聚乙烯玻璃钢组合结构排水管的制作方法

本实用新型涉及一种聚乙烯玻璃钢组合结构排水管，特别涉及一种增强型结构壁塑料排水管。

背景技术：

埋地塑料排水管具有内壁光滑摩阻力小、接口严密不渗漏、耐腐蚀性能好等优点，广泛应用在排水管道工程中。目前应用较多的管材结构形式有双壁波纹管、钢带增强管、缠绕结构壁管、钢塑复合管等，从管材的材料分有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯，市政工程中应用较多的是聚乙烯PE排水管。排水管道设计中，是按照管道在正常使用极限状态下，组合荷载作用下管道最大竖向变形不超过5%的计算管径，竖向变形量与管道覆土厚度、地面荷载、管材的环刚度等参数有关。塑料管材一个主要参数就是环刚度，是管道抵抗环向变形的能力，是管材的一项主要力学指标。管材的环刚度S_P=EI/D₀³，E为材料的弹性模量，I为管壁单位长度的截面惯性矩，D₀为圆形管材计算直径。从公式可以看出，管径一定时，E和I与环刚度成正比，在材料确定后，截面惯性矩就是影响环刚度的唯一因素。截面惯性矩指截面各微元面积与各微元至截面上某一指定轴线距离二次方乘积的积分。截面惯性矩是衡量截面抗弯能力的一个几何参数，排水管材可视为一个圆环，圆环的截面惯性矩公式为：I=πD⁴-d⁴/64，D为管外径，d为管内径，增加壁厚可以提高管材的截面惯性矩，但使用的材料较多，成本增加。通过改变单一的截面形式，采用组合截面提高管材的截面惯性矩是一种有效的办法。双壁波纹管、内肋增强结构壁管、克拉管等都是通过增加波纹壁或者肋管提高管材的截面惯性矩，从而达到增强管材环刚度的目的。但这些结构壁的设置并未充分发挥增加的材料对截面惯性矩应有的作用，以聚乙烯螺旋缠绕的中空圆形结构壁克拉管为例，结构壁高度是指管道内壁至螺旋波峰的距离，螺旋结构壁缠绕时，圆形结构壁内的PP波纹管是用作内膜的，对截面惯性矩作用忽略不计，中空圆形结构壁的截面惯性矩可以等效为：结构壁的PP波纹管外裹塑料的面积，这个面积可以等效为宽为结构壁的外径，厚为面积除以宽度的矩形实心壁，矩形实心壁位于空圆形结构壁的中心中心以外的半圆面积与中心以内的半圆面积平均，以该面积乘以圆形结构壁中心到管道中心距离的平方，即为中空圆形结构壁的截面惯性矩，中空圆形结构壁是间隔螺旋缠绕的，结构壁的宽度占螺距的比例折算每延长米的圆形结构壁的截面惯性矩，才是圆形结构壁对管材环刚度起作用的截面惯性矩。从这一分析可以看出等效的圆形结构壁的塑料面积，并没有放置在发挥作用的管道最外层，因此，外壁为波纹的缠绕结构壁B型管外壁为波峰波谷的螺旋状，存在没有充分利用材料提高环刚度的缺陷。

缠绕结构壁B型管还存在一个缺陷，管道抵抗环向变形时，依靠内壁和缠绕结构壁共同抵抗变形。波谷位置的管内壁依靠塑料材料的抗弯抵抗变形，塑料书柔性材料，抗弯强度较低，抗变形能力有限，管道受力缠绕结构壁也在变形，圆形结构壁向波谷方向扩张变扁，实心肋板结构壁产生扭曲变形，螺旋缠绕的结构壁之间的波谷没有材料限制，缠绕结构壁向波谷方向的扩张力没有受到抵御，失去一定的增强作用。缠绕结构壁犹如一根弹簧缠绕在管内壁外侧，管道的抗弯仅靠管内壁的塑料抗弯强度抵抗，但塑料属于柔性材料，抗弯性能差，在受到集中力作用在管道上时，也是因为螺旋缠绕的结构壁之间没有材料限制，受力点结构壁向波谷方向位移，管材容易产生扰度变形。一根管子两头支起，自重都会产生较大的扰度变形，因此，缠绕结构壁B型管抗地基不均匀沉降能力较差。

埋地塑料排水管道是柔性管道，按照柔性管道设计理论，管土共同作用原理承担外部荷载。外部荷载主要包括土体重量和地面产生的静荷载以及车辆行驶产生的动荷载。管土共同作用是管材和周围土体回填材料共同承受外部荷载。管道基层、管道基层与管道之间的三角区、管道两侧胸腔的回填材料和压实度对管道受力状态和变形影响很大，《埋地塑料排水管道工程技术规范》CJJ143-2010，对管道的基层、基层与管道之间的三角区、管道两侧胸腔的压实度要求95%以上。塑料排水管采用土弧基层，一般采用砂石垫层，管道铺设在基层上，结构壁的波峰支撑在基层上，波谷很难填实，基层与管道之间的三角区、管道两侧胸腔即使使用夯实工具紧贴管外壁夯实，达到要求的95%以上压实度，波谷部分的回填材料也难以压实。在管道受到上部荷载作用时，管道中心位置的管壁向水平方向两侧变形，缠绕结构壁的波峰与压实土的接触面积很小，压强较大，即使回填土达到设计压实度要求，波谷没有足够的压实度，管道胸腔两侧的回填土提供不了足够的抵抗力，管道竖向变形加大。

技术实现要素：

本实用新型的目的是：提供一种聚乙烯玻璃钢组合结构排水管，克服了现有技术缠绕结构壁管存在的缺陷，优化了管材的结构壁的设置，管道内壁采用聚乙烯制作，保留了聚乙烯塑料管材的内壁光滑摩阻力小、接口电热熔连接密封性能好的优点，在影响管材环刚度大的管道外层采用俗称“玻璃钢”的玻璃纤维增强塑料，从材料的弹性模量和截面惯性矩两个方面入手提高管材的环刚度。有益效果是：管材内壁具有塑料良好的环柔性，外壁采用强度高的玻璃钢，有效提高管材的环刚度。通过合理设置管壁结构组合，保证塑料管材良好的性能的前提下，提高管材的环刚度，减低管材成本。

本实用新型是通过以下技术实现的：聚乙烯玻璃钢组合结构排水管，主要包括内壁1、外壁2、环肋3、内层4，所述的内壁1采用聚乙烯塑料制作，所述的外壁2采用玻璃钢制作，内壁1两端分别与承口5和插口6连接为一体，在承口5和插口6之间的内壁1外侧，均匀布置有环肋3，环肋3采用聚乙烯塑料制作，与内壁1熔合在一起，环肋3之间以及与承口5、插口6之间的环状凹槽内填充发泡塑料，构成内层4，内层4与环肋3的结构高度一致，外壁2设置在环肋3和内层4的外层，构成以聚乙烯为过水断面的管状基体，以玻璃钢为受力保护层的组合结构排水管。

所述的内壁1、环肋3、承口5、插口6为热塑性聚乙烯缠绕而成，切削成型环肋3、承口5、插口6。

所述的外壁2的玻璃钢为玻璃纤维无捻粗纱束浸塑缠绕固化后形成的玻璃纤维增强塑料层。外壁2玻璃纤维增强塑料层采用交叉缠绕法，纤维束缠绕与管材轴线的缠绕角为45°～85°，同一层缠绕的相邻纤维束之间平行，上一层缠绕的纤维束与下面一层缠绕方向相反，纤维束与下面一层纤维束交叉。

所述的环肋3的间距为排水管径的0.5～5倍。环肋3、承口5、插口6与外壁2相连处，设有梯形的锚固槽7。外壁2在缠绕时嵌固在锚固槽7内，使外壁2与内壁1、环肋3、承口5、插口6锚固形成一个受力整体。

具体的本实用新型是通过以下几个方面提高塑料管材的强度的。

提高管材的截面惯性矩和材料弹性模量。内壁1构成管材基本的过水断面和支撑结构壁的骨架，环肋3按照一定间距设置在承口5和插口6之间内壁1外侧，环肋3之间以及与承口5、插口6之间的环状凹槽内填充发泡塑料，构成内层4，内层4与环肋3的结构高度一致，外壁2设置在环肋3和内层4的外层，构成以聚乙烯为过水断面的管状基体，以玻璃钢为受力保护层的组合结构排水管。充分利用截面惯性矩的受力面积与中性轴距离的平方乘积的原理，在影响管材环刚度大的管道外层采用俗称“玻璃钢”的玻璃纤维增强塑料，从构造上提高了截面惯性矩，同时也增强了外侧的弹性模量。从材料的弹性模量和截面惯性矩两个方面入手提高管材的环刚度。

从管材的结构上改变受力形式。现有技术的缠绕结构壁管，管内壁以塑料的抗弯强度抵抗管材的变形。本实用新型由于增加了外壁2，内壁1的受力工况改变，管顶和管底部位，受管道上部荷载作用时，外壁2受压，内壁1受拉；管道两侧部分，外壁2受拉，内壁1受压，管材的受力形式由抗弯变为抗压和抗拉，提高了管材的抵抗变形的能力。环肋3采用聚乙烯塑料制作，与内壁1熔合在一起，外壁2在缠绕时嵌固在锚固槽7内，使外壁2与内壁1、环肋3、承口5、插口6锚固形成一个受力整体，管道在受到外力作用发生变形时，限制了受力时内壁1和外壁2之间的位移，构成一个整体圆环框架结构的组合截面，达到增强管道强度的目的。

从管道埋设管土共同作用机理减小管道的变形。本实用新型管外壁为平壁，管道沟槽回填时，紧贴管外壁分层回填压实，管道受到上部荷载作用时，管道中心向两侧变形受到回填土的限制，使得管顶的竖向力沿圆形的管道分解为管壁受压，减小了竖向变形量。

附图说明

图1为本实用新型纵剖面图；

图2为内壁外壁锚固大样图。

图中：1-内壁，2-外壁，3-支撑肋，4-内层，5-承口，6-插口，7-锚固槽，8-电热丝。

具体实施方式

本实用新型聚乙烯玻璃钢组合结构排水管，主要包括内壁1、外壁2、环肋3、内层4，内壁1采用聚乙烯塑料制作，外壁2采用玻璃钢制作，内壁1两端分别与承口5和插口6连接为一体，在承口5和插口6之间的内壁1外侧，均匀布置有环肋3，环肋3采用聚乙烯塑料制作，与内壁1熔合在一起，环肋3之间以及与承口5、插口6之间的环状凹槽内填充发泡塑料，构成内层4，内层4与环肋3的结构高度一致，外壁2设置在环肋3和内层4的外层，构成以聚乙烯为过水断面的管状基体，以玻璃钢为受力保护层的组合结构排水管。本实用新型本纵剖面图见图1，一根管材定尺长度一般6～10m，图1中间管段相同部分截断省略。

本实用新型的内壁1、环肋3、承口5、插口6材料为热塑性聚乙烯，采用热塑缠绕工艺制作，内壁1构成管材基本的过水断面和支撑结构壁的骨架，先在制管设备的内膜上采用聚乙烯热塑缠绕内壁1的平壁，管材的两端缠绕制作承口5和插口6，两端的承插口与内壁1连为一体，在承口5和插口6之间的内壁1外侧，均匀布置有环肋3，环肋3也是缠绕成型，环肋3的间距为排水管径的0.5～5倍。管基缠好后，切削加工出环肋3、承口5、插口6，在与外壁2相连处，切削处梯形的锚固槽7。

在环肋3之间以及与承口5、插口6之间的环状凹槽内填充发泡塑料，填充时以环肋3的顶部为基准，在环肋3的周围采用硬质发泡塑料填充构成内层4，发泡时模具旋转，制管设备上的刮板借助环肋3的支撑，发泡塑料为聚氨酯化学发泡。在发泡塑料固化前刮平填充的聚氨酯，发泡聚氨酯固化后形成内层4，内层4的顶面与环肋3平齐，内层4与环肋3的结构高度一致。

在环肋3和内层4的外侧缠绕外壁2，外壁2采用玻璃纤维无捻粗纱束浸塑缠绕，采用交叉缠绕法。玻璃纤维无捻粗纱根据缠绕工艺分成10～50卷，甚至更多卷。每一卷的玻璃纤维无捻粗纱由许多根单丝玻璃纤维组成一束。所有卷的纤维束进入浸塑槽，玻璃纤维浸塑可以是聚酯树脂，也可以是环氧树脂，也可以是熔化的聚乙烯，本实用新型优选熔化的聚乙烯作为浸塑材料，但应控制好聚乙烯熔化的温度。浸过塑的玻璃纤维从浸塑槽牵引至待缠绕的管材的内层4外侧，制管机的导丝头先将浸塑纤维束集中成一股，缠绕在承口5一端的锚固槽7内，浸塑纤维嵌固在梯形的锚固槽7内。锚固槽7内缠满后，制管机的导丝头再将浸塑纤维束平铺开，在承口5处内层4外侧缠绕一圈，然后导丝头引导浸塑纤维束向插口6方向移动，移动的速度与制管机内膜旋转速度保持一定的速比，浸塑纤维束与管材轴线的呈45°～85°的缠绕角螺旋状缠绕，缠绕角与纤维束平铺宽度和导丝头速比有关。第一层浸塑纤维束缠至环肋3时，导丝头再次将浸塑纤维束集中成一股，缠绕在环肋3的锚固槽7内，浸塑纤维嵌固在梯形的锚固槽7内，然后再平铺浸塑纤维束螺旋缠绕，最后缠至插口6处，导丝头再次将浸塑纤维束集中成一股，绕在插口6的锚固槽7内，浸塑纤维嵌固在梯形的锚固槽7内。第一层缠完，导丝头引导浸塑纤维束向反方向螺旋缠绕，以此往返多层直至达到要求的厚度。同一层缠绕的相邻纤维束之间平行，螺旋缠绕的浸塑纤维束每一圈之间相接但不重叠。上一层缠绕的纤维束与下面一层缠绕方向相反，纤维束与下面一层纤维束交叉。浸塑纤维固化后形成高强度的玻璃纤维增强塑料外壁2，并且与嵌入锚在固槽7的浸塑纤维也结合成整体，使外壁2与内壁1、环肋3、承口5、插口6锚固形成一个受力整体，内壁外壁锚固大样图见图2。外壁2固化后，整根管材脱模，在承口5内侧安装电热丝8。

本申请的实施方式和附图仅是本实用新型的实施例，凡是在内壁为聚乙烯外侧为浸塑玻璃纤维缠绕的组合结构塑料排水管，均在本申请的保护范围内。