CN102046342A - 压铸混凝土或砂浆衬里钢管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种压铸衬里钢管，包括沿内径的环形混凝土或砂浆衬里(14)和包围衬里的金属壳(12)，其中，衬里(14)与金属壳(12)直接接触。衬里的壁厚可为金属壳壁厚的10至50倍。所述管可涂覆有介电材料。用于形成管的模具组件包括环形混凝土或砂浆成分室，该室形成在金属壳和内模具元件之间。在模具组件中使用加压水给混凝土或砂浆成分加压，并向金属壳施加期望的压力，同时混凝土或砂浆成分在模具中固化。一旦达到期望程度的固化，就释放压力，从而使金属壳将期望的压缩力施加在固化的衬里上。

Description

压铸混凝土或砂浆衬里钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及混凝土或砂浆衬里钢管，更加特别地，涉及使用以下方法制造的压铸混凝土或砂浆衬里钢管，该方法允许同时使管固化和对管施加预应力，从而增大钢的容许设计应力，同时保持制造效率和降低制造成本。

背景技术

传统的混凝土衬里钢制水管(例如大直径管)目前设计成在钢中的最大工作应力为大约21,000psi。限制这种管的容许设计应力的原因是，这种管的混凝土或砂浆衬里的容许应变是有限的。更高的钢应力将使混凝土或砂浆衬里在压力作用下破裂，从而导致形成有害的破裂，不利地影响衬里的性能，并且使衬里可能失效或者以其他方式从钢管内掉出。

这种钢管采用混凝土或砂浆衬里是众所周知的用在水管行业中，因为它们已被证明可以长时间地(例如超过50年)保护钢管免受内部腐蚀。作为混凝土衬里的替代，可以在钢管中使用聚合物涂层例如环氧基涂层等，这种钢管设计成具有更高的失效应变。然而，在没有某种形式的定期维护(通常为大约15年的间隔)的情况下，目前可用的聚合物涂层不能保证或期望在供水工程中持续50年。不切实际的是，例如当用作总水管等时，为了维护的目的而每15年或一定的年数把这种涂层的钢制水管停用取出以便对衬里进行喷砂和重新涂覆。

混凝土衬里钢制水管的第二个局限是工程技术上的考虑，需要的直径对厚度比例为大约240，优选地该比例小于大约220。这意味着，直径为100英寸的管必须具有最小管壁厚为大约0.417英寸(D/t＝240；t＝100/240＝0.417)。这种设计要求的结果是，由于内部压力而本来可以设计成具有更小壁厚的管现在却需要更大的壁厚来应对搬运、运输和安装应力。在该100″内径×0.417″壁厚的实例中，等级为P＝(2＊t＊应力)/D＝2＊0.417＊21,000/100＝175psi或更小的管仍然必须具有基于D/t＝240的管壁厚。该D/t的要求是基于搬运、运输和安装管的实用性做出的。在差的土壤条件下，如果不通过增大衬里厚度、增大钢管壁厚、连接加强件或者高价进口更稳定的垫底料来进行加强，则管也容易压扁或过度变形。

常规的预应力钢筒混凝土管(PCCP)包括内混凝土管或芯，通过使用缠绕于该内管上的钢丝而使其处于大压缩状态。作用于在用管上的压力载荷由使用高容许设计应力的预应力钢丝承载，因此也可减少用于提供期望压缩量所需的钢用量。混凝土芯抵抗预应力钢丝，并有助于在埋入状态下支撑土载荷。预应力混凝土芯也有助于在运输和安装过程中支撑管。

然而，PCCP的其中一个问题是，在将管投入使用时难以保护高强度预应力钢丝免受腐蚀环境的影响，并且，如果施加过度的阴极保护，这些钢丝容易发生氢脆变。由于置于预应力钢丝上用于防腐蚀的典型砂浆涂层具有低介电强度，因此进一步使得易于对预应力钢丝阴极保护的能力复杂化。该介电抗性可通过施加合适的聚合物涂层(例如可从Ameron International获得的产品名称为Amercoat 1972B)而提高。尽管使用这种聚合物涂层更易于对预应力钢丝进行阴极保护，但这样做在制造步骤及原材料成本方面具有附加的成本。

由于这些年来在典型大城市中的管道地下工程复杂性和地表或浅地表运输***已经增大了，因“阴极干涉”或杂散的大地电流而产生了另一个问题，所述“阴极干涉”或杂散的大地电流是由处于防外部腐蚀的阴极保护作用下的附近钢管线产生的，并且是由直流供电的运输***产生的。多年前安装的大型水管现在会发现附近已经安装了新的管道。这些新的管道可以是被阴极保护的，阴极保护引发的杂散大地电流会在PCCP中产生腐蚀电流。由于可能存在这种杂散大地电流的缘故，许多城市供水机构现在更愿意使用具有防外部腐蚀的介电涂层的传统钢管，或者在外部载荷高时使用钢筒增强的混凝土管。尽管这是控制管腐蚀的一种有效方法，但是其成本很高。

本领域已知的一种制造预应力钢管的方法是采用多步骤的工艺，首先形成/铸造混凝土芯，把钢管套在预制混凝土芯上，然后将高压水泥浆泵送到预制混凝土芯和钢管之间的环形间隙中，从而使混凝土芯处于压缩。然而，这种制造管的方法存在两个主要问题。第一个问题涉及到难以在压力灌浆操作过程中使混凝土芯的端部完美地密封在钢管上。第二个问题涉及到如何在水泥浆固化过程中向水泥浆施加和保持压力，特别是如果在水泥浆固化时在钢管和混凝土芯之间的密封部发生水泥浆微小泄露时。如果使用高压灌浆泵，则固化过程中水泥浆的可能泄露必须由灌浆泵来弥补。这意味着灌浆泵必须在固化操作过程中一直运行，以弥补泄露，这样可能使水泥浆在泵中固化，从而毁坏泵和导致管的预应力不够大。

因此，期望的是，开发出一种管结构和其制造方法，以便能够提供期望水平的特性，例如能够与传统的PCCP或混凝土衬里钢管所提供的通常最小为50年的使用寿命相匹配的管刚度和抗内部腐蚀性。还期望的是，这种管结构能够提供期望程度的保护以免受外部腐蚀和阴极干涉。还期望的是，这种管结构的制造方式从原材料以及制造管时所花费的时间和劳力来看都是有成本效率的。

发明内容

本发明的压铸衬里钢管包括形成管内径的环形混凝土或砂浆衬里和包围衬里的金属壳。衬里与金属壳的内壁面直接接触，且金属壳使衬里处于压缩的状态。衬里和金属壳的壁厚比例范围是大约5∶1至80∶1，优选地是大约10∶1至50∶1。在一个示例性实施例中，金属壳的壁厚范围是大约0.06至0.75英寸，衬里的壁厚范围是大约1.5至10英寸。根据特定管的实施例和最终使用用途，衬里的壁厚可以是金属壳壁厚的10至50倍。如果期望，管还可包括沿金属壳外表面布置的介电材料涂层。

通过使用模具组件形成管，所述模具组件特别地构造成利于容纳期望量的混凝土或砂浆成分，然后对混凝土或砂浆成分施加计算的压力以向金属壳施加期望的应力。在一个示例性实施例中，可以这样形成所述管，即，通过将一定量的混凝土或砂浆成分输送到形成在沿外径的金属壳和沿内径的可动芯元件之间的模具中。然后对灌注的混凝土或砂浆成分施加压力，以使金属壳膨胀。在一个示例性实施例中，压力以加压流体例如水的形式提供，其中，使加压流体与灌注成分的表面相接触。一旦达到所需程度的固化，就释放压力，从而使金属壳向混凝土或砂浆衬里施加期望的压缩力。

在一个示例性实施例中，模具组件包括：限定管的金属外部的筒形金属壳；与金属壳的底部可操作地连接的底部元件；与金属壳的顶部可操作地连接的顶部元件。内模具元件同心地定位在金属壳内。环形混凝土或砂浆室形成在金属壳和内模具元件之间，用于容纳一定量的混凝土或砂浆成分。在一个示例性实施例中，内模具元件的直径能够减小，以便能在形成后允许从模具取出压铸衬里管。该组件还包括流体加压介质引入装置，用于将流体加压介质例如水引入模具并引到混凝土或砂浆成分的表面上，以便混凝土或砂浆成分使金属壳膨胀。

本发明的压铸衬里钢管提供了期望水平的管刚度和抗内部腐蚀性，能与传统的PCCP或混凝土衬里钢管所提供的通常最小为50年的使用寿命相匹配。此外，本发明的这种管能够提供期望程度的保护以免受外部腐蚀和阴极干涉。进一步地，本发明的管可形成为具有减小的金属壳或钢管壁厚，从而期望地节省了原材料成本。

附图说明

通过参考下面结合附图考虑的详细描述，将更好地理解本发明的这些以及其他的特征和优点，其中：

图1是根据本发明原理构造的一个示例性实例的压铸钢管的侧透视图；

图2是用于制造图1的压铸钢管的一个示例性实例的工艺的侧剖面图；

图3是用于制造图1的压铸钢管的另一个示例性实例的工艺的侧剖面图；以及

图4是用于制造图1的压铸钢管的另一个示例性实例的工艺的侧剖面图。

具体实施方式

根据本发明原理的压铸衬里钢管(PCSP)及其制造方法包括被金属壳或钢管包围的混凝土或砂浆衬里，即避免像上述的传统PCCP一样使用张紧钢丝或预应力钢丝。如下面更加详细描述地，衬里厚度和壳厚度的比例能够并且将根据特定最终用途所需的特定工程设计要求和/或性能标准而变化。

这种PCSP结构的特征是，它们根据一种或多种不同的压铸技术制造，所述压铸技术可在对包围的金属壳和最终的管结构预加应力的过程中在现场形成混凝土或砂浆衬里，从而避免了多个步骤，这些步骤例如涉及到单独地形成与金属外管壳相结合的预制混凝土或砂浆衬里以便进行后续应力引入处理。正如在此所使用的，术语“在现场”用于表示混凝土或砂浆成分(用于制造混凝土或砂浆衬里)形成和固化的同时被加压，以便使包围着的金属外壳或钢管处于受应力状态。

本发明的PCSP的特征是，它们的构造方式为，给具有混凝土或砂浆衬里的金属壳预加应力，使得可以通过内部流体压力来增大钢应力，而不用担心会使衬里不利地破裂。此外，压缩的混凝土或砂浆衬里也有助于在投入使用时抵抗运输载荷、安装载荷和土载荷。本发明的PCSP还可以涂覆有多种介电涂层，从而提供期望水平的外部防腐。这样就消除了附近管线和运输***带来的阴极干涉的问题，在这类管中使用的钢具有比预应力钢丝更低的屈服应力，因此在阴极保护的作用下更不容易发生氢脆。

图1示出了根据本发明原理构造的PCSP10，该PCSP10大致包括筒形金属或钢的壳、套、管或罩12，其包围由期望的混凝土或砂浆成分构成的内衬里14。该内衬里14同心地布置在壳12的内径之内，在一个示例性实施例中与壳直接接触，即没有其他类型的中间材料***在衬里和壳之间。

PCSP10包括与管10的一个轴向端18相连的喇叭口形端部16和与管10的相对端21相连的插头(spigot)20。该插头20设计成具有一外径，其尺寸和形状适于装配在另一管的喇叭口形端部16中，并且该插头20包括一个或多个围绕其圆周布置的环形槽22，所述环形槽构造成在其内分别容纳一个或多个环形密封元件或密封物(如图2所示)，以便在相邻管端部之间提供期望的防漏密封。承插连接端部16和20可以构造成与传统钢管所使用的相同或相似，以及使用合适的焊接技术与金属壳的端部相连。密封元件可以由弹性体材料构成。正如钢管设计领域的普通技术人员所能理解地，传统钢管所用的其他连接技术例如使用成型的承插连接端部或其他不同地构造的端部、对焊的平头管或搭焊的钢管也同样适用于PCSP。

尽管图1所示PCSP的一个示例性实施例具有特定类型的端部，但是应该理解，本发明的PCSP可以根据特定的最终用途构造成具有不同类型的端部。例如，PCSP可以具有联接环(形式为所示出的承插连接)，或者可以在现场对焊，或可具有滑动配合钢管外径以便现场搭焊的陷型喇叭口，或者可具有包括用于密封在钢管外径上的密封槽的陷型喇叭口，或者可具有装配在陷型喇叭口(陷型到管壁中)内的轧制插头槽(插头轧入管壁)。应该理解，根据本发明原理构造的PCSP可包括所有这些提到的形式。

PCSP的另一个特征是，在将成品管布置在应用目的地之前，例如在管运输并埋入地下一定深度之前，通过操作直接作用在衬里上的金属壳12，使混凝土或砂浆衬里14处于期望的压缩状态。在一个示例性实施例中，在铸造(即浇注和固化)衬里14的过程中对金属壳12施加期望程度的应力，以便使衬里一旦固化就处于期望的压缩状态，以满足期望的管性能标准，例如满足特定最终用途。

PCSP的壳和衬里的厚度可以并且将根据特定设计/性能标准和/或最终用途而变化。PCSP的一般特征是，金属壳厚度远小于传统钢管(即，不包括处于压缩状态的混凝土衬里)的金属壳厚度。在压缩状态下较薄的金属壳与较厚的衬里相结合可允许使用传统钢管不可能达到的D/t比例，这将具有更大的柔性来抵抗在这种更高D/t比例时的搬运载荷和安装载荷。这样，就可以使用较高的设计应力来设计较薄的金属壳，而不会在操作压力下不利地使混凝土或砂浆衬里破裂。与PCCP中使用张紧钢丝或预应力钢丝相比，使用钢壳将衬里置于期望的压缩状态下，这样就提供了更坚固的结构，这种结构更耐外部腐蚀并且提供了比张紧钢丝或预应力钢丝更可预测的失效机理。

例如，当在传统的PCCP中使用的张紧钢丝或预应力钢丝由于外部腐蚀而失效时，其结果是作用于混凝土衬里上的压力突然损失，从而导致管突然失效。此外，当管处于地下时，难以对断裂的张紧钢丝进行维修。本发明的PCSP具有与钢管相似的失效机理，即，这种失效机理的特征是穿过钢壳的逐渐泄露，不会导致对混凝土或砂浆衬里的压缩突然损失，并且可以通过利用焊接工艺使用外部金属补丁等在现场方便地进行维修。

根据本发明原理制造的PCSP包括混凝土或砂浆衬里或芯和包围的金属壳或钢管。衬里对壳的相对厚度可根据工程设计标准、所使用的材料特性以及期望的性能而变化。在一个示例性实施例中，衬里对金属壳壁厚的比例范围是大约5∶1至80∶1，优选的范围是大约10∶1至50∶1。衬里的典型强度范围是大约3,000至10,000psi，当内部压力减小到零且外钢管上的应力部分地传递给混凝土或砂浆芯时，衬里上的预应力的范围是大约500psi至6,000psi。根据所需的压力等级以及外钢壳中所用钢的屈服点，钢壳的容许设计应力的范围是大约25,000至72,000psi。

一般来说，期望的是衬里或芯为金属壳厚度的大约10至50倍。作为一个实例，筒形金属壳初始地在压力作用下被施加大约42,000psi的应力。这是目前钢管设计应力的两倍，使得钢管壁的厚度为目前壁厚的约一半。由于钢代表了管的主要材料成本，因此PCSP中钢构件的壁厚减小一半意味着大大节省了原材料成本。

在形成PCSP的过程中在释放铸造压力后衬里、芯或内管的直径减小取决于芯的厚度和模量、金属壳或钢管的厚度以及在铸造压力下钢中的应力大小。在钢筒和芯(即它们是彼此相对的两个弹簧)之间形成力平衡。芯中应变的变化也必须等于钢管中应变的变化。可以建立一系列的方程式来匹配这些标准。参照内径为84英寸的PCSP作为实例，提供下面的方程式。

84英寸、150级的压铸钢管

该制造方法包括在混凝土衬里的铸造和固化过程中给外钢管和模具加压。在铸造过程中给模具加压使外钢管处于张紧状态。

当释放了在铸造操作过程中保持的压力时，外钢管将收缩到混凝土衬里上。外钢管将持续收缩，一直到混凝土衬里中的力等于钢管所施加的力。可以定义以下方程式。

每单位长度钢的力＝每单位长度混凝土的力    方程式(1)

每单位长度钢的力＝t_钢·σ_钢               方程式(2)

每单位长度混凝土的力＝t_混凝土·σ_混凝土   方程式(3)

将方程式(2)和(3)代入方程式(1)

t_钢·σ_钢＝t_混凝土·σ_混凝土

方程式(4)

Δε_混凝土＝Δε_钢                        方程式(5)

                                                方程式(6)

                                                方程式(7)

将方程式(6)和(7)代入方程式(5)

                                               方程式(8)

将方程式(4)代入方程式(8)

                                 方程式(9)

对于管的设计假定以下标准：

ID_管＝84in              管的内径

SMYS＝60000psi          管壁中钢的额定最低屈服强度

压力等级＝150psi        工作压力

t_混凝土＝4in            混凝土芯的厚度

E_混凝土＝4000000psi     混凝土的模量

E_钢＝30000000psi        钢的模量

ID_钢＝ID_管+2·t_混凝土   用于生产额定管内径的钢管内径

ID_钢＝92in

σ_钢设计＝0.72·SMYS    在72％SMYS下的钢的容许设计应力

σ_钢设计＝4.32×10⁴psi

σ_钢铸件＝0.90·SMYS    铸造操作过程中的钢应力。该应力应该等于或低于钢的额定最低屈服强度(SMYS)的90％

σ_钢铸件＝5.4×10⁴psi

仅对于压力载荷而言在容许设计应力下的钢厚度

t_钢＝0.1597in

在90％SMYS下的铸造压力

铸造压力＝187.5psi

直径对厚度的比例。目前钢管设计的最大容许值为大约220

DoverT＝576

一般介于10和50之间，以获得混凝土预应力和厚度的实用水平。对于具体应用，该比例可以更高或更低。

T混凝土OverT钢＝25.043

它是释放铸造压力后钢中的预应力

σ_钢＝4.156×10⁴psi

在零压力状态下的混凝土应力。它是释放模具中的压力后混凝土中的预应力

σ_混凝土＝1.659×10³psi

传统钢管与压铸钢管的管刚度比较

对于传统钢管：

t_衬里＝0.5in          传统钢管的衬里厚度

                        钢管大致厚度，以满足传统钢管设计中D/t为220

t_钢＝0.423in

E_混凝土＝4000000psi   混凝土衬里的模量

E_钢＝30000000psi      钢的模量

截面                  面积

混凝土衬里

A_混凝土＝0.067in

钢管壁

Y_钢管壁＝0in

A_钢管壁＝0.423in

可以按下述来计算面积的和：

SUM_面积＝A_混凝土+A_钢管壁

SUM_面积＝0.489in

可以按下述来计算面积与到参考质心距离的乘积之和：

SUM_Y面积＝A_混凝土·Y_混凝土+A_钢管壁·Y_钢管壁

SUM_Y面积＝0.031in²

可以按下述来计算从钢管壁中间(初始假定质心的参考位置)到总管壁质心的距离：

Y_管壁＝0.063in

按下述来计算每单位长度的各层绕自己中性轴的惯性矩：

I_混凝土＝0.01in³

I_钢管壁＝6.295×10^-3in³

按下述来计算所有层的EI值的和：

EI_混凝土＝E_混凝土·[I_混凝土+t_衬里·(Y_管壁-Y_混凝土)²]

EI_混凝土＝3.593×10⁵in·lbf

EI_钢管壁＝E_钢·[I_钢管壁+t_钢·(Y_管壁-Y_钢管壁)²]

EI_钢管壁＝2.389×10⁵in·lbf

EI_总管壁＝EI_混凝土+EI_钢管壁

EI_总管壁＝5.982×10⁵in·lbf        它是管壁的总“EI”值。该值必须代入AWWA Manual M45的方程式5-14中，以正确地算出总的管刚度

D_质心＝ID_管+2·t_衬里+t_钢-2·Y_管壁  传统钢管的质心直径

D_质心＝85.297in

使用ASTM D2412按下述来确定管刚度PS：

PS_传统钢管＝51.758psi              传统钢管的管刚度

对于压铸钢管：

t_钢＝0.16in  如上的压铸钢管的厚度

t_Stl＝t_钢    设定钢厚度为下面使用的变量名

t_混凝土＝4in     如上的压铸钢管混凝土衬里的厚度

t_Con＝t_混凝土    设定混凝土厚度为下面使用的变量名

E_混凝土＝4000000psi    混凝土衬里的模量

E_钢＝30000000psi       钢的模量

截面                   面积

混凝土衬里

A_混凝土＝0.533in

钢管壁

Y_钢管壁＝0mm

A_钢管壁＝0.16in

可以按下述来计算面积的和：

SUM_面积＝A_混凝土+A_钢管壁

SUM_面积＝0.693in

可以按下述来计算面积与到参考质心的距离的乘积之和：

SUM_Y面积＝A_混凝土·Y_混凝土+A_钢管壁·Y_钢管壁

SUM_Y面积＝1.109in²

可以按下述来计算从钢管壁中间(初始假定质心的参考位置)到总管壁的质心的距离：

Y_管壁＝1.601in

按下述来计算每单位长度的各层绕自己中性轴的惯性矩：

I_混凝土＝5.333in³

I_钢管壁＝3.396×10^-4in³

按下述来计算所有层的EI值的和：

EI_混凝土＝E_混凝土·[I_混凝土+t_Con·(Y_管壁-Y_混凝土)²]

EI_混凝土＝2.501×10⁷in·lbf

EI_钢管壁＝E_钢·[I_钢管壁+t_Stl·(Y_管壁-Y_钢管壁)²]

EI_钢管壁＝1.229×10⁷in·lbf

EI_总管壁＝EI_混凝土+EI_钢管壁

EI_总管壁＝3.729×10⁷in·lbf          它是管壁的总“EI”值。该值必须代入AWWA Manual M45的方程式5-14中，以正确地算出总的管刚度

D_质心＝ID_管+2·t_Con+t_Stl-2·Y_管壁    (管的质心直径)

D_质心＝88.959in

使用ASTM D2412按下述来确定管刚度PS：

PS_压铸钢管＝2.844×10³psi            回顾两个管的刚度值，可以看出新的压铸钢管比传统钢管的刚性大，并且更能够支撑管的搬运载荷、安装载荷和土载荷

PS_传统钢管＝51.758psi

压铸过程中混凝土高度的变化：

管长＝24ft

Δ体积＝3.989ft³

ΔH＝6.233in        在压铸操作过程中混凝土高度的下降

可以使用多种不同的压铸技术制造本发明的PCSP。根据特定的压铸模制***，这些技术可包括水平或竖直压铸。图1示出了竖直压铸技术的使用和相关的组件，其中，在竖直定向的模具组件中浇注和铸造混凝土或砂浆成分，以便在现场形成衬里，同时向包围的金属壳或钢管施加期望的应力。一旦去除了应力，金属壳就使所得PCSP的最终固化衬里处于期望的压缩状态。在一个示例性实施例中，该示例的技术包括通过使用等静压装置对浇注的混凝土或砂浆成分加压以便对金属壳施加期望的应力，例如施加一定量的加压流体(例如水)与混凝土或砂浆成分的表面接触。

图2示出了用于根据上述原理制造PCSP的示例组件30。在该示例性实施例中，筒形金属壳32形成有如上所述与壳的各端相连的端部34和36。金属壳的壁厚可以处于如上所述的范围内。在一个示例性实施例中，金属壳或钢管可以在端部34和36焊接于其上的情况下在滚筒机(drum cylinder machine)上制造。在一个示例性实施例中，金属壳由X60钢构成。

筒形金属壳32定位在底环38之上，该底环位于组件30的基部或底部位置处。底环38包括大致环形的本体39，该本体可包括一个或多个槽40，槽40沿底环的外壁面周向延伸且定位成与壳端部36的内壁面相邻。该底环由结构刚性材料例如金属材料构成，在一个优选实施例中该优选材料是钢。

该一个或多个槽40的尺寸和形状能够在其内容纳一个或多个各密封元件42，其中，该一个或多个密封元件42的尺寸和形状能够接合金属壳端部36的内径并形成密封。在一个优选的实施例中，底环包括沿外表面在轴向上彼此分开期望距离的一对槽40，还包括布置于槽内的形式为环形环的各个密封元件42。环形密封环42优选地由弹性体材料例如橡胶等构成，能够提供与金属壳端部的密封接合。

底环38包括上表面或顶表面44，其形成环形混凝土或砂浆浇注腔或室46的封闭底端。底环38还包括沿底环38的内径周向定位的槽48。该槽48的位置、尺寸和形状适合容纳密封元件50，以便接合可收缩的内模具元件52的相邻外壁面并形成密封。

底环38还包括离开底环内径从本体39向内径向突出的部分，例如，该部分与大致筒形的排量管(displacement pipe)54相连，从而排量管54的底端安装在底环上。如图2所示，可收缩的内模具元件52同心地位于排量管54的外径周围。可收缩的内模具元件和排量管均由结构刚性材料例如金属材料构成，在一个优选实施例中可收缩的内模具元件和排量管都由钢构成。

可收缩的内模具元件52可由被轧制成筒形的单个材料薄板形成，或者可由多个焊接或以其他方式连接在一起形成为筒形的嵌板或薄板形成。在一个示例性实施例中，可收缩的内模具元件为筒形薄板，所述筒形薄板具有沿内模具元件的长度纵向延伸的两个端部。这两个端部配置成能够朝彼此向内移动，例如朝彼此卷绕，以便减小内模具元件的直径，从而使内模具元件收缩，以便于从其上取下形成的PCSP。

在一个示例性实施例中，可收缩内模具元件的两端部通过一机构彼此相连，所述机构用于在浇注和加压操作过程中使内模具元件的直径保持固定，以及该机构能够用来使内模具元件的两端部一起移动，从而收缩模具元件，以便于从形成的混凝土或砂浆芯上释放模具元件。内模具元件还被构造成在压力作用下浇注和形成PCSP的过程中使混凝土或砂浆成分的泄露最小。在一个优选的实施例中，在可收缩的内模具元件两端部之间设置闸门，该闸门可被远程致动，以在合适的操作阶段减小内模具元件的直径，从而能从形成的PCSP上取下内模具元件。

底部加强环56沿与底环38相邻的可收缩内模具元件52的内径表面定位，并帮助提高可收缩内模具元件的底端部分和底环之间期望的密封接合。底部加强环56可由结构刚性材料形成，并可包括一个或多个单独或一起构成环形支撑的元件，所述环形支撑同心地定位在可收缩内模具元件的底端部分内侧。在一个示例性实施例中，底部加强环由钢构成，并焊接到内模具元件的底部部分。

在组件30的顶部，环形顶环58定位成与金属壳32顶端相邻。在一个示例性实施例中，顶环包括筒形外部部分60，其同心地围绕金属壳32的端部34定位。外部部分60具有内径，其尺寸和形状适合在该内径的下部区域中放置端部34。密封元件62位于一个或多个槽64内，槽64围绕端部34周向布置，以提供顶环58和金属壳32之间的密封。该密封元件62可以是由弹性体材料例如橡胶等制成的环形元件。

尽管图2的实施例示出了在组件的顶部和底部使用布置在槽内的密封元件，所述槽分别布置在壳端部和底环上，但是应该理解，用于在混凝土或砂浆室46的顶部和底部形成期望密封的具体密封机构可以是除了所描述的和示出的以外的，并且这些变例应该理解成落入本发明的范围内。

顶环外部部分的内径还包括中央区域，该中央区域的尺寸和构造适合接纳加压介质以及适合在插头34之上容纳所需额外容积的混凝土或砂浆。由顶环提供的额外容积可用于弥补在加压过程中当外钢管或壳32的直径在压力作用下增大时室46内发生的容积增大。对于4英寸厚的混凝土衬里来说，在加压过程中典型的容积变化会导致竖直高度损失大约6至7英寸。顶环构造成帮助适应这种容积变化。

在一个示例性实施例中，加压介质是水，并且顶环的中央区域的尺寸被设计成具有竖直高度以解决加压过程中发生的混凝土或砂浆的容积变化，以及具有的直径比顶环底部区域的直径小。以这种方式确定顶环外部部分内径的尺寸就可限制在装配过程中将端部34***于顶环外部部分中的程度，装配好就能将混凝土或砂浆成分浇注到组件30以及室46中，然后对浇注的混凝土或砂浆成分加压。

顶环外部部分60包括内径顶部区域，其尺寸和形状适合在其内放置顶部元件或压力顶部或盖66，顶部元件66布置在组件30的顶部之上。在一个示例性实施例中，内径顶部区域的直径比中央区域的直径更小，以控制顶部元件66在其内的轴向布置，例如，使得其不会进入中央区域。

顶环58还包括内部部分68。在一个示例性实施例中，通过对中角撑板(未示出)，该内部部分焊接到顶环58上。该内部部分68从外部部分60径向向内地定位，并且从排量管径向向外地相隔一定距离，处于与可收缩内模具元件52的上端相邻的位置。内部部分68包括一对向下突出的唇缘或环70，所述唇缘或环70的位置和尺寸适合在它们之间布置可收缩内模具元件52的顶端。

在一个示例性实施例中，可收缩内模具元件52固定地与底环38的定位特征对齐，并且至少一个顶环唇缘70用来限制可收缩内模具元件的径向向外移动。在一个示例性实施例中，唇缘70和顶环60以单个组件的形式提供。此外，不与可收缩内模具元件接触的另一唇缘定位成与排量管顶部部分的外表面相邻，以帮助将内模具元件52的顶端定位成与金属壳32的端部34同心。

顶部加强环72沿可收缩内模具元件52的内径表面定位并与顶环内部部分68相邻，并且顶部加强环72帮助把可收缩内模具元件52压靠在唇缘70上。顶部加强环72由结构刚性材料构成，并可包括一个或多个单独或一起形成环形支撑的元件，该环形支撑同心地定位在可收缩内模具元件顶端部分内侧。在一个示例性实施例中，顶部加强环72由钢制成，并焊接到可收缩内模具元件52的端部。

顶部元件或压力顶部66包括环形元件，它径向地定位在顶环外部部分60(沿着外径)和与排量管54上端相连的顶部部分74(沿着内径)之间。顶部部分74能够适应在加压操作过程中由于内部压力产生的来自顶部元件66的推力。

压力顶部66包括外径壁面，该外径壁面定位成与顶环外部部分60的内径顶部区域相邻，并且压力顶部66包括围绕其沿周向延伸的槽76。环形密封元件78布置在该槽内，并可由弹性体材料构成，以给顶环外部部分提供期望的密封。可替换地，顶环内径顶部区域可构造成具有可容纳密封元件的槽。

压力顶部66还包括内径壁面，该内径壁面定位成与排量管顶部部分74的外表面相邻，并构造成提供与之密封接合。在一个示例性实施例中，排量管顶部部分包括沿其外表面在圆周方向布置的槽80，该槽的尺寸适合容纳环形密封元件82，其中，该密封元件可由弹性体材料构成，例如与如上所述的在该组件30中使用的其他密封元件相同。

锁定元件84位于压力顶部66的顶部，并构造成将压力顶部66可拆卸地固定布置在顶环58上，以封闭和锁定模具元件就位。在一个示例性实施例中，锁定元件84为卡环之类的形式，其定尺为具有内径边缘，该内径边缘能够与沿排量管顶部部分74的外径布置的槽86对齐。锁定元件接合在槽86中，以抵抗压铸操作过程中作用在顶部元件66上的压推力。

排量管54为从顶部部分74向下延伸到底环38的大致筒形元件，并可包括一个或多个肋88。该一个或多个肋用于使排量管稳定，以防止在压铸操作过程中施加于模具元件上的外部压力导致的收缩，并且该一个或多个肋可在排量管的完全相对的部分之间延伸和/或延伸到位于中央的安装毂或类似物(未示出)，该安装毂也是用来稳定排量管布置以及使成型PCSP的过程中排量管的径向移动或偏斜最小。

排量管54包括穿过管壁定位的入口90，以便于加压介质例如水向组件中的输送。该入口包括防漏连接端92，以便于其与传统的加压介质输送装置例如输水管相连。在一个示例性实施例中，入口90位于排量管54底部附近，并构造成从合适的加压装置例如从泵之类的排出端接受加压水的输送。

以下面的方式操作上述组件30来形成PCSP。在将压力顶部66和锁定元件84布置在组件的顶部部分上之前，把期望量的混凝土或砂浆成分浇注或以其他方式输送到在金属壳32和可收缩内模具元件52之间形成的室46中。

在一个示例性实施例中，混凝土或砂浆成分包括具有以下特性的混合物。一个期望的特性是，混凝土或砂浆是自流平，就像液体一样。这是期望的，因此混凝土或砂浆会把施加于其表面的压力从管顶部传递到管底部，并径向向外地传递以使钢管膨胀。第二个特性是，混凝土或砂浆可以是易膨胀的。使用易膨胀混合物有助于使蠕变和干燥收缩导致的不期望的体积损失最小和/或消除，从而有助于在操作过程中维持管壁上的期望应力。

在一个优选的实施例中，当内部压力达到工作压力时，混凝土芯的预应力将非常小或被消除。混凝土芯中最大的拉伸应变将被限制，从而确保混凝土芯与金属壳的内径接触，或者在混凝土芯和金属壳内径之间仅存在很小的环形间隙。这种接触或紧邻将有助于确保混凝土芯能提供所需的高碱性环境，以保护钢在大概50年的时间内不会腐蚀。在一个优选的实施例中，钢将承受压力载荷，而不需要使用任何可用钢应力来承受土载荷或混凝土或砂浆芯的反作用。芯和相邻的回填支撑物将提供所需的刚度，以支撑来自土壤重量、管重量和水重量的外部负荷。在一个示例性实施例中，混凝土或砂浆成分是自流平的，且收缩很有限，并且是非增强型的，例如不包括任何钢筋或其他布置于其中的金属加强元件。

根据例如PCSP长度和期望的混凝土衬里厚度等因素，可以改变以这种方式制造PCSP所用的混凝土或砂浆成分的量。将混凝土或砂浆成分输送到室46中，直到浇注料的顶面延伸到端部34的顶部边缘。在一个示例性实施例中，将混凝土或砂浆成分输送到模具中，使得其表面延伸一段距离到顶环58中。如上所述，顶环58用于提供额外容积的混凝土或砂浆，以用于解决在加压过程中由于钢壳向外膨胀而导致的模具内混凝土或砂浆表面高度向下移动。在一个示例性实施例中，布置在端部34上方的混凝土或砂浆容积足以弥补加压过程中的竖直高度变化，使得混凝土的最终高度刚好与端部34的顶部平齐。以上给出的方程式提供了对压铸过程中混凝土高度竖直下降的计算示例。

一旦混凝土成分浇注到室46中并且在其得以固化前，压力顶部66和锁定元件84被装载到组件顶部上方的位置。然后，在期望的工作压力下，通过水入口90引导水进入模具组件。水流入组件，填充在排量管54和可收缩的内模具元件52之间形成的环形水室94中。水还流动到组件的顶部，填充组件的上部室96，该上部室位于混凝土或砂浆成分表面的上方，并且大致限定在顶环的中央区域内。组件内的水在室94、96内具有相同的压力，从而用于向混凝土或砂浆成分施加期望的应力，同时支撑可收缩芯在组件内的径向布置位置，例如，相同的压力施加在可收缩内模具元件的两侧，以便保持其在组件内的径向位置。

在混凝土或砂浆成分的铸造以及固化的过程中，组件中水的压力在所需时间段内保持在恒定的水平。使用水作为加压介质可根据需要在加压过程中提供补给水，从而解决在各个密封环处发生的任何泄露，而不用担心导致泵发生故障，即，水不会在加压泵中固化，但如果使用混凝土或砂浆压力泵保持压力时则可能在加压泵中固化。对混凝土或砂浆成分加压的准确时间量随特定的管设计和/或性能标准、所用的混凝土成分类型以及特定的最终应用而改变。

参考下面的实例能更好地理解根据本发明原理的PCSP及其制造方法。

实例-使用图2所示的组件通过输送混凝土成分来形成PCSP，该组件具有内径为大约92英寸的金属壳，所述混凝土成分包括大约750磅的水泥(类型为I/II)、1490磅的粗集料、1400磅的沙子、319磅的水、60液体盎司的高效减水剂(Glenium7700)、10液体盎司的粘度改性剂(VMA 538)，以及还包括少量的气孔(2.5％)，其中，成分的总重为大约3959磅。如果期望，可以用膨胀剂例如CTS水泥制造公司生产的Komponent替代上面成分中公开的一部分水泥成分(按重量计15％至20％)，以补偿由于干燥和蠕变导致的收缩。将该成分输送到混凝土或砂浆模腔中。可收缩的内模具元件定位成使得获得的固化混凝土衬里的内径为大约84英寸。金属壳以钢壳的形式提供，其壁厚为大约0.16英寸。对于该PCSP来说，期望的混凝土衬里的壁厚为大约4英寸。在将混凝土成分输送到模腔中后，把水引入模具组件，使得其覆盖混凝土成分的表面。把组件中的水加压到一定压力，以便在钢中产生的应力为额定最小屈服强度(SMYS)的大约90％。在这种情况下，钢是最小屈服强度为60,000psi的X60，因此产生54,000psi所需的内部压力为大约188psi。注意：在给出的实例中，D/t为92/0.16＝575，这超过了水管设计的惯例，并且仅在能够支撑外部土载荷的较厚混凝土衬里时可行。在该水平保持水压大约24小时，从而向钢管施加大约54,000psi的应力以使其膨胀。经过24小时的高温固化后，例如在140°F至160°F，可收缩的内模具元件移动到其收缩位置且组件内的水压被释放，从而使钢管收缩到混凝土芯上，使混凝土芯处于压缩状态。从组件中取出获得的PCSP，然后在环境压力条件下使PCSP继续固化。一旦开始高温固化之后，PCSP的混凝土芯就处于大约1659psi的压缩应力作用下。参考上面提供的一系列方程式，它们提供了一种示例性的计算。

以所描述的方式制造PCSP的特征是使用水作为加压介质，而不是使用混凝土本身或砂浆作为加压介质。使用混凝土成分或砂浆作为加压介质的缺点是，由于混凝土成分的固有磨蚀性质以及众所周知的在成分固化时随时间发生的流变特性变化，会对加压装置例如泵之类造成损害，从而使得保持期望恒定的压力变得更加有挑战性。

使用水作为加压介质来给混凝土或砂浆成分加压可避免上述问题，并且能够以使用传统泵送设备就相对容易实现的方式并且以不受混凝土成分固化影响的方式对混凝土成分施加恒定的压力。此外，由于混凝土成分是自流平的，因此它在很大程度上像水一样并将施加于模具中成分表面上的压力传递给金属壳。该传递的压力使金属壳直径变大，就像在通常的水压试验压力作用下一样。如果在加压过程中在任何密封表面发生了任何微小的泄露，水加压装置例如泵送装置能够容易地弥补损失，以保持金属壳张紧。由于混凝土或砂浆成分能够在水的作用下固化，因此水压盖可允许混凝土或砂浆成分固化，同时如果存在混凝土或砂浆成分的任何泄露的话，还能通过补给水来保持期望的加压作用力。

一旦在一段期望的时间内对混凝土或砂浆芯施加期望的压力后，就通过从组件排出水来释放压力，以使金属壳收缩到固化的混凝土衬里或芯上，从而通过使芯压缩来对芯预加应力。一旦这样之后，混凝土或砂浆衬里的内径也就减小，从而使其夹紧在可收缩的芯上，从而需要使用可收缩的内部芯元件，以便于其从新形成的PCSP管上去除。在一个优选的实施例中，一旦已对PCSP加压了期望的时间后，可收缩的内模具元件在释放组件内的压力前先发生收缩，以避免由于芯的夹紧力而损坏内模具元件，以及便于或易于内模具元件直径的收缩或以其他方式减小。

在一个示例性实施例中，模具组件构造成使得室94和96内的水压相同，例如，这两个室构造成使得室94和96内部的水压彼此流体连通。在图2示出的示例性实施例中，由于没有密封，加压水将从室94越过唇缘或定心环70流到室96。如果期望，可以设置槽和/或孔，以增大室94和96之间的所需的水流通。

一旦内模具元件收缩且压力被释放，那么就去除压力顶部66，然后拆下模制/加压组件的其余元件。从底环38上取走PCSP。将取出的PCSP输送到期望的地点，以便使混凝土或砂浆衬里在环境压力下以及在水合环境中(例如，能够根据需要对其加水以促进进一步的固化)进一步固化。在一个示例性实施例中，可竖直地铸造混凝土成分并对其施加大约188psi的压力持续大约24小时，在这段时间之后，释放压力并取出PCSP管，以便于在大约二十八天的时间内在环境压力下进一步地固化。在一个示例性实施例中，PCSP可在第一个24小时内被蒸养，同时保持模具内的铸造压力。24小时的蒸养可使PCSP等效于7天的环境固化水平，该水平通常是28天时强度的80％。高温蒸养加快了固化速度，从而允许从压铸组件中更快地取出PCSP，从而提高了制造更多PCSP的生产率。

图3示出了用于根据上述原理制造PCSP的另一个示例性组件200，该组件与上面公开及图2所示的组件有点相似，即，同样使用可收缩的内模具元件和水加压介质来压铸和形成PCSP。大体上，该组件使用筒形金属壳202，该金属壳包括端部204和206并且限定了最终PCSP的外表面。组件200包括环形的底环208，它位于组件的底部并与端部206的内表面密封接触。底环可与图2示出的组件所用的上述底环以大致相同的方式构造。

大致筒形的排量管210同心地布置在金属壳202内，并从底环208纵向向上延伸到排量管的上部环212，该上部环与位于组件200上部部分的顶盖组件213相接触。排量管大致以与上面对图2所示组件所描述地相同方式构造，并包括穿过壁部的水入口214，用于把加压水接纳到组件中。

可收缩内模具元件216径向地***在金属壳202和排量管210之间。可收缩的内模具元件以与上面对图2所示组件所描述地相同方式构造，并用来与金属壳一起形成模室或模腔218，以便在其中接纳和铸造混凝土或砂浆成分。上部和下部加强环或带220和222用于使可收缩的内模具元件保持在期望的径向位置。

顶环224固定在顶盖组件213上，并位于金属壳的端部204上，环形密封元件226可用于在该端部和顶环之间形成期望的密封。顶环224包括内径，该内径与可收缩内模具元件的外径部分一起形成浇注腔228。顶环224包括至少一个向下突出的唇缘或环230，以对齐可收缩的内模具元件216的外表面，以在压铸过程中限制其径向移动。

顶环部分212与排量管210的上端相连。顶盖组件213位于排量管210的顶环部分212之上。顶盖组件213包括穿过开口的填充管232，所述开口延伸穿过顶盖组件213的环形上部环236和环形下部环231，以便于在加压前将混凝土或砂浆成分输送到浇注腔218和228中。填充管232可包括不透水连接端部，以适合与适当的混凝土或砂浆输送装置例如管之类相连。在一个示例性实施例中，填充管232具有大约4英寸的直径，以便于混凝土或砂浆通过其进行泵送或浇注。在一个示例性实施例中，顶盖组件213和顶环224组合成一个焊接在一起的元件，位于环形下部环231处。

顶盖组件213由环形上部环236和环形下部环231构成，上部环236和下部环231分隔开并通过角撑板固定在一起。使顶盖组件213与环形密封件234和226密封接触。通过使用锁定元件238例如卡环等，使顶盖组件保持定位。在一个示例性实施例中，锁定元件238是卡环，它通过接合到槽内而处于锁定位置，所述槽沿与排量管210相连的端环212的相邻表面布置。

用来形成组件200的上述所有元件的材料可以与用来形成图2所示组件30的上述相同元件的材料相同。

以这种方式构造的组件200按下面的方式操作以形成PCSP。当与图2的组件相比时，图3示出的组件允许在将混凝土或砂浆成分输送到组件内之前使顶盖组件213放置并锁定就位。然后，借助填充管把期望量的混凝土或砂浆成分输送(例如浇注或泵送)到组件中，从而填充室218和至少一部分室228。

如图3所示并且如对图2所示组件的上述说明，混凝土或砂浆成分的填充高度处于端部204之上的期望距离处，以弥补由于金属壳的向外膨胀而导致的在加压过程中混凝土表面高度的下降。在一个示例性实施例中，组件200可包括定位成与填充管成大约180度的另一个管，该管可用作观察管，以便确定何时达到期望的混凝土表面高度。如果期望，在观察管中可布置浮子或类似物，以便于准确地确定填充高度。

一旦已经输送了混凝土或砂浆成分，填充管关闭且通过入口214以期望的压力将水引入组件。加压水填充排量管210和可收缩的内模具元件216之间的环形空间，然后经过可收缩内模具元件的顶边缘并进入浇注腔228，在此，加压水对混凝土或砂浆成分加压。水压向混凝土或砂浆成分施加期望的压应力，并以上面对图2所示组件所描述的相同方式将其传递给金属壳。

图4示出了用于根据上述原理制造PCSP的另一个示例性组件100。与图2和3所示使用可收缩内模具的示例性组件不同，图4所示的组件实施例使用了壁元件，例如囊、玻璃纤维管或类似物，其能够用于在浇注和压铸过程中形成混凝土衬里的内径，并且一旦形成了PCSP就可通过释放室152中的初始膨胀压力来从混凝土衬里芯上取下所述壁元件。

组件100使用了金属壳102以及端部104和106，端部104和106分别与相对的顶部和底部壳端相连。金属壳和所述两个端部可以与上面描述的以及图2和3示出的相同。环形底环108位于组件100的底部，并包括沿外径在圆周方向定位的槽110，该槽的尺寸和形状适合容纳密封元件112，以用于与端部106的内表面形成密封。底环还包括内径部分114，其构造成适合在其中放置排量管底端。

底环108还包括用于接合壁元件116并与其形成密封的机构。在一个示例性实施例中，该机构的形式是密封环118，该密封环构造成装配在沿底环顶面布置的槽120内，并可通过螺纹连接装置122与底环可拆卸地连接。密封环构造成接合壁元件的端部，从而将其连接和密封到底环上。如果需要，可以使用密封元件124，以确保壁元件和底环之间的期望密封。

在组件100的顶部，顶环126包括位于端部104的一部分之上的外部部分128，且一个或多个环形密封元件130位于围绕端部104在圆周方向上布置的各个槽132内，从而与外部部分128形成密封。顶环126包括抵靠顶部部分136定位的内部部分134，所述顶部部分136与排量管138相连。排量管在底环和顶部部分之间纵向地延伸，并同心地定位在壁元件116之内。顶部部分136包括槽140，槽140中设有环形密封元件142，所述密封元件142与顶环内部部分134形成期望的密封。

根据被选择用作壁元件的材料类型，壁元件116通过合适的连接机构144与顶部部分相连。在壁元件的形式为弹性体囊的情况下，用于将其与顶部部分相连的连接机构可以是Signode捆绑带或类似物。应该理解，用于把壁元件116连接到顶部部分和底环的连接机构的确切类型和/或结构可以根据用于形成壁元件116的材料类型和/或结构而变化。例如，在壁元件116的形式为刚性但可膨胀的材料例如玻璃纤维管或类似物的情况下，连接机构可以和已经描述的那些不同。然而，连接机构的功能一般都是便于把壁元件的端部分别与顶部部分以及环元件连接，以及还能以最小化和/或消除壁元件任一侧不期望材料泄露的方式进行连接。

在一个示例性实施例中，顶部密封盖148焊接到顶环128上，以封堵模具组件。在该示例性实施例中，顶部密封盖148包括延伸穿过盖148的填充管(如在图3所示组件中显示的)，用于将期望量的混凝土或砂浆成分输送到组件中。

图4所示的组件100用于以下面的方式形成PCSP。一旦将期望量的混凝土或砂浆成分浇注、泵送或以其他方式输送到模腔或室146中达到水室150内的期望高度(如上所述，用于解决加压过程中混凝土表面高度的下降)且混凝土或砂浆填充源被封闭时，就引入加压水到组件100中，使得加压水覆盖浇注混凝土或砂浆成分的表面，并填充到布置在顶环128内的水室150中。

在组件100的一个实施例中，壁元件116是被动元件例如弹性体囊或类似物，且组件包括填充有期望量流体例如水的环形室或腔152。当模室150中的水压增大到期望水平时，由于直接作用在排量管上的被动反作用，环形腔152中的水压增大。在该实施例中，由于囊中的流体(即水)是不可压缩的，因此没有向壁元件本身施加真正的力。

在组件100的另一个实施例中，壁元件116是主动元件，例如同心地围绕排量管定位的玻璃纤维管。在该实施例中，在铸造混凝土芯之前，通过流体例如水对存在于排量管和该玻璃纤维管之间的环形室或腔152加压，玻璃纤维管在压力作用下膨胀。封隔腔152内的加压流体，并如上所述地把加压水引入模室150中，以压铸混凝土或砂浆衬里。

在该实施例中用于压铸混凝土或砂浆成分的水压以及压铸过程的时间可以与上面对于图2和3所示组件描述的相同。在该压铸过程中，水给混凝土或砂浆成分加压，该压力被传递给金属壳，从而使金属壳受力并向外膨胀期望的量。

一旦经过了规定的时间，就释放模室150中的水压，使金属壳收缩到固化的混凝土或砂浆衬里上，从而使混凝土或砂浆衬里处于压缩状态，以及使混凝土或砂浆衬里的内径减小。然后，释放上述两个实施例的环形室152内的流体，使一个实施例中的囊以及另一个实施例中的玻璃纤维管收缩并能从固化的混凝土或砂浆衬里的内径上分离，从而可从组件取出形成的PCSP。然后，拆卸这些组件元件，如上面对图2和3所示的组件实施例的描述取出得到的PCSP。

总的来说，以上述方式构造的PCSP是使用上述组件以及根据上述工艺方法经过大约1天或24小时的时间压铸形成的，从而允许混凝土或砂浆成分凝结并初始固化。用于形成本发明PCSP的混凝土或砂浆成分可包括期望量的膨胀添加剂或膨胀剂，以便在PCSP压铸过程中和压铸之后继续固化时实现增大和/或持续量的预应力。膨胀添加剂的使用还可以补偿混凝土或砂浆芯固化期间发生的固化收缩和干燥收缩，以及补偿由于从钢筒向混凝土衬里施加的压缩应力导致的混凝土或砂浆的蠕变。使用膨胀添加剂可以有助于在压铸过程和固化阶段中相对于金属壳中的压应力保持混凝土芯和金属壳上的最大预应力。

在一个示例性实施例中，不可能或不期望的是超过大约90％SMYS进行压铸。压铸过程中的压力释放把PCSP中的钢应力减小到大致低于90％SMYS的值。在该点，混凝土或砂浆成分中有膨胀剂就可将更多的应力施加到钢上，从而补偿蠕变和收缩导致的损失，而不需要对钢施加过应力。期望的是，用于此目的的膨胀剂具有从混凝土初始固化开始的滞后时间，以允许混凝土充分地凝结以抵抗钢的预应力，然后(在释放压力并从模具组件取出管之后)膨胀的混凝土会给钢增加预应力，而不会使钢超过设计屈服强度。在从压铸模具取出管后也会发生蠕变和干燥收缩，因此在管被压铸后这两种相反的作用会彼此抵消。

用于此目的的合适膨胀剂包括可购得的来自CTS水泥制造公司的产品名为Komponent的膨胀剂，用于补偿由于干燥和蠕变引起的收缩。在一个示例性实施例中，膨胀剂可占混凝土成分中所用水泥成分的按重量计为大约15％或20％。应该理解，膨胀剂的任何选择使用和其任何使用量可以根据多种因素而变化，例如用于形成管的材料、工程设计标准和性能参数以及最终应用。

在一个示例性实施例中，固化过程中的铸造压力设定为SMYS的90％。由于混凝土的固化收缩、混凝土的干燥收缩以及混凝土衬里和钢管中的蠕变，减小了混凝土芯的初始预应力。这些损失会使得：如果不去除施加于混凝土衬里上的所有预应力，并且如果要么不使混凝土衬里处于张紧状态或者要么不在操作过程中在混凝土衬里和钢管之间引入不利的环形间隙的可能性，就不能达到钢筒的满额设计应力。注意：小的环形间隙或混凝土的张紧在例如AWWA C300管的混凝土钢管中是可接受的且被证实，但是必须避免钢壳中过大的应变。混凝土衬里可以锚固在钢管上，以防止这种环形间隙，从而使混凝土衬里在操作过程中处于张紧状态。所有这些变例都是可能的，且对于特殊应用是期望的。

在一个优选的实施例中，混凝土或砂浆衬里处于来自工作压力下钢筒的非常小的预应力作用下，或者在工作压力下钢筒膨胀超过混凝土或砂浆芯自由直径非常有限的量。这样可允许钢管中的所有容许设计应力用于抵抗内部压力，同时衬里和相邻的回填支撑物可以用于抵抗埋地土载荷及管和水的重量。实现优选实施例所需的膨胀剂的量取决于铸造压力、蠕变因子、收缩因子和钢管中期望的工作应力。管的全部设计包括可恢复的干燥收缩。当管充满了水且混凝土衬里可在干燥过程中重新吸收损失的水时，大约70％的干燥收缩是可逆的。这种混凝土的再膨胀可用作混凝土衬里的净预应力的一部分，包括所有与初始铸造压力相关联的各种损失和增益、干燥和固化收缩、膨胀剂引起的混凝土膨胀以及在持续负荷下钢和混凝土衬里中的蠕变。

以上述方式构造的PCSP的特征是：PCSP包括混凝土或砂浆衬里，该混凝土或砂浆衬里能够提供一定程度的耐腐蚀性，以满足目前由PCCP、增强型混凝土钢筒管以及传统设计的砂浆衬里钢管所提供的耐腐蚀性，例如约50年。此外，这种PCSP包括金属壳，该金属壳使混凝土衬里处于压缩状态，并且与PCCP相比，该金属壳更加坚固且不容易因例如张紧钢丝的腐蚀和断裂而突然失效。此外，金属壳可以容易地涂覆有合适的聚合物材料或类似物，其能够对腐蚀环境或阴极干涉的不利影响提供期望程度的介电保护/抵抗性。此外，如果确定有腐蚀部分，则可以容易地用焊接补丁或类似物修补金属壳，而不必从使用场所取走管和/或不必从埋入地点取出管。

此外，以上述方式构造的PCSP能够在单个的压力成型步骤中形成，其中，在现场形成混凝土衬里，同时预应力被施加在金属壳上，随后金属壳使混凝土处于压缩的状态，从而避免了多个步骤，因而节省了时间和劳力。此外，使用水作为加压介质以上述方式构造的PCSP避免了在加压过程中泵发生故障的可能性，泵发生故障会导致产生残次品、损失材料和劳动力成本以及减小生产效率。

此外，根据本发明的原理构造的PCSP提供了一种在运输和安装过程中都非常坚硬的管结构。在传统的混凝土砂浆衬里钢管中，管是柔性的，从而管内需要有木制或金属加固支撑物，以防止管过度地弯曲、压扁和/或折断衬里。与PCSP相关联，较厚的衬里并且从钢施加于衬里的压缩可使管在运输和掩埋时非常坚固，而不需要加固，因此与传统的混凝土衬里钢管相比可以进一步减小花费。上面给出的方程式提供了传统钢管与压铸钢管之间管刚度的示例性比较。

对根据本发明原理PCSP的结构、制造PCSP的方法和组件进行其他的修改和变化对本领域技术人员来说将是清楚的。因此，应该理解，在随附权利要求的范围内，可以不同于具体描述的方式实施本发明。

Claims (31)

1.一种压铸衬里钢管，包括：

形成管内径的环形混凝土或砂浆衬里；

包围衬里的金属壳；

其中，衬里与金属壳的内壁面直接接触，以及金属壳使衬里处于压缩的状态。

2.如权利要求1所述的管，其中，衬里和金属壳的壁厚比例范围是大约5∶1至80∶1。

3.如权利要求1所述的管，其中，衬里和金属壳的壁厚比例范围是大约10∶1至50∶1。

4.如权利要求1所述的管，其中，金属壳的壁厚范围是大约0.06至0.75英寸，衬里的壁厚范围是大约1.5至10英寸。

5.如权利要求1所述的管，还包括沿金属壳外表面布置的介电材料涂层。

6.如权利要求1所述的管，其中，在现场形成混凝土衬里，同时对未固化的混凝土或砂浆成分和金属壳加压，以便在衬里固化和释放压力时使衬里处于压缩状态。

7.一种压铸衬里钢管，包括：

形成管内径的环形混凝土或砂浆衬里；

包围衬里且壁厚为大约0.06至0.75英寸的金属壳；

其中，衬里的壁厚为金属壳壁厚的约10至50倍，衬里与金属壳的内壁面直接接触，以及金属壳使衬里处于压缩的状态。

8.一种用于制造压铸衬里钢管的方法，包括以下步骤：

将一定量的混凝土或砂浆成分输送到形成在沿外径的金属壳和沿内径的可动芯元件之间的模具中；

对混凝土或砂浆成分施加压力，以使金属壳膨胀；

在混凝土或砂浆成分达到一定程度的固化而形成混凝土或砂浆衬里后释放压力，

其中，释放压力的步骤使金属壳向衬里施加压缩力；以及

从衬里的内径取出可动芯元件。

9.如权利要求8所述的方法，其中，对混凝土或砂浆成分施加压力的步骤包括对混凝土或砂浆成分的表面施加加压流体。

10.如权利要求8所述的方法，其中，加压流体是水。

11.如权利要求8所述的方法，其中，可动芯元件以弹性体元件的形式提供。

12.如权利要求8所述的方法，其中，可动芯元件以可收缩刚性元件的形式提供。

13.如权利要求8所述的方法，其中，可动芯元件以筒形刚性结构的形式提供，该筒形刚性结构能够膨胀以允许形成衬里以及能够收缩以允许在压铸后取出可动芯元件。

14.如权利要求8所述的方法，其中，可动芯元件以高强度钢管的形式提供。

15.如权利要求8所述的方法，其中，可动芯元件选自由以下材料构成的组：纤维增强树脂管、塑料管及它们的组合。

16.如权利要求8所述的方法，其中，混凝土或砂浆成分包括膨胀剂，该膨胀剂与金属壳一起用于向衬里施加压缩力。

17.如权利要求8所述的方法，其中，模具包括竖直定向的环形室。

18.一种根据权利要求8所述的方法制造的压铸衬里钢管，其中，混凝土或砂浆衬里与金属壳的内壁面直接接触。

19.一种根据权利要求8所述的方法制造的压铸衬里钢管，其中，混凝土或砂浆衬里的壁厚为金属壳壁厚的约10至50倍。

20.一种用于制造衬里钢管的压铸组件，包括：

限定管外部的筒形金属壳；

与金属壳的底部可操作地连接的底部元件；

与金属壳的顶部可操作地连接的顶部元件；

同心地定位在金属壳内的内模具元件；

形成在金属壳和内模具元件之间的环形室，用于容纳一定量的混凝土或砂浆成分；以及

流体加压介质引入装置，用于将流体加压介质引入模具并引到混凝土或砂浆成分的表面上，以便混凝土或砂浆成分使金属壳膨胀；

其中，一旦混凝土或砂浆成分达到确定程度的固化，内模具元件的直径就可减小。

21.如权利要求20所述的压铸组件，其中，流体加压介质是水。

22.如权利要求20所述的压铸组件，还包括同心地定位在内模具元件内的排量管。

23.如权利要求20所述的压铸组件，其中，流体加压介质布置在形成于排量管和内模具元件之间的环形流体室内。

24.如权利要求23所述的压铸组件，其中，流体加压介质的压力在混凝土或砂浆成分表面与在环形流体室内大致相同。

25.如权利要求20所述的压铸组件，还包括密封部件，用于在使用流体加压介质进行加压操作的过程中使混凝土或砂浆成分保持在环形室内。

26.如权利要求20所述的压铸组件，其中，顶部元件包括位于金属壳端部之上的顶环。

27.如权利要求26所述的压铸组件，其中，混凝土或砂浆成分的表面在被加压前高于金属壳端部，且位于顶环之内。

28.如权利要求20所述的压铸组件，其中，环形室竖直地定向。

29.如权利要求20所述的压铸组件，其中，内模具元件是具有相对纵向边缘的刚性筒形元件，所述边缘被可动地控制，以减小内模具元件的直径。

30.如权利要求20所述的压铸组件，其中，内模具元件是弹性体元件。

31.如权利要求20所述的压铸组件，其中，内模具元件是刚性筒形元件，该刚性筒形元件能够膨胀和收缩足够的量，以允许形成衬里和从该刚性筒形元件上释放衬里。

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