CN108426104A - 连续纤维增强塑料压力管及其制造方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续纤维增强塑料压力管。目的是提供一种连续纤维增强塑料压力管，该管道应具有机械强度高、用料省的特点；本发明的另一目的是提供连续纤维增强塑料压力管的制造方法和生产设备。技术方案是：一种连续纤维增强塑料压力管，其特征在于：该压力管的中间增强层由至少一条轴向铺设的内预浸塑料纤维带与至少一条沿周向方向螺旋状包覆的外预浸塑料纤维带组成，中间增强层的两面分别是通过挤塑与中间增强层连为一体的塑料内壁层和塑料外壁层。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续纤维增强塑料压力管，具体是由预浸塑料纤维带与塑料复合而成的管道；本发明还涉及该连续纤维增强塑料压力管的制造方法及装置。
背景技术
现有各种不同品种的塑料及金属或非金属复合增强材料制造的管道被大量的运用于流体输送。为保证塑料压力管的使用性能，管材的壁厚必需同时满足内压强度与环刚度的要求。这样的结果就导致制造大直径的塑料压力管时，塑料原料用量就很大。壁厚的增加使原料用量大幅提升，将导致管材的制造成本太高而难以被市场接受。
尽管这些年开发出了级别更高、性能更好的塑料，也开发出了节省塑料原料、性能更优的复合增强的结构壁塑料压力管；但纯塑料的产品受困于塑料的低弹性模量，塑料消耗依旧很大，价格昂贵。为此业内开发了金属与塑料组成的复合管，借助金属的强度与塑料稳定性，取得了一定的进步。但是金属与塑料亲和性太差，使管材的长期稳定性得不到保障，难以达到50年以上的使用寿命。
为了克服金属与塑料的不兼容性，业内又开发了高强度预浸塑料纤维丝，解决了塑料与高强纤维丝的亲和性。然而采用这种预浸塑料纤维丝制成的带生产管道时，管道成型上有无法克服的技术困难。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术存在的不足，提供一种连续纤维增强塑料压力管，该管道应具有机械强度高、用料省的特点。
本发明的另一目的是提供连续纤维增强塑料压力管的制造方法和生产设备。
本发明提供的技术方案是：
一种连续纤维增强塑料压力管，其特征在于：该压力管的中间增强层由至少一条轴向铺设的内预浸塑料纤维带与至少一条沿周向方向螺旋状包覆的外预浸塑料纤维带组成，中间增强层的两面分别是通过挤塑与中间增强层连为一体的塑料内壁层和塑料外壁层。
所述螺旋状卷绕的螺旋角为40-89度。
一种连续纤维增强塑料压力管的制造方法：按照以下步骤进行：
1)在筒状芯棒的外圆周面上铺设至少一条内预浸塑料纤维带，内预浸塑料纤维带的长度方向与筒状芯棒的轴线方向一致，内预浸塑料纤维带保持一定张力；
2)在筒状芯棒和已铺设的浸塑料纤维带的圆周方向螺旋状包覆至少一条外预浸塑料纤维带；
3)加热包覆后的预浸塑料纤维带层，使包覆后的内预浸塑料纤维带与外预浸塑料纤维带粘连为一体，成为管状增强层；加热温度为120—220度；
4)分别在管状增强层的内壁和外壁挤塑塑料层，随后冷却，形成连续纤维增强塑料压力管。
所述筒状芯棒为钢管。
所述挤塑通过挤塑机进行。
所述冷却通过水冷实现。
预浸塑料纤维带在铺设前进行预热，预热温度低于160度。
所述内预浸塑料纤维带至少有对称分布的两条。
一种连续纤维增强塑料压力管的制造装置，其特征在于：该装置包括：
筒状芯棒：管状骨架定型用的模具；
预浸塑料纤维带释放装置：包括至少一个内预浸塑料纤维带放带盘，位于筒状芯棒前边，用于逐渐释放所缠绕的内预浸塑料纤维带；
预浸塑料纤维带牵引装置：位于筒状芯棒后边，按照工艺要求逐渐拉动内预浸塑料纤维带，使整个装置处于连续生产状态并使内预浸塑料纤维带保持一定张力；
预浸塑料纤维带卷绕装置：带有至少一个外预浸塑料纤维带放带盘，布置在筒状芯棒的周围并且环绕着筒状芯棒的轴线转动，使所释放的外预浸塑料纤维带螺旋状包覆在筒状芯棒和内预浸塑料纤维带的外圆周面；
加热定型装置：安装于筒状芯棒内，用于使筒状芯棒外圆周面的内预浸塑料纤维带与外预浸塑料纤维带熔融连接为一体，形成管状增强层；
内壁层挤塑装置：位于加热定型装置后边，包括外圆周面直径小于管状骨架内径的筒形内模，第一挤塑机通过设置在筒状芯棒前端的注塑口以及在筒状芯棒内腔中的延伸管，将融化的塑料挤射到管状增强层的内壁与筒形内模的外圆周面之间，并与管状增强层粘结形成压力管的内壁层；
外壁层挤塑装置：位于内壁层挤塑装置后边，包括内圆周面直径大于管状增强层外径的筒形外模，第二挤塑机将融化的塑料挤射到管状增强层的外壁与筒形外模的内圆周面之间，并与管状增强层粘结形成压力管的外壁层；
所述筒状芯棒、筒形内膜以及筒形外膜同轴线布置；
冷却定型装置：布置在外壁层注塑装置后边，将粘连一体的内壁层、管状增强层以及外壁层冷却定型。
该制造装置还设置有切断装置：按照设计要求的长度切断管子，得到所需要的产品。
所述筒形芯棒的空心部分是塑料流道，筒形芯棒的内壁中含有电热丝。
所述冷却定型装置为水冷装置。
本发明的有益效果是：
本发明提供的连续纤维增强塑料压力管，由于配置有轴向布置的内预浸塑料纤维带，机械强度得到成倍提高，解决了生产过程中高温状态下牵引管材的难点，克服了传统制造工艺塑料管被拉断或局部拉伸现象。传统方法复合管材生产时，其成形工艺温度160度以上，塑料因软化无法牵引。而本发明中内预浸塑料纤维带保持800-900兆帕(与同等壁厚的全塑压力管比较)轴向抗拉强度，使生产能够顺利进行；成型管道也因此获得极高的轴向力学性能，特别适合在诸如深海石油钻探之类的高压环境中使用。
本发明提供的连续纤维增强塑料压力管的制造方法，能够使所制造的产品精确可靠，保证产品的塑料层与管状增强层完全吻合融为一体、永不变形。主要体现在管道成型时，熔融的复合管的管内有芯棒支撑，保证了管材内径的稳定性。同时成型温度达到160度以上时，管状增强层与内外PE塑料层才能完美的完成物理意义上的复合。传统管道生产时，增强层与内外PE塑料层复合温度低于160度，塑料处于半塑化状态，无法完整粘合。本发明所提供的制造装置，采用的均为常规设备(如预浸塑料纤维带卷绕装置，挤塑装置、预浸塑料纤维带释放装置以及预浸塑料纤维带牵引装置等)，因而投资有限，而市场前景广阔。
附图说明
图1是本发明实施例中连续纤维增强塑料压力管的轴向结构示意图。
图2是本发明实施例中连续纤维增强塑料压力管的横截面结构示意图。
图3是本发明实施例中制造装置的主视结构示意图。
图4是图3中的A部放大的结构示意图。
图5是图3中的B部放大的结构示意图。
图6是图5中的H部放大的结构示意图。
图7是图3中的C部放大的结构示意图。
图8是图3中的D部放大的结构示意图。
图9是图3中的E部放大的结构示意图。
图10是图3中的F部放大的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例进一步说明。
附图所示的连续纤维增强塑料压力管，该压力管的中间增强层由至少一条轴向伸展的内预浸塑料纤维带3与至少一条周向螺旋状(优选螺旋角为40-89度)包覆内预浸塑料纤维带的外预浸塑料纤维带2组成，中间增强层的两面分别是通过挤塑与中间增强层连为一体的塑料内壁层4和塑料外壁层1。内预浸塑料纤维带制造时直接承受牵引拉力，使制造能够连续进行。
上述结构中，内预浸塑料纤维带可以位于外预浸塑料纤维带的内圆周面，也可以位于外预浸塑料纤维带的外圆周面；根据需要选择确定。
所述内预浸塑料纤维带以及外预浸塑料纤维带均可外购获得；铺设前进行预热，预热温度低于160度。
连续纤维增强塑料压力管的制造方法：按照以下步骤进行：
1)沿着在筒状芯棒的外圆周面铺设至少一条内预浸塑料纤维带，内预浸塑料纤维带的长度方向与筒状芯棒的轴线方向一致；所述筒状芯棒优选采用钢管；
2)在筒状芯棒和内预浸塑料纤维带的圆周方向螺旋状包覆至少一条外预浸塑料纤维带；外预浸塑料纤维带的包覆层数、数量、螺旋角度根据目标产品的压力及直径确定。
3)加热处理(加热温度为120—220度)，使包覆后的内预浸塑料纤维带与外预浸塑料纤维带熔融后粘连为一体，成为管状增强层；
4)分别在管状增强层的内壁和外壁挤塑塑料层(优选PE)，随后冷却(优选通过水冷实现)；形成连续纤维增强塑料压力管。
所述的方法中，步骤1)与步骤2)可以调换次序，即先在筒状芯棒的圆周方向螺旋状包覆外预浸塑料纤维带，而后在筒状芯棒和外预浸塑料纤维带的外圆周面上轴向铺设内预浸塑料纤维带，获得的管状增强层具有相同效果。
连续纤维增强塑料压力管的制造装置，包括：
筒状芯棒：用作管状增强层定型的模具；
预浸塑料纤维带释放装置：包括至少一个预浸塑料纤维带放带盘10，位于筒状芯棒前边11，用于逐渐释放所缠绕的内预浸塑料纤维带；
预浸塑料纤维带牵引装置7：位于筒状芯棒以及冷却定型装置6的后边，按照工艺要求驱拉内预浸塑料纤维带使其逐渐移动，并使内预浸塑料纤维带保持一定张力；
预浸塑料纤维带卷绕装置(常规设备)，带有至少一个外预浸塑料纤维带放卷盘12：该装置布置在筒状芯棒的周围并且环绕着筒状芯棒的轴线转动，使放卷盘所释放的外预浸塑料纤维带螺旋状包覆在逐渐移动的内预浸塑料纤维带的外圆周面；螺旋状包覆的角度根据产品的特点或设计要求确定。外预浸塑料纤维带卷绕装置上可配有多个放卷盘，每一个放卷盘上可多带同入，彼此独立；各带之间由隔板分开，保护着各卷带不产生相互磨擦。
加热定型装置：用于使筒状芯棒外圆周面的内预浸塑料纤维带与外预浸塑料纤维带熔融连接为一体，形成管状增强层；加热定型包括位于筒状芯棒后半部分内壁中的电热丝以及设置在外部的加热器(图中省略电热丝以及加热器)，加热温度为120—220度，使所有的预浸塑料纤维带上的塑料熔融后连为一个整体(形成管状的预浸塑料纤维带增强层)；由于本发明为连续生产线，因此这个加热过程是连续不间断进行的。
尚需指出的是：实施例中的管状增强层中，轴线铺设的内预浸塑料纤维带位于内径方向，而外预浸塑料纤维带则螺旋状包覆在筒状芯棒与内预浸塑料纤维带的外圆周面；也可以先在筒状芯棒上螺旋状包覆外预浸塑料纤维带，而后再在已包覆的外预浸塑料纤维带外圆周表面轴向铺设内预浸塑料纤维带(内预浸塑料纤维带位于外径方向)。根据需要选择决定。
内壁层挤塑装置：位于加热定型装置后边，包括外圆周面直径小于管状增强层内径的筒形内模13，通过设置在筒状芯棒(筒形芯棒的空心部分是塑料流道11-1)内腔中的延伸管连通设置在筒状芯棒前端的挤塑口，第一挤塑机14将融化的塑料挤出到管状增强层的内壁与筒形内模的外圆周面之间，并与管状增强层粘结形成压力管的内壁层；
外壁层挤塑装置：位于内壁层挤塑装置后边，包括内圆周面直径略大于管状增强层外径的筒形外模(作为增强层的膨胀限制套，图中省略)，第二挤塑机15用于将融化的塑料挤出到管状骨架的外壁与筒形外模的内圆周面之间，并与管状增强层粘结形成压力管的外壁层；筒形外膜与所述筒状芯棒以及筒形内膜同轴线布置。
挤塑成型的生产过程需连续进行。
冷却定型装置6(即水冷箱)：设置在外壁层注塑装置后边，将已经成形的处于融熔状态的连续纤维增强塑料压力管，在筒状芯棒的支撑下进入水冷箱进行定型；其生产过程连续进行。冷却定型装置的长度决定了水冷时间，因而需要根据压力管的厚度、预浸塑料纤维带牵引装置的牵引速度以及工艺要求确定。
后续工序：包括切断装置(常规设备，不再细述)：按照设计要求的长度切断管子，得到所需要的产品。
Claims (10)
1.一种连续纤维增强塑料压力管，其特征在于：该压力管的中间增强层由至少一条轴向铺设的内预浸塑料纤维带与至少一条沿周向方向螺旋状包覆的外预浸塑料纤维带组成，中间增强层的两面分别是通过挤塑与中间增强层复合一体的塑料内壁层和塑料外壁层。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强塑料压力管，其特征在于：所述螺旋状卷绕的螺旋角为40-89度。
3.一种连续纤维增强塑料压力管的制造方法：按照以下步骤进行：
1)在筒状芯棒的外圆周面上铺设至少一条内预浸塑料纤维带，内预浸塑料纤维带的长度方向与筒状芯棒的轴线方向一致，内预浸塑料纤维带保持一定张力；
2)在筒状芯棒和已铺设的浸塑料纤维带的圆周方向螺旋状包覆至少一条外预浸塑料纤维带；
3)加热包覆后的预浸塑料纤维带层，使包覆后的内预浸塑料纤维带与外预浸塑料纤维带粘连为一体，成为管状增强层；加热温度为120—220度；
4)分别在管状增强层的内壁和外壁挤塑塑料层，随后冷却，形成连续纤维增强塑料压力管。
4.根据权利要求3所述的连续纤维增强塑料压力管的制造方法，其特征在于：所述筒状芯棒为钢管。
5.根据权利要求4所述的连续纤维增强塑料压力管的制造方法，其特征在于：所有预浸塑料纤维带在铺设前进行预热，预热温度低于160度。
6.根据权利要求5所述的连续纤维增强塑料压力管的制造方法，其特征在于：所述内预浸塑料纤维带至少有对称分布的两条。
7.一种连续纤维增强塑料压力管的制造装置，其特征在于：该装置包括：
筒状芯棒：管状增强层定型用的模具；
预浸塑料纤维带释放装置：包括至少一个内预浸塑料纤维带放带盘，位于筒状芯棒前边，用于逐渐释放所缠绕的内预浸塑料纤维带；
预浸塑料纤维带牵引装置：位于筒状芯棒后边，按照工艺要求逐渐拉动内预浸塑料纤维带，使整个装置处于连续生产状态并使内预浸塑料纤维带保持一定张力；
预浸塑料纤维带卷绕装置：带有至少一个外预浸塑料纤维带放带盘，布置在筒状芯棒的周围并且环绕着筒状芯棒的轴线转动，使所释放的外预浸塑料纤维带螺旋状包覆在筒状芯棒和内预浸塑料纤维带的外圆周面；
加热定型装置：安装于筒状芯棒内，用于使筒状芯棒外圆周面的内预浸塑料纤维带与外预浸塑料纤维带熔融连接为一体，形成管状增强层；
内壁层挤塑装置：位于加热定型装置后边，包括外圆周面直径小于管状骨架内径的筒形内模，第一挤塑机通过设置在筒状芯棒前端的挤塑口以及在筒状芯棒内腔中的延伸管，将融化的塑料挤射到管状增强层的内壁与筒形内模的外圆周面之间，并与管状增强层粘结形成压力管的内壁层；
外壁层挤塑装置：位于内壁层挤塑装置后边，包括内圆周面直径大于管状增强层外径的筒形外模，第二挤塑机将融化的塑料挤射到管状增强层的外壁与筒形外模的内圆周面之间，并与管状增强层粘结形成压力管的外壁层；
所述筒状芯棒、筒形内膜以及筒形外膜同轴线布置；
冷却定型装置：布置在外壁层挤塑装置后边，将粘连一体的内壁层、管状增强层以及外壁层冷却定型。
8.根据权利要求7所述的连续纤维增强塑料压力管的制造装置，其特征在于：该制造装置还设置有切断装置：以按照设计要求的长度切断管子，得到所需要的产品。
9.根据权利要求8所述的连续纤维增强塑料压力管的制造装置，其特征在于：所述筒形芯棒的空心部分是塑料流道，筒形芯棒的内壁中含有电热丝。
10.根据权利要求9所述的连续纤维增强塑料压力管的制造装置，其特征在于：所述冷却定型装置为水冷装置。
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