CN212124258U - 一种连续纤维缠绕增强复合管及其生产装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于塑料复合管技术领域，具体地讲涉及一种连续纤维缠绕增强复合管及其生产装置，特别适用于油田井下高强度、智能化复合管道系统。其主要技术方案：该新型复合管包括由塑料树脂构成的内层管、外层管以及设置在二者中间的由连续纤维缠绕构成的增强芯层，所述增强芯层包括由连续纤维预浸带交叉缠绕构成的抗压层和抗拉层；其中，所述抗压层中的连续纤维预浸带与管口轴向呈50°‑60°角，所述抗拉层中的连续纤维预浸带与管口轴向呈5°‑15°角。该新型复合管具有结构强度高柔韧性能好、环向受压和轴向拉力承受能力强、自身集成自动化线路智能程度高且生产制作和使用成本低的特点。

Description

一种连续纤维缠绕增强复合管及其生产装置

技术领域

本实用新型属于塑料复合管技术领域，具体地讲涉及一种连续纤维缠绕增强复合管及其生产装置，特别适用于油田井下高强度、智能化复合管道系统。

背景技术

增强热塑性管道（RTP）是一种把热塑性塑料柔韧、抗腐蚀、耐磨损等独特优点和增强材料(连续纤维或钢带)高强度等优势结合起来的新型管道，尤其是增强材料选择使用经过缠绕熔融连续单向玻纤预浸带，使其具有高耐热、高耐压、质量轻、不腐蚀、寿命长等优点，依靠预浸带的高拉伸强度来降低制造管道的材料用量，实现低成本制作连续玻纤增强热塑性管道系统，极大提高了管道质量，扩大产品用途，成为未来管道发展的方向。

现有的单向热熔缠绕的预浸带，通过预浸带与管材轴向缠绕角度来分解轴向与环向拉伸应力与环向应力，通常情况下通过敷设管材芯层预浸带层数来计算并满足于复合管材管件承受环向应力即输送介质工作压力要求。但是随着RTP应用领域的拓展，尤其是在海洋用管、油田下井管道等高压强管道系统对轴向拉伸应力成几何级增大，因此薄壁环向高强的连续纤维增强管道的轴向拉伸强度无法满足上述使用要求，并且随着管线系统中增加的传感检测、控制调节等电子器件日益复杂，原有的RTP不能适应自动化、智能化的发展趋势。

比如，专利号为CN201410038369.1的发明公开了一种耐高温、耐高压增强热塑性复合管及其生产装置，其增强层间还设置有呈螺旋状缠绕的纵向增强带并且纵向增强带与内管轴向之间的角度为0～60°，在一定程度上提高了复合管道的抗压性能，但是在轴向拉伸方面还存在不足，不能满足海洋、油田井下等使用场景和管道系统智能化要求。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种结构强度高柔韧性能好、环向受压和轴向拉力承受能力强、自身集成自动化线路智能程度高且制作和使用成本低的连续纤维缠绕增强复合管及其生产装置，尤其适应于海洋、油田井下高压高强使用场景。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种连续纤维缠绕增强复合管，包括由塑料树脂构成的内层管、外层管以及设置在二者中间的由连续纤维缠绕构成的增强芯层，所述增强芯层包括由连续纤维预浸带交叉缠绕构成的抗压层和抗拉层；其中，所述抗压层中的连续纤维预浸带与管口轴向呈50°-60°角，所述抗拉层中的连续纤维预浸带与管口轴向呈5°-15°角。

构成上述一种连续纤维缠绕增强复合管的附加技术特征还包括：

——构成所述增强芯层的连续纤维预浸带由热塑性树脂浸渍连续纤维构成，所述连续纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维和/或芳族聚酰胺纤维；

——所述内层管的内侧设置一个或多个用于检测输送介质温度、流量、压力的传感器组件，所述传感器组件与设置在所述内层管内的金属导线层连接；

——在所述外层管的边缘内部敷设动力线、通信线，所述动力线和通信线位于所述外层管的管身两侧且对称分布，位于所述内层管内的金属导线层与所述通信线连接；

——所述金属导线层为电阻丝与管口轴向呈50°-60°角交叉缠绕形成的网。

一种连续纤维缠绕增强复合管的生产装置，用于制备上述的连续纤维缠绕增强复合管，包括用于制备所述内层管、外层管的第一挤出机构和第二挤出机构、用于形成增强芯层的缠绕机构、用于保证缠绕机构工作时缠绕管体轴心稳定的定位架以及收卷机构，其中，所述缠绕机构包括架座以及设置其内部的用于制备所述抗压层的第一缠绕机和第一加热机，用于制备所述抗拉层的第二缠绕机和第二加热机，所述架座内还包括分别设置在所述第一缠绕机、第二缠绕机后端的张力调节辊组和缠绕角度导向辊组。

构成上述一种连续纤维缠绕增强复合管的生产装置的附加技术特征还包括：

——所述第一挤出机构包括内层管挤出机和第一牵引机，所述第一牵引机连接所述缠绕机构，所述内层管挤出机包括前端挤出机、后端挤出机和设置在二者之间的金属导线缠绕机，所述第二挤出机构包括外层管挤出机和第二牵引机，所述第二牵引机连接收卷机构，所述第二挤出机构后端设置动力线、通信线包覆挤出机；

——还包括装有PLC控制器的配电箱，所述第一挤出机构、第二挤出机构、缠绕机构均与PLC控制器电气连接，所述张力调节辊组和缠绕角度导向辊组通过电动连杆与所述PLC控制器电气连接；

——所述第一加热机和第二加热机为旋转式远红外固化炉，所述缠绕机构包括设置在架座内的由多个热风枪组成的预热单元，与所述旋转式远红外固化炉、热风枪配合设置多个温度传感器，所述温度传感器分别与所述PLC控制器电气连接实现PID温度控制；

——该装置前端设置出料盘，该装置后端的收卷机构为卷盘机，所述卷盘机的前端设置用于在复合管的管口内植入所述传感器组件的操作工位，所述传感器组件与所述内层管内的金属导线层连接，所述金属导线层与所述外层管内敷设的通信线连接。

本实用新型所提供的一种连续纤维缠绕增强复合管及其生产装置与现有技术相比，具有以下优点：其一，该新型复合管的增强芯层包括由连续纤维预浸带交叉缠绕构成的抗压层和抗拉层，其中，抗压层中的连续纤维预浸带与管口轴向呈50°-60°角，抗拉层中的连续纤维预浸带与管口轴向呈5°-15°角，由双层复合的交叉缠绕构成的增强结构在保证优异的环向抗压能力基础上，显著增强了复合管道的轴向抗拉性能，特别适用于海洋、石油井下使用场景，具有结构强度高柔韧性能强，耐高压、耐腐蚀，使用寿命长等优点；其二，在外层管的边缘内部敷设动力线、通信线，动力线和通信线位于外层管的管身两侧且对称分布，使复合管内部集成了自动化线路，实现了管道系统智能化操控，位于内层管内的金属导线层与通信线连接，金属导线层与内层管的内侧设置一个或多个用于检测输送介质温度、流量、压力的传感器组件连接，使复合管道系统具有自动检测、智能调整的功能，使用安全性能更好；其三，用于制备上述的连续纤维缠绕增强复合管的生产装置包括用于制备内层管、外层管的第一挤出机构和第二挤出机构、用于形成增强芯层的缠绕机构、用于保证缠绕机构工作时缠绕管体轴心稳定的定位架以及收卷机构，按照复合管的结构由内向外线性排列布置，具有操作简便、生产效率高，制造成本低等优点，并且架座内还包括分别设置在第一缠绕机、第二缠绕机后端的张力调节辊组和缠绕角度导向辊组，可以确保在高效加工的同时精确定位交叉缠绕的精度，提高了复合管增强芯层的制备质量，保证了复合管的环向抗压和轴向抗拉性能。

附图说明

图1为本实用新型一种连续纤维缠绕增强复合管的结构示意图；

图2为本实用新型一种连续纤维缠绕增强复合管的生产装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型所提供的一种连续纤维缠绕增强复合管及其生产装置的结构和工作原理作进一步的详细说明。

如图1所示，为本实用新型所提供的一种连续纤维缠绕增强复合管的结构示意图。构成该新型连续纤维缠绕增强复合管的结构包括由塑料树脂构成的内层管1、外层管2以及设置在二者中间的由连续纤维缠绕构成的增强芯层3，增强芯层3包括由连续纤维预浸带交叉缠绕构成的抗压层31和抗拉层32，其中，抗压层31中的连续纤维预浸带与管口轴向呈50°-60°角，抗拉层32中的连续纤维预浸带与管口轴向呈5°-15°角。

其工作原理为：该复合管的增强芯层3由双层交叉缠绕的连续纤维预浸带构成，其中与管口呈50°-60°角的连续纤维预浸带能保证足够有效的环向抗压能力，与管口轴向呈5°-15°角的连续纤维预浸带提供优异轴向抗拉性能，双层交叉缠绕结构之间通过树脂热熔挤压结合，结构致密，整体强度高，又具有良好的柔韧能力，易盘卷，使用方便。

在构成上述一种连续纤维缠绕增强复合管的结构中，

——优选地，构成上述增强芯层3的连续纤维预浸带由热塑性树脂浸渍连续纤维构成，连续纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维和/或芳族聚酰胺纤维，根据复合管的具体使用条件，可以对增强芯层的缠绕纤维进行特定选择，通过特定角度交错缠绕，使管道具有可设计性、低密度、高比强度、高比模量和抗冲击性强等特点，柔韧性好能够盘卷供应，长距离无接头快速铺设，特别适用于石油、天然气、高压水及特殊流体输送领域；

——作为较佳的实施，上述内层管1的内侧设置一个或多个用于检测输送介质温度、流量、压力的传感器组件4，传感器组件4与设置在内层管1内的金属导线层5连接，使复合管系统能够对输送介质进行实时监控，为智能调节提供运行参数，上述传感器组件4可以位于一个管段的两端管口内，形成一个有效稳定的检测区域，获得的数据更加可靠准确；

——为了拓展复合管道系统的使用功能，在上述外层管2的边缘内部敷设动力线6、通信线7，位于内层管1内的金属导线层5与通信线7连接，使复合管道在输送介质的前提下，增加了生产环境监控、作业条件自动调整等智能化功能，动力线6和通信线7最好位于外层管2的管身两侧且对称分布，保证了管线的柔性，具有较小的弯曲半径，对动力线6和通信线7提供有效的保护，安全性能更好，延长了使用寿命；

——优选地，上述金属导线层5为电阻丝与管口轴向呈50°-60°角交叉缠绕形成的网，电阻丝加热缠绕在热塑性树脂中间，组合性强，熔融性好，加工方便简单，使上述抗压层31和抗拉层32的交叉缠绕结构更加紧密，提高了复合管线的承压质量。

如图2所示，为了便于制作上述连续纤维缠绕增强复合管，本实用新型还提供了一种连续纤维缠绕增强复合管的生产装置，包括用于制备内层管1、外层管2的第一挤出机构101和第二挤出机构102、用于形成增强芯层3的缠绕机构、用于保证缠绕机构工作时缠绕管体轴心稳定的定位架103以及收卷机构104，其中，缠绕机构包括架座以及设置其内部的用于制备抗压层31的第一缠绕机1011和第一加热机1012，用于制备抗拉层32的第二缠绕机1021和第二加热机1022，架座内还包括分别设置在第一缠绕机1011、第二缠绕机1021后端的张力调节辊组和缠绕角度导向辊组105。

在上述生产装置中按照复合管的由内向外的结构特点，依次组成生产线，即第一挤出机构101、缠绕机构(第一缠绕机1011和第一加热机1012、第二缠绕机1021和第二加热机1022)、成型后收卷机构等，该装置具有制造效率高、操作方便等优点，尤其是架座内还包括分别设置在第一缠绕机1011、第二缠绕机1021后端的张力调节辊组和缠绕角度导向辊组105，便于精确控制交叉缠绕的角度和力度，保证了产品质量。

——为了便于在内层管1内敷设金属导线层5和在外层管2内敷设动力线6、通信线7，上述第一挤出机构101包括内层管挤出机和第一牵引机1061，第一牵引机1061连接缠绕机构，内层管挤出机包括前端挤出机1001(用于挤出内层管1的内侧部分11)、后端挤出机1002(用于挤出内层管1的外侧部分12)和设置在二者之间的金属导线缠绕机107，第二挤出机构102包括外层管挤出机和第二牵引机1062，第二牵引机1062连接收卷机构104，第二挤出机构102后端设置动力线、通信线包覆挤出机108，实现了复合管整体结构一次成型，避免后续加工环节，提高了生产效率；

——优选地，该生产装置还包括装有PLC控制器100的配电箱，第一挤出机构101、第二挤出机构102、缠绕机构均与PLC控制器100电气连接，张力调节辊组和缠绕角度导向辊组105通过电动连杆与PLC控制器100电气连接，采用PLC控制器100实现了自动化生产，可以有效控制内层管1和外层管2的挤出速度，配合电动连杆或传动转轴张力调节辊组和缠绕角度导向辊组105能够精确调节交叉缠绕的角度和力度，保证了复合管增强芯层的加工质量，也节约了劳动力，降低了生产成本；

——进一步的，为了提高挤出管与缠绕结构的成型效率，上述第一加热机1012和第二加热机1022为旋转式远红外固化炉，缠绕机构包括设置在架座内的由多个热风枪组成的预热单元，与旋转式远红外固化炉、热风枪配合设置多个温度传感器，温度传感器分别与PLC控制器100电气连接实现PID温度控制，实现了管道挤出后快速与交叉缠绕结构热熔固化，增强了复合管道的结构密度和强度，提高了复合管道的成型质量；

——优选地，该装置前端设置出料盘，该装置后端的收卷机构104为卷盘机，卷盘机的前端设置用于在复合管的管口内植入传感器组件4的操作工位109，传感器组件4与内层管1内的金属导线层5连接，金属导线层5与外层管2内敷设的通信线7连接，该操作工位针对监控管段设置，确保了复合管集成功能模块一次加工成型，避免再加工环节，降低制造成本，提高加工效率。

Claims (7)

1.一种连续纤维缠绕增强复合管，包括由塑料树脂构成的内层管、外层管以及设置在二者中间的由连续纤维缠绕构成的增强芯层，其特征在于：所述增强芯层包括由连续纤维预浸带交叉缠绕构成的抗压层和抗拉层，其中，所述抗压层中的连续纤维预浸带与管口轴向呈50°-60°角，所述抗拉层中的连续纤维预浸带与管口轴向呈5°-15°角；其中，所述内层管的内侧设置一个或多个用于检测输送介质温度、流量、压力的传感器组件，所述传感器组件与设置在所述内层管内的金属导线层连接；在所述外层管的边缘内部敷设动力线、通信线，所述动力线和通信线位于所述外层管的管身两侧且对称分布，位于所述内层管内的金属导线层与所述通信线连接。

2.根据权利要求1所述的一种连续纤维缠绕增强复合管，其特征在于：所述金属导线层为电阻丝与管口轴向呈50°-60°角交叉缠绕形成的网。

3.一种连续纤维缠绕增强复合管的生产装置，用于制备如权利要求1或2所述的连续纤维缠绕增强复合管，其特征在于：包括用于制备所述内层管、外层管的第一挤出机构和第二挤出机构、用于形成增强芯层的缠绕机构、用于保证缠绕机构工作时缠绕管体轴心稳定的定位架以及收卷机构，其中，所述缠绕机构包括架座以及设置其内部的用于制备所述抗压层的第一缠绕机和第一加热机，用于制备所述抗拉层的第二缠绕机和第二加热机，所述架座内还包括分别设置在所述第一缠绕机、第二缠绕机后端的张力调节辊组和缠绕角度导向辊组。

4.根据权利要求3所述的一种连续纤维缠绕增强复合管的生产装置，其特征在于：所述第一挤出机构包括内层管挤出机和第一牵引机，所述第一牵引机连接所述缠绕机构，所述内层管挤出机包括前端挤出机、后端挤出机和设置在二者之间的金属导线缠绕机，所述第二挤出机构包括外层管挤出机和第二牵引机，所述第二牵引机连接收卷机构，所述第二挤出机构后端设置动力线、通信线包覆挤出机。

5.根据权利要求3所述的一种连续纤维缠绕增强复合管的生产装置，其特征在于：还包括装有PLC控制器的配电箱，所述第一挤出机构、第二挤出机构、缠绕机构均与PLC控制器电气连接，所述张力调节辊组和缠绕角度导向辊组通过电动连杆与所述PLC控制器电气连接。

6.根据权利要求 5所述的一种连续纤维缠绕增强复合管的生产装置，其特征在于：所述第一加热机和第二加热机为旋转式远红外固化炉，所述缠绕机构包括设置在架座内的由多个热风枪组成的预热单元，与所述旋转式远红外固化炉、热风枪配合设置多个温度传感器，所述温度传感器分别与所述PLC控制器电气连接实现PID温度控制。

7.根据权利要求6所述的一种连续纤维缠绕增强复合管的生产装置，其特征在于：该装置前端设置出料盘，该装置后端的收卷机构为卷盘机，所述卷盘机的前端设置用于在复合管的管口内植入所述传感器组件的操作工位，所述传感器组件与所述内层管内的金属导线层连接，所述金属导线层与所述外层管内敷设的通信线连接。

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