CN104089111A - 混合材料增强型非粘结柔性管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石油开采用管材制造技术领域，具体的说是一种混合材料增强型非粘结柔性管，其特征在于由内而外分别设有以下结构层：金属内骨架层、聚合物内衬层、金属抗压层、非金属外骨架层、非金属拉伸层和外保护层，其中相邻的结构层之间分别设有抗磨层；所述抗磨层采用尼龙纤维带以45度角缠绕，带宽10-30mm，金属内骨架层由S型组件互锁后形成的金属带缠绕制成，厚度范围为8.00-9.00mm；内衬层采用高分子聚合物制成，金属抗压层厚度为7.00-8.00mm；非金属外骨架层由缠绕带交叉缠绕制成；本发明与现有技术相比，能够有效增强管体强度，进而提高管体抗压、抗拉能力，降低管道自身重量。

Description

混合材料增强型非粘结柔性管
技术领域
 本发明涉及石油开采用管材制造技术领域，具体的说是一种能够有效提高管体抗压、抗拉能力并能降低管道自身重量的特别适用于石油天然气工业用的混合材料增强型非粘结柔性管。
背景技术
众所周知，石油及天然气开发过程中对输送油/气的管道需求大大增加，现有的油/气管道根据特性可以分为钢制管道和柔性管道，由于柔性管道具有能够适应不同的输送环境、抵抗变形力、抗腐蚀、可回收、安装方便等特点，在油气开采过程中被广泛用作输送管、立管、悬跨管等。
当柔性管应用于油井的采注作业时，由于采注的油井深达数千米，用作采注管的柔性管除了要克服自身重力外还要承受外接设备对其施加的牵引力，同时还需要承受较大的压力、拉力，因此管材本身重量不宜过重，现有的柔性管具由多层结构复合组成，如文献CN102889437A所公开的一种柔性复合油管，由内而外依次设有高分子内管层、用于抵抗内压的抗压层、用于抵抗外界拉力的抗拉层、用于固定抗拉层的固定层以及高分子外管层，其中抗压层为纤维编织层，根据使用需要可以设有2-4层单层纤维编织层，抗拉层为采用涤纶纤维、尼龙纤维、玻璃纤维、聚乙烯限位、芳纶纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维和碳纤维中的一种或几种制成的沿高分子内管层的延伸方向平行布置的纤维层。
上述现有技术存在以下缺点，（1）柔性管整体强度不足，在使用过程中容易发生断裂；（2）采用沿管体延伸方向平行布置的纤维构成的抗拉层抗拉力弱；（3）抗压层的耐压程度较差，容易在内外同时受力情况下破损。
发明内容
  本发明针对现有技术存在的缺点和不足，提出了一种能够有效提高管体抗压、抗拉能力并能降低管道自身重量的特别适用于石油天然气工业用的混合材料增强型非粘结柔性管。
    本发明可以通过以下措施达到：
一种混合材料增强型非粘结柔性管，其特征在于由内而外分别设有以下结构层：金属内骨架层、聚合物内衬层、金属抗压层、非金属外骨架层、非金属拉伸层和外保护层，其中相邻的结构层之间分别设有抗磨层；所述抗磨层采用尼龙纤维带以45度角缠绕，带宽30-60mm，抗磨层厚度2-3mm；
金属内骨架层由S型组件互锁后形成的金属带缠绕制成，厚度范围为8.00-9.00 mm；
内衬层采用高分子聚合物制成，管壁厚度为4至20mm；
金属抗压层由不锈钢Z型组件互锁形成的金属带缠绕制成，厚度范围为7.00-8.00 mm；
非金属外骨架层由采用热塑性/热固性树脂和纤维制成的缠绕带交叉缠绕制成；
非金属拉伸层采用聚乙烯和高强度纤维带缠绕制成；
外保护层采用高分子聚合物管。 
本发明中金属内骨架层采用由S形组件互锁连接组成的金属带，按与轴向（管体延伸方向）缠绕角度为85-90度，缠绕制成，所述S形组件设有连接段，连接段的前端和后端分别设有一个U型弯头，其中U型弯头的末端可以设有锁紧凸起，使两个相邻的S形组件互锁时不易滑脱。
本发明中金属抗压层采用由Z形组件互锁连接组成的金属带，按与轴向呈缠绕角度为85-90度，缠绕制成，所述Z形组件的两个末端均设有用于钩挂相邻的Z形组件的钩挂凸起。
本发明所述非金属外骨架层，作用为抵抗外骨架层以外的外部压力，支撑拉伸层的径向荷载，由热塑性/热固性树脂和纤维交叉缠绕而成，缠绕角度为50-80°，缠绕带带宽可以为30mm。
本发明所述非金属拉伸层采用高强度纤维带，按螺旋式缠绕制成，缠绕的层合角为30°至60°，高强度纤维带宽度范围为30-60mm；所述拉伸层包括内拉伸层和外拉伸层，其中内拉伸层采用高强度纤维带按50°-60°交叉缠绕而成，高强度纤维带选用树脂纤维缠绕带；外拉伸层采用树脂纤维和玻璃纤维混合缠绕而成，缠绕的层合角为30°至60°，内拉伸层和外拉伸层分别设有偶数层由缠绕带缠绕的纤维层，可以是2层4、6层，优选4层，每2层为一组，每组中第一层以50-60度角缠绕，第二层采用120-130度角缠绕。
    本发明中用于缠绕制成拉伸层的高强度纤维带可以选用以下几种材料中的一种或几种，玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、树脂纤维、聚乙烯基酮，聚乙烯醚，乙酸乙烯酯，混合型环氧乙烯基酯，聚乙烯基甲基醚，聚乙烯基芳族、丙烯酸类聚合物，丙烯酸共聚物，聚甲基丙烯酸丁酯，聚丙烯腈。
 本发明与现有技术相比，能够有效增强管体强度，进而提高管体抗压、抗拉能力，降低管道自身重量。 
附图说明：
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是本发明中金属内骨架层的结构示意图。
附图3是本发明中金属抗压层的结构示意图。
附图标记：金属内骨架层1、聚合物内衬层2、金属抗压层3、非金属外骨架层4、非金属拉伸层5、外保护层6、抗磨层7、S形组件8、Z形组件9、连接段10、U型弯头11、锁紧凸起12、钩挂凸起13。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如附图1所示，本发明提出了一种混合材料增强型非粘结柔性管，其特征在于由内而外分别设有以下结构层：金属内骨架层1、聚合物内衬层2、金属抗压层3、非金属外骨架层4、非金属拉伸层5和外保护层6，其中相邻的结构层之间分别设有抗磨层7；所述抗磨层7采用尼龙纤维带以45度角缠绕，带宽30-60mm，抗磨层7的厚度为2-3mm；金属内骨架层1由S型组件8互锁后形成的金属带缠绕制成，厚度范围为8.00-9.00 mm；聚合物内衬层2采用高分子聚合物制成，管壁厚度为4至20mm；金属抗压层3由不锈钢Z型组件9互锁形成的金属带缠绕制成，厚度范围为7.00-8.00 mm；非金属外骨架层4由采用热塑性/热固性树脂和纤维制成的缠绕带交叉缠绕制成；非金属拉伸层5采用聚乙烯和高强度纤维带缠绕制成；
外保护层6采用高分子聚合物管。 
如附图2所示，本发明中金属内骨架层1采用由S形组件8互锁连接组成的金属带，按与轴向（管体延伸方向）缠绕角度为85-90度，缠绕制成，所述S形组件8设有连接段10，连接段10的前端和后端分别设有一个U型弯头11，其中U型弯头11的末端可以设有锁紧凸起12，使两个相邻的S形组件8互锁时不易滑脱。
如附图3所示，本发明中金属抗压层3采用由Z形组件9互锁连接组成的金属带，按与轴向呈缠绕角度为85-90度，缠绕制成，所述Z形组件9的两个末端均设有用于钩挂相邻的Z形组件9的钩挂凸起13。
本发明所述非金属外骨架层4，作用为抵抗外骨架层4以外的外部压力，支撑拉伸层的径向荷载，由热塑性/热固性树脂和纤维交叉缠绕而成，缠绕角度为50-80°，缠绕带带宽可以为30mm。
本发明所述非金属拉伸层5采用高强度纤维带，按螺旋式缠绕制成，缠绕的层合角为30°至60°，高强度纤维带宽度范围为10-30mm；所述拉伸层包括内拉伸层和外拉伸层，其中内拉伸层采用高强度纤维带按50°-60°交叉缠绕而成，高强度纤维带选用树脂纤维缠绕带；外拉伸层采用树脂纤维和玻璃纤维混合缠绕而成，缠绕的层合角为30°至60°，内拉伸层和外拉伸层分别设有偶数层由缠绕带缠绕的纤维层，可以是2层4、6层，优选4层，每2层为一组，每组中第一层以50-60度角缠绕，第二层采用120-130度角缠绕。
本发明中用于缠绕制成拉伸层的高强度纤维带可以选用以下几种材料中的一种或几种，玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、树脂纤维、聚乙烯基酮，聚乙烯醚，乙酸乙烯酯，混合型环氧乙烯基酯，聚乙烯基甲基醚，聚乙烯基芳族、丙烯酸类聚合物，丙烯酸共聚物，聚甲基丙烯酸丁酯，聚丙烯腈。
    实施例1：
一种混合材料增强型非粘结柔性管，金属内骨架层1、聚合物内衬层2、金属抗压层3、非金属外骨架层4、非金属拉伸层5和外保护层6，其中相邻的结构层之间分别设有抗磨层7；所述抗磨层7采用尼龙纤维带以45度角缠绕，带宽30-60mm，抗磨层7的厚度为2-3mm；所述骨架层1采用金属丝按互锁结构制成，金属丝线径为3.2mm，骨架层1厚度为8.5 mm，
所述金属抗压层3采用不锈钢互锁结构，厚度为7.5 mm，
所述非金属拉伸层5采用聚乙烯和高强度纤维带，按螺旋式缠绕制成，缠绕的层合角为48°，高强度纤维带宽度为15mm，非金属拉伸层5包括内拉伸层和外拉伸层，其中内拉伸层采用高强度纤维带按60°交叉缠绕而成，高强度纤维带选用树脂纤维缠绕带；外拉伸层采用树脂纤维和玻璃纤维混合缠绕而成，缠绕的层合角为60°；
本发明所述非金属外骨架层4，作用为抵抗外骨架层4以外的外部压力，支撑拉伸层的径向荷载，由热塑性/热固性树脂和纤维交叉缠绕而成，缠绕角度为55°，缠绕带带宽为30mm；
外保护层6采用高分子聚合物管，管壁厚度5mm；
    与传统柔性管相比，上述对比，抗拉强度提高60%，抗压性能提高65%。。
实施例2：
一种混合材料增强型非粘结柔性管，金属内骨架层1、聚合物内衬层2、金属抗压层3、非金属外骨架层4、非金属拉伸层5和外保护层6，其中相邻的结构层之间分别设有抗磨层7；所述抗磨层7采用尼龙纤维带以45度角缠绕，带宽30-60mm，抗磨层7的厚度为2-3mm；所述金属内骨架层1采用金属丝按互锁结构制成，金属丝线径为3.5mm，金属内骨架层1厚度为8.8 mm，
所述金属抗压层4采用不锈钢互锁结构，厚度为7.6 mm，
所述非金属拉伸层5采用聚乙烯和高强度纤维带，按螺旋式缠绕制成，缠绕的层合角为42°，设有内拉伸层和外拉伸层，其中内拉伸层设有由缠绕带缠绕的4层纤维层，外拉伸层设有由缠绕带缠绕的2层纤维层，高强度纤维带宽度为18mm；
    本发明所述非金属拉伸层5包括内拉伸层和外拉伸层，其中内拉伸层采用高强度纤维带按55°交叉缠绕而成，高强度纤维带选用树脂纤维缠绕带；外拉伸层采用树脂纤维和玻璃纤维混合缠绕而成，缠绕的层合角为55°；
本发明所述非金属外骨架层4，作用为抵抗外骨架层4以外的外部压力，支撑拉伸层的径向荷载，由热塑性/热固性树脂和纤维交叉缠绕而成，缠绕角度为58°，缠绕带带宽为30mm；
外保护层6采用高分子聚合物管，管壁厚度8mm；
    与传统柔性管相比，上述对比，抗拉强度提高60%，抗压性能提高65%。。
    实施例3：
 本发明提出一种混合材料增强型非粘结柔性管，金属内骨架层1、聚合物内衬层2、金属抗压层3、非金属外骨架层4、非金属拉伸层5和外保护层6，其中相邻的结构层之间分别设有抗磨层7；所述抗磨层7采用尼龙纤维带以45度角缠绕，带宽30-60mm，抗磨层7的厚度为2-3mm；所述金属内骨架层1采用金属丝按互锁结构制成，金属内骨架层1由采用金属丝制成的S型组件7按互锁结构制成，金属丝线径范围为3.6mm，骨架层厚度范围为8.8 mm，
所述抗压层采用不锈钢互锁结构，厚度范围为7.8 mm，
所述拉伸层采用聚乙烯和高强度纤维带，按螺旋式缠绕制成，缠绕的层合角为36°，高强度纤维带宽度范围为22mm。
    本发明所述非金属拉伸层5包括内拉伸层和外拉伸层，其中内拉伸层采用高强度纤维带按50°交叉缠绕而成，高强度纤维带选用树脂纤维缠绕带；外拉伸层采用树脂纤维和玻璃纤维混合缠绕而成，缠绕的层合角为50°。
本发明所述非金属外骨架层4，作用为抵抗外骨架层4以外的外部压力，支撑拉伸层的径向荷载，由热塑性/热固性树脂和纤维交叉缠绕而成，缠绕角度为55°，缠绕带带宽为30mm；
外保护层6采用高分子聚合物管，管壁厚度5mm；
    与传统柔性管相比，上述对比，抗拉强度提高80%以上，抗压性能提高80%以上。
    本发明与现有技术相比，能够有效增强管体强度，进而提高管体抗压、抗拉能力，降低管道自身重量。

Claims (7)

1.一种混合材料增强型非粘结柔性管，其特征在于由内而外分别设有以下结构层：金属内骨架层、聚合物内衬层、金属抗压层、非金属外骨架层、非金属拉伸层和外保护层，其中相邻的结构层之间分别设有抗磨层；所述抗磨层采用尼龙纤维带以45度角缠绕，带宽30-60mm，抗磨层厚度2-3mm；金属内骨架层由S型组件互锁后形成的金属带缠绕制成，厚度范围为8.00-9.00 mm；内衬层采用高分子聚合物制成，管壁厚度为4至20mm；金属抗压层由不锈钢Z型组件互锁形成的金属带缠绕制成，厚度范围为7.00-8.00 mm；非金属外骨架层由采用热塑性/热固性树脂和纤维制成的缠绕带交叉缠绕制成；
非金属拉伸层采用聚乙烯和高强度纤维带缠绕制成；外保护层采用高分子聚合物管。
2.根据权利要求1所述的一种混合材料增强型非粘结柔性管，其特征在于金属内骨架层采用由S形组件互锁连接组成的金属带，按与轴向缠绕角度为85-90度，缠绕制成，所述S形组件设有连接段，连接段的前端和后端分别设有一个U型弯头，其中U型弯头的末端设有锁紧凸起，使两个相邻的S形组件互锁时不易滑脱。
3.根据权利要求1所述的一种混合材料增强型非粘结柔性管，其特征在于金属抗压层采用由Z形组件互锁连接组成的金属带，按与轴向呈缠绕角度为85-90度，缠绕制成，所述Z形组件的两个末端均设有用于钩挂相邻的Z形组件的钩挂凸起。
4.根据权利要求1所述的一种混合材料增强型非粘结柔性管，其特征在于所述非金属外骨架层，作用为抵抗外骨架层以外的外部压力，支撑拉伸层的径向荷载，由热塑性/热固性树脂和纤维交叉缠绕而成，缠绕角度为50-80°，缠绕带带宽为30mm。
5.根据权利要求1所述的一种混合材料增强型非粘结柔性管，其特征在于所述非金属拉伸层采用高强度纤维带，按螺旋式缠绕制成，缠绕的层合角为30°至60°，高强度纤维带宽度范围为10-30mm；所述拉伸层包括内拉伸层和外拉伸层，其中内拉伸层采用高强度纤维带按50°-60°交叉缠绕而成，高强度纤维带选用树脂纤维缠绕带；外拉伸层采用树脂纤维和玻璃纤维混合缠绕而成，缠绕的层合角为30°至60°。
6.根据权利要求5所述的一种混合材料增强型非粘结柔性管，其特征在于内拉伸层和外拉伸层分别设有偶数层由缠绕带缠绕的纤维层，每2层为一组，每组中第一层以50-60度角缠绕，第二层采用120-130度角缠绕。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种混合材料增强型非粘结柔性管，其特征在于用于缠绕制成拉伸层的高强度纤维带可以选用以下几种材料中的一种或几种，玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、树脂纤维、聚乙烯基酮，聚乙烯醚，乙酸乙烯酯，混合型环氧乙烯基酯，聚乙烯基甲基醚，聚乙烯基芳族、丙烯酸类聚合物，丙烯酸共聚物，聚甲基丙烯酸丁酯，聚丙烯腈。
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