一种承插式钢顶管接头的制作方法

本发明专利是一种承插式钢顶管接头，可用于输水管道和其它输送管道的连接。

背景技术：

目前，我国输水管道工程的扩建、修复和更换经常需要采用非开挖技术，尤其是在城市和环境敏感地区，非开挖施工过程不需要大面积开挖路面，可以将社会影响和环境影响降至最低。相比传统开挖方式，非开挖方式有许多优势，并随着技术水平和机械设备的不断发展而变得更具成本效益。

顶管是最常见的输水管道非开挖技术的一种，管材的选择可以主要从以下各方面选择：力学性能、接口连接方式及性能、使用寿命、加工难度、施工难度、运输难度。常用的有钢管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管。

传统的钢顶管一般均采用现场焊接的连接方式，虽然钢管的力学性能虽然较好，管材运输方便，但钢管焊接接头会耗费大量的人力、物力、财力以及时间成本，焊接的质量难控制、防腐做法不达标也会大大降低管材的使用寿命，且由于接头为刚性，可弯曲的余地较小，即施工中可纠偏的余地较小。

由于传统钢顶管存在以上不足，随着工程要求的提高，市场上出现了新型球墨铸铁顶管以及pccp顶管。新型球墨铸铁顶管由于接口为外扩承插口，需在外层增加钢筋混凝土外包层以保证通体直径一致，该管材存在强度较低、单重大、管节短、接口多、外包层钢筋混凝土质量难保证、大口径管道(≥1000)造价高、刚性材质接头对接难度大等问题。而pccp管同样存在上述类似问题，另外pccp管在美国已经使用了多年，但从1990年开始，美国的pccp管道频繁出现由于高强钢丝断裂导致的爆管事故，美国相关管理部门提出在这个问题解决之前，压力管道不推荐选择pccp管。

相比国内，国外承插式连接的钢管已经使用了超过60年，针对顶管工程的承插式连接钢管也已经使用了超过20年，均运行良好。近年来，我国针对钢管的承插式接头的研究刚刚起步，但还是处于小范围的试验和完善阶段，也没有相对应的设计规范和标准，而针对承插式钢顶管的研究更是少之又少。

综上所述，国内有必要开展对新型承插式钢顶管的应用研究，且应该满足以下技术要求：

1、管节接头的现场拼接操作应方便、高效。

2、接头连接在外部水土荷载、内水荷载、顶管推力等各种工况组合下应能满足强度、变形、水密性等设计要求。

3、相邻管节之间的连接接头需具有一个光滑且连续的外表面，以减小顶进过程中作用于管节外表面上摩擦力，以及减少管节的外表面与钻孔内壁之间的空隙，以避免顶管路线上方发生明显地面沉降，这也是非开挖技术的基本要求。

4、相邻管节之间的连接接头需具有一个光滑且连续的内表面，以避免流体在管道中产生湍流或空化现象。

5、相邻管节之间的连接接头需满足一定水密性，具体应满足设计要求。

6、相邻管节之间的连接接头应能达到一定的弯曲角度，并能够传递相邻管段之间的弯矩，具体应满足设计要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服目前各种顶管的不足，提供一种安全、经济、适用、高效的承插式钢顶管接头。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种承插式钢顶管接头，包括分别焊接在钢管管节两端的承口连接件和插口连接件，其特征在于插口连接件内表面光滑且内径与钢管管节相同，插口连接件的外表面分布多个锥形脊，所述多个锥形脊在插口连接件内表面形成第一锯齿形连接面；承口连接件外表面光滑且外径与钢管管节相同，承口连接件的内表面间隔分布与插口连接件相配合的多个锥形脊，所述多个锥形脊在承口连接件外表面形成第二锯齿形连接面。

进一步地，相邻两个钢管管节连接时，将一个钢管管节的插口连接件压入另一钢管管节的承口连接件内，以完成两段钢管的连接，承口连接件的各锥形脊与插口连接件的锥形脊相互贴合，以保证该钢管管节连接节点能传递一定的轴向压力、弯矩。

进一步地，所述插口连接件的外表面和承口连接件的内表面涂抹密封材料或设置密封胶条，已达到密封的效果。

进一步地，所述插口连接件包括用于连接钢管管节的插口焊接端，以及用于连接另一钢管管节的插口端，所述第一锯齿形连接面位于插口端，所述第一锯齿形连接面包括若干个节断，沿插口焊接端向插口端方向，每个节断包括依次连接的环形凹平面、环形垂直面、环形凸平面、环形斜面，并在最靠近插口端节断末端的环形斜面后连接末端环形凹平面；且沿插口焊接端向插口端方向，节断的环形凹平面、环形垂直面、环形凸平面的截面半径逐渐减小；

所述承口连接件包括用于连接钢管管节的承口焊接端，以及用于连接另一钢管管节的承口端，所述第二锯齿形连接面位于承口端，所述第二锯齿形连接面包括若干个节断，沿承口焊接端向承口端方向，每个节断包括依次连接的环形斜面、环形凹平面、环形垂直面、环形凸平面，并在最靠近承口焊接端节断的起始端设置与插口连接件的末端环形凹平面相配合的起始端环形凸平面，且沿承口焊接端向承口端方向，节断的环形凹平面、环形垂直面、环形凸平面的截面半径逐渐增大。

进一步地，插口连接件的插口焊接端外侧切割成插口环形焊接斜面，插口环形焊接斜面通过焊缝连接到钢管管节的端头；承口连接件的承口焊接端外侧切割成承口环形焊接斜面，承口环形焊接斜面通过焊缝连接到钢管管节的端头。

本发明的技术特征在于

1、本接口由承口连接件和插口连接组件组成。承口连接件和插口连接件可在工厂焊接到需要拼接的钢管管节两端，运送到现场后，可在现场直接拼装，或结合顶管顶进设备进行拼接，减少了现场焊接工作产生的人工、设备成本和时间成本，可更好的保证焊接的质量，又可减少现场的施工工期。

2、本接口中的插口连接件内表面光滑且内径同钢管管节，承口连接件外表面光滑且外径同钢管管节，当承口连接件与插口连接件拼接完成后，即形成内、外表面均光滑且内、外径均与钢管管节相同的连接接头。该接口完成后，接口处内径与外径及光滑程度基本与标准管节一致，便于顶管施工。

3、在连接件拼装之前，将密封材料(比如有机密封硅胶)涂抹到所述插口连接件的外表面和承口连接件的内表面，或设置密封胶条，既可起到拼装过程中的润滑作用，又可在密封材料凝固后起到密封作用，并根据设计要求，在顶进之前进行试水试验，确保水密性。

4、当该承插式接口连接完成后，承口连接件的各锥形脊与插口连接件的锥形脊应相互贴合，以保证该节点能传递一定的轴向压力、弯矩。

附图说明：

图1为本发明承插式接头操作环境的透视图；

图2为图1中的本发明承插式接头的a-a局部剖视图；

图3为本发明承插式接头拼装完成后的局部剖视图。

图中包括：1、第一钢管管节，2、第二钢管管节，3、插口连接件，4、承口连接件，5、顶管洞口，6、顶管工作井，7、第一圆柱形外表面，8、第一圆柱形内表面，9、承口连接件圆柱形外表面，10、承口连接件圆柱形内表面，11、第一锯齿形连接面，12、第二锯齿形连接面，13、第二锯齿形连接面右端面，14、第一锯齿形连接面右端面，15、第二锯齿形连接面左端面，16、第一锯齿形连接面左端面，17、插口焊接端，18、第一钢管管节端头，19、插口环形焊接斜面，20、焊缝，21、承口焊接端，22、第二钢管管节端头，23、承口环形焊接斜面，24、焊缝，25、插口连接件第一环形凹平面，35、插口连接件第二环形凹平面，45、插口连接件第三环形凹平面，55、插口连接件末端环形凹平面，26、插口连接件环形第一凸平面，36、插口连接件第二环形凸平面，46、插口连接件第三环形凸平面，27、插口连接件第一环形垂直面，37、插口连接件环第二形垂直面，47、插口连接件第三环形垂直面，28、插口连接件第一环形斜面，38、插口连接件第二环形斜面，48、插口连接件第三环形斜面，31、承口连接件起始端环形凸平面，41、承口连接件第一环形凸平面，51、承口连接件第二环形凸平面，61、承口连接件第三环形凸平面，32、承口连接件第一环形斜面，42、承口连接件第二环形斜面，52、承口连接件第三环形斜面，33、承口连接件第一环形凹平面，43、承口连接件第二环形凹平面，53、承口连接件第三环形凹平面，44、承口连接件第一环形垂直面，54、承口连接件第二环形垂直面，64、承口连接件第三环形垂直面。

具体实施方式：

下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明承插式接头应用于顶管施工时的操作环境，第一钢管管节1和第二钢管管节2通过其两端不同类型的插口连接件3、承口连接件4在顶管工作井6中进行拼接，并顶入土体中。应该指出的是，图1中这个操作环境只是代表本发明各种工程应用中的一种，本发明也可以用于开挖直埋钢管的接头或作为承重管桩垂直连接接头等。

本发明的连接组件由插口连接件3和承口连接件4构成。连接件优先选用碳素钢，也可以选用不锈钢等各种等级的钢材，但应能够承受接头拼接内力、顶管顶力等荷载作用。承口连接件和插口连接件可在工厂焊接到需要拼接的钢管管节两端，运送到现场后，可在现场直接拼装，或结合顶管顶进设备进行拼接，减少了现场焊接工作产生的人工、设备成本和时间成本，具体制作方法如下：

如图3所示，沿径向方向，插口连接件3具有第一圆柱形外表面7、第一圆柱形内表面8以及第一锯齿形连接面11，这三个面的直径和与之焊接的第一钢管管节1的相同。沿轴向方向，插口连接件3具有用于连接钢管管节的插口焊接端17，以及用于连接另一钢管管节的插口端16，插口连接件3的插口焊接端17外侧切割成插口环形焊接斜面19，插口环形焊接斜面19通过焊缝20将插口连接件3的插口焊接端17连接到第一钢管管节端头18，该焊接工作可在工厂内完成。

插口连接件3具有第一锯齿形连接面11，从第一锯齿形连接面右端面14延伸到第一锯齿形连接面左端面16。从附图中可以看出，在锯齿形连接面11分布多个尺寸不同的锥形脊，从右到左尺寸逐渐减小，形成了多个环形凹平面(插口连接件第一环形凹平面25、插口连接件第二环形凹平面35、插口连接件第三环形凹平面45、插口连接件末端环形凹平面55，直径依次减小)、环形凸平面(第一插口连接件环形凸平面26、插口连接件第二环形凸平面36、插口连接件第三环形凸平面46，直径依次减小)、环形垂直面(插口连接件第一环形垂直面27、插口连接件第二环形垂直面37、插口连接件第三环形垂直面47，直径依次减小)、环形斜面(插口连接件第一环形斜面28、插口连接件第二环形斜面38、插口连接件第三环形斜面48)。

承口连接件4具有第二圆柱形外表面9、第二圆柱形内表面10以及第二锯齿形连接面12，这三个面的直径和与之焊接的第二钢管管节2的相同。承口连接件4的承口焊接端外侧切割成承口环形焊接斜面23，承口环形焊接斜面23通过焊缝24将承口连接件4的端头连接到第二钢管管节端头22，该焊接工作可在工厂内完成。

承口连接件4具有第二锯齿形连接面12，从第二锯齿形连接面左端面延伸到第二锯齿形连接面右端面。从附图中可以看出，第二在锯齿形连接面12分布多个尺寸不同的锥形脊，从左到右尺寸逐渐减小，形成了多个环形斜面(承口连接件第一环形斜面32、承口连接件第二环形斜面42、承口连接件第三环形斜面52)、环形凸平面(承口连接件起始端环形凸平面31、承口连接件第一环形凸平面41、承口连接件第二环形凸平面51、承口连接件第三环形凸平面61，直径依次减小)、环形凹平面(承口连接件第一环形凹平面33、承口连接件第二环形凹平面43、承口连接件第三环形凹平面53，直径依次减小)、环形垂直面(第一环形垂直面44、第二环形垂直面54、第三环形垂直面64，直径依次减小)。

承口连接件的锥形脊均略小于插口连接件的锥形脊，即相邻两个钢管管节之间的插口连接件和承口连接件之间形成紧配合，故需要施加一定压紧力方可完成两个连接件的连接，压紧力的施加过程，两连接件钢材均处于弹性极限范围内，当该承插式接口连接完成后，承口连接件的各锥形脊与插口连接件的锥形脊相互贴合，可保证该节点能传递一定的轴向压力、弯矩。

本管道接头拼装完成后，插口连接件3的第一锯齿形连接面11与承口连接件4的第二锯齿形连接面12各个锥形脊形成的环面应相互贴合，以保证该节点能传递一定的轴向压力、弯矩，比如，插口连接件3的插口连接件第三环形凹平面45对应贴合承口连接件4的承口连接件第一环形凸平面41，具体情况如下表所示：

表1承、插口连接件对应关系表

注：同一列的两个面代表该承插口接口对接完成后相互贴合。

由于承、插口连接件的制作过程会存在一定误差，上表中相互贴合的面之间可能会存在微小间隙，需要采取密封材料进行填充。接头对接之前，在插口连接件的锯齿形连接面和承口连接件的锯齿形连接面上均匀涂抹密封材料，比如室温硫化有机硅密封胶或其他密封材料，该密封材料在对接过程中可起到润滑作用，硬化后可起密封作用。