[发明专利]一种塑料复合管道抗外压失稳管件结构及其安装方法

说明书

本发明公开了一种塑料复合管道抗外压失稳管件结构及其安装方法，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，卡箍安装于塑料复合管道的筒体外侧，用于增加塑料复合管道的环刚度，本发明还包括卡箍的具体安装方法，即通过计算确定卡箍之间中心距。计算过程如下：单段管道长度为Ls，根据如下公式计算n：n=[Ls/Δ]，[]表示向上圆整，基于计算得出的n，确定单段管道上安装卡箍所需的数量为n‑1个，卡箍之间中心距为Ls/n。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，通过理论与试验相结合的方法确定卡箍中心距，解决塑料复合管道的卡箍安装数量及位置确定问题。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。

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：