CN104086204A - 大口径长尺寸碳碳复合材料管道及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径长尺寸碳碳复合材料管道及其制备方法。大口径长尺寸碳碳复合材料管道，包括管道本体和位于管道本体内表面上的致密层，所述管道本体由薄毡缠绕层叠而成，所述致密层由喷涂在管道本体上的硅溶胶溶液经化学方法处理形成。所述薄毡由一层网胎、一层碳布、一层网胎依次叠层经针刺制备而成。一种大口径长尺寸碳碳复合材料管道的制备方法，包括以下步骤：制作模具；针刺薄毡；制作预制；固化；裁切脱模；沉积增密；加工抛光；喷涂、致密化处理；成品。本发明采用高性能、新型的碳碳复合材料来制备大口径长尺寸的管道；制得的管道具备高强度、保温性能优异、使用寿命长、抗老化、安全性能显著提高。

Description

大口径长尺寸碳碳复合材料管道及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料管道技术领域，利用碳碳复合材料制备技术制备碳碳复合材料长管，应用于石油、化工、粉沫冶金行业。

背景技术

随着化工、高端粉沫冶金、石化工业的发展，利用长距离管道输送气体、液体、混合浆料的需求日益增加，尤其是在一些特殊行业，具有特殊性能的管道的需求相当大，如耐高温、耐腐蚀、高强度、长寿命的管道。如大型化工企业，就需要大口径的、耐强酸或强碱的腐蚀、耐超过1000℃的温度、具有比较好的强度的管道。此类管道通常采用工程塑料和橡胶材料。可是此工程塑料和橡胶材料最大的弊端就是不耐高温，遇高温容易老化，老化后极容易产生裂纹，从而导致泄露事故，会产生极大的安全隐患。

在粉沫冶金行业里，硬质合金熔炼炉内、炉与炉之间也需要一些能耐高温、高压的输气、输送浆料的管道，同时此类管道还要能起保温隔热作用。这个问题，一般公司都是采用石墨或其它金属管道，可是石墨材料太脆，金属不耐腐蚀，还都不具有保温功能。

现有技术的不足之处主要有：易老化、寿命偏短，安全系数低；低强度、抗强酸、强碱能力差；保温性能差。

检索到的部分相关现有专利技术：

1、一种复合材料管道及其制备方法与应用，申请号为201310028075.6；

2、一种纤维缠绕复合材料管道，申请号为200610031153.8；

3、一种修复管道碳纤维复合材料体系及应用，申请号为201010550596.4；

4、树脂基复合材料制成管道的固化方法，申请号为200910208930.5；

5、钢骨架增强尼龙管道制作方法，申请号为201310231542.5；

6、多层管道制造的优化方法，申请号为200980105596.9。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种大口径长尺寸碳碳复合材料管道及其制备方法，采用此方法制备的管道具备高强度、保温性能优异。

本发明的技术方案是：一种大口径长尺寸碳碳复合材料管道，包括管道本体和位于管道本体内表面上的致密层，所述管道本体由薄毡缠绕层叠而成，所述致密层由喷涂在管道本体上的硅溶胶溶液经化学方法处理形成。

所述薄毡包括上层、中层和下层；上层和下层均是网胎，中层是碳布；所述薄毡由一层网胎、一层碳布、一层网胎依次叠层经针刺制备而成；所述碳布是平纹碳布，碳布的面密度为200-800g/m²，所述网胎是通过纤维短切、机械梳理成网制备而成的短纤维网胎。

所述大口径长尺寸碳碳复合材料管道的内径为Ф20---Ф1000mm，长度为500-3000mm，壁厚为3—120mm，密度为0.9-1.5g/cm³。

所述致密层厚度为10um----500um。

所述大口径长尺寸碳碳复合材料管道的一端设有内螺纹，另一端设有与内螺纹相配合的外螺纹；所述同样规格的二根管道能通过其端部的内螺纹和外螺纹拼接在一起。

一种大口径长尺寸碳碳复合材料管道的制备方法，包括以下步骤：

A、制作模具：按需制备管道的预定设计规格制作出相应的专用模具；

B、针刺薄毡：先制备碳布和网胎，采用编织方法制备幅宽与管道长度相匹配的平纹碳布，采用纤维短切、机械梳理、成网的技术制备短纤维网胎；然后一层网胎加一层碳布加一层网胎叠层经针刺制备成薄毡；

C、制作预制件：将薄毡与网胎交替叠层、缠绕在模具上，经针刺制成需要厚度的碳纤维预制件；

D、固化：将上述碳纤维预制件浸渍粘结剂，然后固化，得到成型的管道毛坯；

E、裁切脱模：用端面裁切设备对管道毛坯裁切端面，并将模具脱出毛坯；

F、沉积增密：将已脱模的管道毛坯放入化学气相沉积炉中沉积增密，缓慢加热升温到沉积温度，通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密；

G、加工抛光：待管道毛坯密度达到预定的密度时，再进行内、外表面加工，抛光；

H、喷涂、致密化处理：将抛光后的管道进行致密化处理：先用硅溶胶溶液均匀喷涂在管道的内表面，晾干，再放入化学气相多功能炉中，升温至1700--1950℃，保持3-5小时，再降温至1000--1450℃，通入碳氢气体和稀释气体，时间为3—15小时，得到致密层；

I、成品：在管道的一端制作内螺纹，另一端制作与内螺纹相配合的外螺纹，完成大口径长尺寸碳碳复合材料管道的制备。

在步骤B中，所述碳布的面密度为200-800g/m²；根据管道的厚度要求制作薄毡的长度为50m/卷；

在步骤C中，所述预制件尺寸为内径Ф20--Ф1000mm，长度500-3000mm，壁厚3—120mm。

在步骤D中，所述粘结剂的主要成份是水溶性或非水溶性热固性树脂或沥青或多羟基粘结剂；固化时，温度为150-400℃。

在步骤F中，所述沉积温度为850-1200℃；通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密，时间为70-300小时。

在步骤G中，管道毛坯密度达到的合适密度是0.9-1.5g/cm³；

在步骤H中，所述硅溶胶溶液是0.07--0.5mol/l的硅溶胶溶液；所述致密层厚度为10um--500um。

本发明采用高性能、新型的碳碳复合材料来制备大口径长尺寸的管道；制得的管道具备高强度、保温性能优异、使用寿命长、抗老化、安全性能显著提高。

附图说明

图1是大口径长尺寸碳碳复合材料管道的剖面结构示意图。

图2是大口径长尺寸碳碳复合材料管道的制备方法的流程图。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，一种大口径长尺寸碳碳复合材料管道，包括管道本体1和位于管道本体内表面上的致密层2，所述管道本体由薄毡缠绕层叠而成，所述致密层由喷涂在管道本体上的硅溶胶溶液经化学方法处理形成。所述薄毡由一层网胎、一层碳布、一层网胎依次叠层经针刺制备而成；所述碳布是平纹碳布，碳布的面密度为200-800g/m²，所述网胎是通过纤维短切、机械梳理成网制备而成的短纤维网胎。大口径长尺寸碳碳复合材料管道的内径为Ф1000mm，长度为3000mm，壁厚为120mm，密度为1.5g/cm³。致密层厚度为500um。大口径长尺寸碳碳复合材料管道的一端设有内螺纹，另一端设有与内螺纹相配合的外螺纹；同样规格的二根管道能通过其端部的内螺纹和外螺纹拼接在一起。

如图2所示，大口径长尺寸碳碳复合材料管道的制备工艺步骤如下：

1、设计制作需要尺寸的模具，该模具能满足薄毡缠绕针刺要求，并方便操作使用；

2、采用编织方法制备幅宽与管道长度相匹配的平纹碳布，碳布的面密度为200-800g/m²；采用纤维短切、机械梳理、成网的技术制备短纤维网胎，然后一层网胎+一层碳布+一层网胎叠层经针刺制备成薄毡，薄毡的长度可以做到50m/卷，根据管道的厚度要求制作；

3、采用薄毡与网胎交替叠层、缠绕在模具上，经针刺制成需要厚度的碳纤维预制件，预制件尺寸为内径Ф1000mm，长度3000mm，壁厚120mm；

4、碳纤维预制件浸渍粘结剂，粘结剂主要成份可以是水溶性或非水溶性热固性树脂或沥青以及其它多羟基粘结剂，然后固化，固化温度为150-400℃，得到成型的管道毛坯；

5、采用端面裁切设备对管道毛坯裁切端面，并将模具脱出毛坯；

6、将已脱模的管道毛坯放入化学气相沉积炉中沉积增密，缓慢加热升温到沉积温度，温度为850-1200℃，通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密，时间70-300小时；

7、待管道毛坯密度达到合适的密度(0.9-1.5g/cm³)时，再进行内、外表面加工，抛光；

8、将抛光后的管道进行致密化处理：先用0.07--0.5mol/l的硅溶胶溶液均匀喷涂在管道的内表面，晾干，再放入化学气相多功能炉中，升温至1700--1950℃，保持3-5小时，再降温至1000--1450℃，通入碳氢气体和稀释气体，时间为3—15小时，得到致密层，致密层厚度为500um；

9、在管道的一端制作内螺纹，另一端制作与内螺纹相配合的外螺纹。

实施例二：

与实施例一不同的地方是，所述大口径长尺寸碳碳复合材料管道的内径为Ф20mm，长度为500mm，壁厚为3mm，密度为0.9g/cm³。致密层厚度为10um。其他与实施例一相同。

相应地，大口径长尺寸碳碳复合材料管道的制备方法中，与实施例一不同的地方是，制作的碳纤维预制件尺寸为内径Ф20mm，长度500mm，壁厚3mm；制备的致密层厚度为10um。其他与实施例一相同。

实施例三：

与实施例一不同的地方是，所述大口径长尺寸碳碳复合材料管道的内径为Ф500mm，长度为2000mm，壁厚为60mm，密度为1.2g/cm³。致密层厚度为250um。其他与实施例一相同。

大口径长尺寸碳碳复合材料管道的制备工艺步骤如下：

1、设计制作需要尺寸的模具，该模具能满足薄毡缠绕针刺要求，并方便操作使用；

2、采用编织方法制备幅宽与管道长度相匹配的平纹碳布，碳布的面密度为200-800g/m²；采用纤维短切、机械梳理、成网的技术制备短纤维网胎，然后一层网胎+一层碳布+一层网胎叠层经针刺制备成薄毡，薄毡的长度可以做到50m/卷，根据管道的厚度要求制作；

3、采用薄毡与网胎交替叠层、缠绕在模具上，经针刺制成需要厚度的碳纤维预制件，预制件尺寸为内径Ф500mm，长度2000mm，壁厚60mm；

4、碳纤维预制件浸渍粘结剂，粘结剂主要成份可以是水溶性或非水溶性热固性树脂或沥青以及其它多羟基粘结剂，然后固化，固化温度为300℃，得到成型的管道毛坯；

5、采用端面裁切设备对管道毛坯裁切端面，并将模具脱出毛坯；

6、将已脱模的管道毛坯放入化学气相沉积炉中沉积增密，缓慢加热升温到沉积温度，温度为1000℃，通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密，时间200小时；

7、待管道毛坯密度达到合适的密度1.2g/cm³时，再进行内、外表面加工，抛光；

8、将抛光后的管道进行致密化处理：先用0.3mol/l的硅溶胶溶液均匀喷涂在管道的内表面，晾干，再放入化学气相多功能炉中，升温至1800℃，保持4小时，再降温至1200℃，通入碳氢气体和稀释气体，时间为9小时，得到致密层，致密层厚度为250um；

9、在管道的一端制作内螺纹，另一端制作与内螺纹相配合的外螺纹。

实施例四：

制作长度超过单根管道长度的管道。将上述实施例一、实施例二或实施例三中制得的单根管道进行连接，其具体方法是：将一根管道的具有内螺纹的一端与另一根管道的具有外螺纹的一端对应连接，如此类似进行拼接即可。也可在管道与管道之间采用连接件进行连接。

以上所述仅为本发明的优选实施例，本发明还可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大口径长尺寸碳碳复合材料管道，其特征是，包括管道本体和位于管道本体内表面上的致密层，所述管道本体由薄毡缠绕层叠而成，所述致密层由喷涂在管道本体上的硅溶胶溶液经化学方法处理形成。

2.根据权利要求1所述的大口径长尺寸碳碳复合材料管道，其特征是，所述薄毡包括上层、中层和下层；上层和下层均是网胎，中层是碳布；所述薄毡由一层网胎、一层碳布、一层网胎依次叠层经针刺制备而成；所述碳布是平纹碳布，碳布的面密度为200-800g/m²，所述网胎是通过纤维短切、机械梳理成网制备而成的短纤维网胎。

3.根据权利要求1所述的大口径长尺寸碳碳复合材料管道，其特征是，所述大口径长尺寸碳碳复合材料管道的内径为Ф20--Ф1000mm，长度为500-3000mm，壁厚为3—120mm，密度为0.9-1.5g/cm³。

4.根据权利要求1所述的大口径长尺寸碳碳复合材料管道，其特征是，所述致密层厚度为10um--500um。

5.根据权利要求1所述的大口径长尺寸碳碳复合材料管道，其特征是，所述大口径长尺寸碳碳复合材料管道的一端设有内螺纹，另一端设有与内螺纹相配合的外螺纹；所述同样规格的二根管道能通过其端部的内螺纹和外螺纹拼接在一起。

6.一种大口径长尺寸碳碳复合材料管道的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

A、制作模具：按需制备管道的预定设计规格制作出相应的专用模具；

B、针刺薄毡：先制备碳布和网胎，采用编织方法制备幅宽与管道长度相匹配的平纹碳布，采用纤维短切、机械梳理、成网的技术制备短纤维网胎；然后一层网胎加一层碳布加一层网胎叠层经针刺制备成薄毡；

C、制作预制件：将薄毡与网胎交替叠层、缠绕在模具上，经针刺制成需要厚度的碳纤维预制件；

D、固化：将上述碳纤维预制件浸渍粘结剂，然后固化，得到成型的管道毛坯；

E、裁切脱模：用端面裁切设备对管道毛坯裁切端面，并将模具脱出毛坯；

F、沉积增密：将已脱模的管道毛坯放入化学气相沉积炉中沉积增密，缓慢加热升温到沉积温度，通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密；

G、加工抛光：待管道毛坯密度达到预定的密度时，再进行内、外表面加工，抛光；

H、喷涂、致密化处理：将抛光后的管道进行致密化处理：先用硅溶胶溶液均匀喷涂在管道的内表面，晾干，再放入化学气相多功能炉中，升温至1700--1950℃，保持3-5小时，再降温至1000--1450℃，通入碳氢气体和稀释气体，时间为3—15小时，得到致密层；

I、成品：在管道的一端制作内螺纹，另一端制作与内螺纹相配合的外螺纹，完成大口径长尺寸碳碳复合材料管道的制备。

7.根据权利要求6所述的大口径长尺寸碳碳复合材料管道的制备方法，其特征是，在步骤B中，所述碳布的面密度为200-800g/m²；根据管道的厚度要求制作薄毡的长度为50m/卷；

在步骤C中，所述预制件尺寸为内径Ф20--Ф1000mm，长度500-3000mm，壁厚3—120mm。

8.根据权利要求6所述的大口径长尺寸碳碳复合材料管道的制备方法，其特征是，在步骤D中，所述粘结剂的主要成份是水溶性或非水溶性热固性树脂或沥青或多羟基粘结剂；固化时，温度为150-400℃。

9.根据权利要求6所述的大口径长尺寸碳碳复合材料管道的制备方法，其特征是，在步骤F中，所述沉积温度为850-1200℃；通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密，时间为70-300小时。

10.根据权利要求6所述的大口径长尺寸碳碳复合材料管道的制备方法，其特征是，在步骤G中，管道毛坯密度达到的合适密度是0.9-1.5g/cm³；

在步骤H中，所述硅溶胶溶液是0.07--0.5mol/l的硅溶胶溶液；所述致密层厚度为10um--500um。