专利名称：管子结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在油、气、水和化学工业领域所用的复合结构的管子。
通过螺旋缠绕多条金属带而且把这些金属带包埋在塑料填质内的办法生产管子是已知的。
美国专利US-4，657，049描述了这种管子的生产方法，该方法是将至少一条金属加强带螺旋地缠绕到一个芯筒上，所说的带上涂有聚合的粘结材料并包埋在聚合的粘结材料当中。因此，由金属带许多连续的螺旋所构成的管子完全包埋在聚合材料当中。在这种结构中，聚合材料仅提供有限程度的耐腐蚀性，因此，不适合许多管子的应用场合。
美国专利US-4，351，364描述了一种类似的管子构造方法，该管子也具有由填充了树脂的玻璃纤维层构成的内衬和外衬层。玻璃纤维层包括编织物和碎裂的纤维绳网。内衬层的目的是提供高的耐腐蚀性和低的流动阻力，而外衬层的目的是适应环境条件。虽然在管子的内部和外部的玻璃纤维加强了的衬层提高了耐蚀性、耐磨性和耐其它环境条件，但是，由于在玻璃纤维网和织物当中不可避免地要保持孔隙，所以，它们(指衬层)并没有较大地改善管子的强度，也没有提供最佳的耐蚀性。
本发明的一个目的是提供具有这样一种结构的管子-即，它不仅具有耐蚀性和耐磨性，而且具有提高了的强度和刚度。另一个目的是，提供一种管子结构，当这种管子应用于高压情况下，在升高的压力接近极限的破裂压力时，这种结构将产生一种泄露破坏方式。
根据本发明的第一个方面，提供一种具有由纤维加强了的塑料构成的内衬层和外衬层的管子，内、外衬层之间具有一个由螺旋缠绕的钢带组成的芯层，钢带被包埋在塑料填质当中，其中，内、外衬层是纤维长丝线圈。
长丝线圈可以是单丝或者可以是由多丝纤维束缠绕的。
长丝线圈可以以相对于管子轴线来说为正55°和负55°的角度布置，偏差范围为正或负5°。在希望实现环向和轴向负载的最佳平衡的情况下，例如，在圆筒状的管子必须承受全压和全负载的情况下，要选择+和-55°的缠绕角。要选择精确的角度，以便符合管子的作业要求。
长丝线圈层的交错或组可以相对于管子轴线来说，彼此以不同的正或负角度布置。
业已发现，由长丝卷成的纤维加强了的内、外衬层的使用不仅进一步提高了耐蚀性、耐磨性和耐环境侵袭性，而且赋予整个管子额外的强度和刚度。额外提高的强度和刚度的程度可通过计算来确定，它取决于基础衬层和钢带材料的性质、衬层与整个钢层厚度的比率、以及衬层线圈相对于管子轴线的螺旋角。业已发现，由于长丝缠绕的衬层赋予额外的强度，所以，要生产给定强度的管子，则钢带层的数量可以减少，这样，制造管子时更经济一些，而结构方面也更轻一些。另外，与相似的现有技术更高完整性、更低的孔隙度的树脂填质。现有的使用了玻璃纤维加强了的塑料(GRP)的管子结构不适用于高压情况下，这是由于难以完全填充编织的和碎裂的绳索型纤维加强物，而造成了微破裂和多孔性。本发明的管子克服了这些问题，是因为显著地改善了长丝缠绕层的填充程度。本发明的管子的衬层的降低了的孔隙度显著地降低包埋着的钢带被腐蚀可能性。
长丝缠绕的衬层的使用还使得本发明的管子能够用在高压场合。现有结构中的多孔性在引起局部破裂的压力条件下，甚至在比较低的压力条件下，会导致局部应变，最终导致泄漏和破坏。
在工作压力下，由于比较高的模数的钢带层的存在，所以，长丝缠绕的衬层只承受较低程度的应变。管子压力的允许能力可通过这样确保衬层的应变能力来提高-即使得只有在钢带层已经被加载到占它们的极限应变的主要部分之后，最好是大于它们的屈服应变之后，衬层才在一预定压力下破坏。决定衬层的应变能力的一种有效的措施是恰当地选择长丝的缠绕角。本发明的一个主要优点是，管子结构的应变能力可以控制，以便在极限的压力破坏发生之前，在一个预定的压力下给出一种泄漏破坏方式。
在这种关系中，我们发现，内长丝缠绕衬层和外长丝缠绕衬层对管子的极限压力允许能力的影响在一些压力条件下变得重要，高于该压力，钢带的屈服已以发生。因此，对于如此设计的管子结构来说，在内部压力下，在一个环向应变平面内出现衬层的泄漏是有益的，在此平面内，钢带处于屈服状态，尽管它并没有最终破坏的倾向。
附图中的
图1图示了这种情况，该图示出了一个曲线图，包括(a)根据本发明的、具有一个螺旋缠绕的钢质芯层和内、外长丝缠绕的纤维加强了的塑料衬层的管子结构的典型的内压变化-环向应变特点;(b)有芯层而没有衬层的管子的典型的内压变化-环向应变特点及(c)有衬层而没有芯层的管子的典型的内压变化-环向应变特点。
从图1中可以看出，通过确保衬层的应变破坏出现在1%前后，即，超过钢质芯层的屈服点(0.5%应变)但低于最终的钢质层破坏应变(3%)，则在破裂破坏方式之前，在一个接近但总是低于管子的极限破坏压力的升高的压力下确保一个泄漏。
在应用于流体情况下，在流体与塑料衬层不相容的情况下，本发明的管子还可以设置一个不透液的衬层，比如铝、热固性塑料或硅橡胶，例如，在此不透液衬层上形成内长丝缠绕衬层。不透液衬层或膜片的添加可以改变泄漏破坏方式，除非把膜片的应变破坏特点细心地匹配到管子结构的那些特性上。
长丝线圈的材料可以是适用于大多数应用场合的玻璃纤维。但是，其它连续的纤维材料比如芳族聚酰胺纤维，例如Kevlar(注册商标)或碳纤维也可以与玻璃纤维结合使用或替代玻璃纤维。所用的纤维的类型将取决于管子的使用场合。在有些应用场合下，在同一个管子上可以使用一种以上的纤维。
内衬层的厚度和外衬层的厚度将根据管子的特殊需要而改变。但是，在使用玻璃纤维长丝的情况下，内衬层的最小厚度一般为2毫米，而外衬层的最小厚度一般为1毫米。
钢带芯层可以由若干层螺旋缠绕的钢带构成，钢带相互之间沿着它们的棱边邻接。另一种替换方案是，钢质芯层可以由一条或多条钢带缠成，其中，每一个随后的圈在轴向和径向都搭接在先前的圈上。
理想的是，在整个管子壁的任何给定的部分上钢带都沿着它们的棱边邻接的情况下，螺旋布置的钢带的缠绕图形是如此安排的-即在任意一层的缠绕的钢带的相邻棱边之间的任何轴向间隙都不同任何其它层的轴向间隙在径向相重合。因此，从管子的内部到外部，没有能穿过多于一个轴向缠绕间隙的、垂直于管子的轴线的直线通路。因此，在管子上不存在有效的钢质层厚度被减少了多于一层钢带的厚度的位置。就大量的钢带层来说，上述的缠绕图形可以重复，因此，事实上，可能有两层或更多层的轴向间隙会重叠，轴向强度仅适度降低。
对于小的螺旋间隙来说，钢质层厚度的局部减小仅影响管子的轴向强度，因此，对于具有三层或更多层的钢的管子来说，总的高压容器强度基本上不受影响。在生产工艺允许的范围内，通过极小化所说的轴向间隙，在内压作用下，环向强度不受影响，而且，如上面所指出的，对于每一个重叠的轴向间隙来说，轴向强度仅仅降低到减了一个钢带厚度的程度。因此，具有8层钢的管子的钢质芯层所具有的环向强度等于全部8层的，而轴向强度则等于7层的。当应用于一个内部加压的密封容器的负载状态下时，可以看出，环向负载是轴向负载的两倍，在轴线方向上，厚度的有效减小完全不损害管子的极限压力强度。在刚度方面，钢带的相邻棱边之间的轴向间隙的作用在环向和轴向都是一样的。因此，钢带层能够十分精确地被认为是无向性材料，在这种情况下，有效的弹性模量可简单地减少大约等于树脂间隙的宽度与钢带间隙的宽度的比值那么大个量。当然，对于根据本发明而构造的管子来说，将有一个由长丝缠绕的内和外衬层所导致的、对管子的轴向和环向强度的重大的额外贡献。
任何直径的管子都可以生产，但直径一般约在150毫米-1000毫米的范围内。最大的带厚和带宽由缠绕的机械要求来确定，亦即由要求的管子直径、钢带刚度及螺旋缠绕角来确定。钢带的宽度还根据保持一种搭接图形的需要来部分地调整，因此，从管子的内部到外部只有最小的轴向钢带棱边间隙的重叠、而且，轴向层间的剪切载荷不导致破坏。实际上，对于直径在150毫米和1000毫米之间的管子来说，钢带的宽度可以处在50毫米-250毫米的范围内，而厚度处在0.12毫米-1毫米的范围内。
连续的螺旋圈的相邻的带边之间的轴向间隙最好不大于5毫米，而一般在1-3毫米的范围内。
在缠绕之前，要对钢进行特别处理，以便提供一个适合于与树脂粘接的清洁表面。合适的预处理技术包括喷砂处理和/或各种已知的化学清洁方法。
树脂可以是环氧树脂或者任何类型的适宜于管子的指定用途的树脂。
树脂还可以包含有填料。
根据本发明的第二个方面，提供一种制造管子的方法，该方法包括以下步骤通过把纤维材料的长丝以一个相对于管子的轴线的、预定的角度缠绕到一个芯筒上所形成一个内衬层;为纤维层提供一种树脂填质;将钢带芯螺旋缠绕到上述的纤维材料层上;为该钢带芯层提供树脂填质;通过把纤维材料的长丝以一个相对于管子轴线的、预定的角度缠绕到管子的外部而形成一个外衬层;为该纤维材料的外层提供树脂填质;至少部分地固化所说的树脂填质并将管子从上述的芯筒上取下。
理想的是，钢带芯层可以具有至少三层螺旋缠绕的钢带。
内衬层和外衬层可以通过使玻璃长丝或别的长丝在被缠绕到芯筒上或者管子的外部之前穿过一个树脂槽的方式而形成，芯筒由合适的驱动装置旋转。
该方法还可以包括一个在芯筒上形成一个初始的非长丝缠绕的纤维层的步骤，该层也具有树脂。
为了更充分地理解本发明，现在将通过对附图2和附图3的说明来描述一个例子，其中图2示出了穿过根据本发明的一个管子的轴向剖视示意图;
图3示出了一个表示图2的管子的生产方式的示意图。
现在参见图2和图3，其中，相同的零件具有共同的参考标号。总体标号为10的一段管子是通过把多层缠绕到一个加热的旋转的芯筒12上而生产的。该芯筒上涂有已知的脱模剂(未示出)。
通过把一种“C”玻璃或聚酯纱网螺旋缠绕到芯筒上，并填充以由与合适的硬化剂物一道的Ciba-Geigy供应的合适的环氧树脂比如MY750来形成一个富含树脂的内表面14。纱网材料的连续的螺旋圈在轴向相互搭接。纱网材料的宽度约为150毫米。
然后，通过把来自筒子架17的“E”玻璃纤维长丝18以相对于管子轴线来说为55°的缠绕角螺旋缠绕而形成一定厚度的GRP内衬层16。在就要缠绕之前，让纤维长丝18穿过一个树脂槽(未示出)，这样，在长丝线圈的缠绕过程中能向线圈有效地提供树脂填质。将多根长丝粗纱这样布置，以便使最小厚度约为2毫米。
然后，将预处理的钢带20从带架22螺旋缠绕到内衬层16的尚未固化的湿的树脂上，连续的螺旋的圈相互之间相邻布置，最大轴向间隙24为5毫米。在把钢带缠绕到管子的同时，将含有合适的填料的环氧树脂23用已知的装置同步地施用到钢带上，每一个钢质层都被涂以树脂并由树脂粘结到下一层上。钢质层的层数和总厚度由管子的要求的压力、刚性额定值和直径以及钢和衬层的综合的机械特性来确定。钢带的螺旋的圈相互之间轴向偏置，因此，从管子的内部到外部，没有同时穿过多于一个轴向间隙26的直线通道，如图2中的虚线28所示。
由来自线筒架34的“E”玻璃纤维长丝32的55°螺旋角的若干个粗砂螺旋线圈形成一个外衬层30。与内衬层一样，在就要缠绕之前，长丝32穿过一个树脂槽(未示出)。外衬层30的厚度最少是1毫米。
在继续旋转的同时，将热能施加给如此构成的管子，以便将温度升高，从而在最短的时间内令人满意地固化树脂或把树脂变成胶质。将带有胶化了的或者固化了的管子总成的芯筒从缠绕机(未示出)上取下来，并使其冷却到环境温度，随后将芯筒从管子上取下来。然后，如果需要的话，可让管子在自由直立状态下二次熟化。当冷却至环境温度之后，用穿过整个壁厚亦即GRP和钢的磨削切割的办法把管子切成成品长度，并从每端去掉钢的两个螺距段中最小的一个。
尽管上述方法包括在缠绕过程中加热芯筒12的步骤，就某些类型的树脂材料特别是那些具有短的固化时间的材料来说，这一步骤可以是不需要的。
权利要求
1.一种具有由纤维加强了的塑料构成的内衬层和外衬层的管子，在内、外衬层之间具有一个螺旋缠绕的钢带芯层，该钢带被包埋在一种塑料填质当中，其特征是，内、外衬层是长丝线圈。
2.根据权利要求1所述的管子，其特征是，所说的长丝线圈是单丝的。
3.根据权利要求1所述的管子，其特征是，所说的长丝线圈是多丝束。
4.根据在前权利要求中任意一项所述的管子，其特征是，长丝线圈的交替层以不同的相对于管子轴线的正和负角度布置。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的管子，其特征是，长丝线圈的交替层相互之间以不同的正和负角度布置。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的管子，其特征是，长丝线圈以相对于管子轴线来说为+和-55°的角度布置。
7.根据权利要求6所述的管子，其特征是，长丝线圈的角度具有+或-5°的偏差。
8.根据在前权利要求中任意一项所述的管子，其特征是，在长丝缠绕的内衬层的内部还包括一个不渗液的衬层。
9.根据权利要求8所述的管子，其特征是，不渗液衬层的材料选自铝、热固性塑料和硅橡胶三者中的一种。
10.根据在前权利要求中任意一项所述的管子，其特征是，长丝缠绕的衬层的材料是由玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维和碳纤维三者当中选出的至少一种。
11.根据在前权利要求中任意一项所述的管子，其特征是，内长丝缠绕层的最小厚度为2毫米。
12.根据在前权利要求中任意一项所述的管子，其特征是，外长丝缠绕层的最小厚度为1毫米。
13.根据在前权利要求中任意一项所述的管子，其特征是，螺旋缠绕的钢带芯层包括若干层螺旋缠绕的带，这些带相互之间沿着它们在棱边邻接。
14.根据权利要求1-12中任意一项所述的管子，其特征是，螺旋缠绕的钢带芯层包括至少一条具有连续的圈的带，这些圈在轴向和径向相互搭接。
15.根据权利要求1-13中任意一项所述的管子，其特征是，钢带的缠绕图形是如此安排的-即，在任意一层内的缠绕的带的相邻棱边之间的轴向间隙，在径向不与其它任何层内的轴向间隙重叠。
16.根据权利要求1-13中任意一项所述的管子，其特征是，钢带的缠绕图形在径向重复。
17.根据权利要求1-13，15和16中任意一项所述的管子，其特征是，连续的圈的相邻棱边之间的间隙最大为5毫米。
18.根据权利要求1-13，15-17中任意一项所述的管子，其特征是，连续的圈的相邻棱边之间的间隙在1-3毫米的范围内。
19.根据在前权利要求中任意一项所述的管子，其特征是，塑料填质是环氧树脂。
20.根据在前权利要求中任意一项所述的管子，其特征是，塑料树脂中还包含有填料。
21.根据在前权利要求中任意一项所述的管子，其特征是，芯层的钢带宽度在50-250毫米的范围内。
22.根据在前权利要求中任意一项所述的管子，其特征是，芯层的钢带的厚度在0.12-1毫米的范围内。
23.根据在前权利要求中任意一项所述的管子，其特征是，管子的直径约在150-1000毫米的范围内。
24.根据在前权利要求中任意一项所述的管子，其特征是，衬层的、响应管子内的增加的内压和应变能力是这样的-即，只有在钢质芯层已经被加载到占它的极限应变的主要部分之后，衬层才破坏，并因此提供一种泄漏破坏方式。
25.根据权利要求24所述的管子，其特征是，衬层的压力应变能力是这样的-即，在钢质芯层已经被加载至超过它的屈服应变之后，在一个预定的内压下，衬层产生一种泄漏破坏方式。
26.一种制造管子的方法，包括以下步骤通过把纤维材料的长丝以一个相对于管子轴线的、预定的角度缠绕到一个芯筒上形成一个内衬层;为该纤维层提供一种树脂填质;将钢带芯层螺旋缠绕到上述的纤维材料层上;为该钢带芯层提供树脂填质;通过把纤维材料的长丝以一个相对于管子轴线的、预定的角度缠绕到管子的外部而形成一个外衬层;为该纤维材料的外层提供树脂填质;至少部分地固化所说的树脂填质;以及将管子从所说的芯筒上取下来。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征是，钢质芯层包括至少三层。
28.根据权利要求26或27所述的方法，其特征是，内、外衬层是通过让上述的纤维材料在缠绕之前穿过一个树脂槽而形成的。
29.一种实质上如上文参照伴随的说明和附图1、2、3所描述的管子。
30.一种实质上如上文参照伴随的说明和附图1、2、3所描述的制造管子的方法。
全文摘要
本发明描述了一种管子和生产管子的方法。该管子包括一个由螺旋缠绕的钢带构成的、包埋在塑料填(充)(物)质内的芯层，芯层的内、外衬有长丝缠绕的纤维加强了的塑料内衬层和外衬层。
文档编号F16L9/14GK1093785SQ9312113
公开日1994年10月19日 申请日期1993年12月7日 优先权日1992年12月8日
发明者W·A·米尔沃德, J·达宾内特 申请人:英国皇家军用品公司