具有嵌入式传感元件的复合带和复合杆的制作方法
【专利说明】具有嵌入式传感元件的复合带和复合杆
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求申请日为2013年7月2日的序列号为61/841,963的美国临时专利申请 的提交权益，通过引用将其全部内容并入本文。
[0003] 发明背景
[0004]由在聚合物树脂中嵌入的纤维形成的复合带和复合杆用于各种各样的应用中。例 如，这样的带并且更特别地由这样的带形成的杆可用作轻质结构增强件。这样的杆的一种 特别应用在石油和天然气行业中，例如在水下应用中以及在陆地石油和天然气生产领域。 在陆地或水下应用中，例如可在立管、传送管线、连接件(umbilical)和/或其它合适的管组 件中使用多层管。在生产领域应用中，可在立管、安装地点流动线、输出管线和/或其它合适 的管组件中使用多层管。电力连接件例如经常用于在海面和位于海床上的设备之间传送流 体和/或电信号。为了帮助增强这样的连接件，试图使用拉挤碳纤维杆作为单独的负载元 件。这样的杆的其它应用例如可以包括在高电压电缆、系绳等中的用途。带的应用例如可以 包括在高压容器中提供对其的增强的用途。总的来说，复合带和复合杆可用于例如可需要 高强度重量比元件、高耐腐蚀性和/或低热膨胀性质的任何合适的应用中。
[0005] 然而，目前已知的用于制造复合带和复合杆的方法和装置存在许多显著的问题。 例如，典型地通过使用聚合物树脂浸渍纤维粗纱来形成复合带和复合杆。许多粗纱依赖于 热固性树脂(例如乙烯基酯)来帮助实现所需的强度性质。热固性树脂难以在制造过程中使 用，并且不具有用于与其它材料形成层的良好的结合特性。此外，在其它类型的应用中，试 图由热塑性聚合物来形成浸渍的粗纱。例如，Bryant等人的美国专利公开号2005/0186410 描述了试图将碳纤维嵌入热塑性树脂中以形成电传递电缆的复合芯部。令人遗憾的是， Bryant等人注意到：由于纤维未充分润湿，这些芯部表现出缺陷和干斑，其导致不良的耐久 性和强度。这样的芯部的另一个问题在于热塑性树脂无法在高温下工作。
[0006] 最近，开发了允许使用热塑性树脂和纤维粗纱来形成复合带和复合杆的方法和装 置。然而，这些目前已知的方法和装置的使用在一些情况中导致复合杆具有所不需要的高 空隙度。另外，目前已知的方法和装置典型地为昂贵的，并产生高度过量的废物。
[0007] 更进一步地，复合带和复合杆以及其中使用复合带和复合杆的部件和应用的监控 变得越来越受到关注。例如，在高压应用中，可需要监控复合带和/或复合杆的性能，使得可 以在显著损坏或失效发生之前从服务中移除使用复合带和复合杆的部件。另外，在复合带 和/或复合杆经受显著有害暴露的应用中，例如在石油和天然气应用中，类似地可需要监控 复合带和/或复合杆的完整性和/或暴露，使得可以在完整性的破坏或者过度暴露发生之前 从服务中移除使用复合带和复合杆的部件。
[0008]据此，改进的带和杆以及用于形成这样的复合材料的改进的系统和方法在本领域 中是所需的。特别地，目前存在对于具有传感特性的带和杆的需求，其可以监控和报告带和 杆的性能、暴露等的变化。另外，目前存在对于具有这样的带和杆的需求，所述带和杆具有 这样的传感特性并进一步提供所需的强度、耐久性、温度性能以及由特定应用所要求的尺 寸需求。
[0009] 发明概述
[0010] 根据本公开的一种实施方案，公开了一种复合带。所述复合带包括热塑性材料和 嵌入所述热塑性材料中的多根连续纤维。所述多根连续纤维在所述热塑性材料内具有整体 上单向的取向。所述复合带进一步包括嵌入所述热塑性材料中的传感元件。
[0011] 根据本公开的另一种实施方案，公开了一种复合杆。所述复合杆包括芯部。所述芯 部包括热塑性材料和嵌入所述热塑性材料中的多根连续纤维。所述多根连续纤维在所述热 塑性材料内具有整体上单向的取向。所述芯部进一步包括嵌入所述热塑性材料中的传感元 件。所述芯部具有约5%或更小的空隙分数。
[0012] 在下文更加详细地阐明本发明的其它特征和方面。
【附图说明】
[0013] 将在本说明书的余下部分中（包括参考附图）更加具体地阐明本发明的全面和授 权的公开内容，包括对于本领域技术人员而言的最佳实施方式，其中：
[0014] 图1为根据本公开的一种实施方案的压力容器的透视图；
[0015] 图2为根据本公开的一种实施方案的电缆的透视图；
[0016] 图3为根据本公开的一种实施方案的浸渍系统的示意性说明；
[0017] 图4为根据本公开的一种实施方案的模具的透视图；
[0018] 图5为图4中所示模具的横截面视图；
[0019] 图6为根据本公开的一种实施方案的用于模具的歧管组件和浇口通道的分解图；
[0020] 图7为根据本公开的一种实施方案的至少部分地限定浸渍区域的第二浸渍板的一 种实施方案的透视图；
[0021] 图8为根据本公开的一种实施方案的浸渍区域的一部分的特写横截面视图；
[0022]图9为根据本公开的一种实施方案的浸渍区域的下游端部的特写横截面视图；
[0023] 图10为根据本公开的一种实施方案的台阶(land)区域的透视图；
[0024] 图11为根据本公开的一种实施方案的台阶区域的透视图；
[0025] 图12为根据本公开的一种实施方案的用于将传感元件引导至带内的引导组件的 透视图；
[0026] 图13为可在本发明中使用的拉挤成型系统的一种实施方案的示意性说明；
[0027] 图14为根据本发明可使用的各种校准模具的一种实施方案的俯视横截面视图；
[0028] 图15为根据本发明可使用的校准模具的一种实施方案的侧视横截面视图；
[0029] 图16为根据本发明可使用的校准模具的一种实施方案的一部分的正视图；
[0030] 图17为根据本发明可使用的成形辊的一种实施方案的正视图；
[0031] 图18为根据本发明可使用的浸渍模具和固化模具的侧视图，包括用于嵌入传感器 元件的管；
[0032] 图19为根据本发明可使用的浸渍模具和固化模具的侧视图，包括用于便于嵌入传 感器元件的管；
[0033] 图20为根据本发明可使用的浸渍模具、固化模具和校准模具的侧视图，包括用于 嵌入传感器元件的管；
[0034] 图21为根据本发明可使用的用于嵌入传感器元件的固化通道的透视图；
[0035] 图22为根据本发明可使用的用于嵌入传感器元件的一种替代性的固化通道的透 视图；
[0036] 图23为根据本公开的一种实施方案的带的透视图；
[0037] 图24为根据本公开的一种实施方案的带的横截面视图；以及
[0038] 图25为根据本公开的一种实施方案形成的复合杆的透视图；并且
[0039] 在本说明书和附图中附图标记的重复使用意图表示本发明的相同或相似的特征 或要素。
[0040] 代表性实施方案的详细描述
[0041] 本领域普通技术人员要理解的是，本讨论仅描述了示例性的实施方案，并不意图 作为本发明更宽范围的限制。
[0042] 总的来说，本公开涉及在其中嵌入传感元件的带和杆。所述传感元件可有利地监 控和报告带和/或杆、以及使用所述带和/或杆的部件的性能和/或暴露的变化。另外地或者 可替代地，所述传感元件可以监控和报告所述带、杆和/或部件所经受的环境的变化。这样 的监控和报告可以允许在失效之前从服务中将所述带、杆和部件移除、修复或者以其它方 式进行调整。另外地或者可替代地，这样的监控可以允许对在各种应用中使用的其它部件 做出调整，以根据需要来补偿性能、暴露或环境所报告的任何变化。
[0043]根据本公开形成的带或杆包括连续纤维增强的热塑性（"CFRT"）材料。CFRT材料包 括热塑性材料和嵌入其中的多根连续纤维。在根据本公开的带和杆中使用的合适的热塑性 材料例如包括聚烯烃(例如聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物等）、聚酯（例如聚对苯二甲酸丁二醇 酯（"PBT"））、聚碳酸酯、聚酰胺(例如PA12、Nyl 〇n?)、聚醚酮(例如聚醚醚酮（"PEEK"））、聚醚 酰亚胺、聚亚芳基酮(例如聚亚苯基二酮（"ΡΗ)Κ"））、液晶聚合物、聚亚芳基硫醚(例如聚苯 硫醚（"PPS"）、聚二亚苯基硫醚酮、聚亚苯基硫醚二酮、聚二亚苯基硫醚等）、含氟聚合物(例 如聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物、全氟-烷氧基链烷聚合物、四氟乙烯聚合物 (petraf luoroethylene)、乙稀-四氟乙稀聚合物等）、聚缩醛、聚氨酯、聚碳酸酯、苯乙稀聚 合物(例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（"ABS"）），等等。
[0044] 根据本公开的热塑性材料可以进一步包括嵌入其中以增强热塑性材料的多根纤 维。在示例性实施方案中，CFRT材料包括连续纤维，尽管应当理解的是，在其中还可包括长 纤维。所述纤维可分散于热塑性材料中以形成CFRT材料。如在其中所使用的，术语"长纤维" 通常意指非连续的纤维、丝、纱线或粗纱，且与"连续纤维"相反，其通常意指具有通常仅由 部件长度限制的长度的纤维、丝、纱线或粗纱。在聚合物材料中分散的纤维可以由本领域已 知的任何常规材料形成，例如金属纤维、玻璃纤维(例如E玻璃、A玻璃、C玻璃、D玻璃、AR玻 璃、R玻璃、S玻璃例如S1玻璃或S2玻璃），碳纤维(例如石墨）、硼纤维、陶瓷纤维(例如氧化铝 或氧化娃）、芳族聚酰胺纤维（例如由E · I · duPont de Nemours，Wilmington，Del ·销售的 Kevlar?)、合成有机纤维（例如聚酰胺、聚乙烯、聚对苯、对苯二甲酰胺、聚对苯二甲酸乙 二醇酯和聚苯硫醚），以及已知用于增强聚合物组合物的各种其它天然或合成的无机或有 机纤维材料。玻璃纤维、碳纤维和芳族聚酰胺纤维为特别所需的。在示例性的实施方案中， 如在图18中所示的，连续纤维可为整体上单向的。
[0045] 根据本公开的带或杆进一步包括嵌入其中的一个或多个传感元件。每个传感元件 嵌入热塑性材料中，并经配置以监控和/或报告所述带和/或杆的性能的变化。在一些实施 方案中，传感元件例如可以是光纤电缆。可替代地，传感元件可以是射频识别（"RFID"）发射 器。更进一步地，传感元件例如可以是铜纤维、铝纤维、或其它合适的金属或金属合金纤维。 更进一步地，传感元件例如可以是传导液体传感电缆、水传感电缆、燃料或油传感电缆、或 者液体有机溶剂电缆，其例子可见于Tsuen Wan，NT，Hong Kong的CAS Systems Limited。当 带或杆的性能、暴露或周围环境发生变化时，传感元件的性质可变化。这样的性质例如可以 包括电信号(例如电压）、光学信号强度、光振幅干涉、微张力、和被动射频信号强度。可基于 例如如上所述的性质来直接地或者优选间接地测量的其它这样的性质包括位移、应变、温 度和pH水平。可监控并校正性质的这些变化，使得可由这些性质变化来接收性能、暴露或环 境的变化。根据本公开的传感元件的使用由此允许带、杆、使用所述带和/或杆的部件、和/ 或在其应用中将被移除、修复、替换和/或调整的其它部件。
[0046] 在图1中示出使用根据本公开的带158的应用的一种实施方案。在这种实施方案 中，提供了具有侧壁12的压力容器10。根据本公开形成的带158围绕压力容器10、例如围绕 侧壁12进行缠绕，从而增强压力容器10。由带158提供因增强的强度并且在这种实施方案中 特别是增强的环向抗拉强度所致的提高的额定压力。可以根据需要或需求周向地、螺旋地 或者以任何其它的方式缠绕所述带158。另外，可加热带158以促进固化和与压力容器的结 合，并在压力容器上施加之后，可将其冷却以进一步促进固化和结合。
[0047] 在图2中示出使用根