具有复合材料管和金属连接器的管元件的制作方法
【专利说明】具有复合材料管和金属连接器的管元件
[0001]本发明涉及一种管元件，该管元件具有由纤维增强塑料制成的管和至少一个金属连接器，该金属连接器与该管连接，使得连接装置可以传递扭矩和轴向力，并且该金属连接器具有螺纹、尤其是圆锥形螺纹，或法兰，通过所述螺纹或法兰可以将金属连接器与另一个金属连接器螺纹连接，以便连接两个管元件。本发明还涉及一种用于制造这种管元件的方法。
[0002]现有技术中，例如在用于石油钻探的钻杆中已知这种管元件，其具有由纤维增强塑料、主要是CFK(碳纤维增强塑料)制成的管和用于连接两个管元件的金属连接器，以便提供比迄今一般的钢质钻杆更轻的钻杆。CFK在重量较小的情况下提供高强度和刚度。然而它仅允许非常有限的后处理，并且几乎不可能用其制造有承载能力的连接件、例如螺纹。因此使用固定在管端部上的金属连接器。现有技术中通过径向插入的销钉进行在金属连接器和塑料管之间的连接。为了传递较高的扭矩和力并且经受不利的环境条件，需要多个足够大尺寸的销钉分布在圆周上。其弊端在于，这种管元件的安装由此比较耗费。此外无论是塑料管中还是金属连接器中，在连接区域内必须存在足够的材料，以便可以补偿由用于销钉的孔造成的削弱。这必然导致较厚和较大的连接区域或导致承载能力较小的管元件。另一种解决方案是粘接连接。然而难以实施对其质量的保证。
[0003]本发明所要解决的技术问题是，提供一种管元件，该管元件具有安装更简单、更可靠的且空间需求更少的在金属连接器和纤维增强塑料管之间的连接装置，以及提供一种用于制造这种管元件的方法。按本发明的管元件应当特别适合用于例如石油钻探时的钻杆，或适用于其他的应用、如驱动轴或如在石油源和运输平台之间的管连接装置，该运输平台例如在海上输油时用作所谓的冒口(Riser)。
[0004]该技术问题对于管元件来说按本发明由此解决，金属连接器以连接区域从外部包围管，存在配合套筒，该配合套筒以连接区域与管的内侧接触，金属连接器和配合套筒分别具有圆柱形螺纹，通过圆柱形螺纹将金属连接器和配合套筒相互螺纹连接。通过圆柱形的螺纹连接确保，使连接区域可靠且按规定地接触。该解决方案的优点是，大大简化了在金属连接器和复合材料管之间的连接装置的安装，方式是只需两个金属部件相互螺纹连接。圆柱形螺纹需要较少的沿径向的结构空间并因此就直径而言非常节省空间，这能够实现实施得非常细的连接装置。为了可以传递更大的力，可以增大螺纹长度和/或增大在管上的连接区域的长度。
[0005]管优选具有由玻璃纤维或芳纶纤维构成的或特别优选由碳纤维构成的纤维增强部。在此，纤维以粗纱或织造织物带或稀松平纹织物带(通常为非织造带)卷绕的方式分别一层或多层并且也组合地布置。纤维增强部被塑料基质包围。作为基质材料特别适合的是热塑性塑料或优选热固性塑料、如环氧树脂。基质材料在卷绕之前可以已经存在于纤维增强部上，或在卷绕时或卷绕之后被涂覆。硬化或固化通过在炉中的热处理实现。金属连接器和配合套筒优选由钢、铸钢、铸铁、铝合金或钛制成。在驱动轴的情况下，代替用于连接两个管元件的圆锥形螺纹优选使用法兰，通过该法兰将管元件相互螺纹连接。本发明可以同样有利地使用于这种管元件。
[0006]改善连接的质量和安装特性的按本发明实施方式的其他有利特征存在于各从属权利要求中。
[0007]为了实现良好的力传递并因此可靠且牢固的连接，在金属连接器上和在配合套筒上的圆柱形螺的优选的长度处于螺纹直径的10%到500%之间、特别优选在10%到100%之间的范围内。连接区域的优选的轴向长度为螺纹直径的10%到500%之间、特别优选100%到500%之间，管在所述连接区域中被夹在金属连接器和配合套筒之间。
[0008]管元件可以在与第一金属连接器对置的第二管端部上具有第二金属连接器，该第二金属连接器如同第一金属连接器一样与管连接。多个管元件可以这样相互连接成一条较长的线路，该线路可以传递扭矩和轴向力。若金属连接器具有圆锥形螺纹，则有利的是，第一金属连接器具有圆锥形内螺纹，第二金属连接器具有匹配的圆锥形外螺纹。但分别具有两个圆锥形内螺纹和两个圆锥形外螺纹的管元件也可以始终交替地组合成一条较长的路线。
[0009]特别优选，管在外侧上具有连接区域，该连接区域是圆锥形地朝所述管端部变尖的表面并且与金属连接器的连接区域接触，其中，该连接区域设计成相应配合地圆锥形成型的表面。就连接区域而言，在本申请中理解为锥形，从而表面或者具有直边圆锥形状或曲边圆锥形状。也就是说该表面沿轴向不仅可以具有直的而且具有连续弯曲的走向。圆锥形地变尖理解为，表面的直径沿轴向减小，圆锥形地扩宽理解为，该直径沿轴向增大。
[0010]通过圆锥形形状，在通过圆柱形螺纹螺纹连接在一起时，在金属连接器和配合套筒之间的管的连接区域上产生表面压力，由此，该连接装置可以传递更大的力。除了夹紧夕卜，可以在金属连接器和管之间的连接区域内施加粘结剂。这增大了连接装置的强度并且可以保证管的内部空间和周围环境之间的密封。此外，在建立管和金属连接器之间的连接时，粘结剂降低零件之间的摩擦。
[0011]优选，管外侧在与金属连接器的连接区域中的圆锥体相对管的轴线的倾斜角在0.1°到30°之间、特别优选在0.5°到5°之间。因此，可实现特别可靠的连接。太小的角度不能实现较高的表面压力，太大的角度减小连接面可供使用的轴向长度。
[0012]为了实现在连接装置中更大的表面压力或作为在管外侧上圆锥形表面的备选，管可以在内侧上具有连接区域，该连接区域是圆锥形地朝所述管端部变尖的表面并且与配合套筒的连接区域接触，其中，配合套筒的连接区域设计成相应配合地圆锥形成型的表面。此处也可以在配合套筒和管之间施加粘结剂。
[0013]优选，管内侧在与配合套筒的连接区域内的圆锥体相对管轴线的螺旋角为0.1°
至Ij 30°之间、特别优选在0.5°到5°之间。
[0014]为了在制造时简化管的卷绕，可以存在内管，该内管尤其由金属或纤维增强塑料或热塑性塑料制成，并且优选设有在内侧上的涂层，该涂层由比内管更耐油或钻孔液或其他化学试剂的材料制成，其中，纤维复合管卷绕在内管上，以便这样形成整个管结构，并且其中，内管具有比纤维复合管更小的壁厚。作为涂层的备选，内管可以由更耐油或钻孔液或其他化学试剂的材料制成。
[0015]对于一些应用、例如对于钻杆来说应当通过管元件传递数据或电能。为此，可以在管的壁中或在内管和管之间存在电线，该电线从管的一端延伸至管的另一端并且与插头连接，该插头位于金属连接器的内部，并且在管元件与另一个管元件通过尤其圆锥形螺纹或法兰螺纹连接时，该插头适合于与另一个管元件中的另一个插头或电线形成电连接。一个优点是，电线在管的壁中被保护。插头可以尤其是环形地设计。插头此处一般理解为适合建立电连接的部件，通过该电连接可以传递数据或能量。在管元件之间的电连接可以通过插头与配合触点的物理接触建立或通过插头与配合件的电磁耦合、即无线地实现。在此，在管元件上也可以存在多根电线和/或多个插头。
[0016]为了针对其中有油或其他介质流动的内部空间对插头进行保护，配合套筒可以具有布置在配合套筒与连接区域对置的端部上的挡板，该挡板设计成，使得在安装好管元件时，插头沿径向看完全地位于金属连接器和配合套筒之间。
[0017]为了将电线在旋拧在金属连接器上时能不被损坏地在金属连接器的区域内从管导引至插头，配合套筒优选具有在圆柱形螺纹内的轴向槽或具有在圆柱形螺纹下方的材料中的轴向的纵向孔。槽更可容易制造。纵向孔的优点是，螺纹由此不被中断并且不被削弱。
[0018]当多个管元件在运行中旋拧在一起并且旋拧分开的情况下，为了使配合套筒和金属连接器之间的圆柱形螺纹连接装置不再松脱，有利的是，在配合套筒和金属连接器之间设有扭转止动器。该扭转止动器尤其可以设计成优选在配合套筒的端面上的焊缝。焊缝可以设计成连续或中断的环形或设计成一系列焊点。备选地，扭转止动器也可以设计成至少一个销钉，该销钉轴向地插入配合套筒和金属连接器之间的孔中。
[0019]因为在一些应用中，管元件被流体介质，例如油或钻孔液流过，所以重要的是将压力损失保持得很小。为此有利的是，配合套筒的内表面具有沿轴向完全连续走向的内部型材而无边棱或台阶突变。该连续的类似喷嘴的走向导致流动优化的、在不同管元件的连接部位的区域内具有较小压力损失的管元件。迄今已知的管元件的缺点是，这些管元件在连接区域内造成更大的压力损失。通过按本发明类型的在金属连接器和管之间的连接装置可以实现，通过配合套筒形成流动优化的内部型材。
[0020]对于按本发明的用于制造上述管元件的方法，本发明的技术问题由此解决，
[0021]-通过纤维材料围绕芯件、尤其是在内管上的卷绕而制造管，
[0022]-在利用纤维材料制造管时在连接区域内卷覆配合套筒，
[0023]-与纤维材料共同地或在纤维材料之后涂覆基质材料，
[0024]-将管与配合套筒共同地在炉中热处理，其中，硬化或固化基质材料，
[0025]-以及将金属连接器利用其