一种双向增强电熔管件及其安装方法

1.本发明涉及热塑性塑料电熔管件领域，具体涉及一种双向增强电熔管件及其安装方法。


背景技术：

2.在塑料管道的连接技术中，电熔焊接具备设备投资相对较低、维修费用相对较低、操作方便、焊口可靠性高等优点，是目前较为常用的管道连接技术。电熔管件焊接的工作原理是将电熔焊机与电熔关键的接线柱相连，利用电熔管件内的电阻丝通电时产生的热量及膨胀力将管材的外壁面与电熔管件熔融连接在一起。随着塑料及其复合管道不断朝着高压方向发展，管道的整体的承压能力亟需提高。据美国ppdcc(plastic pipe database committee)对管道系统失效原因的分析，约53%的管道失效发生在管件处。
3.经发明人团队研究发现，聚乙烯电熔接头服役过程中主要承受内压、轴向力，在该工况下，根据位置接头失效模式可以分为一下三类：电熔套筒失效、熔接区失效以及端部管材失效。进一步细分的话，电熔套筒失效可以分为沿电熔套筒壁贯穿裂纹失效和电熔套筒强度失效；其中沿电熔套筒壁贯穿裂纹失效的主要由聚乙烯材料的慢速裂纹扩展引起的，裂纹扩展的角度与轴向夹角集中在70~75
°
。熔接区失效可以分为拔脱失效和泄漏失效；其中拔脱失效是指管材从电熔套筒中沿轴向拔脱出来而引起的失效，泄漏失效多是由于焊接时存在冷焊、夹氧化皮等缺陷所致。端部管材失效可以分为接头端部鼓胀失效和管材强度失效；其中接头端部鼓胀失效是针对于rtp管电熔接头，经过长时间承载后，管材在接头附近出现鼓胀变形、破裂的失效形式。
4.目前，为了提高电熔管件的结构强度，主要采用以下两种方式：在电熔管件内置钢材增强层和在电熔管件中设置纤维增强层，但是均存在一些难以克服的缺点。如中国专利申请“一种钢丝焊接增强型电熔管件”（cn 215258475u）中增强材料金属钢是极性材料，而基体材料聚乙烯和聚丙烯等塑料基体大多是非极性材料，虽然通过钢丝替代钢板增强，一定程度上提高了增强材料和基体材料的粘结效果，但是依旧容易产生界面失效，导致两种材料无法协同承载，降低了内置钢材的电熔管件的增强效果，同时该电熔管件加工工艺复杂，制造成本较高，难以推广应用。再如中国专利申请“一种纤维增强型电熔管件”（cn 202302521u）中电熔管件外壁缠绕增强纤维，可以提高管件的承压能力，同时操作简单、生产成本较低，但是难以达到高压管件的输送要求；以及中国专利申请“一种中高压内衬纤维浸制pe复合增强电熔管件”（cn 203671067u）中电熔管件嵌入纤维增强层，既增加整体性也增加了管件的承压能力提高了中高压管材的可靠性，但是仍存在制造工艺复杂、成本过高等问题。除此之外，如中国专利申请“一种纤维增强电熔法兰接头”（cn 214466942u）在一定程度上解决了上述的难题，但是在该纤维增强电熔法兰接头无法防止整体熔焊区的环向膨胀。
5.因此，需要设计一种双向增强电熔管件，实现电熔接头的环向和径向的双向增强，防止端部鼓胀失效，有效地提升电熔接头的可靠性。


技术实现要素：

6.本发明需要解决的问题是，为了克服现有技术中的不足，针对热塑性塑料电熔管件领域，提供一种新型双向增强电熔管件及其安装方法。
7.为解决上述技术问题，本发明提供的解决方案为：本发明提供一种双向增强电熔管件，其特征在于，包括：管件本体和双向增强件；管件本体具有适用于接纳管道的中空部，管件本体内壁设有用于电熔焊接的电阻丝，管件本体的两端分别设有至少一个接线柱，两个接线柱分别连接至电阻丝两端，用于导通焊接电流进行电熔焊接；管件本体的沿径向方向上形成管件中部和位于两侧的两个管件承压部，管件中部具有不小于管件承压部的壁厚，管件承压部沿径向方向上靠近管件中部的一侧具有大于管件本体两端部的厚度；双向增强件具有压紧部与夹紧装置，压紧部具有与管件承压部外表面相适配的内表面；夹紧装置用于在夹紧时，使得双向增强件对管件本体在轴向和径向两个方向上施加压力。
8.另外，本发明的双向增强电熔管件还可以具有以下特征：根据本发明的一个实施例，管件承压部的外表面为斜面，且斜面与对应管件本体的内壁表面之间形成的斜面角度为5
°
~30
°
；管件中部的外表面为平面，且平面的长度不超过双边内冷焊区长度的两倍。
9.根据本发明的一个实施例，接线柱分别内嵌式地设置于管件本体的两个侧端面。
10.根据本发明的一个实施例，当电熔管件的公称直径小于等于150mm时，斜面角度小于10
°
；当电熔管件的公称直径大于150mm时，斜面角度大于等于10
°
。
11.根据本发明的一个实施例，管件中部的厚度不小于与电熔管件适配的管道的厚度。
12.根据本发明的一个实施例，双向增强件为一对锥形钢法兰，分别具有法兰部和压紧部，其中法兰部设有多个用于与夹紧装置适配的通孔。
13.根据本发明的一个实施例，夹紧装置为螺栓螺母套件，包括螺栓、螺母和垫片，夹紧装置夹紧后，双向增强件的两个法兰部之间的距离不小于3mm。
14.根据本发明的一个实施例，管件本体与双向增强件通过斜面定位配合，夹紧装置通过螺栓和螺母来调节管件本体与双向增强件之间压紧力的大小。
15.根据本发明的一个实施例，压紧部上设有凸部，管件承压部上设有凹部，凸部与凹部的形状相适配。
16.本发明还提供一种双向增强电熔管件的安装方法，包括以下步骤：将电熔管件的管件本体与双向增强件配合，并将夹紧装置夹紧，从而使得双向增强件对管件本体在轴向和径向两个方向上施加压力；将待连接的管道对称布置于电熔管件中，将接线柱与电熔焊机相连；通电加热预定时间，使电熔管件内置的电阻丝温度升高，从而使管道和电熔管件融合连接，并冷却一定时间后完成安装。
17.本发明中通过优化电熔管件结构，采用了一种新型的复合结构来实现对聚乙烯管
道接头的增强。由于锥形钢法兰的锥面存在一定的斜度，可以提供垂直于锥面的压紧力，因此双向增强电熔管件可以对管道接头同时实现环向加强和轴向加强，起到防止端部鼓胀失效的作用。根据本课题组的相关研究可知，聚乙烯管道裂纹扩展主要集中在70~75
°
，因此设计的锥形钢法兰斜面角度在5~30
°
可以有效地抑制裂纹的扩展，进一步提高电熔管件的强度。双向增强电熔管件与锥形钢法兰的连接方式，使得双向增强电熔管件可拆分，制造成本低，互换性强。双向增强电熔管件与锥形钢法兰的配合形式，使新型双向增强电熔管件可以避免钢制法兰与管道直接接触，管道整体可以实现全塑连接，密封性能好，可靠性高。 双向增强电熔管件的使用过程：先通过机械连接的方式连接双向增强电熔管件和锥形钢法兰，再通过电熔焊接连接聚乙烯管道；该方式可以有效地降低管道接头处的应力。
18.与现有技术相比，本发明具有的有益效果：（1）本发明电熔管件由管件本体与双向增强件组成，二者由斜面定位，通过夹紧装置使接触面压紧从而实现连接，因此管件本体和双向增强件可拆分，制造成本低，互换性强。（2）本发明通过双向增强件的斜面压紧作用可以同时环向加强和轴向加强，可以起到防端部失效的作用；同时该斜面提供的压紧力方向可以有效的抑制裂纹的扩展。（3）本发明电熔管件结构中，双向增强件与管道无直接接触，管道全塑连接，密封性能好；同时可适用于聚乙烯管道和增强聚乙烯复合管连接。（4）本发明电熔管件的连接顺序为：先装配好管件本体与双向增强件，再对管道进行电熔焊接，该连接顺序可以有效地降低管道的应力。
附图说明
19.图1为本发明中双向增强电熔管件示意图。
20.附图标记：101 双向增强件，102，103 夹紧装置，104管件本体，105管道。
21.图2为本发明专利中管件本体示意图。
22.附图标记：201接线柱，202管件承压部，203管件中部。
23.图3为本发明专利中双向增强件示意图。
24.附图标记：301通孔，302压紧部。
具体实施方式
25.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。
26.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“优选实施例”、“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。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.此外，本发明实施例中所使用的“第一”、“第二”等术语，仅用于描述目的，而不可以理解为指示或者暗示相对重要性，或者隐含指明本实施例中所指示的技术特征数量。由此，本发明实施例中限定有“第一”、“第二”等术语的特征，可以明确或者隐含地表示该实施例中包括至少一个该特征。在本发明的描述中，词语“多个”的含义是至少两个或者两个及以上，例如两个、三个、四个等，除非实施例中另有明确具体的限定。
29.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。
30.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
31.如图1所示，一种双向增强电熔管件，包括：管件本体（104）和双向增强件（101）。
32.所述管件本体（104）具有适用于接纳管道（105）的中空部，所述管件本体（104）内壁设有用于电熔焊接的电阻丝，所述管件本体（104）的两端分别设有至少一个接线柱（201），所述两个接线柱（201）分别连接至电阻丝两端，用于导通焊接电流进行电熔焊接。
33.所述管件本体（104）的沿径向方向上形成管件中部（203）和位于两侧的两个管件承压部（202），所述管件中部（203）具有不小于所述管件承压部（202）的壁厚，所述管件承压部（202）沿径向方向上靠近所述管件中部（203）的一侧具有大于所述管件本体（104）两端部的厚度。
34.在本发明实施例中，所述管件本体（104）和所述管道（105）可以采用聚乙烯和聚丙烯等塑料材料，也可以采用高密度聚乙烯（hdpe），例如pe100等材料。此外，增强复合材料也是可选的，例如钢丝增强聚乙烯复合材料或玻璃纤维增强聚乙烯复合材料、碳纤维增强聚乙烯复合材料等。优选的，所述管件本体（104）和所述管道（105）可以采用相同的材料，也可以采用不同的材料。
35.所述双向增强件具有压紧部（302）与夹紧装置（102,103），所述压紧部（302）具有与所述管件承压部（202）外表面相适配的内表面。
36.所述夹紧装置（102,103）用于在夹紧时，使得所述双向增强件（101）对所述管件本体（104）在轴向和径向两个方向上施加压力。
37.在本发明实施例中，所述双向增强件优选采用锥形钢法兰，所述夹紧装置（102,103）为螺栓结构。此外，其他金属或非金属材料构成的增强件也是可选的，例如不锈钢法兰、铜质法兰或pvc法兰等；夹紧装置也可以采用焊接、铆接或卡扣等其他方式夹紧连接。
38.在本发明的一个具体的实施方式中，所述管件承压部（202）的外表面为斜面，且所述斜面与对应所述管件本体（104）的内壁表面之间形成的斜面角度为5
°
~30
°
；所述管件中
部（203）的外表面为平面，且所述平面的长度不超过双边内冷焊区长度的两倍。
39.在本发明的一个具体的实施方式中，所述接线柱（201）分别内嵌式地设置于所述管件本体（104）的两个侧端面。
40.在本发明的一个具体的实施方式中，当所述电熔管件的公称直径小于等于150mm时，所述斜面角度小于10
°
；当所述电熔管件的公称直径大于150mm时，所述斜面角度大于等于10
°
。
41.在本发明的一个具体的实施方式中，所述管件中部（203）的厚度不小于与所述电熔管件适配的管道（105）的厚度。
42.在本发明的一个具体的实施方式中，所述双向增强件（101）为两个锥形钢法兰，分别具有法兰部和所述压紧部（302），其中所述法兰部设有多个用于与夹紧装置（102,103）适配的通孔（301）。
43.在本发明的一个具体的实施方式中，所述夹紧装置（102,103）为螺栓螺母套件，包括螺栓（103）、螺母（102）和垫片，所述夹紧装置（102,103）夹紧后，所述双向增强件（101）的两个法兰部之间的距离不小于3mm。
44.在本发明的一个具体的实施方式中，所述管件本体（104）与双向增强件（101）通过斜面定位配合，所述夹紧装置（102,103）通过所述螺栓（103）和螺母（102）来调节所述管件本体（104）与双向增强件（101）之间压紧力的大小。
45.在本发明的一个具体的实施方式中，所述压紧部（302）上设有凸部，所述管件承压部（202）上设有凹部，所述凸部与所述凹部的形状相适配。
46.在本发明的一个具体的实施方式中，本发明的双向增强电熔管件具体的安装使用过程为：将所述电熔管件的管件本体（104）与所述双向增强件（101）配合，并将所述夹紧装置（102,103）夹紧，从而使得所述双向增强件（101）对所述管件本体（104）在轴向和径向两个方向上施加压力；将待连接的管道（105）对称布置于所述电熔管件中，将所述接线柱与电熔焊机相连；通电加热预定时间，使所述电熔管件内置的所述电阻丝温度升高，从而使所述管道（105）和电熔管件融合连接，并冷却一定时间后完成安装。
47.如图2所示，在本发明的一个具体的实施方式中，管件本体（104）可通过注塑工艺加工制造而成；接线柱（201）起着接电加热管道的作用； 管件承压部（202）倾斜角度在5
°
~30
°
之间，可以有效地抑制聚乙烯管道的裂纹扩展。
48.如图3所示，所述双向增强件为锥形钢法兰，可通过铸造工艺加工制造而成：分别具有法兰部和所述压紧部（302），其中所述法兰部设有多个用于与夹紧装置适配的通孔（301），压紧部（302）倾斜角度与管件承压部（202）的倾斜角度相同，起着与管件本体（104）配合定位的作用，同时起到径向与轴向双向增强电熔管件的作用。
49.具体实施例一：现有燃气聚乙烯管道尺寸为dn90，材料为pe100，公称压力为0.6 mpa，公称壁厚为en为5.5
+1.5 mm。采用相应的塑料电熔管件进行电熔焊接，按已有的设计规范塑料电熔管件的尺寸为公称直径de90，外径为110 mm，管件长度为135 mm，采用与管道相同的材料，其公称压力为1.6 mpa。若按本发明专利中的结构设计，双向增强电熔管件的斜面角度为8
°
，公称直径de90，每个锥面的长度为43.1 mm，中间平面长度为30 mm，平面处的
环向尺寸为φ102 mm，锥形钢法兰(ansi 300rf)的公称通径dg100，外径d 254 mm，螺栓孔中心圆直径d1200 mm，内径φ102 mm。
50.具体的安装使用过程为：首先，将斜面角度8
°
且公称直径de90的双向增强电熔管件的两端锥面分别与两个锥形钢法兰配合，通过法兰螺栓孔连接螺栓，并拧紧固定，保证两法兰的间距在5 mm；接下来，将两端待连接的dn90塑料管道对称布置于该电熔管件中，将接线柱与电熔焊机相连；最后，通电加热，电熔管件内置的铜丝温度升高，周围的塑料材料熔化，由塑料焊管自身的热胀效应，使塑料管道和电熔管件融合在一起，冷却一定时间后即可。
51.具体实施例二：现有给水钢丝增强聚乙烯复合管尺寸为dn200，公称压力为2.0 mpa，公称壁厚为en为10.5
+2.0 mm。具体结构由内到外为内层pe100—专用热熔胶—缠绕钢丝网—专用热熔胶—外层pe100，钢丝直径为0.5 mm，缠绕角度为55
°
，缠绕方向左旋+右旋，断面钢丝条数为115。采用相应的钢骨架塑料复合电熔管件进行电熔焊接，按已有的设计规范塑料电熔管件（内部嵌有厚度为0.6 mm的钢板）的尺寸为公称直径de200，外径为250 mm，管件长度为230 mm，公称压力为3.5 mpa，具体结构为pe100，且内嵌有长为80mm厚为0.6mm的钢板。若按本发明专利中的结构设计，双向增强电熔管件的斜面角度为10
°
，公称直径de200，锥面的长度为60.5 mm，中间平面长度为40 mm，平面处的环向尺寸为φ221 mm，锥形钢法兰(ansi 900rf)的公称通径dg200，外径d445 mm，螺栓孔中心圆直径d1387 mm，内径φ221 mm。
52.具体的安装使用过程为：首先，将斜面角度10
°
且公称直径de200的双向增强电熔管件的两端锥面分别与两个锥形钢法兰配合，通过法兰螺栓孔连接螺栓，并拧紧固定，保证两法兰的间距在6 mm；接下来，将两端待连接的塑料管道对称布置于该电熔管件中，将接线柱与电熔焊机相连；最后，通电加热，电熔管件内置的铜丝温度升高，周围的塑料材料熔化，由塑料焊管自身的热胀效应，使塑料管道和电熔管件融合在一起，冷却一定时间后即可。
53.具体实例三：某核电厂设计寿命为60年，布置在综合管廊内的sws系统管道材料选用的是高密度聚乙烯管材，采用的hdpe管道单根长为12m，公称直径dn750，外径为762 mm, 壁厚约为84.6mm，其公称压力为2mpa。采用相应的塑料电熔管件进行电熔焊接，按已有的设计规范塑料电熔管件的尺寸为公称直径de750，外径为880 mm，管件长度为450 mm，采用与管道相同的材料，其公称压力为3.5mpa。若按本发明专利中的结构设计，双向增强电熔管件的斜面角度为15
°
，公称直径de750，锥面的长度为174 mm，中间平面长度为60 mm，平面处的环向尺寸为φ840 mm，锥形钢法兰的公称通径dg750，外径d1500 mm，螺栓孔中心圆直径d11350 mm，内径φ840 mm。
54.具体的安装使用过程为：首先，将斜面角度15
°
且公称直径de750的双向增强电熔管件的两端锥面分别与两个锥形钢法兰配合，通过法兰螺栓孔连接螺栓，并拧紧固定，保证两法兰的间距在8 mm；接下来，将两端待连接的塑料管道对称布置于该电熔管件中，将接线柱与电熔焊机相连；最后，通电加热，电熔管件内置的铜丝温度升高，周围的塑料材料熔化，由塑料焊管自身的热胀效应，使塑料管道和电熔管件融合在一起，冷却一定时间后即可。
55.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。