CN113007461A - 一种高密封性的复合材料高压管道及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高压管道技术领域，具体涉及一种高密封性的复合材料高压管道及其加工方法，所述加工方法包括以下步骤：步骤1：取复合材料制成的缠绕管和金属材料制成的内衬管，并将内衬管插装于缠绕管内，得到第一管道；步骤2：取夹紧工装，并将夹紧工装封堵于第一管道的两端，使第一管道的内衬管与夹紧工装形成容纳腔；步骤3：通过夹紧工装向容纳腔中注入加压流体，直至内衬管紧密贴合于缠绕管的内壁上，得到第二管道；步骤4：拆除步骤3中的夹紧工装，并对第二管道进行后处理，得到具有良好密封性能的复合材料高压管道。上述方法使得高压管道不仅具有内衬管的低渗透率，还具有复合材料的抗压承载能力，进而大幅提高其承载能力和材料利用率。

Description

一种高密封性的复合材料高压管道及其加工方法

技术领域

本发明属于高压管道技术领域，具体涉及一种高密封性的复合材料高压管道及其加工方法。

背景技术

高压管道作为一种提取物质输送效率、降低运营成本、易于维护的有效设备，被广泛应用于石油输送、水利保障、化工液体转移等领域。且相较于因易腐蚀、强度低、比重大等缺点需要耗费大量运营成本的传统的金属输送管，具有轻质高强、耐腐蚀抗疲劳、未爆先泄露等特点的复合材料高压管道更受青睐。

复合材料高压管道的轴向模量或环向模量通常低于钢材、铝合金等金属材料，通常采用增加壁厚或采用鳞片等物质制备防渗层，以避免因树脂基体开裂而出现贯穿壁厚的裂缝，从而导致整管报废。试验结果表明，导致复合材料高压管道渗漏的压力远小于复合材料的纤维拉伸强度，即复合材料高压管道在发挥出承载潜力之前已在压力作用下发生管道渗漏。

中国专利CN201748047U公开了一种高压钢塑复合管，但其结构复杂致使加工繁琐且成本高，且塑料内管通过粘胶层设置于钢管的外侧，复合管结构使得塑料内管和钢管在通过黏胶层连接时，无法保证粘接的一致性，即部分塑料内管无法得到钢管的支撑，进而使塑料内管在管内压力作用下形成裂缝并发生渗漏，高压管道内的液体流入塑料内管与钢管的夹缝，继而破坏高压管道的抗压能力。

中国专利CN201502798U公开了一种超高分子量聚乙烯钢塑复合耐磨管件，其特征在于在钢制管件的内壁复合有超高分子量聚乙烯管件，超高分子量聚乙烯管件的两端翻边与钢制管件的两端法兰复合。但是因高分子聚乙烯管件复合于钢制管件的内壁，当应用于高压输送时，其所存在的问题与复合材料高压管道相同，即在高压输送过程中出现贯穿壁厚的裂缝。

因此，针对以上不足，本发明提供一种高密封性的复合材料高压管道及其加工方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高密封性的复合材料高压管道及其加工方法，以解决现有技术中复合材料高压管道无法发挥出复合材料承载潜力的问题。

一方面，本发明提供高密封性的复合材料高压管道的加工方法，包括以下步骤：步骤1：取复合材料制成的缠绕管和金属材料制成的内衬管，并将所述内衬管插装于所述缠绕管内，且所述内衬管的两端均超出所述缠绕管，得到第一管道；步骤2：取夹紧工装，并将所述夹紧工装封堵于步骤1得到的第一管道的两端，使所述第一管道的内衬管与夹紧工装形成容纳腔；步骤3：通过步骤2中的夹紧工装向步骤2得到的容纳腔中注入加压流体，直至所述内衬管塑性变形并紧密贴合于所述缠绕管的内壁上，得到第二管道；步骤4：拆除步骤3中第二管道上的夹紧工装，并对第二管道进行后处理，得到复合材料高压管道。

如上所述的高密封性的复合材料高压管道的加工方法，进一步优选为，步骤1中，所述内衬管的直径与壁厚的比值大于或等于60，且所述内衬管的外径比所述缠绕管的内径小1-5mm。

如上所述的高密封性的复合材料高压管道的加工方法，进一步优选为，步骤1中，所述内衬管的屈强比不超过0.6，断裂延伸率不小于15％。

如上所述的高密封性的复合材料高压管道的加工方法，进一步优选为，步骤1中，所述缠绕管第一端为喇叭口，且所述喇叭口的轴向长度不小于80mm，所述喇叭口的坡度不大于1:8。

如上所述的高密封性的复合材料高压管道的加工方法，进一步优选为，步骤3中，所述加压流体的压力值为所述缠绕管设计压力值的两倍，且保压时间为2-10分钟；所述缠绕管的设计压力值通过以下公式计算获得：

其中，σ为缠绕管的环向许用拉伸应力，t为缠绕管的壁厚，D为缠绕管的内径。

如上所述的高密封性的复合材料高压管道的加工方法，进一步优选为，步骤4具体包括：步骤41：拆除步骤3中第二管道上的夹紧工装，并对所述第二管道中内衬层进行质检，得到符合质检要求的第三管道；步骤42：取步骤41得到的第三管道并进行裁剪加工，以去除超出缠绕管两端部的所述内衬管，得到第四管道；步骤43：取步骤42得到的第四管道并进行螺纹牙加工，使所述第四管道一端的外螺纹与另一端的内螺纹相匹配，得到复合材料高压管道。

如上所述的高密封性的复合材料高压管道的加工方法，进一步优选为，步骤2中的所述夹紧工装包括大端端盖、小端端盖和连接件；所述大端端盖的中部设有中心孔，所述中心孔适于连接外部加压设备；所述连接件连接于所述大端端盖和所述小端端盖之间，适于使所述大端端盖和所述小端端盖分别夹紧所述内衬管的两端。

另一方面，本发明还公开了高密封性的复合材料高压管道，根据上述任意一项所述的复合材料高压管道的加工方法加工得到。

又一方面，本发明还公开了高密封性的复合材料高压管道，包括缠绕管和内衬管；所述缠绕管由复合材料制成；所述内衬管由金属材料制成；所述内衬管的长度与所述缠绕管相同，并插装于所述缠绕管内，且所述内衬管的外壁与所述缠绕管内壁紧密贴合。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

本发明所公开的高密封性的复合材料高压管道的加工方法包括：缠绕管和内衬管的插装步骤、夹紧工装装夹封堵步骤、内衬管加压塑性变形步骤和后处理步骤，且所述缠绕管由复合材料制成，所述内衬管由金属材料制成。上述复合材料高压管道加工方法通过在复合材料制成的缠绕管的内侧设置金属材料制成的内衬管，并利用内衬管金属材料的高延展性使其在加压环境下发生塑性变形，进而紧密贴合于缠绕管的内壁，从而得到复合材料高压管道。因复合材料高压管道为双层结构，故实际应用时，输送流体的作用力从内向外传递时需要经内衬管传递至缠绕管，又因为内衬管为金属材料制成，具有高延展性和低渗透性，传递至内衬管的作用力使得内衬管向外膨胀，从而使缠绕管环向绷紧，又因为复合材料具有较好的抗拉承载能力，进而能够很好地消化传递至缠绕管的作用力，从而大幅提高高压管道的承载能力。即本发明中公开的复合材料高压管道能够充分发挥金属高延展性、密封性好，复合材料轻质高强、易成型的优点，发挥出各自材料的潜力，提高管道的可靠性和承载/重量比，降低制造成本等效果。同时由于金属内衬管的易加工性，更有利于提高管道的连接可靠性和简便性。

本发明中高密封性的复合管道的一端的内衬管上设有内螺纹，一端的缠绕管上设有外螺纹，实际连接时外螺纹与内螺纹适配连接，又因内衬管为金属材料，具有良好的延展性，故连接时能够较好的填充螺纹牙间隙，进而提高密封性。

此外本发明中高密封性的复合管道的结构简单，加工方法简单，有利于厂家的快速推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所公开的一种高密封性的复合材料高压管道的结构示意图；

图2为图1中缠绕管的结构示意图；

图3为图1中内衬管的结构示意图；

图4为本发明高密封性的复合材料高压管道与夹紧工装的夹紧状态图。

附图标记说明：

1-缠绕管，2-内衬管，3-喇叭口，4-内螺纹，5-外螺纹，6-大端端盖，7-小端端盖，8-螺杆，9-紧固件。

具体实施方式

实施例1：

如图1-3所示，本实施例公开了高密封性的复合材料高压管道的加工方法，具体的，所述加工方法包括以下步骤：

步骤1：取复合材料制成的缠绕管1和金属材料制成的内衬管2，并将所述内衬管2插装于所述缠绕管1内，且所述内衬管2的两端均超出所述缠绕管1，得到第一管道；

步骤2：取夹紧工装，并将所述夹紧工装封堵于步骤1得到的第一管道的两端，使所述第一管道的内衬管2与夹紧工装形成容纳腔；

步骤3：通过步骤2中的夹紧工装向步骤2得到的容纳腔中注入加压流体，直至所述内衬管2塑性变形并紧密贴合于所述缠绕管1的内壁上，得到第二管道；

步骤4：拆除步骤3中第二管道上的夹紧工装，并对第二管道进行后处理，得到具有良好密封性能的复合材料高压管道。

具体的，步骤1中，所述内衬管2采用具有高延展性的金属材料加工而成。具体的，所述内衬管2的直径与壁厚的比值大于或等于60，且所述内衬管2的外径比所述缠绕管1的内径小1-5mm。优选的，所述内衬管2的管壁为2mm，且所述内衬管2的外径比所述缠绕管1的内径小2mm。内衬管2的壁厚决定了内衬管2的重量，进而影响高压管道的重量。为降低所述内衬管2对高压管道重量的影响，本实施例内衬管2的厚度不超过2mm。同时内衬管2的壁厚还影响内衬管2的最小压力施加值，且壁厚与最小压力施加值呈正比，控制内衬管2的壁厚还有助于降低后续内衬管2的变形应力，有助于后续加工。内衬管2外径与缠绕管1内径的差值主要影响后续内衬管2的变形难度和插装难度，为保证内衬管2能够正常插装于缠绕管1中，且变形范围在内衬管2材料的变形范围内，本实施例中，所述内衬管2的外径比所述缠绕管1的内径小2mm。

进一步的，步骤1中，所述内衬管2的屈强比不超过0.6，断裂延伸率不小于15％。所述内衬管2由金属材料制成，即用于制成内衬管2的金属材料的屈强比不超过0.6，断裂延伸率不小于15％。屈强比是指材料的屈服点(屈服强度)与抗拉强度的比值，屈强比高则结构容易出现脆性破坏，即结构没有明显的塑性变形产生即破坏，屈强比低表示材料的塑性较好，本实施例中主要通过金属材料的塑性变形实现内衬管2与缠绕管1的紧密贴合，因此选用屈强比小变形能力强的金属材料。断裂延伸率为材料塑性性能的指标，即试样拉伸断裂后的总变形长度与总长度之间的比值，是材料的一个变形指标，代表材料内部组织结构性能。本实施例中，通过屈强比和断裂延伸率限定金属材料的性能，使其制成的内衬管2不仅具有较好的性能，且具有较好的塑性，进而便于本实施例中方法的实施。

具体的，步骤1中，所述缠绕管1为按照设计要求和缠绕工艺利用复合材料加工得到，所述缠绕管1的结构尺寸和铺层角度可根据相关强度设计方法进行确定，具体的加工方法和复合材料种类为现有技术，具体的，复合材料可选用连续纤维增强热固性树脂体系如玻璃纤维增强环氧树脂体系、碳纤维增强环氧树脂体系、玄武岩增强环氧树脂体系、玻璃纤维增强乙烯基树脂体系等中任意一种或多种，本实施例不再一一赘述。

进一步的，步骤1中，所述缠绕管1第一端为喇叭口3，且所述喇叭口3的轴向长度不小于80mm，所述喇叭口3的坡度不大于1:8。具体的，本实施例中通过在高压管道的两端设置可对应匹配的内螺纹4和外螺纹5实现相邻两高压管道的连接，为了实现内螺纹4与外螺纹5的匹配，所述缠绕管1和内衬管2的直径从第一端至第二端依次递减。且为了保证相邻两管道连接位置处的强度，避免连接位置处泄漏或破裂，本实施例在缠绕管1的第一端设有喇叭口3，即通过增加缠绕管1在第一端的壁厚提升其承载性能，实现对连接位置处的防护。喇叭口3的轴向长度限制用于保证防护范围，进而达到防护目的，喇叭口3的坡度限制适于控制缠绕管1直径的渐变程度，保证缠绕管1管体的一致性，进而避免额外的应力影响。为了与缠绕管1贴合，所述内衬管2的端部也设有喇叭口3。

进一步的，步骤3中，所述加压流体的压力值为所述缠绕管1设计压力值的两倍，且保压时间为2-10分钟；所述缠绕管1的设计压力值可通过压力容器理论求解得出，即通过以下公式计算获得：

其中，σ为缠绕管1的环向许用拉伸应力，t为缠绕管1的壁厚，D为缠绕管1的内径。优选的，所述加压流体为水，且当水充满容纳腔之后封闭容纳腔并保压5分钟，使高延展性的内衬管2的管壁在压力作用下发生塑性变形，在增大其内径的同时将载荷传递至复合材料管壁上；因缠绕管1的承载能力远高于金属管，进而使内衬管2紧贴于缠绕管1的内壁成为缠绕管1的密封层。

进一步的，步骤4中的后处理步骤包括：

步骤41：拆除步骤3中第二管道上的夹紧工装，并对所述第二管道中内衬层进行质检，得到符合质检要求的第三管道；

步骤42：取步骤41得到的第三管道并进行裁剪加工，以去除超出缠绕管1两端部的所述内衬管2，得到第四管道；

步骤43：取步骤42得到的第四管道并进行螺纹牙加工，使所述第四管道一端的外螺纹与另一端的内螺纹相匹配，得到具有良好密封性能的复合材料高压管道。

步骤41中的质检具体包括采用超声检测设备、摄像头、肉眼目视等措施检查内衬层的平整度、表面形貌、与复合材料层的贴合情况等。步骤42中，裁剪后，所述内衬管2的轴向长度与所述缠绕管1的轴向长度相同，并端部平齐。步骤43中，内螺纹4位于喇叭口3一端，并设于内衬管2的内壁上，外螺纹5位于另一端，并设于缠绕管1上，且两者能够适配，适于使相邻高压管道能够密封连接。

实施例2：

本实施例公开了高密封性的复合材料高压管道，根据实施例1中任意一项所述的复合材料高压管道的加工方法加工得到。所述复合材料高压管道包括缠绕管1和内衬管2；所述缠绕管1由复合材料制成；所述内衬管2由金属材料制成；所述内衬管2插装于所述缠绕管1内，且所述内衬管2的外壁与所述缠绕管1内壁压紧贴合。进一步的，所述内衬管2的第一端设有内螺纹4，位于所述内衬管2第二端外侧的所述缠绕管1上设有外螺纹5，且所述外螺纹5与所述内螺纹4适配，内螺纹和外螺纹适于使相邻两所述复合材料高压管道的端部密封连接。

具体的，实际使用时，因内衬管2隔绝了高压管道中流体与复合材料的直接接触，且内衬管2的渗透率近乎为零，进而使得内衬管2在高压管道使用时能够保护复合材料制成的缠绕管1免受渗透应力的影响，而仅需考虑流体的压力，进而发挥出了复合材料的承载潜力，解决了因复合材料基体开裂而出现贯穿壁厚的裂缝，导致管道报废的问题。

实施例3：

如图4所示，本实施例公开了高密封性的复合材料高压管道的夹紧工装，用于实施例1中任意一项所述的复合材料高压管道的加工方法，包括大端端盖6、小端端盖7和连接件；所述大端端盖6的中部设有中心孔，所述中心孔适于连接外部加压设备，进而向容纳腔注入加压液体，具体的，注入方向如图4中P所示；所述连接件连接于所述大端端盖6和所述小端端盖7之间，适于使所述大端端盖6和所述小端端盖7分别夹紧所述内衬管2的两端。具体的，所述连接件包括螺杆8和紧固件9，所述螺杆8的两端分别插装于大端端盖6、小端端盖7上，并通过紧固件9进行固定。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种高密封性的复合材料高压管道的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：取复合材料制成的缠绕管和金属材料制成的内衬管，并将所述内衬管插装于所述缠绕管内，且所述内衬管的两端均超出所述缠绕管，得到第一管道；

步骤2：取夹紧工装，并将所述夹紧工装封堵于步骤1得到的第一管道的两端，使所述第一管道的内衬管与夹紧工装形成容纳腔；

步骤3：通过步骤2中的夹紧工装向步骤2得到的容纳腔中注入加压流体，直至所述内衬管塑性变形并紧密贴合于所述缠绕管的内壁上，得到第二管道；

步骤4：拆除步骤3中第二管道上的夹紧工装，并对第二管道进行后处理，得到复合材料高压管道。

2.根据权利要求1所述的高密封性的复合材料高压管道的加工方法，其特征在于，步骤1中，所述内衬管的直径与壁厚的比值大于或等于60，且所述内衬管的外径比所述缠绕管的内径小1-5mm。

3.根据权利要求2所述的高密封性的复合材料高压管道的加工方法，其特征在于，步骤1中，所述内衬管的屈强比不超过0.6，断裂延伸率不小于15％。

4.根据权利要求3所述的高密封性的复合材料高压管道的加工方法，其特征在于，步骤1中，所述缠绕管第一端为喇叭口，且所述喇叭口的轴向长度不小于80mm，所述喇叭口的坡度不大于1:8。

5.根据权利要求4所述的高密封性的复合材料高压管道的加工方法，其特征在于，

步骤3中，所述加压流体的压力值为所述缠绕管设计压力值的两倍，且保压时间为2-10分钟；所述缠绕管的设计压力值通过以下公式计算获得：

其中，σ为缠绕管的环向许用拉伸应力，t为缠绕管的壁厚，D为缠绕管的内径。

6.根据权利要求5所述的高密封性的复合材料高压管道的加工方法，其特征在于，步骤4具体包括：

步骤41：拆除步骤3中第二管道上的夹紧工装，并对所述第二管道中内衬层进行质检，得到符合质检要求的第三管道；

步骤42：取步骤41得到的第三管道并进行裁剪加工，以去除超出缠绕管两端部的所述内衬管，得到第四管道；

步骤43：取步骤42得到的第四管道并进行螺纹牙加工，使所述第四管道一端的外螺纹与另一端的内螺纹相匹配，得到复合材料高压管道。

7.根据权利要求6所述的高密封性的复合材料高压管道的加工方法，其特征在于，步骤2中的所述夹紧工装包括大端端盖、小端端盖和连接件；所述大端端盖的中部设有中心孔，所述中心孔适于连接外部加压设备；所述连接件连接于所述大端端盖和所述小端端盖之间，适于使所述大端端盖和所述小端端盖分别夹紧所述内衬管的两端。

8.一种高密封性的复合材料高压管道，其特征在于，根据权利要求1-7中任意一项所述的高密封性复合材料高压管道的加工方法加工得到。

9.一种高密封性的复合材料高压管道，其特征在于，包括缠绕管和内衬管；所述缠绕管由复合材料制成；所述内衬管由金属材料制成；所述内衬管的长度与所述缠绕管相同，并插装于所述缠绕管内，且所述内衬管的外壁与所述缠绕管内壁紧密贴合。

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