CN102563062B - 厚壁复合管及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及厚壁复合管及制造方法。具体而言是用于由复合材料形成管(62)的方法及设备。复合材料包括形成在铺层(52i)中的纤维(54，56，58)和环氧树脂(60)，铺层(52i)围绕轴线包绕以形成环状部件。各铺层中的纤维均沿轴向和环向布置。沿轴向定向的纤维相对于管轴线成大约10°直至大约20°的角。环向纤维在最内侧铺层(521)处的大约60°直至在最外侧铺层(52n)中的大约90°的范围卷绕在铺层(52i)中。中间铺层(52i+1‑n‑1)中的环向纤维以随远离最内层(521)的距离而增大的角布置。在相继铺层中转变环向纤维对准更好地经由管壁分配环向应力，从而减小最内侧铺层(521)上的应力集中。

Description

厚壁复合管及制造方法
技术领域
本发明主要涉及用于形成复合部件的方法。更具体而言，本发明涉及一种由复合组分形成厚壁管状部件的方法。且更具体而言，本发明涉及一种用于设计厚壁圆柱形复合压力容器的叠层(laminate)叠置顺序来改善容器结构性能的方法。
背景技术
具有厚壁的管和圆柱形或管状压力容器在其壁中会受到应力，该应力随在壁厚度内的径向位置而变化。图1中示出了应力在整个厚壁圆柱形压力容器上如何分布的实例。这里，纵坐标代表材料应力，而横坐标代表在压力容器壁厚度内的径向位置。如图1中所看到的那样，壁中的最大应力在壁内径处实现，且在接近外壁时应力按指数规律地下降，表明大部分应力都集中在壁的最内部中。因此，厚壁圆柱形压力容器沿内壁比在外壁处显著更接近组成材料的失效点。这导致在增大壁厚度以应对内部压力增加时结构效率较低。内壁区中的材料过度利用，而外壁区中的材料则利用不足。将附加材料加至压力容器外径增加了结构的重量和成本，同时仅少量地提高了其容忍内部压力负载的能力。当容器内部压力负载升高到典型材料强度的较大部分时，这种低效效果就变得相当显著，如在现代高压油气设备中的情况那样。
压力容器或管可通过将嵌在基质材料中的纤维复合物围绕圆柱形心轴放置来由复合材料构成。通常，诸如玻璃、聚芳族酰胺或碳纤维的人造纤维与诸如环氧树脂的聚合物基质相结合。在将纤维和基质的复合物围绕心轴放置之后，复合物固化且然后将所产生的管状结构移离心轴。复合材料可使用多种技术来围绕圆柱形心轴放置，例如丝状体卷绕、纤维放置、编织、拉挤成型或拉绕以及卷包；已用于产生圆柱形或管状复合结构的技术。
图2的简图中示出了现有技术的丝状体卷绕系统的实例。在该实例中，丝状体卷绕系统10包括心轴14水平地设置于其上的框架12。线轴架组件28示为配备有包含进给至心轴14的丝状体32的一系列卷轴或线轴30。这些丝状体32通常为数千条整理好的干纤维束的形式，共同称为丝束。心轴14旋转，同时线轴架组件28在轨道26和相邻旋转心轴14上沿长度方向往复，将丝束32进给并包绕到心轴14上，以便在心轴14上形成材料铺层(ply)或材料层。丝束32与聚合物基质相结合并用于形成复合管24。丝束32在包绕到心轴14上之前穿过树脂槽(bath)38，从而浸有基质材料并形成复合物。通过控制心轴14的旋转速度相对于线轴架组件28的线性往复速度的比例，丝束32可以限定的螺旋角围绕心轴包绕。如相对于圆柱形心轴轴线测量那样，丝状体卷绕过程能够产生在±15°至近乎+90°或-90°范围内的纤维角度。通常，在螺旋卷绕物与环向卷绕物之间会引起差别。在螺旋卷绕层中，心轴旋转，同时线轴架来回重复地往复，最终产生具有由定向为两个互补的相等但相反的±θ°角度的交织丝束所构成的100％覆盖的层。在环向卷绕层中，心轴旋转，同时线轴架沿心轴一次性缓慢横向运动，从而产生以近乎+90°周向包绕或以近乎-90°周向包绕的单一层，而这取决于线轴架的运动方向。
用于形成复合容器和管的其它系统包括纤维放置系统、编织系统、拉挤成型(或拉绕)系统，以及包绕系统。纤维放置系统(未示出)将预浸有树脂的纤维施加到心轴上。编织系统使用分别具有卷轴或线轴的两个或多个托架，托架将纤维从卷轴进给至心轴上，同时使心轴沿相反的方向旋转运动。拉挤成型将干纤维拉过引入树脂的加热模。拉挤成型可与纤维包绕或编织系统相结合。包绕系统将心轴卷在浸渍复合材料的预切片材上，其中片材大致为织造或单向的纤维聚集物(collection)。
图3中所示的侧部简图为使用上文所述的其中一种现有技术来制造现有技术复合管的实例。一系列层或铺层形成管的叠层构造。这些独立铺层中的各个通常由沿单一方向定向的纤维或沿两个互补的±θ正负方向定向的例如由丝状体卷绕或编织层所制成的纤维构成。在基于铺层进行(ply-by-play)的纤维角度的排序称为叠层叠置顺序，且通常以专门用语描述，如±45°/(88°/-88°/±15°)12/±45°。如果应用到由丝状体卷绕工艺制成的管上，则该特定实例将描述管首先包括±45°螺旋卷绕层；接着是一系列12次重复的+88°环向卷绕层、-88°环向卷绕层和±15°螺旋卷绕层；然后最终以±45°螺旋卷绕层结束。
复合结构的叠层叠置顺序通常由结构所承载的预期负载确定，以及由关于结构的可制造性和耐用性的实际考虑确定。例如，轴向对准的纤维将抵消(或平衡)容器或管上的轴向负载，而环向卷绕的纤维将抵消(或平衡)径向负载。然而，如下文所述，障碍(obstacle)阻止了真正轴向对准的纤维(即，～0°)和真正环向卷绕的纤维(即，～90°)。
在实例中，仅受到轴向压缩或拉伸负载的管状结构理论上将要求纤维沿管轴线以0°角轴向地定向。这将使复合材料的加强纤维与结构加载的方向对准。然而，该角度不能由丝状体卷绕方法实现；因此，如果管由丝状体卷绕物制成，则作为替代将使用以大概±15°的可实现角的螺旋卷绕。尽管此种层中的纤维并未以真正轴向方向定向，但此种层仍认作是″轴向″层。然而，卷绕很小的螺旋角度如±15°存在问题。在丝状体卷绕过程期间，当它们围绕心轴包绕时，在丝束中保持显著的张力。该丝束张力结合丝束的曲率在其围绕心轴包绕时，将丝束沿径向方向紧紧地拉入心轴中。这有助于强化管层，挤出过多的树脂和携带的气泡。此外，丝束张力防止会降低结构性能的纤维波纹。然而，丝束在它们以+15°的微弱角度围绕心轴包绕时的较大有效曲率半径导致较低的压实力，且因此导致较弱的叠层质量。
因此，轴向加载的丝状体卷绕管的真实世界的设计还将要求附加层包括在叠层内以有助于叠层压实。通常，环向卷绕层将在轴向层之间散布，以便压实轴向层。这些环向卷绕层还将沿圆周方向提供一定的结构耐用性，从而在如果其受到挤压或弯曲负载的情况下防止管的轴向分离。
由于当心轴上的第一层为环向卷绕铺层时，周向纤维在心轴从管拉出时会卷起和磨损。因此，第一铺层通常由以中间角度的层例如+/-45°铺层制成。管外径上的最终卷绕物也可为±45°铺层，以便促进冲击韧性和耐用性。
通常，纤维角度的上界为大约+/-88°，但小于90°且并未沿真正的环向方向，由以这些值施加的纤维制成的层仍将称为″环向″层。此外，如上文所述的可制造性和耐用性的相同考虑将要求包括具有不同纤维角度的附加铺层。
考虑所有这些因素，典型的丝状体卷绕管状结构可利用以下形式的叠层叠置顺序：±45°/(88°A/-88°A/±15°B)C/±45°。数目A、B和C关于管状结构预计受到的特定负载来选择。环向卷绕铺层相对于轴向铺层的比例A∶B分别由管状结构压力和轴向加载的相对大小决定。环向/轴向组群(group)的重复数目C将由经受结构负载所需的壁厚度决定。最后，叠层以45°铺层开始和结束以改善可制造性和耐用性。
出于本文描述的目的，上述形式±45°/(88°A/-88°A/±15°B)C/±45°的管状叠层在下文中称为″基准″叠层。如果基准设计由不受丝状体卷绕方法的相同纤维角度限制的不同方法制成，则基准叠层可概括为形式±45°/(HOOPA/AXIALB)C/±45°，其中HOOP和AXIAL理解为代表具有分别主要或大致沿圆周或轴向方向定向的纤维的材料铺层或材料层，如由该特定制造方法的约束所容许的那样。
发明内容
本文公开了一种形成复合管的方法的实例，该方法包括提供与基质材料相结合的轴向丝状体和环向丝状体。在示例性实施例中，该方法包括形成第一环状铺层，其具有以偏离管轴线大约10°至大约20°的角度布置的轴向丝状体。环向丝状体可以偏离管轴线大约45°至大约65°范围的角度布置。利用各相继的铺层，环向丝状体布置的角度可增大，而轴向丝状体布置的角度可变化或保持大致相同。
还公开了一种环状叠层，其具有内层、同心地外接内层的中间层、外接最外侧中间层的外层、各层内的轴向丝状体、各层内的环向丝状体，以及浸渍在丝状体内的基质材料。轴向丝状体相对于管轴线以大约10°至大约20°的角度布置在内层中，环向丝状体相对于管轴线以一定角度布置在内层中，以便在压力施加到管的内表面上且其方向从管轴线沿径向向外时，外层中的环向应力为内层中环向应力的至少大约20％。
还公开了一种形成厚壁管的方法，其包括提供与基质材料相混合的轴向丝状体和环向丝状体来产生复合物；将复合物制作成环状叠层，该环状叠层包括内层、同心地外接内层的中间层、外接最外侧中间层的外层；使各层中的轴向丝状体以与管轴线成大约10°至大约20°的角度；使内层中的环向丝状体以与管轴线成大约60°的角度；使外层中的环向丝状体以与管轴线成大约90°的角度；以及使中间层中的环向丝状体以与管轴线成大于大约60°直至大约90°的角度。
附图说明
图1为与壁厚度相关的环向应力的示例性图表。
图2为现有技术的丝状体卷绕系统的简图。
图3为卷绕在现有技术的复合管中的丝状体的侧部简图。
图4为根据本公开内容的复合管的内部铺层的实例。
图5为由本文所公开的方法形成的复合管的侧部简图。
图6为示出与根据本公开内容制成的复合管的壁厚度相关的环向应力的图表。
图7为根据本公开内容形成的复合管的使用的实例的侧视图。
零件清单
10丝状体卷绕系统
12框架
14心轴
16尾架
18头架
20马达
22轴
24复合管
26轨道
28线轴架组件
30卷轴/线轴
32纤维
34环氧树脂系统
36管线(line)
38槽
40铺层
42轴向定向丝状体
44轴向定向丝状体
46环向卷绕丝状体
48树脂
52第一铺层
54轴向卷绕纤维
56轴向卷绕纤维
58环向卷绕纤维
60环氧化物
62复合管
64铺层
66立管
68水下井组件
70水下地面(subsea floor)
86立管
88水下井组件
90.水下地面
具体实施方式
现在将在下文中参照示出实施例的附图来更为完整地描述本公开内容的设备及方法。然而，本公开内容的该主题可体现为许多不同的形式，且不应当看作是限于本文阐述的所示实施例；确切而言，这些实施例提供成以便本公开内容将为全面和完全的，且将本发明的范围完整地传达给本领域的普通技术人员。相似的标号表示所有相似的元件。为了便于参照附图，方向性用语仅用于参照和图示。例如，方向性用语如″上″、″下″、″上方″、″下方″等用于示出相对位置。
应当理解的是，本公开内容的主题不限于所示和所述的构造、操作、准确材料或实施例的准确细节，因为本领域的普通技术人员将会认识到变型和等同物。在附图和说明书中，公开了本公开内容的示范性实施例，且尽管使用了特殊用语，但它们仅用于一般性和描述性的意义而并非为了限制的目的。因此，本公开内容因而仅由所附权利要求的范围来限制。
现参看图4，侧部简图中示出了最内层或第一铺层52的实例。在该实例中，第一铺层52围绕轴线AX，且由轴向丝状体54，56、环向卷绕丝状体58和基质材料60的复合物形成。轴向卷绕丝状体54，56示为以偏离轴线AX的一定角度设置。示例性的角度范围从低至0°直至大约+/-20°。可选的是，该角度的范围可从大约+/-10°至大约+/-17°，或大约+/-15°。图4中的环向卷绕丝状体58示为处于小于90°的角度。该角度可取决于最终产品的应用而变化，且形成为以便复合管壁内的环向应力更好地分布在整个构成管壁的各铺层处。用于第一铺层521的环向卷绕丝状体581的示例性角度的范围从+/-30°至+/-80°，可选的是该角度范围从大约+/-40°至大约+/-70°，作为备选，该角度的范围可从大约+/-50°至大约+/-65°，且可包括大约+/-45°、+/-50°、+/-55°、+/-60°以及+/-65°的角度。此外，先前所标示范围的上限和下限可与其它引用的范围互换，且这些范围内的任何值都可为环向卷绕丝状体布置所处的角度。
图5示出了根据本方法形成的复合管62的实例。管62包括由轴向卷绕丝状体54，56、环向卷绕丝状体581-i和基质材料60构成的一系列铺层521-n。尽管单一丝束或纤维可构成环向卷绕丝状体581-i；但为了清楚起见，不同铺层内的环向卷绕丝状体给出了不同的标记。还指出的是最外侧铺层具有标记″n″(即，″n″铺层)，且最外侧铺层52n中的环向卷绕丝状体具有标记″i″(即，环向卷绕丝状体的″i″层)，其中i和n的值可相等或可不等。
发现的是，通过改变构成复合管62的特定铺层521-n或层内的环向卷绕丝状体581-i的定向角度，经由厚壁复合物的应力分布可更好地沿壁分布。因此，在一个实例中，复合管62将具有最内侧铺层，如图4中的铺层521，其具有与管轴线AX处于小于90°的一定角度的环向卷绕丝状体581，以及最外层52n，其具有大致正交于管62轴线AX的环向卷绕纤维58i。中间铺层522-52n-1可具有以一定角度布置的环向卷绕丝状体582-58i-1，该角度的值的范围从大约最内侧铺层521中的环向卷绕丝状体581的定向角度至最外侧铺层52n中的环向卷绕丝状体58i的定向角度。在一个实例中，从内部铺层521到最外侧铺层52n的各相继铺层均具有处于大于相邻内部铺层的角度的环向卷绕丝状体。
图5中示出了环向卷绕丝状体581-58n中的相继增大的角度的实例。这里，最内侧环向卷绕丝状体581以虚线示为丝状体582，583和58i-1。环向卷绕丝状体581-58i的角度差可在连续相邻铺层52u-52v(其中v大于u，且u的范围可从1至n-1而v的范围可从2至n)之间为恒定的，可以递增步幅(step)转变，或可相对于复合壁的厚度按指数规律地变化。可选的是，连续相邻铺层52x-52y之间的环向卷绕丝状体581-58i之间的角度差可从在信息处理系统上执行的优化研究中得到和/或迭代地确定或利用算法确定，其中，信息处理系统例如为处理器或具有相关可编程可读介质的计算机。
在示例性实施例中，环向卷绕丝状体581-i可不包括在各铺层521-52n内，铺层521-52n中的一个或多个可由轴向卷绕物54，56制成。在另一备选方案中，最内侧和最外侧的铺层521，52n可具有带+/-45°的纤维角度的中间卷绕物。在又一示例性实施例中，复合管62可具有+/-45°(+/-θ°X/+/-AXIALY)N/+/-45°的叠层叠置顺序。尽管X，Y和N的值可取决于特定应用而变化，但在该示例性实施例中，θ的值将随X值的增大而增大。在另一示例性实施例中，环向卷绕丝状体581-58i的纤维角度可在最内侧铺层521与最外侧铺层52n之间达到最大，且处于离最内侧铺层521距离的大约三分之二。在该示例性实施例中，纤维角度从三分之二的位置到最外侧铺层52n保持大致相同。
图6中以图解的形式示出了经由复合管壁的应力分布的实例。在该实例中，内壁和外壁处的应力之间的差减小，且沿壁内的中间位置经历较高的应力值。这导致图6中的应力分布曲线比图1中的应力分布曲线更平，从而示出了复合管内壁与外壁之间更为均等的应力分布。
在使用复合管64的一个实例中，部分的钻掘系统66在图7中示为具有安装到水下井组件70中的垂直立管68。由上述工艺形成的复合管62附接到立管68上且与立管68平行。水下井口组件70安装到水下地面72上。各优点通过使用如本文所述那样形成的复合管62的水下井口组件70来实现。例如，复合管62可用于扼流压井(choke andkill)管线中。在整个管壁上分布的环向应力可减小壁厚度，直至大约30％。由于扼流压井管线可由于其较大壁厚度而在重量上超过较大直径的立管86，故使用本文所述的复合管而可得到较轻的、更加坚固的管线。减轻重量的管线可提高操纵当前设计的系统的简易性和安全性。此外，较轻的复合管可容许在以前难以到达的深度处进行钻掘操作。
尽管本公开内容以在油气设备中使用的管状加压流体导管为背景描述了本发明，但本公开内容不应当看作是限于特定的目标领域。文中公开的本发明涉及加压圆柱形或管状复合结构，其可采用开口端管状流体导管的形式或封闭端圆柱形压力容器的形式。
因此，文中所述的本系统及方法良好地适于执行和达到所述的目标和优点，以及在其中固有的其它目标。尽管为了公开的目的已给出了目前优选的实施例，但用于实现所期望结果的工艺过程细节中存在许多变化。这些及其它类似的修改将容易将其自身表述给本领域的普通技术人员，且意图包含在文中公开的本发明的精神和所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种形成复合管(62)的方法，包括：
(a)提供与基质材料(60)相混合的轴向丝状体(54)和环向丝状体(58)；
(b)特征在于形成第一环状铺层(521)，所述第一环状铺层(521)包括以偏离所述管(62)的轴线10°至20°的角度布置的轴向丝状体(54)和以偏离所述管(62)的轴线45°至65°的角度布置的环向丝状体(58)；以及
(c)通过在下方的铺层(52i+1-n)的其中一个上以偏离所述管(62)的轴线10°至20°的角度布置轴向丝状体(54)，以及在所述下方的铺层(52i+1-n)的其中一个上以与所述管(62)的轴线成一定偏离角度布置环向丝状体(58)来形成相继环状铺层(52i-n)的叠层，所述一定偏离角度超过下方的铺层(52i-1)内的环向丝状体(58)的偏离角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)中的所述环向丝状体(58)的偏离角度具有90°的最大值。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一环状铺层(521)中的所述环向丝状体(58)以60°的偏离角度布置。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，当在所述管(62)的侧壁上产生环向应力时，所述管(62)的外表面处的环向应力为所述管(62)的内表面处的环向应力的30％。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述相继环状铺层(52i-n)内的环向丝状体(58)的偏离角度以相同量、线性增加量和按指数规律增加量中的一个或多个的数量增大超过下方铺层的偏离角度。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述管(62)包括在水下井口组件中用于扼流压井应用的长形管线。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，形成铺层的步骤包括使所述丝状体(54，56，58)围绕心轴(14)卷绕。
8.一种复合管(62)，包括：
内层；
同心地外接所述内层的中间层(52i+1-n-1)；
外接最外侧中间层(52n-1)的外层(52n)；
特征在于，各层(52i)内的轴向丝状体(54)相对于所述管(62)的轴线以10°至20°的角度布置在所述内层中；
各层(52i)内的环向丝状体(58)相对于所述管(62)的轴线以一定角度布置，所述一定角度随着邻近所述外层(52n)而增大；以及
浸渍在所述丝状体(54，58)内的基质材料(60)。
9.根据权利要求8所述的复合管，其特征在于，所述中间层(52i+1- n-1)中的所述环向丝状体相对于所述管(62)的轴线以范围从大于所述内层中的所述环向丝状体(58)的定向角度到直至90°的角度布置。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的复合管，其特征在于，当压力施加到所述管(62)的内表面上且其方向从所述管(62)的轴线沿径向向外时，所述外层(52n)中的环向应力为所述内层中的环向应力的至少20％。
11.根据权利要求8或权利要求9所述的复合管，其特征在于，所述内层中的环向丝状体(58)相对于所述管(62)的轴线成至少50°的角度。
12.根据权利要求8或权利要求9所述的复合管，其特征在于，所述外层(52n)中的环向丝状体(58)相对于所述管(62)的轴线成90°的角度。
13.一种形成厚壁管(62)的方法，包括：
提供与基质材料(60)相混合的轴向丝状体(54，56)和环向丝状体(58)以产生复合物；
将所述复合物制作成环状叠层，所述环状叠层包括内层、同心地外接所述内层的中间层(52i+1-n-1)，外接最外侧中间层(52n-1)的外层(52n)；
特征在于，使各层中的轴向丝状体(54)以与所述管(62)的轴线成10°至20°的角度；
使所述内层中的环向丝状体(58)与所述管(62)的轴线成60°的角度；
使所述外层(52n)中的环向丝状体(58)与所述管(62)的轴线成90°的角度；以及
使所述中间层中的环向丝状体(58)与所述管(62)的轴线成大于60°直至90°的角度。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述中间层(52i+1 -n-1)中的环向丝状体(58)的角度随着与所述内层的距离而增大。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其特征在于，所述管(62)包括在水下井口组件中用于用于扼流压井应用的长形管线。
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