在全世界范围内，管道系统被使用于许多应用领域，从而将诸如水或其它 流体的物料从一个地方输送或传送到另一个地方，从而分配到整个系统。例如， 使用庞大的管道系统来将水分配到居民或工业企业使用和进一步处理。通常， 这样的管道或管子系统位于地下，因为地面上的管子既难看又会产生不便。
通常，水管系统通过由不同材料制成的管子来输送物料，这些材料比如有 铸铁、球墨铸铁、钢筋混凝土、石棉水泥等。这些管子被埋在地下，其分支向 各个方向延伸以到达终端用户。一般来说，在使用了许多年以后，或者由于其 他的原因，地下的管子会破损并开始泄漏，从而降低了管线的压力并使水不必 要地泄漏进管子周围的区域中。这样的泄漏不仅影响系统，而且增加了供应商 的处理成本，从而又增加了终端用户的成本。因此，这些泄漏必须快速修复， 并要采取预防措施以确保避免进一步的泄漏。
由于管道系统的地底下的位置，修复一泄漏的管子劳动强度非常大并且费 时。必须沿管线挖掘管沟以确定泄漏的位置，并在将管子放回重新使用之前对 其进行有效的修理。根据已有技术，为了密封泄漏的管子或已经破损的管子， 已经开发出多种衬套系统，用来或者修补已有的裂缝或者预防性地确保其不再 进一步破裂或损坏。此外，已经在使用一种在较大直径的裂开或破损的管道内 采用一根小得多的直径的管子的方法。然而，这仅仅是用一有裂缝的或泄漏的 内管来替代裂开的外管的问题。还有，使用这样的管子套管子的系统大大地减 少了流过管道系统的流量，并且显然是人们不希望的，而且会改变压力参数。
为此，开发了一种管道衬套和其安装方法，如授予St.Onge等人的美国专 利5794662中所揭示的那样，尤其适于压力管线应用领域。St.Onge专利旨在 提供一种对污水管道、水管或天然气管换衬的方法，且该方法使用相对于所换 衬的管子尺寸要小的分段衬套。然而，与只将小直径衬管留在大直径外管中相 反，St.Onge专利使用热量和/或压力来将小尺寸管子模压到被所换衬的管子 上。具体来说，内部或衬管为热塑塑料管，通常为聚氯乙烯(PVC)管，当暴露 在热源或压力中时，它会膨胀并模压在已有管道的内侧，从而有效地进行换衬。 用这一工艺既可对管道的全长也可对损坏的部分进行加衬，这通常被称为“现 场修理”。
根据St.Onge专利，一旦将衬管的全长插入现有的或主管中，衬管的两端 就被塞住，并在一定压力下暴露于蒸汽中，从而沿衬管的长度方向加热衬管并 施加压力，这使衬管膨胀并与周围的主管的内壁接触。一旦衬管完全膨胀到与 现有的管道内壁贴合，就将它冷却，且将塞子取下。最终膨胀的衬管与主管的 壁贴合，从而避免了任何进一步的泄漏。同样，St.Onge专利的方法只需要在 所修理的管段的两端挖沟就可以了。
虽然St.Onge专利在对地下管道系统的换衬或修理领域中是先进的，但是 在该领域中还是有改善和提高的空间。具体来说，为了运输衬管并将它插入主 管中，必须按段或部分制造衬管，这些段或部分的长度通常比最终和所需要的 衬管长度要短得多。因此，在将衬管送入主管中时，必须在现场将衬管的诸部 分连接起来。此外，还要能将多重长度的衬管通过一种具有原有管道的强度的 接头来连接，且不会使接头区的直径增加而超出原有的管道直径。除了以上所 述的膨胀应用场合以外，使用多重和可连接的管段在许多不同的应用场合也很 有用。例如，使用多重和熔接管道在滑移加衬中特别有用，其中，将直径略小 的熔接管道插入需要修复但不需要有全容量的流量的直径较大的管子中。在这 一情况下，该衬管被拉进管子中并停留到位，但并不膨胀。在大多数情况下， 衬管和主管之间的空隙由低强度的薄泥浆填充，以将新的管线固定在位。然而， 滑移加衬工艺会需要使用可容纳较大直径的联结件或机械接头的管道。
在其它各种应用场合中也需要熔接管道，比如在修复应用场合，其中与水 平钻孔工艺相结合来使用熔接接头。该方法在地面中钻一个导向孔，并可进行 精确的调整以控制高度和对准度。在完成导向孔以后，钻孔的直径被扩大，并 填入钻孔泥浆以使较大的孔保持打开。然后通过钻孔泥浆拉动钻套，就地形成 一管道。然而，这一工艺需要一较大的钻孔机以适应由PE或HDPE制成的机 械联结件和接头。
另外，在管子爆裂场合也可用熔接管道。在管子爆裂中，使用大型液压或 气动式切割头将旧的管子切割下来并将碎片埋入周围的土壤中。这就可将现有 管线中直径相同或较大的新管拉入。该工艺是用在必须明显增加新管线容量的 情况中。同样，在直埋应用场合熔接管道当然也有用。
已经开发了用于管子或管道的诸熔接工艺，它们采用用来将管段连接到一 起的机械接头、在熔接接头处或附近的嵌入金属线、或者耐热元件。例如，参 见授予Bryant.III的美国专利6398264、授予Andersson的美国专利6394502、 授予Lueghamer的美国专利6156144、授予Lueghamer的美国专利5921587、 授予Eggleston的美国专利4684789和授予Ramsey的美国专利4642155。多年 以来，通常使用熔接聚乙烯管(PE或HDPE)。例如，参见授予Tramm等人的 美国专利3002871、授予Dickinson等人的美国专利4987018、授予Dickinson 等人的美国专利4963421和授予Haneline.Jr等人的美国专利4780163，以及 Genoni的美国专利申请公开2003/0080552。因此，可以得到已有的熔接装置。 然而，必须对该装置在使用和工作参数上有所修改，以用于熔接聚氯乙烯类的 管道。与通常用热熔接技术连接的聚乙烯管不同，PVC管的应用通常只局限可 使用套筒接头的场合。这种局限限制了PVC管在滑移加衬修复中的应用。因 此，在技术上需要提供一种实际上为单个元件、没有机械接头的PVC衬管原 坯，这就不会象机械联结件那样增加原坯的直径。这样的联结件或熔接接头必 须具有与原有的管道相类似的强度特征，并通过取消这样的机械接头来排除接 头中的渗透。此外，较佳地，可设置一可承受后续的膨胀工艺而最终用于压力 管道系统的联结件。

因此，本发明的一个目的是为PVC管提供一种熔接工艺，该工艺克服了 已有技术的缺陷。本发明的另一个目的是为PVC管提供一种熔接工艺，该工 艺可现场连接多重长度PVC管。本发明的又一个目的是为PVC管提供一种熔 接工艺，该工艺可生成与原有管道的强度相等、且不会使接头区域的直径超出 原有管道直径的接头。本发明的又一个目的是为PVC管提供一种熔接工艺， 该工艺提供一种没有机械接头的单件式原坯，这就排除了通过这些接头的渗 透。本发明的又一个目的是为PVC管提供一种熔接工艺，该工艺可生产一种 可以随后膨胀并在压力管道系统中使用的接头。本发明的又一个目的是为PVC 管提供一种熔接工艺，该工艺可生产一种均匀的、且具有高强度特征的接头。 本发明的再一个目的是提供一种熔接工艺和设备，它在滑移加衬、水平方向钻 孔、管道破裂和直埋的应用场合可有效地与熔接管和接头结合使用。
本发明旨在为管道提供一种熔接工艺。该熔接工艺包括将一第一管道部分 和一第二管道部分熔接起来的一种设备和一种方法。该方法包括下列步骤：(a) 将第一管道部分的第一终端边缘与第二管道部分的第一终端边缘可拆卸地 相对放置；(b)对第一管道部分的第一终端边缘和第二管道部分的第一终端 边缘进行表面处理；(c)将第一管道部分的第一终端边缘与第二管道部分的 第一终端边缘对准；(d)将第一管道部分的第一终端边缘和第二管道部分的 第一终端边缘的至少一部分熔化；(e)将第一管道部分的熔融终端边缘与第 二管道部分的熔融终端边缘接合；以及(f)在第一管道部分和第二管道部分 的接合终端边缘之间保持压力，从而形成一熔融接头区域。在第一管道部 分和第二管道部分之一或都由聚氯乙烯(PVC)材料制成的情况下可采用该 方法。本发明还揭示了用于将第一管道部分与第二管道部分连接的一种熔 接装置的新颖的操作参数。
本发明还旨在提供一种将第一管道部分与第二管道部分连接的熔接装 置。该装置包括：一第一钳夹机构，该第一钳夹机构用于接合并定位第一 管道部分；以及一第二钳夹机构，该第二钳夹机构用于接合并定位第二管 道部分。一驱动机构可操作地与第一钳夹机构和第二钳夹机构之一或两个 都联系，从而沿纵向驱动它们。一表面处理机构被置于第一管道部分的一 终端边缘和第二管道部分的一终端边缘之间。该表面处理机构对这些终端 边缘进行“表面处理”或刮削。一加热器机构加热并熔化管道部分的终端 边缘之一或全部。管道部分之一或全部是由聚氯乙烯(PVC)材料制成。
从以下结合附图对示例性实施例的描述中，可以更好地理解本发明(包 括其结构和操作方法)及其其它目的和优点。

图1是根据本发明的管道熔接工艺方法示意图；
图2是根据本发明的管道熔接用设备和系统的示意图；
图3是用图1所示管道熔接工艺所形成的熔接接头区域的侧视截面图；
图4-9是列出在用于熔接图1所示PVC管的工艺中界面压力为140psi时 的最优工作参数，具体的数字表示标定管径、管道外径、管道内径、表面面积、 表压和/或尺寸比。

对于以下的描述，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、 “水平”、“顶”、“底”、“侧向”、“纵向”及其派生术语以图中所 示方向而与本发明相关。然而，可以理解的是，除了明显有相反表述的以 外，可以对本发明进行多种替换、改变和步骤变化。还可以理解的是，附 图中示出并在以下说明中描述的具体装置和工艺只是本发明的示例性实施 例。因此，此处所揭示的与实施例相关的具体尺寸和其它物理特征不应被 认为是限定。
本发明中揭示了多种数字范围。由于这些数字范围是连续的，所以它 们包括最小值和最大值之间的每一个值。除非另有说明，本发明中的各个 具体数值范围都是近似值。
本发明旨在提供一种管道熔接工艺，管道较佳地是一种聚氯乙烯(PVC) 管，该工艺包括将第一管道部分10与第二管道部分12熔接，如图1中示 意性地示出的那样，且在这个方法中采用了一熔接设备14。在一个优选实 施例中，该方法和熔接设备14可与一管道膨胀工艺和系统接结合使用，从 而将一衬管16放置在一主管中，以备随后膨胀，该衬管16由例如第一管 道部分10和第二管道部分12的多管道部分形成。然而，该方法和熔接设 备14可用于任何需要连续熔接管道部分的场合。如上所述，衬管16由诸 如PVC之类的热塑性塑料材料制成。然而，根据本发明的方法，可以构想 任何具有适当的膨胀特性的材料都可使用和连接。PVC管的熔接工艺对于 其它类似的可膨胀聚合类和热塑性塑料都会有效。
PVC管的ASTM标准可用于各种范围的PVC树脂添加剂，这些添加 剂具有在允许的添加剂组合内的多种特性。然而，并不是添加剂所有可能 的组合都会在管道膨胀工艺中起作用。也就是说，并不是所有的PVC水管 都会熔合到与衬管的管子材料相同的强度，也不是所有的PVC管都会膨胀 到与衬管的管子材料相同的尺寸。
由于管道膨胀在远距离的地方进行，衬管16必须以管段形式运输。因 此，虽然本发明具体讨论的是第一管道部分10与第二管道部分12的连接 和熔接，但该方法和熔接设备14同样也可用于连接任何数量和长度的衬管 16。因此，在又一个优选且非限定的实施例中，熔接设备14为可移动的， 且可现场使用，以实施本发明的方法。
具体来说，本发明包括以下步骤：将第一管道部分10的终端边缘18 与第二管道部分12的终端边缘20可拆卸地相对放置(步骤100)；对第一管 道部分10的终端边缘18和第二管道部分12的终端边缘20进行表面处理 (步骤120)；将第一管道部分10的终端边缘18与第二管道部分12的终端 边缘20对准(步骤130)；将第一管道部分10的终端边缘18和第二管道部 分12的终端边缘20的至少一部分熔化(步骤140)；将第一管道部分10的 终端边缘18与第二管道部分12的终端边缘20接合(步骤150)；以及在第 一管道部分10的终端边缘18和第二管道部分12的终端边缘20之间保持 压力，从而形成一熔融接头区域22(步骤160)。在一个优选且非限定的实施 例中，该方法还包括将所产生的绕熔融接头区域22延伸的外部封闭圈24 的至少一部分移去(步骤170)。该方法由熔接设备14进行，熔接设备14将 在下面详细描述。
参见步骤100，第一管道部分10的终端边缘18被夹紧或固定在位， 并由第一钳夹机构26定位，而第二管道部分12由第二钳夹机构28夹紧或 定位。第一钳夹机构26和第二钳夹机构28为熔接设备14的一部分并使第 一管道部分10和第二管道部分12可拆卸地定位。另外，第一钳夹机构26 和第二钳夹机构28都可沿纵向被驱动，在图2中用箭头A表示。因此，驱 动机构30可操作地与第一钳夹机构26和/或第二钳夹机构28联系，从而提 供不要的驱动力以驱动第一钳夹机构26和/或第二钳夹机构28进入或离开 接合位置。
必须对第一管道部分10的终端边缘18和第二管道部分12的终端边缘 20进行表面处理以建立清洁和平行的匹配表面。这一表面处理由一表面处 理机构32来完成，该机构可置于第一管道部分10的终端边缘18和第二管 道部分12的终端边缘20之间。例如，表面处理机构32可侧向移入或移出 终端边缘(18、20)之间的位置，如图2中箭头B所示。表面处理机构32继 续对终端边缘(18、20)进行研磨或表面处理，直到第一钳夹机构26和第二 钳夹机构28之间的距离最小。在一个优选且非限定的实施例中，表面处理 机构32包括一个或多个刀片部分33。这些刀片部分33对管道部分(10、12) 的终端边缘(18、20)进行实际的切割和表面处理工作。在另一个实施例中， 刀片部分33为硬质合金刀刃刀片，它可使一致性更好且表面处理工艺更干 净。另外，这些硬质合金刀刃使刀片部分33可以更频繁地使用而不会磨损 刀片部分33的刀刃。当然，也可使用其它强度加强的刀刃、涂层、结构和 材料。
应该注意到，第一钳夹机构26和第二钳夹机构28不必都是可移动的， 只要一个是可移动的，以使第一管道部分10和第二管道部分12接合。在 工作中，第一钳夹机构26和第二钳夹机构28中的一个或两个都移动，从 而将表面处理机构32牢固地、方方正正地锁定在第一钳夹机构26和第二 钳夹机构28之间。这一操作提供了一基本为正方形的表面，该表面垂直于 第一管道部分10和第二管道部分12的中心线，且检测不到任何间隙。另 外，表面处理机构32可包括具有多个角度方向的刀片。这为管道部分(10、 12)提供了光滑表面。
接下来，必须使第一管道部分10和第二管道部分12的轮廓呈圆形并 互相对准，以使管壁的不匹配最小。这可通过调整第一钳夹机构26和/或第 二钳夹机构28直到第一管道部分10的外径于第二管道部分12的外径匹配 位置来实现。希望不松开第一钳夹机构26和第二钳夹机构28，这样就使第 一管道部分10和/或第二管道部分12在熔接过程中可滑动。第一钳夹机构 26和第二钳夹机构28之间所需的最小距离可使第一管道部分10和/或第二 管道部分12尽可能近地围绕确定的接头区域。离钳夹管道部分(10、12)的 接头区域越近，操作人员对适当对准管道部分(10、12)的控制越容易。
接下来，将第一管道部分10的终端边缘18和第二管道部分12的终端 边缘20加热或熔化到需要的温度、界面压力和持续时间。在这样做的时候， 热量将渗透进第一管道部分10和第二管道部分12中，且在终端边缘(18、 20)处形成熔融的材料熔圈。这一加热工艺由加热器机构34来执行，该加 热器机构同时加热和熔化终端边缘(18、20)。这一同时加热可通过使用第一 加热板36和第二加热板38、单个双面加热板或其它可同时加热终端边缘 (18、20)的装置来实现。由于有表面处理机构，加热器机构34应该可以移 动到终端边缘(18、20)之间的位置，直到加热工艺完成的时候为止，在该时 间点上应该将加热器机构34移去。因此，加热器机构34应该也是可移动 的，比如可在终端边缘(18、20)之间侧向移动，如图2中的箭头C所示。 在另一个优选且非限定的实施例中，加热器机构34相对于加热圈机构34、 第一加热板36和/或第二加热板38的表面提供区域加热。因此，加热面的 不同部分，例如上和下表面可有不同的温度。这样，由于加热工艺的自然 特性，又可使终端边缘(18、20)熔化更均匀，其中热量上升并沿终端边缘(18、 20)形成有差别的加热界面。因此，区域加热可沿终端边缘(18、20)形成均 匀的轮廓。还可设想加热器机构包括由控制机构40或可由控制机构40控 制的多重区域。该控制机构40可提供对各个区域的控制，从而使加热器机 构34的效率和精确度最高，使沿终端边缘(18、20)的轮廓更均匀。在加热 工艺结束后移去加热器机构的速度以及将终端边缘(18、20)钳夹在一起的速 度也很重要。较佳地，时间间隔较短，比如3到4秒。
还设想熔接设备14采用通常与一个或多个测量装置结成一体的控制 机构40来控制诸元件。例如，第一加热板36和/或第二加热板38可装备有 温度计来测量板温，并有一附带的控制器来设定和稳定这些温度。然而， 由于温度计和终端边缘(18、20)的实际温度之间有误差，这些温度计只是作 为一般的指示器。在这一点上，可将一高温计或其它表面温度测量装置与 控制机构40结成一体并周期循环地使用，以确保第一加热板36和/或第二 加热板38的适当温度。还设想控制机构40、温度计或其它表面温度测量装 置中任何一个为数字装置，该数字装置可更精确地测量和控制由加热器机 构34所施加的热量。当将熔接设备14与PVC管结合使用时，这种数字控 制装置特别有利，因为与熔接设备14结合PE或HDPE使用的情况相比， PVC管的物理化学特征，包括其熔融温度和硬化温度要求更高的精度。因 此，这一数字控制同区域加热结合在一起，可给本发明的熔接设备14提供 更好的控制特征。
另外，加热板(36、38)应保持洁净，且任何在加热板(36、38)上的涂层 不应以任何方式被刮擦或损坏。在对终端边缘(18、20)加热了适当的时间并 达到适当温度之后，如下面将要讨论的那样，移开加热器机构34，并用足 够的压力将熔融的终端边缘(18、20)放到一起，以适当地混合管道材料，从 而形成均质的接头，称作熔融接头区域22。
必须用压力将熔融接头区域22稳定地固定直到足够冷却以产生适当 的强度为止。应由第一钳夹机构26和第二钳夹机构28提供的液压压力来 完成这项工作。在从第一钳夹机构26和第二钳夹机构28上移开之前冷却 足够的时间对于获得接头的整体性而言十分重要。
在熔接工艺之后，作为在熔化的材料上施加压力的结果，熔融接头区 域22显出外熔圈24以及内熔圈42。外熔圈24离开熔接管外壁44而延伸， 类似地，内熔圈从熔接管内壁46向内延伸。在将第一管道部分10用于管 道膨胀工艺和系统中之前，应该将外熔圈24清除。具体来说，当在随后用 于膨胀工艺时，应将外熔圈24清除，从而使第一管道部分10在主管中充 分膨胀。通常将外熔圈24清除或机加工到熔接管外壁44的1/8到1/16英 寸以内。通常，内熔圈42不需要被清除，也不会在衬管16中产生不必要 的负面情况。然而，如果这样的内熔圈42会不利于物料的流动的话，那么 内熔圈42也要被清除。
如果熔接工艺不成功或有缺陷，只要将熔融接头区域22切开并清除， 然后重复以上工艺即可。然而，使熔融接头区域22产生缺陷的原因应该记 录在例如控制机构40中。还应该由控制机构40对熔接工艺的现象和数据 进行处理、分析和演示。
对于熔接工艺操作参数，通常用来计算使用PVC衬管16时熔接设备 14的表压的公式是：
$\mathrm{MGp}=\frac{\frac{\pi ({\mathrm{OD}}^2-{\mathrm{ID}}^2)}{4}\times \mathrm{Ip}}{\mathrm{Ca}}$
另外，用来计算单位为平方英寸的管道或管子表面面积(pSa)的公式是：
$\mathrm{pSa}=\frac{\pi ({\mathrm{OD}}^2-{\mathrm{ID}}^2)}{4}$
当管道或气缸面积为1.00平方英寸时用来计算表压的公式是：
Gp＝pSa×Ip
最后，当管子表面面积、界面压力和机器的气缸面积已知时，用来计 算机器的表压的公式是：
$\mathrm{MGp}=\frac{\mathrm{pSa}\times \mathrm{Ip}}{\mathrm{Ca}}$
在上述公式中：
MGp＝机器表压，psi
π＝圆周率，3.1416
OD2＝外径的平方，英寸×英寸
ID2＝内径的平方，英寸×英寸
Ip＝界面压力(≈140psi)，PVC管
Ca＝机器的气缸面积，平方英寸
pSa＝管子表面面积，平方英寸
Gp＝当气缸面积为1.00时的表压
通过大量的试验和结果记录，建立了图4-9中的表格，以用于在界面 压力为大约140psi时快速建立用于上述公式的各种参数。在这些表格中， 标定管径、外管道直径、内管道直径、表面面积、表压和尺寸比都已列出。 气缸压力是基于1.00。另外，为了使用图4-9的表格来计算机器表压和psi， 所列得出表压和psi应除以所使用的机器的气缸面积(单位为平方英寸)。为 了确定可使用所有类型和尺寸的机器的适当的表压，附图和表格中所标明 的表压应除以所使用的机器的有效气缸面积。
管子重量和辊子阻力所造成的管子拖拽必须加进计算出的表压中。另 外，必须考虑例如刮风、下雨、高温、低温、下雪等的极端天气条件，并 作适当调节。会需要搭工棚遮蔽以备严酷的情况之需。另外，可以注意到， 与聚乙烯的熔接不同，PVC的熔接必须小心处理，特别是在轴向提升或弯 曲时。可使用扩杆或“Y”形吊索来安全地处理管子。此外，使用热风风机 或蒸汽发生器来加热一较长的熔接衬管16可使管子变得更柔软，并在寒冷 天气下可更安全地处理。
这样，本发明提供了一种用于熔接工艺的方法和设备，它尤其适用于 熔接聚氯乙烯管。采用本方法和设备可将多重部分或长度的管道与和原有 管道强度相等的接头连接，且不会使接头区域的直径增加到超出原有管道 的直径。此外，本发明在当前发明了一种没有机械接头的单件式衬管16原 坯。
已参考优选实施例对本发明进行了描述。其他人在阅读并理解了以上 详细描述以后可进行明显的修改和替换。应该将本发明理解为包括所有这 样的修改和替换。