CN112384356B - 用于管状结构的压紧装置、相关设施和方法 - Google Patents

Abstract

用于管状结构的压紧装置、相关设施和方法。压紧装置(128)包括由支撑元件支承的压紧辊组件(150)，辊组件(150)包括：*具有纵轴线(B‑B’)的直的中心轴(160)；*多个压紧辊(162)，所述多个压紧辊围绕中心轴(160)彼此平行地安装，每个压紧辊(162)均具有围绕中心轴(160)绕辊轴线(C‑C’)旋转的周沿表面。中心轴(160)的纵轴线(B‑B’)平行于支撑元件的中轴线。每个辊轴线(C‑C’)相对于中心轴(160)的纵轴线(B‑B’)以非零的倾斜角度(α)倾斜。

Description

用于管状结构的压紧装置、相关设施和方法

技术领域

本发明涉及一种用于压紧管状结构的压紧装置，压紧装置包括：

-支撑元件，支撑元件限定使用于接纳管状结构的圆柱形表面通行的通道，通道具有用于与圆柱形表面同轴的中轴线，支撑元件和圆柱形表面用于围绕中轴线相对彼此旋转地安装；

-由支撑元件支承的至少一个压紧辊组件，压紧辊组件包括：

*具有纵轴线的直的中心轴；

*多个压紧辊，所述多个压紧辊围绕中心轴彼此平行地安装，每个压紧辊均具有围绕中心轴绕辊轴线旋转的周沿表面。

管状结构例如是穿过水体运输流体用的挠性管的复合材料层。

背景技术

前述类型的挠性管特别在石油和天然气工业中在深水中使用。它们通常在水面组件和水底组件之间延伸穿过水体。这些管也可以在两个水面组件之间延伸。

水底组件用于收集在水体底部开采的流体。水面组件通常是浮式的。它用于收集和分配流体。水面组件可以是半潜式平台、FPSO或其他浮式组件。

在一些情况下，为了在深水中开采流体，挠性管的长度超过800m，或者甚至大于1000m或2000m，以用于超深水域中。

对于较大的深度，挠性管的尺寸确定成能承受很大的静水压力，例如对于没入水下2000m深度的管来说，静水压力为200巴。

此外，挠性管的尺寸通常确定成能够承受大于悬挂在水面组件上且在水下从水面延伸到海底的挠性管的总重量的轴向张力。当挠性管用作供在使用中提供海床与水面组件之间的竖直连接的立管时尤为如此。当挠性管悬置在水中时挠性管能够承受其自身重量，这尤其使得有可能便于将其从放置船安装在海中。

其次，对于较大的深度而言，使用既相当轻质又特别耐压的挠性管是有利的。

海上石油工业中使用的大多数挠性管是无粘结型挠性管，其包括至少一个由至少一层由金属丝制成的增强层增强的密封护套，所述增强层由金属丝围绕密封衬套螺旋缠绕而成。在美国石油协会于2014年5月出版的第4版规范性文件API 17J《无粘结挠性管规范》中特别描述了这种管。然而，这些挠性管通常具有很大的重量，这使得它们在海上的安装复杂且昂贵。此外，这种类型的立管通常必须配备有浮标，以便在较深的地方使用，这会产生额外的费用。最后，金属增强层通常对腐蚀、特别是对某些沉积物的烃中存在的诸如H₂S和CO₂的酸性气体影响下的腐蚀敏感。为了解决这些问题，已知减轻重量的挠性管，其包括由复合金属制成的管状增强结构，该复合金属包括基质和埋置于基质中的增强纤维。

特别已知管，其中管状增强结构由具有热塑性基质的复合材料、例如包括由碳纤维增强的PEEK(聚醚醚酮)基质的复合材料制成。这种管已知被称为“热塑性复合管”(TCP)，并且在DNV GL(Det Norske Veritas GL)于2015年12月发布的规范性文件DNVGL-RP-F119《推荐实践——热塑性复合管》中得到了特别说明。

TCP挠性管通常从内部到外部包括管状内部聚合物衬套、由复合材料制成的管状增强结构和外部聚合物衬套。管状增强结构理论上是密封的，内部管状衬套是可选的。然而，实际上，这些挠性管中的大部分包括内部管状衬套，以便在管状增强结构具有影响其密封性的制造缺陷的情况下保证管的密封性。

管状增强结构有利地胶合或焊接至内部管状衬套，以避免在以气相输送烃的管道快速减压期间内部管状衬套塌陷。外部衬套是可选的。这种TCP管特别由Magma Global Ltd公司(TCP注册商标为

)和Airborne Oil&Gas B.V.销售。特别在文献GB2526986A、WO2014/023943、WO2012/118378、WO2006/107196和EP1090243B1中对其进行过描述。

还已知类似于TCP挠性管的挠性管，其中管状增强结构由具有热固性基质的复合材料、例如包括由玻璃纤维增强的环氧树脂制基质的复合材料制成。这些管道通常比TCP管具有更小的挠性。

还已知所谓的混合挠性管，其具有介于TCP管结构和无粘结挠性管结构之间的结构。这些管从内部到外部包括内部管状衬套、由复合材料制成的管状增强结构、至少一个抗拉铠装层和外部衬套。管状增强结构有利地由具有热塑性基质的复合材料制成，但是也可以使用热固性基质。管状增强结构有利地被焊接或胶合至内部管状衬套。抗拉铠装层类似于无粘结挠性管的抗拉铠装层，即它们是由螺旋缠绕丝制成的。此外，可选地，这些管可以包括位于内部密封衬套内的内骨架，所述内骨架用于增加管的抗塌陷性。内骨架例如由螺旋缠绕的异型金属片形成。金属片的各圈有利地彼此钩夹，这使得可以抵消塌陷力。

这些混合挠性管特别在文献WO00/70256和N.Dodds、V.Jha、J.Latto和D.Finch撰写的文章《无粘合挠性管：用于优化混合设计的复合材料增强》中进行过描述，该文章在2015年5月4日至7日在休斯敦举行的“海上技术会议”大会上以参考号OTC-25753公开。

管状增强结构包括由复合材料制成的管，并且既具有布置在内部管状衬套外的压力拱顶的功能，又具有布置在管状内部护套内的骨架的功能，即它通常承接施加至管的大部分径向力。

为制造管状结构，已知将复合材料条带绕圆柱形表面上缠绕并加热，该圆柱形表面可以是心轴、管状衬套或预先成形的复合管状结构。

这些条带通常由长度远大于宽度的薄带形成。

为了确保令人满意地生产管状结构，特别是以使该结构具有令人满意的机械强度、足够的结晶度和最小的孔隙率，有必要在条带上施加压力，以便获得将条带附着至基底的良好的附着性以及使这些条带彼此粘结。

为此，已知将辊组件施加到刚缠绕好的管状结构上以确保施加压力。文献WO2012/160269描述了包括辊组件的压紧装置的示例，该辊组件可用于向结构上提供压力。

这些辊安装在固定的直线形的轴上，并且可以在居中的息止位置和偏心位置之间移动，以适合辊组件要施加的部分的形状。

这种压紧装置不能完全令人满意。实际上，在如上所述的管状结构的情况下，形成管状结构的条带绕中轴线螺旋缠绕。管状结构平行于辊的旋转轴线地相对于辊连续移动。

当将具有平行于中轴线的轴线的圆柱形辊施加到沿中轴线移动的条带的连续匝上时，会发生偏移，该偏移能够侧向移动条带的增强纤维。

一种可能的解决方案是如文献WO2006/107196中所建议的那样使辊组件轴的轴线相对于中轴线倾斜。在这种情况下，支撑不再沿着辊组件的母线发生，而是仅发生在辊组件中心处的某些辊上。因此，它不再是均匀的，且结构的机械性能是不均匀的。

从理论上讲，一个空竹形状的和/或由挠性材料制辊制成的辊组件可以改善这种情况，但是这些配置也会产生偏移，不适应直径的变化或不兼容软化条带所需的高温。

发明内容

因此，本发明的一个目的是获得一种压紧装置，该压紧装置使得能够有效地且高效地从螺旋缠绕的条带生产出机械上坚固且非常密封的管状结构。

为此，本发明旨在一种前述类型的装置，其特征在于，中心轴的纵轴线平行于中轴线，每个辊轴线相对于中心轴的纵轴线以非零的倾斜角度倾斜。

根据本发明的装置可包括以下单独考虑或根据任何技术上可能的组合考虑的一项或多项特征：

-支撑元件围绕中轴线旋转安装，圆柱形表面能够沿着中轴线平移；

-支撑元件绕着中轴线固定不转，圆柱形表面能够围绕中轴线旋转，支撑元件能够沿着中轴线平移；

-倾斜角度小于40°，特别是在10°至30°之间；

-辊限定用于与管状结构接触的至少一条伪线性的压紧母线；

-压紧母线包括多个微凸起，微凸起的幅度小于0.1mm；

-每个辊的宽度小于10mm；

-其中每个辊的直径大于50mm；

-辊组件包括两个倾斜的轴向尾端件，两个倾斜的轴向尾端件在压紧辊的两侧固定不转地安装在中心轴上；

-每个辊横向地垂直于辊轴线在中心息止位置和多个偏心位置之间安装，辊包括用于向中心息止位置弹性偏压的机构；

-每个辊包括：围绕中心轴固定不转地安装的内圈；围绕内圈能旋转安装的外圈；以及插置在内圈和外圈之间的至少一个滚动轴承；

-内圈包括接纳中心轴的通孔，通孔具有相对于辊轴线倾斜的轴线。

-中心轴具有中心开口，供用于冷却辊的传热流体流通。

本发明还涉及一种用于制造管状结构的设施，包括：

-用于成形管状结构的成形工位，包括用于将平行的条带围绕圆柱形表面以螺旋角度螺旋缠绕的至少一个螺旋缠绕设备和用于加热条带的至少一个条带加热设备；

-至少一个如上定义的压紧装置，布置在管状结构的成形工位中、在管状结构的成形工位的上游和/或在管状结构的成形工位的下游，压紧辊组件用于施加在圆柱形表面上和/或施加在圆柱形表面上形成的管状结构上。

根据本发明的设施可包括以下单独考虑或根据任何技术上可能的组合考虑的一项或多项特征：

-90°减螺旋角度后与每个压紧辊的倾斜角度之差的绝对值小于5°，特别是绝对值小于3°；

-压紧装置布置在管状结构的成形工位中或管状结构的成形工位的下游，压紧辊组件布置成将至少一个压紧辊施加到管状结构的每个条带上。

本发明还涉及一种用于形成管状结构的方法，包括以下步骤：

-将平行的条带围绕圆柱形表面以螺旋角度螺旋缠绕；

-在螺旋缠绕之前、期间或之后，加热条带以至少部分地软化条带；

-在螺旋缠绕之前、期间或之后，通过至少一个如上定义的压紧装置相应地压紧圆柱形表面和/或缠绕的条带。

根据本发明的方法可包括可单独考虑或根据任何技术上可能的组合考虑的以下一项或多项特征：

-在压紧步骤之后，所述方法包括：

*将另外多个条带沿着螺旋轴线缠绕在先前缠绕成螺旋状的条带上，所述另外多个条带的条带沿与先前缠绕的条带相反的螺旋角度缠绕；

*在螺旋缠绕之前、期间或之后，加热条带以至少部分地软化条带；

*在螺旋缠绕的上游和/或下游，通过上述定义的压紧装置相应地压紧圆柱表面和/或缠绕的条带；

-其包括围绕管状结构缠绕至少一个未粘结至管状结构的抗拉铠装层，该抗拉铠装层或每个抗拉铠装层包括至少一个围绕管状增强结构缠绕的铠装元件；

-其包括围绕抗拉铠装层形成外部衬套；

-压紧母线包括多个微凸起，微凸起的幅度小于条带厚度的三倍，优选地小于条带厚度的五倍。

附图说明

通过阅读以下仅作为示例提供的参考附图进行的描述，将可以更好地理解本发明，附图中：

-图1是在包括根据本发明的压紧装置的设施中制成的第一挠性管的局部剖切掉的透视图；

-图2是根据本发明的制造设施的示意图；

-图3是用于成形根据本发明的管的管状结构的成形工位的简化示意性侧视图，该工位包括条带缠绕设备和加热设备；

-图4是图3的成形工位的剖面图；

-图5是局部分解透视图，示出了根据本发明的压紧装置的辊组件。

-图6是示意性地示出了图5的辊组件中的辊的取向的视图；

-图7是沿图5的辊组件的第一中间轴向平面的剖视图；

-图8是示出图5的辊组件大体是平的母线的标记为VIII的细部的放大尺寸的放大图；

-图9是沿图5的辊组件的第二中间轴向平面的剖面图；

-图10是图5的辊组件的侧视图；

-图11是沿图9的中间轴向平面的剖视图；

-图12是后压施工位的简化分解透视示意图，该后压紧工位包括根据本发明的另一压紧装置；

-图13是图12的压紧装置的类似于图5的视图。

具体实施方式

在下文中，表述“外(外侧、外部)”和“内(内侧、内部)”分别是指沿径向远离挠性管的轴线和沿径向更靠近挠性管的轴线。

表述“前”和“后”应相对于管的轴线A-A'轴向上理解，表述“前”应理解为相对更远离管的中部并且更靠近其一端部，表述“后”应理解为相对更靠近管的中部并且更远离其一端部。管的中部是指管的与管两端等距的点。

图1示出了使用根据本发明的制造设施11(在图2中示意性示出)制成的第一挠性的管10。

挠性的管10包括图1中部分示出的中间段12。挠性管在中间段12的每一个轴向端包括一个端部的尾端件(未示出)。

参考图1，挠性的管10限定用于流体流动的内部通道13，流体有利地是石油流体。内部通道13在挠性的管10的上游端和下游端之间沿轴线A-A'延伸。其穿过尾端件通出。

挠性的管10被设计成穿过水体放置在流体开采设施、特别是用于碳氢化合物的流体开采设施中。水体例如是大海、湖泊或洋。在流体开采设施处的水体深度例如在500m至4000m之间。流体开采设施包括水面组件和水底组件(未示出)或两个水面组件，其有利地通过挠性的管10彼此连接。

水面组件例如是浮式的。它有利地由浮式生产、储存和卸载(FPSO)单元、浮式液化天然气(FLNG)单元、半潜式平台或卸载浮标形成。在变型中，水面组件是“外罩”型的固定刚性结构，或者是固定至海底的振荡结构，其例如可以是TLP(张力腿平台)。

在该示例中，挠性的管10是将水底组件连接至水面组件的部分或完全浸没的立管。在一变型中，挠性的管10完全浸没在水体中，例如将两个水底组件(未示出)彼此连接。

另一变型是这样一种挠性的管10：该挠性的管10部分浸没在水体中，例如连接两个水面组件(通常是卸载浮标和FPSO)。对于OOL(“Oil Offloading Line"：卸油管线)类型的挠性管线尤为如此。

如图1所示，挠性的管10限定围绕轴线A-A′的多个同心层，这些同心层沿着中间段12连续地延伸直到位于管端部的尾端件。

在图1的示例中，挠性的管10包括至少一个有利地构成压力衬套的内部管状聚合物衬套20、以及围绕管状衬套20施加并连接至衬套上的管状增强结构22。在变型中，管10不具有内部管状衬套20，管状增强结构22则是密封的。

在该示例中，管10还包括相对于管状增强结构22向外定位、同时未粘结至管状增强结构22的多个抗拉铠装层24、25。

有利地，根据期望的用途，管10还包括抗磨层26，其插置在管状增强结构22和抗拉铠装层24、25之间以及插入抗拉铠装层24、25内。管有利地还包括缠绕在抗拉铠装层24、25上的增强带28和用于保护管10的外部衬套30。

以已知的方式，管状衬套20被设计为密封地限制在通道13中输送的流体。管状衬套20还用于保护管状增强结构22免受与管道13中输送的流体中存在磨损颗粒例如沙粒相关的磨损。管状衬套20由聚合物材料、优选地由热塑性材料形成。例如，形成管状衬套20的聚合物基于聚烯烃例如聚乙烯，基于聚酰胺例如PA11或PA12，或基于氟化聚合物例如聚偏二氟乙烯(PVDF)。

在变型中，管状衬套20基于高性能聚合物制成，高性能聚合物例如PEK(聚醚酮)、PEEK(聚醚醚酮)、PEEKK(聚醚醚酮酮)、PEKK(聚醚酮酮)、PEKEKK(聚醚酮醚酮酮)、PAI(聚酰胺酰亚胺)、PEI(聚醚酰亚胺)、PSU(聚砜)、PPSU(聚苯砜)、PES(聚醚砜)、PAS(聚芳基砜)、PPE(聚苯醚)、PPS(聚苯硫醚)、LCP(液晶聚合物)、PPA(聚邻苯二甲酰胺)和/或其混合物，或与PTFE(聚四氟乙烯)或PFPE(全氟聚醚)的混合物。

管状衬套20的厚度例如在1mm至20mm之间。

管状衬套20由聚合物管、组装的聚合物材料条带或浸渍的聚合物衬垫形成。

当管状衬套20由管形成时，其有利地通过挤出特别是选自上述聚合物的热塑性材料的管而获得。

当管状衬套20由组装的聚合物材料条带形成时，其有利地通过挤压和缠绕如上所述的聚合物的热塑性材料制的条带而制成。优选地，第一层的匝是接触的(边缘到边缘，没有重叠)，并且上层的匝被布置为与两个相邻的下部条带重叠，以确保管状衬套20的密封性。

根据优选实施例，挠性的管10没有内骨架，被称为“光滑通道式”管。管状衬套20的内表面直接界定内部通道13。

根据未示出的变型，挠性管包括位于管状衬套20内部的内骨架，这种管被称为“非光滑通道式”管。内骨架用于增加挠性管的抗塌陷性，例如由螺旋缠绕的异型金属片形成。金属片的各匝有利地彼此钩夹，从而允许承接塌陷力。

在该示例中，管状增强结构22直接施加在管状衬套20上。在设施11中将其组装到管状衬套20上，以形成与管状衬套20连接的组件。

管状增强结构22在此是复合结构。它包括至少一个、优选多个层压复合增强层、以及任选地插置在至少两个增强层之间的防脱层。

每个层压增强层包括复合增强层的叠置。

在图1所示的示例中，每个复合增强层均包括聚合物基质40和埋置在基质40中的增强纤维42。

优选地，基质40由聚合物、特别是热塑性聚合物形成。管状衬套20的聚合物有利地与基质40具有相同的性质。在本发明的含义内，“具有相同的性质”是指管状衬套20的聚合物和基质40的聚合物在冷却后能够熔融并形成紧密的混合物，而不会发生相分离。

例如，形成基质40的聚合物基于聚烯烃例如聚乙烯，基于聚酰胺例如PA11或PA12，或基于氟化聚合物例如聚偏二氟乙烯(PVDF)。

在变型中，基质40由高性能聚合物基料制成，所述高性能聚合物例如为PEK(聚醚酮)、PEEK(聚醚或酮)、PEEKK(聚醚醚酮酮)、PEKK(聚醚酮酮)、PEKEKK(聚醚酮醚酮酮)、PAI(聚酰胺-酰亚胺)、PEI(聚醚酰亚胺)、PSU(聚砜)、PPSU(聚苯砜)、PES(聚醚砜)、PAS(聚芳基砜)、PPE(聚苯醚)、PPS(聚苯硫醚)、LCP(液晶聚合物)、PPA(聚邻苯二甲酰胺)和/或其混合物，或与PTFE(聚四氟乙烯)或PFPE(全氟聚醚)的混合物。

在变型中，形成基质的聚合物是热固性聚合物，特别是环氧树脂。

同样在变型中，基质40由陶瓷材料形成。

增强纤维42例如是碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维和/或玄武岩纤维。

如根据标准ASTM D885M-10A(2014)e1在23℃下所测量的，增强纤维42通常具有大于2Gpa、有利地大于3GPa，例如在3GPa至6GPa之间的最大抗拉强度。

在本申请中，术语“最大抗拉强度”和“抗拉强度”具有相同的含义，均是指在抗拉试验期间测得的“最终抗拉强度”。

此外，如根据标准ASTM D885M-10A(2014)e1在23℃下所测量的，增强纤维42有利地具有大于50GPa的抗拉模量，抗拉模量例如在70GPa至500GPa之间、特别是对于玻璃纤维而言在50GPa至100GPa之间，对于碳纤维而言在100GPa至500GPa之间，对于芳族聚酰胺纤维而言在50GPa至200GPa之间。

在本申请中，术语“抗拉模量”、“杨氏模量”和“抗拉弹性模量”具有相同的含义，是指在抗拉试验期间测得的弹性模量。

增强纤维42的密度通常在1.4g/cm³和3.0g/cm³之间。

增强纤维42例如单向地布置在基质40中。增强纤维于是彼此平行。在变型中，增强纤维42沿着两个正交方向交叉，或者随机地布置在基质(未示出)中。

每个复合层中的增强纤维42的长度大于300m，特别是在300m至4500m之间。

复合纤维的直径例如小于100微米，特别地在4微米至10微米之间。

优选地，每个复合增强层由至少一个复合条带44缠绕形成，复合条带44具有埋置在细长基质40中的多层纤维42，长度大于其宽度的至少10倍以及其厚度的至少10倍。

例如，每个复合条带44的长度大于100m且在100m至4500m之间。每个复合条带44的宽度在6mm至50mm之间。每个复合条带44的厚度在0.1mm至1mm之间。

因此，每个复合条带44如按照1996年1月标准NF EN 2561测量的在23℃下的抗拉模量大于10MPa、特别是在30GPa至170GPa之间，如按照1996年1月标准NF EN 2561测量的断裂伸长率大于1％、特别是在1％至5％之间，以及如按照1996年1月标准NF EN 2561测量的最大抗拉强度大于100MPa、特别是在350MPa至3500MPa之间。

有利地，每个复合条带44包括由PEEK或PVDF制成的基质，基质由平行于条带纵轴线取向的单向碳纤维增强。

如后文所示，在每个增强层的生产期间，该复合条带或每个复合条带44围绕管状衬套20的轴线A-A'螺旋缠绕，被加热以引起基质40部分熔融(在基质40是热塑性材料的情况下)，以及与复合条带44的相继匝和/或与相邻层粘结，相邻层可以是其他的增强层、防脱层或管状衬套20。

每个复合条带44相对于管10的轴线A-A’的缠绕螺旋角度γ的绝对值例如在50°至85°之间，优选地在55°至80°之间。这确保了复合材料在内部压力的作用下伸长，并确保与铠装层24、25的适当配合。

每个复合层的厚度通常在0.10mm至0.30mm之间，例如在0.12mm至0.17mm之间，或者在0.22mm至0.27mm之间。

在图1所示的示例中，挠性的管10包括内部铠装层24和外部铠装层25，外部衬套30围绕外部铠装层25布置。

每个铠装层24、25包括纵向铠装元件50，纵向铠装元件50以长螺距围绕管的轴线A-A'缠绕。

“长螺距缠绕”是指相对于轴线A-A’的螺旋角度绝对值小于50°，通常在25°至45°之间。

第一层24的铠装元件50通常相对于第二层25的铠装元件50以相反的角度缠绕。因此，如果第一层24的铠装元件50相对于轴线A-A'的缠绕角度等于+φ并且φ在25°至45°之间，那么与第一层24接触定位的第二层25的铠装元件50相对于轴线A-A'的缠绕角度例如为-φ，其中φ在25°至45°之间。

铠装元件50例如由金属丝形成。在变型中，铠装元件50由金属丝或填充有碳纤维的扁平复合带形成。

复合条带44的缠绕角度γ的绝对值在50°至85°之间，有利地在55°至80°之间，优选在60°至80°之间，铠装元件50的缠绕角度φ的绝对值在25°至45°之间，这两种缠绕角度的组合通过由铠装层24、25产生的补偿作用来防止管状增强结构22伸长。

管状增强结构22能够具有低抗拉强度并且在轴向力的作用下趋于伸长，铠装层24、25承接轴向力，因此防止管状增强结构22伸长。

缠绕角度γ、φ之间的最佳组合极大地减小了由内部衬套20和管状增强结构22形成的管状组件中的应力，因此减小了承受弯曲力、内部压力和/或塌陷力所必需的厚度。

此外，由于管状增强结构22的轴向刚度，抗拉铠装层24、25在海底的外部压力条带件下更好地抵抗轴向压缩。

此外，绝对值在25°至45°之间的铠装元件50的缠绕角度φ与绝对值在50°至85°之间的复合条带44的缠绕角度γ相组合，则允许管状增强结构22的压缩，从而减小最小弯曲半径(MBR)。

由内部衬套20和管状增强结构22形成的管状组件的凸拱侧上的可接受的拉伸应变大于1％，有利地大于2％，优选地大于3％。这种应变引起的缠绕半径与大多数制造和安装设备兼容。

外部衬套30被设计成防止流体从挠性的管10的外部向内部渗透。其有利地由聚合物材料制成，特别是基于聚烯烃例如聚乙烯、基于聚酰胺例如PA11或PA12、或基于氟化聚合物例如聚偏二氟乙烯(PVDF)制成。

外部衬套30的厚度例如在5mm和15mm之间。

每个耐磨层26例如由PA(聚酰胺)、PE(聚乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PEEK(聚醚醚酮)、PEKK(聚醚酮酮)形成。耐磨层26布置在管状增强结构22和第一抗拉铠装层24之间。另一个耐磨层26放置在每对铠装层24、25之间，有利地如在2014年5月第4版标准API 17J所述的那样。

加强带28例如由高强度的抗屈曲层形成。该抗屈曲层例如由芳族聚酰胺制成。该加强带在铠装层25和外部衬套30之间围绕最外层的铠装层25上缠绕，有利地如在2014年5月第4版标准API 17J中所述的那样。

根据本发明的挠性的管10在图2至图4中示意性示出的设施11中制造。

如图2所示，设施11包括：用于供应内部衬套20的工位100；可选的预压紧工位102；用于成形管状结构22的成形工位104；可选的后压紧工位106。

设施11有利地包括用于缠绕铠装层24、25的工位108和用于形成外部衬套30的工位110。

用于供应衬套20的工位100能够生产衬套20和/或沿着纵轴线A-A'解绕衬套20，从而可以将其引入相继的工位102、104、106。衬套20因此限定了圆柱形外表面112(特别参见图3)，在其上形成管状结构22。

在图3和4中示意性地示出了成形工位104。成形工位104包括：框架120，该框架120界定用于使衬套20沿中轴线A-A'通行的中央通道122；缠绕设备124，将多个条带44平行地缠绕在这里由衬套20限定的外表面112上；和用于加热条带44的至少一个条带加热设备126。

成形工位104还包括根据本发明的在图5至11中更详细地示出的压紧装置128。

框架120在此包括：固定在地面上的固定的结构130；至少一个由活动笼状结构132形成的旋转的支撑元件，活动笼状结构132围绕中轴线A-A'可旋转地安装在固定的结构130上；用于使活动笼状结构132相对于固定的结构130旋转的机构134。

活动的笼状结构132包括围绕中轴线A-A’旋转的滚筒136和由滚筒136远离中轴线A-A’承载的支撑件138。

中央通道122穿过滚筒136。

缠绕设备124安装在活动的笼状结构132的支撑件138上，以便与活动的笼状结构132共同围绕轴线A-A’旋转。

缠绕设备124包括多个解绕器142、以及来自每个解绕器142的条带44的引导元件144，用以在将这些条带保持平行的同时朝向外表面112进行引导。

每个解绕器142能够分别解绕至少一个用于形成增强层的条带44。

每个解绕器142包括至少一个卷筒，在该卷筒上缠绕有至少一个条带44。

引导元件144包括用于将条带沿着轴线E-E'彼此平行排列的引导件，轴线E-E'相对于中轴线A-A'倾斜等于螺旋角度γ的角度，以便允许将来自每个解绕器142的条带44在活动的笼状结构132围绕轴线A-A'旋转期间围绕外表面112螺旋缠绕。

加热设备126也由活动的笼状结构132的支撑件138支撑。加热设备126与外表面112相对放置，位于条带44施加到外表面112上的区域。例如，其包括激光、灯尤其是氙气灯、红外灯、脉冲光装置、超声焊接装置和/或热风吹送装置。加热设备126能够软化、有利地熔融条带44的热塑性基质40，以便允许其补充施加在外表面112上。

在该示例中，压紧装置128包括与成形工位104的框架120共同的框架。压紧装置包括至少一个辊组件150，其由活动的笼状结构132承载，以便辊组件与活动的笼状结构132一起相对于外表面112围绕中轴线A-A’旋转。压紧装置128还包括靠近机构152，其能够使每个辊组件150朝中轴线A-A'移动。

参考图5，辊组件150包括：直的中心轴160，中心轴的中轴线B-B'平行于轴线A-A'；和多个平行的辊162，安装成围绕轴线C-C'旋转，轴线C-C'相对于轴线B-B’倾斜一角度α。

在该示例中，辊组件150进一步包括：纵向位于辊组件150的辊162的两侧上的尾端件164；用于锁定辊162和尾端件164在中心轴160上形成的堆叠体的锁定构件166。

中心轴160安装成围绕其轴线B-B’固定不转。在该示例中，中心轴限定了用于传热流体流通的中央开口168，该开口供用于冷却辊162的传热流体的流通。这特别使得当加热设备126加热条带44至通常高于350℃的很高的温度时、特别是当条带44具有由PEEK制成的热塑性基质40时可以冷却辊162。

中心轴160的一端具有径向环箍170，该径向环箍170用于阻止辊162和尾端件164形成的堆叠体沿轴线B-B′平移。

在该示例中，中心轴160具有非圆形轮廓的横截面。该轮廓例如是多边形轮廓，特别是长方形或正方形轮廓。

参考图10和11，每个辊162包括：内圈172，该内圈172固定不转地安装在中心轴160上；以及外圈174，其围绕轴线C-C’能旋转地安装在内圈172上。

有利地，每个辊162还包括插置在内圈172和外圈174之间的内滚动轴承176，可选地还包括用于保持内滚动轴承176的侧向法兰178。

在图10和11所示的示例中，每个辊162垂直于其旋转轴线C-C’在中心息止位置和偏心位置之间能活动地安装在中心轴160上。在这种情况下，辊包括用于将辊162向其中心位置弹性偏压的偏压机构186。机构186例如由插置到布置在中心轴160中的孔中的弹簧形成。

在该示例中，内圈172和外圈174由金属、特别是钢制成。

内圈172限定中心通孔182，中心轴160接合在中心通孔182中。

中心通孔182沿轴线B-B'延伸，轴线B-B'相对于辊162的旋转轴线C-C'倾斜一角度α。中心通孔182的横截面类似于中心轴160的外横截面，但沿至少一个移动方向D-D'没有与中心轴160的外横截面吻合。

因此，内圈172以在孔182内沿方向D-D'的游隙J安装在中心轴160上，从而允许内圈172在垂直于旋转轴线C-C'的方向上平移，同时保持内圈172围绕中心轴的轴线B-B'固定不转。

外圈174具有圆柱形外表面184，该圆柱形外表面用于施加在管状结构22的条带44上。

外圈安装成可围绕轴线C-C'相对于内圈172和中心轴160自由旋转。轴线C-C'与轴线B-B'限定角度α，角度α等于90°减管状结构22的条带44的螺旋角度γ，有利地等于正负五度以内，优选地在正负三度以内。理想地，角度α必须选择成等于90°减螺旋角度γ，以便在压紧期间使条带44和辊162之间的相对滑动最小化。然而，已经观察到有可能相对最佳角度偏离三到五度而不会显著降低管状结构22的质量，这使得在实践中有可能减少为覆盖一定范围的螺旋角度γ而必需的不同辊组件的数量。

角度α例如小于40°，特别是在10°至30°之间。

相继辊162的旋转轴线C-C′彼此平行，同时相对彼此错开。

平行于轴线C-C'在外表面184处测量的每个辊162的宽度L小于15mm，有利地小于10mm，更有利地小于8mm，优选地在4mm至7mm之间。

该宽度L通常小于条带44的宽度。例如，包括四个具有单位宽度L等于6mm的辊162的辊组件150可用于压紧宽度等于20mm的条带44。

此外，在周沿表面184处测量的每个辊162的直径D通常大于50mm，有利地在60mm至150mm之间。

滚动轴承176包括布置在内圈172和外圈174之间的多个滚珠184。

侧法兰178径向突出于内圈172的周边处。它们侧向地保持滚动轴承176的滚珠184。

当设有偏压机构180时，其包括至少一个弹簧186，弹簧布置在中心轴160和内圈172之间的游隙J处的中央通道122中。

优选地，偏压机构180包括至少两个相对的弹簧186，用以将辊162朝着相对于中心位置的沿方向D-D’的两个偏移方向偏压。

每个尾端件164由套环形成，套环围绕轴160接合并且具有垂直于轴线B-B'的第一侧向止动表面188和用于辊162的第二侧向支承表面190，该第二侧向支承表面190位于相对于轴线B-B'倾斜角度γ的平面中。

第一尾端件164的止动表面188抵靠环箍170。第一尾端件164的支承表面190布置成与辊组件150的端部辊162接触。

第二尾端件164的止动表面188定位成与锁定构件166接触。第二尾端件164的支承表面190布置成在与第一尾端件164的支承表面190相对地与辊组件150的另一端部辊接触。

因此，辊组件150的辊162被安装在支承表面190之间的空间中，可选地在它们之间具有功能游隙，功能游隙小于辊162的宽度。

锁定构件166固定在中心轴160上，以便限定尾端件164的相对位置以及辊组件150的辊162之间的功能间隙。

如图5、7和9所示，辊组件150的辊162在图5和7可见的中间轴向平面P1中限定了其中一条伪线性、一条伪平面的两条压紧母线192。相反地，在图9所示的至少一个其他的中间轴向平面P2中，由辊组件150的辊162限定的母线193限定了相继的宏观齿。

图8表示沿着辊162的每条压紧母线192的尺寸的放大图。如图6所示，通过外圈174的圆柱形周沿表面184与中间轴向平面P1相交，在每个辊162上限定了压紧母线192。中间轴向平面P1包含轴线B-B’和线Δ。线Δ是穿过圆柱形表面184的中心M并垂直于轴线C-C’和B-B’的线。

因此，位于辊162上的母线192的每个部段194具有微凸起的形状，微凸起具有一个顶部196和在辊162的边缘上的两个侧向端部198。每个微凸起的高度E有利地小于条带44厚度的三分之一，优选地小于条带44的厚度的五分之一。因此，微凸起的高度显著小于条带44的厚度，从而使辊组件150沿母线192施加的压紧压力基本上是均匀的，且条带44的基质中存在的纤维在压紧过程中没有被弄乱。

该高度E通常小于0.2mm，有利地小于0.1mm，优选地小于0.05mm，特别是当每个辊162的直径在60mm至100mm之间时、当每个辊162的宽度L在5mm至7mm之间时和当螺旋角度γ在60°至70°之间时。

下表说明了对于不同的辊直径D、螺旋角度γ和辊162的宽度L可以获得的高度E。

高度E随着直径D的增加而减小，如下表所示：

高度E是角度α的递减函数，因此是角度γ的递增函数，如下表所示：

在下文中，已知条带44的厚度和螺旋角度γ的情况下，可以确定辊162的直径D和宽度L，从而使得可以获得微凸起幅度E显著小于带44厚度的压紧母线192，例如幅度E小于带44厚度的五分之一。实践中，首先应考虑工业生产和组装限制，使辊162的宽度L最小化，例如，宽度L应选择成约为5mm至7mm，然后应加大辊162的直径D，直到幅度E低于期望值为止。

这样的尺寸确保了对条带44的有效压紧，而不会由于压紧母线192的伪线性和伪平面性而使存在于基质中的纤维42被弄乱。

有利地，辊组件150包括至少八个辊162，优选地至少二十个辊162，这使得可以安装并同时压紧多个条带44，从而提高成形工位104的生产速度。例如，当单个辊组件150包括四十个辊162并且其中每个辊的宽度L等于6.5mm时，用单个辊组件150可以在具有150mm外径的圆柱形外表面112上安装并同时压紧单位宽度为25mm的十个条带44。基于使用非分段式圆柱形辊的现有技术的解决方案生产率低下，因为在相同条件下，一个非分段式辊最多仅能够令人满意地压紧最大宽度约为20mm的单一条带。

参考图4，靠近机构152包括：辊组件150的支撑件200，支撑件200能相对于中轴线A-A'横向活动；以及至少一个用于将支撑件200和辊组件150朝中轴线A-A'偏压的辊组件150的弹性偏压构件202。

轴160以其轴线B-B′平行于轴线A-A′的方式安装在支撑件200上。在缠绕到外表面112上之后，至少一条压紧母线192与轴线A-A′相对布置，平行于轴线B-B′，以施加在条带44上。

优选地，至少一个辊162被单独地施加在相应的条带44上，辊162以与螺旋角度γ相对应的角度倾斜，如图3所示。

因此，每个辊162能够在辊施加的条带44上滚动，描划与条带44具有相同方向和相同螺距的螺旋，同时施加相对于管状结构22的中轴线径向取向的压紧压力。

参考图12，后压紧工位106位于成形工位104的下游。参考图12，后压紧工位106包括固定的加热设备126和至少一个压紧装置128，该压紧装置128能旋转安装在框架120的活动的笼状结构132上。

加热设备126例如是用于软化管状结构22表面的炉。加热设备126例如包括多个灯210，所述灯210围绕中轴线A-A'分布，沿轴线A-A’位于每个压紧装置128的上游。

在与加热设备126相对的管状结构22行进期间，活动的笼状结构132能够围绕轴线A-A’旋转。

如图13所示，压紧装置128包括围绕管状结构22分布的多个辊组件150。对于每个辊组件150而言，压紧装置128包括对于成形工位104如前所述的靠近装置152。

每个辊组件150具有类似于前述结构的结构。然而，与成形工位104的辊组件150不同的是，图13中描述的辊组件150包括具有圆形轮廓横截面的中心轴160。每个辊162的内圈172无横向游隙地安装在中心轴160上。因此，每个辊162没有偏压机构180。

有利地，至少一个辊组件150设有力传感器，以便确定由辊162施加在条带44上的压力并基于所测得的压力来控制辊组件150的径向位置。

预压紧工位102具有与后压紧工位106结构相似的结构。其布置在成形工位104的上游，以允许软化衬套20并制备外表面112以尽可能使外表面呈圆柱形并促进条带44附着。

铠装层24、25的缠绕工位108位于后压紧工位106的下游。缠绕工位包括用于将铠装元件50螺旋缠绕以便依次形成层24、25的设备(未示出)。

用于形成外部衬套的工位110位于缠绕工位108的下游。例如，其包括用于挤出外部衬套30的设备(未示出)。

在挠性的管10的实施例示例中，现在将在设施11中描述根据本发明的用于制造管状结构22的方法。

首先，制造衬套20和/或将衬套20供应到供应工位100中。衬套被带到用于形成结构22的工位104，并且通过平移驱动装置沿着轴线A-A'平移穿过结构22的成形工位104。

有利地，在工位104前，衬套20进入预压紧工位102。衬套20首先进入加热设备126，以使其外表面112达到高于100℃的温度，特别是在100℃至350℃之间的温度。

辊组件150围绕衬套20旋转。辊162施加到外表面112上，以使其尽可能呈圆柱形。

然后，将衬套20引入成形工位104的中央通道122中。

在该工位104中，由条带44形成多个增强层。

对于每个增强层而言，从缠绕设备124的解绕器142平行地解绕开多个条带44。引导元件144以受控游隙保持条带44彼此平行。

平行条带44通过加热设备126前，在此处将条带有利地加热到150℃至450℃之间的温度，所述温度取决于构成条带44基质40的热塑性聚合物的性质。

当条带44基质40由PEEK(熔点约为350℃)制成时，加热设备126加热条带44的温度有利地在350℃至450℃之间，优选在380℃至420℃之间。当条带44基质40由PVDF(熔点约为180℃)制成时，加热设备126加热条带44的温度有利地在180℃至280℃之间，优选在200℃至250℃之间。这有利地引起基质40至少部分熔融。

活动的笼状结构132围绕轴线A-A'旋转，衬套20沿轴线A-A'平移，条带44螺旋缠绕在外表面112上，外表面112由衬套20限定或由以螺旋角度等于γ的围绕衬套20形成的层限定。

恰在其缠绕之后，与活动的笼状结构132共同旋转的辊组件150施加到条带44上。

为此，如前所述，相继的辊162限定了支承于条带44上的压紧母线192。

辊的取向角度等于α，辊162沿条带44的局部轴线在条带44上滚动。

此外，由压紧母线192限定的微凸起的高度E小于条带44厚度的三倍，优选地小于条带44厚度的五倍，压紧母线192是伪线性的并且基本在一个平面内延伸。

因此，条带44被均匀地压紧，同时避免基质40中存在的纤维42被弄乱，同时确保基质40熔融材料有效分布，以形成连续且密封的管状结构22。

然后，如此形成的管状结构22进入后压紧工位106。然后，管状结构22的外表面112在进入加热工位106时被软化，然后通过旋转辊组件150再次被压紧。辊组件150的辊162沿着相应的条带44沿螺旋形轨迹滚动，从而确保增强纤维42被弄乱的程度最小化。

有利地，重复预压紧操作(工位102)、管状结构成形操作(工位104)和后压紧操作(工位106)(图2中的回路101)，以便如前所述用其他条带44形成其他增强层。

因此，通过在每次通过工位104中时增加厚度基本上等于条带44厚度的新外层，来逐层制造管状结构22。这些操作可以重复数十次，特别是当条带44厚度明显小于管状结构22壁的最终厚度时。

另外，每当添加新层时，条带44的特性和/或安装参数和/或压紧参数都可能修改。例如，可以改变条带44的螺旋角度，特别是以使两个重叠层的纤维交叉。

随后，管状结构22进入缠绕工位108，以允许布置铠装层24、25。

抗拉铠装层24、25的铠装元件50以不与管状增强结构22粘结的方式缠绕在管状增强结构22上。有利地，抗磨层26插置在管状增强结构22和第一抗拉铠装层24之间、以及在每对抗拉铠装层24、25之间。

然后，将增强带28缠绕在最外面的抗拉铠装层25上。

随后，在外部衬套110的成形工位中，围绕铠装层24、25形成外部衬套30。

特别是通过提供提升的层间机械强度、更大的结晶度以及降低的孔隙度，由辊162在用于形成结构22的工位中、然后在后压紧工位106中确保的压紧增强了管状结构22的机械性能。

因此，管状结构22在机械上更坚固并且关于用于在内部通道13中循环的流体具有改善的密封性。

由于辊162在中心轴160上具有特殊取向，辊162能够在管状结构22条带44上滚动，同时使存在于基质40中的纤维被弄乱的程度最小化。

在变型中，每个辊162包括代替滚珠184的环类型轴承，这改善了中心轴160和外圈174之间的热传递，因此允许更好地冷却辊组件150。

在另一变型中，每个辊162的外圈174具有呈空竹形式的外表面184，以便减小压紧母线微凸起的幅度。在另一变型中，设施11不具有任何预压紧工位102和/或后压紧工位106。

例如，当基质40由热固性聚合物或陶瓷材料制成时就是这种情况。在基质40由热固性聚合物制成的情况下，也恰在条带44压紧之后进行交联加热。

在另一变型中，条带44缠绕于其上的圆柱形外表面112不位于管10的管状衬套上或已经形成的增强层上，而是位于心轴上，这特别使得可以制造没有内部管状衬套20的管10。本发明特别可以与文献WO2008/029252中描述的心轴制造方法结合实施。

在特别用于生产TCP挠性管的另一变型中，设施11不包括用于缠绕铠装层的工位108和/或用于形成外部衬套110的工位，且管10不具有铠装层24、25和/或外部衬套30。

在另一个变型中，支撑元件132围绕轴线A-A’固定不转，圆柱形表面112围绕中轴线A-A’旋转。

支撑元件132和圆柱形表面112可沿着轴线A-A’相对于彼此平移，例如通过使支撑元件132沿轴线A-A’平移。

根据本发明的装置和设施不仅仅限于挠性管领域，其更普遍地应用于生产通过螺旋缠绕由复合材料制条带而制成的所有管状结构。例如，本发明可以应用于生产高压容器用的管状增强结构。

Claims (14)

1.一种用于压紧管状结构(22)的压紧装置(128)，压紧装置包括：

-支撑元件(132)，支撑元件限定使用于接纳管状结构(22)的圆柱形表面(112)通行的通道(122)，通道(122)具有用于与圆柱形表面(112)同轴的中轴线(A-A’)，支撑元件(132)和圆柱形表面(112)用于围绕中轴线(A-A’)相对彼此旋转地安装；

-由支撑元件(132)支承的至少一个压紧辊组件(150)，压紧辊组件(150)包括：

*具有纵轴线(B-B’)的直的中心轴(160)；

*多个压紧辊(162)，所述多个压紧辊围绕中心轴(160)彼此平行地安装，每个压紧辊(162)具有围绕中心轴(160)绕辊轴线(C-C’)旋转的周沿表面；

其特征在于，中心轴(160)的纵轴线(B-B’)平行于中轴线(A-A’)，每个辊轴线(C-C’)相对于中心轴(160)的纵轴线(B-B’)以非零的倾斜角度(α)倾斜。

2.根据权利要求1所述的压紧装置(128)，其特征在于，倾斜角度(α)小于40°。

3.根据权利要求1或2所述的压紧装置(128)，其特征在于，压紧辊(162)限定用于与管状结构(22)接触的至少一条伪线性的压紧母线(192)。

4.根据权利要求3所述的压紧装置(128)，其特征在于，压紧母线(192)包括多个微凸起，微凸起的幅度小于0.1mm。

5.根据权利要求1或2所述的压紧装置(128)，其特征在于，每个压紧辊(162)的宽度小于10mm。

6.根据权利要求1或2所述的压紧装置(128)，其特征在于，每个压紧辊(162)的直径大于50mm。

7.根据权利要求1或2所述的压紧装置(128)，其特征在于，压紧辊组件(150)包括两个倾斜的轴向尾端件(164)，两个倾斜的轴向尾端件在压紧辊(162)的两侧固定不转地安装在中心轴(160)上。

8.根据权利要求1或2所述的压紧装置(128)，其特征在于，每个压紧辊(162)横向地垂直于辊轴线(C-C’)在中心息止位置和多个偏心位置之间安装，压紧辊(162)包括用于向中心息止位置弹性偏压的机构(180)。

9.根据权利要求1或2所述的压紧装置(128)，其特征在于，每个压紧辊(162)包括：围绕中心轴(160)固定不转地安装的内圈(172)；围绕内圈(172)能旋转安装的外圈(174)；以及插置在内圈(172)和外圈(174)之间的至少一个滚动轴承(176)。

10.根据权利要求9所述的压紧装置(128)，其特征在于，内圈(172)包括接纳中心轴(160)的通孔(182)，通孔(182)具有相对于辊轴线(C-C’)倾斜的轴线(B-B’)，通孔(182)的轴线平行于中心轴(160)的纵轴线。

11.根据权利要求1或2所述的压紧装置(128)，其特征在于，中心轴(160)具有中心开口(168)，供用于冷却压紧辊(162)的传热流体流通。

12.一种用于制造管状结构(22)的设施(11)，包括：

-用于成形管状结构(22)的成形工位(104)，包括用于将平行的条带(44)围绕圆柱形表面(112)以螺旋角度(γ)螺旋缠绕的至少一个螺旋缠绕设备(176)和用于加热条带(44)的至少一个条带加热设备(126)；

-至少一个根据权利要求1或2所述的压紧装置(128)，布置在管状结构(22)的成形工位(104)中、在管状结构(22)的成形工位(104)的上游和/或在管状结构(22)的成形工位(104)的下游，压紧辊组件(150)用于施加在圆柱形表面(112)上和/或施加在圆柱形表面(112)上形成的管状结构(22)上，90°减螺旋角度(γ)后与每个压紧辊(162)的倾斜角度(α)之差的绝对值小于5°。

13.根据权利要求12所述的设施(11)，其特征在于，压紧装置(128)布置在管状结构(22)的成形工位(104)中或管状结构(22)的成形工位(104)的下游，压紧辊组件(150)布置成将至少一个压紧辊(162)施加到管状结构(22)的每个条带(44)上。

14.一种用于形成管状结构(22)的方法，包括如下步骤：

-将平行的条带(44)围绕圆柱形表面(112)以螺旋角度(γ)螺旋缠绕(176)；

-在螺旋缠绕(176)之前、期间或之后，加热条带(44)以至少部分地软化条带(44)；

-在螺旋缠绕(176)之前、期间或之后，通过至少一个根据权利要求1或2所述的压紧装置(128)相应地压紧圆柱形表面(112)和/或缠绕的条带(44)，90°减螺旋角度(γ)后与每个压紧辊(162)的倾斜角度(α)之差的绝对值小于5°。

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