CN111465794A - 具有拉挤成型元件的高压管材及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

高压柔性管材，其包括内衬和缠绕在内衬上并抵靠内衬的带材，其中，带材包括聚合物基质和包埋在聚合物基质中的多个拉挤成型元件，其中，拉挤成型元件各自包括多根被聚合物树脂覆盖的拉长细丝。

Description

具有拉挤成型元件的高压管材及其生产方法
技术领域
本发明涉及高压柔性管材以及用于生产高压柔性管材的方法。
背景技术
高压管材用于许多领域，例如，石油天然气，用于将流体从一个位置输送到另一位置。高压管材的实例见述于WO 2017/048117。管材包括周围被增强条螺旋状缠绕的内衬。增强条由包埋在基质主体中的纤维组成。纤维并未附着至周围主体。纤维包括扭结(twist)的细丝，其能够在纤维中相对彼此稍微移位。
用于输送材料的管材的另一实例是US2017/0122467的柔性管状管材。管材具有管状内部压力结构，该内部压力结构包括管状护套和用于承受径向力的压力拱。管材还具有管状外部抗拉结构，该外部抗拉结构具有至少一个抗拉铠装金属线，并且夹条缠绕在抗拉铠装金属线网之上。夹条包括聚合物材料层和多根纤维束，所述纤维是包埋在聚合物材料层中的矿物纤维。夹条是围绕抗张力铠装金属线网缠绕，以便使抗张力铠装金属线保持径向抵着压力拱。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了压力柔性管材，其包括内衬和缠绕在内衬上并支撑内衬的带材。带材包括聚合物基质和多个包埋在基质中的拉挤成型元件。拉挤成型元件各自包括多根被聚合物树脂覆盖的拉长细丝。聚合物基质和聚合物树脂是可区分的，并且可以由不同材料制成。
该设置提供了具有非常牢固增强带材的高压柔性管材。形成带材的基质中的拉挤成型元件产生了非常牢固的带材而无需金属细丝，使得带材不易生锈和腐蚀。通过使用拉挤成型元件提高了带材的强度。使用这些拉挤成型元件的带材可以比包含简单未浸渍碳细丝束的类似带材牢固度高50％-100％。拉挤成型元件中的多根细丝可以变化，但是其范围可以为24000根细丝至100000根细丝或更多。
拉挤成型元件通过拉挤工艺形成，所述拉挤工艺通常包括：以聚合物树脂覆盖拉长细丝，并拉拽通过模具或板以提供恒定的横截面。纤维元件通常展开，施加树脂以浸渍纤维，然后拉拽束通过模具或板。纤维元件通常未扭结以使得树脂可以完全涂覆和/或浸渍纤维，但是一些实施例可以是。覆盖细丝的聚合物树脂还位于细丝之间，并且进一步提高了细丝之间的摩擦。
制备拉挤成型元件的拉挤成型工艺还可以包括聚合物树脂的加热和固化。在固化后，拉挤成型元件的拉伸强度例如可以为相同直径的经涂覆纤维的拉伸强度的两倍。以此方式，更有效地利用细丝的内在强度。通常，拉挤成型元件的直径为0.5毫米至2.5毫米，并且细丝的直径为4微米至100微米。
带材直接抵靠内衬，因此两者之间不存在层。这确保使管材保持高强度且同时是轻质和柔性的。通过抵靠内衬，带材能够为管材提供静水压力强度。
拉挤成型元件可以比聚合物基质硬得多。例如，拉挤成型元件的拉伸模量为至少100GPa，而聚合物基质的拉伸模量可以为0.2GPa至5GPa。拉挤成型元件的拉伸强度可以为至少2000MPa。这允许拉挤成型元件为带材提供强度，但是基质允许带材保持柔性，以便于围绕所有不同尺寸的管材缠绕，并易于运输和存储，例如在绕线管(bobbin)上。
内衬可以包括在内侧、在外侧、和/或在之间的气体阻隔层；例如，箔；以避免或减少气体从管材泄漏到外部。气体阻隔层可以非常薄，约10微米，并且可即便由提供气体阻隔的铝材料制成。或者，其可以包括不同的金属或者甚至气密聚合物。在一些实施方式中，气体阻隔层可以包括聚合物-金属-聚合物三明治结构。内衬完全由聚合物制成、优选由聚乙烯(PE)制成，或者，内衬基本由聚合物和上述气体阻隔层制成，其中，可以在气体阻隔层的单侧或两侧径向地提供聚合物，即在内衬的内表面处、内衬的外表面处、或在两个聚合物层之间的径向中间具有气体阻隔层。内衬的至少径向外部(即，与带材接触的部分)可以由聚合物制成。因此，除了非常薄的连续气体阻隔层之外，内衬可以不含金属。内衬不含任何承压增强元件，以保持管材轻便和柔软。承压的作用由带材层承担。
该管材的直径范围可以很广，例如100毫米、200毫米，但其可以根据应用要求更大或更小。
当拉挤成型元件包埋在聚合物基质中时，其可以在单排中全部对齐且平行。单排可以确保带材保持应用所需的柔性。在其它实施方式中，根据具体的带材和管材要求，带材中可能存在多排拉挤成型元件和/或不平行的拉挤成型元件。拉挤成型元件通常很长，因此其可以在管材周围形成许多绕组。
根据一个实施方式，聚合物基质是热塑性塑料。热塑性塑料允许容易地形成用于包埋拉挤成型元件以形成带材的基质。
根据一个实施方式，带材适用于在管材内具有至少150巴的流体静力强度(hydrostatic strength)，优选至少250巴。通常，带材适合于至少50巴、优选至少100巴、更优选至少150巴、以及可能至少200巴的安全工作压力。这涉及至少100至400巴、优选至少150巴、更优选至少250巴的流体静力强度。带材提供了一种强大且柔性的为管材提供静水压力强度(hydrostatic pressure strength)的方式。在一些实施方式中，带材可以适用于经受50巴至600巴的流体静力强度。当涉及静水压强时，其通常意图是指使用ASTM D1599中定义的标准测定的短期破裂压力。
根据一个实施方式，带材围绕内衬螺旋状缠绕。缠绕角度可以是例如40度至60度。螺旋状缠绕可以确保内衬的所有部分均被带材充分且一致地覆盖，而无需切割带材。其还允许胶带不同部分之间的接缝被带材的其它部分覆盖。
根据一个实施方式，带材焊接在内衬上。将带材焊接到内衬上促进确保管材层保持稳定并彼此连接以形成牢固稳固管材的简单方法。在一些实施方式中，可能会粘贴、粘附或通过其它方式(可能涉及加热)连接到内衬。可以通过外部红外加热、激光焊接或其它合适方法来进行焊接。可以在隧道式炉中进行红外加热，其中将管材加热至远高于基质熔融温度的温度，以使基材焊接到内衬上。激光焊接涉及用激光仅局部加热内衬和带材的表面，以使其焊接在一起。这样，对于加热和焊接后的固化，激光焊接通常是更快得多的工艺。
根据一个实施方式，聚合物基质和内衬由可焊接在一起的材料制备。通过形成可焊接在一起的聚合物基质材料和内衬材料，可以形成牢固的连接，而无需其它材料、粘合剂、粘结层等。这导致了一种简单工艺，其可生产具有高静水压力强度的坚固管材。
根据一个实施方式，聚合物基质和内衬由相同聚合物类别的材料制备。通过从相同类别的聚合物中选择材料，其可以焊接在一起，这可以提高连接件以及整个管材的强度。在某些实施方式中，聚合物基质材料和内衬材料都是聚乙烯类的或聚酰胺类的，但是根据管材的条件和要求也可以设想其它材料，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚酮，聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)。
根据一个实施方式，管材包括相反缠绕的两层带材。相反缠绕是指相对于管材的纵轴具有相反的缠绕角度。该设置可以通过缠绕多层带材来确保管材具有足够的强度。带材的强度在大多数情况下允许仅使用两层，这使得该管材比需要许多缠绕层以提供足够强度的其它管材容易形成。
根据一个实施方式，管材包括成对相反缠绕的四层带材。当存在四层带材时，其中两层可以顺时针缠绕，两层可以逆时针缠绕，并且相对于管道纵轴成相反的角度。
根据一个实施方式，细丝由碳制成。碳细丝提供高强度以形成拉挤成型元件，但是彼此之间仍可以是柔性的。此外，碳通常不受管材所输送烃的化学影响。或者，可以使用玻璃或芳族聚酰胺细丝。
根据一个实施方式，单个带材层的厚度为管材直径的1％至3％。单个带材层的厚度可以为1毫米至2.5毫米，但是可以更大或更小。该厚度提供了所需的静水压力强度而使整个管材的体积或重量增加。
根据一个实施方式，聚合物树脂是热固性树脂。使用该热固性树脂意味着该树脂在带材形成和拉挤成型元件的固化中相对容易加工，并且一旦固化就能提供所需的性能。热固性树脂通常需要的固化温度低于拉挤成型元件熔化的温度，因此使得制造相对简单并且不会损害拉挤成型元件。或者，用于拉挤成型元件的聚合物树脂可以是熔融温度远高于带材加工温度的热塑性塑料。
根据一个实施方式，聚合物树脂包括环氧树脂。环氧树脂在是轻质、牢固且易于加工的树脂。或者，聚合物树脂可以包括聚酯或乙烯基酯。
根据一个实施方式，聚合物树脂包括酚，优选双酚A。双酚A是广泛购得并且易于一起加工。
根据一个实施方式，管材还包括围绕带材的聚合物外片。外片可以保护及防护管材，使其免受任何外部损坏或污染。因此，外片可以提高管材的耐久性。外片可以与内衬和带材的聚合物基质具有相同的通用聚合物类别。其可以粘贴或焊接到带材上。外片可以由聚乙烯制成。
根据一个实施方式，聚合物基质包含添加剂以增加与拉挤成型元件的摩擦和粘附。该添加剂可以确保拉挤成型元件保持适当包埋在基质中并且使得带材元件不会由各种力而瓦解。可以替代或附加使用的另一种方法是使拉挤成型元件的表面变粗糙，以增加聚合物基质内的摩擦和粘附。
通过将套管夹在需要连接的端部周围，可以将这些管材连接在一起。或者，可以使用电熔配件来连接管材。在该方法中，两个管材末端的端表面熔融并汇集在一起。增强套管围绕管材末端装配，其中设有加热线圈，通过加热线圈将套筒和管材末端焊接在一起。拉挤成型元件和聚合物基质之间需要粘附或摩擦，以避免拉挤成型元件在需要连结的管材末端处从带材弹出。电熔连结的优点是不使用金属，因此可以避免腐蚀。
根据本发明的一个方面，提供一种生产高压柔性管材的方法，该方法包括以下步骤：
-提供细丝；
-将细丝浸渍在聚合物树脂中；
-拉拽浸渍的细丝通过板上的孔以形成拉挤成型元件；
-将拉挤成型元件包埋在聚合物基质中；
-提供管状内衬；
-使带材围绕内衬缠绕，以使得带材抵靠内衬。这种方法产生相对容易生产的管材，并且可以通过缠绕在内衬上的带材提供足够的静水压力。
根据一个实施方式，缠绕带材包括使带材围绕内衬螺旋状缠绕。
根据一个实施方式，缠绕带材包括将带材焊接至内衬。
根据一个实施方式，聚合物树脂是热固性树脂。
根据一个实施方式，聚合物树脂包括环氧树脂。
该专利中讨论的各方面可以组合以提供其它优点。
附图简要说明
现在将参照示意性附图仅以示例方式描述实施方式，其中，相应的附图标记指示相应的部分。
图1显示高压柔性管材的截面图；
图2显示了带材的截面图。
附图仅是出于说明的目的，而不是用于对权利要求书所限定的范围或保护的限制。
具体实施方式
本发明的其它优点、特征和细节将在以下一些实施方式的描述中进行解释。在说明书中，参考附图。
图1显示管状高压柔性管材1的截面图，其中，一些组件被部分显示以显示下面的组件。管材1包括内衬10、第一带材层20、第二带材层21和外片30。柔性管材1可用于多种不同目的和行业，例如，高压流体的输送。管材1的所示部分沿纵轴a1延伸，但其是柔性的并且并非必须沿纵轴a1延伸很长的距离。通常，管材的直径为100毫米至200毫米，但其可以根据具体应用要求而不同。
内衬10通常由聚乙烯形成，但是根据管材1的预期用途可以由其它材料形成。内衬层10用作保护层，并且可以在内侧处保护管材1，特别是在运输腐蚀性、研磨性或挥发性流体时。内衬10可以包括在内侧、在外侧、和/或在之间的非常薄的气体阻隔箔，以避免或减少气体从管材泄漏到外部。气体阻隔箔可以基本由铝制成。或者，其可以由不同的金属或者甚至气密聚合物制成。
带材层20、21是在聚合物基质25内由拉挤成型元件22形成的螺旋状缠绕的带材，其将参考图2进行更详细地讨论。带材层20、21使管材1增强并向管材1提供了静水压力强度，由于带材层20、21提供的增强作用，使管材1可以承受至少150bar的压力。各带材层20、21可以相对于管材1的纵轴a1以特定的缠绕角度进行缠绕，例如40度至60度，但是在合适时也可以在该范围之外。螺旋状缠绕可以确保内衬10的所有部分均被带材20充分且一致地覆盖，而无需切割带材20。带材层20、21以相反方向缠绕，从而进一步促进带材层20、21充分覆盖内衬10。相反缠绕还提高了管材1的径向强度。带材层20、21的强度在大多数情况下允许仅使用两层，这使得该管材1比需要许多缠绕层以提供足够强度的其它管材容易形成。带材层20、21可以以非常长的拉伸物(stretches)提供，从而提供坚固且良好连接的增强层。
在形成管材1时，带材层20、21围绕内衬10缠绕以直接抵靠内衬10而其间没有任何层。以此方式，带材层20、21直接增强管材1，而且可以不需要任意其它层。带材层20、21可以彼此焊接以及焊接至内衬10，以确保带材层20、21之间以及与内衬10的牢固连接。以此方法，带材层20、21直接为内衬10提供额外的静水压力强度。通常，带材层20、21和内层10由彼此可焊接的材料制成，以促进牢固连接而无需粘合剂或粘结层。
外片30通常是聚乙烯，并且用作围绕带材层20、21的保护性屏障。外片30可以保护及防护管材1免受任何外部损坏或污染。这增强了观察1的耐久性。外片30通常由与带材20、21兼容的材料制成，使得其能很好地粘在一起并且尽可能避免裂纹。
管材1的优点包括比其它管材更大的强度，而没有腐蚀或生锈的风险。这由不含任何金属的带材20、21中的拉挤成型元件22导致。由于带材20、21的强度导致的另一优点是，仅两层带材就足以确保足够的静水压力强度，从而保持管壁相对较薄。这导致重量相对轻的管材1。
图2显示了带材20的一小部分的横截面，包括包埋在聚合物基质25中的三个拉挤成型元件22。拉挤成型元件22包括覆盖在环氧树脂24中的多根细丝23。细丝23可以由碳制成，其结合了高拉伸强度与高柔性。或者，可以使用玻璃或芳族聚酰胺。在单个拉挤成型元件22中可以具有包埋的224000至100000根或者甚至更多根细丝23。拉挤成型元件22通过拉挤工艺形成，所述拉挤工艺通常包括：以环氧树脂24覆盖拉长细丝23，并拉拽通过模具或板从而为拉挤成型元件22提供恒定横截面。使用环氧树脂产生了轻质且牢固的拉挤成型元件，该拉挤成型元件易于加工。或者，聚合物树脂24可以包括聚酯或乙烯基酯。
围绕拉挤成型元件23的树脂24可以随后固化以进一步提高细丝23之间的摩擦。提高摩擦允许拉挤成型元件22的拉伸强度更高。在固化后，拉挤成型元件22的拉伸强度例如可以为相同直径的经涂覆纤维的拉伸强度的两倍。
拉挤成型元件22通常可以比聚合物基质25硬得多。例如，拉挤成型元件22的拉伸模量为至少100GPa，而聚合物基质25的拉伸模量可以为0.2GPa至5GPa。拉挤成型元件23的拉伸强度可以为至少2000MPa。这允许拉挤成型元件23为带材20提供强度，但是聚合物基质25允许带材20保持柔性，以便于围绕所有不同尺寸的管材1缠绕，并易于运输和存储，例如在绕线管上。
当拉挤成型元件22包埋在聚合物基质25中时，其在单排中基本全部对齐且平行。单排可以确保带材20保持应用所需的柔性。在其它实施方式中，根据具体的带材和管材要求，带材20中可能存在多排拉挤成型元件22和/或不平行的拉挤成型元件22。
聚合物基质25通常由热塑性塑料制成，所述热塑性塑料允许容易地形成用于包埋拉挤成型元件22以形成带材20的基质。它需要足够薄以具有柔性，但又要足够坚固以使拉挤成型元件22保持在带材20中，并确保拉挤成型元件22不会从带20中脱出。通常，单个带材层的厚度为管材1直径的1％至3％，这使得观察1保持轻质和柔性，同时提供了足够的静水压力强度。
带材20的优点包括：带材20的拉伸强度比具有非拉挤成型碳纤维的材料大50％至100％。此外，带材20中不需要金属，其消除了带材和整个管材中的腐蚀风险，从而产生了具有长使用寿命的牢固管材。
本发明可以其它特定形式呈现而不偏离其精神或基本特性。所述实施方式在所有方面均应仅被视为是示例性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而非上述说明来限定。对于本领域技术人员显而易见的是，可以构思本发明的替代性和等同实施方式并使其简化以进行实施。落入权利要求等同含义和范围内的所有改变均应包含在该范围之内。

Claims (25)

1.高压柔性管材(1)，其包括：
-内衬(10)；
-带材(20)，其围绕内衬(10)缠绕并抵靠内衬(10)，所述带材(20)包括：
·聚合物基质(25)；和
·包埋在聚合物基质(25)中的多个拉挤成型元件(22)，其中拉挤成型元件(22)各自包括被聚合物树脂(24)覆盖的多根拉长细丝(23)。
2.如权利要求1所述的高压柔性管材(1)，其中，聚合物基质和聚合物树脂由不同材料制成。
3.如权利要求1或2所述的高压柔性管材(1)，其中，聚合物基质(25)由热塑性聚合物制成。
4.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，其中，带材(21)适于具有至少150巴的流体静力强度。
5.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，其中，带材(21)围绕内衬(10)螺旋状缠绕。
6.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，其中，带材(21)焊接至内衬(10)。
7.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，其中，聚合物基质(25)和内衬(10)包含可焊接在一起的材料。
8.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，其中，聚合物基质(25)和内衬(10)包含来自相同聚合物类别的材料。
9.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，所述高压柔性管材包括相反缠绕的两层带材(20、21)。
10.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，所述高压柔性管材包括成对相反缠绕的四层带材(20、21)。
11.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，所述细丝(23)由碳制成。
12.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，其中，单层带材(20)的厚度为管材(1)直径的1％至3％。
13.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，其中，聚合物树脂(24)是热固性树脂。
14.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，所述聚合物树脂(24)包括环氧树脂。
15.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，所述聚合物树脂(24)包括酚，优选双酚A。
16.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，所述高压柔性管材还包括围绕带材20的聚合物外片(30)。
17.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，其中，聚合物基质(25)包括添加剂以增强与拉挤成型元件(22)的摩擦和粘附。
18.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，其中，内衬包括气体阻隔层。
19.如前述权利要求中任一项所述的高压柔性管材(1)，其中，内衬由聚合物和气体阻隔层组成，所述聚合物优选为PE。
20.如权利要求1-17中任一项所述的高压柔性管材(1)，其中，内衬由聚合物制成、优选由PE制成。
21.一种生产高压柔性管材(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供细丝(23)；
-将细丝(23)浸渍在聚合物树脂(24)中；
-拉拽浸渍的细丝(23)通过板上的孔以形成拉挤成型元件(22)；
-将拉挤成型元件(22)包埋在聚合物基质(25)中以形成带材(20)；
--提供管状内衬(10)；
-使带材(20)围绕内衬(10)缠绕，以使得带材(20)抵靠内衬(10)。
22.如权利要求21所述的方法，其中，使带材(20)围绕内衬(10)缠绕包括使带材(20)围绕内衬(10)螺旋状缠绕。
23.如权利要求21-22中任一项所述的方法，其中，使带材(20)围绕内衬(10)缠绕包括将带材(20)焊接至内衬(10)。
24.如权利要求21-23中任一项所述的方法，其中，聚合物树脂(24)是热固性树脂。
25.如权利要求24所述的方法，其中，聚合物树脂(24)包括环氧树脂。
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