专利名称:用于对管线中的管子进行现场镶衬聚合物衬套的方法
本发明涉及一种用于管状结构镶衬的方法，特别涉及对管子进行诸如合成聚合材料管状衬套结构镶衬的方法。
金属管子和镶衬过陶瓷和水泥材料的管子不能令人满意地运送带有锈蚀性或磨蚀性或兼有锈蚀和磨蚀两性的多种液体。既使涂覆了防锈和防磨材料的这种管子，在有液体通过的工作期间里，随着损坏危险的不断增加导致管子典型地损坏。如果这种损坏发生的话，管线中的液体将会泄漏，如果管线具有压力，并且管线中正在输送的是腐蚀性、氧化性或易燃性材料时，将会对环境和其它设施产生破坏性的危险。最起码管线的主人们也会面临着由于这种损坏而造成的一定量的液体漏失。为了克服这种故障提出了大量的建议，在新管线安装到整套设施上之前，把聚合物衬套镶衬到管线上，或者更困难地把聚合物衬套镶衬到地下管线系统上。
D.H.Dawson的公告于1974年12月24日的美国专利3856905号上公开了一种方法，该方法是利用衬套管子在100℃时产生径向压缩使其直径小于原始状态，而且并不增加其长度，在此时把塑料管状衬套镶衬到管道中，同时把衬套的温度降低到室温，并定位在管线之内，再把其加热到大约100℃使衬套在管线内径向膨胀。为了克服衬套纵向伸长可提供一个刚性框架把衬套置于其内，或者在衬套穿过型模处操纵进料滚组件使其在相同的轴向速度下操纵滚子。
D.H.Dawson及其它人公告于1976年5月25日的美国专利3959424号上，该专利公开了一种管线镶衬热塑性塑料衬套的方法。它包括在减小衬套的直径时基本不增加其长度，在管道内镶衬衬套并允许衬套在其热塑性记忆范围内恢复膨胀。
J.F Lontz及其它人的加拿大专利575424号上公开了一种向金属管子中镶衬碳氟聚合物衬套的方法，被镶衬的聚合物衬套的直径比管子的直径大。把衬套冷却使其直径减小到比管子的直径略小一点，此时把衬套置于管子内，在释放衬套上的张力时随意地提高衬套的温度。
G.R.Pope及其它人公告于1969年8月26日的美国专利3462825号上公开了一种方法，该方法是用冷拉法使氟化聚合物衬套通过一个渐缩的型模镶衬进管状元件中，随之释放该衬套使其膨胀并紧密地与元件的内壁相接触。该专利声称，壁厚的变化和通过型模的拉伸速度不影响该方法的效用。
S.Muir公告于1984年5月16日的美国专利2084686B号中公开了一种方法，在该方法中，一个滚子以技术上众所周知的典型方式设置，用于把其外径比将要镶入的管子内径大的聚合物衬套外径滚压到比将要镶入的管子内径小的聚合物衬套外径。当聚合物衬套的孔径被滚压后，衬套长度将会增加，聚合物衬套可以被镶衬进管子里。在没有额外的力作用的情况下衬套显然保持其压缩后的直径状态;这里不存在所说的拉应力对衬套的作用。随后衬套被加热到100℃至120℃之间使之回复膨胀到聚合物衬套原始外径的90%或更大的量，因此使衬套与管子内壁完全接合地镶衬。该专利所公开的内容指出聚合物衬套的外径可以被滚压减小20%。
J.R.Thompson公告于1987年6月24日的欧洲专利0226410号中公开了一种方法，在该方法中衬套的牵引端安装一个牵引头，而末端被约束，由此产生一使衬套变形的纵向力。衬套的直径必然相对于泊松比减小一定量，在衬套是聚乙烯的情况下泊松比为0.45，10厘米直径将产生大约4.5厘米的减小。当衬套通过镶衬阶段时在衬套上保持有纵向力，当衬套被置于管子部分内之后衬套上的力被释放。
大多数已知的方法是利用衬套的塑性记忆在塑性变形范围内改变热塑性衬套的直径以便使之能够镶衬到管子中去，这样或需要高的压力或需要加热或两者结合使用使衬套在合理的时间内镶衬。在Pope等人所公开的方法中，衬套通过一个渐缩的型模被拉伸，相对于衬套通过型模的运动方向产生一个相当大的阻力，如果把长度很大的衬套相当快速地镶衬到管子中，将需要比衬套材料拉伸屈服点高得多的力并且衬套的变形将不能回复。
在已知技术中，要想在合成热塑性或热固性衬套材料的弹塑性范围内以加力滚压使之径向变形，需要在轴向或径向受力的条件下保持衬套处在变形状态，此时把衬套镶衬到管子中去，随释放衬套上的力使之径向膨胀紧紧地与管子内壁相接触而达到镶衬，人们发现应用已知技术做到这些有这样或那样的困难。
因此本发明提供一种在管道中设置合成聚合物衬套的方法，所述的方法包括下列过程(1)提供一种合成聚合物衬套，该衬套的外径比管子的内径大0.5%～6%。
(2)把所述的衬套对准通过最少一组起码有两个减小直径滚子，由此使所述衬套的外径处于直径减小的状态足以小于能使衬套毫不费力地穿入到管子的内径中去，此时衬套直径的减小其变形量小于该衬套聚合物材料弹塑性范围的上限，同时把衬套镶衬在管子之中。
(3)在管子中固定所述的衬套，同时从存在的径向应力和轴向应力中选择一组应力施加在衬套上使其保持在直径减小状态。
(4)释放所述的衬套中的应力，驱动至少一组所述的滚子使其速度足以保持所述的衬套在镶衬过程中其拉应力低于衬套的合成聚合材料的拉伸屈服极限值。
本发明还提供一种在管子中设置合成聚合物衬套的方法，所述方法包括下列过程(1)提供一种合成聚合物衬套，该衬套的外径比管子的内径大0.5%～6%。
(2)把所述的衬套在拉伸条件下对准通过至少一组减小直径滚子，由此使衬套在拉伸下产生的外径是以小于能使衬套任意地穿入的管子内径，此时衬套直径减小的变形量低于衬套聚合材料弹塑性范围的上限，同时把衬套牵入管子中。
(3)在管子中固定衬套的同时保持衬套上的拉力。
(4)释放衬套上的拉力，驱动至少一组所述的滚子使其速度足以保持所述的衬套在镶衬过程中其拉应力低于衬套的合成聚合材料的拉伸屈服极限值。
本发明还提供一种用于在管线中镶衬管状合成聚合物衬套的设备，包括(1)用于在各种变化的控制速度下把所述衬套牵拉进管线的装置。
(2)至少一组带有至少两个滚子的适应于把所述的衬套直径从5%减小到20%的滚子组，所述的滚子被正好对准所述的管子一端固定。
(3)用于控制所述滚子线速度的装置，以此来保持作用于衬套上的拉应力不超过所述合成聚合材料的拉伸屈服极限值。
衬套的合成聚合物可以是热塑性或热固性聚合物，所提供的聚合物应具有足够的强度以适应在周围的环境温度里进行镶衬操作时使衬套的直径减小从而增加其壁厚或增加其长度，而不产生破裂而形成“狗骨”型横截面。适用于本发明工艺方法的热塑性聚合物包括聚烯烃物，例如聚乙烯，聚丙烯或者聚丁烯;或聚酰胺物，例如尼龙6.6，硬质聚乙烯氯化物或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物。其中的聚合物指的是聚乙烯聚合物，最好的聚合物是乙烯均聚合物或乙烯共聚物，至少具有一个四至十个碳原子的α烯烃化合物。高密度聚乙烯是一种特别好的热塑性物质。
任意地，衬套的合成聚合物可以是连续相聚烯烃混合物，在不连续相中不相容的热塑性聚合物和聚烯烃与不相容的热塑性聚合物的共存物。位于不连续相中的聚合物处是所谓的壁垒树脂，由此导致使衬套表现出改善了防渗透的壁垒。
同样适用的是衬套包括两个不同的共挤压复合材料树脂层，例如衬套具有一个聚乙烯外层和一个所谓壁垒树脂的内层，由此衬套表现出增加了如以上讨论的抗渗透性。
用于本发明工艺方法的适于形成复合材料管材的热固性聚合物包括以公知的技术应用于管子硬质环氧树脂和聚酯热固性树脂。
用于减小衬套直径的装置包括至少一组滚子，该滚子具有适当尺寸的凹形外表面，外表面相互对齐并与将要镶衬的管子的管口对正。任意地，适用于牵引线的润滑剂也可用在用于减小衬套直径的滚子上，以改善当衬套通过滚子和管子时衬套材料的阻力特性。当滚子组是一对时比是四个时润滑剂的应用特别有效，因为滚子面中间直径比边缘直径小许多，这样在滚子表面就存在有不同的线速度，这种线速度的不同可通过增加滚子的直径或设置四个滚子的滚子组来减小。
众所周知在技术上应用的润滑剂，例如黄油77，凡士林、机油或传动液，滚子不必过分润滑，否则滚子和衬套间没有足够的适当摩擦力驱动衬套;润滑剂型号和用量可由本专业技术人员方便地选择。
在应用本文所公开的滚子装置减小直径之前，衬套具有比管子内径大0.5%至6%的初始外径，以确保装设之后与管子相互配合。最好是若衬套是聚乙烯，其外径初始尺寸最好比管子内径大1%至3%。
多组用于减小衬套直径的滚子被应用。在镶衬大直径管子的场合最好应用至少三组滚子来减小衬套的直径，例如管子至少是20厘米(8英吋)直径，那么衬套将要被变形的量相当大，因此对一个给与的衬套长度实施变形所需的工作量或能量也相应地很大。如果应用多组滚子，把这许多滚子调整好以便使衬套在每个滚上的直径减小都相等，这虽不是主要的，但确有很多优点。
由本发明方法所镶衬的管子的直径通常在工业和生产领域应用，例如从大约12毫米至最少900毫米(0.5至36英吋);直径的最优选择是从50毫米到大约600毫米(2至24英吋)的标称直径。
衬套的壁厚要大到能在衬套通过滚子时不致破裂;同时衬套壁厚也应小到使所需减小衬套直径的能量不致在衬套被送过滚子时过份地降低其速度。优选的壁厚范围是大约衬套外径的三十分之一到二十分之一;也就是说衬套的标准直径比(S.D.R.)应是12至30。
衬套径向受压变形的临界点应低于弹性范围上限，衬套径向受拉变形的临界点应低于被选择用于衬套的特殊合成聚合材料拉伸屈服点。如果选择热塑性材料，则“弹性”的定义包括完全弹性变形范围和弹塑性变形范围两者，这将在下面定义。众所周知，在技术领域：
中没有什么热塑性材料能在不留任何微小形变的情况下完全恢复其变形;这种现象称为塑性蠕变，另外塑性蠕变现象还受延伸量、材料处于延长状态的时间和热塑性试样的温度的影响。然而，如果变形很小，而且材料被变形的时间很短，特别是在温度低于其软化点时，那么热塑性材料基本上能表现出完全回复。在高密度聚乙烯材料的情况下，在室温短时间作用其完全弹性变形范围是从0至7%;高于7%并低于完全塑性变形范围，该材料表现为弹性和塑特性两者结合，这样当外力被移去后总的变形回复到大于7%并小于材料塑性变形的初始量。这范围，本文定义为弹塑性范围，对于聚乙烯，根据其质量、温度、时间和其它因素，聚乙烯的上限大约是18%到20%。当变形增加到弹塑性范围以上进入到完全塑性变形区时，试样将明显地表现为永久变形。因此根据以上所述，当应用的衬套是聚乙烯材料时，用滚子减小衬套直径总量不能大于20%。如果衬套使用热塑性聚合物材料，则将根据这些热塑性聚合物的弹塑性特性来确定所能允许的衬套直径减小量。
如果衬套是由热固性聚合物组成，那么所选择的变形量和延伸量应与所应用的这种特殊聚合物的弹性特性相匹配，因为热固性材料基本上不表现出塑性蠕变。
在本发明中的施加拉力以保持减小衬套直径的实施方案中，必须从衬套镶衬阶段到把衬套保持在直径减小状态时始终在衬套上保持足够的应力。如上所述，衬套上的轴向应力应保持在至少2.1MPa(300Psi)并小于聚合物材料的拉伸屈服极限。
在本发明的一个可供选择的实施方案中，当衬套被镶衬的时候，可通过在衬套周围提供额外的液压来保持衬套处于直径减小状态。该实施方案的一种方法是，减小衬套直径的滚子正好置于毗邻管子的镶衬端。在把衬套镶衬到管子中之前把衬套的镶衬端密封好，同时在管子的镶衬端安装液密封使得在允许衬套通过该端进入管子时能防止管中的压力液体泄漏。用液体在管子内部对其加压，当把衬套镶衬到管子中去的时候，与衬套镶衬通过密封的程度成比例，允许有一定量的液体泄漏，对衬套施加一个较小的拉力以防压镶衬时衬套被卡住。液体压力提供了径向压应力，该应力使衬套保持了直径减小状态。当衬套完全被镶入以后，释放液体压力，允许衬套膨胀一直到与管子的内表面相接触。
本发明高精度径向公差的应用并保持使衬套在其弹性范围内径向变形确保了当衬套的应力被释放时，衬套将膨胀直到与管子的内壁紧紧地贴在一起，这样就不需要用对衬套加压，加热或压、热两者同时施用的方法来膨胀衬套，使其与管子内壁相互接触。直径减小的衬套与管子之间的间隙可以表示为衬套通过了滚子之后衬套的外径与管子的内径的比例，它大约是84%到96%。在小管子中，所需的间隙要比大管子中的大，比如对于标准2英吋(有效0.d60.3毫米)的管子，衬套的直径减小最好是管子内径的84%，对于标准3英吋(有效0，d88.9毫米)和更大的管子，衬套直径减小最好是管子内径90%至96%。根据本发明的方法，对于衬套的整套装置需要更高的精度。
为了防止衬套处于直径减小状态下发生永久变形，镶衬阶段应是一个有限的持续时间，最好不要超过两小时。该持续时间与衬套镶衬阶段的温度，聚合物的分子量和衬套上的应力及其它固素有关。
镶衬操作可以在-40℃至+45℃温度范围内进行，最好在-10℃至+30℃温度范围进行。
把衬套镶衬到管子中的最佳速度是至少8米/分(8m/min)也可提高到至少30米/分(30m/min)这将根据衬套周围的条件和形状来定。
应用本发明的方法牵引一个单一设置的衬套，该衬套的长度可大到500米至800米，在理想的环境条件下甚至可以长到1000米以上，例如在一个很少有急转弯的适当清洁管线中就有可能实现。
通过结合附图可以对本发明实施方案进行更加细质的描述，在附图中图1是一幅用来实现本发明方法的一个实施方案的设备的剖面图，它表示的是一个热塑性材料的衬套正在被滚压减小直径并牵入管子。
图2是一幅滚子的横截面图，根据本发明的一个实施方案，该滚子适用于减小衬套的直径。
图3是一幅适用于实现本发明的方法的一个实施方案的设备应用液压以便保持衬套处于直径减小状态。
图4是一幅四滚子的滚子组横截面图，根据本发明的一个实施方案，该滚子组适用于减小衬套的直径。
参照图1，它表示一个具有初始直径2的合成聚合物衬套正在被镶衬到管子1中去。由驱动装置(表示在图2中)驱动的并由非弹性材料制造的(比如不锈钢)减小直径滚子10和11固定在不可移动的固定框架上，固定框架16用任意适用的固定装置，如螺栓5、6相对于安装(最好焊接)在管子1端部上的法兰盘来固定。在图2中详细地表示了滚子10和11滚压表面的横截面显现出凹半园形，它具有中间下凹部分12和13以及凸出的边缘14、14a和15、15a，当滚子相互对准并与管子1的管口对正时，滚子的滚压表面基本上形成一个衬套3通过的园形空间，例如边缘14和14a分别与边缘15和15a的紧贴程度小于1毫米。这些边缘通常不是紧密接触的以避免滚子固定装置(如轴27、28与它们各自的轴承，图中未示)过份磨损。园形空间的直径选择成与衬套3的压缩直径相当，也就是说其直径介于管子1内径的85%至95%之间，以便在牵引过程中允许有最小的间隙。如以上所讨论的，衬套3在保持着其直径减小的同时还受到拉力作用。一般情况下管子1和衬套3呈园形横截面，不过如果管子1是非园形，例如椭园形，那么衬套2(未滚压的衬套)也应具有相当的横截面形状。减小衬套直径的滚子通常不能改变衬套初始横截面的形状，衬套是不能被折叠的，例如折叠成“狗骨”状。然而，在特定情况下减小直径的滚子可以把园形横截面的衬套改变成非园形横截面，例如为了镶衬椭园形横截面的管子可以改变衬套的横截面形状。
图2详细地说明了滚子的外形和滚子的典型驱动机构部份。滚子10、11被固定在装于框架16、16a上的轴27、28上，以此使得滚子10的边缘14、14a紧紧地靠近滚子11的边缘15、15a。同步齿轮17、18与滚子10、11同轴固定并且齿轮17、18相互啮合，因此滚子10、11在相等的线速度下相对旋转。同步齿轮17由齿轮19驱动，齿轮19由变速驱动装置32驱动旋转。最根本的是滚子驱动装置或送丝装置(拉送衬套的装置)应具有变速工作能力，以便在衬套镶衬过程中所施加的拉力能够保持在衬套合成聚合材料的拉伸屈服极限值以下。通常，下面所描述的滚子和送丝装置的速度是变化的，驱动装置32可以是电调速或液压可调式调速装置，最好是液压可调操作的，液压马达的优点在于它们能够在任意给予的相应扭矩下容易地工作。
为准备对管子镶衬，可应用一种众所周知的方法(如用液压法)把一个锭块推进管子，这样就可与带有牵引装置(如送丝装置21)的管子牵引端耦合。如图1所示，衬套2的一小部分正在通过滚子10和11以便减小衬套部分的直径。衬套由送丝夹持装置20夹持到送丝装置21上，送丝夹持装置20是一种在技术上公知的类型，最好，送丝夹持装置的直径与通过了减小直径滚子的衬套的减小后的直径相等，一种公知的典型送丝元件(未示)被连接到送丝装置21上并且适于测定送丝装置21上的拉力以便记录衬套3上的拉应力。包括滚子10、11的框架16被固定在法兰4上。通过了滚子10和11的衬套其直径已经减到了足够小，此时可以方便地把衬套牵引入管子。如果滚子不是在一个适当的速度下被驱动的话，用于把衬套的直径从大直径2减小到小直径1的所需能量将在滚子10和11与送丝夹持装置20之间的衬套上产生相当大的拉力。相应地，滚子10、11的转速应调整到与送丝装置21的牵引速度和拉力相适应，以便把衬套上的轴向应力限制在不能高于衬套聚合材料的屈服点水平上，并提供一安全范围，即最好不要高到屈服点的三分之二。假如超过了这一应力水平，在镶衬过程中衬套就很容易被损坏并且很难修复。
在衬套3承受着拉应力和径向应力以便保持其直径减小并使衬套3不回复到如图1中所示的参考号为2的原始直径状态，必须对衬套2施加一牵引力使其保持这种减小直径状态通过管子。根据高密度聚乙烯的泊松比是0.45，当聚合物衬套在滚子10和11的压缩下衬套直径每减小1.0%，则衬套的长度增加大0.45%。相反若衬套每延长1.0%则衬套直径将减小0.45%。因此，若衬套的延伸只是意味着用于减小其直径，那么本发明的方法只需衬套延长其需要延长的四分之一。
参照图3它表示了本发明工艺方法的一个实施方案，其中在衬套镶衬过程中在衬套内保持液体压力。送丝夹持装置20以保持压力密封的方式(如用熔融的方法焊接到热塑性衬套上)连接到衬套3的镶衬端。下面描述当衬套通过了直径减小滚子14、15后被镶伸通过以传统设计固定在管子镶衬端的液体密封时的情况。送丝装置21通过送丝夹持装置20向衬套3施加充足的拉力以防衬套在通过管子1时发生变形和自由运动。在管子1的末端把一个液体密封盖30固定到法兰31上。液体密封盖30包括由阀门24控制的引出导管23。当衬套3被镶衬进管子1时，通过调整阀门24来控制液体从管子1中逸出速度来保持对衬套3施以适当的外压力以保证衬套3处于直径减小状态。送丝装置21穿出管子1的端部连接到一个适当的牵引装置上，同时为了保持管子内部的液体压力，把由分节盖30夹持的端密封25紧紧地围绕着送丝装置21密接。当衬套3被完全地镶衬进管子时，例如衬套3被镶衬到与盖30的平板端22接触时，盖30和密封25被移去以便释放管子中的液体压力，允许衬套3膨胀直到与管子1的内壁相接触为止。
如果衬套镶衬的同时以保持径向应力来维持其直径的减小，那么当衬套在管子内就位后就可移去径向应力源。当拉力去除后，衬套将以同样的方式经受其直径增加、轴向收缩的回复过程，上述两者的回复程度相同。
应允许有足够长的衬套3从管子1中伸出，以便在应力释放阶段衬套轴向收缩时衬套端部不致于缩回到管子内部去。如果让衬套3自由地充分膨胀，那么衬套3将完全回复到几乎是其初始直径，但是因为衬套3的尺寸是根据管子1的内部尺寸来严格控制的，所以衬套3与管子1相互贴合，该回复过程进行完全要经过大约0.1至24小时的时间间隔。
当回复过程完全进行以后，用传统方法在衬套的两端制备上连接节，所用的方法例如连接上轴端，或用芯子滚压出一个法兰或用O-型圈或其它众所周知的方法。在一个优选的实施方案中，把轴端连接到衬套上去的方法如下在管子法兰的相对点上对衬套打上记号，以便在衬套上指出应力中牲点;足以向对接熔合装置提供工作空间的、通常是30至60厘米的衬套的一小部分首先被从管线中拉出;在法兰将要连接上去的记号处轴端点把衬套切断;法兰被对接熔合在衬套的平整切端上;衬套向管线内缩回直到衬套法兰和管线法兰平齐为止。通常，必须对衬套加力使其完全地缩回到管子中去。在很多情况下人力足以推动衬套就位;如果需要机械帮助，传统的方法是对衬套施加镶衬力;例如，在衬套法兰的外表面放上一个配合法兰，并通过通孔相对于管子法兰把衬套法兰推动置位来把配合法兰上紧。
用于减小衬套直径的滚子以传统的方法安装一对，如图1中所示的滚子10和11。最好每组滚子包括三个或四个或多个滚子，四个滚子是最佳数字;每组滚子的滚子数多将比每组滚子只有一对滚子成本高，但是它有许多优点，比如摩擦力小，当衬套通过滚子时，由于滚子表面的有关速度不同在滚子的滚压表面和衬套之间、滚子的中间部分12与13和边缘部分14、14a与15、15a之间会产生摩擦力，如图2所示，应用每组多个滚子将减小上述摩擦力。
至少一组滚子必须用公知的旋转驱动装置来驱动，例如齿轮驱动机构。在一组滚子中的所有滚子都应被驱动。滚子驱动装置的速度应调整到能保持衬套在被牵入管子中时施加于衬套上所希望之拉力水平。如这里所描述的，在控制速度下驱动滚子，把衬套牵引进管子的牵引速度一般将高于先有技术方法的速度，同时并不增加衬套上拉力。
并不涉及到对本发明进行特别的技术说明，只是说在其它因素相等的条件下单位时间里为了减小衬套直径所做的功正比于其直径的减小速度。因为在先有技术中所涉及的减小衬套直径的方法是通过一个拉模对衬套施加一个相当的力，因此用于维持减小衬套直径的拉力同时也减小其壁厚，并且衬套直径的减小速度也正比衬套镶衬到管子里去的速度。进一步地说，阻止衬套向管子里镶衬的摩擦力也正比于牵入管子中的衬套长度。因此如果用先有技术的方法，当较长的衬套的镶衬速度过高时，作用在衬套上的拉力将持续增加直至超过衬套的拉伸屈服极限导致衬套的永久损坏。而在本发明的工艺方法中，用减小衬套直径所需的功大部分由滚子组提供，作用于衬套之上的拉力被限制在只是为了克服限制衬套被牵入管子的摩擦阻力。
图4说明了本发明的一个实施方案，在该实施方案中应用了一组有四个滚子的滚子组来减小衬套的直径。滚子50、51、52、53以其轴互成直角毗邻设置，这样这四个滚子的凹下的中间部分54、55、56、57合起来形成了一个园形通口59，当衬套3通过该通口59时其直径被减小。滚子的轴可转动地安装在框架58上。斜齿轮组60、61、62驱动滚子50、51、52、53，这样四个滚子的园周将相对于通口59的同一方向以相等的速度转动。整个齿轮组由斜齿轮63驱动，斜齿轮63由变速驱动装置64旋转驱动。这是驱动所有滚子组的基础。
实例1一个8英吋直径的钢管其内径为196.8毫米(7.749英吋)，在管子内镶衬由SCLAIR″35B聚乙烯树脂制作的衬套，衬套的壁厚是6.40毫米(0.252英吋)，外径是201.7毫米(7.940英吋)比管线的内径大2.5%。这样在通过滚子径向压缩之前衬套的横截面积是39.27平方厘米(6.09平方英吋)。管子的内表面被氧化生锈，但并不是严重地侵蚀以致影响管子的承压能力。当进行换衬操作时，环境温度大约是20℃，埋着的管子的温度大约是10℃。
把三对滚子排列在管子进口处，这排列好的三对滚子其横截面外形与衬套外形一致，当衬套通过滚子后，衬套在受到拉力的同时其外直径表现为177.8毫米(7.000英吋)，这样滚子使衬套的直径减小了11.8%。把一个送丝装置穿过管子连接到衬套前端，衬套以大约平均25米/分的速度被牵引入管子;在整个牵引过程中送丝装置上的拉力始终保持并被测量。所有的滚子都由液压马达和齿轮组驱动，作用于衬套上的拉力限制在小于24500牛顿(5500lbf)其驱动速度根据作用于聚乙烯衬套上的拉应力为6.29MPa(912Psi)而定。如果仅对衬套施加拉力以便把衬套牵过滚子而进入管子其镶衬速度为25米/分时，衬套所承受的应力将超过聚乙烯拉伸屈服极限。
管子长430米，单独的衬套段用传统的熔接焊机平焊在一起并把焊接时产生的额外聚乙烯焊珠去掉。以此制成所需长度的整体衬套。
滚子用少量77号黄油来润滑。当衬套完全被镶衬，牵引过程结束时，所应用的衬套初始长度是436。有大约55米的衬套从衬套牵引端伸出;在镶衬端，衬套并没有被从衬套材料原点切断。在最后送丝装置上的拉力被释放后，10秒钟内衬套的15米长度将回缩进管子里;随后衬套将继续越来越慢地回缩进管子里;随后衬套将继续越来越慢地回缩，这个回缩运动完全进行完毕需要8小时时间，此时衬套的牵引端回缩25米，镶衬端回缩1米。
用传统的方法在衬套的两端连接上轴端法兰以便进行压力检验并方便管线连接。在压力检验过程中，基本上没有气和水从钻在接近于管子两端的泄漏孔中流出;因此，很明显，不用施加任何外压力衬套就可膨胀回复直到完全与管子内壁接触为止。
实例2一个4英吋直径的钢管长600米，其内径为102.3毫米(4.026英吋)，在管子内镶衬由SCLAIR″35B聚乙烯树脂制作的衬套，衬套的壁厚5.34毫米(0.210英吋)，外径是105.9毫米(4.170英吋)比管线的内径大3.6%。这个管子的条件和环境的条件与实例1相似。把两对滚子排列在管子进口处，类似于实例1中的滚子排列。排列好的两对滚子其横截面外形与衬套外形一致，当衬套通过滚子后，衬套在受到拉力的同时其外径表现为90.93毫米(3.580英吋)，这样滚子使衬套的直径减小了14.2%。衬套由送丝装置以大约平均30米/分的速度牵引入管子;在整个牵引过程中送丝装置上的拉力始终保持并被测量。所有的滚子都由液压马达和齿轮组以一定的速度驱动，使得衬套上的拉力限定在20000N以下，即作用于聚乙烯衬套上的拉应力为11.9MPa(1724Psi)。仅对衬套施加拉力以便把衬套牵过滚子而进入管子时的镶衬速度为30米/分时，对于衬套牵引端将承受大约26700牛顿的拉力，相应于衬套上的应力大约为15.9MPa，这个力将超过聚乙烯拉伸屈服极限。检验的其它条件与实例1的条件相似。轴端法兰用传统的方法连接，镶衬过的管子成功地进行了压力检验，并连接到管线系统上。
本发明的方法显示出了大量的先有技术方法不能胜任的有利优点。一个重要的优点就是整个镶衬操作可以在通常环境温度下进行;并不需要提供大量加热的液体，比如水，以便使衬套能回复直至与管子紧密地接触到一起，因此本发明的方法具有超过其它方法的相当大的成本优势。相反在先有技术的滚压方法和模压方法中，如果不高速牵引衬套的话，很可能衬套的很长的一部分不能镶入管子，牵引速度增加会导致施加于衬套上的拉应力增加大到足以使衬套永久变形的范围并且使送丝夹持装置损坏。本发明方法的另一个优点是直径减小应力被去除后，例如当拉力从送丝装置上去除，衬套几乎立刻大部分膨胀，这样镶衬人员马上就能在管线施工现场准备如数公里的镶衬管。本发明方法的再一个优点是允许一个大约800米长的衬套被单独牵拉镶衬，如果条件很好，管子内表面是理想光滑、很少有夹角的，那么即使1公里长的衬套也可一次单独镶衬;因此把铺设的管线挖开并破坏以便镶衬时，只需相对比较小的坑。此外，与衬套仅仅通过延伸来减小其直径的方法比较，根据热塑性材料的泊松比，本发明的方法只需大约延伸衬套的四分之一长度。
权利要求
1.一种在管线的管子中设置合成聚合材料衬套的方法，所述的方法其特征包括下列过程(1)提供一种合成聚合物管状衬套，该衬套的外径比管线管子的内径大0.5%至6%。(2)把所述的衬套对准通过最少一组至少有两个减小直径滚子，由此使所述衬套的外径处于直径减小的状态，小于足以能使衬套毫不费力地穿入到管子的内径中，此时衬套直径减小的变形量小于该衬套聚合物材料弹塑性范围的上限，同时把衬套镶衬于管子之中。(3)在管子中固定所述的衬套，同时从存在的径向应力和轴向应力中选择一组应力施加在衬套上使其保持在直径减小状态。(4)释放所述的衬套中的应力，驱动至少一组所述的滚子使其速度足以保持所述的衬套在镶衬过程中其拉应力低于衬套的合成聚合材料的拉伸屈服极限值。
2.一种在管线管子中设置合成聚合材料衬套的方法，所述的方法其特征包括下列过程(1)提供一种合成聚合物管状衬套，该衬套的外径比管线管子的内径大0.5%至6%。(2)把所述的衬套在轴向拉力条件下对准通过至少一组至少二个减小直径滚子，由此使衬套在应力下产生外径小于足以能使衬套任意穿入管子内径，此时衬套直径减小的变形量低于衬套聚合材料弹塑性范围的上限，同时把衬套牵入管子中。(3)在管线的管子中固定衬套的同时保持衬套上的拉力。(4)释放衬套上的拉应力，驱动至少一组所述的滚子使其足以保持所述的衬套在镶衬过程中维持衬套处于直径减小状态所需拉应力并且使该拉应力小于衬套的合成聚合材料的拉伸屈服极限值。
3.根据权利要求
1或2所述的方法，其特征是所述的衬套的外径比管子的内径大大约1.0%至3.0%。
4.根据权利要求
1至3所述的方法，其特征是所述的衬套通过多组减小直径滚子。
5.根据权利要求
1至4中任意一项所述的方法，其特征是所述的减小直径滚子组包括至少三个滚子。
6.根据权利要求
1至5中任意一项所述的方法，其特征是所述的滚子组包括两个单独的滚子，这两个滚子的滚压表面呈凹面状，从横截面看滚压表面基本上呈半园形。
7.根据权利要求
1至6中任意一项所述的方法，其特征是所述的每组滚子各包括四个滚子。
8.根据权利要求
7所述的方法，其特征是所述的减小直径滚子包括至少两组滚子组。
9.根据权利要求
7所述的方法，其特征是所述的减小直径滚子包括至少三组滚子组。
10.根据权利要求
1至9中任意一项所述的方法，其特征是所述的衬套其横截面呈园形。
11.根据权利要求
1至10中任意一项所述的方法，其特征是对所述的管线的管子进行镶衬操作时温度范围是从大约-10℃至+30℃。
12.根据权利要求
1至11中任意一项所述的方法，其特征是轴向应力足够保持衬套处在直径减小状态。
13.根据权利要求
1至12中任意一项所述的方法，其特征是管子的直径在50毫米至200毫米之间。
14.根据权利要求
1至13中任意一项所述的方法，其特征是在减小直径过程中，衬套直径的减小不能超过20%。
15.根据权利要求
1至14中任意一项所述的方法，其特征是所述的滚子被驱动的速度应足以把所述的衬套以至少为8米/分的速度镶衬。
16.根据权利要求
1至15中任意一项所述的方法，其特征是所述的衬套直径减小状态的保持，由管子内的液体压力产生的径向压缩应力来实现。
17.根据权利要求
1至16中任意一项所述的方法，其特征是允许衬套直径减小状态保持的时间不能超过两小时。
18.根据权利要求
1至17中任意一项所述的方法，其特征是所述的滚子由变速驱动装置来驱动。
19.根据权利要求
18所述的方法，其特征是所述的变速驱动装置是液压马达。
20.根据权利要求
1至19中任意一项所述的方法，其特征是所述的合成聚合物衬套的聚合材料是聚乙烯。
21.根据权利要求
20所述的方法，其特征是所述的聚合材料是高密度聚乙烯。
22.根据权利要求
1至19中任意一项所述的方法，其特征是所述的合成聚合物衬套的聚合材料是聚酰胺。
23.用于向管线的管子中镶衬管状合成聚合物衬套的设备，其特征包括(1)用于把所述衬套在任意可变控制速度下牵引入所述管子的装置。(2)至少一组具有至少两个滚子的滚子组，该滚子组适于把所述衬套的直径减小5%至20%，所述的滚子适合于同所述管子的一端定位装配。(3)用于控制所述滚子线速度的装置，以便使衬套上的拉应力保持小于所述合成聚合物的拉伸极限值。
24.根据权利要求
23所述的设备，其特征是所述用于控制所述滚子线速度的装置由液压马达来驱动。
25.一种应用权利要求
1至22的方法所制成的镶衬好的管子。
专利摘要
公开了一种方法，使用该方法通过把合成聚合物衬套牵引拉过对正了的减小直径滚子而使硬质管状合成聚合物衬套镶衬到管子中去。衬套被牵引拉过对正了的减小直径滚子后就可以使得衬套在直径减小应力作用下外径减小到比管子的内径还小，这样衬套在处于直径减小状态下很容易被牵拉进管子中，随后释放衬套上的应力，允许衬套膨胀直到与管子的内壁接触。驱动滚子的速度应足以保证在衬套上产生的拉应力小于聚合物的拉伸屈服极限。
文档编号B29C55/22GK87107640SQ87107640
公开日1988年8月3日 申请日期1987年11月4日
发明者安德鲁·戴维·怀曼, 戴尔·艾尔弗雷德·尼尔勒 申请人:杜邦公司加拿大分公司, 联合侵蚀顾问公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan