專利名稱:套管接頭及其制造方法
本發明涉及一種用于由塑性材料包復的絕緣管道的套管接頭，特別適用于分區供暖系統，所述的套管接頭包括一個塑性材料連接套管，該套管覆蓋住管道的連接部位，搭接在被連接的相鄰管道的外皮的終端上，通過一條塑性材料的角焊縫將套管的各端固定并焊接在被覆蓋的管道外皮上，管道外皮、套管和焊縫的材料最好是聚乙烯。
本發明還涉及這種套管接頭的制造方法。
預制的由塑性材料包復的管道經常被用于分區供暖系統。當鋪設分區供暖管道時，預制的管道被一段段地接起來，其后，管道接頭處通過密封形成永久性的，不透水的、絕緣的連接，該連接能經受得住工作狀態及載荷。
對于中、小直徑的管道，一般使用一種標準的套管接頭來密封接合處。套管搭接在管道外皮的終端上，將兩管道的外皮的終端連接起來。套管端與管道外皮之間的密封是通過把能冷縮的套乘熱脹時套上的方法來實現的。
但是，在涉及大直徑管道和較高機械應力時，這種標準套管接頭不能滿足要求。因為很難在一種適當方式里提供這種熱套過程所需要的熱量，于是接頭易于開裂、滲漏，從而導致管道線的損壞。
另一種方法是在大直徑管道的場合下，連接套管的焊接采用V型對接焊接，此時連接套管的外徑與管道外皮的外徑相等。
還使用一種所謂“瑞典接頭”，這是一種套管接頭，通過中間加熱的焊接材料把搭接的套管端與位于下面的管道外皮終端焊接在一起，焊接時需用電加熱裝置和增壓裝置。
一種建議的作法是把套管接頭的套管端與管道外皮的外表層通過熔化連接在一起，這時套管內徑與管道外皮的外徑相等。熔化的熱量來自一個圍繞連接部位的加熱環，但這種作法還沒有被證明是成功的。
還有一種建議概括地說就是通過角焊縫將套管接頭的搭接套管端焊封。角焊縫代替了那種熱脹冷縮套。然而到目前為止還沒有一種實際的關于如何制作這種角焊縫的建議，也沒有關于現場使用經驗的討論。
本發明的目的之一是提供一種改進了的套管接頭，它包括角焊縫特別適用于大口徑管道和要求接頭堅固的場合。
本發明的目的之二是提供這種改進的套管接頭的制造方法，它適合于現場使用。
按照本發明，上述目的是通過具有權利要求
書中所描述的特征的套管接頭及其制造方法來實現的。
本發明的第一個重要的特征是，套管接頭包括一個尺寸加大了的套管，其內徑大于被覆蓋的管道的外徑，兩者之間形成一個輪廓分明的環形縫隙。為了使管道外皮的中心對準套管的中心，在所述的縫隙中在套管各端附近裝有隔離件，使套管各端與被覆蓋的管道外皮之間一圈全保持預定的間距。換句話說就是縫隙間距完全被控制。
為獲得均勻和牢固的焊縫及接頭，很重要的一點是在焊接過程中，縫隙間距要保持穩定不變，因那時較高的溫度會引起塑性材料變軟而容易變形。因此制造所述的隔離件的材料應使其在所用的焊接溫度下尺寸保持穩定。
隔離件在縫隙里的位置也很重要，它應能支撐緊靠縫隙開口的套管端，以防止被加熱了的套管端朝管道外皮下陷，下陷意味著縫隙開口處的縫隙間距被改變。最好是使隔離件在由套管端面的下緣或內緣確定的縫隙開口的稍微朝里的地方終止。這意味著焊接材料能至少稍微滲入到隔離件前面的縫隙中，使此處的焊接更牢。
所述的隔離件應至少大體上填滿縫隙的一圈，換句話說，在縫隙開口稍微朝里的地方縫隙應至少大體上被填塞。
隔離件最好由木材或類似材料制成，并且呈扁平帶狀，以易于被側著通過縫隙開口插入縫隙中。當然其厚度應等于所需要的縫隙間距，在大多數情況下此厚度應不變。
隔離件朝向縫隙開口的一端應成園形，這樣就不會產生會成為焊縫開裂點的尖角或鋒利邊緣。
本發明另一個重要特征是在管道外皮上在套管各端附近至少緊靠縫隙的外面開有一環形槽。每條焊縫注滿與其相關的槽和緊接著的縫隙開口并且至少要覆蓋住與其相關的套管端面的大部分，最好能覆蓋住整個套管端面及鄰接該端面的一部分套管外表面。在這種最佳實施例中，焊縫的外部或上部具有一般呈凸形的截面，緊接下來的截面一般呈斜坡形，該斜坡最后在槽外緣的外面終止在管道外皮上。
最好在焊接之前開槽，或至少要使槽底與槽壁在焊接前沒有被氧化。
但槽也可以在制作管道時被開好，然后采取防止氧化的措施，到焊接前再把它們除去。
該槽，特別是與注滿了焊縫的輪廓分明的縫隙開口一起，使接頭強度顯著增加。
槽的內緣開在套管端面的下緣或內緣之內但最好在隔離件外端之外是一種適宜的形式。一般地說，槽的內緣，套管端面的下緣，及隔離件的外端都應位于同一段范圍之內。
然而，槽也可以向縫隙內顯著延伸，事實上，它可以沿著整個被覆蓋的管道外皮延伸，這樣的槽最好被開在管道的制作階段。這種伸長了的槽意味著隔離件將座落在槽內，從而能使用內外徑都較小的套管。
槽在縫隙外面的寬度至少應大致等于套管管壁的厚度。槽的深度及縫隙的間距應與套管的厚度相適應。但是槽深不應小于0.5mm，標準深度在大約2mm和3mm之間。縫隙間距，或換句話說隔離件的厚度，不應小于2mm，標準間距在大約3mm和4mm之間。
本發明進一步的特征是套管端面從上至下向縫隙內傾斜，換句話說套管端面被切去下部。這種作法能進一步增加焊接強度，特別是在縫隙開口部位。套管端面的表面形狀并不很重要，它可以是一般平面，套管端面與套管外表面的角度一般在大約60°和70°之間。
套管端面的底切工序最好在即將焊接前進行，以防止套管端面在焊接前發生有害的氧化。也可以在更早一些時間進行，但那時需要采用可除去的防氧化措施，當然也可用另外的切削方式，如果認為除去氧化層并不費力。
通常，管道與套管最常見的形狀是圓形，這時，名詞“內尺寸”意味著內圓直徑，“外尺寸”意味著外圓直徑。但也可以有另外的形狀，例如橢園形，這種形狀的管道具有同樣的外皮并且一個套管中有兩個管道。在這種情況下隔離件就變得更加重要，以便于在加熱焊接時控制縫隙間距。
焊接過程最好是一個熱壓過程，下面將給出進一步的解釋。
本發明還包括了一種制造上述套管接頭的方法，該方法包括使用一個塑性材料連接套管覆蓋住管道的連接部位，使套管搭接在被連接的相鄰管道的塑性材料外皮的終端上，通過焊塑性材料在套管各端面處形成一條角焊縫，將套管各端固定并焊接在被覆蓋的管道外皮上。其基本特征如下a).使用一個尺寸加大了的套管，套管內徑大于與其相關的被覆蓋的管道外皮的外徑，兩者之間形成一個輪廓分明的縫隙;
b).在兩個環形的縫隙開口處將抗熱的隔離件插入所述的縫隙中，以保證在焊接角焊縫時套管各端附近預定的縫隙間距維持不變;
c).在所涉及的兩個管道外皮的每一個上開出一個環形槽，當套管被裝配好時槽位于至少緊靠所述縫隙開口的外面;
d).加熱焊接部位;
e).把熔化了的焊接材料擠壓到加熱了的焊接部位，使焊接材料注滿此處的槽和縫隙開口，并至少覆蓋套管端面的大部分，從而得到角焊縫，最好每條角焊縫能把與其相關的整個套管端面及鄰接該端面的一部分套管外表面和鄰接槽的一部分管道外皮表面都覆蓋起來。
關于特征a)，由于套管內徑比管道外皮的外徑大，可容易地沿著管道外皮移動，所以可方便地將套管套在適當的位置。當然我們可以使用無縫的或連續的套管，但也可以使用有縫套管，開縫處可在完成了套管端的焊接工作后再焊接起來。
關于特征b)，最好是使用具有抗熱性能的材料(如木材)制作的、呈扁平帶狀的隔離件，其厚度與預定的縫隙間距相當，長度與縫隙的周長相當，因此該隔離件可通過縫隙開口壓入縫隙并封閉縫隙。換句話說，隔離件沒有必要被制成閉環形，因此不必在管道連接前用力把它套上管道。
關于特征c)，可使用適當的工具來開槽，例如切削工具。如前面所述，開槽的工作最好是在臨近焊接前的期間進行，這樣將不會有因槽表面的氧化而帶來的不利影響。
關于特征d)，一個優越性很大的加熱方法是把熱空氣吹送到焊接部位，此方法便于現場使用，并且容易通過常用的熱吹風機來控制。對空氣溫度應當加以控制，使得焊接部位-槽、套管端面及其附近-被加熱到它們的焊接或熔化溫度，不僅使其表面，而且使其一定的深度之處也應達到該溫度，此深度通常是幾毫米。當管道外皮與套管使用聚乙烯制作時，溫度通常被控制在大約200-250℃之間。這意味著尖角和鋒利邊緣將變成園形，從而減小應力集中與開裂的危險性。
因為在著手焊接前具有均勻的和可控制的溫度是很重要的，并且因為這是一種現場使用方法從而可能遇到各種天氣狀況，所以一個具有優越性的措施是在上述的最終加熱之前先對焊接部位進行預熱。它可以補償不同的天氣引起的差異并使最終加熱更精確。預熱最好也使用把加熱了的空氣吹送到焊接部位的方法。合適的預熱溫度是大約等于但小于焊接材料的熔化溫度，一般預熱溫度大約是100℃，而焊接材料的熔化溫度大約是120℃。
應當指出，用可以調節的噴嘴可以很容易地控制熱空氣的吹送。
關于步驟e)，最好把熔化的焊接材料擠壓到一個可移動的焊接模具中，它可以在套管上表面上及槽外的管道外皮表面上滑動。該焊接模具內有一空腔以確定擠壓出的焊縫的外形輪廓。該焊接模具與適合于供給焊接材料的設備，適合于加熱的設備一起成一體地沿著整個一圈的焊接部位轉動，這一點在下面對一個實現本發明方法的設備的描述中將變得更加清楚。
上述可滑動的焊接模具的使用意味著該模具能被設計得使其前端與套管外表面和槽外管道外皮表面的接觸能除去受熱后變軟了的表面層，于是可除去任何有害的氧化物，使套管和管道外皮與擠壓出的焊接材料之間有更好的連接。
如前面所述，本發明的進一步的特征是，這種方法包括切削或機械加工套管端面，它能提供合適的底切和/或除去任何有害的氧化物。這種切削很容易進行，在焊接前用手動工具即可完成。
下面參照附圖通過一個實施例進一步說明本發明。
附圖圖面說明圖1是本發明所述套管接頭的縱剖面局部示意圖，同時也顯示了焊接模具的一般應用方式。
圖2是與圖1相似的縱剖面局部示意圖，顯示了根據本發明得到的角焊縫。
圖3是一個橫剖面示意圖，顯示了根據本發明制作角焊縫的擠壓焊接方式。
圖4是一個側視示意圖，顯示了一個實現本發明方法的設備的基本特征。
圖5是圖4所示設備的俯視示意圖。
圖6是根據本發明所使用的一個焊接模具的透視示意圖。
在圖1與圖2中，一個尺寸加大了的園筒形套管1搭接在園筒形管道外皮3上面，兩者之間形成一環形縫隙5。一條扁平硬木隔離件7位于緊靠縫隙開口9但在其內的地方。隔離件7的厚度不變，等于縫隙間距a。隔離件7的外端11呈園形。隔離件7是連續的并且延伸整個一圈形成一隔離環。于是在縫隙開口稍微朝里之處縫隙5的一圈被封住，隔離件7可以很容易地通過縫隙開口9被側著插入縫隙5中。
在緊靠縫隙開口9的外面一條環形槽13被開在管道外皮3的外表面15上，其寬度約等于套管管壁的厚度。槽13的內緣17位于套管端面21下緣19的里面，隔離件外端11的外面。套管端面21是平的并從上至下向內傾斜，端面21與套管1的外表面23之間的夾角α在大約70°-75°之間。
管道外皮3與套管1由聚乙烯制成，而位于下面的絕緣層25由聚氨酯制成。
圖1顯示了加熱及焊接前的狀態，也顯示了焊接模具27的標準位置，焊接模具27用于角焊縫的擠壓(參見圖2)。圖1顯示了焊接模具27的前端，其內部的形狀如虛線31所示。模具27可在套管外表面23及管道外皮15上滑動以確定焊縫29的外形。模具27的前端上緣33與其前端下緣35設計得可以分別刮擦位于下面的表面23與15，因而可除去薄薄的氧化了的有損焊接質量的外表面層。槽13和端面21的切削最好能使它們在進行焊接時還沒有發生氧化，這一點是不言自明的。
焊接之前，即把熔化了的聚乙烯焊接材料通過模具27的上方開口37注入之前，焊接部位已被加熱，這一點將在后面說明。由于被加熱的原因，套管1與外皮3的焊接部位上的尖角和鋒利邊緣都由于熔化而變園，它們包括邊緣17和19，套管端面21的外緣39，槽13的外緣18。因為隔離件7的外端11也是園的，于是在整個焊縫29內就不存在有可能引起應力集中或裂縫的地方，從圖2中可清楚地看出這一點。
現參照圖2說明焊縫29，焊接材料滲入并充滿槽13和縫隙開口9，加上上述的“變圓”，使得焊縫，特別是焊縫的根部，具有很高的強度。焊接材料覆蓋住整個端面21，套管外表面23的一部分41，及槽13外面的管道外皮表面15的一部分43。焊縫截面的上部或外部45為凸形，而下部或內部47為斜坡形。
圖3顯示了本發明加熱與焊接的最佳基本特征。圖3可以被認為是沿圖1中Ⅲ-Ⅲ線的橫剖面圖，添加了一定的裝置。
參照圖3，一個繞管道轉動的裝置可自動地進行加熱與焊接，管道包括內部的鋼管51，絕緣層25與外皮3。當然，在加熱和焊接之前槽13和斜端面21已被切削好，套管1和隔離件7已被裝配在適當的位置。
該裝置包括一個環形架53，它環繞管道外周并且其上有輪子55可在外皮3的表面15上滾動，至少有一個輪子55被驅動，使環形架53繞管道旋轉。當然環形架53可以打開以便在需要時將其環繞管道安裝或從管道上取下來。
一個焊接車(圖3中未顯示)被安置在環形架53上并隨其轉動。該車攜帶了擠壓焊接設備，包括焊接模具27。一個形狀如第一熱風吹送器57的加熱器及一個形狀如第二熱風吹送器59的預熱器也裝在此焊接車內或直接裝在環形架53上(圖中未顯示)。旋轉方向如箭頭61所示。
首先，焊接部位被熱風吹送器59預熱，空氣溫度通過溫度傳感器61的測量被按照預定的條件控制。
第二步，焊接部位由熱風吹送器57加熱，空氣溫度通過傳感器63的測量也被按照預定的條件控制。
熱風吹送器57和59的位置可容易調節，以達到所希望的加熱效果，這一點是不言自明的。熱風吹送器的噴嘴最好是細長的，并對準焊接部位和槽13。在這方面應注意到槽13將產生一種有利于空氣流動的隧道效應。
第三步，焊接部位將通過焊接模具27被注入熔化的焊接材料，擠壓出的角焊縫從模具27的后面出來。
供應熔化的焊接材料的裝置包括一個容器65，該容器有一個被加熱件69所包圍的熔化空腔67。焊接材料以柔軟固體棒71的形式被壓進到空腔67中。焊接材料棒71的進給機構包括一個被驅動的進給輪73與一個一起運轉的壓輪75。熔化的焊接材料77的溫度通過溫度傳感器79來控制。熔化的焊接材料從空腔67中被壓進模具27的空腔中。熔化的焊接材料的擠入可被適當地調節，同時考慮其他的擠壓條件，以使得模具里面的焊接材料被加壓從而注滿焊接部位所有的空間。
因為該設備將在現場繞管子轉動，例如在管溝內，所以所有部件應當盡可能小地從管道外伸。盡管這不是本發明的核心，圖4和圖5還是顯示了焊接車粗略設計的一個實例。除以上討論了的部件與組件之外，圖中還顯示了，焊接車架81，驅動輪83，驅動輪電機85，可調的用于進給焊接材料的支持臂87，進給輪電機89，環形架拆開機構91。
因為這種設備的操縱及所需動力的供應，對該領域的技術人員是顯而易見的，因此沒有必要描述。
圖6是一個根據本發明所使用的焊接模具的實例的透視示意圖。該焊接模具應該用絕熱材料制造或模制，使其不會因為過早冷卻而影響擠壓出的焊縫的溫度。它也不應粘附焊接材料。一種適合此種焊接模具的材料是聚四氟乙烯或類似物。模具上的各種弧線曲度都應該與焊縫的輪廓、管道的口徑等相適應，這一點是不言自明的。
本發明并不局限于已被顯示和討論過的實施例，在權利要求
書的范圍內，可產生許許多多變化了的形式。
權利要求
1.一種用于由塑性材料包復的絕緣管道的套管接頭，特別適用于分區供暖系統，所述的套管接頭包括一個塑性材料連接套管，該套管覆蓋住管道的連接部位，搭接在被連接的相鄰管道的外皮的終端上，通過一條塑性材料的角焊縫將套管的各端固定并焊接在被覆蓋的管道外皮上，管道外皮、套管和焊縫的材料最好是聚乙烯，其特征在于a).套管的內徑大于被覆蓋的管道外皮的外徑，兩者之間形成一縫隙；b).為了使套管各端與被覆蓋的管道外皮之間保持預定的間距，在所述的縫隙中在套管各端附近裝有隔離件，制造隔離件的材料應使其在所用的焊接溫度下尺寸保持穩定，所述的隔離件最好至少大體上在縫隙的環形開口處填滿所說的縫隙；c).在管道外皮上在套管各端附近至少緊靠所說縫隙的外面開有一環形槽；d).每條角焊縫注滿與其相關的槽和縫隙開口，并且至少覆蓋與其相關的套管端面的大部分。
2.一種如權利要求
1所述的套管接頭，其特征在于，套管的每個端面都從上至下向縫隙內傾斜。
3.一種如權利要求
1或2所述的套管接頭，其特征在于，所述的隔離件位于套管端面內緣之內，及槽的內緣之內，而槽的內緣位于套管端面內緣之內或與其平齊。
4.一種如前面任何一項權利要求
所述的套管接頭，其特征在于，套管端面的下緣、槽的內緣與隔離件的外端通常位于同一段范圍之內。
5.一種如前面任何一項權利要求
所述的套管接頭，其特征在于，槽位于縫隙外的寬度至少應等于套管管壁的厚度。
6.一種如前面任何一項權利要求
所述的套管接頭，其特征在于，焊縫覆蓋住整個與其相關的套管端面，及鄰接該端面的一部分套管外表面。
7.一種如權利要求
6所述的套管接頭，其特征在于，焊縫上部或外部具有一般呈凸形的截面。
8.一種如前面任何一項權利要求
所述的套管接頭，其特征在于，隔離件外端的橫截面是園形的。
9.一種如前面任何一項權利要求
所述的套管接頭，其特征在于，隔離件由木材或類似材料制成，最好呈扁平帶狀。
10.一種制造套管接頭的方法，該套管接頭用于由塑性材料包復的絕緣管道，特別適用于分區供暖系統，該方法包括使用一個塑性材料連接套管覆蓋住管道的連接部位，使套管搭接在被連接的相鄰管道的塑性材料外皮的終端上，通過焊塑性材料在套管各端面處形成一條角焊縫，將套管各端固定并焊接在被覆蓋的管道外皮上，其特征在于a).使用一個尺寸加大了的套管，套管內徑大于與其相關的被覆蓋的管道外皮的外徑，兩者之間形成一個輪廓分明的縫隙;b).在兩個環形的縫隙開口處將抗熱的隔離件插入所述的縫隙中，以保證在焊接角焊縫時套管各端附近預定的縫隙間距維持不變;c).在所涉及的兩個管道外皮的每一個上開出一個環形槽，當套管被裝配好時槽位于至少緊靠所述縫隙開口的外面;d).加熱焊接部位;e).把熔化了的焊接材料擠壓到加熱了的焊接部位，使焊接材料注滿此處的槽和縫隙開口，并至少覆蓋套管端面的大部分，從而得到角焊縫。
11.一種如權利要求
10所述的方法，其特征在于，使用的隔離件使鄰接每個縫隙開口處的所述的縫隙至少大體上被填塞。
12.一種如權利要求
11所述的方法，其特征在于，使用扁平帶狀的抗熱材料(如木材)隔離件，其厚度與預定的縫隙間距相當，長度與縫隙的周長相當，因此該隔離件可通過縫隙開口壓入縫隙并封閉縫隙。
13.一種如權利要求
10-12中任何一項所述的方法，其特征在于，切削一個在縫隙外面的寬度至少等于套管厚度的槽。
14.一種如權利要求
10-13中任何一項所述的方法，其特征在于，在擠壓焊接材料之前切削套管的端面，使端面從上至下向縫隙內傾斜。
15.一種如權利要求
10-14中任何一項所述的方法，其特征在于，焊接部位的加熱采用吹送熱空氣的方式。
16.一種如權利要求
10-15中任何一項所述的方法，其特征在于，在所述的加熱之前，先將焊接部位預熱到大約等于但小于焊接材料的熔化溫度，所述的預熱采用把熱空氣吹送到焊接部位的方式。
17.一種如權利要求
10-16中任何一項所述的方法，其特征在于，擠壓焊接材料，使每條焊縫能覆蓋與其相關的整個套管端面及鄰接該端面的一部分套管外表面。
18.一種如權利要求
17所述的方法，其特征在于，把焊接材料擠壓到一個可移動的焊接模具內，該焊接模具可在套管上表面上及槽外的管道外表面上滑動，焊接模具內有一空腔以確定擠壓出的焊縫的外形。
專利摘要
用于由塑性材料包覆的絕緣管道的套管接頭，包括一個尺寸加大了的塑性材料連接套管，搭接在被連接管道外皮的終端上，兩者之間形成縫隙。隔離件位于各端縫隙內。管道外皮上面位于縫隙外開有環形槽。一條塑性材科角焊縫充滿槽和縫隙開口，并覆蓋套管端面。上述套管接頭的制造方法，包括把熔化了的焊接材料擠壓到加熱了的一圈焊接部位，擠壓在一焊接模具里進行。槽最好在擠壓前切出以避免氧化。如果使用熱空氣，焊接部位的加熱最好分成兩步。
文檔編號B29C65/42GK86107546SQ86107546
公開日1987年7月15日 申請日期1986年10月22日
發明者戈蘭·約翰森, 德·克·阿茨 申請人:埃科管公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan