CN105922608A - 一种用于现场管道增强的复合材料制备装置及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于现场管道增强的复合材料制备装置及制备方法，包括控温搅拌装置、增强纤维布浸润装置、真空装置，所述控温搅拌装置、增强纤维布浸润装置、真空装置依次连通，所述增强纤维布浸润装置由卷轴、真空袋膜、增强纤维布和导流网组成，所述真空袋膜套装于卷轴、增强纤维布和导流网外，所述内接头的外壁与挡板外侧面均覆盖有引流网，覆盖在挡板外侧面上的引流网从挡板的边缘延伸至挡板的储胶格内。与现有技术相比较，本发明采用采用无模具方式实现了多层卷状物真空导入的应用，结合了增强纤维复合材料预成型、真空导入成型与手糊成型的优点，制作的复合材料成品机械性能提升1.5倍，施工效率提升2倍。

Description

一种用于现场管道增强的复合材料制备装置及制备方法
技术领域
本发明涉及一种石油天然气管道缺陷修复领域，尤其涉及一种用于现场管道增强的复合材料制备装置及制备方法。
背景技术
维增强复合材料因其比重小、比强度和比模量大的特点，在各个领域都有较广泛的应用，目前常用的制备方法有：手糊成型、模压成型、真空导入、拉挤成型方法。目前复合材料也正逐步应用于石油天然气管道缺陷修复方面，模压成型、真空导入成型方法能保证树脂与增强纤维的浸润，同时最大程度提升增强纤维占比，制作的成品性能优异，但由于需要专用设备，且需制作模具，因此在石油天然气管道现场修复效率低，受现场条件限制多，应用比较困难。
目前能应用到石油天然气管道缺陷修复现场的制备方法主要有以下两种：预成型(拉挤成型)、手糊成型。预成型是根据管径尺寸在工厂通过拉挤成型的方式预制成复合卷材，然后缠绕在管道缺陷处进行修复，该方法由于在工厂预制可以获得稳定的性能，但由于复合卷材本身硬度较大，在安装至管道上时很难保证卷材与管道的完全贴合，特别是遇到管道焊缝、管径变形等存在异形情况时，易产生空鼓，而造成修复效果大幅折损甚止失效；手糊成型是指在修复现场缠绕干增强纤维材料，同时涂刷树脂，现场制作成修复的复合材料，但受人为或环境等不可控因素影响比较大，如低温时树脂粘度太大，纤维布未浸透，浸胶量不均匀，环境湿度和风沙等因素，会导致复合材料性能损失，从而影响修复效果。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决了上述问题，采用无模具方式实现了多层卷状物真空导入，具有浸润效率高，施工时间短、成品机械性能好等特点，可在低温现场施工，并能以粘度较高的树脂作为浸润树脂，用于现场管道增强的复合材料制备装置及制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于现场管道增强的复合材料制备装置，包括控温搅拌装置、增强纤维布浸润装置、真空装置，所述控温搅拌装置、增强纤维布浸润装置、真空装置依次连通，所述增强纤维布浸润装置由卷轴、真空袋膜、增强纤维布和导流网组成，所述真空袋膜套装于卷轴、增强纤维布和导流网外，所述卷轴上套装两个有起限位作用的挡板，所述增强纤维布与导流网位于两挡板之间，所述挡板内侧内凹形成储胶格，所述储胶格上开设有若干进出胶通孔，所述卷轴两端分别设有进胶接头和出胶接头，所述出胶接头和进胶接头均由内接头和外接头构成，所述外接头与内接头之间通过螺纹紧固连接，所述内接头上开设有若干进出胶口，所述内接头的外壁与挡板外侧面均覆盖有引流网，覆盖在挡板外侧面上的引流网从挡板的边缘延伸至挡板的储胶格内。
作为优选，所述增强纤维布与导流网之间呈层状间隔分布，且叠卷于卷轴上。
作为优选，所述外接头与内接头的连接处分别设有密封盘，所述密封盘之间内设有O型密封圈，所述真空袋膜的两端分别位于进胶接头和出胶接头的密封盘内，并通过外接头与内接头的螺纹结构进行紧固密封。
作为优选，所述密封盘上开设有与O型密封圈相匹配的环形卡槽，所述环形卡槽为一个或一个以上。
作为优选，所述挡板与卷轴可拆卸连接，且两挡板之间的间距可调。
作为优选，所述控温搅拌装置包括桶体、盖板、搅拌器和控温加热带组成，所述控温加热带包裹于桶体外，加热带两端通过卡扣进行连接，搅拌器固定于盖板上，所述桶体上设有抽胶管，所述抽胶管一端延伸至桶体底部，另一端与进胶接头的外接头连接。
作为优选，所述真空装置包括真空泵和缓冲罐，所述真空泵和缓冲罐之间通过连接管连通，所述缓冲罐上设有真空表和出胶连接管，所述缓冲罐内设有储胶罐，所述出胶连接管一端位于储胶罐内，另一端与出胶接头的外接头连通，所述出胶管上设有控制阀。
作为优选，所述增强纤维布可为玻璃纤维布、碳纤维布、芳纶纤维布、玄武岩纤维布、硼纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维等。
作为优选，所述导流网面密度60g/m2-400g/m2，网孔形状为菱形，确保浸润均匀，浸润效果好。
作为优选，所述真空袋膜的水蒸气透过量≤0.006g/m·24h(40℃·90％RH)，氧气透过量≤0.024ml/(m·24h.·0.1mPa)，复合强度>15牛顿/15mm，封边强度>20牛顿/15mm，穿刺强度>24磅。
一种用于现场管道增强的复合材料制备方法，方法步骤如下：
a.进行设备检查，将控温搅拌装置、增强纤维布浸润装置和真空装置按要求进行连接；
b.把合适量的浸润用树脂按比例倒入控温搅拌装置，选择合适温度、搅拌速度，搅拌时间≥1min；
浸润用树脂与增强纤维布的用量按质量百分比50:50～30:70配比，配比比重直接决定成品机械性能，为获得最佳增强纤维复合材料机械性能，当浸润树脂粘度≤2000cps，20℃≤搅拌温度≤23℃；当2000cps＜浸润树脂粘度＜8000cps，23℃＜搅拌温度≤35℃；当8000cps≤浸润树脂粘度≤20000cps，35℃＜搅拌温度＜45℃，利用温度调节树脂粘度至该方法最佳浸润速度范围；搅拌装置的转速≥200转/分，保证树脂与固化剂的混合完全；
c.开启真空装置，真空度≥0.01MPa，使增强纤维布包内形成至少0.01MPa的负压，增强纤维布卷内部空气被抽出，由树脂替换而与增强纤维结合，大大提升成品的一体性，而且可以准确计算增强纤维用树脂胶量，从而换算出成品性能，可精确控制现场质量；上述至少0.01MPa的负压可使增强纤维布卷内部空气被充分赶出，同时能给粘胶提供足够动力浸润到增强纤维空隙；
d.以浸润用树脂抽入到缓冲罐为计时起点，真空装置继续运行1min以上，关闭真空装置，该步骤可将多余胶料抽出，防止空气倒流回增强纤维布卷，提升增强纤维复合材料机械性能；
e.浸润过程，混合后的树脂从进胶接头进入，经过引流网，从挡板外缘以及进出胶通孔进入增强纤维布卷，由出胶接头抽出，导流网起导流作用，使树脂浸润均匀
f.将增强纤维布浸润装置分别与真空装置、控温搅拌装置断开，将内部增强纤维布卷取出；
d.将增强纤维布卷沿管道周向进行缠绕，缠绕时确保拉伸力均匀，提高了增强纤维复合材料与管道的贴合，同时进行消泡处理，消除增强纤维层与层之间空隙，使复合材料结合为一体化，对制成品性能有较大提升，直至缠绕完毕。
作为优选，步骤c中，通过增强纤维用树脂胶量精确控制现场成品性能与质量的方法为：不同规格增强纤维布卷重量是固定的，无法浸润到增强纤维的胶量主要包含储胶格存胶量、浸润通路残留量、抽出多余部分胶量三部分，对于使用相同规格辅助材料，根据测试数据可给出一个总体固定值。示例：400g/m2玻璃纤维单向布，13.5m长规格，使用8.3mm直径的挡板，无法浸润到增强纤维的总胶量为0.13kg，总增强纤维质量为1.6kg，用胶量1.11kg，成品含胶量比重38％，抗拉强度989MPa；用胶量1.29kg，成品含胶量比重42.1％，抗拉强度893MPa；用胶量2.09kg，成品含胶量比重55.1，抗拉强度682Mpa。在管道修复设计强度一定的情况下，可根据换算要求用胶量管道修复时，设计的复合材料强度一定的情况下，可根据换算给出用胶量范围，若无法达到则现场质量不过关。
作为优选，真空袋膜为塑料热封袋膜；增强纤维布浸润包为生产产品，包装采用真空包装，可降低增强纤维含水量，大大提升使用时增强纤维与浸润树脂的结合力，从而提升复合材料成品性能。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)采用控温搅拌装置，对管道缺陷修复现场温度大范围提升，可在-15℃-40℃范围内施工，而且可根据使用的树脂性质确定浸润的树脂恒定温度，可提升浸效果提高浸润效率。
(2)装置设内外接头密封结构及引流导流结构，可使低粘度树指(＜5000cps﹚按预期速度进行浸润，提升浸润效果。对管道缺陷修复现场使用树脂粘度大范围提升，可使用粘度20000cps以下的树脂作为浸润树脂。
(4)采用无模具方式实现了多层卷状物真空导入的应用。
(5)本方法结合了增强纤维复合材料预成型、真空导入成型与手糊成型的优点，制作的复合材料成品机械性能提升1.5倍，施工效率提升2倍。
(6)本发明可应用到石油天然气管道缺陷修复领域。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明控温搅拌装置结构示意图；
图3为本发明真空装置结构示意图；
图4为本发明增强纤维布浸润装置结构示意图；
图5为本发明进胶接头和出胶接头的结构示意图；
图6为本发明挡板结构示意图。
图中：1.控温搅拌装置；11.桶体；12.控温加热带；13.盖板；14.抽胶管；2.增强纤维布浸润装置；21.卷轴；22.增强纤维布；23.导流网；24.外接头；25.内接头；26.引流网；27.挡板；28.真空袋膜；3.真空装置；31.真空泵；32.缓冲罐；33.储胶罐；34.真空表；35.出胶连接管；36.控制阀；4.把手；5.O型密封圈；6.进出胶口；7.储胶格；8.进出胶通孔。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1至图6，一种用于现场管道增强的复合材料制备装置，包括控温搅拌装置1、增强纤维布浸润装置2、真空装置3，所述控温搅拌装置1、增强纤维布浸润装置2、真空装置3依次连通，所述增强纤维布浸润装置2由卷轴21、真空袋膜28、增强纤维布22和导流网23组成，所述增强纤维布22与导流网23之间呈层状间隔分布，且叠卷于卷轴21上，所述真空袋膜28套装于卷轴21、增强纤维布22和导流网23外，所述卷轴21上套装两个有起限位作用的挡板27，所述增强纤维布22与导流网23位于两挡板27之间，所述挡板27内侧内凹形成储胶格7，储胶格7方便增强纤维布22两侧进胶，确保增强纤维布22内部浸润均匀，所述储胶格7上开设有若干进出胶通孔8，所述卷轴21两端分别设有进胶接头和出胶接头，所述出胶接头和进胶接头均由内接头25和外接头24构成，所述外接头24与内接头25之间通过螺纹紧固连接，所述内接头25上开设有若干进出胶口6，所述内接头25的外壁与挡板27外侧面均覆盖有引流网26，引流网26对浸润用树脂起到引流作用，覆盖在挡板27外侧面上的引流网26从挡板27的边缘延伸至挡板27的储胶格7内，在抽真空过程中，真空袋膜28很容易吸附在挡板27边缘，导致浸润用树脂无法从外缘进胶，出现浸润不均匀的情况，引流网26的设计有效解决了外缘进胶的问题，大大提高了浸润效果。引流网26可采用与导流网23相同的材料。装置设置内外接头24密封结构及引流导流结构，可使低粘度树指(＜5000cps﹚按预期速度进行浸润，提升浸润效果。对管道缺陷修复现场使用树脂粘度大范围提升，可使用粘度20000cps以下的树脂作为浸润树脂。
为提高浸润效果，挡板27外缘的引流网26宽度的占挡板27外缘的宽度比为10％-70％，并均匀沿圆周分布。浸润树脂粘度≤1000cps，挡板27边缘导流网23宽度占比优选≤10％；1000cps＜浸润树脂粘度＜12000cps，10％＜挡板27边缘导流网23宽度占比优选＜45％；12000cps＜浸润树脂粘度＜20000cps，挡板27边缘导流网23宽度占比优选≥45％。
所述外接头24与内接头25的连接处分别设有密封盘，密封盘的设计方便外接头24与内接头25对接，且加大了密封面积，提高密封效果，所述密封盘之间内设有O型密封圈5，起很好的密封效果，所述真空袋膜28的两端分别位于进胶接头和出胶接头的密封盘内，并通过外接头24与内接头25的螺纹结构进行紧固密封，安装拆卸方便，所述内接头25一端与外接头24连接，另一端卡接于卷轴21内。所述密封盘上开设有与O型密封圈5相匹配的环形卡槽，所述环形卡槽为一个或一个以上，提高密封效果，增强内接头25与外接头24的密封性能，同时也提高了真空袋膜28的密封性能。
所述挡板27与卷轴21可拆卸连接，且两挡板27之间的间距可调，可根据现场具体要求进行调节，适应不同规格产品需要。所述外接头24上设有把手4，方便现场工作过程中进行安装拆卸。
所述控温搅拌装置1包括桶体11、盖板13、搅拌器和控温加热带12组成，所述控温加热带12包裹于桶体11外，加热带两端通过卡扣进行连接，控温加热带12方便携带以及现场安装，搅拌器固定于盖板13上，所述桶体11上设有抽胶管14，所述抽胶管14一端延伸至桶体11底部，另一端与进胶接头的外接头24连接。由于树脂粘度随温度升高呈下降趋势，控温搅拌装置1的使用，可根据使用的树脂性质确定浸润的树脂恒定温度，可提升浸效果提高浸润效率。
所述真空装置3包括真空泵31和缓冲罐32，所述真空泵31和缓冲罐32之间通过连接管连通，所述缓冲罐32上设有真空表34和出胶连接管35，所述缓冲罐32内设有储胶罐33，所述出胶连接管35一端位于储胶罐33内，另一端与出胶接头的外接头24连通，所述出胶管上设有控制阀36，控制阀36进行节流控制。
所述增强纤维布22可为玻璃纤维布、碳纤维布、芳纶纤维布、玄武岩纤维布、硼纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维等。所述导流网23面密度60g/m2-400g/m2，网孔形状为菱形，确保浸润均匀，浸润效果好。所述真空袋膜28的水蒸气透过量≤0.006g/m·24h(40℃·90％RH)，氧气透过量≤0.024ml/(m·24h.·0.1mPa)，复合强度>15牛顿/15mm，封边强度>20牛顿/15mm，穿刺强度>24磅；水蒸气透过量及氧气透过量是保证封存在内部的增强纤维布22卷受环境湿气影响而提高树脂与增强纤维的结合能力，封边强度、复合强度、穿刺强度是保证真空袋膜28运输、存储及浸润过程漏气而避免浸润失败。
本发明一种用于现场管道增强的复合材料制备方法，方法步骤如下：
a.进行设备检查，将控温搅拌装置1、增强纤维布浸润装置2和真空装置3按要求进行连接，增强纤维布22采用玻璃纤维方格布、碳纤维布、玻璃纤维方格布分别进行试验；
b.把合适量的浸润用树脂按比例倒入控温搅拌装置1，选择合适温度、搅拌速度，搅拌时间2min，浸润用树脂与玻璃纤维方格布质量比45:55；浸润用树脂与碳纤维布质量比42:58；浸润用树脂与玻璃纤维方格布质量比45:55；
c.开启真空装置3，真空度0.08MPa，使增强纤维布22包内形成至少0.08MPa的负压，增强纤维布22卷内部空气被抽出由树脂替换，并与增强纤维结合，提升成品的一体性，并进行增强纤维用树脂胶量的准确计算，进行现场成品性能与质量的精确控制；
d.以浸润用树脂抽入到缓冲罐32为计时起点，真空装置3继续运行2min以上，关闭真空装置3，将多余胶料抽出；
e.进行浸润，混合后的树脂从进胶接头进入，经过引流网26，从挡板27外缘以及进出胶通孔8进入增强纤维布22卷，由出胶接头抽出，；
f.将增强纤维布浸润装置分别与真空装置3、控温搅拌装置1断开，将内部增强纤维布22卷取出；
d.将增强纤维布22卷沿管道周向进行缠绕，缠绕时确保拉伸力均匀，同时进行消泡处理，使复合材料结合为一体化，直至缠绕完毕。
按上述工艺方法与现有搅拌温度25度的手糊成型工艺相比较，见下表
可见，采用本发明后，抗拉强度、弹性模量、弯曲强度、层间剪切强度均得到非常显著的提高，且树脂含量也得以降低。
以上对本发明所提供的一种用于现场管道增强的复合材料制备装置及制备方法进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对本发明的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求所规定的构思和范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于现场管道增强的复合材料制备装置，其特征在于：包括控温搅拌装置、增强纤维布浸润装置、真空装置，所述控温搅拌装置、增强纤维布浸润装置、真空装置依次连通，所述增强纤维布浸润装置由卷轴、真空袋膜、增强纤维布和导流网组成，所述真空袋膜套装于卷轴、增强纤维布和导流网外，所述卷轴上套装两个有起限位作用的挡板，所述增强纤维布与导流网位于两挡板之间，所述挡板内侧内凹形成储胶格，所述储胶格上开设有若干进出胶通孔，所述卷轴两端分别设有进胶接头和出胶接头，所述出胶接头和进胶接头均由内接头和外接头构成，所述外接头与内接头之间通过螺纹紧固连接，所述内接头上开设有若干进出胶口，所述内接头的外壁与挡板外侧面均覆盖有引流网，覆盖在挡板外侧面上的引流网从挡板的边缘延伸至挡板的储胶格内。
2.根据权利要求1所述的一种用于现场管道增强的复合材料制备装置，其特征在于：所述增强纤维布与导流网之间呈层状间隔分布，且叠卷于卷轴上。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于现场管道增强的复合材料制备装置，其特征在于：所述外接头与内接头的连接处分别设有密封盘，所述密封盘之间内设有O型密封圈，所述真空袋膜的两端分别位于进胶接头和出胶接头的密封盘内，并通过外接头与内接头的螺纹结构进行紧固密封。
4.根据权利要求3所述的一种用于现场管道增强的复合材料制备装置，其特征在于：所述密封盘上开设有与O型密封圈相匹配的环形卡槽，所述环形卡槽为一个或一个以上。
5.根据权利要求1所述的一种用于现场管道增强的复合材料制备装置，其特征在于：所述挡板与卷轴可拆卸连接，且两挡板之间的间距可调。
6.根据权利要求1所述的一种用于现场管道增强的复合材料制备装置，其特征在于：所述控温搅拌装置包括桶体、盖板、搅拌器和控温加热带组成，所述控温加热带包裹于桶体外，加热带两端通过卡扣进行连接，搅拌器固定于盖板上，所述桶体上设有抽胶管，所述抽胶管一端延伸至桶体底部，另一端与进胶接头的外接头连接。
7.根据权利要求1所述的一种用于现场管道增强的复合材料制备装置，其特征在于：所述真空装置包括真空泵和缓冲罐，所述真空泵和缓冲罐之间通过连接管连通，所述缓冲罐上设有真空表和出胶连接管，所述缓冲罐内设有储胶罐，所述出胶连接管一端位于储胶罐内，另一端与出胶接头的外接头连通，所述出胶管上设有控制阀。
8.根据权利要求1所述的一种用于现场管道增强的复合材料制备方法，其特征在于，方法步骤如下：
a.进行设备检查，将控温搅拌装置、增强纤维布浸润装置和真空装置按要求进行连接；
b.把合适量的浸润用树脂按比例倒入控温搅拌装置，选择合适温度、搅拌速度，搅拌时间≥1min，所述浸润用树脂与增强纤维布的用量按质量百分比50:50～30:70配比，搅拌温度为20℃～45℃；
c.开启真空装置，真空度≥0.01MPa，使增强纤维布包内形成至少0.01MPa的负压，增强纤维布卷内部空气被抽出由树脂替换，并与增强纤维结合，提升成品的一体性，并进行增强纤维用树脂胶量的准确计算，进行现场成品性能与质量的精确控制；
d.以浸润用树脂抽入到缓冲罐为计时起点，真空装置继续运行1min以上，关闭真空装置，将多余胶料抽出；
e.浸润过程，混合后的树脂从进胶接头进入，经过引流网，从挡板外缘以及进出胶通孔进入增强纤维布卷，由出胶接头抽出；
f.将增强纤维布浸润装置分别与真空装置、控温搅拌装置断开，将内部增强纤维布卷取出；
d.将增强纤维布卷沿管道周向进行缠绕，缠绕时确保拉伸力均匀，同时进行消泡处理，使复合材料结合为一体化，直至缠绕完毕。
9.根据权利要求8所述的一种用于现场管道增强的复合材料制备方法，其特征在于步骤b中，搅拌装置的转速≥200转/分；当浸润树脂粘度≤2000cps，20℃≤搅拌温度≤23℃；当2000cps＜浸润树脂粘度＜8000cps，23℃＜搅拌温度≤35℃；当8000cps≤浸润树脂粘度≤20000cps，35℃＜搅拌温度＜45℃。
10.根据权利要求8所述的一种用于现场管道增强的复合材料制备方法，其特征在于：步骤c中，通过增强纤维用树脂胶量精确控制现场成品性能与质量的方法为，不同规格增强纤维布卷重量是固定的，无法浸润到增强纤维的胶量主要包含储胶格存胶量、浸润通路残留量、抽出多余部分胶量三部分，对于使用相同规格辅助材料，根据测试数据可给出一个总体固定值，在管道修复设计强度一定的情况下，可根据换算要求用胶量管道修复时，设计的复合材料强度一定的情况下，可根据换算给出用胶量范围，若无法达到则现场质量不过关。
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