CN106151512A - 改进的高压管 - Google Patents

Abstract

公开的一种高压容器，包括一种高压容器，其包括至少一层玻璃长丝外层，所述外层是由至少一种化学修饰的环氧树脂制备的增韧树脂体系浸渍并包括一种增韧剂。所述高压容器具有小于1.50毫米的壁厚和至少20兆帕的爆破压力。

Description

改进的高压管

技术领域

本发明涉及一种改进的高压管。

技术背景

长丝缠绕是通常用于使用高强度长丝连同热固性或热塑性树脂制造复合管或管道的技术。所述高强度长丝增加管的强度，从而允许管道或容器在高压应用中被使用。

当制作长丝缠绕高压管或其他高压容器时，连续纤维通常使用缠绕设备被缠绕到预定的几何图案的芯轴上。典型的高强度长丝包括玻璃纤维(例如，E玻璃或S玻璃)，芳族聚酰胺，硼，和碳纤维。所述纤维浸渍有液态树脂，例如一种聚酯或一种环氧树脂。在这种方式中，所述纤维在它们被缠绕到芯轴上之前被润湿。为了获得这样的润湿性，所述纤维通常通过浸渍浴中拉伸或越过涂布辊。

管的强度和耐压性通常使用爆破压力测试进行测试。在该测试中，管内的压力连续增加直到管破裂或所施加的应力超过材料的最终强度。基于所述爆破压力的衰竭模型，第一失败管爆破压力试验是在纤维和液态树脂间脱粘的形式进行。这是因为裂纹通常发生在长丝缠绕的管道最薄弱的部分，即纤维和树脂的分界面。图1示出了压力测试后发生爆裂的常规长丝缠绕管的扫描电子显微镜(SEM)图像。图2示出一个爆裂管的裂纹的形成。

更高的压力负载能力和安全管道的需求一直是高压管行业的挑战，局限于材料有限，管的设计和恶劣环境。

有人试图增加管的壁厚来增大高压管爆破压力负载能力。例如，大于40MPa的爆破压力的能力通过增加壁厚大于4mm实现。然而，增加管的壁厚已被证明带来其他问题，如降低固化和生产效率。通常管道较厚管壁需要更长的时间来完全固化。对于较厚的壁管道的另一个重要问题是由于温度梯度使内部应力会大大增加。

发明内容

按照总发明构思的不同方面，一种高压容器，如管道，提供具有改善的爆破压力和环向应力的负载。

按照总发明构思的某些方面，所述高压容器包括至少一层由增韧树脂体系浸渍的外层。所述增韧树脂可包括一种环氧树脂体系。所述增韧环氧树脂体系可以含有化学改性的环氧树脂或一种增韧剂，如，但不限于，橡胶，热塑性塑料和硬度添加剂，如二氧化硅，玻璃珠等。所述增韧环氧树脂体系具有更好的抵抗负载下裂纹扩大的能力，并且可以很容易地吸收能量。在某些示例性实施方案中，所述高压容器具有至少20.0MPa的爆破压力负载能力，和在小于1.50毫米的壁厚处至少430MPa的一个环向应力的负载能力。

按照总发明构思进一步方面，所述高压容器包括至少一层用树脂体系浸渍的玻璃长丝外层和一种内衬层，所述内衬层包含至少一层无纺布面纱层。在一些示例性实施方案中，所述高压容器具有至少15.0兆帕的爆破压力的负载能力和一种在一种小于2.0mm的壁厚处至少275MPa的环向应力的负载能力。

按照总发明构思进一步方面，所述高压容器包括至少一层树脂浸渍的玻璃长丝外层，所述玻璃具有大于约2600MPa的拉伸强度和大于约87GPa弹性模量。所述树脂包括由至少一种化学修饰的环氧树脂制备的增韧环氧树脂体系并包括一种增韧剂。所述高压容器进一步包括至少一层包含无纺布面纱内层、所述高压容器具有至少26.0MPa的爆破压力负载能力和一种小于1.50毫米的壁厚。

附加的特征和优点部分将在下面的描述中进行阐述，并且部分可以从说明书清楚呈现，或者可以通过本文所公开的实施例的实践而获悉。本文所公开的实施方案的目的和优点可以实现，由元素和组合的方式实现，具体在所附的权利要求中指出。但是应当理解，前面的概述和下面的详细描述都是示例并且仅是说明性的，不是本发明的限制性文本或其他类似权利要求保护的文本。

附图说明

本发明的实施方案在下面提供的某些示范性实施例的更具体的描述下将是显而易见的，并如附图所示。

图1是示出了压力测试期间发生爆裂后的常规长丝缠绕管的一对SEM图像。

图2是常规长丝缠绕管，压力试验时已爆裂的图像。

具体实施方式

尽管总的发明概念构思易有许多不同形式的实施例，已在附图中示出，并将在具体实施方案中描述，其理解为本发明应被视为本发明总构思的一般原理的示例。相应的，本发明一般概念并没有动机限定本文示出的具体实施例。

除非另有定义，这里所用的术语具有相同的含义正如本领域普通技术人员对本发明构思的通常理解。这里使用的术语是仅用于描述本发明总发明构思的示例性实施例，并不旨在进行限定总的发明构思。在总的发明构思描述中和所附的权利要求书的描述中所用的，所述单数形式“一”，“一个”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指明。

除非另有说明，本说明书和权利要求书中所有表示成分的用量，反应条件等数字应理解为所有实例中由术语“约”进行修改。相应的，除非有相反的指示，列于本说明书和所附的权利要求的所述数值参数是近似值，取决于寻求通过本示例性实施例获得所需特性。最起码，并非试图限制所述学术应用等同于权利要求保护的范围，各数字参数被解释应鉴于显著数字和普通的舍入方法的数值。

尽管示例性实施方式的数值范围和参数设置提出的宽范围是近似值，但在具体实施例中的数值被报道尽可能精确。任何数值，但是，固有地包含某些误差必然由在它们各自的试验测量中发现的标准偏差产生。贯穿本说明书和权利要求书给出的每一数值范围将包括每一较窄数值范围，其落在该较宽数值范围，类似这样的较窄数值范围在本文中明确写出。

总的发明构思涉及一种改善高压管或其他容器无需显著增大(例如，不超过2％)其壁厚而增大爆破压力负载的方法。所述总的发明构思进一步涉及一种高压管或其他具有改进的爆破压力负载的容器。为了简洁和方便，前述的高压管或容器可被统称本文中的配管，在该理解下这样的术语并非意在限制本发明总发明构思仅指水管。

长丝缠绕配管以合适的方向缠绕连续的加强型长丝或来回缠绕芯棒或管状结构来制备。以张力恒定和均匀的螺旋形式沿着芯棒的长度缠绕。心轴旋转的同时一种滑架上的风眼上水平移动，放下设定图案中的加强长丝。所述加强长丝在被缠绕时涂敷有合成树脂。因为个别加强长丝被布置在芯轴，其上的液态树脂与相邻的纤维一起运行，以形成一种玻璃纤维增强树脂的连贯和持续的主体。一旦芯棒被完全覆盖增强纤维至所需的厚度，所述芯棒被放置在烘箱中固化并固化树脂。

所述增强纤维可包括任何类型的适合于提供结构增强高压管的纤维。典型的高强度的增强或结构纤维如玻璃纤维(例如，E玻璃，S玻璃和E-CR型玻璃纤维(例如，的玻璃纤维，购自Owens Corning公司))，和芳族聚酰胺，硼和碳纤维，在制作纤维缠绕管道时使用。在一些示例性实施方案中，所述高压配管按照本发明概念使用的是高强度和高模量的玻璃制成，如H-玻璃和的玻璃纤维。在一些示例性实施方案中，H-玻璃的拉伸强度(当与液态树脂浸渍)大于约2600MPa和一种高于约87GPa的弹性模量。在一些示例性实施方案中，所述的玻璃的拉伸强度(当用液体树脂浸渍)大于约2200MPa和一种高于约81GPa的弹性模量。

所述玻璃纤维可以通过熔融玻璃纤维材料形成的衰减流流经一个有孔的套管或类似物制备。水性上浆组合物含有成膜聚合物，偶合剂和润滑剂，所述润滑剂通常适用于纤维在从它们从套管拉伸后，以保护在随后的处理过程中断裂并改善含有基质树脂下游物的纤维的兼容性。另外的添加剂可以被包括在所述施胶组合物中，根据预期的应用而添加。这样的添加剂包括，例如，抗静剂，润湿剂，和抗氧化剂。

一旦所述施胶组合物被应用，该施胶的纤维可以聚集成独立的股并缠绕以产生玻璃纤维包装。所述玻璃纤维包装后可加热以除去多余的水。多个干燥的玻璃纤维包装品可被合并并缠绕到卷轴，称为卷轴一般指粗纱落纱或包的卷轴。这种粗纱然后可直接应用于长丝卷绕管或其他容器。

在一些示例性实施方式中，而不是直接缠绕增强纤维到芯棒上，一个内层首先被施加在芯棒充当基体层。所述内层在施加增强纤维之前可以施加到管形芯棒作为基体层或膜。因此，如从涂覆增强纤维固化的树脂，所述内层是在后者的固化过程中层压到纤维/树脂层。

所述内层可包括纺布或无纺布或面纱中的一个或多个。在一些示例性实施方案中，所述非无纺布面纱使用任何类型的纤维制成，如玻璃纤维，碳纤维，矿物纤维，以及合成纤维如聚酯，聚酰胺，芳族聚酰胺，聚芳酰胺，和/或聚丙烯。在一些示例性实施方案中，所述内层包括短切玻璃纤维的无纺布。所述无纺布可以使用多种方法制造，包括干法成网和湿法成网工艺。在一些示例性实施方案中，无纺布由湿法成网法制备，所述湿法制备涉及在混合罐中填充各种组分形成水分散体或离散的纤维浆料所述组分(有时被称为白水)，诸如水，表面活性剂，粘度调节剂，消泡剂，润滑剂，杀生物剂，和/或其它化学试剂，伴随着搅动，以形成短切玻璃纤维浆料。期望的是，将浆液搅动足以提供一种纤维分散均匀或几乎均匀的分散体。

所述水性纤维分散体或浆料可以根据本领域中已知的任何常规方法加工成湿网布。例如，水性纤维浆料沉积到移动的屏幕或输送机上，在其上的大部分水通过排水管，形成一个随机取向的纤维网。所述纤维网可通过真空槽或其它干燥装置来进一步干燥。

一种粘结剂组合物可随后以常规方式应用到所述纤维网上，例如通过帘式涂布，喷涂，双网浸浴，双辊轧车等。水，过量的粘合剂，和过量的偶合剂随后可通过真空或其它除水方法除去。最后，所述粘合剂涂覆纤维产品可以在一个或多个烘箱中被干燥和固化。一个示例性的进行干燥温度的范围是在约350°F(218℃)至约600°F(304℃)。所述干燥的和固化的产品是无纺布成品。

所述无纺布可以按所需的期望层数施加任何数目到芯棒以建立衬垫至所需的厚度。在一些示例性实施例中，所述衬垫包括至少一层无纺布面纱层。所述无纺布面纱衬垫被完全浸渍于聚合树脂中，例如，一种热固性树脂。所述热固性树脂可以包括任何可接受的热固性材料，如环氧树脂，聚酯，酚醛树脂，乙烯基酯，聚氨酯，硅树脂和聚酰胺。在一些示例性实施方案中，所述无纺布衬垫使用环氧树脂材料制成。

一旦该无纺布衬垫施加到芯棒，所述连续增强长丝以合适的取向同心地缠绕在无纺布面纱包覆的芯棒，以恒定和均匀张力螺旋形缠绕。所述连续增强纤维使用树脂材料浸渍，诸如热塑性或热固性树脂。已发现，使用增韧树脂体系浸渍所述加强长丝将增加树脂和增强纤维之间的界面。在一些示例性实施方案中，所述增韧树脂体系是环氧基树脂体系。在一些示例性实施方案中，所述环氧基树脂体系是由化学改性的环氧树脂或通过添加增韧剂“增韧”的。所述增韧剂可以包括橡胶，热塑性的，或硬度添加剂，如二氧化硅，玻璃珠等，以及硬质夹杂物，如二氧化硅，玻璃珠等。

已发现，在上述的改进的任何组合(即，采用高强度和弹性模量的纤维；用无纺布衬垫；和/或使用改进的树脂体系，以增加树脂和纤维之间的界面提高粘合)将增加环氧系纤维缠绕高压管或其他压力容器的耐压性。这样的改进在以下的实施例中进一步举例说明，

实施例1高抗拉强度和弹性模量的影响

使用比常规EC-R玻璃具有高强度和模量的H-玻璃制备长丝缠绕玻璃高压管。管道不包括一衬垫，使用常规环氧基树脂体系。形成的管具有50毫米直径和约25～35％的树脂含量。下面的表1，列出了壁厚，爆破压力和环向应力。环向应力是在管道壁上的应力。它是通过作用圆周气缸内的力垂直作用在管的长度表示。测量环向应力消除了厚度变化可能对爆破压力的影响。比较例1-3分别使用E-CR玻璃制备成不同的壁厚。相比之下，样品1-3是用H-玻璃制成。

表1

纤维	壁厚(mm)	爆破压力(MPa)	环向应力(MPa)
				比较例1	1.45	13.93	247.1
比较例2	1.46	14.19	250.1
				比较例3	1.49	14.02	242.2
实施例1	1.42	15.02	271.9
				实施例2	1.39	15.06	278.4
实施例3	1.41	15.15	276.2

如表1所示，与使用E-CR玻璃制备的比较例相比，在不增加壁厚的前提下，实施例1-3的爆破压力增加了约7％，环向应力增加了约10％。

实施例2-无纺布面纱衬垫的影响

为了证明本文中所描述无纺布面纱衬垫的影响，使用E-CR玻璃制备长丝缠绕玻璃高压管(比较例1-3不含无纺布面纱衬垫，如实施例1所述)和无纺布面纱衬垫(实施例4-6)。每个配管使用常规基于环氧的树脂体系制备。所形成的管道直径为50毫米，约含25～35％的树脂。

下表2列出了每个样品的壁厚，爆破压力和环向应力。

表2

如表2所示，实施例4-6中使用无纺布面纱不包含无纺布面纱衬垫的比较例1-3相比，爆破压力增加了约10％，环向应力增加超过10％。在一些示例性实施方案中，所述长丝缠绕1.40至1.60毫米壁厚的高压管至少有13.9MPa的爆破压力。在一些示例性实施方案中，所述长丝缠绕高压管1.40至1.60毫米的壁厚至少有15.0MPa的爆破压力。在一些示例性实施方案中，所述长丝缠绕高压管在介于1.40至1.60毫米壁厚至少有242.0MPa或至少250.0MPa的环向应力。

实施例3-增韧树脂体系的影响

为了证明包括本文描述的增韧树脂体系的影响，使用含有增韧树脂体系的E-CR玻璃制备长丝缠绕玻璃高压管。制备的管道直径50mm和大约25-35％的树脂含量。下面的表3，列出了每个实施例的壁厚，爆破压力和环向应力。

表3

纤维	壁厚(mm)	爆破压力(MPa)	环向应(MPa)
				实施例7	1.45	24.64	437.1
实施例8	1.41	24.75	451.6
				实施例9	1.42	25.08	454.1
实施例10	1.40	24.55	450.7

如表3所示，使用增韧树脂体系制备的样品7-10的爆破压力增长超过70％，环向应力增加约80％，相对于比较例1-3。在一些示例性实施方案中，小于1.50毫米壁厚的长丝缠绕高压管具有至少20MPa的爆破压力。在一些示例性实施方案中，在1.40和1.45毫米之间壁厚的长丝缠绕高压管至少有24.0MPa的爆破压力。在一些示例性实施方案中，在介于1.40和1.45毫米壁厚的纤维缠绕高压管至少有430.0MPa或至少437.0MPa的环向应力。

实施例4-联合改良的玻璃，无纺布面纱衬垫和树脂体系的影响

以证明本文描述的改进相结合的效果，使用高强度和弹性模量的H-玻璃，增韧树体系和无纺布面纱衬垫制备长丝缠绕玻璃高压管。制备的管道直径50mm和大约25-35％的树脂含量。下面的表4，列出了每个样品的壁厚，爆破压力和环向应力。

表4

纤维	壁厚(mm)	爆破压力(MPa)	环向应力(MPa)
				实施例11	1.39	26.60	491.7
实施例12	1.43	27.62	496.7
				实施例13	1.41	27.52	501.7
实施例14	1.33	27.46	529.9

如上表4所示，结合本发明的(H-玻璃+增韧树脂+衬垫)每一个改进的成品管道，证明其增加了90％以上的环向应力，并且爆破压力显著改善。在一些示例性实施方案中，1.30至1.45毫米壁厚的纤维缠绕高压管具有至少25MPa的爆破压力。在一些示例性实施方案中，1.30和1.45毫米之间壁厚的纤维缠绕高压管至少有26.0MPa的爆破压力。在一些示例性实施方案中，介于1.30和1.45毫米壁厚的纤维缠绕高压管至少有490.0MPa或至少500.0MPa的环向应力。意料之外的是使用本文公开的改进的管道减小壁厚证明能增加爆破压力和环向应力。

虽然上文仅描述了本发明的少数实施例，但是应当理解的是，不脱离的总的发明概念的精神和范围可以作出许多修改。所有这样的修改都意在被包括在本发明总的发明构思内，其将由以下权利要求进行限定。

Claims (18)

1.一种高压容器，其特征在于，包括：

至少一层增韧树脂体系浸渍的玻璃长丝外层，其中所述增韧树脂包含由至少一种化学修饰的环氧树脂制备，并包括一种增韧剂，所述高压容器具有小于1.50毫米的壁厚和至少20兆帕的爆破压力。

2.根据权利要求1所述的高压容器，其特征在于，所述容器是一种管。

3.根据权利要求1所述的高压容器，其特征在于，进一步包括一种内层，所述内层包括一种无纺布面纱。

4.根据权利要求2所述的高压容器，其特征在于，所述无纺布面纱使用聚酯纤维制备。

5.根据权利要求1所述的高压容器，其特征在于，所述增韧剂是橡胶，热塑性塑料，二氧化硅和玻璃珠中的一种或多种的组合物。

6.根据权利要求1所述的高压容器，其特征在于，所述高压容器包括至少三层玻璃长丝。

7.根据权利要求1所述的高压容器，其特征在于，所述玻璃长丝由一种玻璃制备，所述玻璃具有高于抗拉强度2600MPa和高于87GPa的弹性模量。

8.根据权利要求1所述的高压容器，其特征在于，所述高压容器具有至少24.0MPa的爆破压力和小于1.45毫米的壁厚。

9.根据权利要求1所述的高压容器，其特征在于，所述高压容器具有至少430MPa的环向应力水平。

10.一种高压容器，其特征在于，包括：

至少一层树脂浸渍的玻璃长丝外层；和

至少一内层，所述内层包括一种无纺布面纱，其中所述树脂包括一种环氧树脂体系，其中所述高压容器具有小于2毫米的壁厚和至少15.0MPa的爆破压力能力。

11.根据权利要求10所述的高压容器，其特征在于，所述高压容器是一种管。

12.根据权利要求10所述的高压容器，其特征在于，所述无纺布面纱使用聚酯纤维制备。

13.根据权利要求10所述的高压容器，其特征在于，所述环氧树脂是由至少一种化学修饰的环氧树脂制备的增韧环氧树脂制备并包括一种增韧剂。

14.根据权利要求10所述的高压容器，其特征在于，所述增韧剂选自橡胶，热塑性塑料，二氧化硅和玻璃珠中的一种或多种。

15.根据权利要求10所述的高压容器，其特征在于，所述高压容器包括至少三层玻璃长丝层。

16.根据权利要求10所述的高压容器，其特征在于，所述高压容器具有一种的环向应力水平至少为257MPa。

17.根据权利要求10所述的高压容器，其特征在于，所述高压容器在壁厚小于1.60毫米处具有15.0MPa的爆破压力。

18.一种高压容器，其特征在于，包括：

至少一层树脂浸渍的玻璃长丝外层，所述玻璃具有高于2600MPa的抗拉强度和一种高于87GPa的弹性模量；以及

至少一层内层包括一种无纺布面纱，其中所述树脂包括一种增韧树脂体系，其中所述增韧树脂包含由至少一种化学修饰的环氧树脂制备并包括一种增韧剂，其中所述高压容器具有至少26.0的爆破压力能力和一种小于1.5毫米的壁厚。