CN101657665A - 弹性体加衬的耐磨管道和制备方法 - Google Patents

弹性体加衬的耐磨管道和制备方法 Download PDF

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CN101657665A CN200880005578A CN200880005578A CN101657665A CN 101657665 A CN101657665 A CN 101657665A CN 200880005578 A CN200880005578 A CN 200880005578A CN 200880005578 A CN200880005578 A CN 200880005578A CN 101657665 A CN101657665 A CN 101657665A
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Abstract

一种磨损性物质输送管道(104)，将其用固化的形状记忆保持弹性体衬里(106)进行加衬。管道(104)的内表面(120)与弹性体衬里(106)的外表面接触。当衬里(106)不处于张力下时，弹性体衬里(106)的外径OD大于管道(104)的内径ID。衬里(106)的扩张压力将衬里(106)保持在管道(104)中。

Description

弹性体加衬的耐磨管道和制备方法
本发明总体上涉及弹性体管道衬里。更具体地，本发明涉及用弹性体管道衬里对管道进行加衬的方法，所述弹性体管道衬里的外径大于管道的内径。
混凝土泵一般用于建设项目。混凝土搅拌车通常将混凝土运输到混凝土泵所在位置。将混凝土输送到混凝土泵的料斗中，并且通过管道系统泵送到其最终位置。管道系统由许多使用每个管上的工业标准法兰连接在一起的独立的管组成。
混凝土泵送发生在高压下。例如，约1,250psi的操作压力是典型的。此外，由于以重量计，混凝土典型为0.75％至1.00％的水和99％的岩石、石块、砂、水泥和飞尘，所以混凝土本身是非常具有磨损性且破坏性的物质。这导致管道内部的环境粗糙。在混凝土的流动非常湍流的泵送车的管接触面(deck pipe)中产生尤其粗糙的环境。
目前，将普通的钢管或经处理使内表面硬化的钢管用于泵送混凝土。普通的钢管具有约15,000立方码混凝土的使用寿命，而经硬化的管具有约35,000立方码混凝土的使用寿命。
弹性体材料，比如聚氨酯由于耐磨性已被使用。例如，由聚氨酯制成的管道已被用于泥浆以及用于砾石、煤和砂的气动输送。然而，弹性体材料是非常挠性的并且具有非常低的耐压能力。对于大部分制剂，弹性体管道在约40psi开始膨胀，从而产生非常危险的情况。
弹性体材料已被用作管道中的耐磨性涂层。例如，已经提出用弹性体衬里保护管道的内部。管壁支撑弹性体材料，从而允许弹性体材料被用于更高压力的环境中。然而，这些弹性体衬里的管道对于输送粗糙的磨损性物质是不可行的，并且需要改进的管道。
概述
用固化的形状记忆保持弹性体衬里对管道进行加衬。管道的内表面与弹性体衬里的外表面接触。当衬里不处于张力下时，弹性体衬里的外径大于管道的内径。通过将衬里拉长使得衬里的外径小于管道的内径，从而将衬里插入管道中。当对衬里的张力减小时，衬里的外径增加，并且衬里的扩张压力使衬里保持在管道中。
附图说明
图1是本发明的加衬的管道的侧视图，其中将一部分拆去以暴露横截面。
图2是在图1的线A-A处截取的加衬的管道的截面视图。
图3是在图2的线B-B处截取的加衬的管道的截面视图。
图4a和4b是管道的截面视图。
图5a和5b是固化的弹性体衬里的截面视图。
图6是张力调整框架(tensioning frame)的侧视图。
图7是位于张力调节框架上的衬里和管道的侧视图。
图8是衬里和张紧器插头(tensioner plug)的截面视图。
图9a是当没有对衬里施加张力时，与张紧器插头连接的衬里的截面视图。
图9b是当对衬里施加张力时，与张紧器插头连接的衬里的截面视图。
图10是滑到在张力调整框架上的拉长衬里上的管道的侧视图。
图11是具有斜边衬里的管道的端部的截面视图。
图12是具有以斜搭接接头与衬里相接的硬化插入物的管道的端部的截面视图。
图13a和13b是粘合剂涂布器的侧视图和端视图。
具体实施方式
现有技术中，已经用弹性体材料对管道进行加衬。在一种方法中，将聚氨酯衬里离心地浇铸在管道中。然而，随着聚氨酯树脂固化，其经历固化收缩并且从其预固化的尺寸收缩几个百分比。例如，原位固化的长3m、直径125mm的聚氨酯衬里长度将收缩约63.5mm而直径将收缩约2.5mm。这种衬里对于具有低剪切应力(sheer stress)的流体泥浆是可接受的，但是对于输送磨损性物质是不可行的，因为已经在钢与聚氨酯的粘合处经受张力的衬里，将容易地被滑动通过管道的磨损性物质(例如混凝土)的剪切应力撕掉。
图1显示用于输送在压力下被泵送的磨损性物质如混凝土的弹性体加衬的管道102。图2是图1的线2-2的横截面视图，而图3是图2的线3-3的横截面视图。弹性体加衬的管道102包括管道104(其包括第一端部114、第二端部116、外表面118和内表面120)、衬里106、法兰108、焊缝110，和粘合胶112。法兰108经由焊缝110焊接到管道104的第一端部114和第二端部116上。衬里106位于管道104的内部，并且与管道104的内表面120接触。当具有高剪切应力的磨损性物质(例如混凝土)流过加衬的管道102时，衬里106的扩张力和粘合胶112将衬里106保持在管道104的内部。
如在图4b中所看到的，管道104具有内径ID；并且如在图5b中所看到的，衬里106具有外径OD。当衬里106处于初始未受张力的状态时，管道104的内径ID小于衬里106的外径OD。在一个实施例中，当衬里106不处于张力下时，管道104的内径ID比衬里106的外径OD小至少约4.7％。管道104可以由任何刚性材料制成。例如，管道104可以是典型用于泵送混凝土的钢管道系统。管道104的内径ID取决于与管道104连接的泵，因为不同的泵需要不同直径的管道。内径ID还取决于泵送条件。例如，长的水平管道具有更高的压力，并且需要更大直径的管道，而由于混凝土的重量和重力的拉力，较小直径的管道用于垂直泵送混凝土。在一个实施例中，管道104的内径ID介于约100mm和约125mm之间。管道104可以具有任意长度。在一个实施例中，管道104可以是长约3m的混凝土输送管。在另一个实施例中，管道104可以是长约8m以下的泥浆输送管。
衬里106包含具有形状记忆保持性的固化弹性体材料，比如聚氨酯。形状记忆保持材料在形变应力移除时回到其初始形状。衬里106可以包含任何抗水性且具有高抗酸性和抗碱性的弹性体材料。衬里可以具有高于约400pli的C型模撕裂强度值(Die C Tear value)、高于约100pli的剖层撕裂强度值(Split Tear value)和/或高于约400％的伸长率值。在一个实施例中，衬里可以包含聚氨酯弹性体。聚氨酯弹性体可以通过将预聚物与固化剂混合来形成。预聚物可以由聚四亚甲基醚二醇(PTMEG)形成。特别地，衬里106可以由PTMEG产品Andur 80-5AP或Andur 2-90AP形成，并且用固化剂Curene 442固化。当用95％的化学计量的Curene 442固化时，Andur80-5AP和Andur 2-90AP的弹性体性质显示于表1中。
表1
  PTMEG产品   Andur80-5AP   Andur2-90AP
  弹性体性质
  肖氏硬度   83-85A   90A
  伸长率，％   580   470
  C型模撕裂强度，pli   425   490
  剖层撕裂强度，pli   130   110
  压缩变形   28   30
  巴肖尔回弹率，％   55   48
  固化密度，g/cc   1.05   1.08
Andur 80-5AP和Andur 2-90AP是可获自密歇根Adrian的AndersonDevelopment Company的PTMEG产品，而Curene 442是也可获自AndersonDevelopment Company的4，4’-亚甲基双(2-氯苯胺)(MBOCA)产品。
张力调节框架122可以用于通过施加张力以使衬里106拉伸和拉长来减小衬里106的外径OD。如在图6中所看到的，张力调节框架122具有框架124、张紧器插头126a和126b，和受拉构件128。张紧器插头126a与框架124连接，并且张紧器插头126b与受拉构件128连接。受拉构件128穿过框架124伸出。受拉构件128可以是牵引张紧器插头126b的任何设备。例如，受拉构件128可以是与绞盘连接的缆索或绳索。
图7示出管道104和衬里106如何安装在张力调节框架122上。受拉构件128穿过管道104，并且张紧器插头126b与衬里106的一端连接。衬里106的相反端与张紧器插头126a相连。通过牵引受拉构件128向衬里106施加张力。当施加张力时，衬里106围绕其水平轴被拉伸或拉长，并且衬里106的外径OD减小。
如在图8中所看到的，外径小于衬里106内径的张紧器插头126a和126b被插入到衬里106中。例如，张紧器插头126a和126b可以具有比衬里106的内径小约12.7mm的外径。张紧器插头126b可以具有两个从张紧器插头的外表面延伸的同心环形物127。张紧器插头126a可以类似地形成。衬里106可以具有切割进入衬里106的外表面的互补的凹槽129，使得环形物127配合进入凹槽129内并且提供啮合以便可以向衬里106施加张力。
使用任何本领域中已知的手段将张紧器插头126a和126b保持在衬里106中。例如，如图9a中所示，可以使用软管夹。将软管夹130施加于衬里106上并且上紧，使得张紧器插头126b被固定在适当的位置上。如在图9a中所示，这样减小了衬里106在紧邻软管夹130附近处的外径。张紧器插头126a和126b的外径必须小于管道104的内径ID。在一个实施例中，可以使用三个软管夹。在该实施例中，一个软管夹130可以置于环形物127之间，而另两个软管夹130可以置于环形物127的两边。尽管在图中显示了三个软管夹，但是可以使用任意数目的软管夹以使衬里106保持在适当的位置上。
图9b示出了当通过伸张或拉长衬里106而经由受拉构件128向衬里106施加张力时的衬里106。如能够看到的，外径OD在衬里106的整个长度上减小到均一的直径。
如在图10中看到的，在使用受拉构件128将衬里106的外径OD减小而使得外径OD小于管道104的内径ID之后，使管道104滑到衬里106的中心部分上。衬里106应当大小合适，使得当衬里106被拉伸并且管道104位于衬里106上的适当位置时，张紧器插头126a和126b从管道104和法兰108伸出。然后通过松弛施加于受拉构件128的张力来减小或移除衬里106的张力。在一个实施例中，通过移除软管夹130，例如通过拧去软管夹130而松弛张力。当减小或移除衬里106的张力时，由于其形状记忆保持性能，衬里106试图恢复其形状(即，其原始长度和直径)。因此，衬里106的端部将朝向管道104回缩，并且外径OD将扩张并且向管道104的内表面120压紧。然而，管道104不允许衬里106完全恢复其原始形状，因为内径ID小于外径OD。因此，衬里106将持续地向内表面120推压，从而在管道104上施加扩张力。即使当通过加衬的管道102泵送具有高剪切应力的磨损性物质时，衬里106的这种扩张力也使衬里106保持在管道104内。
如图11中所示出的，法兰108在与管道104相对的端部具有增加的内径。在张力移除之后，衬里106可能长于管道104和法兰108。衬里106不能在保持对管道104的内表面120的所需扩张力的同时，容纳法兰108增加的直径。因此，修整衬里106使得其不超出法兰108的全长。例如，可以用刳刨机修整衬里106的端部，使得他们大约与管道104的端部一致。可以将衬里106修整为任意长度，只要衬里106不会覆盖直径增加处的法兰108的内表面即可。
如在图11中所看到的，还可以使用刳刨机在衬里106的端部产生斜边132。斜边132降低管道中的摩擦力。例如，当通过加衬的管道102流动的小岩石碰撞斜边132时，岩石沿成角度的边流动，并且改变方向回到流的主流中。相反，如果边是90度角度，则岩石将在该边上产生大量的剪切应力，并且最终将衬里106从管道104中撕裂。斜边132可以具有小于90度的任何角度。例如，斜边132可以具有45度角。
如在图12中看到的，斜端部的硬化插入物(hardened insert)134位于法兰108内部。硬化插入物134防止没被衬里106覆盖的法兰108的内表面遭受磨损性物质的影响。硬化插入物134具有与衬里106上的斜边132互补的(complimentary to)斜端部，并且与衬里106相接以产生斜搭接接头。使用本领域中已知的手段，比如用锤子或通过压配将硬化插入物134插入到法兰108中。硬化插入物134可以包含可以用于磨损性环境中的任何材料。例如，硬化插入物134可以包含钢、陶瓷或碳化铬。硬化插入物134将经受来自磨损性物质的磨损。因此，硬化插入物134可以具有比衬里106厚的壁以补偿磨损。当硬化插入物134磨坏时，可以将硬化插入物134取出并且用新的硬化插入物134代替。
管道104必须在将其安置于张力调节框架122上之前进行预备。对管道104的内表面120进行喷丸加工。喷丸加工清洁内表面120，移除轧屑(在形成的过程中由于高热而形成于管道的表面上的氧化铁)，并且产生略微粗糙的表面。这样确保了衬里106将与管道104的结合。
法兰108在焊缝110处被焊接到管道104的第一端部114和第二端部116上。法兰108必须在将衬里106插入之前焊接到管道104上，因为焊接热将影响衬里106。
最后，将粘合胶112涂布于管道104的内表面120。粘合剂涂布器136用于均匀地涂布粘合胶112。粘合剂涂布器136的侧视图和端视图分别显示于图13a和图13b中。粘合剂涂布器136具有定中心引导器138和具有分布凹口142的尾翼140。将粘合胶112涂布于管道104的内表面120。然后拖拉粘合剂涂布器136通过管道104。定中心引导器138帮助将粘合剂涂布器136置于管道104的中心。尾翼140是半挠性的，从而允许尾翼140配合管道104的内表面120。与在灰浆上使用凹槽泥铲类似，当拖拉粘合剂涂布器136通过管道104时，分布凹口142在内表面120上留下均匀厚度的粘合胶的痕迹。在一个实施例中，将管道104竖着放置，将粘合胶112倒在管道104的内表面120上，并且拖拉粘合剂涂布器136通过管道104。在粘合胶112均匀地涂覆于管道104的内表面120上之后，如上所述将管道104安置于张力调节框架122上。应当选择粘合胶112来提供合适的时间，以在粘合胶112固化之前将衬里106插入到管道104中。在一个实施例中，使用可用时间为90分钟的两份装环氧树脂(a two partepoxy)。
衬里106必须在将其安置于张力调节框架122上之前进行预备。如上所述，衬里106包含形状记忆保持弹性体材料。例如，可以使用聚氨酯。聚氨酯非常坚韧，从而产生耐磨损表面并且固化形成平坦、光滑的表面。这种平坦光滑的表面意味着流动通过管道104的磨损性物质将在管道中遭受更小的摩擦。这可以转化为需要更小的压力来将物质泵送通过管道。
可以使用单片(one-piece)管状模具制备衬里106。首先，将管状模具抛光以产生没有任何碎片的平坦表面，并且将脱模剂涂布于模具的内表面上。为了形成弹性体材料，将预聚物与固化剂以本领域中已知的比率混合。在一个实施例中，弹性体材料为聚氨酯，并且是通过将由聚四亚甲基醚二醇(PTMEG)如Andur 80-5AP或Andur 2-90AP形成的预聚物与胺官能团或4，4’-亚甲基双(2-氯苯胺)(MBOCA)固化剂如Curene 442混合而形成的，所有化合物均可获自密歇根Adrian的Anderson Development Company。在一个特别实施例中，Curene 442以理论当量(氨基∶异氰酸酯基)的90％的量与Andur 80-5AP混合。在另一个实施例中，Curene 442以理论当量的90％的量与Andur 2-90AP混合。
将管状模具水平地放置，并且围绕模具安置皮带传动滑轮。使模具围绕其水平轴自转(spin)或旋转(rotate)，并且将预聚物/固化剂混合物引入到模具中。模具的内径和长度限定衬里106的外径和长度，而引入模具中的混合物的量决定衬里106的壁厚。使模具旋转直至弹性体材料部分固化。旋转移除材料中的气泡并且产生平坦、光滑的内表面。随着衬里106固化，其收缩。这种固化收缩与脱模剂结合，允许衬里106滑出模具。衬里106可以具有任意长度，但是应当大小合适，使得当衬里106拉伸并且管道104位于衬里106外部时，衬里106的端部从管道104和法兰108伸出。当决定模具应当为多长时，应当考虑固化收缩。在一个实施例中，长3.2m的模具形成长3.1m的固化衬里。衬里106可以具有足以防止管道104的内表面120遭受磨损性物质影响的任意厚度。例如，衬里106的厚度可以介于约1.5mm至约13mm之间。在另一个实施例中，衬里106可以为约6.35mm厚。
实施例
在以下实施例中更具体地描述本发明，所述实施例仅意在作为示例，因为许多在本发明的范围内的修改和变化对于本领域技术人员将是明显的。
将Curene 442以理论当量的90％的量与Andur 2-90AP混合，并且将混合物引入到具有133mm内径的3.2m长的管状模具中。使模具旋转直至衬里固化。在固化之后，将衬里移出。固化的衬里为3.1m长和6.35mm厚。在张力调节框架上用约1,850磅的力使衬里拉伸0.53m，即117％的伸长率。将内径为127mm，长度为3.0m，并且壁厚为9.5mm的钢管滑到衬里上。衬里的外径必须在张力作用的情况下减小到低于127mm。固化衬里的外径略微小于133mm，因而外径减小了至少4.7％。将衬里的张力移除，衬里扩张并且径向地向管道推压。用刳刨机切割衬里，使得衬里的端部大约等于管道的端部，并且具有约45度角的斜边。将由碳化铬制成的斜-端部硬化插入物插入管道的每一个端部处。硬化插入物具有与衬里的斜端部互补的斜端部，并且以斜搭接接头与衬里相接。将该加衬的管道安装在混凝土泵送车的接触面区域(deck area)上。在泵送17,000立方码之后，衬里没有表现出磨损。
尽管参照优选实施方案对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员将认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节的变化。例如，尽管描述了将其用于泵送混凝土，但是加衬的管道102还可以被用于输送其它磨损性材料，比如砾石和煤泥浆。

Claims (30)

1.一种形成弹性体加衬的管道的方法，所述方法包括：
将第一插头插入固化弹性体衬里的第一端部中，并且将第二插头插入所述固化弹性体衬里的第二端部中；
在不使用加热或压缩设备的情况下，通过牵引所述第一插头来对所述衬里施加张力，从而将所述衬里拉长，并且将所述衬里的外径从原始外径减小；
将具有第一和第二端部的管道滑到所述衬里的中心部分上，使得所述衬里位于所述管道内部，并且所述衬里的所述第一和第二端部从所述管道的所述第一和第二端部伸出；和
减小对所述衬里的张力，使得所述衬里的外径增加并且所述衬里紧密地配合在所述管道的内表面上。
2.权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在将所述管道滑到所述衬里上之前，向所述管道的内表面涂敷粘合胶。
3.权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
从所述衬里的所述第一端部和所述第二端部选择性地去除材料以形成斜端部；和
将第一和第二斜-端部硬化插入物分别插入到所述管道的所述第一端部和所述第二端部中，使得所述硬化插入物以斜搭接接头与所述衬里相接。
4.权利要求1所述的方法，其中当所述衬里不处于张力作用下时，所述衬里具有介于约1.5mm和约13mm之间的厚度。
5.权利要求1所述的方法，其中当所述衬里不处于张力作用下时，所述管道的内径比所述固化弹性体衬里的外径小至少约4.7％。
6.权利要求1所述的方法，其中所述固化弹性体衬里由聚氨酯形成。
7.权利要求6所述的方法，其中所述聚氨酯由聚四亚甲基醚二醇(PTMEG)形成。
8.权利要求1所述的方法，其中所述第一插头具有环形物，并且其中所述衬里的所述第一端部具有互补的凹槽，使得当将所述第一插头插入所述衬里的所述第一端部中时，所述环形物配合于所述凹槽。
9.一种弹性体加衬的管道，所述管道包含：
磨损性物质输送管道，其具有第一端部、第二端部、内表面和内径；
固化的形状记忆保持弹性体衬里，其具有第一端部、第二端部、外表面和外径，所述管道的所述内表面与所述衬里的所述外表面接触，其中所述管道的所述第一端部接近所述衬里的所述第一端部，并且其中所述衬里的扩张力将所述衬里保持在所述管道中；和
第一硬化插入物，其中所述第一硬化插入物的一个端部与所述固化弹性体衬里的所述第一端部相接。
10.权利要求9所述的弹性体加衬的管道，其中所述固化弹性体衬里由C型模撕裂强度值高于约400pli的弹性体材料形成。
11.权利要求10所述的弹性体加衬的管道，其中所述固化弹性体衬里由剖层撕裂强度值高于约100pli的弹性体材料形成。
12.权利要求9所述的弹性体加衬的管道，其中所述固化弹性体衬里由聚氨酯形成。
13.权利要求12所述的弹性体加衬的管道，其中所述聚氨酯由聚四亚甲基醚二醇(PTMEG)形成。
14.权利要求9所述的弹性体加衬的管道，其中所述第一硬化插入物以斜搭接接头与所述固化弹性体衬里的所述第一端部相接。
15.权利要求9所述的弹性体加衬的管道，其中当所述衬里不处于张力作用下时，所述固化弹性体衬里具有约1.5mm至约13mm的厚度。
16.权利要求9所述的弹性体加衬的管道，其中所述管道的内径介于约100mm和约125mm之间。
17.权利要求16所述的弹性体加衬的管道，其中所述管道长度为约8米或以下。
18.权利要求9所述的弹性体加衬的管道，其中所述衬里由伸长率值为至少400％的弹性体材料形成。
19.一种形成弹性体加衬的管道的方法，所述方法包括：
用张力将固化弹性体衬里围绕水平轴拉长，使得衬里的外径减小；
将管道滑到所述衬里的中心部分上，使得所述衬里位于所述管道内部，并且所述衬里的第一和第二端部从所述管道伸出；
减小张力，使得所述衬里的外径增加并且衬里紧密地配合在所述管道的内表面上；和
将斜-端部硬化插入物插入到所述管道的端部中，使得所述硬化插入物以斜搭接接头与所述衬里相接。
20.权利要求19所述的方法，所述方法还包括：
在将所述管道滑到所述衬里上之前，向所述管道的内表面上涂敷粘合胶。
21.权利要求19所述的方法，其中当所述衬里不处于张力作用下时，所述衬里具有介于约1.5mm和约13mm之间的厚度。
22.权利要求19所述的方法，其中当所述衬里不处于张力作用下时，所述管道的内径比所述固化弹性体衬里的外径小至少约4.7％。
23.权利要求19所述的方法，其中所述固化弹性体衬里由聚氨酯形成。
24.权利要求23所述的方法，其中所述聚氨酯由聚四亚甲基醚二醇(PTMEG)形成。
25.权利要求19所述的方法，其中所述第一插头具有环形物，并且其中所述衬里的所述第一端部具有互补的凹槽，使得当将所述第一插头插入所述衬里的所述第一端部中时，所述环形物配合于所述凹槽。
26.权利要求19所述的弹性体加衬的管道，其中所述固化弹性体衬里由C型模撕裂强度值高于约400pli的弹性体材料形成。
27.权利要求19所述的弹性体加衬的管道，其中所述固化弹性体衬里由剖层撕裂强度值高于约100pli的弹性体材料形成。
28.权利要求19所述的弹性体加衬的管道，其中所述衬里由伸长率值为至少400％的弹性体材料形成。
29.权利要求19所述的弹性体加衬的管道，其中所述管道长度为约8米以下。
30.权利要求19所述的弹性体加衬的管道，其中所述管道长度为约3米以下。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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