專利名稱：纖維增強管的制作方法
背景技術：
需要用柔性管來在壓力之下傳送流體，比如酸性氣體(sour gas)、二氧化碳和碳氫化合物。
期望管能不塌陷或隆起地纏繞，甚至在低溫環(huán)境中。管必須還能在使用條件下容納高壓流體，比如在埋入地下、不受限制和彎曲時。

發(fā)明內容
已經發(fā)明了用于傳輸流體的柔性纖維增強管。該管的柔性足以可纏繞，甚至是在冬天的溫度條件下。在埋入地下、不受限制和彎曲時，該管可容忍壓力。該管在正常處理之下顯示了抗沖擊性并且能利用連續(xù)的工序形成，以使得其能被放置的同時進行制造。
根據本發(fā)明的一個方面，提供了一種柔性纖維增強管，其包括具有內表面和外表面的內管狀聚合襯套；以第一螺旋方向螺旋地包裹在內管狀襯套周圍并與之直接接觸的第一增強纖維層；螺旋地包裹在增強纖維下層周圍并與之直接接觸的外層，至少一層增強纖維以與第一螺旋方向相反的第二螺旋方向螺旋地包裹；以及施加在增強纖維外層之上并與之直接接觸的外管狀護套。
增強纖維下層可以是第一增強纖維層或施加在第一層和外層之間的增強纖維中間層。
根據另一方面，提供了一種柔性纖維增強管，包括內管狀聚合襯套；螺旋地包裹在內管狀襯套周圍的第一增強纖維層；螺旋地包裹在第一增強纖維層周圍并位于其外面的增強纖維外層以及施加在增強纖維外層之上的外覆層，第一增強纖維層和增強纖維外層每個都在內管狀襯套和外覆層之間基本上自由地漂移并且該管包括至少一層以第一螺旋方向包裹的增強纖維層以及至少一層以第二螺旋方向包裹的增強纖維層。
根據另一方面，提供了一種柔性纖維增強管，包括內管狀聚合襯套、螺旋地包裹在內管狀襯套周圍并將其覆蓋的第一增強纖維層，該第一增強纖維層包括基本上連續(xù)且干燥的纖維、螺旋地包裹在第一增強纖維層周圍并位于其外面的增強纖維外層，該增強纖維外層包括基本上連續(xù)且干燥的纖維、以及施加在增強纖維外層之上的外覆層，該管包括至少一層以第一螺旋方向包裹的增強纖維層以及至少一層以第二螺旋方向包裹的增強纖維層。
根據另一方面，提供了一種柔性纖維增強管，包括內管狀聚合襯套、螺旋地包裹在內管狀襯套周圍的第一增強纖維層、螺旋地包裹在第一增強纖維層周圍并位于其徑向外面的增強纖維外層、以及施加在增強纖維外層之上的外覆層，該管包括至少一層以正螺旋方向包裹的增強纖維層以及至少一層以負螺旋方向包裹的增強纖維層，其中第一層和外層給管提供了受控的載荷下徑向增長和受控的載荷下軸向增長。
一層或更多層中間纖維增強層可施加在第一層和外層之間。當管除了第一層和外層之外還包括一層或更多層中間纖維增強層時，必須是至少一層增強纖維層以正螺旋方向包裹并且至少一層增強纖維層以負螺旋方向包裹。當管僅包括兩層增強纖維(第一層和外層)時，外層以與第一層相反(順時針或逆時針)的螺旋方向包裹。
內管狀襯套可由至少一層熱塑性塑料或彈性體構成。外管狀護套可以是熱塑性塑料或彈性體。增強纖維可以是玻璃。
在一個實施例中，增強纖維基本上連續(xù)。在一個實施例中，第一層和外層包括基本上相等但方向相反的纏繞角度以及以基本上相等數(shù)量應用的纖維。


圖1是根據本發(fā)明一個實施例的管的側視圖，在連續(xù)層中部分地切除。
圖2是沿著圖1中II-II線的剖面圖。
圖3是根據本發(fā)明另一個實施例的管的側視圖，在連續(xù)層中部分地切除。
具體實施例方式
參考圖1和2，其中示出了根據本發(fā)明的管。該管包括具有內表面12和外表面14的內管狀襯套10、螺旋地包裹在內襯套周圍并且與其外表面直接接觸的第一增強纖維層16、螺旋地包裹在與其直接接觸的第一增強纖維層周圍的第二增強纖維層18以及施加在第二層之上并且與第二增強纖維層直接接觸的外護套20。第一纖維增強層被順時針或逆時針地包裹并且第二層以與第一層相反的另一順時針或逆時針方向被包裹。因而，可以說一層以正螺旋角包裹并且另一層以負螺旋角包裹。
內管狀襯套10很少或沒有為管提供了結構支承。優(yōu)選地，襯套被選擇為支承由于外層在其周圍的施加而在外護套20的纏繞過程和后續(xù)擠壓中所引起的負載。而且，襯套被選擇為用作滲過和透過囊狀物。襯套應當由最分子地密封的聚合物制成，這種聚合物符合可接受的材料成本，如同通過成本效益分析所確定的。通常，襯套應當被選擇為使得僅有的泄漏是待傳送流體的氣體成分的擴散。顯然，通過襯套消除氣體擴散是優(yōu)選的。如同可以理解的，襯套被選擇為通過待穿過其中的流體基本上抵抗降解(degradation)。
襯套由彎曲應變約為2至5個百分比的聚合物構成，比如熱塑性塑料或彈性體。熱塑性塑料可包括，例如，尼龍、交聯(lián)聚乙烯(PEX)、聚四氟乙烯(PTFE)、高溫工程加固的聚合物或高密度聚乙烯(HDPE)。彈性體可包括，例如，橡膠和腈類。對于石油操作，HDPE尤其有用，因為其以低成本提供了與很多油田化學物質兼容的良好化學性質。
在一些實施例中，襯套是多層的。多層襯套可包括，例如，多于一層的相同或不同的熱塑性塑料或彈性體。熱塑性塑料可包括，例如，尼龍、交聯(lián)聚乙烯(PEX)、聚四氟乙烯(PTFE)、高溫工程加固的聚合物或高密度聚乙烯(HDPE)。彈性體可包括，例如，橡膠和腈類。
多層襯套能例如通過各層的共擠而制成，如同現(xiàn)有技術中已知的。這些層被選擇為賦予襯套各種性能特點。例如，多層襯套中的一層可賦予抵抗待傳送流體的降解，并且另一層可賦予抵抗待傳送流體的氣體成分的擴散。
在一些實施例中，襯套或其一層填充有，例如非晶態(tài)粘土、碎玻璃或碳纖維。這些材料能提高襯套例如防止低溫破裂、防止聚合物蠕變的很長時間上的穩(wěn)定性并且可提高襯套后續(xù)擠壓的初始強度。纖維可以是對齊的或隨機的。
外護套20包圍增強纖維層16、18。雖然該管將用來包含受壓流體而無需外護套，但是外護套是有用的，因為其用來防止增強纖維受損，比如由于磨損，以及幫助將纖維穩(wěn)定和保持在合適位置。外護套可由任何能在一定程度上保護增強纖維的柔性材料構成。外護套可以是，例如，比如熱塑性塑料或熱彈性體等聚合物并且如果希望可以填充纖維。一些有用的聚合物為，例如，聚乙烯或尼龍，由于它們的抗磨性以及低成本，因此就非常有用。考慮到管的計劃用戶，可以理解到，外護套20可以被選擇為基本上抵抗由于環(huán)境影響(例如紫外線光、天氣等)以及與其相接觸的化學物質所導致的降解。
如同期望的，外護套可包括或具有附加在其上的標識符，比如油漆、染色、條形編碼、芯片等，或者方便使用或安裝的材料，比如電導線或可探測定位的金屬零件。然而在使用會磨損增強纖維的材料時，材料應當被間隔或屏蔽為不與增強纖維相接觸，如通過嵌入或封入外護套內。
在如圖1所示的雙層管中，增強纖維層16、18被構造為具有一個在正向或順時針螺旋方向纏繞的層以及另一個在反向或逆時針螺旋方向纏繞的層。層是一根或多根以相同角度和方向纏繞到襯套或下面纖維上的基本上連續(xù)的增強纖維。如同可以理解的，基本上連續(xù)的增強纖維長度很長，沿著增強捆束的長度延伸，而非由通過纏結、編織或其它方式而被保持在一起的切短或離散纖維所構成。
從一根管到另一根管以及從一層到另一層，層16、18可以以不同的方式構造。例如，任一管中的增強纖維層可以變化增強捆束(也稱為纖維束)中纖維的數(shù)目和布置、纖維類型、纏繞張力、纏繞的螺旋角和/或任一層中的纖維數(shù)量和管特性能通過選擇這些因素進行控制。
管中的纖維層用來反抗由于例如內壓力和拉伸載荷所引起的軸向和徑向載荷。主要載荷在纖維張力方向，因為通常操作條件很少產生側面載荷。因而，用于管中的優(yōu)選纖維形成了例如低于2％的低拉伸失效。纖維還應當?shù)挚褂捎诨瘜W物質(比如碳氫化合物和水)或環(huán)境因素所導致的降解，這在管的使用期間要處理。適合的纖維包括比如E玻璃、E-CR玻璃或S玻璃等玻璃、碳、尼龍、聚酯或芳族聚酰胺。對于石油操作，E和E-CR玻璃是優(yōu)選的，因為其低成本和能承載所需載荷的能力。玻璃的拉伸失效通常低于0.5％。
應當避免使用會由于增強纖維的磨損或切割而導致失效的金屬導線或者金屬導線應當不與增強纖維層相接觸。
層中的纖維基本上在襯套14和護套18之間自由漂移，無束縛，因為通過使用分離的膠粘劑、或可固化、固化的或未固化的聚合物，因此分開的纖維、捆束和層仍然獨立并且能彼此一起來抵抗載荷，而不是如同剛性體那樣組合。例如，纖維應當以基本上干燥的方式使用以使得它們不會與其它纖維或襯套或護套化學結合或熔合。應當說明的是，纖維可以是未處理的、處理的或涂覆但是仍然相當干燥的。每個纖維捆束可包括有時纏繞起來的一個或多個單根纖維(individualfiber)(例如呈紗的形式)。在一個實施例中，有用的纖維捆束包括數(shù)以千計的單根纖維并且由聚合物涂層密封，聚合物涂層不會穿入捆束因此內部纖維仍然保持干燥并且不會化學地結合或熔合在一起，而是被聚合物涂層作為捆束保持在一起。當然，當纖維被纏繞到襯套上時，當其處于柔軟或半固化狀態(tài)或者外護套20通過擠壓而施加時，如同以下將針對制造管的方法所描述的，襯套或護套的材料會模塑、并且在一定程度上粘著至相鄰的纖維。這樣會減少最內和最外纖維的有效自由漂移特性，盡管襯套和護套的材料應當優(yōu)選地被選擇來避免其滲入實際上與其相接觸的增強纖維?？梢栽谧o套、襯套或纖維上使用隔離劑或其它手段來減少纖維和護套或襯套之間的粘著。
纖維應當能緊貼，從而應當避免使用不允許緊貼的較大外徑纖維。在一個使用E玻璃纖維的實施例中，已經發(fā)現(xiàn)75％至80％的緊束密度是合乎需要的。纏繞張力實現(xiàn)緊束密度。張力應當使用為允許纖維束以如此的方式緊貼使得用于承載管的計劃應用的所需載荷。如果纖維束沒有被足夠緊地緊貼，那么管中就會有緊緊纏繞的纖維和松散纏繞的纖維。松散的纖維將會與緊密纖維不同地抵抗載荷，以致于并非所有的纖維被同時用來承載載荷。如果并非所有的纖維基本上均勻地承載，那么一些纖維就會更快地破裂，因為它們相應的載荷極限將會比設計的最佳極限更早地達到。在使用低拉伸失效的纖維時，比如玻璃，可以理解為纖維將不會傾向于延展以適應相鄰纖維中的松弛。在一個具體層中使用多于一種類型的纖維時也應當考慮不同拉伸失效的影響。另一方面，如果纖維以不希望的高張力纏繞，纖維將傾向于在加工和處理期間破裂。
使用帶通常是不希望的，因為妨礙了緊貼和載荷的獨立反應。
每層16、18的纏繞角度被選擇為產品在加工期間和使用期間所受到的各種載荷和條件對于耐久性和壓力可容度的折中，同時提供期望的柔性。在本發(fā)明中，突出的條件是內壓力可容度，因此必須在徑向拉伸方向上對纖維增強進行優(yōu)化。其它應當考慮的因素包括實地中的安裝拉力(軸向拉伸力)以及實地中運輸和安裝的纏繞和退繞的載荷。必須通過纏繞角度來提供的管在載荷下的主要反應包括管在實地條件下的軸向和徑向增長。可以使用介于約8°和86°之間的纏繞角度。在一個實施例中使用了介于40°和70°之間的纏繞角度，優(yōu)選的纏繞角度介于50°和60°之間。
參考圖3，其中示出了管的另一實施例，該管包括內管狀襯套110、螺旋地纏繞在內襯套周圍的第一增強纖維層116、螺旋地包裹在第一增強纖維層周圍的增強纖維中間層117、螺旋地包裹在增強纖維中間層周圍的增強纖維外層118以及施加在外層118之上的覆層120。
在圖3的實施例中，層116、117、118由玻璃或碳基纖維或其組合形成并且至少其中兩層以相反的螺旋方向包裹。相鄰的層可以以相同的方向包裹，但是角度不同。這對于減少纖維磨損傾向有作用。
制造參考圖1，根據本發(fā)明的管能通過將增強纖維纏繞在內襯套10周圍從而形成至少一層以第一方向螺旋包裹的增強纖維層16以及至少一層以相反方向包裹的增強纖維層18而制造。然而，在最外纖維層上施加覆層20。優(yōu)選地，利用基本上連續(xù)的工藝制造該管，其中長的長度(例如0.5km或更長)只是在安裝該管之前制造或者纏繞起來以待以后使用。
襯套能以任何期望的方式形成，在考慮到對于襯套的上述描述的前提下。在優(yōu)選實施例中，襯套通過擠壓而制造，提供其連續(xù)的制造，當然受到原料供應、繞線軸處理尺寸考慮、運輸?shù)确矫娴南拗啤?br> 然后用連續(xù)的增強纖維纏繞襯套。增強纖維通常纏繞在襯套外表面14的周圍，只要襯套處于固態(tài)。然而，當襯套處于熔融、半熔融或半固化狀態(tài)時，也可能應用纖維增強。如果襯套的外表面在纖維纏繞在其周圍時還沒有凝固，施加在襯套上的第一纖維可以一定程度上沉入襯套表面。這可以容忍，盡管優(yōu)選地纖維一點都不粘著至襯套并且能完全自由地漂移。
包括玻璃、尼龍、聚酯和/或芳族聚酰胺纖維的一個或更多增強物被纏繞以形成第一層16，其與襯套外表面相接觸并且完全將其覆蓋。在一個實施例中，32根每個為多纖維的絲束(tow)被纏繞以形成一層。然而，任何數(shù)目的纖維和絲束都能使用，這取決于期望獲得的絲束纖維數(shù)、層性質以及設備能力。
可以利用隨著襯套的前進以螺旋方式將一根或更多纖維纏繞在襯套周圍的纏繞機來完成纏繞。纖維優(yōu)選地在連續(xù)張力下纏繞，對于玻璃，利用例如5至10磅以及直到20磅的拉力。纏繞張力可隨著層的不同而變化以適應該層所用纖維材料的不同。在纏繞較高拉伸纖維(elongation fiber)時的張力水平沒有在纏繞脆纖維時重要。
在層纏繞工序中，可以忽略捆束中的少數(shù)特殊的終止纖維并且隨著繼續(xù)纏繞，自由端通常被返回入捆束。被纏繞返回入層的破碎纖維在幾個厘米內恢復其承載能力。雖然期望避免使用拼接的絲束或者避免需要在制造管長度中拼接絲束，但是在對于管性能沒有明顯負面影響的前提下，可以接收一些拼接。通過縫合或膠水將完全破碎的絲束引回纏繞工序，這種絲束能被拼接返回連續(xù)地制造管的工序。然而，優(yōu)選地，考慮到待制造管的長度和纏繞角度，選擇絲束供應以確保拼接不必沿著管的長度出現(xiàn)。
然后第二層18與第一層16相接觸地纏繞在其周圍。上述工序考慮也適用于應用第二層。在一個實施例中，該層被選擇為具有基本上相等的負載承受能力。例如，第一和第二層可具有基本上相等但方向相反的纏繞角度以及以基本上相等數(shù)量應用的纖維。
如果希望，進一步的增強纖維層可纏繞在第二層18周圍，比如如圖3所示的那樣。另外，還可以應用其它層，比如覆層等，只要它們不妨礙纖維增強物承載負載的能力，或者明顯地負面影響管的性能。
然后護套20施加在第二層18上，比如通過擠壓、噴射、浸漬、帶纏繞、收縮包裝、編織等。
襯套一般被選擇來支承由于外層應用在其周圍而帶來的負載，比如在纏繞工序和外護套的后續(xù)擠壓期間。在纏繞期間控制纏繞張力從而避免襯套塌陷是有用的。然而，有的時候，在制造期間例如通過使用輥式內壓力在一定程度上支承襯套是有用的。還有用的是，在纏繞之前利用輥或其它手段來迫使襯套具有大體圓形的橫截面，以控制成品管的橫截面形狀。
性能對于很多碳氫化合物處理操作，具有3000磅/平方英寸破裂的管視為是可接受的，約2％至5％(優(yōu)選地最大值約為3％)的襯套彎曲應變、以及至少為管外徑15倍的最小彎曲半徑在期望性質之內。本發(fā)明的管的一個實施例具有4,000磅/平方英寸的破裂。對于其它應用可期望其它性能特性。
實例一根管根據表I制造出來。

在設計階段，期望管可用于750磅/平方英寸的工作壓力。試驗顯示該管在約3,000磅/平方英寸時破裂。
管的性能在表II中示出。


很顯然，可以對所示實施例作出很多其它變化，但是都落入本發(fā)明的范圍內并且意圖是所有這些變化都被所附權利要求覆蓋。
權利要求
1.一種柔性纖維增強管，包括具有內表面和外表面的內管狀聚合襯套；以第一螺旋方向螺旋地包裹在內管狀襯套周圍并與之直接接觸的第一增強纖維層；螺旋地包裹在增強纖維下層周圍并與之直接接觸的增強纖維外層，至少一層增強纖維以與第一螺旋方向相反的第二螺旋方向螺旋地包裹；以及施加在增強纖維外層之上并與之直接接觸的外管狀護套。
2.根據權利要求1的管，其中所述增強纖維下層是第一增強纖維層或施加在第一層和外層之間的增強纖維中間層之一。
3.根據權利要求1的管，其中該管僅包括兩增強纖維層，第一層和外層。
4.根據權利要求1的管，其中除了第一層和外層之外，該管還包括至少一層增強纖維中間層。
5.根據權利要求1的管，其中內管狀襯套由至少一層熱塑性塑料或彈性體構成。
6.根據權利要求1的管，其中外管狀護套是熱塑性塑料或彈性體。
7.根據權利要求1的管，其中增強纖維是玻璃。
8.根據權利要求1的管，其中第一層和外層包括基本上相等但方向相反的纏繞角度以及以基本上相等數(shù)量應用的纖維。
9.一種柔性纖維增強管，包括內管狀聚合襯套；螺旋地包裹在內管狀襯套周圍的第一增強纖維層；螺旋地包裹在第一增強纖維層周圍并位于其外面的增強纖維外層以及應用在增強纖維外層之上的外覆層，第一增強纖維層和增強纖維外層每個都在內管狀襯套和外覆層之間基本上自由地漂移并且該管包括至少一層以第一螺旋方向包裹的增強纖維層以及至少一層以第二螺旋方向包裹的增強纖維層。
10.根據權利要求9的管，其中外層以第一螺旋方向包裹且外層以第二螺旋方向包裹。
11.根據權利要求9的管，其中該管包括至少一層位于第一層和外層之間的增強纖維中間層。
12.根據權利要求9的管，其中內管狀襯套由至少一層熱塑性塑料或彈性體構成。
13.根據權利要求9的管，其中外管狀護套是熱塑性塑料或彈性體。
14.根據權利要求9的管，其中增強纖維是玻璃。
15.根據權利要求9的管，其中增強纖維沿著第一層基本上連續(xù)并且增強纖維沿著外層基本上連續(xù)。
16.根據權利要求9的管，其中第一層和外層包括基本上相等但方向相反的纏繞角度以及以基本上相等數(shù)量應用的纖維。
17.一種柔性纖維增強管，包括內管狀聚合襯套、螺旋地包裹在內管狀襯套周圍并將其覆蓋的第一增強纖維層，該第一增強纖維層包括基本上連續(xù)且干燥的纖維、螺旋地包裹在第一增強纖維層周圍并位于其外面的增強纖維外層，該增強纖維外層包括基本上連續(xù)且干燥的纖維、以及施加在增強纖維外層之上的外覆層，該管包括至少一層以第一螺旋方向包裹的增強纖維層以及至少一層以第二螺旋方向包裹的增強纖維層。
18.根據權利要求17的管，其中外層以第一螺旋方向包裹且外層以第二螺旋方向包裹。
19.根據權利要求17的管，其中該管包括至少一層位于第一層和外層之間的增強纖維中間層。
20.根據權利要求17的管，其中內管狀襯套由至少一層熱塑性塑料或彈性體構成。
21.根據權利要求17的管，其中外管狀護套是熱塑性塑料或彈性體。
22.根據權利要求17的管，其中增強纖維是玻璃。
23.根據權利要求17的管，其中增強纖維沿著第一層基本上連續(xù)并且增強纖維沿著外層基本上連續(xù)。
24.根據權利要求17的管，其中第一層和外層包括基本上相等但方向相反的纏繞角度以及以基本上相等數(shù)量應用的纖維。
25.一種柔性纖維增強管，包括內管狀聚合襯套、螺旋地包裹在內管狀襯套周圍的第一增強纖維層、螺旋地包裹在第一增強纖維層周圍并位于其徑向外面的增強纖維外層、以及施加在增強纖維外層之上的外覆層，該管包括至少一層以正螺旋方向包裹的增強纖維層以及至少一層以負螺旋方向包裹的增強纖維層，其中第一層和外層給管提供了受控的載荷下徑向增長和受控的載荷下軸向增長。
26.根據權利要求25的管，其中外層以正或負螺旋方向之一包裹且外層以另一正或負螺旋方向包裹。
27.根據權利要求25的管，其中該管包括至少一層位于第一層和外層之間的增強纖維中間層。
28.根據權利要求25的管，其中內管狀襯套由至少一層熱塑性塑料或彈性體構成。
29.根據權利要求25的管，其中外管狀護套是熱塑性塑料或彈性體。
30.根據權利要求25的管，其中增強纖維是玻璃。
31.根據權利要求25的管，其中增強纖維沿著第一層基本上連續(xù)并且增強纖維沿著外層基本上連續(xù)。
32.根據權利要求25的管，其中第一層和外層包括基本上相等但方向相反的纏繞角度以及以基本上相等數(shù)量應用的纖維。
全文摘要
已經發(fā)明了用于傳輸流體的柔性纖維增強管。該管的柔性足以可纏繞，甚至是在冬天的溫度條件下。在埋入地下、不受限制和彎曲時，該管可容忍壓力。該管在正常處理之下顯示了抗沖擊性并且能利用連續(xù)的工序形成，以使得其能被放置的同時進行制造。一種柔性纖維增強管包括具有內表面和外表面的內管狀襯套；螺旋地包裹在內襯套周圍并與之直接接觸的第一增強纖維層；螺旋地包裹在增強纖維下層周圍并與之直接接觸的外層；以及施加在增強纖維外層之上并與之直接接觸的外管狀護套。
文檔編號F16L9/12GK1764800SQ200480008131
公開日2006年4月26日 申請日期2004年1月26日 優(yōu)先權日2003年1月27日
發(fā)明者C·A·倫德伯格, D·W·邁克雷奧德, S·G·布伊 申請人:軟管系統(tǒng)公司