CN114688368B - 一种过活断层的抗断埋地钢管的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过活断层的抗断埋地钢管的制备方法，涉及地下输水钢管技术领域。通过对地形的检测分析以及管道水流量等参数的设定，选择合适的连接钢管及其型号；然后根据连接钢管的管径，选择合适的波纹管，依此选定合适的限位环，并在限位环上设置第一限位卡槽和第二限位卡槽，依据公式求取波纹管波数。选型确定后，将第一连接钢管、波纹管、第二连接钢管依次焊接，将限位环同轴套接在波纹管外侧，在波纹管和限位环的装配间隙内填充柔性材料，形成第一保护层；将固定架的滑块分别卡接在限位卡槽内，将固定架端部焊接在连接钢管，在固定架外侧壁上套接第二保护层，第二保护层为柔性管状物。

Description

一种过活断层的抗断埋地钢管的制备方法

技术领域

本发明涉及地下输水钢管技术领域，具体涉及一种过活断层的抗断埋地钢管的制备方法。

背景技术

长距离引调水、城乡供水等水利水电工程中大量使用压力管道，随着全球经济的发展，管道的HD值(水头和管径的乘积)日益增大，埋地钢管因管材强度高和韧性好、施工简单、维护工作量小、经济性好等优点，日益受到关注，在水利水电工程中有良好的应用前景。

根据现有经验，埋地钢管周围介质相对于围岩为松软的土体，其破坏往往由不均匀沉陷、断层错动等特殊地质问题引起，尤其是断层错动引发的地表破裂对管道的威胁最大，甚至还可能引发严重的次生灾害。对于长距离管线工程，穿越断层往往是难以回避的问题，过去应用于工程的埋地钢管直径较小，地质条件简单，因此对埋地钢管在断层错动下的破坏机理还缺乏足够的认识，随着引调水工程规模和钢管直径的不断增大，钢管过活断层成为工程界公认的难题，严重制约了埋地钢管的应用与发展，亟待解决。

根据现有研究，埋地钢管在逆断层错动下将产生强变形区，发生拉、压、弯多种变形，导致钢管局部产生过大的压应变，从而导致屈曲失稳，根据埋地钢管受力特性提出与之相适应的抗错断措施，就显得迫切而有必要，能为今后水利水电工程中部分过活断层埋地钢管提供重要的保障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过活断层的抗断埋地钢管的制备方法，解决现有埋地钢管抗断能力差难以满足目前复杂地质条件和抗断要求的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种过活断层的抗断埋地钢管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

S1.第一连接钢管、第二连接钢管的选型：通过经济计算确定连接钢管的直径，再通过锅炉公式确定连接钢管壁厚；

S2.限位环的选型和加工：限位环的半径为第一连接钢管半径+2-4倍波纹管波高，限位环长度为波纹管的长度*2，限位环左右两侧设置有第一限位卡槽，限位环上下两侧设置有第二限位卡槽；

S3.波纹管选型：根据第一连接钢管、第二连接钢管管径大小选择合适管径的波纹管，根据参数计算得到各方向上的角度或位移补偿量，根据波纹管本身的单波补偿量，计算得出波纹管波数，第一连接钢管和第二连接钢管长度均为波纹管管段的3-6倍；

S4.将第一连接钢管、波纹管、第二连接钢管依次焊接，将限位环同轴套接在波纹管外侧，在波纹管和限位环的装配间隙内填充柔性材料，形成第一保护层；

S5.将两个固定架的滑块分别卡接在第一限位卡槽内，将固定架端部焊接在第一连接钢管，同样地，将另外两个固定架的滑块分别卡接在第二限位卡槽内，将固定架端部焊接在第二连接钢管上；

S6.在固定架外侧壁上套接第二保护层，第二保护层为柔性管状物。

更进一步的技术方案是所述波纹管的波数N由下面公式计算得出：

其中，i_x为X方向上的角位移补偿量，i_y为Y方向上的角位移补偿量，j_z为轴向的位移补偿量，i为波纹管单波的角位移补偿量，j为波纹管单波的轴向位移补偿量，L为第一限位卡槽或第二限位卡槽的长，L₁为滑块连接板的长度，B₁为滑块连接板的宽度，K₁为第一限位卡槽的宽度，K₂为第二限位卡槽的宽度。

更进一步的技术方案是所述第一保护层的填充材料是低弹性模量高分子合成材料，可以是轻型软质橡胶；所述第二保护层使用聚乙烯泡沫材料或橡胶材料。

更进一步的技术方案是所述抗断埋地钢管包括依次连接的第一连接钢管、波纹管和第二连接钢管，所述波纹管外侧同轴设置有限位环，波纹管与限位环的空隙间填充有柔性材料形成的第一保护层，限位环左右两侧设置有第一限位卡槽，限位环上下两侧设置有第二限位卡槽，第一连接钢管和第二连接钢管上均设置有固定架，固定架一端设置有滑块，滑块分别滑动连接在第一限位卡槽和第二限位卡槽内，固定架外侧设置有第二保护层。

更进一步的技术方案是所述固定架包括固定座和固定横板，固定座呈U型且一端固定连接在第一连接钢管上，固定座另一端上固定连接有固定横板，固定横板沿第一连接钢管轴向设置，固定横板底部设置有滑块。

更进一步的技术方案是所述滑块包括连接板和弧形卡板，固定横板底部向外凸形成连接板，连接板底部设置弧形卡板。

更进一步的技术方案是所述固定架分别相对设置在第一连接钢管和第二连接钢管两侧，位于第一连接钢管的两个固定架连线所在平面与位于第二连接钢管的两个固定架连线所在平面垂直。

更进一步的技术方案是所述波纹管内侧壁下方同轴设置有导流板，导流板沿水流方向设置，一端连接在第一连接钢管内侧壁上。

更进一步的技术方案是所述波纹管波谷处设置有加强环。

更进一步的技术方案是：所述第二保护层为两端分别套接在第一连接钢管和第二连接钢管外侧壁的柔性管状物。

工作原理：通过对地形的检测分析以及管道水流量等参数的设定，选择合适的连接钢管及其型号；然后根据连接钢管的管径，选择合适的波纹管，依此选定合适的限位环，并在限位环上设置第一限位卡槽和第二限位卡槽，依据公式求取波纹管波数。选型确定后，将第一连接钢管、波纹管、第二连接钢管依次焊接，将限位环同轴套接在波纹管外侧，在波纹管和限位环的装配间隙内填充柔性材料，形成第一保护层；将两个固定架的滑块分别卡接在第一限位卡槽内，将固定架端部焊接在第一连接钢管，同样地，将另外两个固定架的滑块分别卡接在第二限位卡槽内，将固定架端部焊接在第二连接钢管上；在固定架外侧壁上套接第二保护层，第二保护层为柔性管状物。波纹管和限位环之间使用柔性材料进行填充，阻隔砂石和泥浆，避免其进入波纹管外侧，影响波纹管的运动。通过固定架上的滑块与限位卡槽的相对滑动，进一步限定限位环与连接钢管之间的相对运动范围，通过第二保护层进一步阻隔砂石和泥浆进入。使用时，埋地钢管埋入土层内，管体内承受水压，管体外承受土层压力，正常情况下，管道内水体的振动都可以通过波纹管来进行吸收；当断层发生错动时，波纹管随着断层错动方向发生拉压和剪切变形，波纹管可以集中吸收断层的错动量，而不影响连接钢管的正常运行，同时内外两个保护层也能起到一定的缓冲作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：提供一种结构简单的过活断层的抗断埋地钢管的制备方法，根据地形和流量参数确定连接钢管的选型，根据连接钢管确定波纹管的基础选型，并确定限位环的选型，再通过公式计算得到波纹管的波数，依此得到合适长度和强度的基础零部件，再加以加工得到埋地钢管。其中，通过内外两个保护层，阻隔砂石和泥浆进入埋地钢管的外侧壁，避免其在波纹管外侧壁特别是波谷处淤积，从而影响波纹管的使用寿命；通过波纹管能产生较大的变形，从而集中吸收断层的错动量，大大提高埋地钢管的整体抗断性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的内部结构示意图。

图3为本发明的截面示意图。

图4为本发明中固定架的装配示意图。

图5为本发明中固定架的结构示意图。

图6为本发明中限位环的结构示意图。

图7为本发明中公式中各参数的示意图。

图中：1-第一连接钢管，2-波纹管，201-加强环，3-第二连接钢管，4-第一保护层，5-固定架，501-滑块，502-固定座，503-固定横板，504-连接板，505-弧形卡板，6-第二保护层，7-导流板，8-限位环，801-第一限位卡槽，802-第二限位卡槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1-3示出了一种过活断层的抗断埋地钢管，包括依次连接的第一连接钢管1、波纹管2和第二连接钢管3，所述波纹管2外侧同轴设置有限位环8，如图6所示，限位环8为管状，限位环8左右两侧设置有第一限位卡槽801，限位环8上下两侧设置有第二限位卡槽802。为防止砂石和泥浆进入波纹管2外侧壁特别是波谷内，波纹管2与限位环8的空隙间填充有柔性材料形成的第一保护层4，此柔性材料可采用低弹性模量高分子合成材料。为进一步限制波纹管与连接钢管间的相对运动，第一连接钢管1和第二连接钢管3上均设置有固定架5。如图5所示，所述固定架5包括固定座502和固定横板503，固定座502呈U型且一端固定连接在连接钢管上，固定座502另一端上固定连接有固定横板503，固定横板503沿第一连接钢管1轴向设置，固定横板503底部设置有滑块501，滑块501滑动连接在限位卡槽801内，固定架5外侧设置有第二保护层6。第二保护层6为两端分别套接在第一连接钢管1和第二连接钢管3外侧壁的柔性管状物，比如聚乙烯材质或者橡胶材质的中空管状物，两端管口分别与对应的连接钢管外侧壁微过盈配合。

为方便滑块的装配，所述滑块501包括连接板504和弧形卡板505，固定横板503底部向外凸形成连接板504，连接板504底部设置弧形卡板505，连接板504在第一限位卡槽801或第二限位卡槽802内活动。

如图4所示，所述两个固定架5相对设置在第一连接钢管1两侧，另两个固定架5相对设置在第二连接钢管3两侧，位于第一连接钢管1的两个固定架5连线所在平面与位于第二连接钢管3的两个固定架5连线所在平面垂直。这样使得在出现断层错动时，错动量在连接钢管上通过不同方向被波纹管吸收，同时也限制了波纹管与连接钢管相对运动的范围。

所述波纹管2内侧壁下方同轴设置有导流板7，导流板7沿水流方向设置，一端连接在第一连接钢管1内侧壁上。导流板7长度大于波纹管2最大伸长的长度，在波纹管2处水流沿导流板7流动，避免管道内水在波纹管2处形成紊流。为延长波纹管的使用寿命，所述波纹管2波谷处设置有加强环201。

上述过活断层的抗断埋地钢管的制备方法，包括如下步骤：

S1.第一连接钢管1、第二连接钢管2的选型：通过经济计算确定连接钢管的直径，在可行性研究和初步设计阶段，用彭德舒公式来确定大中型压力管道的经济直径：

式中：Q_max为钢管的最大设计流量，m³/s；H为设计水头，m。

选定钢材型号后，壁厚通过锅炉公式进行初步确定：

式中：P为钢管内压大小，MPa；D为管道直径，m；为焊缝系数；[σ]为钢材的容许应力，可用屈服点应力σ_s除以安全系数K获得，MPa；第一连接钢管与第二连接钢管的管长选用波纹管管段的3-6倍。

S2.波纹管2选型：根据第一连接钢管1、第二连接钢管3管径大小选择合适管径的波纹管，波纹管的波高h可按下式选定：

D/3≥h≥2r_m

式中：r_m为U形波纹管波峰(波谷)平均曲率半径，mm；r_c为U形波纹管波峰内壁曲率半径，mm；r_r为U形波纹管波谷外壁曲率半径，mm；δ为波纹管一层材料的名义厚度，mm；n为波纹管的层数，通常在1～5之间；U形波纹管的r_c、r_r、及波纹侧壁初始偏斜角β应满足：

r_c≥3δ

r_r≥3δ

|r_c-r_r|≤0.2r_m

正常情况下，要求-15°≤β≤15°，本发明中β＝0；可得到波距(波宽)q的表达式：

q＝4r_m

根据参数计算得到各方向上的角度或位移补偿量，根据波纹管本身的单波补偿量，计算得出波纹管波数，波纹管段总长L_b需满足：

所述波纹管的波数N由下面公式计算得出：

其中，i_x为X方向上的角位移补偿量，i_y为Y方向上的角位移补偿量，j_z为轴向的位移补偿量，i为波纹管单波的角位移补偿量，j为波纹管单波的轴向位移补偿量，L为第一限位卡槽801或第二限位卡槽802的长，限位卡槽一般长度都相同，L₁为滑块的连接板504的长度，B₁为滑块的连接板504的宽度，K₁为第一限位卡槽801的宽度，K₂为第二限位卡槽802的宽度，如图7所示。

S3.限位环8的选型和加工：限位环8的半径为第一连接钢管半径+2-4倍波纹管波高，限位环长度为波纹管的长度*2，限位环左右两侧设置有第一限位卡槽，限位环上下两侧设置有第二限位卡槽，限位卡槽的长度L为限位环8长度的1/2～3/4。

S4.将第一连接钢管、波纹管、第二连接钢管依次焊接，将限位环同轴套接在波纹管外侧，在波纹管和限位环的装配间隙内填充柔性材料，形成第一保护层。

S5.将两个固定架的滑块分别卡接在第一限位卡槽内，将固定架端部焊接在第一连接钢管，同样地，将另外两个固定架的滑块分别卡接在第二限位卡槽内，将固定架端部焊接在第二连接钢管上。

S6.在固定架外侧壁上套接第二保护层，第二保护层为柔性管状物。

将上述步骤应用在西南地区某倒虹吸地面建筑物进口岸坡横穿F35断裂，经初步计算选定钢管直径3.4m，设计水头15m，工程需选用轴向变位为±60mm，水平角向补偿±1°，垂直角向补偿±0.5°的波纹管伸缩节；伸缩节的单波轴向允许补偿量为0.015m，单波平均角补偿量为0.18°，滑块长度L₁为0.3m，宽度按照构造要求选取0.05m。

波纹管承担的水平角位移i_x＝1°，由L₁＝0.3m可得，K₁≥0.056m，N_x≥5.556,取K₁＝0.06m，N_x＝6；

波纹管承担的垂直角位移i_y＝0.5°，由L₁＝0.3m可得，K₂≥0.056m，N_y≥2.778,取K₂＝0.06m，N_y＝3；

波纹管承担的轴向变位量j_z＝0.06m，由L₁＝0.3m可得，L≥0.42m，N_z≥4，取L＝0.5m，N_z＝4；

综上，计算后N＝max{N_z,N_y,N_x}＝6；此为工程参数来推求波纹管参数。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (5)

1.一种过活断层的抗断埋地钢管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

S1.第一连接钢管、第二连接钢管的选型：通过经济计算确定连接钢管的直径，再通过锅炉公式确定连接钢管壁厚；

S2.波纹管选型：根据第一连接钢管、第二连接钢管管径大小选择合适管径的波纹管，根据参数计算得到各方向上的角度或位移补偿量，根据波纹管本身的单波补偿量，计算得出波纹管波数，第一连接钢管和第二连接钢管长度均为波纹管管段的3-6倍；

S3.限位环的选型和加工：限位环的半径为第一连接钢管半径+2-4倍波纹管波高，限位环长度为波纹管的长度*2，限位环左右两侧设置有第一限位卡槽，限位环上下两侧设置有第二限位卡槽；

S4.将第一连接钢管、波纹管、第二连接钢管依次焊接，将限位环同轴套接在波纹管外侧，在波纹管和限位环的装配间隙内填充柔性材料，形成第一保护层；

S5.将两个固定架的滑块分别卡接在第一限位卡槽内，将固定架端部焊接在第一连接钢管，同样地，将另外两个固定架的滑块分别卡接在第二限位卡槽内，将固定架端部焊接在第二连接钢管上；

S6.在固定架外侧壁上套接第二保护层，第二保护层为柔性管状物；

所述波纹管的波数N由下面公式计算得出：

其中，i_x为X方向上的角位移补偿量，i_y为Y方向上的角位移补偿量，j_z为轴向的位移补偿量，i为波纹管单波的角位移补偿量，j为波纹管单波的轴向位移补偿量，L为第一限位卡槽或第二限位卡槽的长，L₁为滑块连接板的长度，B₁为滑块连接板的宽度，K₁为第一限位卡槽的宽度，K₂为第二限位卡槽的宽度；

所述抗断埋地钢管包括依次连接的第一连接钢管(1)、波纹管(2)和第二连接钢管(3)，所述波纹管(2)外侧同轴设置有限位环(8)，波纹管(2)与限位环(8)的空隙间填充有柔性材料形成的第一保护层(4)，限位环(8)左右两侧设置有第一限位卡槽(801)，限位环(8)上下两侧设置有第二限位卡槽(802)，第一连接钢管(1)和第二连接钢管(3)上均设置有固定架(5)，固定架(5)一端设置有滑块(501)，滑块(501)分别滑动连接在第一限位卡槽(801)和第二限位卡槽(802)内，固定架(5)外侧设置有第二保护层(6)；所述固定架(5)包括固定座(502)和固定横板(503)，固定座(502)呈U型且一端固定连接在第一连接钢管(1)上，固定座(502)另一端上固定连接有固定横板(503)，固定横板(503)沿第一连接钢管(1)轴向设置，固定横板(503)底部设置有滑块(501)；所述滑块(501)包括连接板(504)和弧形卡板(505)，固定横板(503)底部向外凸形成连接板(504)，连接板(504)底部设置弧形卡板(505)。

2.根据权利要求1所述的一种过活断层的抗断埋地钢管的制备方法，其特征在于：所述第一保护层的填充材料是低弹性模量高分子合成材料；所述第二保护层使用聚乙烯泡沫材料或橡胶材料。

3.根据权利要求1所述的一种过活断层的抗断埋地钢管的制备方法，其特征在于：所述固定架(5)分别相对设置在第一连接钢管(1)和第二连接钢管(3)两侧，位于第一连接钢管(1)的两个固定架(5)连线所在平面与位于第二连接钢管(3)的两个固定架(5)连线所在平面垂直。

4.根据权利要求1所述的一种过活断层的抗断埋地钢管的制备方法，其特征在于：所述波纹管(2)内侧壁下方同轴设置有导流板(7)，导流板(7)沿水流方向设置，一端连接在第一连接钢管(1)内侧壁上。

5.根据权利要求1所述的一种过活断层的抗断埋地钢管的制备方法，其特征在于：所述波纹管(2)波谷处设置有加强环(201)。