CN102537572B - 带检测平面的电熔套筒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及塑料管道焊接技术，旨在提供一种带检测平面的电熔套筒。该电熔套筒包括管状的主体，在主体的外壁面上设有N个长条状矩形的检测平面；检测平面有两条对称轴，其长的对称轴与电熔套筒的中心轴线平行，且检测平面与电熔套筒的某共轴圆柱面相切。本发明能够结合现有的电熔接头超声检测方法，实现采用普通平面探头就可以对在役电熔接头进行方便、准确检测的目的。采用本发明的电熔套筒焊制的电熔接头焊接界面附近超声检测结果十分清晰，没有多余杂波，金属丝的多次回波信号也十分清晰、整齐。

Description

带检测平面的电熔套筒

技术领域

本发明涉及塑料管道焊接技术，特别涉及带检测平面的新型电熔套筒。

背景技术

近年来，我国能源结构和政策的调整以及西气东输等重要能源战略计划的进一步实施，给我国的管道行业带来巨大的发展空间。塑料管道和热塑性增强塑料复合管以其优异的综合力学性能在各行业中得到快速的发展和应用，其主要代表性产品有聚乙烯管、聚丙烯管、聚氯乙烯管、铝塑复合管、钢塑复合管、玻璃纤维增强塑料管等。电熔焊接是塑料管和复合管最主要的连接方式之一，尤其在某些复杂恶劣环境(如高压、泥浆等)下使用的复合管道，电熔焊接几乎是唯一适用的连接方法。

对任何管道系统，管道接头都是管道系统的薄弱环节。对于输送石油、天然气等能源介质的塑料管道或塑料复合管道，一旦发生管道接头泄漏失效，将造成火灾、爆炸等恶劣事故，直接危及到管道沿线人员的生命财产安全。因此，电熔接头的安全性和可靠性受到越来越多的关注。

美国西北太平洋国家实验室Steven R.Doctor等在美国能源部的支持下，开发了基于超声TOFD技术的塑料管道接头超声检测方法，目前已开始进行工程验证。与此同时，浙江大学郑津洋等在科技部国家“十一五”、“十二五”科技支撑计划的支持下，研发出一系列针对塑料管道电熔接头的超声检测方法以及配套设备。实践表明，采用超声相控阵技术结合B扫描实时成像方法可以有效地检测出电熔接头内部的孔洞、熔合面夹杂、冷焊等缺陷。这些技术和装备虽然已能够满足当前应用的各种电熔接头的超声检测需求，然而在实际应用过程中仍存在一些困难，其中最主要的困难是超声检测探头与待检测塑料管道的界面耦合问题。

通常，超声检测技术人员的经验是采用耦合剂来减小电熔套筒与探头配合不紧密造成的界面声反射。对于在金属管道的超声检测，在表面涂抹耦合剂就可以使入射声强度达到检测要求。但是塑料管通常必须采用相控阵探头，探头与管材直径的比例与金属管道的探头与直径比要大，因此弧度的影响更加显著，即使在表面涂抹耦合剂，仍然还会产生很大的界面声反射，超声波能量在界面损失较严重，影响检测效果。

众所周知，塑料管材普遍具有粘弹性。当超声波在塑料中传播时，衰减相当严重。因此，超声探头与待检测塑料管道的界面耦合质量直接关系到超声检测效果。为了检测适应不同管径的聚乙烯管道接头，郑津洋等开发了具有不同弧度的特质超声探头，使得在超声检测过程中，超声探头始终能够贴合管材表面，保证界面耦合效果。

然而，具有曲面的超声探头不仅需要对声场进行精确的设计计算，而且实际加工非常困难，加工费用昂贵。针对不同尺寸规格的塑料管道接头需要特制超声探头，不仅增加了设备成本，而且也给现场检测带来很大不便。本文提出一种带超声检测平面的新型电熔套筒结构，可弥补现有技术的不足，实现采用平面探头就可以对电熔接头进行有效检测的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提出一种新型的塑料或塑料复合管道电熔套筒结构，结合现有的电熔接头超声检测方法，实现采用普通平面探头就可以对在役电熔接头进行方便、准确检测的目的。

本发明采用的技术方案是：

提供一种带检测平面的电熔套筒，包括管状的主体，其特征在于，在主体的外壁面上设有N个长条状矩形的检测平面；检测平面有两条对称轴，其长的对称轴与电熔套筒的中心轴线平行，且检测平面与电熔套筒的某共轴圆柱面相切。

本发明中，所述检测平面的切削深度d_cut根据下述方式确定：

$d_{\mathrm{cut}}=R_o-\sqrt{R_o^2-\frac{1}{4}{l}_j^2}---\left(1\right)$

式中，R_o为电熔套筒的外径，l_j为检测平面的宽度；

检测平面的宽度大于或等于对所述电容套筒进行检测的超声检测探头的宽度，故所述检测平面的切削深度d_cut应满足：

$d_{\mathrm{cut}}\≥R_0-\sqrt{R_0^2-\frac{1}{4}{l}_{j0}^2}---\left(2\right)$

式中，R_o为电熔套筒的外径，l_j0为检测探头的宽度；

所述切削深度d_cut还应同时满足下述条件：

当电熔套筒与配用管材均由相同MRS分级的聚乙烯制造时，d_cut≤t-e；

当电熔套筒的原料为PE100等级的聚乙烯，而管材原料为PE80时，d_cut≤t-0.8e；

当电熔套筒的原料为PE80等级的聚乙烯，而管材原料为PE100时，d_cut≤t-e/0.8；

所述t为电熔套筒主体的壁厚，e为电熔套筒的配用管材的壁厚。

由于检测平面的宽度必须大于或等于检测探头的宽度l_j0，故N存在最大值N_max，N为小于或等于N_max的自然数。不同的检测探头宽度l_j0对应不同的检测平面最大值N_max。

$N_{\max }=\left[\frac{\mathrm{\π}}{\arcsin \left(\frac{l_{j0}}{{2R}_o}\right)}\right]---\left(3\right)$

每一个N都对应一个最大切削深度

假设检测平面之间都是两两相接的，则有切削深度最大值

$d_{\mathrm{cut}}^{\max }=R_o(1-\sqrt{1-{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{N}\right)})$

则切削深度d_cut需要满足

即

$d_{\mathrm{cut}}\≤R_o(1-\sqrt{1-{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{N}\right)})---\left(4\right)$

综上所述，检测平面的切削深度d_cut根据下述方式确定：

式中，R_o为电熔套筒的外径，l_j0为检测探头的宽度，t为电熔套筒主体的壁厚，e为电熔套筒的配用管材壁厚，N为检测平面数量；

本发明中，检测平面数量N通过相对周长计算法来确定：

设所述电熔套筒的公称直径为D；参照标准《GB 15558.2-2005燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统第2部分：管件》，将DN90电熔套筒的检测平面数量作为计数依据，令其检测平面为x个，x为小于或等于N_max的自然数。作为计数依据，x值一般取1，2，4，6，8。

x的具体数值可根据管件的安全要求与加工成本确定；

当D小于等于90mm时，

N₀＝x                    (6)

当D等于90mm的整数倍时，

$N_0=\frac{D}{90}x---\left(7\right)$

当D大于90mm而非其整数倍时，N将依据N₀的大小从表1中选取：

$N_0=\left[\frac{D}{90}\mathrm{gx}\right]+1---\left(8\right)$

(注：[]是取整符号，[a]表示取不大于a的最大整数)

表1检测平面基本数量表

N₀≤N₁时，N＝N₁；

N_i＜N₀≤N_i+1时，N＝N_i+1，i为1，2，3，4，5，6，7；

N₀＞N₈时，N＝N₈；

作为计数依据，x值取1，2，4，6或8。

本发明中，所述检测平面的宽度大于或等于对所述电容套筒进行检测的超声检测探头的宽度，检测平面的长度大于或等于所述超声检测探头的长度且小于或等于电熔套筒的轴向长度。

当然，检测平面的数量与分布方式也可以做出不同的调整，检测平面的数量多少与分布的密集程度将随不同的电熔套筒安全要求、缺陷可能存在的数量、缺陷可能存在的位置而变化，即电熔套筒外壁上的检测平面的数量可以将基本数量作为起点再做增加调整。电熔套筒的安全要求高，则检测平面的数量就多，电熔套筒在某一区域的缺陷发生的可能性大、数量多，则检测平面在该区域的密集程度就高；反之，若电熔套筒的安全要求相对较低，则检测平面数量可减少，若电熔套筒发生缺陷的可能性小，则检测平面的密集程度可下调；若缺陷分布没有明显的分布特征，则可以使检测平面均匀分布于电熔套筒的外壁面。

电熔套筒的检测平面有两种加工方式，一种是采用修改的注塑模具，以一次成型的方式生产出带检测平面的电熔套筒；另一种是对普通电熔套筒进行二次机械加工，即将其圆柱形外壁面通过铣削或其他机械加工方式加工出检测平面。注塑成型方便、快捷，可用于大批量生产检测平面较多且均匀分布的电熔套筒；铣削加工工序多，但可以较自由地对现有电熔套筒进行调整、改造，使检测平面能按照设计人员要求、以更多样的方式分布于电熔套筒上。本发明专利中的相对周长计算法主要用于确定注塑模具一次成型方式中检测平面的数量，而对于二次机械加工方式，检测平面的数量、分布方式可以根据待检测管线的安全要求、加工成本来确定。例如，按照本发明中提出的方法确定的检测平面数量为2，但考虑加工成本的限制，只加工其中一个平面，也属于本发明保护的内容。两种加工方式中的检测平面相关加工参数都应符合方程组(5)的规定。

本发明专利中电熔套筒的适用范围包括塑料或塑料复合管道电熔套筒。

本发明的有益效果在于：

本发明能够结合现有的电熔接头超声检测方法，实现采用普通平面探头就可以对在役电熔接头进行方便、准确检测的目的。采用本发明的电熔套筒焊制的电熔接头焊接界面附近超声检测结果十分清晰，没有多余杂波，金属丝的多次回波信号也十分清晰、整齐。

图4、5为采用带检测平面的电熔套筒和无检测平面的普通电熔套筒的超声检测结果效果对比。从图5中可以看出，无检测平面的普通电熔接头在焊接界面处存在一些杂波，金属丝的回波信号相互错杂，多次回波信号也不清晰。

附图说明

图1为电熔套筒成型示意图(检测平面总数为4)；

图2为电熔套筒成型示意图(检测平面总数为8)；

图3为电熔套筒成型示意图(检测平面总数为16)；

图4为带检测平面的超声检测图(图中没有杂波，金属丝信号清晰、整齐)；

图5为不带检测平面的超声检测图(杂波较多，金属丝信号模糊)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利的具体实施方式进行详细表述。

实施例1：

某一电熔套筒公称直径63mm，长150mm，外径为63mm，内径为49mm，厚度为7mm，配用管材壁厚为5.8mm，超声检测探头宽度为10mm，电熔套筒的材料为PE100级聚乙烯，配用管材的材料为PE80级聚乙烯。

则电熔套筒检测平面各加工参数如下：

(1)检测平面长度为150mm；

(2)检测平面数量：

由(3)式得到：

$N_{\max }=\left[\frac{\mathrm{\π}}{\arcsin \left(\frac{l_{j0}}{{2R}_o}\right)}\right]=\left[\frac{\mathrm{\π}}{\arcsin \left(\frac{10}{2\×31.5}\right)}\right]=19$

即当检测平面宽度等于10mm时，电熔套筒外壁面最多可加工出19个检测平面。

根据相对周长计算法确定DN63电熔套筒的检测平面数量：

若电熔套筒用于连接输水管，则安全要求较低，可令DN90电熔套筒(DN90电熔套筒N_max＝28)检测平面数量基准取为4，即x＝4。由于DN63电熔套筒公称直径小于90mm，故也取4作为检测平面数量；

(3)切削深度：

根据切削深度的规定，

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{cut}}\≤R_o(1-\sqrt{1-{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{N}\right)})=31.5(1-\sqrt{1-{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right)})=9.2261\mathrm{mm}\\ d_{\mathrm{cut}}\≥R_0-\sqrt{R_0^2-\frac{1}{4}{l}_{j0}^2}=31.5-\sqrt{{31.5}^2-\frac{1}{4}\×{10}^2}=0.3994\mathrm{mm}\\ d_{\mathrm{cut}}\≤t-0.8e_n=7-0.8\×5.8=2.3600\mathrm{mm}.\end{array}\right.$

切削深度越小对电熔套筒力学性能影响也越小，切削宽度也越小，故切削深度d_cut的取值范围是0.3994≤d_cut≤2.3600。根据切削加工精度，可选取适宜的切削深度，d_cut可取为1mm；

(4)切削宽度：

则由(1)式可得切削宽度：

$l_j=2\sqrt{{R_o}^2-{(R_o-d_{\mathrm{cut}})}^2}=2\×\sqrt{{31.5}^2-{(31.5-1)}^2}=15.7480\mathrm{mm}.$

该电熔套筒的成型示意图见图1所示。

实施例2：

若电熔套筒用于连接天然气输送管，则安全要求较高，可以采用m个检测平面分布于电熔套筒外壁上，m的最大值为N_max＝19。此处m应等于输水管检测平面数量的整数倍，其值可以结合安全需要与加工精度、加工成本选取，这里可以取为8。

$d_{\mathrm{cut}}\≤R_o(1-\sqrt{1-{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{N}\right)})=31.5(1-\sqrt{1-{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{8}\right)})=2.3978\mathrm{mm}$

故切削深度d_cut的取值范围是0.3994≤d_cut≤2.3600，切削深度仍选为1mm；

切削宽度l_j仍为15.7480mm。

该电熔套筒成型示意图见图2所示。

实施例3：

某一电熔套筒公称直径315mm，长500mm，外径为315mm，内径为251mm，厚度为32mm，配用管材壁厚为18.7mm，超声检测探头的宽度为10mm，电熔套筒的材料为PE100级聚乙烯，配用管材的材料为PE80级聚乙烯。

则电熔套筒检测平面各加工参数如下：

(1)检测平面长度为500mm；

(2)检测平面数量：

由(3)式得到：

$N_{\max }=\left[\frac{\mathrm{\π}}{\arcsin \left(\frac{l_{j0}}{{2R}_o}\right)}\right]=\left[\frac{\mathrm{\π}}{\arcsin \left(\frac{10}{2\×157.5}\right)}\right]=98$

即当检测平面宽度等于10mm时，电熔套筒外壁面最多可加工出98个检测平面。

根据相对周长计算法确定DN315电熔套筒的检测平面数量：

若电熔套筒用于连接输水管，则安全要求较低，可令DN90电熔套筒(DN90电熔套筒N_max＝28)检测平面数量基准取为4，即x＝4。则DN315电熔套筒的检测平面数量N按下列方式确定：

$N_0=\left[\frac{D}{90}\mathrm{gx}\right]+1=\left[\frac{315}{90}g4\right]+1=15$

由表1可知，N₆＜N₀≤N₇，故N＝N₇，即DN315电熔套筒的检测平面数量为16；

(3)切削深度：

根据切削深度的规定，

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{cut}}\≤R_o(1-\sqrt{1-{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{N}\right)})=157.5(1-\sqrt{1-{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{16}\right)})=3.0263\mathrm{mm}\\ d_{\mathrm{cut}}\≥R_0-\sqrt{R_0^2-\frac{1}{4}{l}_{j0}^2}=157.5-\sqrt{{157.5}^2-\frac{1}{4}\×{10}^2}=0.0794\mathrm{mm}\\ d_{\mathrm{cut}}\≤t-0.8e_n=32-0.8\×18.7=17.0400\mathrm{mm}.\end{array}\right.$

切削深度越小对电熔套筒力学性能影响也越小，切削宽度也越小，故切削深度d_cut的取值范围是0.0794≤d_cut≤3.0263。根据切削加工精度，可选取适宜的切削深度，d_cut可取为2mm；

(4)切削宽度：

则由(1)式可得切削宽度：

$l_j=2\sqrt{{R_o}^2-{(R_o-d_{\mathrm{cut}})}^2}=2\×\sqrt{{157.5}^2-{(157.5-2)}^2}=50.0400\mathrm{mm}.$

该电熔套筒的成型示意图见图3所示。

实施例4：

若DN315管件的材料为PE80级聚乙烯，配用管材材料为PE100级聚乙烯，则切削深度应按照下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{cut}}\≤R_o(1-\sqrt{1-{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{N}\right)})=157.5(1-\sqrt{1-{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{16}\right)})=3.0263\mathrm{mm}\\ d_{\mathrm{cut}}\≥R_0-\sqrt{R_0^2-\frac{1}{4}{l}_{j0}^2}=157.5-\sqrt{{157.5}^2-\frac{1}{4}\×{10}^2}=0.0794\mathrm{mm}\\ d_{\mathrm{cut}}\≤t-e/0.8=32-18.7/0.8=8.6250\mathrm{mm}.\end{array}\right.$

切削深度越小对电熔套筒力学性能影响也越小，切削宽度也越小，故切削深度d_cut的取值范围是0.0794≤d_cut≤3.0263。d_cut仍可取为2mm；

该DN315电熔套筒的切削宽度不变。

本方法的实施方式说明只是本发明实施过程的具体描述，本发明所述的方法并不限于等径直通的套筒，其他的电熔异径、电熔弯头、电熔三通等结构都可以使用，因此采用本方法对他们进行结构改进也属于本发明的保护范围。

本发明提出了在电熔套筒上设置检测平面并分别根据强度和超声检测要求确定检测平面宽度的方法，运用本方法得到的类似结构，如改变检测平面的位置或增减检测平面的数量，应属于本方法保护的范围。

Claims (3)

1.一种带检测平面的电熔套筒，包括管状的主体，其特征在于，在主体的外壁面上设有N个长条状矩形的检测平面；检测平面有两条对称轴，其长的对称轴与电熔套筒的中心轴线平行，且检测平面与电熔套筒的某共轴圆柱面相切。

2.根据权利要求1所述的电熔套筒，其特征在于，所述检测平面的切削深度d_cut根据下述方式确定：

式中，R_o为电熔套筒的外径，l_j0为检测探头的宽度，t为电熔套筒主体的壁厚，e_n为电熔套筒的配用管材的壁厚，N为检测平面数量。

3.根据权利要求1或2中所述的电熔套筒，其特征在于，所述检测平面的宽度大于或等于对所述电熔套筒进行检测的超声检测探头的宽度，检测平面的长度大于或等于所述超声检测探头的长度且小于或等于电熔套筒的轴向长度。

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