CN1764800A - 纤维增强管 - Google Patents

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D·W·迈克雷奥德
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Abstract

已经发明了用于传输流体的柔性纤维增强管。该管的柔性足以可缠绕，甚至是在冬天的温度条件下。在埋入地下、不受限制和弯曲时，该管可容忍压力。该管在正常处理之下显示了抗冲击性并且能利用连续的工序形成，以使得其能被放置的同时进行制造。一种柔性纤维增强管包括具有内表面和外表面的内管状衬套；螺旋地包裹在内衬套周围并与之直接接触的第一增强纤维层；螺旋地包裹在增强纤维下层周围并与之直接接触的外层；以及施加在增强纤维外层之上并与之直接接触的外管状护套。

Description

纤维增强管
背景技术
需要用柔性管来在压力之下传送流体，比如酸性气体(sour gas)、二氧化碳和碳氢化合物。
期望管能不塌陷或隆起地缠绕，甚至在低温环境中。管必须还能在使用条件下容纳高压流体，比如在埋入地下、不受限制和弯曲时。
发明内容
已经发明了用于传输流体的柔性纤维增强管。该管的柔性足以可缠绕，甚至是在冬天的温度条件下。在埋入地下、不受限制和弯曲时，该管可容忍压力。该管在正常处理之下显示了抗冲击性并且能利用连续的工序形成，以使得其能被放置的同时进行制造。
根据本发明的一个方面，提供了一种柔性纤维增强管，其包括：具有内表面和外表面的内管状聚合衬套；以第一螺旋方向螺旋地包裹在内管状衬套周围并与之直接接触的第一增强纤维层；螺旋地包裹在增强纤维下层周围并与之直接接触的外层，至少一层增强纤维以与第一螺旋方向相反的第二螺旋方向螺旋地包裹；以及施加在增强纤维外层之上并与之直接接触的外管状护套。
增强纤维下层可以是第一增强纤维层或施加在第一层和外层之间的增强纤维中间层。
根据另一方面，提供了一种柔性纤维增强管，包括：内管状聚合衬套；螺旋地包裹在内管状衬套周围的第一增强纤维层；螺旋地包裹在第一增强纤维层周围并位于其外面的增强纤维外层以及施加在增强纤维外层之上的外覆层，第一增强纤维层和增强纤维外层每个都在内管状衬套和外覆层之间基本上自由地漂移并且该管包括至少一层以第一螺旋方向包裹的增强纤维层以及至少一层以第二螺旋方向包裹的增强纤维层。
根据另一方面，提供了一种柔性纤维增强管，包括：内管状聚合衬套、螺旋地包裹在内管状衬套周围并将其覆盖的第一增强纤维层，该第一增强纤维层包括基本上连续且干燥的纤维、螺旋地包裹在第一增强纤维层周围并位于其外面的增强纤维外层，该增强纤维外层包括基本上连续且干燥的纤维、以及施加在增强纤维外层之上的外覆层，该管包括至少一层以第一螺旋方向包裹的增强纤维层以及至少一层以第二螺旋方向包裹的增强纤维层。
根据另一方面，提供了一种柔性纤维增强管，包括：内管状聚合衬套、螺旋地包裹在内管状衬套周围的第一增强纤维层、螺旋地包裹在第一增强纤维层周围并位于其径向外面的增强纤维外层、以及施加在增强纤维外层之上的外覆层，该管包括至少一层以正螺旋方向包裹的增强纤维层以及至少一层以负螺旋方向包裹的增强纤维层，其中第一层和外层给管提供了受控的载荷下径向增长和受控的载荷下轴向增长。
一层或更多层中间纤维增强层可施加在第一层和外层之间。当管除了第一层和外层之外还包括一层或更多层中间纤维增强层时，必须是至少一层增强纤维层以正螺旋方向包裹并且至少一层增强纤维层以负螺旋方向包裹。当管仅包括两层增强纤维(第一层和外层)时，外层以与第一层相反(顺时针或逆时针)的螺旋方向包裹。
内管状衬套可由至少一层热塑性塑料或弹性体构成。外管状护套可以是热塑性塑料或弹性体。增强纤维可以是玻璃。
在一个实施例中，增强纤维基本上连续。在一个实施例中，第一层和外层包括基本上相等但方向相反的缠绕角度以及以基本上相等数量应用的纤维。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的管的侧视图，在连续层中部分地切除。
图2是沿着图1中II-II线的剖面图。
图3是根据本发明另一个实施例的管的侧视图，在连续层中部分地切除。
具体实施方式
参考图1和2，其中示出了根据本发明的管。该管包括具有内表面12和外表面14的内管状衬套10、螺旋地包裹在内衬套周围并且与其外表面直接接触的第一增强纤维层16、螺旋地包裹在与其直接接触的第一增强纤维层周围的第二增强纤维层18以及施加在第二层之上并且与第二增强纤维层直接接触的外护套20。第一纤维增强层被顺时针或逆时针地包裹并且第二层以与第一层相反的另一顺时针或逆时针方向被包裹。因而，可以说一层以正螺旋角包裹并且另一层以负螺旋角包裹。
内管状衬套10很少或没有为管提供了结构支承。优选地，衬套被选择为支承由于外层在其周围的施加而在外护套20的缠绕过程和后续挤压中所引起的负载。而且，衬套被选择为用作渗过和透过囊状物。衬套应当由最分子地密封的聚合物制成，这种聚合物符合可接受的材料成本，如同通过成本效益分析所确定的。通常，衬套应当被选择为使得仅有的泄漏是待传送流体的气体成分的扩散。显然，通过衬套消除气体扩散是优选的。如同可以理解的，衬套被选择为通过待穿过其中的流体基本上抵抗降解(degradation)。
衬套由弯曲应变约为2至5个百分比的聚合物构成，比如热塑性塑料或弹性体。热塑性塑料可包括，例如，尼龙、交联聚乙烯(PEX)、聚四氟乙烯(PTFE)、高温工程加固的聚合物或高密度聚乙烯(HDPE)。弹性体可包括，例如，橡胶和腈类。对于石油操作，HDPE尤其有用，因为其以低成本提供了与很多油田化学物质兼容的良好化学性质。
在一些实施例中，衬套是多层的。多层衬套可包括，例如，多于一层的相同或不同的热塑性塑料或弹性体。热塑性塑料可包括，例如，尼龙、交联聚乙烯(PEX)、聚四氟乙烯(PTFE)、高温工程加固的聚合物或高密度聚乙烯(HDPE)。弹性体可包括，例如，橡胶和腈类。
多层衬套能例如通过各层的共挤而制成，如同现有技术中已知的。这些层被选择为赋予衬套各种性能特点。例如，多层衬套中的一层可赋予抵抗待传送流体的降解，并且另一层可赋予抵抗待传送流体的气体成分的扩散。
在一些实施例中，衬套或其一层填充有，例如非晶态粘土、碎玻璃或碳纤维。这些材料能提高衬套例如防止低温破裂、防止聚合物蠕变的很长时间上的稳定性并且可提高衬套后续挤压的初始强度。纤维可以是对齐的或随机的。
外护套20包围增强纤维层16、18。虽然该管将用来包含受压流体而无需外护套，但是外护套是有用的，因为其用来防止增强纤维受损，比如由于磨损，以及帮助将纤维稳定和保持在合适位置。外护套可由任何能在一定程度上保护增强纤维的柔性材料构成。外护套可以是，例如，比如热塑性塑料或热弹性体等聚合物并且如果希望可以填充纤维。一些有用的聚合物为，例如，聚乙烯或尼龙，由于它们的抗磨性以及低成本，因此就非常有用。考虑到管的计划用户，可以理解到，外护套20可以被选择为基本上抵抗由于环境影响(例如紫外线光、天气等)以及与其相接触的化学物质所导致的降解。
如同期望的，外护套可包括或具有附加在其上的标识符，比如油漆、染色、条形编码、芯片等，或者方便使用或安装的材料，比如电导线或可探测定位的金属零件。然而在使用会磨损增强纤维的材料时，材料应当被间隔或屏蔽为不与增强纤维相接触，如通过嵌入或封入外护套内。
在如图1所示的双层管中，增强纤维层16、18被构造为具有一个在正向或顺时针螺旋方向缠绕的层以及另一个在反向或逆时针螺旋方向缠绕的层。层是一根或多根以相同角度和方向缠绕到衬套或下面纤维上的基本上连续的增强纤维。如同可以理解的，基本上连续的增强纤维长度很长，沿着增强捆束的长度延伸，而非由通过缠结、编织或其它方式而被保持在一起的切短或离散纤维所构成。
从一根管到另一根管以及从一层到另一层，层16、18可以以不同的方式构造。例如，任一管中的增强纤维层可以变化：增强捆束(也称为纤维束)中纤维的数目和布置、纤维类型、缠绕张力、缠绕的螺旋角和/或任一层中的纤维数量和管特性能通过选择这些因素进行控制。
管中的纤维层用来反抗由于例如内压力和拉伸载荷所引起的轴向和径向载荷。主要载荷在纤维张力方向，因为通常操作条件很少产生侧面载荷。因而，用于管中的优选纤维形成了例如低于2％的低拉伸失效。纤维还应当抵抗由于化学物质(比如碳氢化合物和水)或环境因素所导致的降解，这在管的使用期间要处理。适合的纤维包括比如E玻璃、E-CR玻璃或S玻璃等玻璃、碳、尼龙、聚酯或芳族聚酰胺。对于石油操作，E和E-CR玻璃是优选的，因为其低成本和能承载所需载荷的能力。玻璃的拉伸失效通常低于0.5％。
应当避免使用会由于增强纤维的磨损或切割而导致失效的金属导线或者金属导线应当不与增强纤维层相接触。
层中的纤维基本上在衬套14和护套18之间自由漂移，无束缚，因为通过使用分离的胶粘剂、或可固化、固化的或未固化的聚合物，因此分开的纤维、捆束和层仍然独立并且能彼此一起来抵抗载荷，而不是如同刚性体那样组合。例如，纤维应当以基本上干燥的方式使用以使得它们不会与其它纤维或衬套或护套化学结合或熔合。应当说明的是，纤维可以是未处理的、处理的或涂覆但是仍然相当干燥的。每个纤维捆束可包括有时缠绕起来的一个或多个单根纤维(individualfiber)(例如呈纱的形式)。在一个实施例中，有用的纤维捆束包括数以千计的单根纤维并且由聚合物涂层密封，聚合物涂层不会穿入捆束因此内部纤维仍然保持干燥并且不会化学地结合或熔合在一起，而是被聚合物涂层作为捆束保持在一起。当然，当纤维被缠绕到衬套上时，当其处于柔软或半固化状态或者外护套20通过挤压而施加时，如同以下将针对制造管的方法所描述的，衬套或护套的材料会模塑、并且在一定程度上粘着至相邻的纤维。这样会减少最内和最外纤维的有效自由漂移特性，尽管衬套和护套的材料应当优选地被选择来避免其渗入实际上与其相接触的增强纤维。可以在护套、衬套或纤维上使用隔离剂或其它手段来减少纤维和护套或衬套之间的粘着。
纤维应当能紧贴，从而应当避免使用不允许紧贴的较大外径纤维。在一个使用E玻璃纤维的实施例中，已经发现75％至80％的紧束密度是合乎需要的。缠绕张力实现紧束密度。张力应当使用为允许纤维束以如此的方式紧贴使得用于承载管的计划应用的所需载荷。如果纤维束没有被足够紧地紧贴，那么管中就会有紧紧缠绕的纤维和松散缠绕的纤维。松散的纤维将会与紧密纤维不同地抵抗载荷，以致于并非所有的纤维被同时用来承载载荷。如果并非所有的纤维基本上均匀地承载，那么一些纤维就会更快地破裂，因为它们相应的载荷极限将会比设计的最佳极限更早地达到。在使用低拉伸失效的纤维时，比如玻璃，可以理解为纤维将不会倾向于延展以适应相邻纤维中的松弛。在一个具体层中使用多于一种类型的纤维时也应当考虑不同拉伸失效的影响。另一方面，如果纤维以不希望的高张力缠绕，纤维将倾向于在加工和处理期间破裂。
使用带通常是不希望的，因为妨碍了紧贴和载荷的独立反应。
每层16、18的缠绕角度被选择为产品在加工期间和使用期间所受到的各种载荷和条件对于耐久性和压力可容度的折中，同时提供期望的柔性。在本发明中，突出的条件是内压力可容度，因此必须在径向拉伸方向上对纤维增强进行优化。其它应当考虑的因素包括实地中的安装拉力(轴向拉伸力)以及实地中运输和安装的缠绕和退绕的载荷。必须通过缠绕角度来提供的管在载荷下的主要反应包括管在实地条件下的轴向和径向增长。可以使用介于约8°和86°之间的缠绕角度。在一个实施例中使用了介于40°和70°之间的缠绕角度，优选的缠绕角度介于50°和60°之间。
参考图3，其中示出了管的另一实施例，该管包括内管状衬套110、螺旋地缠绕在内衬套周围的第一增强纤维层116、螺旋地包裹在第一增强纤维层周围的增强纤维中间层117、螺旋地包裹在增强纤维中间层周围的增强纤维外层118以及施加在外层118之上的覆层120。
在图3的实施例中，层116、117、118由玻璃或碳基纤维或其组合形成并且至少其中两层以相反的螺旋方向包裹。相邻的层可以以相同的方向包裹，但是角度不同。这对于减少纤维磨损倾向有作用。
制造
参考图1，根据本发明的管能通过将增强纤维缠绕在内衬套10周围从而形成至少一层以第一方向螺旋包裹的增强纤维层16以及至少一层以相反方向包裹的增强纤维层18而制造。然而，在最外纤维层上施加覆层20。优选地，利用基本上连续的工艺制造该管，其中长的长度(例如0.5km或更长)只是在安装该管之前制造或者缠绕起来以待以后使用。
衬套能以任何期望的方式形成，在考虑到对于衬套的上述描述的前提下。在优选实施例中，衬套通过挤压而制造，提供其连续的制造，当然受到原料供应、绕线轴处理尺寸考虑、运输等方面的限制。
然后用连续的增强纤维缠绕衬套。增强纤维通常缠绕在衬套外表面14的周围，只要衬套处于固态。然而，当衬套处于熔融、半熔融或半固化状态时，也可能应用纤维增强。如果衬套的外表面在纤维缠绕在其周围时还没有凝固，施加在衬套上的第一纤维可以一定程度上沉入衬套表面。这可以容忍，尽管优选地纤维一点都不粘着至衬套并且能完全自由地漂移。
包括玻璃、尼龙、聚酯和/或芳族聚酰胺纤维的一个或更多增强物被缠绕以形成第一层16，其与衬套外表面相接触并且完全将其覆盖。在一个实施例中，32根每个为多纤维的丝束(tow)被缠绕以形成一层。然而，任何数目的纤维和丝束都能使用，这取决于期望获得的丝束纤维数、层性质以及设备能力。
可以利用随着衬套的前进以螺旋方式将一根或更多纤维缠绕在衬套周围的缠绕机来完成缠绕。纤维优选地在连续张力下缠绕，对于玻璃，利用例如5至10磅以及直到20磅的拉力。缠绕张力可随着层的不同而变化以适应该层所用纤维材料的不同。在缠绕较高拉伸纤维(elongation fiber)时的张力水平没有在缠绕脆纤维时重要。
在层缠绕工序中，可以忽略捆束中的少数特殊的终止纤维并且随着继续缠绕，自由端通常被返回入捆束。被缠绕返回入层的破碎纤维在几个厘米内恢复其承载能力。虽然期望避免使用拼接的丝束或者避免需要在制造管长度中拼接丝束，但是在对于管性能没有明显负面影响的前提下，可以接收一些拼接。通过缝合或胶水将完全破碎的丝束引回缠绕工序，这种丝束能被拼接返回连续地制造管的工序。然而，优选地，考虑到待制造管的长度和缠绕角度，选择丝束供应以确保拼接不必沿着管的长度出现。
然后第二层18与第一层16相接触地缠绕在其周围。上述工序考虑也适用于应用第二层。在一个实施例中，该层被选择为具有基本上相等的负载承受能力。例如，第一和第二层可具有基本上相等但方向相反的缠绕角度以及以基本上相等数量应用的纤维。
如果希望，进一步的增强纤维层可缠绕在第二层18周围，比如如图3所示的那样。另外，还可以应用其它层，比如覆层等，只要它们不妨碍纤维增强物承载负载的能力，或者明显地负面影响管的性能。
然后护套20施加在第二层18上，比如通过挤压、喷射、浸渍、带缠绕、收缩包装、编织等。
衬套一般被选择来支承由于外层应用在其周围而带来的负载，比如在缠绕工序和外护套的后续挤压期间。在缠绕期间控制缠绕张力从而避免衬套塌陷是有用的。然而，有的时候，在制造期间例如通过使用辊式内压力在一定程度上支承衬套是有用的。还有用的是，在缠绕之前利用辊或其它手段来迫使衬套具有大体圆形的横截面，以控制成品管的横截面形状。
性能
对于很多碳氢化合物处理操作，具有3000磅/平方英寸破裂的管视为是可接受的，约2％至5％(优选地最大值约为3％)的衬套弯曲应变、以及至少为管外径15倍的最小弯曲半径在期望性质之内。本发明的管的一个实施例具有4,000磅/平方英寸的破裂。对于其它应用可期望其它性能特性。
实例
一根管根据表I制造出来。
                        表I-制造
  内衬套
  衬套材料   HDPE
  衬套外径   英寸   3.500
  衬套SDR   比率(外径/壁厚)   17.0
  衬套内径   英寸   3.088
  衬套壁厚(t)   英寸   0.206
  包裹在两层里的连续纤维
  纤维材料   E-玻璃
  内层包裹角度   度   +55.0
  外层包裹角度   度   -55.0
  每层的纱线数目   32
  每个包裹的厚度   英寸   0.054
  覆层
  覆层材料   HDPE
  覆层厚度   英寸   0.100
  覆层/管外径   英寸   3.916
  覆层内径   英寸   3.716
  覆层SDR   39.2
在设计阶段，期望管可用于750磅/平方英寸的工作压力。试验显示该管在约3,000磅/平方英寸时破裂。
管的性能在表II中示出。
                 表II-性能
  设计工作压力   磅/平方英寸   750
  破裂压力   磅/平方英寸   3,000
  纤维应力安全系数   4.7
  轴向应变   ％   0.3％
  径向应变   ％   0.3％
很显然，可以对所示实施例作出很多其它变化，但是都落入本发明的范围内并且意图是所有这些变化都被所附权利要求覆盖。

Claims (32)

1.一种柔性纤维增强管，包括：具有内表面和外表面的内管状聚合衬套；以第一螺旋方向螺旋地包裹在内管状衬套周围并与之直接接触的第一增强纤维层；螺旋地包裹在增强纤维下层周围并与之直接接触的增强纤维外层，至少一层增强纤维以与第一螺旋方向相反的第二螺旋方向螺旋地包裹；以及施加在增强纤维外层之上并与之直接接触的外管状护套。
2.根据权利要求1的管，其中所述增强纤维下层是第一增强纤维层或施加在第一层和外层之间的增强纤维中间层之一。
3.根据权利要求1的管，其中该管仅包括两增强纤维层，第一层和外层。
4.根据权利要求1的管，其中除了第一层和外层之外，该管还包括至少一层增强纤维中间层。
5.根据权利要求1的管，其中内管状衬套由至少一层热塑性塑料或弹性体构成。
6.根据权利要求1的管，其中外管状护套是热塑性塑料或弹性体。
7.根据权利要求1的管，其中增强纤维是玻璃。
8.根据权利要求1的管，其中第一层和外层包括基本上相等但方向相反的缠绕角度以及以基本上相等数量应用的纤维。
9.一种柔性纤维增强管，包括：内管状聚合衬套；螺旋地包裹在内管状衬套周围的第一增强纤维层；螺旋地包裹在第一增强纤维层周围并位于其外面的增强纤维外层以及应用在增强纤维外层之上的外覆层，第一增强纤维层和增强纤维外层每个都在内管状衬套和外覆层之间基本上自由地漂移并且该管包括至少一层以第一螺旋方向包裹的增强纤维层以及至少一层以第二螺旋方向包裹的增强纤维层。
10.根据权利要求9的管，其中外层以第一螺旋方向包裹且外层以第二螺旋方向包裹。
11.根据权利要求9的管，其中该管包括至少一层位于第一层和外层之间的增强纤维中间层。
12.根据权利要求9的管，其中内管状衬套由至少一层热塑性塑料或弹性体构成。
13.根据权利要求9的管，其中外管状护套是热塑性塑料或弹性体。
14.根据权利要求9的管，其中增强纤维是玻璃。
15.根据权利要求9的管，其中增强纤维沿着第一层基本上连续并且增强纤维沿着外层基本上连续。
16.根据权利要求9的管，其中第一层和外层包括基本上相等但方向相反的缠绕角度以及以基本上相等数量应用的纤维。
17.一种柔性纤维增强管，包括：内管状聚合衬套、螺旋地包裹在内管状衬套周围并将其覆盖的第一增强纤维层，该第一增强纤维层包括基本上连续且干燥的纤维、螺旋地包裹在第一增强纤维层周围并位于其外面的增强纤维外层，该增强纤维外层包括基本上连续且干燥的纤维、以及施加在增强纤维外层之上的外覆层，该管包括至少一层以第一螺旋方向包裹的增强纤维层以及至少一层以第二螺旋方向包裹的增强纤维层。
18.根据权利要求17的管，其中外层以第一螺旋方向包裹且外层以第二螺旋方向包裹。
19.根据权利要求17的管，其中该管包括至少一层位于第一层和外层之间的增强纤维中间层。
20.根据权利要求17的管，其中内管状衬套由至少一层热塑性塑料或弹性体构成。
21.根据权利要求17的管，其中外管状护套是热塑性塑料或弹性体。
22.根据权利要求17的管，其中增强纤维是玻璃。
23.根据权利要求17的管，其中增强纤维沿着第一层基本上连续并且增强纤维沿着外层基本上连续。
24.根据权利要求17的管，其中第一层和外层包括基本上相等但方向相反的缠绕角度以及以基本上相等数量应用的纤维。
25.一种柔性纤维增强管，包括：内管状聚合衬套、螺旋地包裹在内管状衬套周围的第一增强纤维层、螺旋地包裹在第一增强纤维层周围并位于其径向外面的增强纤维外层、以及施加在增强纤维外层之上的外覆层，该管包括至少一层以正螺旋方向包裹的增强纤维层以及至少一层以负螺旋方向包裹的增强纤维层，其中第一层和外层给管提供了受控的载荷下径向增长和受控的载荷下轴向增长。
26.根据权利要求25的管，其中外层以正或负螺旋方向之一包裹且外层以另一正或负螺旋方向包裹。
27.根据权利要求25的管，其中该管包括至少一层位于第一层和外层之间的增强纤维中间层。
28.根据权利要求25的管，其中内管状衬套由至少一层热塑性塑料或弹性体构成。
29.根据权利要求25的管，其中外管状护套是热塑性塑料或弹性体。
30.根据权利要求25的管，其中增强纤维是玻璃。
31.根据权利要求25的管，其中增强纤维沿着第一层基本上连续并且增强纤维沿着外层基本上连续。
32.根据权利要求25的管，其中第一层和外层包括基本上相等但方向相反的缠绕角度以及以基本上相等数量应用的纤维。
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