本發(fā)明屬于復合管，具體為一種金屬內(nèi)襯多層復合管及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、復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，要求復合管與液體接觸的部位具有良好的防腐性，防止復合管因為長期接觸到液體導致銹蝕，影響輸送液體的品質(zhì)?，F(xiàn)有復合管，一般外層為金屬管、內(nèi)層為塑料管，內(nèi)層和外層之間通過復合工藝復合起來。即將外層金屬管的內(nèi)壁通過塑料管進行包覆?，F(xiàn)有復合管的結(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，多根復合管依次連接，一根復合管的插口插入與其相鄰的復合管的承口。金屬外管的承口的內(nèi)壁為不平整的階梯狀，在進行金屬管內(nèi)壁包覆防腐時，金屬管的中部和插口通過內(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)]有使復合管的防腐包覆形成一整體，在使用過程中管道內(nèi)液體長期沖刷下會導致液體通過不同材料間的間隙滲入金屬管內(nèi)壁，導致防腐失效、管壁發(fā)生腐蝕，影響管道使用壽命，對管道內(nèi)輸送液體產(chǎn)生污染。

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)有一些標準（團體標準和國家標準）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)標準規(guī)定。

3、但是，當管網(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，在插口套接環(huán)形加強圈，以增強抵抗變形的能力。

4、對于承口，現(xiàn)有標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)省成本的同時可以提高管材的耐腐蝕性。同理，該復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。當基管承口內(nèi)壁未完全被內(nèi)襯覆蓋時，復合承口包括單層結(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。

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12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金屬內(nèi)襯多層復合管及其制造方法，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，提高了復合管的使用壽命，避免外管的銹蝕污染水質(zhì)，中間層同時起到絕緣隔離和連接的作用，防止內(nèi)管發(fā)生電化學腐蝕，防止內(nèi)管在負壓下分層變形，安裝時，所述復合管的插口插入相鄰復合管的承口并通過密封圈密封，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)管脫落同時防止管身和承口接觸到液體發(fā)生腐蝕?？赏ㄟ^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復合插口最小或接近最小的厚度以及滿足強度要求的復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)生爆管時相鄰管材的插口和承口發(fā)生變形分離導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。

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、一種金屬內(nèi)襯多層復合管，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)方案的進一步改進：

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，當中間層的材質(zhì)為熱熔膠時，內(nèi)管、中間層和外管粘接成復合管。

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

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

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，當中間層的材質(zhì)為熱熔膠時，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，當中間層的材質(zhì)為橡膠時，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)壁的部分形成復合承口，插口和內(nèi)管覆蓋插口內(nèi)壁的部分形成復合插口。

19、復合插口厚度的設(shè)計方法包括如下步驟：

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算并獲得所述圓環(huán)徑向變形最大量的計算公式；

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；

24、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，則復合插口的厚度即為滿足變形要求的最小厚度；

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

26、步驟c1：基于復合承口各層應(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；

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；

28、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。

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；

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；

32、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；

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；

37、步驟a33：將步驟a32獲得的插口最大變形量代入步驟a2的計算公式，得到所述計算公式中的系數(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；

38、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。

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；建立二維坐標系，是變形量為 u處的點和坐標系原點的連線與二維坐標系中 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)縱向復合梁的抗彎強度計算公式獲得加強圈的最小厚度。

44、對于同一基管，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。

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：。

51、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。

52、一種承插式異材多層復合管的制造方法，用于制造所述的復合管，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：復合；

58、步驟s6：將內(nèi)管的插口一端翻邊密封；

59、當中間層材質(zhì)為塑料或橡膠時，則沒有步驟s5。

60、優(yōu)選的，步驟s4中，通過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，提高了復合管內(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，內(nèi)襯不會受到破壞。

66、（5）中間層同時起到絕緣隔離和連接的作用，防止內(nèi)管發(fā)生電化學腐蝕，當中間層是熱熔膠時，中間層粘接強度大，防止內(nèi)管在負壓下分層變形。

67、（6）安裝時，所述復合管的插口插入相鄰復合管的承口并通過密封圈密封，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）相鄰兩根復合管連接后，一根復合管的插口端面和與其相鄰的復合管的管身端面之間存在間隙，液體會通過此間隙滲入、接觸到插口外壁，此時，耐腐蝕材質(zhì)的插口本身會起到防腐作用，無需再在插口的外壁上包覆其它防腐材料，同時，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，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降低了整體成本。

70、（9）中間層采用熱熔膠時，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，所述復合管的內(nèi)徑更大、輸送效率更高。

71、（10）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復合插口最小或接近最小的厚度以及滿足強度要求的復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)生爆管時由于插口變形過度導致相鄰管材的插口和承口分離導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。