒连接结构集上述两种公知的电熔连接结构的优点于一身。钢骨架居中布置,且长度为套筒总长的一半使电熔套筒具有足够的强度。而占电熔套筒另一半长度的纯塑部分在焊接时可以充分膨胀变形来缓解熔池熔体压力的升高,保证熔体不致溢出。采用涂塑电热铜丝结构可保证焊接过程不发生短路现象。相配的套筒和管端结构可以保证管线的电熔连接是牢固可靠的。
另外,法兰连接也是钢骨架塑料复合管的连接方式之一。当用于小直径管线非永久性连接时,可采用在直管的管头上一次注射成型塑料法兰头的连接结构形式。这种结构就是采用注塑的方法在管端注射成型塑料凸缘43、再由金属半开环48、活套法兰49、橡胶密封垫圈44、连接螺栓50、连接螺母47组成。塑料凸缘43的一个端面为对接平面,另一端是一个坡面,是法兰连接予紧力的作用面。该结构组装连接顺序是将活套法兰49套入管端43,把橡胶密封垫圈44放置于两管端凸缘对接面之间,将半开环48合扣在凸缘的坡面上,将活套法兰49套在合扣的金属半开环48上,串上螺栓、戴上螺母。组装结构见图6。该结构的特点是在对小直径钢骨架塑料复合管之间、复合管与金属管之间、复合管与泵阀等设备之间进行非永久性连接时,使用非常方便,且可保证管线系统具有一致的强度。
对于大直径钢骨架塑料复合管的非永久性连接,采用的是另一种法兰连接的结构。对于大直径钢骨架塑料复合管而言,由于输送介质的压力作用,管线所承受的轴向力较大,且管线的环钢度相对也比较低。采用小直径管线非永久性连接的法兰结构已不适宜,因为管端纯塑法兰凸缘已不能提供足够抗轴向剪切能力,钢法兰作用在凸缘坡面上所产生的径向分力的长期作用也极易使管道变形而使法兰连接丧失密封性。为此本发明提出了采用钢骨架加强的法兰接头管件38连接的结构。法兰接头短管38是采用注塑的方法成型的,内外层塑料中间镶嵌着钢骨架53。法兰管件38的一端为法兰盘,另一端是与电热熔套筒39相配的锥形端头。管线需要进行法兰连接时,先将法兰管件用电熔套筒与管材连接起来,然后即可实施法兰连接。与WO96/26380所公开的法兰连接结构相比该结构由于钢骨架完全包覆在塑料内,因而有更好的防腐性能及整体结构强度且使用也更加方便。如图7所示,该结构可以用于钢骨架塑料复合管之间及复合管与钢管及泵阀等设备的非永久性连接,可以使所连接的管线具用一致的强度。
钢骨架增强塑料复合管道的连接也需要各种各样的管件,例如:三通41、90°弯头46、45°弯头42是必不可少的。这些管件内都采用等强度的钢板网骨架增强,内外用热塑性塑料复合,产品的结构形式与钢骨架塑料复合管的结构相一致,并同样采用一次注射成型的方式生产。为了保证注射成型时钢骨架不偏移,管件的骨架上也镶嵌了足够量的塑料支撑钉或在金属钉上加戴一定厚度的塑料帽,并采用同等塑料材料支撑可保证与注射材料的良好熔接,例如聚乙烯或与聚乙烯有融和性的材料。