CN104385616B - 一种采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法，该方法包括：参数设计、树脂胶液的配制，模具处理，交替缠绕成型，分段加热固化，脱模打锥，螺纹制作。本发明整个工艺设计合理，可操作性强，可满足用于生产不同尺寸和强度要求的煤层气管道，制备得到的管道质量优越。本发明提供的小角度、大角度双角度缠绕角交替缠绕工艺，其中的小角度缠绕可以有效地增加管道在轴向的拉伸强度，大角度缠绕可以弥补环向强度的不足从而使管道在增加轴向强度的同时不会大幅削弱环向强度和失效强度，在不大幅增加壁厚的情况下来达到煤层气管道的使用要求，生产成本更低，生产效率更高，可克服现有技术的诸多不足。

Description

一种采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法
技术领域
本发明专利涉及一种复合材料煤气层管道的制备方法，具体涉及一种通过玻璃纤维增强环氧树脂工艺来制造具有高轴向拉伸强度的煤层气管道的方法。
背景技术
由于环氧管道具有优良的耐腐蚀性能、耐疲劳性能，具有更长的使用寿命，而且重量轻，安装成本低等优点，所以被广泛地用于石油化工、城市给排水、温泉管线等领域。
在上述领域中管道大多数都是以平铺的方式使用，但在煤气层管道项目中，由于使用环境的特殊性，需要管道竖直工作，因此需要在能满足失效压力的同时具有更好的轴向拉伸强度。现有技术生产的普通环氧管道在不大幅增加壁厚的情况下无法满足煤层气管道的轴向拉伸强度的使用要求，现有生产方法制备得到的煤层气管道，在普通环氧管道中的强度主要集中在环向方向，而无法使纤维的强度很好的体现在轴向方向。因此如果继续使用普通环氧管道来替代钢管作为煤气层管道，就必须大幅增加管道的厚度来保证其具有足够的轴向拉伸强度，但这样就会增加产品的成本，而且也会进一步影响生产效率，运输成本，安装成本，存在较大的不足。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种工艺设计合理，可操作性强，成本低，质量易控制的高拉伸强度环氧管道的制备方法。采用本发明提供的方法制备得到的环氧管道采用API标准螺纹连接，其壁厚没有大幅增加，而且具有优越的轴向拉伸强度，并成本更低，生产效率更高。
技术方案：为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：
一种采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法，其包括以下步骤：
(a)参数设计:
根据管道承受压力要求和管道直径计算出管道的壁厚：
Ps = 0.67 × 2 tx s 3 D
其中Ps为静态压力等级、t为管道壁厚、Ss为95％的置信下限时，20年长期静水压强度、D为管道平均直径；
将缠绕角设计为小角度、大角度时，根据管道直径计算相应的缠绕沙片宽度、选择切点数、纱股数等参数；
tanα＝πD/d
其中α为缠绕角、D为管道的平均直径、d为缠绕沙片宽度；
d＝n×m×d梳
其中d为缠绕沙片宽度，n为切点数、m为缠绕沙股数、d梳为分纱梳的梳宽；
(b)缠绕前准备，具体方法为：
准备好缠绕小车、缠绕芯模、检查加热系统；
清理胶槽中的杂物，保持导纱板、分纱梳的清洁，并按排列顺序穿好缠绕纱；
配制好胶液；
(c)缠绕步骤，具体方法为：
第一次缠绕时，首先把缠绕芯模加热至120～140℃，然后在此温度下从头到尾均匀涂刷三次脱模剂，涂完后，把缠绕芯模冷却至35～50℃，正式缠绕时再往缠绕芯模上涂一层脱模剂，
将胶液倒入胶槽中，启动缠绕设备进行缠绕，缠绕纱穿过导纱板、分纱梳后进入胶槽中浸满胶液后，在缠绕小车的带动下，缠绕纱在缠绕芯模上按小角度和大角度缠绕角交替缠绕，在缠绕芯模上进行铺层，并且在缠绕芯模的两端缠绕时，进行加厚缠绕(加厚缠绕的目的是便于后续在管道两端进行打锥，加厚缠绕可以通过增加缠绕纱在小角度方向缠绕时间来实现)。
(d)固化、脱模、制作阳螺纹具体方法为：
待缠绕结束后，通入蒸汽加温固化，分别在110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃下进行阶段分段固化；待管道固化完全后脱模，定长切割、打锥，制作API标准螺纹。
作为优选方案，以上所述的采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法，所述的缠绕纱为无碱无捻玻璃纤维。
作为优选方案，以上所述的采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法，步骤(b)中所述的胶液为酸酐体系胶液或者芳胺体系胶液。
作为优选方案，以上所述的采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法，本发明通过大量实验设计筛选，得到根据管道承受压力要求，计算出管道直径的方法，并且根据其中缠绕角和管道的平均直径计算出最佳的缠绕沙片宽度；另外再经过优选的公式计算出缠绕过程中缠绕纱的切点数，缠绕沙股数和设计出最优的分纱梳的梳宽。从而可以缠绕制备得到具有优越的轴向拉伸强度和合适的壁厚的管道。在缠绕过程中不会出现断纱、毛纱、白纱等现象。
作为优选方案，以上所述的采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法步骤(c)中的小角度为30度，大角度为60度。步骤(c)中缠绕角度为30度时，缠绕的速度为29.54mm/s～35mm/s；缠绕角度为60度时，缠绕的速度为75mm/s～81.24mm/s。
作为更加优选方案，以上所述的采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法，步骤(c)中缠绕角度为30度时，缠绕的速度为31mm/s，缠绕角度为60度时，缠绕的速度为80mm/s。本发明为了得到实现在不大幅增加管道壁厚的前提下，通过大量实验优化设计，采用小角度(30度)、大角度(60度)双角度缠绕角交替缠绕工艺，其中缠绕速度是关键因素，本发明通过大量实验筛选出最佳的缠绕的速度为：小角度角缠绕时，速度保持在31mm/s左右；大角度角缠绕时，速度保持在80mm/s左右；这样可以克服现有技术由于缠绕速度不合适出现的断纱、毛纱、白纱等现象，制备得到的管道具有优越的轴向拉伸强度和合适的壁厚。
作为优选方案，以上所述的采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法，步骤(d)中在110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃下分段固化的时间为
名称 温度(℃) 时间(min)
第一阶段 110 3
第二阶段 120 3
第三阶段 130 4
第四阶段 140 4
第五阶段 150 3
第五阶段 160 3
冷却 室温 3
现有技术中采用等温固化，一般容易出现管道纤维纱层内部固化不完全，褶皱等缺点，从而大大影响管道的硬度，抗拉伸等各种性能，质量较低。本发明通过大量实验筛选固化工艺，筛选了各种不同的固化温度(50～300℃)和不同的固化时间(0～20分钟)，优选得到110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃下分段固化的工艺，采用本发明优选得到的固化工艺可以很好的实现管道的固化，尤其是对于管道直径大，壁较厚的管道具有很好的固化效果，可克服现有技术固化不完全的技术不足，取得了非常好的技术效果。
有益效果：本发明提供的煤层气管道的制备方法和现有技术相比具有以下优点：
本发明提供的煤层气管道的制备方法，整个工艺设计合理，可操作性强，可满足用于生产不同尺寸和不同强度要求的煤层气管道。尤其是本发明根据现有管道在轴向拉伸强度上的不足，通过大量实验筛选和大量实验方案的设计计算，采用优选的小角度、大角度缠绕角交替缠绕工艺和优选的缠绕速度和分段固化工艺，其中的小角度缠绕可以有效地增加管道在轴向的拉伸强度，大角度缠绕可以弥补环向强度的不足，从而使管道在增加轴向强度的同时不会大幅削弱环向强度和失效强度，在不大幅增加壁厚的情况下来达到煤层气管道的使用要求，生产效率更高，且节约材料成本，且生产过程中不会出现断纱、毛纱、白纱等现象，制备得到的煤层气管道质量比现有技术更加优越。可克服现有技术通过增加材料用量来提高轴向强度的缺点。
附图说明
图1为本发明中煤层气管道的使用环境示意图。
图2为本发明提供的煤层气管道的制备过程示意图。
图3为本发明提供的煤层气管道制备过程中工艺参数设计的原理图。
图1中A为地面，B为煤层气管道，C为煤气层；
图3中a为缠绕角度,d为缠绕纱片宽度，D为管道的平均直径((D内+D外)/2)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1至图3所示：一种采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法，其包括以下步骤：
(a)参数设计:
根据管道承受压力要求和管道直径计算出管道的壁厚：
Ps = 0.67 × 2 tx s 3 D
其中Ps为静态压力等级、t为管道壁厚、Ss为95％的置信下限时，20年长期静水压强度、D为管道平均直径；
选定缠绕角度，根据管道直径计算相应的缠绕沙片宽度、选择切点数、纱股数等参数；
tanα＝πD/d
其中α为缠绕角、D为管道的平均直径、d为缠绕沙片宽度；
d＝n×m×d梳
其中d为缠绕沙片宽度，n为切点数、m为缠绕沙股数、d梳为分纱梳的梳宽；
(b)缠绕前准备，具体方法为：
准备好缠绕小车(1)、缠绕芯模(2)、检查加热系统；
清理胶槽(3)中的杂物，保持导纱板(4)、分纱梳(5)的清洁，并按排列顺序穿好缠绕纱(6)；
配制好胶液；
(c)缠绕步骤，具体方法为：
第一次缠绕时，首先把缠绕芯模(2)加热至120～140℃，然后在此温度下从头到尾均匀涂刷三次脱模剂，涂完后，把缠绕芯模(2)冷却至35～50℃，正式缠绕时再往缠绕芯模(2)上涂一层脱模剂，
将胶液倒入胶槽(3)中，启动缠绕设备进行缠绕，缠绕纱(6)穿过导纱板(4)、分纱梳(5)后进入胶槽(3)中浸满胶液后，在缠绕小车(1)的带动下，缠绕纱(6)在缠绕芯模(2)上按小角度和大角度缠绕角交替缠绕，在缠绕芯模(2)上进行铺层，并且在缠绕芯模(2)的两端缠绕时，进行加厚缠绕；
(d)固化、脱模、制作阳螺纹具体方法为：
待缠绕结束后，通入蒸汽加温固化，分别在110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃下进行阶段分段固化；待管道固化完全后脱模，定长切割、打锥，制作阳螺纹。
以上所述的采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法，所述的缠绕纱(6)为无碱无捻玻璃纤维。步骤(b)中所述的胶液为酸酐体系胶液或者芳胺体系胶液。
以上所述的采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法，步骤(c)中的小角度α为30度，大角度α为60度。当缠绕角度为30度时，缠绕的速度为31mm/s；缠绕角度为60度时，缠绕的速度为80mm/s。
以上所述的采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法，步骤(d)中在110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃下分段固化的时间为
名称 温度(℃) 时间(min)
第一阶段 110 3
第二阶段 120 3
第三阶段 130 4
第四阶段 140 4
第五阶段 150 3
第五阶段 160 3
冷却 室温 3
本发明通过大量实验筛选出最佳的树脂胶液、缠绕成型、分段加热固化、脱模打锥、螺纹制作等工艺。整个工艺设计合理，可操作性强，制备得到的管道质量优越，可满足用于生产不同尺寸和强度要求的煤层气管道。本发明提供的小角度、大角度双角度缠绕角交替缠绕工艺，其中的小角度缠绕可以有效地增加管道在轴向的拉伸强度，大角度缠绕可以弥补环向强度的不足，从而使管道在增加轴向强度的同时不会大幅削弱环向强度和失效强度，在不大幅增加壁厚的情况下来达到煤层气管道的使用要求，可克服现有技术通过增加材料用量来提高轴向强度的缺点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)参数设计:
根据管道承受压力要求和管道平均直径计算出管道的壁厚：
P s = 0.67 × 2 t × S 3 D
其中Ps为静态压力等级、t为管道壁厚、Ss为95％的置信下限时，20年长期静水压强度、D为管道平均直径；
选定缠绕角度，根据管道平均直径计算相应的缠绕沙片宽度、选择切点数、缠绕纱股数参数；
tanα＝πD/d
其中α为缠绕角度、D为管道的平均直径、d为缠绕沙片宽度；
d＝n×m×d税
其中d为缠绕沙片宽度，n为选择切点数、m为缠绕沙股数、d梳为分纱梳的梳宽；
然后根据设计好的管道的壁厚值来计算缠绕纱的铺层数，并使缠绕纱按照小角度、大角度相间缠绕的原则来作为铺层顺序；
(b)缠绕前准备，具体方法为：
准备好缠绕小车(1)、缠绕芯模(2)、检查加热系统；
清理胶槽(3)中的杂物，保持导纱板(4)、分纱梳(5)的清洁，并按排列顺序穿好缠绕纱(6)；
配制好胶液；
(c)缠绕步骤，具体方法为：
第一次缠绕时，首先把缠绕芯模(2)加热至120～140℃，然后在此温度下从头到尾均匀涂刷三次脱模剂，涂完后，把缠绕芯模(2)冷却至35～50℃，正式缠绕时再往缠绕芯模(2)上涂一层脱模剂，
将胶液倒入胶槽(3)中，启动缠绕设备进行缠绕，缠绕纱(6)穿过导纱板(4)、分纱梳(5)后进入胶槽(3)中浸满胶液后，在缠绕小车(1)的带动下，缠绕纱(6)在缠绕芯模(2)上按小角度和大角度缠绕角度交替缠绕，在缠绕芯模(2)上进行铺层，并且在缠绕芯模(2)的两端缠绕时，进行加厚缠绕；
(d)固化、脱模、制作阳螺纹具体方法为：
待缠绕结束后，通入蒸汽加温固化，分别在110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃下进行阶段分段固化；待管道固化完全后脱模，定长切割、打锥，制作阳螺纹，螺纹采用API标准螺纹；
步骤(c)中的小角度为30度，大角度为60度；
步骤(c)中缠绕角度为30度时，缠绕的速度为29.54mm/s～35mm/s；缠绕角度为60度时，缠绕的速度为75mm/s～81.24mm/s；
步骤(d)中在110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃下分段固化的时间如下表所示：
2.根据权利要求1所述的采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法，其特征在于，所述的缠绕纱(6)为无碱无捻玻璃纤维。
3.根据权利要求1所述的采用双角度交替缠绕工艺制备煤层气管道的方法，其特征在于，步骤(b)中所述的胶液为酸酐体系胶液或者芳胺体系胶液。
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