一种塑料复合管道抗外压失稳管件结构及其安装方法

1.本发明涉及塑料复合管道领域，具体涉及一种塑料复合管道抗外压失稳管件结构及其安装方法。


背景技术：

2.管道运输是五大运输方式之一，是运输石油、天然气等能源物质的重要方法， 有高效率、低成本和安全可靠的优势，对于经济的稳健上升发挥着无可替代的关键作用。在不同种类的管道中，传统金属管道易锈蚀，管道内的流动阻力会随着金属腐蚀程度的加深而上升，管道运行的保养支出较大；而塑料复合管道如聚乙烯管道等，由于不会腐蚀而流动阻力较低，维护费用较低，还具有如柔韧性好、工作年限长以及不影响管道内运输介质等长处，得到了广泛的应用。中国的大中型城市中，塑料燃气管道占比已达到90%以上。在油气输送领域也已经开始大量应用聚乙烯复合管道，如钢丝缠绕增强塑料复合管、玻璃纤维增强塑料复合管等。随着塑料复合管道的广泛应用，其较差的抗外压失稳能力引起了广泛的关注。
3.相较于传统金属管道，塑料复合管道防腐不耐压，抗外压失稳能力差。且塑料复合管道抗外压失稳的能力与管道直径的三次方相关，直径越大，越容易失稳。出于实际使用需要，如大流量输水、排污等，越来越多的大直径塑料复合管道投入使用，直径可达到2000mm以上，管道抗外压失稳能力差。
4.管道在安装、运行期间会不可避免的受到随机外压、局部外压和均匀外压的作用。其典型的外压场景有高山输水、阀门启停、埋地等等。高山输水应用场景下，管道从山上向山下输水，如果上下高差过大，且供水压力不足，那么管道中间可能形成一段真空，管道需要承受外压，可能造成外压失稳；阀门启停应用场景下，如果阀门突然关停，阀门后输送的水由于惯性向前流动，阀门后会形成一段真空，管道需要承受外压，可能造成外压失稳；埋地应用场景下，土壤本身会对管道施以外压，如果土壤上方堆积物品或有车辆驶过，则会增加管道受到的外压，容易造成外压失稳。由于外压载荷作用，塑料复合管道会产生压缩应力和弯曲应力，发生变形。当外压载荷大于临界压力时，管道会发生失稳导致管路变形乃至失效，造成损失。
5.塑料复合管道抗外压失稳能力的影响因素主要是管道的壁厚、直径、长度。环刚度s是塑料复合管道抗外压负载能力的综合参数，计算过程如下：其中，f是相对于管材3%变形时的力值（kn），l是试样长度（m），y是变形量（m），d是内径（m）。如果管道的环刚度太小，管道可能发生大变形或出现压屈失稳破坏。而环刚度太高，则必然是管道采用了过大的截面惯性矩，增加生产耗材，拉高成本。
6.针对塑料复合管道抗外压失稳能力差的问题，现在工程上通过安装启闭阀方法解
决。安装启闭阀方法是在管道上安装启闭阀，当管道内压过低时，启闭阀会吸入空气平衡管道内外压力，降低管道受到的外压。但实际使用时，启闭阀有误动作的可能，且阀门若长期不启用，容易冻结，当管道承受外压过大时不能及时动作，造成管道失效。由于气体压缩性强，若管道内形成一段真空，即使启闭阀及时开放，启闭阀也需要在极短时间内吸入大量空气才能平衡内外压，而阀门吸气流量毕竟有限，因而启闭阀提高管道抗外压失稳能力的效果有限。
7.除安装启闭阀方法外，依据现有的理论研究，也可以通过减少管道长度、增大壁厚、改变管道截面形状等等方法提升塑料复合管道的抗外压失稳能力；但这些方法还存在至少如下问题：（1）减少管道长度：将长管变为多根短管相接，可以改变管道的边界刚度条件，提升管道的临界压力，增强管道的抗外压失稳能力，但这样会增加管道的连接成本，且管道的连接处的数量会增加，从而提升管道失效风险和管道内容物的泄漏风险；（2）增大壁厚：管道的临界压力与管道的壁厚、直径成三次乘幂关系，所以增大壁厚，可以提升管道的临界压力，增强管道的抗外压失稳能力。但这种方法会增加材料耗费和生产难度，大大提升生产成本；（3）改变管道截面形状：如中国实用新型专利cn213089009u，发明名称“一种抗外压薄壁增强复合管”，公开了一种抗外压薄壁增强复合管，在管体外包覆了一层外部抗外压结构壁层提高了复合管的环刚度，增强了管道的抗外压失稳能力。但管道较为复杂的截面设计，也会大大增加制造成本。
8.发明人团队在2007年指导硕士研究生通过理论分析和实验探究，用增加刚性卡箍的方法加强了管道的抗外压失稳能力。但是现有的研究理论计算复杂，在工程上应用仍存在一些不足：安装卡箍的目的是将长圆筒分隔为一段段短圆筒，但短圆筒的临界外压计算过程复杂，计算精度无法保证，且加上卡箍后管道的受力条件和短圆筒实际的受力条件存在区别，卡箍安装位置无法准确确定。此外，现有研究通常将复合管通过刚度变换等效为实壁管，再利用实壁管公式计算外压失稳，结果往往受复合管的结构形式、缠绕角度甚至制造工艺与缺陷影响，难以准确获得失稳压力。


技术实现要素：

9.本发明提出一种塑料复合管道抗外压失稳管件结构及其安装方法。本发明是通过以下技术方案予以实现的：一种塑料复合管道抗外压失稳管件安装方法，所述塑料复合管道是以金属与热塑性塑料复合结构为基础的管材，所述塑料复合管道抗外压失稳管件包括刚性卡箍，所述卡箍安装于所述塑料复合管道的筒体外侧，用于增加所述塑料复合管道的环刚度；所述安装方法如下：步骤1：初步计算上述管道在设计外压下外压失稳时的理论临界长度l
cr
，l
cr
的计算公式如下：
其中，是上述塑料复合管道的弹性模量；如果管道呈现各向异性，则所述管道的弹性模量取管道轴向模量乘以管道径向模量的平方根，即；t是上述塑料复合管道的管壁厚度，d是上述塑料复合管道的外径，po是上述塑料复合管道的设计外压；步骤2：选取长度为l
cr
的试验管道进行试验，在设计外压po下，获取所述塑料复合管道吸扁时的管道内压力值pi；步骤3：根据l
cr
、pi计算相邻卡箍之间的中心距，计算公式如下：其中，是管道上相邻安装的两个卡箍间的中心距；所述卡箍的壁厚δ满足如下条件：其中，是所述卡箍的材料模量；如果卡箍呈现各向异性，则卡箍的材料模量取卡箍轴向模量乘以卡箍径向模量的平方根，即；步骤4：计算上述塑料复合管道单段管道上安装卡箍的数量及中心距，计算过程如下：其中，ls是单段管道长度，[]表示向上圆整，n为大于1的整数；基于计算得出的n，确定单段管道上安装卡箍的数量为n-1个，卡箍之间的中间距为ls/n；即，在单段管道上，以管道的一端作为起点，每隔ls/n的距离设置一个卡箍，共n-1个卡箍。
[0010]
现有计算卡箍安装位置的方法存在诸如计算复杂、管道参数测量不准等问题；另外，安装卡箍后的管道，其受力条件和短圆筒实际的受力条件存在区别，理论计算无法体现
该差别，从而造成计算结果失真。现有研究通常将复合管通过刚度变换等效为实壁管，再利用实壁管公式计算外压失稳，结果往往受复合管的结构形式、缠绕角度甚至制造工艺与缺陷影响，通过这样的理论计算难以准确获得失稳压力。
[0011]
本发明通过在塑料复合管道上安装刚性卡箍的方法提高管道的环刚度，该方法简单易行、成本低，且可有效增强管道的抗外压失稳能力；为确保管道抗外压失稳性能，本发明通过理论与试验相结合的方式准确确定在塑料复合管道上安装卡箍的数量及间距，提高了卡箍安装数量及位置的准确性；本发明首先计算管道在设计外压力下外压失稳时的理论临界长度，接着还通过试验进行修正，得到一个确定长度下圆筒确定的失稳临界压力，再通过短圆筒临界压力与长度成反比的原理进行换算；避免了复杂的计算、圆筒参数测量不准确、圆筒受力条件与理论不一致等等原因造成理论计算不准确的问题；保证了计算精度，解决了仅依赖理论计算精确度不足的问题，解决了准确确定塑料复合管道的卡箍安装数量及位置问题。
[0012]
优选的，当理论临界长度l
cr
大于工程上单段管道最长长度时，将所述工程上单段管道最长长度作为l
cr
。在实际试验时，当用于试验的理论临界长度l
cr
大于工程上单段管道最长长度时，可以选择工程上单段管道最长长度作为l
cr
。基于短圆筒的临界压力与圆筒长度成反比的原理，选取比理论临界长度更短的工程上的单段管道最长长度进行试验，其得出的结果依然可以确保管道的抗外压失稳能力。
[0013]
优选的，所述获取所述塑料复合管道吸扁时的管道内压力值pi包括：密封所述塑料复合管道的两端，以平均速度≤1kpa/min抽真空，记录管道吸扁时候的管道内压力，将其平均值作为管道内压力值pi。通过多次试验获取更加准确的管道内压力值pi。
[0014]
本发明还提供一种塑料复合管道抗外压失稳管件结构，所述塑料复合管道是以金属与热塑性塑料复合结构为基础的管材，所述塑料复合管道抗外压失稳管件包括刚性卡箍，所述卡箍安装于所述塑料复合管道的筒体外侧，用于增加所述塑料复合管道的环刚度，其特征在于，所述塑料复合管道抗外压失稳管件结构采用如上所述的塑料复合管道抗外压失稳管件安装方法进行安装。
[0015]
优选的，所述卡箍的材料为钢或铝合金。
[0016]
优选的，所述卡箍长度大于所述塑料复合管道半径。
[0017]
优选的，所述卡箍为叶轮型、环形型、镂空型或长螺栓型。根据实际需要，可以选择多种形式的卡箍类型。
[0018]
优选的，所述卡箍上有若干个加强筋，用于增强卡箍的轴向刚性。
[0019]
现有计算卡箍安装位置的方法存在诸如计算复杂、管道参数测量不准等问题；另外，安装卡箍后的管道，其受力条件和短圆筒实际的受力条件存在区别，理论计算无法体现该差别，从而造成计算结果失真。现有研究通常将复合管通过刚度变换等效为实壁管，再利用实壁管公式计算外压失稳，结果往往受复合管的结构形式、缠绕角度甚至制造工艺与缺陷影响，通过这样的理论计算难以准确获得失稳压力。
[0020]
本发明通过在塑料复合管道上通过安装刚性卡箍的方法提高管道的环刚度，该方法简单易行、成本低，且可有效增强管道的抗外压失稳能力；为确保管道抗外压失稳性能，本发明通过理论与试验相结合的方式准确确定在塑料复合管道上安装卡箍的数量及间距，提高了卡箍安装数量及位置的准确性；本发明首先计算管道在设计外压力下外压失稳时的
理论临界长度，接着还通过试验进行修正，得到一个确定长度下圆筒确定的失稳临界压力，再通过短圆筒临界压力与长度成反比的原理进行换算；避免了复杂的计算、圆筒参数测量不准确、圆筒受力条件与理论不一致等等原因造成理论计算不准确的问题；保证了计算精度，解决了仅依赖理论计算精确度不足的问题，解决了准确确定塑料复合管道的卡箍安装数量及位置问题。
[0021]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0022]
图1为本发明一实施例塑料复合管道抗外压失稳管件的结构示意图。
[0023]
图2为本发明一实施例塑料复合管道抗外压失稳管件的上视图。
[0024]
图3为本发明一实施例叶轮型卡箍的示意图。
[0025]
图4为本发明一实施例叶轮型卡箍的等轴测视图。
[0026]
图5为本发明一实施例环型卡箍的示意图。
[0027]
图6为本发明一实施例镂空型卡箍的示意图。
[0028]
附图标记：01塑料复合管道，02卡箍，03螺栓，04卡箍加强筋。
具体实施方式
[0029]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0030]
图1为本发明一实施例塑料复合管道抗外压失稳管件的结构示意图。如图1-4所示，本发明实施例提供了一种塑料复合管道抗外压失稳管件，包括塑料复合管道01、卡箍02、螺栓03和卡箍加强筋04。
[0031]
在本发明的一个具体的实施方式中，本发明的适用范围为在安装、运行期间会不可避免的受到随机外压、局部外压和均匀外压的作用的管道。常见的外压载荷场景如高山输水、阀门启停、埋地等等。这样的外压载荷场景下，管道在实际运行中，外压可能会使管道发生变形，在荷载较大的情况下管道甚至会发生破坏。
[0032]
塑料复合管道是以金属与热塑性塑料复合结构为基础的管材。
[0033]
卡箍材料可取钢或铝合金；卡箍长度大于管道半径；卡箍壁厚，其中，是管道模量，是卡箍材料模量，t是管道壁厚。如果管道呈现各向异性，则管道模量需要取管道轴向模量乘以管道径向模量的平方根，即，以使得最终获得的卡箍刚性远大于管道刚性。如果卡箍呈现各向异性，则卡箍模量需要取卡箍轴向模量乘以卡箍径向模量的平方根，
即。
[0034]
螺栓用于连接卡箍，以将卡箍环绕紧固在塑料复合管道的筒体外侧。
[0035]
卡箍上有多个加强筋，用于增强卡箍轴向刚性。
[0036]
本发明还提供一种卡箍安装方法，用于克服理论计算精确度不足的问题，包括以下步骤：步骤1：根据设计外压po的要求，考虑管材的尺寸，例如管道外径、壁厚，参考短圆筒的最小临界压力近似计算过程，代入拉姆公式，计算当管材临界压力时，即管道在设计外压下外压失稳时的管道长度，即理论临界长度l
cr
：其中，是管道材料的弹性模量，如果管道呈现各向异性，则管道模量需要取管道轴向模量乘以管道径向模量的平方根，即，其中t是上述塑料复合管道的管壁厚度，d是上述塑料复合管道的外径，po是上述塑料复合管道的设计外压。
[0037]
具体的，设计外压是管道在实际使用过程中可能承受的最大外压。当管道用于地面时，实际使用过程中可能承受的最大外压是一个大气压，此时管道的设计外压即取一个大气压，po为0.1mpa；当管道埋于地下或水下时，实际使用过程中可能承受的最大外压是地下或湖底的环境压力，其大于一个大气压，po根据管道实际工作环境的环境压力取值，取绝对压力值。
[0038]
步骤2：选取长度为l
cr
的试验管道进行试验，若l
cr
的管道长度大于工程上单段管道最长长度6m或12m，则按照工程要求取6m或12m。在设计外压po下，管道的两端密封好，考虑管道蠕变带来的影响，需要缓慢抽真空，平均速度≤1kpa/min。多次实验，记录管道吸扁时候的管道内压力pi，求平均值。该管道内压力pi是绝对压力。
[0039]
步骤3：根据设计外压po的要求，基于短圆筒临界压力与圆筒的长度成反比的原理，计算卡箍之间的中心距，
是管道上相邻安装的两个卡箍间的中心距；为了避免管道失稳，卡箍之间的中心距应满足上述公式条件。其中，卡箍的壁厚δ满足如下条件：其中，是卡箍的材料模量，如果卡箍呈现各向异性，则卡箍模量需要取卡箍轴向模量乘以卡箍径向模量的平方根，即。
[0040]
步骤4：计算在塑料复合管道单段管道上安装卡箍所需的数量及中心距间距，根据所述数量及中心距间距，在管道的筒体外侧安装所述卡箍；计算过程如下：若单段管道长度为ls，根据上述中心距需满足的条件，计算，[]表示向上圆整，n为大于1的整数，根据计算得出的n，在该管段上，以管道的一端作为起点，每隔ls/n的距离设置一个卡箍，共n-1个卡箍。卡箍使用时，将卡箍套上需要固定的管道外壁，使用螺栓连接卡箍的两部分，拧紧螺栓即可。卡箍的形状、类型不做限制，可以是叶轮型、环形型、镂空型、长螺栓型等类型，长螺栓型卡箍具体还可以是带调节环长螺栓卡箍、多孔长螺栓卡箍、带调节板多孔长螺栓卡箍等等类型。采用不同类型的卡箍时，只要满足使得最终获得的卡箍刚性远大于管道刚性的条件即可。
[0041]
优选实施例一：某输水管道工程中，管道外径为630mm，壁厚t为35.8mm，材质pe100，材料弹性模量。该管道用于地面，在阀门关停场景下，阀门后小段管道短时间内呈现真空状态，在实际使用过程中可能承受的最大外压为一个大气压，故设计外压po为0.1mpa，代入拉姆公式，计算当管材临界压力时，即管道在设计外压下外压失稳时的管道长度：该理论临界长度l
cr
未超过工程上单段管道长度12米，故试验管道长度取10.05米，
进行下一步管道外压试验。管道外压试验时，在设计外压po下，将管道的两端密封好，考虑管道蠕变带来的影响，需要缓慢抽真空，平均速度≤1kpa/min。多次实验，记录管道吸扁时候的管道内压力pi，求平均值为35.6kpa。根据设计外压po的要求，基于短圆筒临界压力与圆筒的长度成反比的原理，确定卡箍之间的中心距需满足：进而根据单段管道长度ls、卡箍中心距，根据计算出n=[12/6.47]=2。因此，在ls/2即管道中点位置布置（n-1）个即1个卡箍，即可避免该管道发生外压失稳。所安装的卡箍材料可选取316不锈钢，其弹性模量为164gpa。卡箍长度需要大于等于管道半径即315mm，厚度，可取厚度为1mm。卡箍使用时，将卡箍套上需要固定的管道外壁，使用螺栓连接卡箍的两部分，拧紧螺栓即可。卡箍的形状、类型不做限制，可以是叶轮型、环形型、镂空型、长螺栓型等类型，长螺栓型卡箍具体还可以是带调节环长螺栓卡箍、多孔长螺栓卡箍、带调节板多孔长螺栓卡箍等等类型。采用不同类型的卡箍时，只要满足使得最终获得的卡箍刚性远大于管道刚性的条件即可。
[0042]
优选实施例二：某给水管道工程中，管道外径为560mm，壁厚t为21.4mm，材质pe100，材料弹性模量。该管道用于地面，在阀门关停场景下，阀门后小段管道短时间内呈现真空状态，在实际使用过程中可能承受的最大外压为一个大气压，故设计外压po为0.1mpa，代入拉姆公式，计算当管材临界压力时，即管道在设计外压下外压失稳时的管道长度：选取管道长度为3.31m的管道，进行下一步管道外压试验。管道外压试验时，在设计外压po下，将管道的两端密封好，考虑管道蠕变带来的影响，需要缓慢抽真空，平均速度≤1kpa/min。多次实验，记录管道吸扁时候的管道内压力pi，求平均值为40.8kpa。根据设计外压po的要求，基于短圆筒临界压力与圆筒的长度成反比的原理，确定卡箍之间的中心距需满足：
当实际使用的单段管道长度ls为12m时，进而计算，ls/n=12/7=1.71m，即在管道上，以一端为起点，每间隔1.71m的位置布置(n-1)个卡箍，即6个卡箍，即可避免该管道发生外压失稳。所安装的卡箍材料可选取316不锈钢，其弹性模量为164gpa。卡箍长度需要大于等于管道半径即280mm，厚度，可取厚度为1mm。卡箍使用时，将卡箍套上需要固定的管道外壁，使用螺栓连接卡箍的两部分，拧紧螺栓即可。卡箍的形状、类型不做限制，可以是叶轮型、环形型、镂空型、长螺栓型等类型，长螺栓型卡箍具体还可以是带调节环长螺栓卡箍、多孔长螺栓卡箍、带调节板多孔长螺栓卡箍等等类型。采用不同类型的卡箍时，只要满足使得最终获得的卡箍刚性远大于管道刚性的条件即可。
[0043]
优选实施例三：某供水工程中，管道外径为800mm，壁厚t为38.1mm，材质pe100，材料弹性模量。管道从湖底穿越湖泊，湖泊历史最高水位21m。阀门关停场景下，阀门后小段管道短时间内呈现真空状态，管道需要承受外压，在实际使用过程中可能承受的最大外压为湖底水压，故设计外压po为0.31mpa。代入拉姆公式，计算当管材临界压力时，即管道在设计外压下外压失稳时的管道长度：选取管道长度为2.65m的管道，进行下一步管道外压试验。管道外压试验时，在设计外压po下，将管道的两端密封好，考虑管道蠕变带来的影响，需要缓慢抽真空，平均速度≤1kpa/min。多次实验，记录管道吸扁时候的管道内压力pi，求平均值为30.8kpa。根据设计外压po的要求，基于短圆筒临界压力与圆筒的长度成反比的原理，确定卡箍之间的中心距需满足：
当实际使用的单段管道长度ls为12m时，进而计算，ls/n=12/6=2m，即在管道上，以一端为起点，每间隔2m的位置布置(n-1)个卡箍，即5个卡箍，即可避免该管道发生外压失稳。所安装的卡箍材料可选取316不锈钢，其弹性模量为164gpa。卡箍长度需要大于等于管道半径即400mm，厚度，可取厚度为1mm。卡箍使用时，将卡箍套上需要固定的管道外壁，使用螺栓连接卡箍的两部分，拧紧螺栓即可。卡箍的形状、类型不做限制，可以是叶轮型、环形型、镂空型、长螺栓型等类型，长螺栓型卡箍具体还可以是带调节环长螺栓卡箍、多孔长螺栓卡箍、带调节板多孔长螺栓卡箍等等类型。采用不同类型的卡箍时，只要满足使得最终获得的卡箍刚性远大于管道刚性的条件即可。
[0044]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0045]
在本发明中，除非实施例中另有明确的相关规定或者限定，否则实施例中出现的术语“安装”、“相连”、“连接”和“固定”等应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，可以理解的，也可以是机械连接、电连接等；当然，还可以是直接相连，或者通过中间媒介进行间接连接，或者可以是两个元件内部的连通，或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，能够根据具体的实施情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0046]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。