专利名称：：纤维增强型脆性基复合材料管道涂层及其涂覆方法和管道的制作方法
技术领域：
：本发明涉及纤维增强型脆性基复合材料涂层及其涂覆方法以及用该方法涂覆而成的管道。背景駄树脂质材料等高分子材料通常作为防腐材料涂覆在油气管道应用领域内使用的金属管外表面，用来防止水或其它腐蚀物侵入，从而做金属管免受腐蚀损害。在管道安装以后，这一树脂质层对维持管道的完整性无比重要。但在运输和安装的过程中，管子和防腐层都有可能受到损伤，例如艇和运输过程中的5掛童,施工过程中周围的岩石落下弓胞的机Mf员伤、碰撞和磨损，为了防止这种潜在的损伤情况，一般现行的施工方式都是采用细土回填的方式，即在管沟内事先垫上一层沙土，然后将管道小心地放置到管沟中，再在整个管身上面覆盖沙子，这种沙子的颗粒细小，覆盖厚度大约超过30cm，有了这层沙土保护之后，就可以装填本地材料去恢复场地，特别是在多石地区，细土回填方法需要运输大量的沙子去包埋管道，价格高昂和耗费大量的工时。因此如果在管道防腐层外部再涂覆一层坚硬的水泥保护涂层或其它适当的外部涂层材料，则可以对管道实现一种额外的保护，甚至是一种永久性的保护，同时又可以大大地降低施工的成本。但一般的水泥涂层呈现脆性，抗碰撞3雖低，同时施工的过程中管道往往需要现场弯曲，典型的弯曲程度为1.5°/管直径。一般脆性的水泥涂层在管道弯曲时会和脱落，而失去对管道f跌的作用，因此我们需要一种可弯曲的水泥保护涂层。美国专利号4，611，635中HaroldF.Jarvis和专利号4，759，390中HaroldF.Jarvis及FrederickS.Gelfant描述了这种在管道应用中可用于金属管的水泥保护涂层。无论是用美国专利号4，611，635还是4，759,390中描述的涂层材料，为了增加涂层抗张3艘和可弯曲性，提離刃性和抗碰撞特性并抑制破裂，它采用多层结构水泥和沙石内层，钢丝网加强层，水泥和沙石外层，最后再加聚乙烯，层。在美国专利号4，544,426中JamesL.Stockman，专利号4,785,854中HaroldF.Jarvis和FrederickS.Gelfant描述了为金属管細这种结构配置的制造过程，如其,，这种复杂的分层结构纟歐佳加工。管道的7K泥涂层最先用在海洋油气管道的配重方面，加拿大专利号959，744和1，076,343明确地涉及到了这种应用。然而，由于这种涂层具有较高的脆性，应用于陆地受到限制，同时它也是采用钢丝网加强的分层结构，制备工艺复杂。
发明内容本发明的目的在于针x诉见有技术存在的不足，提供一种具有超sto性和应变^硬化特性的纤维增强M性基复合材料涂层；本发明的目的还在于提供戶;M涂层的涂覆方法；本发明的目的还在于Jit共戶;M方法涂覆而成的管道。本发明的纤维增强型脆性基复合材料涂层具有超辭刃性和应变L硬化特性，最大的拉伸形变量高于4%，比传统的水泥混凝土材料大400倍；以水泥基材料、惰性±真料、增强纤维、水和化学添加剂为原料，其中，水泥基材料为水泥及硅土沙子或依靠水硬型机制硬化的复合物；水泥、硅土沙子、惰性填料、水、化学添加剂的重量比为l:0.52.0:L21.5:0.50.8:0.010.03，上述原料混合后的总体积与增强纤维的体积比为1:0.010.04。所述惰性i真料包ffi^然沙土、金属矿沙、用于混〗肚配重层的粉末、工业废料、碳粉中的一种或多种。所述增强纤维包括金属纤维、聚合物纤维、无机纤维、天然纤维，或经过表面改性处理过的纤维的一种或多种。所述化学添加剂包括稳定齐U(stabilizingadmixtures)、衍生混合物(derivatizedcelluloses)、超塑性材料(superplasticizers)和减^R剂中的一种或多种。本发明的涂层的涂覆方、跑括下列步骤如图(3)，在管体1和塑性薄板4之间注入流动状纤维增强型脆性基复合材料3;闭^链模板6，使圆弧模板5压迫塑性薄板4，在管道周围形成涂层；管道涂层顶部增加一层复合材料层，内置一个塑l^套7，形m道；复合材料层硬化后，打开圆弧模板5和塑性薄板4，移出涂层管。本发明的涂层的第二种涂覆方飽括下列步骤如图(4)在半圆管槽8及l/4圆弧l鎌9形成的槽中注入流动状纤维增强型脆性基复合材料3;将管体1置入槽内，合上两块1/4圆弧模板9，形成涂层。本发明的涂层的第三种涂覆方、M括下列步骤如图(5)，纤维增强型脆性基复合材料3沉淀到薄膜带10，调节轧辊11控制薄膜带和复合材料纟贼的带状物的厚度;管体1绕自身纵轴旋转，使带状物包绕在管体1夕卜表面周围。本发明的涂层的第四种涂覆方、跑括下歹陟骤如图(6)，采用喷射或挤压的方式将纤维增强型脆性基复合材料3沉积在管体1表面上；管体1绕自身纵轴旋转，薄膜带10包绕在纤维增强型脆性基复合材料3外表面。本发明的涂层的第五种涂覆方、^fe括下列步骤如图(7)，采用喷射或挤压的方式将纤维增强型脆性基复合材料3沉积在管体1表面上；管体l绕自身纵轴旋转，调节车L辊11控制纤维增强型脆性基复合材料3的厚度，用光学相机12监领撮终涂层的厚度和质量。本发明的涂层的第7^巾涂覆方^括下列步骤如图(8)，在铸造套13内填充纤维增强型脆性基复合材料3;固定管体l，将铸造套13沿着管体1的纵向移动，在管体l表面形成涂层。本发明的一种用纤维增强型脆性基复合材料涂层涂覆的管道，可采用上述任何一种涂层的涂覆方法得到。所述管道由管体、粘附在管体表面的防腐材料层和包围在防腐材料层表面的纤维增强型脆性基复合材料层构成，或由管体和粘附在管体表面的纤维增强型脆性基复合材料层构成；其中所述管体是金属或合金或非金属，管壁可以等厚或不等厚。在纤维增强型脆性基复合材M^层结构内部或外部有一条或多条附加通道，用来放置电缆、光缆、或分布式光纤传感器。管道的可弯曲程度超过1.5°/管直径的永久性形变，影卜层的纤维增强型脆性基复合材料不会产生开裂鄉落。与现有技斜目比，本发明具有如下优点和有益效果-1.本发明的涂层具有潜在的本质高强度，抗冲击，耐磨损和可弯曲的特性，各项物理指标包括机械强度，抗冲击强度，拉伸延展性，可弯曲禾號，涂层厚度和材料密度等都大大优于采用钢丝网加强层形成的多层结构混凝土材f4^层的指标。同时这种各向同性和单层结构的涂层的制备工艺相对于多层结构来得简单多,省料，适合于各种连续和非连续的制备方法。2.本发明的涂层可以采用低密度的脆性基材料和更薄的涂层结构，便于对管道的运输、施工和维护，并减小材料用量和降低制造成本。对于管道配重涂层的应用，涂层则可按高密度的材料(例如金属矿沙)来隨。3.本发明的涂层可以直接涂覆在各种具有或不具有防腐层的金属管道，或本身不会腐蚀但需要做的管道外部，比如由塑料、有机物或其它材料组成的管体，以达到微管体或防腐层本身，或增加管道机械强度和提高耐高压特性，或减少管体材料的厚度等目的。4.本发明可以很容易地在制备管道复合材料涂层保护涂层的顶部或侧面附加制备一路由同样材料组成的通道，用来方便地安放或铺设电缆，光缆或分布式光纤传感器，日后在管道运行过程中起到实时监测的作用。图1(a)为本发明的纤维增强型脆性基复合材料涂层材料的应力应变曲线。图l(b)为本发明的纤维增强型脆性基复合材料涂层材料(ECC)，常规纤维增强混凝土材料(FRC)和普通混lfct材料(Concrete)的应力应变曲线的比较。图2为本发明中涂层管的三种外型结构，包括附加的通道。图3为制备本发明涂层的第一种管道涂覆方法的设备机构的前期加工和后期加工的正视图。图4为制备本发明涂层的第二种管道涂覆方法的设备机构加工过程的正视图。图5为制备本发明涂层的第三种管道涂覆方法的设备机构加工过程的立体图。图6为制备本发明涂层的第四种管道涂覆方法的设备机构加工过程的立体图。图7为制备本发明涂层的第五种管道涂覆方法的设备机构的正视图和立体图。.图8为制备本发明涂层的第六种管道涂覆方法的设备机构的立体图。具体实式实施例l:纤维增强型脆性基复合材料组成成分及配比。纤维增强MDI性基复合材料按以下配比普通I号波^7K泥重量为1单位，fet沙子、粉煤灰、水和减水剂相对7jC泥的重量比分别为0.5:1.2:0.5:0.01;聚乙烯醇纤维相对上述原料混合后的总体积比为o.oi。实施例2:纤维增强型脆性基复合材料组成成分及配比。纤维增强型脆性基复合材料按以下配比普通I号波兰水泥重量为1单位，硅土沙子、铁矿沙、7j^口M7jC齐湘对水泥的重量比分别为0.8:1.5:0.8:0.03;钢丝纤维相对战原料混合后的总体积比为0.02。实施例3:纤维增强型脆性基复合材料组成成分及配比。纤维增强ME性基复合材料按以下配比普通I号波兰7jC泥重量为l单位，硅土沙子、碳粉、水和M7K剂相对水泥的驢比分别为2.0:1.4:0.6:0.02;玻璃纤维相对上述原料混合后的总体积比为0.04。实施例4:比较本发明的复合材料涂层与采用普通的钢丝网加强三层结构源fch涂层的相^tl理性能的测试值和性能。纤维增强MM生基复合材料按以下配比普通I号波兰水泥重量为1单位，lfch沙子、粉煤灰、水和减水剂相X才7jC泥的重量比分别为0.9:1.4:0.6:0.02;聚乙烯醇纤维相对上述原料混合后的总体积比为0.03。在半圆管槽8及1/4圆弧模板9形成的槽中注入流动状纤维增强型脆性基复合材料3;再将管体l置入槽内，合上两块l/4圆弧模板9，形成涂层。对该涂层与采用普通的钢丝网加强的混凝土管道涂层(外加lmm厚的聚乙烯包艱)的主要性倉继行测试，表1是按本发明制备的纤维增强型脆性基复合管道涂层主要性能的测试结果。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由表l数据可见，按本发明制备的纤维增强型脆性基复合管道涂层的厚度是普通的钢丝网加强的混Mi:，涂层(外加l咖厚的聚乙烯包裹层)厚度的一半，但它的抗冲击,抗磨损强度,可延展性和可弯曲度的性育腿优于普通的混凝土管道涂层。实施例5:图1为本发明中的纤维增强鹏性基复合材茅縣层材料的应力应变曲线，具体体现了本发明中纤维增强型脆性基复合材料拉伸应变硬化的行为,非开裂拉伸形变量高于4%，而普通的混fch材料(Concrete)是脆性的，非开裂最大拉伸形变量小于0.01%，常规的纤维增强源肚材料(FRC)呈现准脆性和拉伸应变软化的特性，非开裂最大拉伸形变量小于O.5%。实施例6:图2为本发明中涂层管的三种外型结构图2a均匀等厚，该管道只包括管体和粘附在管体表面的纤维增强型脆性基复合材料层。图2b包括附加的通置(闭合式)，图2c包括附加的通道(开发式)，涂层管道由管体l、防腐聚合材料层2、纤维增强型脆性基复合材料涂层3构成；涂层3结构内部有一条附力啲鹏4，用来安放电缆、光缆或分布式光纤传麟，但这条通道不是必须的。图2a为本发明有可能这样加工在复合材料涂层结构中不含有附加通道，图2b和图2c为本发明也可以这样加工在复合材料涂层结构中含有一条的附加鹏，分别为闭合式和开发式。实施例7:图3为本发明涂层的第一种管道涂覆方法的设备机构的前期加工和后期加工的正视图。图3a为本发明涂层管道涂覆的第一种方法的设备机构的前期加工的正视图。图3b为本发明涂层管道涂覆的第一种方法的设备机构的后期加工的正视图。涂覆方法按下歹陟5驗行在管体l和内衬塑性薄板4之间注入流动状纤维增强ME性基复合材料3;闭，^^莫板6，使圆弧模板5压迫塑性薄板4，在管道周围形成涂层；管道涂层顶部增加一条复合材料层，内置一个塑料护套7，形成通道；复合材料层硬化后，打开圆弧模板5和塑性薄板4，移出涂层管。实施例8:图4为本发明涂层的第二种管道涂覆方法的设备机构加工过程的正视图，所述涂覆方法按下列步骤进行在半圆管槽8及1/4圆弧模板9形成的槽中注入流动状纤维增强型脆性基复合材料3;将管体l置入槽内，合上两块l/4圆弧模板9，形成涂层。实施例9:图5为本发明涂层的第三种管道涂覆方法的设备机构加工过程的正视图，所述涂覆方法按下列步M行纤维增强,性基复合材料3沉淀到薄膜带10，调节轧辊ll控制薄膜带和复合材料组成的带状物的厚度；管体l绕自身纵轴旋转，使带状物包绕在管体l外表面周围。实施例10:图6为本发明涂层的第四种管道涂覆方法的设备机构加工过程的正视图，所述涂覆方法按下列步骤进行采用喷射或挤压的方式将纤维增强Mlt性基复合材料3沉积在管体1表面上，管体l绕自身纵轴旋转，薄膜带10包绕在纤维增强型脆性基复合材料3外表面。实施例11:图7为本发明涂层的第五种管道涂覆方法的设备机构的正视图和立体图。图7a为本发明涂层的第五种管道涂覆方法的设备机构的正视图。图7b为本发明涂层第五种管道涂覆方法的设备机构的立体图。该方法按下列步骤进行采用喷射或挤压的方式将纤维增强型脆性基复合材料3沉积在管体1表面上；管体l绕自身纵轴旋转，调节车L辊11控制纤维增强型脆性基复合材料3的厚度，用光学相机12监测最终涂层的厚度和质量。实施例12:图8为本发明涂层的第六种管道涂覆方法的设备机构的立体图。所述涂覆方法按下列步骤进行在铸造套13内填充纤维增强型脆性基复合材料3;固定管体(l)，将铸造套13沿着管体1的纵向移动，在管体1表面形成涂层。权利要求1、一种纤维增强型脆性基复合材料涂层，其特征在于以水泥基材料、惰性填料、增强纤维、水和化学添加剂为原料制成，其中，水泥基材料为水泥及硅土沙子或依靠水硬型机制硬化的复合物；水泥、硅土沙子、惰性填料、水、化学添加剂的重量比为1∶0.5～2.0∶1.2～1.5∶0.5～0.8∶0.01～0.03，上述原料混合后的总体积与增强纤维的体积比为1∶0.01～0.04。2、根据权利要求l戶腿涂层，其特征在于，戶脱惰性填料包括天然沙土、金属矿沙、用于混凝土配MM的粉末、工业废料、碳粉中的一种或多种。3、根据权利要求l所述涂层，其特征在于，所述增强纤维包括金属纤维、聚合物纤维、无机纤维、天然纤维或经过表面涂层改性纤维中的一种或多种。4、根据权利要求l戶皿涂层，其特征在于，皿化学添加剂包括稳定剂、衍生混合物、超塑性材料和减水剂的中一种或多种。5、权利要求1-4之一戶7M涂层的涂覆方法，其特征在于包括如下步骤第一步在管体(1)和塑性薄板(4)之间注入流动状纤维增强型脆性基复合材料(3);第二步闭賴掛鎌(6)，使圆弧模板(5)压迫塑性薄板(4)，在管道周围形成涂层；第三步^tit涂层顶部增加一层复合材料层，内置一个塑料护套(7)，形成一条附加M;第四步复合材料层硬化后，打开圆弧模板(5)和塑性薄板(4)，移出涂层管。6、权利夢求l-4之一臓涂层的涂覆方法，其特征在于包括如下步骤第一步在半圆管槽(8)及1/4圆弧模板(9)形成的槽中注入流动状纤维增强型脆性基复合材料(3);第二步将管体(1)置入槽内，合上两±央1/4圆弧模板(9)，形成涂层。7、权禾腰求1-4之一臓涂层的涂覆方法，其特征在于包括如下步骤第一步纤维增强型脆性基复合材料(3)沉淀到薄膜带(10)，调节轧辊(11)控制薄膜带和复合材料组成的带状物的厚度；第二步管体(1)绕自身纵轴旋转，使带状物包绕在管体(1)外表面周围。8、权禾腰求1-4之一戶腿涂层的涂覆方法，其特征在于包括如下步骤第一步采用喷射或挤压的方式将纤维增强M性基复合材料(3)沉积在管体(1)表面上;第二步管体(1)绕自身纵轴旋转，薄膜带(10)包绕在纤维增强型脆性基复合材料(3)外表面。9、权利要求l-4之一m涂层的涂覆方法，其特征在于包括如下步骤第一步采用喷射或挤压的方式将纤维增强型脆性基复合材料(3)沉积在管体(1)表面上;第二步管体(1)绕自身纵轴旋转，调节轧辊(11)控制纤维增强型脆性基复合材料(3)的厚度，用光学相机(12)监领撮终涂层的厚度和质量。10、权利要求l-4之一所述涂层的涂覆方法，其特征在于包括如下步骤第一步在铸造套(13)内i真充纤维增强型脆性基复合材料(3);第二步固定管体(1)，将铸造套(13)沿着管体(1)的纵向移动，在管体(1)表面形成涂层。11、一种采用权利要求5-10之一的方法得到的纤维增强型脆性基复合材料涂层涂覆的管道，其特征在于由管体、粘附在管体表面的防腐材料层和包围在防腐材料层表面的纤维增强型脆性基复合材料层构成，或管体和粘附在管体表面的纤维增强MDt性基复合材料层构成。12、一种采用权利要求5-10之一的方法得到的纤维增强型脆性基复合材料涂层涂覆的管道，其特征在于在纤维增强型脆性基复合材料涂层结构内部或外部有一条或多条附嗵道，用来放置电缆、光缆或分布式光纤传繊。全文摘要本发明涉及一种纤维增强型脆性基复合材料管道涂层及其制备方法以及用该方法涂覆的管道，所述涂层以水泥基材料、惰性填料、增强纤维、水和化学添加剂为原料制成；得到的管道由管体、粘附在管体表面的防腐材料层和包围在防腐材料层表面的纤维增强型脆性基复合材料层构成，或管体和粘附在管体表面的纤维增强型脆性基复合材料层构成。这种管道涂层各向同性、拉伸应变硬化、抗冲击、抗磨损和可弯曲；可用于保护管道本身和管壁外的防腐层不受损伤，增加管道本身的机械强度，减少管道主体材料的壁厚或作管道水泥配重；涂覆的管道可弯曲程度可超过1.5°/管直径的永久性形变，最外层的涂层不会产生开裂或脱落。文档编号F16L9/18GK101113800SQ200710142709公开日2008年1月30日申请日期2007年8月15日优先权日2007年8月15日发明者杜卫冲,维克托·李,迈克尔·奈派克申请人:微观工程复合材料技术公司