专利名称：具有至少一个金属端部件的复合管以及制造这种管子的方法
技术领域：
本发明涉及一种管子，例如立管，根据所附权利要求1前序部分所述，其由金属端部件和主要包括复合材料的中间段所构成。
在美国专利申请No.US2003/0106685A1和US2003/0107186A1以及美国专利6042152，6050612中详细叙述了这类的复合立管。
随着油和气的开采与生产不断向更深水域发展，立管的重量、成本和可靠性变得越来越重要。
立管用在海上采油平台上，以从海底把油或者气传送到生产平台。立管可是挠性的或者刚性的。刚性的立管还用作钻井作业的导管，其中钻头和钻柱向下通过钻井立管，以及还用于油井的维护(维修用立管)。
复合立管是一种刚性立管，替换当今的刚性钢制立管。复合立管的主要目的是要减轻重量。也可以用钛或者铝制造立管。它们被构造为直径大约4.5″到21″的管子，并且每段的长度为15到27米。每端具有带密封系统的机械接头。通过相互连接一系列的管段来组装立管。制造的立管的额定压力达15000psi(1000巴)并且长度达10000英尺(3000m)。
复合立管还具有很高的比强度和比刚度，它们耐腐蚀，具有良好的绝热性能、优越的减振性能以及优良的疲劳性能。
原则上，复合立管的构造类似金属立管，只是接头之间的管段完全或者部分替换为复合材料。
本发明可以用于由碳纤维复合材料制造的带有金属端头件的所有类型的刚性或挠性立管。然而，本发明还适合于复合材料联接在金属部件上的其它类型的管状部件，例如火箭喷嘴、航空航天部件、螺旋桨机翼等等。
复合材料由仅可以承受在一个方向的力的纤维构成。因此，复合材料被构造为有轴向和切向交替定向的层。复合材料在金属凹槽系统中连接到钢，该系统称为金属一复合材料界面(Metal to CompositeInterface)或者MCI。
当今构造这些管子的方式是，将金属端部件连接在薄金属管的任何一端。这是相对较低强度的金属管，并且主要是要作为通过管子运输的流体和外侧复合材料之间的屏障。随后将轴向碳纤维从一个金属端部件中的相应沟槽铺设到另一个金属端部件中的相应沟槽。如果在每个端部件中具有几个沟槽，将首先在两个端部件中的相距最近的沟槽底部之间铺设轴向碳纤维。随后在这些沟槽的周向上铺设碳纤维，直到沟槽被填满。接下来，将在每个端部件中相距更远的那些沟槽之间铺设轴向碳纤维，并在周向上填满沟槽。持续如此，直到所有沟槽都充满复合材料。轴向方向上铺设的碳纤维可以在施加之前用环氧树脂或者其它树脂润湿，从而形成所谓的预浸料坯。沟槽中周向上铺设的碳纤维用于锁紧轴向碳纤维，因此防止它们在制造的过程中滑出沟槽。
这种复合管可以承受大的轴向力。然而，希望增加这种管子的轴向断裂强度，特别是如果可以增加强度而不造成管子重量和/或壁厚的任何大的增加。本发明提供了断裂强度的相当大的增加，而不必增加重量或尺寸。本发明还提供了降低重量和/或壁厚同时保持断裂强度的机会。
现在将参考附图更详细地说明本发明，其中
图1示出了根据现有技术构造的复合管；图2示出了根据本发明的复合管；图3示出了图1中已知管子的细节；图4示出了图2中本发明管子的细节；图5示出了图1中已知管子中一部分的负荷分配；图6示出了图2中本发明管子一部分的负荷分配。
图1中已知的管子包括内金属管子1，其第一端与金属端部件2相联接，并且其第二端与金属端部件3相联接。每个端部件分别包括螺纹部分4和5，其可以另外联接在螺纹件上从而连接其它管子或者设备。示出的螺纹部分4、5都是内螺纹。这是由于该管子是用于试验目的(图2的管子也是)。要用于立管中的管子将会在一端具有内螺纹，而在另一端具有外螺纹。
各个端部件2、3分别具有至少一个沟槽6和7。端部件2、3最靠近内管1的部分分别具有锥部8和9。内管1的外面，在径向方向上，构造有外管10，其包括环氧树脂或其它树脂模具中的碳纤维。外管10大致具有纵向的碳纤维11和大体在外管10周向布置的碳纤维12。
现在参考图3，其详细示出了图1中管子的第一端部件2处的细节。如图中可以看到，已经铺设了纵向的碳纤维11，其从沟槽6的底部13延伸，沿着沟槽6的侧面14向上并继续沿着内管1向下。这些碳纤维延伸到另一端部件2中的相应沟槽7的底部，在那里它们以类似的方式铺设。随后对沟槽填充在管子周向延伸的碳纤维12，从而将纵向的碳纤维11锁在沟槽6中。有利地，这些周向纤维还沿着外管10整个长度绕着外管10的外面缠绕。另外，可以在金属部件之间即内管1和端部件2、3之间提供例如由橡胶制造的薄膜。其作为汽障。
图2示出了根据本发明的管子。该管子也包括内管1、分别具有沟槽6和7的两个端部件2和3。这里还具有铺设在内管1之外以及部分地在端部件2和3之外的纵向碳纤维11和周向纤维12。在该管子和图1中已知的管子之间仅仅有一个小差别，该差别在图4中最佳示出，其示出了管子第一端部件2处的截面。这里在沟槽6的底部也铺设了纵向纤维11。然而，它们不是沿着侧面14铺设。相反，在侧面具有中间层15，其优选包括环氧树脂或其它树脂模中的周向碳纤维。这样会使得纵向的纤维11与侧面14间隔开。该中间层使得对于纵向的纤维11外面的周向纤维12的需要降低，从而使得材料的总消耗没有变化。在这种情况下，中间层15的厚度为10mm。适合的厚度取决于沟槽的尺寸，因此大的沟槽将会要求更厚的中间层。适合的厚度将可能在2mm到25mm的范围之内，最可能是在5到20mm的范围之内。
已证明，在侧面14上的这种中间层对于轴向断裂强度有重要的影响。内径为10″(大约25cm)并根据图1构造的管子，与根据图2构造的具有相同尺寸的管子进行比较试验，通过轴向拉伸管子直到发生断裂。两个管子具有相同量的纵向碳纤维以及相同量的周向纤维。唯一的差别是有些周向纤维已经在沟槽6中侧面14处布置在纵向纤维之内，在沟槽7中也类似，而不是布置在纵向纤维之外。
结果如下根据图1的常规结构的管子在2215kN力的作用下断裂。
具有根据图2的中间层的根据本发明构造的管子在3131kN力的作用下断裂。
两个管子都具有大致为线性的力梯度，直到断裂。然而，断裂强度的差别达到41％。
图5示出了等压线表示的剪应力图形。它示出了根据图1的普通结构的管子在张力作用下的典型情况。在图中可以看到沟槽6的底部13和侧面14。在从底部13到侧面14过渡的区域16中，以及在靠近侧面14顶部的区域17中，可以看到等压线的间隔非常紧密。这表示在这些区域中具有高应力集中，因为在钢和复合材料开始接合时钢和复合材料之间的接触压力梯度很陡。纵向纤维通过这些区域16和17(从沿着纤维11的稍微更高的应力集中可以看出纤维11的布置)，因此受很高的应力。
图6示出了在例如图2所示的根据本发明管子在张力作用的典型情况下用等压线表示的应力图形。这里也可以看到沟槽6的底部13和侧面14。从区域18中稍微更高的应力集中可以辨别出纵向纤维11的布置。然而，该区域18在绝对具有最高应力集中的区域16和17之外。因此，纵向纤维11不承受这些高应力。随着管子中的张力增加，区域16和17的范围和应力强度也将会增加。然而，在这些应力区域达到使纵向纤维11过载的范围和应力强度之前会有比较长的时间。
通过沿管子周向在侧面14上铺设树脂润湿纤维网(所谓的预浸料坯)而建立中间层15。预湿的结果是使得网粘在一起，从而在一定程度上粘着到端部件2、3。有利地，在管子旋转的过程中进行施加。在中间层15形成之后，施加纵向纤维12。在这种情况下管子可以非常慢地旋转，同时纤维送进器在纵向上快速移动。作为选择，轴向纤维可以以预浸网的形式施加。然后在周向上铺设更多的纤维，不仅在沟槽6和7中而且在沟槽6和7之间的管子其余部分上。
图中和文中都涉及在每个端部件中有一个沟槽。当然可以使用几个沟槽。就此而言，每个端部件采用的沟槽多达6个。在这种情况下，纤维将首先铺设在距离端部件自由端最远的沟槽中，然后铺设到下一个最远的沟槽中，依此类推。尽管很有利的是在距离端部件自由端最远的沟槽的所有侧面上施加中间层，但是只在一个或者一些侧面上布置这样的中间层也将会有助于实现断裂强度的增加。
上述涉及的是将碳纤维用于构造复合管。然而，对于由其它类型纤维构造的管子也可以增加断裂强度，例如玻璃纤维和芳族聚酰胺纤维。因此本发明也可以用于那些被视为是理想的或合适的生产完全或部分由其它类型纤维制成的管子或者管状部件的情况。
权利要求
1.一种具有至少一个带自由端的金属端部件和非金属管状部件的复合管，其中非金属管状部件通过与至少一个周向延伸、轴向作用的沟槽接合而被在与所述至少一个端部件自由端相反的端部联接到该至少一个端部件，非金属管状部件大致包括向下延伸进入该至少一个沟槽的轴向纤维，该沟槽具有底部和侧面，并且该侧面距离所述端部件自由端最远，其特征在于，在所述侧面和轴向纤维之间设置有中间层。
2.根据权利要求1的复合管，其特征在于，当管子在张力作用下的时候，中间层的厚度使得轴向纤维远离所述侧面附近的一个或几个特别高应力集中的区域。
3.根据权利要求2的复合管，其特征在于，中间层的厚度在2和25mm之间，优选在5和20mm之间。
4.根据权利要求1或者2的复合管，其特征在于，中间层包括比端部件材料更软的材料。
5.根据权利要求3的复合管，其特征在于，中间层包括大致在管子周向延伸的纤维。
6.根据前面任何一项权利要求的复合管，其特征在于，轴向纤维可能还有中间层包括碳纤维，并且纤维可选择地在环氧树脂或者其它的树脂模中润湿。
7.根据前面任何一项权利要求的复合管，其特征在于，在轴向纤维外面具有纤维，这些纤维大致在管子的周向延伸，这会使得所述至少一个沟槽中的轴向纤维被锁定。
8.一种制造具有至少一个带自由端的金属端部件和非金属管状部件的复合管的方法，其中非金属管状部件通过与至少一个周向延伸、轴向作用的沟槽接合而被在与所述至少一个端部件自由端相反的端部联接到该至少一个端部件，该沟槽具有底部和侧面，并且该侧面距离所述端部件自由端最远，其特征在于，在所述侧面施加中间层，随后沿着沟槽的底部并沿着中间层铺设轴向纤维，并且随后沿管子的周向在轴向纤维的外面缠绕纤维。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，通过沿着该侧面的周边缠绕纤维来提供中间层。
10.根据权利要求8或9的方法，其特征在于，所述纤维是在施加之前已经在环氧树脂或者其它树脂模中润湿过的碳纤维。
全文摘要
一种具有至少一个带自由端的金属端部件(2，3)以及非金属管状部件(10)的复合管。非金属管状部件(10)通过与至少一个周向延伸、轴向作用的沟槽(6，7)接合而被在与所述至少一个端部件(2，3)的自由端相反的端部联接到该至少一个端部件(2，3)。非金属管状部件(10)大致包括向下延伸进入所述至少一个沟槽(6，7)中的轴向纤维(11)。沟槽(6，7)具有底部(13)和侧面(14)，该侧面距离端部件(2，3)的自由端最远。在侧面(14)和轴向纤维(11)之间提供了中间层(15)。还叙述了这种复合管的制造方法。
文档编号F16L47/00GK101027454SQ200580032537
公开日2007年8月29日 申请日期2005年9月27日 优先权日2004年9月27日
发明者B·保尔舒斯, T-O·卡尔森, T·斯拖海于格, J·M·约翰森 申请人:阿克·夸尔纳海底公司