专利名称：修补管子的方法
技术领域：
本发明涉及修补具有径向向外的内力的、轴向延伸的结构件的方法，特别涉及修补和加强输送压力气体和/或液体管道里的管子的方法。更主要的是，本发明涉及在修补和/或修复期间，在不必将管道取出、或至少将中断时间缩至最小程度情况下，修补管道的腐蚀部分或因其它原因造成的缺陷部分的方法。
在压力下输送气体或液体的管道通常是由钢铁制成的，以便承受由于远距离输送流体所需要的内部压力。尽管在形成管道的管子的制造和安装期间采取了各种描施，但最后管子的腐蚀仍会发生。埋在地里的管道会受到损蚀，这是因电介质和生物化学的腐蚀、周围土壤的压力、阳极分解和电解侵蚀引起的，而这些化学作用又是由潮湿的土壤引起的，还有阀门等管子附件，以及由不同于钢的金属或制造管道的其它材料所产生的。经过一定时间，这些腐蚀作用就会在管子上形成裂缝和凹痕。此外，管道还可能受到机械损坏，例如由安装管道的机械或在安装后挖掘、检查和修补管道的机械造成的擦伤和凹痕。这些擦伤和/或凹痕会削弱管子并可能加快腐蚀过程。
一般利用“智能猪”(smart pig)或通过阴极测定仪(cathod icsurveys)来检查管道的腐蚀和擦伤区域。管道上的凹痕部分可通过其它普通的“猪”(pigs)来检查，当它们通过那里时可确定管道里的缝隙。当缺陷区被发现后，即降低管道里的流体压力，再挖掉管道缺陷区周围的土壤，并将加强部件复盖在损伤区域上。通常先清除掉管道上可能有的任何防腐蚀材料，用喷丸清理清洁表面，并涂上底漆，以备在管道上安装加强部件。在一种修补技术里，将许多对开的钢套管形式的加强件以端部对端部的关系焊接在或螺接在管道上，直至复盖着管道的全部缺陷区。然后将管道内的流体压力恢复到正常水平，并重新将管道埋起来。
使用对开的钢套管的修补技术具有若干缺陷。首先，这些套管非常重，需要起重机或几个人将它们搬到管道上并到达合适的安装位置。其次，这些套管常要同时在纵向和圆周方向进行焊接，因此需要较高技术的工人耗费大量的时间。还有，在管道上进行纵向焊接时，必须首先将管子磨光，以便套管与管道之间形成气密封或水密封，而周向焊接时提供给套管的高热可使管子的结构变弱。
一种最新研制的加强管道的技术涉及到在管道上使用一种高抗拉强度的材料，将它围着缺陷区绕成许多圈。如编号为2,028,524的已出版的加拿大专利申请所述(这里参考使用其公开的内容)，采用通常的方法对管道损坏部位的表面做好准备工作。然后将充填材料填塞在所有凹痕，擦伤处和腐蚀凹坑里，使管道具有光滑的外表面。如上述专利申请所介绍的，以及如实践所了解的，在加强工序继续进行前可使充填材料固化成坚硬状态。当充填材料已经固化时，将一种粘结剂涂在充填材料上和具有缺陷区的管道的所有外周上。由高抗拉强度复合材料制成的盘带环绕在管道上，并在每相邻两圈间涂上一层粘结剂。当粘结剂固化到足够强度时管道可进入正常工作压力。
安装按照上述技术提供的高抗拉强度复合材料不需要任何特殊的机械或设备，只要经中等程度训练的非熟练工人就能很快地完成。然而，这种加强方法在腐蚀管道恢复到它最初的抗裂强度方面有时会有不同的结果。即，虽然这种加强方法有时可以使管道恢复到它原先的抗裂强度，然而至少在一个例子里，使用相同的材料和相同的步骤安装高抗拉强度复合材料会使测试管子得不到足够的加强，从而在管子到达正常工作压力之前就爆裂。此外，没有可靠的确定修补是否合格的方法。由于这些不可靠的结果，管道使用者就会对使用这种修补技术犹疑不决。
因此，虽然在已有技术里已经研制和使用了不同的用来修补和加强管道的缺陷区的不同的技术，但仍存在着改进管道修补和加强方法的需要，以便只要由非熟练工人就能操作，特别是，能够在稳定和可靠的基础上使管道的抗裂强度至少恢复到它原先的设计水平。
本发明的目的是提供一种修补具有缺陷区管子的改进的方法，这种缺陷区在管子的外表面，并包括至少一个从管子的外表面向管子的中心延伸的凹坑。此处所用的术语“管子”不应受到限制，而仅视作是示范性的。即是说此处所用的术语“管子”包括贮藏筒，压力容器和罐，以及其它任何内部具有径向向外作用力的轴向延伸的结构件。根据本发明的方法包括这个步骤提供具有可塑的流体状态和坚硬的固化状态的充填材料，然后将流体状态的充填材料至少填塞在管子外表面的凹坑里。最好提供超量的充填材料以便溢出管子的凹坑。在充填材料处于流体状态时，将若干圈高强度复合材料包裹在管子上，形成覆盖在充填材料上的盘管。然后拉紧盘管使其紧包着管子，从而使充填材料完全填塞在盘管下面的凹坑里，随后允许充填材料固化成坚硬状态。在较佳的方法里，盘管具有足够的宽度，可完全复盖着凹坑。对于较宽的凹坑，可将若干盘管互相靠近安装在管子上，使盘管组合后的宽度复盖着凹坑。
高抗拉强度材料最好是由复合材料制成的盘带组成，复合材料包括许多连续的、封装在树脂基体里、且在树脂基体里互相同向延伸的高抗拉强度的细丝。该复合材料可以是导电的或不导电的，这取决于客户的需要。这种细丝，较佳的是非金属细丝；更佳的是玻璃纤维；而最好是E型玻璃纤维，因为其价格低廉。
复合材料制成的较佳的盘带可包括许多弹性圈，它们在放松情况下呈螺旋状。通过使部分盘带展开成平直状以及将这些展开部分环绕着管子而使盘带包裹着管子，此时这些部分复原至放松状态并紧贴在管子上。
高抗拉强度材料制成的盘带可以为一螺旋形，它终止于一内端和一外端，并具有许多可环绕和紧贴着管子的弹性圈，各圈均有可与相邻圈相应表面接触的一个内表面和一个外表面。高抗拉强度材料可由许多单根的、连续的、封装在固化的树脂基体里、并延伸成与螺旋方向平行的钟表弹簧螺旋状的高抗拉强度细丝组成。圈的弹性最好具有大于盘带重量的力，能迫使盘带成钟表弹簧螺旋，以便当提起螺旋的外端时，盘带仍能保持钟表弹簧螺旋状。
提供充填材料的表骤也可包括将一基本材料与一催化剂混合，该催化剂可与基本材料起反应使充填材料固化成具有高抗压强度的坚硬状态。可以使用各种可固化的充填材料；然而，充填材料最好包括可固化的丙烯酸盐基本材料和过氧化物催化剂。
在外表面有突起区域的管子上，例如有焊接形成的焊缝，在进行将高抗拉强度材料包裹在管子上从而形成一盘管的步骤时，可能会在管子的外表面和盘管之间产生空隙。在这种情况下，最好在进行包裹步骤前将充填材料涂在靠近这些突起区域的管子的外表面上，从而使充填材料可完全填塞这些空隙。
根据本发明的方法可以进一步包括在复合材料制成的盘带和各相邻圈之间涂一层粘结剂的步骤。粘结剂也可施加在管子的外表面和盘管的第一圈之间。较佳的粘结剂具有未固化的流体状态和固化的粘附状态。此外，粘结剂最好可与充填材料相容，使粘结剂不会阻止充填材料固化成坚硬状态，并使充填材料不会阻止粘结剂固化成粘附状态。这种粘结剂最好也能与管道上的防护涂层相容，使粘结剂不会软化防护涂层，防护涂层不会阻止粘结剂固化成粘附状态。因此，推荐的粘结剂包括可固化的丙烯酸盐的混和物和一种固化丙烯酸盐的催化剂。
在一种变化里，本发明的方法可用于加强在具有弯道的管道上的缺陷区。在管道的弯道部分里，包裹步骤可以包括将若干高抗拉强度制成的圈包裹在管子上的步骤，从而形成若干覆盖着充填材料的盘管，这些相邻的盘管沿着管子的曲率外径互相有间隙，由此形成未包裹的区域。在这些未包裹的区域里也可填塞可塑性材料，例如充填材料。
本发明的方法提供了一条途径，利用这条途径，可使管道在稳定和可靠的基础上至少恢复到它原先的抗裂强度，而且可更好地防止由腐蚀或外部损害引起的管道的进一步的结构破坏。此外，这些方法非常简单，它们可由非熟练人员有效地执行，并在修补和/或修复期间使管道停工时间降到最低的程度。虽然本发明在这里描述了管道的修理，但同样的，这方法也适用于修补或加强任何内部具有径向向外作用力的沿轴向延伸的结构件。
通过参阅下列详细的说明和有关的附图，可对本发明的主题和它的各种优点有一个更加完整的了解，其中
图1A和1B是显示按已有技术修补损伤区的一根管子的放大的、非常概略的、局部横剖视图；图2至图6是一根管子的放大的、非常概略的、局部横剖视图，它们显示了按本发明修补损伤区的步骤；图7是本发明的一高抗拉强度材料制成的加强盘带的立体图；图8是将加强盘带安装在一沟里的管道上的一非常概略的侧视图；图9是安装在有突起的焊缝的管子上的加强盘带的一放大的、非常概略的、局部横剖视图；图10是一管子的不完全的前视图；管子上安装着按照本发明的若干起加强作用的加强盘带，部分盘带被割去；
图11是沿着图10中的A—A线的横剖视图；图12是图11所示横剖视图的一放大的局部视图；图13是一弯曲管子的前视图，其上安装着按照本发明的若干加强盘带以起加强作用。
修补和加强一输送管道的第一步是确定管道上可能有的诸如腐蚀、表面擦伤或凹痕等缺陷的区域。通常，腐蚀和表面擦伤是利用阴极测定仪或将一称为“智能猪”的仪器送入管道来检测的，这种“智能猪”能查出被腐蚀或因其它原因被削弱的区域是否存在和位置在哪里。同样地，一间隙“猪”(clearance“pig”)能通过管道以确定管道凹痕区域。当这些缺陷区域被确定后，即将管道内的流体压力降到工作压力之下，并将包裹着管道的土壤挖掉，露出缺陷区域。然后除去管道上的任何防腐材料和在表面上的所有松散物质，以便使用加强件。
在一种最新设计里，将若干用具有高抗拉强度的材料制成的圈包裹在缺陷区域上，以加强管道。用该已有技术加强的管道已在图1A和1B中示出。在该技术的综述里曾说过，当管道1的缺陷区域被确定、暴露和清扫后，任何表面擦伤、凹痕或由腐蚀引起的凹坑3用可固化的充填材料5充填。充填材料被允许固化成坚硬状态，然后被磨光或喷砂，直至其与管子的外表面7基本平齐。然后，在缺陷区域(包括该区域上的充填材料5)的管子外周上涂上粘结剂(未示出)，将由高抗拉复合材料制成的盘带11围着管子绕成许多圈，相邻圈间有一层粘结剂。
按照本发明加强管道的最初步骤基本上与上述已有技术所述的相同。即管道的腐蚀区域和其它的削弱区域通过使用阴极测定仪或智能猪等通常的方法来检测。在检测出缺陷区域后，通过挖掉管道周围的土壤，使这些区域露出。
通常，管道上涂有防腐层，一般由沥青油，绝缘带，薄膜环氧树脂，聚乙烯，胶粘剂，环氧树脂涂料或聚氨酯涂料等形成。如果防腐层被破坏，管道的腐蚀就将发生。管道在进行加强之前，防腐层必须被除去。一般是从管道上铲去和刮去防护涂层。除去该防护涂层后就露出腐蚀区域，该区域在管子表面上呈现出凹凸不平和不规则的状况。
除了由腐蚀引起的缺陷，在管道安装过程中，或在挖土以备修补过程中，由于使用重型机械可能使管道受到机械损伤。这种机械损伤一般以表面擦伤或凹痕的形式出现在管道壁上。通常，这些表面擦伤和凹痕会削弱管子本体及其上的防护涂层，如不修补的话，管子上的损伤部位可能以较快的速度腐蚀。
按照本发明加强管道的一种方法如图2至图6所示。在除去防护涂层后，本方法接着用钢丝刷、喷砂清理或其它的已有技术除去在缺陷区域上的所有杂物，并通过磨削使表面擦伤坑的拱起边缘低下去，然后也可将预处理的粘结底漆涂在擦伤、凹坑或腐蚀引起的凹痕区域内。
参看图3，当管子10的缺陷区已充分准备好后，将充填材料12涂在缺陷区上，并将其充分地填塞在(实际上是满出)任何凹坑、表面擦伤坑或凹痕里，例如凹坑14。由于适当的充填材料开始具有糊状流体粘度，因此它能容易地进入和作用在凹坑1 4里，并一旦进入就粘附在凹坑14上。充填材料12必须在足够长的时间里保持其可塑的粘度，以便完成整个加强工序，此后，它将会凝固，或变成坚硬状。在该坚硬状态里，充填材料应有足够的抗压强度，以便承受来自管子的、通过充填材料传送给加强盘带的负载。具有至少9,000磅/英寸2(通过ASTM D695测定)抗压强度的充填材料特别适用。
如将在下面详细讨论的，适当的充填材料也可与在本发明的安装过程中使用的粘结剂相容。此处所述的术语“相容”是指充填材料在与粘结剂接触时将完全凝固成坚硬状态，并且将不会与该粘结剂的固化相干扰，从而成为完全的粘附状态。按照本发明特别推荐的充填材料12是MA441，它是由伊利诺斯州芝加哥的伊利诺斯工具厂生产的。这种充填材料是一种二元系统(two component system)，它由一种充以玻璃碎粒等基本上不起化学作用材料的异丁烯酸甲酯基本成分，和一种用来固化基本成分的过氧化物催化剂组成的。
提供充填材料12不仅仅是给凹坑14，最好在管子10的外表面16上延伸。当充填材料处于未固化的可塑状态时，可利用涂料辊，涂料刷或其它的常用方法将一层粘结剂18涂在管子10的缺陷区(包括含有充填材料12)的所有外周上，如图4所示。较佳的粘结剂最初时呈未固化状态的、具有适当粘度的流体，以便较易提供和粘附在管道上。此外，较佳的粘结剂可与作为保护膜保留在管道上的防护涂层相容。这种较佳的粘结剂还不会软化外层防护材料，并且不会被外层防护材料阻止固化成粘附状态。粘结剂将以未固化的流体状态保留相当长的时间以便完成安装工序，然后它将固化成较硬较强的粘附状态。呈粘附状态的较佳粘结剂将具有抵抗紫外线辐射的作用，并将在较长时间内防止由于管道工作时的温度产生的塑性变形，还将防止由于管子外部长时间暴露在周围环境中而引起的吸水和剥蚀。最好，这种粘结剂具有至少900磅/英寸2(通过ASTMD1002测定)的抗剪强度，约30％的标称延伸率，和在约32—110°F温度范围内的、在开始形成胶体和粘结剂不再工作前有约45分钟的适用期。这里，较佳的粘结剂是由伊利诺斯州芝加哥的伊利诺斯工具厂生产的MA440。这种粘结剂是一种二元系统，它由异丁烯酸甲酯基本成分和一种过氧化物触媒剂组成的。MA440粘结剂和MA441充填材料是可相容的，这样，一种材料将不会干扰另一种材料固化到其最终固化状态。
在充填材料12处于未固化的可塑状态及粘结剂18处于未固化的流体状态时，将加强盘带20安装在管子10的外表面上并复盖着缺陷区。如图7所示，加强盘带20是由复合材料制成的卷板，它有一矩形的横截面，一内表面，一外表面，和侧面或侧边。盘带20被卷成一螺旋形，它具有若干同心的弹性圈，该圈包括一个最里面的、有一个内端30的圈，一个最外面的、有一个外端32的圈，和若干中间圈。制造加强盘带20的方法已由法利的美国专利4,700,752号所公开。制造加强盘带20较佳的方法是由申请号为07/942,624的美国专利申请公开的，它的题目是“制造高抗拉强度复合螺旋带的方法”。这里将参考使用这两份资料公开的内容。复合材料包括大量单根的、重量很轻的、高抗拉强度的纤维，它们被封装在一固化的树脂基体里，并沿着螺旋方向互相平行地延伸。虽然平行的纤维在图7中用平行的纵线34来表示，实际上相邻平行线34之间的各间隙里存在着几百或几千根直径约小于0.001英寸的纵向纤维。这些纤维最好是非金属的和不导电的，虽然也不禁止使用诸如碳纤维或石墨纤维等导电纤维。这里，较佳的纤维是玻璃纤维，由于E型玻璃纤维价格较低，故这里特别推荐使用。然而，也可考虑使用由其它高抗拉强度材料制成的纤维，如S型玻璃纤维和凯弗拉(Kevlar)纤维。
用来制造复合卷板的合适的树脂在固化后是有弹性的，从而成为一弹性存储件。当这些树脂以卷绕的外形(如加强盘带20那样)固化时，可用一个力来展开该盘带，但当该力撤去时，该盘带则将基本回复到它原先的卷绕状态。圈的弹性最好是这样即盘带被偏压压入卷绕状态时具有大于盘带重量的力，从而当通过外端32将其提起时盘带仍能保持卷绕状态。固化的树脂最好能抵抗湿气的侵蚀，土壤的化学作用和其它的环境作用，从而能防止封装的纤维和在加强盘带20下面的管子10的部分被腐蚀。树脂可以是不导电的，也可以通过在里面加入导电材料而使其成为导电的，这均取决于最终用户的需要。制造复合卷板的适当的树脂材料包括聚酯树脂，聚氨基甲酸(乙)酯树脂和环氧树脂。这里特别推荐封闭晶格间苯聚脂树脂(Isophthalic polyester resins)。
在安装加强盘带20前不需要直接在管子10的表面和充填材料12上涂一层粘结剂18。然而，该粘结剂层可作为附加的防护层来使用，以保证水分不能渗入，并在管子10和加强盘带20之间不发生腐蚀。通常，粘结剂不会粘附在或不会牢牢地粘附在原来就在管子10上的防腐蚀材料上。实际上，粘结剂可能与防腐蚀材料起反应并软化防腐蚀材料。由于在加固前从管子10上完全除去防腐蚀材料层是困难的或不可能的，并且粘结剂是不会与防腐蚀材料相容的，因此在管子10的防护材料周围提供一隔离膜，以便粘结剂可牢牢地粘附在其上。这些隔离膜可包括(例如)通常的收缩包裹物，特纶顿石蜡(Trenton Wax)等等。但不管怎样，在管子10清扫完毕后和在使用粘结剂18前，两侧均具有连接粘结剂的粘结剂衬垫36安装在靠近凹坑14的管子10上，也即在包括凹坑14的管子的圆周部分上。一种适当的粘结剂衬垫36可以是(例如)约3.5英寸乘上约9.25英寸的矩形的乙烯基衬垫(close cell vinyl pad)图8表示一安装在属于管道一部分的一管子10的加强盘带20。包裹着需要加强的管道一部分的土壤已被挖掉，并形成一沟38，沟38足够大，从而有足够的空间进行操作，以便将加强盘带20环绕在管道上。在安装期间不需用起重机或其它设备将加强盘带20搬运到管道上或用来支承盘带。由于它们的重量较轻，因此可用人工搬运和安装加强盘带20，且通常只需一个人。例如，用于16英寸直径管子的加强盘带20的重量约是14磅，而用于30英寸直径管子，其重量约是29磅。
首先通过将外端32粘附在靠近凹坑14的粘结剂衬垫36上而将加强盘带20安装在管子10上。从图12中可清楚地看出。在外端32固定就位的情况下，通过先在管子10的下面，然后在管子10的上面移动盘带来安装加强盘带20，当盘带环绕管子运动时可展开该螺旋形。在第一圈安装在管子10上后，在该圈的外表面上涂粘结剂18，而加强盘带20再先下后上绕在管子10上，从而形成第二圈。再在该圈的外表面上涂上粘结剂18后再绕一圈，继续这个工序，直到如图5所示，所有的加强盘带20都绕在管子10上，并在其上形成盘管40，其中盘带20的内端30与盘管40的底圈接触。盘管40较佳的是有至少5圈加强盘带，而最好有8圈加强盘带20。
虽然图8表示可由一个人安装加强盘带20，但最好是两个人一组，这样在安装时，可由一个人将盘带从管子10的上面或下面传给另一个人。此外，一个人可以拿着盘带的其余部分并保持对安装在管子10上的圈的拉力，以保证严密配合，而另一个人可将粘结剂18涂在圈的外表面上。
由于加强盘带20的圈包裹着管子10，故复合卷板的弹性将使它们本身略微拉紧，并紧扣在管子10的外表面上，由此将充填材料12的一部分42从盘管40侧边的下方向外挤出。最好在安装全部加强盘带20时，通过用重物或类似东西轻轻敲打侧边，直至盘管40各侧的边基本上互相对齐，从而使所有的圈互相径向对齐。然后可利用机械装置将盘管40的圈进一步拉紧，直到盘管40的最里圈与管子10的外表面16紧紧地接触。
在实施这种拉紧工艺的一种方法里，将一种维尔克罗衬垫(Velcro pad)固定在靠近端部30的盘管40的最外圈。然后可以利用一条压紧杆(Cinch bar)(未示出)在盘管40的最外圈上施加一个切向力。压紧杆由一根一端装有皮带的坚硬细长杆组成的。皮带的自由端上有一块维尔克罗衬垫，以便与粘附在盘管40上的维尔无克衬垫重叠。当这两块维尔克罗衬垫连接在一起时，压紧杆的一端靠在盘管40上并作为一个支点，以便把一杠杆力作用在压紧杆的另一端。这个杠杆力拉动压紧杆皮带以及连接在它上面的盘管40的外圈，从而拉紧环绕在管子10上的各圈。这时位于相邻圈之间的、仍呈未固化流体状态的粘结剂18层可视作润滑剂而便于圈的收紧。在盘管40的圈被收紧时，最内圈越来越紧地贴着管子10的外表面，并从盘管40侧边下面挤出多余的充填材料12。如图6所示，当盘管40的最内圈处于收紧状态并基本上与管子10的外表面16连续接触时，拉紧工序就算结束了。此时，在充填材料12和盘管40的最内圈之间没有空隙。不需要在盘管40的最后圈上涂粘结剂。将一条或几条带状物，例如纤维带绑扎盘管40，以便使盘管定位，直至粘结剂18固化。
一般地，可在盘管40上提供一层防腐蚀材料45，以便密封着盘管和相邻的一部分管子10。防腐蚀材料45可以是通常的收缩包裹物，绝缘带，胶粘剂，石蜡或类似的材料，它们用来隔离湿气，以防止管子10修补区域进一步腐蚀。
当粘结剂18变得具有足够的粘结强度、但又未完全呈固化状态时，可将管道内的压力恢复到正常的工作压力。在粘结剂18固化期间，充填材料12也在固化，同时管子10内的压力在增加，而充填材料将成为具有足够抗压强度的坚硬状态，以便将负载由管子10传递给盘管40。
参看图9，管子10在接口处可能有纵向的焊缝44，接口是钢板边缘相连形成管子时出现的。通常，这种焊缝是通过双埋弧焊形成的，结果是出现高出管子10表面16的焊缝44。当将加强盘带20安装在具有不规则突起表面(如焊缝44)的管子上时，在管子的外表面16和加强盘带20之间就会出现空隙46和48。在将加强盘带20安装在管子10之前，最好先将充填材料12涂在管子的外表面16上，不仅在有突出的焊缝44的侧面上，而且在有类似不规则突出表面的侧面上，这样，当加强盘带20安装在管子上并形成环绕着管子的盘管40时，这些空隙46和48将充满充填材料。当盘管40被拉紧时，充填材料将四处扩散并完全充满在空隙46和48里。
加强盘带20的宽度一般是这样确定的，即它形成盘管40后比凹坑14的宽度约大2英寸，从而可完全盖住凹坑14；具有10—12英寸宽度的加强盘带是标准的。然而，在相当宽的缺陷区上使用单个加强盘带可能是不实际的，因为在操作时将难以用手工控制相当尺寸的加强盘带。在这种情况下，可在管子上安装一组加强盘带20，从而形成若干盘管50，52，54，56和58，如图1 0所示，它们完全复盖着缺陷区。盘管50—58中的每一个以如同形成盘管40一样的方法形成。虽然盘管50—58用边靠边相邻接的方式表示出来，但实际上盘管之间并不是必需接触。实际上，即使安装好的盘管50—58之间略有间隙，管道也仍将得到足够的加强。
通过使用上述方法增强管道的损伤部分后，这些管道将至少可靠地恢复到它原来的抗裂强度。不需要任何特别的分析就可看到，得到的结果与已有技术的结果不一样，因为将高抗拉强度的加强盘带安装在管道的损伤部位所产生的结果并不涉及高抗拉强度材料本身，而涉及到安装方法以及管子破裂的机制和管道内的流体压力被传递给加强盘带的机制之间的相互关系。在气体或液体通过管道输送期间，这些流体的压力产生相当大的圆周应力，从而使管道直径发生少量的弹性膨胀。当管子是新的时，管子具有足够的抗裂强度来承受这个圆周应力。然而，当管子被腐蚀后，管子的抗裂强度将减弱，直至不再能承受正常工作压力下产生的圆周应力。内压力的进一步作用将使管子开始塑性变形而凸起，最后使管子破裂。
在加强管道缺陷区的技术里，加强部分通常用来承担原由管子承受的部分或全部圆周应力。即，当管子在内部流体压力作用下膨胀时，这个负载将传递给加强结构，而该加强结构由于具有较低的弹性系数不会膨胀，并将防止管子进一步膨胀。
在已有的使用高抗拉强度材料的加强技术里，充填材料固化成坚硬状态，然后在安装加强盘带前将它磨光，使它基本上与管子的外表面平齐。然而不需要任何特别的分析就能看到，这种加强方法所得到的不一样的结果可能是起因于这种充填材料的应用和磨削步骤。即在试图磨平充填材料时，不熟练的管道修理人员有时会磨掉过多的充填材料，结果在充填材料和加强盘带之间形成一个或几个间隙13，如图1A所示。相反，也可能磨掉的充填材料太少，结果在充填材料和加强盘带之间形成间隙15，如图1B所示。无论那种情况，当管子10内的流体压力增加到正常的工作压力时，管子10可能通过间隙13的体积、或通过间隙15的体积而膨胀，直到与加强盘带11接触和被其阻挡为止。管子的这种少量膨胀可足以使管子10爆裂而损坏。
通过实施本发明的方法，即在充填材料12尚未固化仍在塑性状态时，将加强盘带20环装在管子10上，从而在管子10和充填材料12的外表面和盘管40的内表面之间形成紧密的和基本连续的接触。作为这种紧密的和基本连续的接触的结果，当管子里的压力增加到正常工作压力时，由该流体压力作用在管子上的向外的力几乎立刻被传递给盘管40。然而，由于盘管40是由高抗拉强度和低弹性的复合材料制成的，所以盘管将不会膨胀，从而能防止在管子10上发生的任何膨胀。除去管子膨胀的可能性后，就可防止管子在正常的管道工作压力下爆裂。
许多管道有弯道以便使管道绕过自然的和人工的障碍物。在本发明的一个变化里，上述的用来加强管道的方法可用来修补和加强在弯道处有擦伤，凹痕和腐蚀痕迹的管道。可以看到，管道的曲率半径将阻止许多盘管以边对边互相接触的方式安装在此弯道区域内。因此如图13所示，管道弯曲区域100的曲率半径将使明显的间隙102和104分别出现在盘管110、112和114之间的管道的曲率外径上。即使在盘管110、112和114的侧边沿着管道的曲率内径上互相接触的情况下，间隙102和104仍将存在。在不影响安装和其加强作用的情况下，通过使盘管110、112和114的宽度尽量小，即能将间隙102和104的尺寸降到最小。而盘管的最佳宽度将取决于管道的直径和弯道的曲率半径。例如，对于具有约90度弯道的12—18英寸管道，形成盘管的盘带的宽度最好约是3—6英寸。
可以看到，用与盘管40有关的上述相同方式安装的盘管110、112和114将在管道的弯曲区域100处产生足够的加强作用，从而使管道基本上恢复到它原有的抗裂强度。关于这方面，不需任何特别的分析就可看到，各盘管110、112和114的加强作用不是在盘管的外侧边处突然结束的，而是从这里向外逐渐延伸递减。通过使盘管110、112和114互相靠紧安装来利用这种“边界效应”，从而一个盘管上的逐渐减小的加强作用将与相邻盘管上的逐渐减小的加强作用重叠和接合。这些边界效应的叠加可以提供足够的加强作用使管道基本上恢复到它原先的抗裂强度。通常，盘管之间的间隙102和104里可以加入塑性的密封胶或另一种塑性的材料、例如充填材料12，以便密封盘管110、112和114的侧边，使水分不能渗入到盘管的圈之间。
虽然参考附图描述了本发明，但应该明白，这些实施例仅仅说明了本发明的原理和应用。还应该明白，对于所述的实施例还可以有许多的改进并作出其它的安排，而这并不会超出由附加的权利要求限定的本发明的精神和范围。此外，还应该明白，本发明的意图是除了由附加的权利要求所明确指出的外，还包括这里描述的特征的各种组合。
本发明的方法较之以前已知的修补管子的方法可对管子的腐蚀部分或其它原因引起的缺陷部分提供更坚固更有效和更快捷的修补服务。
权利要求
1.一种修补管子的方法，在所述管子的外表面上有由至少一个从所述管子外表面向所述管子的中心延伸的凹坑形成的缺陷区，其特征在于，所述方法的步骤是，提供具有可塑的未固化状态和坚硬的固化状态的充填材料，用处于所述可塑的未固化状态的充填材料填塞至少在所述管子的外表面上的凹坑，在所述充填材料处于所述可塑状态时将若干由高抗拉强度材料制成的圈包裹在所述管子上并形成覆盖在所述充填材料上的盘管，拉紧所述盘管使其紧裹着管子，从而使充填材料完全填塞在所述盘管下的所述凹坑部分，至少在靠近所述一圈处再固定一圈，以及使所述充填材料固化成所述坚硬状态。
2.如权利要求1所述的修补管子的方法，其特征在于，所述管子的所述外表面上有突起区域，从而使形成所述盘管的所述步骤在所述管子的外表面和所述盘管之间产生空隙，所述方法进一步包括在所述包裹步骤前提供可塑状态下的充填材料给靠近所述突起区域的所述管子的外表面的步骤，以使充填材料完全填塞所述空隙。
3.如权利要求1所述的修补管子的方法，其特征在于，至少一个所述凹坑具有沿所述管子轴向延伸的宽度，而所述盘管具有大于至少一个所述的凹坑宽度的宽度。
4.如权利要求1所述的修补管子的方法，其特征在于，所述包裹步骤包括将若干高抗拉强度材料制成的圈包裹着所述管子的步骤，以形成若干相邻排列的并覆盖着所述充填材料的单个盘管，所述若干盘管具有大于至少一个凹坑宽度的组合宽度。
5.如权利要求1所述的修补管子的方法，其特征在于，通过调整所述盘管的步骤使所述若干圈互相径向对齐。
6.如权利要求1所述的修补管子的方法，其特征在于，所述高抗拉强度材料包括玻璃纤维。
7.如权利要求1所述的修补管子的方法，其特征在于，所述包裹步骤包括提供由复合材料制成的盘带的步骤，该复合材料包括许多封装在树脂基体里并在所述树脂基体里互相同向延伸的、连续的、高抗拉强度的细丝；还包括将复合材料制成的盘带环绕在所述管子上的步骤以便形成覆盖在所述充填材料上的盘管。
8.如权利要求7所述的修补管子的方法，其特征在于，所述复合材料制成的盘带包括若干在放松状态下具有螺旋形的弹性圈，而所述环绕步骤包括打开所述盘带部分使其成为平直状并将该盘带部分安装在所述管子上，其中所述盘带的该部分会恢复到放松状态并紧贴着所述管子。
9.如权利要求1所述的修补管子的方法，其特征在于，所述包裹步骤包括卷绕复合材料制成的、由收尾于一内端和一外端的螺旋形限定的盘带的步骤，该盘带具有若干可环绕和紧贴所述管子的弹性圈，各圈具有可与相邻圈的相应表面接触的一外表面和一内表面，所述的复合材料包括许多封装在固化状态的树脂基体里的、在平行于螺旋线方向的所述螺旋结构里延伸的、连续的、高抗拉强度制成的细丝。
10.如权利要求9所述的修补管子的方法，其特征在于，所述圈的弹性能使所述盘带成为具有大于所述盘带重量的所述螺旋形，由此当所述螺旋结构的外端被提起时所述盘带仍呈所述螺旋形。
11.如权利要求7或9所述的修补管子的方法，其特征在于，所述的复合材料是不导电的。
12.如权利要求7或9所述的修补管子的方法，其特征在于，在复合材料制成的所述盘带里的所述许多细丝包括许多互相独立的单根细丝。
13.如权利要求7或9所述的修补管子的方法，其特征在于，所述的许多细丝是非金属的。
14.如权利要求13所述的修补管子的方法，其特征在于，所述的非金属细丝包括玻璃纤维。
15.如权利要求14所述的修补管子的方法，其特征在于，所述的玻璃纤维包括E型玻璃纤维。
16.如权利要求1所述的修补管子的方法，其特征在于，所述提供充填材料的步骤包括使基本材料和能与所述基本材料反应以使所述充填材料固化成所述坚硬状态的催化剂混合的步骤。
17.如权利要求1，7，9或16所述的修补管子的方法，其特征在于，还包括在所述管子的外表面和所述盘管的第一圈之间提供一层粘结剂的步骤，所述粘结剂与所述充填材料相容，从而所述粘结剂不会阻止所述充填材料固化成所述坚硬状态。
18.如权利要求17所述的修补管子的方法，其特征在于，所述管子包括防护材料涂层，所述粘结剂与所述防护材料相容，从而所述粘结剂不会软化所述防护材料。
19.如权利要求1，7或17所述的修补管子的方法，其特征在于，所述固定步骤包括在相邻的所述若干圈之间提供一层粘结剂。
20.如权利要求19所述的修补管子的方法，其特征在于，所述的粘结剂具有未固化的流体状态和固化的粘附状态，所述的粘结剂提供步骤是在所述粘结剂处于所述未固化状态时进行的，所述粘结剂与所述充填材料相容，从而所述充填材料不会阻止所述粘结剂固化成所述粘附状态。
21.如权利要求20所述的修补管子的方法，其特征在于，在所述固化状态下的所述粘结剂具有至少900磅/英寸2的抗剪强度。
22.如权利要求20所述的修补管子的方法，其特征在于，在所述固化状态下的所述粘结剂具有30％的延伸率。
23.如权利要求1，17或20所述的修补管子的方法，其特征在于，在所述坚硬的固化状态下的所述充填材料具有至少9,000磅/英寸2的抗压强度。
24.如权利要求1所述的修补管子的方法，其特征在于，所述缺陷区在所述管子的轴向弯曲部份上，所述弯曲部分有一个曲率外径和一个曲率内径，所述包裹步骤包括将由高抗拉强度制成的若干圈包裹在所述管子上的步骤，从而形成若干覆盖着所述充填材料的盘管，且所述相邻盘管沿所述曲率外径互相有间隙而形成未包裹区域。
25.如权利要求24所述的修补管子的方法，其特征在于，还包括在所述若干盘管之间的所述未包裹区域里填塞可塑材料的步骤。
26.如权利要求25所述的修补管子的方法，其特征在于，所述的可塑材料包括所述的充填材料。
27.一种修补管子的方法，在所述管子的外表面上有由至少一个从所述管子外表面向所述管子的中心延伸的凹坑形成的缺陷区，其特征在于，所述方法的步骤是，提供具有可塑的未固化状态和坚硬的固化状态的充填材料，用处于所述可塑的未固化状态的充填材料填塞至少在所述管子的外表面上的凹坑，提供具有未固化的流体状态和固化的粘附状态的粘结剂，在所述充填材料处于所述可塑状态时将一层处于所述未固化流体状态的粘结剂涂在包括所述凹坑的管子的外周部分，所述粘结剂与所述充填材料相容，从而使所述粘结剂不会阻止所述充填材料固化成所述坚硬状态，将复合材料制成的盘带包裹在所述管子上，从而形成覆盖在所述充填材料和所述粘结剂层上的盘管，所述盘带呈螺旋形，它收尾于一内端和一外端，并具有若干可环绕和紧贴所述管子的弹性圈，各圈具有靠在相邻圈的对应表面上的内表面和外表面，所述复合材料包括封装在树脂基体里、并顺着与螺旋方向平行的所述螺旋形延伸的、连续的、由高抗拉强度制成的细丝，在进行所述包裹步骤的同时，在所述若干相邻的圈之间涂一层所述的未固化的流体状态的粘结剂，围着所述管子拉紧所述盘管，使所述充填材料完全填塞所述盘管下的所述凹坑部分，以及使所述充填材料固化成所述坚硬状态并使所述粘结剂固化成所述粘附状态。
全文摘要
在一种加强管道10的缺陷区14的方法里，在表面擦伤、凹痕和腐蚀凹坑里填上未固化的充填材料12，在充填材料处于未固化的可塑状态时，将若干高抗拉强度材料制成的圈包裹着管道的缺陷区，且各相邻圈之间涂有一层可固化的粘结剂。粘结剂必须与充填材料相容，以便两种材料都能完全固化，并也与留在管道上的任何防腐蚀材料相容。本方法可用来加强管道的直线和弯曲部分。
文档编号F16L55/168GK1120143SQ9410247
公开日1996年4月10日 申请日期1994年3月8日 优先权日1992年9月9日
发明者福利·C·罗曼, 贾斯廷·施密特, 诺恩·布洛克, 保罗·凯尔蒂 申请人:钟表弹簧公司, 福利·C·罗曼