CN118208598A - 一种集输油用耐温聚乙烯复合管及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油天然气管材技术领域，特别涉及一种集输油用耐温聚乙烯复合管及加工方法。包括内管，所述内管外部设有增强层，增强层的外侧设有外护层，增强层包括多层玻璃纤维预浸带，玻璃纤维预浸带沿着内管外侧与其轴向呈50°~60°角度交叉缠绕，增强层分别与内管、外护层相互黏结。本发明通过玻璃纤维预浸带形成增强层，解决了现有非金属复合管结构不稳定，变形时各层之间会产生相对位移的问题，集输油用耐温聚乙烯复合管在加工过程中采用在线热吹风加热，使使玻璃纤维预浸带与内管、玻璃纤维预浸带各层间实现热黏结，可形成稳定的管体结构，抗冲击性能强、受力不易脆裂，提高了管道安装速度，延长了管道使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气管材技术领域，特别涉及一种集输油用耐温聚乙烯复合管及其加工方法。
背景技术
管道是油田生产流程中的血管，肩负着各类介质的输送，在油气田集输业务中占有举足轻重的地位，管材的性能直接关系到绿色安全生产和油气田运行成本。目前，油田用集输管道主要有钢制管、玻璃钢管和非金属复合管（RTP管），随着应用工况的日益苛刻、油田输送介质含水率、 输送温度逐步上升，Cl-、CO2等腐蚀性介质含量的升高，这些管道在现场使用时都存在各种问题和安全隐患。
（1）钢制管：钢制管因其机械性能好，强度高，能够承受较高的内压和外压，在油田集输管网建设中得到了大量地应用，约占油田地面集输管网的80%。但钢质管的单根长度一般在6m-12m,长距离敷设时接头多、对起伏地形的适应性差，安装费时费力，并且易腐蚀老化、结垢或泄露，对其进行防腐处理也会产生高额的费用，这些问题给用户带来了巨大的环保压力和成本压力。
（2）玻璃钢管：玻璃钢管具有较好的机械强度，可承受较高的外压和内压，不需做防腐处理，相比于钢制管不易结垢，但玻璃钢管单根长度一般在6m-12m,长距离敷设时接头多、对起伏地形的适应性差、安装费时费力，并且抗冲击性能差，接头连接不可靠，易发生泄漏，严重影响安全生产。
（3）非金属复合管：非金属复合管具有优良的耐腐蚀性能、无需进行内外防腐、水力摩阻系数低、延缓结蜡结垢、单根长度可达1000m，柔韧性好、可适应各种地形、安装便捷等一系列优点，是解决钢制管和玻璃钢管安装、使用弊端的有效方案，主要用于油田注水、采出水和污水输送等业务。非金属复合管的内管材料均普遍采用高密度聚乙烯树脂（HDPE），用于油气集输时极易发生油气渗透泄漏或爆管，存在安全风险和隐患；并且使用温度＜60℃，不能满足油田现场热清洗作业要求（清洗温度＞60 ℃）。非金属复合管主要有纤维长丝增强、钢带增强和钢骨架增强三种增强方式，这种三种增强方式的非金属复合管面临结构不稳定、分层等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种集输油用耐温聚乙烯复合管及其加工方法，通过玻璃纤维预浸带形成增强层，解决了现有采用纤维长丝增强、钢带增强和钢骨架增强的非金属复合管结构不稳定，变形时各层之间会产生相对位移的问题，集输油用耐温聚乙烯复合管在加工过程中采用在线热吹风加热，使使玻璃纤维预浸带与内管、玻璃纤维预浸带各层间实现热黏结，可形成稳定的管体结构，抗冲击性能强、受力不易脆裂，提高了管道安装速度，延长了管道使用寿命。
本发明的技术方案在于：一种集输油用耐温聚乙烯复合管，包括内管，所述内管外部设有增强层，所述增强层的外侧设有外护层，所述增强层包括多层玻璃纤维预浸带，所述玻璃纤维预浸带沿着所述内管外侧与其轴向呈50°~60°角度交叉缠绕，所述增强层分别与所述内管、外护层相互黏结。
所述内管的材质为耐温聚乙烯树脂，所述耐温聚乙烯树脂在维卡软化温度A120法检测的耐温范围为-40℃~126℃，所述外护层的材质为高密度聚乙烯树脂，所述高密度聚乙烯树脂的密度范围为945~955 kg/m3。
所述玻璃纤维预浸带是以热塑性高密度聚乙烯树脂为基体，以连续玻璃纤维长丝为增强材料，通过展纱和熔融浸润后辊压制备形成。
一种集输油用耐温聚乙烯复合管的加工方法，包括以下步骤：
S1：通过内管挤出机对耐温聚乙烯树脂进行热熔挤出，形成内管；
S2：通过缠绕机组将玻璃纤维预浸带缠绕在内管上，形成增强层；
S3：通过外管挤出机对高密度聚乙烯树脂进行热熔挤出，包覆在增强层表面形成外护层。
所述步骤S1中通过内管挤出机对耐温聚乙烯树脂进行热熔挤出，形成内管，具体过程为：首先对耐温聚乙烯树脂进行加热，加热温度范围为190℃~220℃，使其处于熔融状态后，由单螺杆挤出机挤出，形成内管；其次由真空定径箱对挤出的连续内管进行定径，使其外径尺寸稳定；最后由喷淋冷却箱对连续内管进行喷淋冷却，冷却速度为2~3.5m/min，使内管形状和尺寸固定。
所述步骤S2通过缠绕机组将玻璃纤维预浸带缠绕在内管的过程中，包括以下步骤：
S21：分别对内管外表面和玻璃纤维预浸带进行加热，内管外表面加热温度50~60℃，玻璃纤维预浸带加热温度140~160℃；
S22：内管外表面软化后，将玻璃纤维预浸带沿着所述内管外侧与其轴向呈50°~60°角度交叉缠绕，玻璃纤维预浸带表面的树脂加热后热熔，从而使玻璃纤维预浸带与内管、玻璃纤维预浸带各层间相互黏结，形成整体式管壁结构。
所述步骤S21中对内管外表面和玻璃纤维预浸带进行加热，采用热风机进行热吹风加热，所述步骤S22中玻璃纤维预浸带沿着所述内管外侧与其轴向呈50°~60°角度交叉缠绕过程中保持恒定张力，张力的大小为15kN。
所述步骤S3通过外管挤出机对高密度聚乙烯树脂进行热熔挤出，包覆在增强层2表面形成外护层3，具体过程为：首先对聚乙烯材料进行加热，加热温度范围为180℃~215℃，使其处于熔融状态，然后由单螺杆挤出机挤出并包覆在缠绕后的内管上形成外护层，最后经喷淋冷却箱喷淋冷却，冷却速度为1~1.5m/min。
所述集输油用耐温聚乙烯复合管的拉伸屈服应力≥20 MPa、拉伸断裂标称应变≥500%、氧化诱导时间 OIT (210℃, Al) ≥50 min ，维卡软化温度≥124℃。
本发明的有益效果在于：1. 本发明通过玻璃纤维预浸带形成增强层，解决了现有采用纤维长丝增强、钢带增强和钢骨架增强的非金属复合管结构不稳定，变形时各层之间会产生相对位移的问题；2.本发明集输油用耐温聚乙烯复合管在加工过程中采用在线热吹风加热，使使玻璃纤维预浸带与内管、玻璃纤维预浸带各层间实现热黏结，可形成稳定的管体结构，抗冲击性能强、受力不易脆裂，提高了管道安装速度，延长了管道使用寿命；3.本发明通过内管采用耐温聚乙烯树脂，能够有效解决非金属复合管使用温度低，不能满足油田现场热清洗作业要求；4.本发明集输油用耐温聚乙烯复合管采用内管、增强层和外护层三层非金属结构层，可有效解决钢制集输管道因腐蚀老化、结垢或泄漏造成的环境污染和人身伤害，不需进行防腐处理，减少管道维护成本。
以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
图1为本发明实施例一种集输油用耐温聚乙烯复合管的结构示意图。
附图标记：1-内管，2-增强层，3-外护层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
如图1所示，本发明的技术方案在于：一种集输油用耐温聚乙烯复合管，包括内管1，所述内管1外部设有增强层2，所述增强层2的外侧设有外护层3，所述增强层2包括多层玻璃纤维预浸带，所述玻璃纤维预浸带沿着所述内管1外侧与其轴向呈50°~60°角度交叉缠绕，所述增强层2分别与所述内管1、外护层3相互黏结。
所述内管1的材质为耐温聚乙烯树脂，所述耐温聚乙烯树脂在维卡软化温度A120法检测的耐温范围为-40℃~126℃，所述外护层3的材质为高密度聚乙烯树脂，所述高密度聚乙烯树脂的密度范围为945~955 kg/m³。
所述玻璃纤维预浸带是以热塑性高密度聚乙烯树脂为基体，以连续玻璃纤维长丝为增强材料，通过展纱和熔融浸润后辊压制备形成。
本发明通过玻璃纤维预浸带形成增强层，解决了现有采用纤维长丝增强、钢带增强和钢骨架增强的非金属复合管结构不稳定，变形时各层之间会产生相对位移的问题；本发明通过内管采用耐温聚乙烯树脂，能够有效解决非金属复合管使用温度低，不能满足油田现场热清洗作业要求；本发明集输油用耐温聚乙烯复合管采用内管、增强层和外护层三层非金属结构层，可有效解决钢制集输管道因腐蚀老化、结垢或泄漏造成的环境污染和人身伤害，不需进行防腐处理，减少管道维护成本。
实施例2
一种集输油用耐温聚乙烯复合管的加工方法，包括以下步骤：
S1：通过内管挤出机对耐温聚乙烯树脂进行热熔挤出，形成内管1；
S2：通过缠绕机组将玻璃纤维预浸带缠绕在内管1上，形成增强层2；
S3：通过外管挤出机对高密度聚乙烯树脂进行热熔挤出，包覆在增强层2表面形成外护层3。
所述步骤S1中通过内管挤出机对耐温聚乙烯树脂进行热熔挤出，形成内管1，具体过程为：首先对耐温聚乙烯树脂进行加热，加热温度范围为190℃~220℃，使其处于熔融状态后，由单螺杆挤出机挤出，形成内管1；其次由真空定径箱对挤出的连续内管1进行定径，使其外径尺寸稳定；最后由喷淋冷却箱对连续内管1进行喷淋冷却，冷却速度为2~3.5m/min，使内管1形状和尺寸固定，不同公称直径的内管1的壁厚和外径如表1所示。
表1 不同公称直径的内管1的壁厚和外径数据
所述步骤S2通过缠绕机组将玻璃纤维预浸带缠绕在内管1的过程中，包括以下步骤：
S21：分别对内管1外表面和玻璃纤维预浸带进行加热，内管1外表面加热温度50~60℃，玻璃纤维预浸带加热温度140~160℃；
S22：内管1外表面软化后，将玻璃纤维预浸带沿着所述内管1外侧与其轴向呈50°~60°角度交叉缠绕，玻璃纤维预浸带表面的树脂加热后热熔，从而使玻璃纤维预浸带与内管、玻璃纤维预浸带各层间相互黏结，形成整体式管壁结构。
所述步骤S21中对内管1外表面和玻璃纤维预浸带进行加热，采用热风机进行热吹风加热，所述步骤S22中玻璃纤维预浸带沿着所述内管1外侧与其轴向呈50°~60°角度交叉缠绕过程中保持恒定张力，张力的大小为15kN。
所述步骤S3通过外管挤出机对高密度聚乙烯树脂进行热熔挤出，包覆在增强层2表面形成外护层3，具体过程为：首先对聚乙烯材料进行加热，加热温度范围为180℃~215℃，使其处于熔融状态，然后由单螺杆挤出机挤出并包覆在缠绕后的内管上形成外护层，最后经喷淋冷却箱喷淋冷却，冷却速度为1~1.5m/min。
所述集输油用耐温聚乙烯复合管的拉伸屈服应力≥20 MPa、拉伸断裂标称应变≥500%、氧化诱导时间 OIT (210℃, Al) ≥50 min ，维卡软化温度≥124℃。
本发明集输油用耐温聚乙烯复合管在加工过程中采用在线热吹风加热，使使玻璃纤维预浸带与内管、玻璃纤维预浸带各层间实现热黏结，可形成稳定的管体结构，抗冲击性能强、受力不易脆裂，提高了管道安装速度，延长了管道使用寿命。
根据上述实施例1所述的一种集输油用耐温聚乙烯复合管，采用实施例2所述的一种集输油用耐温聚乙烯复合管的加工方法，对公称直径DN80，公称压力6.4MPa集输油用耐温聚乙烯复合管进行加工，具体过程为：
（1）生产准备：根据要生产的产品规格，调整生产线设备，安装配套的模具，配置产品原材料；
（2）温度设定：进入内管挤出机温度设置界面，根据内管材料特性，设定挤出机料筒和机头的加热温度，见表2，开始对挤出机进行预热，使挤出机温度达到140-160℃，然后升温至设定温度后再保温2h；
表2 一种集输油用内管专用耐温聚乙烯材料加热温度
（3）内管挤出：将干燥的内管材料真空吸入挤出机，通过挤出机将内管材料热熔挤出，由真空定径箱对连续内管进行定径，使其外径尺寸稳定；然后由喷淋冷却箱对连续内管进行喷淋冷却，使内管形状和尺寸固定，对内管的壁厚和外径进行检验，检验合格后方可在收卷机上收卷，形成长达1000米的连续内管，内管制作过程中，注意观察真空定径箱的真空度、喷淋冷却水箱的水位和冷却水温度，根据内管壁厚和质量要求，调整挤出速度，确保内管壁厚和外径符合要求，内管表面应光滑、平整，无明显气泡、裂纹、划伤、杂质、颜色不均等缺陷，内管工艺参数见表3；
表3 内管工艺参数
（4）增强层缠绕：在缠绕机组控制台中输入内管外径、玻璃纤维预浸带宽度、带厚、玻璃纤维预浸带搭接量，确定每台缠绕机上的缠绕角度，设置加热效率和张力，开启4台4带盘缠绕机组将玻璃纤维预浸带沿着与内管轴向呈一定角度交叉缠绕在内管上，缠绕过程中，对内管外表面和玻璃纤维预浸带进行在线加热，使内管外表面和玻璃纤维预浸带表面树脂软化，内管与玻璃纤维预浸带、玻璃纤维预浸带层间相互黏结，增强层缠绕工艺参数见表4；
表4增强层缠绕工艺参数
（5）外护层包覆：进入外护层挤出机温度设置界面，根据外护层材料特性，设定挤出机的加热温度，见表5，开始对挤出机进行预热，使挤出机温度达到140-160℃，然后升温至设定温度后再保温2h，通过挤出机将聚乙烯树脂热熔挤出，包覆在缠绕后的内管上，经过喷淋冷却后定型。管材外径尺寸检验合格后，在外护层表面激光打印标识，在收卷机上进行盘卷。外护层包覆工艺参数见表6。
表5 外护层聚乙烯材料加热温度
表6 外护层包覆工艺参数
本发明内管1材料的物理性能数据见表7，油气相容性数据见表8。
表7 一种集输油用内管专用耐温聚乙烯材料性能数据
表8 一种集输油用内管专用耐温聚乙烯材料油气相容性
本发明增强层2的玻璃纤维预浸带性能数据见表9。
表9 玻璃纤维预浸带的基本性能
本发明集输油用耐温聚乙烯复合管的耐压能力与输送介质的温度和介质成分息息相关。因此根据试验数据给出了温度折减系数ƒt和介质折减系数ƒƒ，见表10和表11，本发明集输油用耐温聚乙烯复合管的最高使用压力=公称压力等级׃t׃ƒ。
表10 温度折减系数ƒt
表11 介质折减系数ƒƒ
集输油用耐温聚乙烯复合管加工完成后，抽取8件DN80 6.4Mpa 送样至第三方检测机构依据行业标准SY/T 6662.2-2020石油天然气工业用非金属复合管 第2部分：柔性复合高压输送管进行检验，检测结果如下：
1、受压开裂稳定性，检验结果见表12。
表12 受压开裂稳定性检验数据
2、纵向回缩率，检验结果见表13。
表13 纵向回缩率检验数据
通过表12和表13的检验数据可知：本发明产品结构稳定，在受到外力作用后，管体不会产生裂纹、各层之间不分层；在拉伸力的作用下不会变形；本发明产品在受力变形后结构仍保持稳定，不会出现结构失稳、管体开裂，解决的其他非金属复合管（纤维长丝增强、钢钢骨架增强、钢带增强）结构不稳定，变形时各层间分层，相邻各层间发生相对位移的稳定。
3、最小弯曲半径，检验结果见表14。
表14 最小弯曲半径检验数据
通过表14可知：本发明产品具有优异的柔韧性，经过反复弯曲后具有原来的承压强度，本发明产品可很好得适应野外地形的起伏，在复杂地形安装时具有独特的优势，解决了钢制管和玻璃钢管长距离敷设时对起伏地形的适应性差，安装费时费力的问题，同时本发明产品单根长度可达1000米，而钢制管和玻璃钢管单根长度一般在6m~12m，管材之间的接头数量大幅减少，降低了管材连接处泄露的风险。通过检验可知：本发明产品在反复弯折后仍具有原来的承压强度，产品具有优异的抗弯曲性能和柔韧性，解决了玻璃钢管抗冲击能差，易脆裂发生泄露的风险。
4、短时循环压力，检验结果见表15。
表15短时循环压力检验数据
通过表15检验可知：本发明产品在受到循环疲劳载荷后忍保持产品的原有性能，不会发生破裂和渗漏，在受到外界环境震动和输送介质压力波动时能够继续使用。
5、短时爆破压力，检验结果见表16。
表16短时爆破压力检验数据
6、短时静水压强度，检验结果见表17。
表17 短时静水压强度检验数据
通过表16和表17检验可知：本发明产品在室温和65℃时能够满足产品使用要求，产品的爆破强度：室温：3*6.4=19.2MPa；65℃：3*6.4*0.8=15.36Mpa，远远高于标准（SY/T6662.2-2020）的要求，产品无破裂、无渗漏，产品的承压能力优于其他类型的非金属复合管（其他类型非金属复合管的承压能力仅满足标准要求），同时能够有效解决非金属复合管使用温度低（<60℃），不能满足油田现场热清洗作业要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种集输油用耐温聚乙烯复合管，其特征在于：包括内管（1），所述内管（1）外部设有增强层（2），所述增强层（2）的外侧设有外护层（3），所述增强层（2）包括多层玻璃纤维预浸带，所述玻璃纤维预浸带沿着所述内管（1）外侧与其轴向呈50°~60°角度交叉缠绕，所述增强层（2）分别与所述内管（1）、外护层（3）相互黏结。
2.根据权利要求1所述一种集输油用耐温聚乙烯复合管，其特征在于：所述内管（1）的材质为耐温聚乙烯树脂，所述耐温聚乙烯树脂在维卡软化温度A120法检测的耐温范围为-40℃~126℃，所述外护层（3）的材质为高密度聚乙烯树脂，所述高密度聚乙烯树脂的密度范围为945~955kg/m³。
3.根据权利要求1所述一种集输油用耐温聚乙烯复合管，其特征在于：所述玻璃纤维预浸带是以热塑性高密度聚乙烯树脂为基体，以连续玻璃纤维长丝为增强材料，通过展纱和熔融浸润后辊压制备形成。
4.一种如权利要求1所述的集输油用耐温聚乙烯复合管的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：通过内管挤出机对耐温聚乙烯树脂进行热熔挤出，形成内管（1）；
S2：通过缠绕机组将玻璃纤维预浸带缠绕在内管（1）上，形成增强层（2）；
S3：通过外管挤出机对高密度聚乙烯树脂进行热熔挤出，包覆在增强层（2）表面形成外护层（3）。
5.根据权利要求4所述一种集输油用耐温聚乙烯复合管的加工方法，其特征在于：所述步骤S1中通过内管挤出机对耐温聚乙烯树脂进行热熔挤出，形成内管（1），具体过程为：首先对耐温聚乙烯树脂进行加热，加热温度范围为190℃~220℃，使其处于熔融状态后，由单螺杆挤出机挤出，形成内管（1）；其次由真空定径箱对挤出的连续内管（1）进行定径，使其外径尺寸稳定；最后由喷淋冷却箱对连续内管（1）进行喷淋冷却，冷却速度为2~3.5m/min，使内管（1）形状和尺寸固定。
6.根据权利要求4所述一种集输油用耐温聚乙烯复合管的加工方法，其特征在于：所述步骤S2通过缠绕机组将玻璃纤维预浸带缠绕在内管（1）的过程中，包括以下步骤：
S21：分别对内管（1）外表面和玻璃纤维预浸带进行加热，内管（1）外表面加热温度50~60℃，玻璃纤维预浸带加热温度140~160℃；
S22：内管（1）外表面软化后，将玻璃纤维预浸带沿着所述内管（1）外侧与其轴向呈50°~60°角度交叉缠绕，玻璃纤维预浸带表面的树脂加热后热熔，从而使玻璃纤维预浸带与内管、玻璃纤维预浸带各层间相互黏结，形成整体式管壁结构。
7.根据权利要求6所述一种集输油用耐温聚乙烯复合管的加工方法，其特征在于：所述步骤S21中对内管（1）外表面和玻璃纤维预浸带进行加热，采用热风机进行热吹风加热，所述步骤S22中玻璃纤维预浸带沿着所述内管（1）外侧与其轴向呈50°~60°角度交叉缠绕过程中保持恒定张力，张力的大小为15kN。
8.根据权利要求4所述一种集输油用耐温聚乙烯复合管的加工方法，其特征在于：所述步骤S3通过外管挤出机对高密度聚乙烯树脂进行热熔挤出，包覆在增强层（2）表面形成外护层（3），具体过程为：首先对聚乙烯材料进行加热，加热温度范围为180℃~215℃，使其处于熔融状态，然后由单螺杆挤出机挤出并包覆在缠绕后的内管上形成外护层，最后经喷淋冷却箱喷淋冷却，冷却速度为1~1.5m/min。
9.根据权利要求4所述一种集输油用耐温聚乙烯复合管的加工方法，其特征在于：所述集输油用耐温聚乙烯复合管的拉伸屈服应力≥20 MPa、拉伸断裂标称应变≥500%、氧化诱导时间 OIT (210℃, Al) ≥50 min ，维卡软化温度≥124℃。
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