一种海洋纤维增强复合管用双限制连接系统的制作方法

本发明涉及海洋纤维增强复合管管装备技术领域,具体涉及一种应用于石油或水高压输送的海洋纤维增强复合管用双限制连接系统。

背景技术：

海洋油气产业正面向更深的水域、更恶劣的运输和安装环境，而传统的钢制管道由于密度较大,运输和安装的成本高等缺陷越来越难以满足海洋油气运输的需求，为适应新的油气输送要求，相继出现多种新型海洋管道，其中海洋柔性管作为一种适应性强、灵活性高、重量轻的新型管道，可适用于多种管线和海洋环境。

柔性管中，有一种采用热塑性材料包覆塑料纤维带缠绕制成的热塑性纤维增强粘结复合管(rtp)，由于其将纤维增强层与内外塑料基体保护层通过热熔粘接成为一个整体，各层材料间隙均匀、张力一致，具有优异的耐腐蚀性，且可有效降低维护、检修和置换的费用；目前复合管一般通过机械压紧的方式完成连接，大多采用扣压式接头和楔形块压紧接头形式：1)对于扣压式接头而言，为将金属压套与管道层压紧，必须在rtp管端施加一定的压力，这样会造成rtp管端部分的压缩变形而使接头内管壁减薄；此外由于管体接头部件和管体主体变形不一致导致其接触面产生应力集中而易发生破裂；如果接头加工质量控制不好或是在运输、存储、施工中受到过度的弯折、碰撞、挤压等，都有可能进一步诱发接头附近管体破裂，致使接头可靠性降低；2)对于楔形块压紧接头来说，由于管道在长期工作下的蠕变和疲劳变形导致的预压力降低会大大降低接头的承载性能，使用效果也不理想。

无论是扣压式连接还是楔形块压紧连接，传统机械压紧接头所夹持的非变径复合管仅仅依靠夹紧力在接头内固定，一旦预压力丢失管道很容易被直接拉出导致连接失效。另一个重要的问题是，管道弯曲对于连接区域的管道和接头组件具有非常大的影响，在管道与接头分离处容易产生较大的应力集中和管道磨损现象，过去适用于中浅水、中低压的热熔接头和现有机械压紧接头针对这一问题都未能提出有效解决方案，未来面对深水高压、复杂严酷的环境荷载导致的管道动态变化，亟待提出一种新型的复合管连接系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对传统机械压紧接头仅仅依靠夹紧力固定，可靠性低，一旦预压力丢失管道很容易被直接拉出导致连接失效等缺陷，提出一种适用于海洋纤维增强复合管的双限制连接系统。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种海洋纤维增强复合管的双限制连接系统，包括增厚管部和连接部，实现对管道卡锁和压紧的双限制效果；所述增厚管部设置在复合管一端，包括第一增厚层和第二增厚层，第一增厚层环向覆盖并粘结在复合管增强层的外侧，且与复合管通过第一锥形过渡段过渡连接，第二增厚层环向覆盖并粘结在第一增厚层靠近管道端部的后半段部分，并通过第二锥形过渡段与第一增厚层过渡连接，第一增厚层和第二增厚层的外表面还设置有外保护套层，并与复合管外保护层粘结为一体；

所述连接部包括卡固件、内芯轴以及锁紧环；所述卡固件套设在增厚管部的外侧，且与增厚管部过盈配合；所述内芯轴包括前端插头和后端斧型轴，所述插头插入复合管内，插头的外表面与复合管的内衬层相接触；斧型轴的前端与复合管末端相接，即与复合管的内衬层、增强层、第一增厚层，第二增厚层，外保护套层的端面同时相接，斧型轴的后端焊接有法兰盘或另一接头斧型轴，与卡固件共同限制复合管的位移，所述锁紧环设置在卡固件与内芯轴后端斧型轴之间，且与卡固件螺纹连接。

进一步的，所述卡固件包括第一外套环以及与第一外套环连接的防弯器；第一外套环的内部从前至后依次包括凹槽段、与第二锥形过渡段配合的过渡段、与第二增厚层配合的连接段，以及与锁紧环配合的螺纹段；所述防弯器包括前端锥形段以及后端柱形段，后端柱形段的端面上设置有延伸的楔形段，楔形段的外轮廓与凹槽段轮廓相匹配，以便于将第一外套环和防弯器连接，实际安装时，楔形段位于第一增厚层的外侧，且与其轮廓匹配，目的是插入第一外套环与复合管管道之间并形成一个初始过盈变形，提供第一增厚层管段的缓冲过渡，并提升此处弯曲抵抗性能。

进一步的，所述防弯器采用具有良好的弹塑性性能的聚合物材料制成，为三段式结构或两段式结构，防弯器的后端柱形段的端面外环边缘上还设置有螺纹盲孔，第一外套环为直圆筒结构，其凹槽段的前端端部还设置有一凸起环，凸起环上加工有螺纹孔，所述螺纹孔和螺纹盲孔相配合，以将第一外套环和防弯器螺栓连接。

进一步的，所述卡固件包括第二外套环，第二外套环外表面轮廓包括前端锥形部及后端柱形部，其内表面轮廓为三段式，包括前段、中段和后段，前段和后段内径保持不变，分别与第一增厚层和第二增厚层相配合，中段与第二锥形过渡段外轮廓相匹配，以便于能紧密相接，后段内壁上设置有与锁紧环配合的内螺纹；第二外套环内表面后段内径比第二增厚层最大外径略大，前段内径比第一增厚层段处外保护套层外径略大。

进一步的，所述第二外套环前端内壁上还设置有弹性缓冲体，所述弹性缓冲体由高强度橡胶材料制成，弹性缓冲体的外表面可粘接，内表面光滑处理，粘接在第二外套环前端内壁上，其厚度要大于第二外套环内表面前部内径与此处外保护套层外径之差。

进一步的，所述内芯轴的前端插头外表面上设置有增大摩擦的滚花，插头的前端端部为圆弧状结构，经过特殊钝化处理以减少对内部流体的扰动和对管道的应力集中，不影响内部流体流动。

进一步的，所述插头前端的外径略小于插头后端的外径，即从前至后其外径逐渐略微增加，其厚度保持不变，且插头前端的外径略小于复合管内径，插头后端的外径略大于复合管内径，使插头外径逐渐增加目的是插头插入管道后有一个初始过盈变形，保证管道内表面与插头外表面紧密接触。

进一步的，所述插头的后端设置有加厚部，对应的，此处复合管与插头的接触位置做了相应的匹配处理，以抵抗此处较大的剪切应力。

进一步的，所述第一外套环内壁、内芯轴插头外表面、斧头型轴前端面以及锁紧环内壁上均设置有密封槽，所述密封槽内设置有密封圈，密封圈直径大于密封槽最大深度，密封垫圈采用api的密封标准。

进一步的，所述第二锥形过渡段的外轮廓为直锥面或弧形锥面。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提出的双限制连接系统，通过对复合管端部进行二次增厚特殊设计，并配合连接部，实现对管道卡锁和压紧的双限制效果，具体体现在：

1)增厚管部设计有两个增厚层，第一增厚层环向覆盖并粘结在复合管增强层的外侧，沿轴向与复合管通过第一锥形过渡段过渡连接；第二增厚层环向覆盖并粘结在第一增厚层靠近管道端部的后半段部分，沿轴向通过第二锥形过渡段与第一增厚层过渡连接。两个增厚层都可以调整纤维角度和纤维带密度实现不同的增强功能，以提高其在接头内部的抗拉伸和抗压缩性能，减小管端在受到轴向力时出现的轴向应变导致的预压力丢失；

2)所述连接部包括卡固件、锁紧环和内芯轴等，卡固件内锥面与增厚管部的过渡锥面相匹配，内芯轴的前端插头插入复合管内部，后端斧型轴与复合管管道端面相接。通过这样的设置，一方面，第二增厚层能够被卡固件和内芯轴斧型轴轴向夹紧限制，另一方面，卡固件提供给增厚管部一个径向的压力，以充分利用插头与管道内壁的摩擦力防止管道轴向滑移，有效增大摩擦限制效果；

3)不同于仅仅依靠压紧提供摩擦力的机械压紧接头，本发明依靠管道末端的增厚结构设计，并通过连接部与增厚管部的过盈配合，使该连接系统对管道具有卡锁和压紧的双重限制效果，且将连接系统承载性能和密封性能统一完善，提高了连接系统的可靠性。在蠕变现象导致的预压力丢失的情况下，其特殊的锥形斜面卡锁设计也能够保证管道不会被直接拉出而脱离接头，依靠卡固件与内芯轴插头的限制仍旧保证了承载性能和密封性能的相对完好性，对具有高强度和低蠕变特性的复合管具有很好的应用效果，对于未来具有更好材料性能并运用于更复杂苛刻的应用和环境条件的复合管来说，具有广泛适用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1所述增厚管部结构剖面结构示意图；

图2为本发明实施例1所述连接系统整体结构示意图；

图3为本发明实施例1所述连接系统爆炸结构示意图；

图4为本发明实施例1所述连接系统剖面示意图；

图5为本发明实施例2所述连接系统整体结构示意图；

图6为本发明实施例2所述连接系统爆炸结构示意图；

图7为本发明实施例2所述连接系统剖面示意图；

图8为本发明实施例2所述连接系统连接方式一示意图；

图9为本发明实施例2所述连接系统连接方式二示意图；

图10为本发明实施例2所述连接系统连接方式三示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，本实施例中，所述的“前”、“后”等位置关系以附图1中“左侧为前，右侧为后”为基准，即靠近复合管端部的一端为“后”。

实施例1，本方案主要针对纤维增强热塑性复合管，参考图1，复合管主体包括管道中间的纤维缠绕增强层12，粘覆在增强层外侧的基体外保护层13，粘覆在增强层内侧的基体内衬层11；增强层12的材料为能够二次加工的增强纤维带(玻璃纤维或碳纤维)和热塑性基体材料(hdpe，peek，peak)，增强层缠绕纤维采用纤维增强带预浸带正负同角度对称缠绕的方式(角度为纤维带缠绕方向与管道轴向方向的夹角)。

一种海洋纤维增强复合管的新型连接系统，参考图1、图2，包括增厚管部2和连接部，具体的：

如图1所示，增厚管部2设置在复合管1的一端，包括第一增厚层21和第二增厚层22；第一增厚层21环向覆盖并粘结在复合管增强层12的外侧，其前端设有第一锥形过渡段23；第二增厚层22环向覆盖并粘结在第一增厚层21靠近管道端部的后半段部分，其前端设有第二锥形过渡段24，第一增厚层21和第二增厚层22的外表面还设置有外保护套层25，并与复合管1外保护层13粘结为一体。

本实施例中，所述复合管增厚管部可以基于3d打印技术实现管道末端的精确加工，以保证增厚管部具有较小的初始结构缺陷，使管道末端和连接系统能实现预期的配合。增厚管部2可以在最初的管道制造过程中设置，也可以在加工好的管道末端进行二次加厚处理。

本实施例中，第一增厚层21与第二增厚层22是与复合管增强层相似的缠绕纤维嵌入热塑性基体的结构形式，基体材料与复合管增强层一致，纤维缠绕方向和纤维带密度根据需要进行了优化，以适合连接部的结构。其中，第一增厚层21纤维缠绕角度要小于复合管增强层纤维缠绕角度，以增强接头抵抗弯曲的性能，纤维带密度可以增加，但不能减少；第二增厚层纤维缠绕角度和纤维层密度也可发生变化，在靠近第一增厚层的区域，其纤维带相对管道平端密度较小，缠绕角度为50°至55°，且纤维带密度增加，目的是平衡处理此处特别是靠近过渡段起点这一关键区域的管道径向变形和轴向变形的性能。其他高度的纤维带角度约为45°到50°，目的是减小管道轴向应变，降低预应力丢失的可能性，纤维带密度不能减小；从宏观上看，管道增强层12，第一增厚层21和第二增厚层22可视为一个增强层整体，相互之间的剪切性能不低于层内纤维带间剪切性能；增厚管部2的外保护套层25所用材料与复合管外保护层相同，与复合管外保护层13在相接位置热融为一体，覆盖在第一增厚层21和第二增厚层22的外表面。

为了保证增厚管部2和连接部的良好配合，第二锥形过渡段24的形状经过特殊设计，从图1中可以看出，所述第二锥形过渡段24的外轮廓为直锥面，其锥面还可以为凹弧形(图4、图7所示)，该处的长度和角度经过严格设计,抬升角度为15°到18°之间，长度为200mm至230mm之间，综合考虑径向压力、轴向压力、管道沿斜面的滑移、管道层间剪切性能等因素，本实施例优选采用15.5°、210mm的尺寸设计，也可以依据应用的荷载工况做出调整。第二增厚层22的锥形面特别是锥形面底端，在装配预应力，轴向拉力，管道弯曲作用下，此处会有较大的变形和应力集中，因此将此处设计成小角度的弧形面以降低应力和变形。

结合图2-图4所示，所述连接部包括卡固环、内芯轴3以及锁紧环4；卡固环、内芯轴、锁紧环等均为钢制材料，边角经过特殊处理以减小应力集中，暴露在内外流体的表面需要进行防腐处理。

本实施例中，如图2所示，所述卡固环由第一外套环5以及与第一外套环5连接的防弯器6组成，可应用于管道可能出现较大弯曲或动态应用条件下。

具体的，参考图3和图4，所述第一外套环5为直圆筒结构，套设在增厚管部2的外侧，且与增厚管部2过盈配合，从图4可以看出，第一外套环5的内部从前至后依次包括凹槽段51、与第二锥形过渡段24配合的过渡段52、与第二增厚层22配合的连接段53，以及与锁紧环4配合的螺纹段54；凹槽段51和过渡段52均为变径的圆形内壁，且凹槽段51的截面为梯形状，其前端端部还设置有一凸起环55，其上加工有螺纹孔；过渡段52的轮廓与第二锥形过渡段24外保护套层表面轮廓一致，连接段53内径保持不变，螺纹段54内壁上设置有内螺纹；卡固环在有必要时可连接有防弯器，能够抑制复合管的大幅度弯曲，有效应对接头处管道过度弯曲引起的接口应力集中问题和疲劳变形问题，可避免管道出现基体开裂、纤维分层等多种失效，提高了接头系统压紧结构的疲劳寿命。

其中，所述防弯器6采用具有良好的弹塑性性能的聚合物材料制成，为三段式结构或两段式结构，图4中所示为两段式，包括前端锥形段61以及后端柱形段62，另外，也可以设计成三段式，即在锥形段61的前端再设置一段厚度较薄且厚度不变的辅助柱形段(图中未示意)，以平衡过渡区域的弯曲应力。后端柱形段62的端面上设置有延伸的楔形段63，楔形段63的外轮廓与凹槽段51轮廓相匹配，尺寸略大，目的是插入第一外套环5与复合管1管道之间形成一个初始过盈变形，提供第一增厚层21管段的缓冲过渡，并提升此处弯曲抵抗性能，保证管道在脱离接头连接处即开始受到弯曲保护，类似于实施例2中所述弹性缓冲体的功能。防弯器6与第一外套环5的连接方式为螺栓连接，即在防弯器6的后端柱形段62的端面外环边缘上还设置有螺纹盲孔，所述凸起环51螺纹孔和螺纹盲孔相配合，以将第一外套环5和防弯器6通过螺栓连接。

参考图3和图4，所述内芯轴3包括前端插头31和后端斧型轴32，所述插头31插入复合管1内，插头31的外表面上设置有增大摩擦的滚花，与复合管1的内衬层11摩擦接触。其前端端部为弧形结构33，经过特殊形状处理以尽量减少对内部流体的扰动和避免产生应力集中；前端的外径略小于插头31后端的外径，即插头31从前至后其外径逐渐略微增加，其内径保持不变，同时插头前端的外径略小于复合管内径，插头后端的外径略大于复合管内径，这样的设置一方面是令插头能够较容易插入管道，另一方面是令插头插入管道后有一个初始过盈变形；插头31的轴向长度大于第二增厚层22的轴向长度，保证外套环锥形斜面提供的压紧力能尽可能转化为插头上的摩擦力；为了抵抗插头31后端与管道接触位置的剪切应力，在插头31的后端设置有加厚部34。

从图4可以看出，斧型轴32的前端与复合管1末端保持平齐并紧密相接，即与复合管的内衬层11、增强层12、第一增厚层21，第二增厚层22以及外保护套层25的端面同时相接。所述斧型轴32最大外径小于第一外套环内表面后段内径，斧型轴32末端焊接是多选择的，可以焊接法兰盘10以便与带法兰的复合管或其他类型管道，管道三通器，井口接头，平台终端等连接，亦或是通过焊接来连接另一个接头系统的斧型轴。

所述锁紧环4设为一圆环结构，截面为一直角梯形，设置在第一外套环5后端与斧型轴32之间，且与第一外套环5螺纹连接；锁紧环4外表面设置有外螺纹，能与卡固环的内螺纹相配合，且第一外套环5内螺纹总长度大于锁紧环4外螺纹总长度；螺纹上涂有密封胶，采用asme标准的密封螺纹，锁紧环4前端面为斜锥形过渡段，以与斧型轴32扛肩表面轮廓一致，且斧型轴32扛肩、以及锁紧环4与斧型轴扛肩接触的地方均做粗糙处理，以防止锁紧环4滑动。

系统的密封性能具体设置为：整个连接系统内部关键位置布置有密封槽用于放置密封圈，比如在第一外套环5内壁、内芯轴插头31外表面、斧型轴32前端面以及锁紧环4内壁上均设置有密封槽20，所述密封槽内设置有密封垫圈，密封垫圈直径大于密封槽最大深度，采用api的密封标准。所有密封位置都利用了系统内初始的预压力，保证了密封效果。此外，在内外流体沿内部结构间隙的流通路径上，有多重面面接触的副密封面，提高了密封性能和可靠性。

结合上述描述，该连接系统的设计原理为：为将管体几何限制在连接部内，在复合管管道外表面通过精细化的制造加工出末端的特殊增厚段，其中，前端为锥面的第二增厚层22在外套环内锥形轮廓的几何限制下防止被拉脱，在相反的方向上，依靠被锁紧环4与的螺纹连接顶住斧型轴32，反向也限制了增厚管部2和与之粘结的管道；为利用接触压力产生的摩擦力，首先将内芯轴3插头插入复合管中实现初始过盈，保证管道内壁与插头外表面形成完整的接触面，以利于插头与第一外套环5的夹紧配合。其次，外套环内壁锥面紧贴着第二增厚层22锥面，通过锥面设计将管道端受到的轴向力转化为垂直于锥形接触面的压力和沿锥面平行的分力，因而既增大了第二增厚层22与外套环的接触摩擦力又给以增厚管部2和复合管1一个径向变形的趋势，进而增大了复合管1内壁与内芯轴插头31的接触压力，即增大了此处的接触摩擦力，此时的接头组件对管道的作用表现在，一方面，外套环通过几何形状上的锥面设计将管道卡固在接头系统内部，另一方面，外套环配合内芯轴插头31实现摩擦限制的作用，接触摩擦力大大降低了组件间相对移动的可能，这种卡固加摩擦力的双限制作用对于无法与接头金属材料之间熔接的柔性复合管道而言是极具优势的；再次，为保证结构之间具有初始摩擦力，同时保证接头内部结构的小位移和稳定配合，引入了预应力使整个系统组件保持稳定，预应力在外套环在接头装配中添加，由锁紧环4与外套环实现螺纹联接保证预应力的稳定，整个连接系统各组件间具有了稳定且大小合理的初始接触压力，保证了荷载的平稳呈递和初始密封的完好；最后，锥面的设计也使接头具有自紧的效果，例如受到轴向拉力后，管道会沿外套环内锥面运动而增大关键接触面的摩擦力，防止管道出现移动，且外力越大摩擦力作用越显著。

实施例2与实施例1的不同之处在于，所述卡固环仅仅采用第二外套环7的形式进行设计，而省略了防弯器，参考图5-图7，第二外套环7外表面轮廓包括前端锥形部71及后端柱形部72，如图7所示，其内表面轮廓为三段式，包括前段73、中段74和后段75，前段73和后段75内径保持不变，分别与第一增厚层21和第二增厚层22所在管段相配合，中段74与第二锥形过渡段24外轮廓相匹配，以便于能紧密相接，后段75内壁上设置有与锁紧环4配合的有ansi标准的内螺纹；第二外套环7内表面后段内径比第二增厚层22所在管段最大外径略大，前段内径比第一增厚层21所在管段外径略大。

本实施例中，所述第二外套环7前端内壁上与第一增厚层所在管段外壁之间设置有起缓冲和抗磨作用的弹性缓冲体，所述弹性缓冲体由高强度橡胶制成，弹性缓冲体的外表面可粘接，内表面光滑处理，粘接在第二外套环7前端内壁上，其厚度大于第二外套环7内表面前部内径与此处复合管外保护套层外径之差，第二外套环7套入管道第二增厚层22后被挤压而过盈变形，主要是保护弯曲的管道不被第二外套环处金属结构磨损，同时也有一定的密封和抗弯曲作用。

实施例2对密封性也做了相应的设计，以密封圈和弹性缓冲体为主要密封，以面面接触为副密封，对于内部流体，内芯轴插头31外表面密封圈为主密封，复合管内表面与插头外表面接触为副密封；对于外部流体，螺纹密封胶、锁紧环内表面和斧型轴外表面的密封圈，卡固环内表面与增厚管段表面的密封圈为主密封，第二外套环7内表面与增厚管段2接触表面、内芯轴斧型轴32前端面与增厚管段2末端的接触面，斧型轴32扛肩与锁紧环4前端的接触面为副密封。

如图8-图10所示，为实施例1或实施例2所述连接系统的三种不同的连接方式，图8为内芯轴斧型轴32末端通过焊接连接法兰10，通过法兰连接实现两根复合管的对接，当法兰连接时，法兰轴10截面与斧型轴32柄轴末端截面轮廓一致，通过全断面焊接形成连接，焊接强度应大于斧型轴32和法兰轴10的钢材强度；图9为复合管通过连接法兰与钢管法兰对接；图10为斧型轴32直接与另一斧型轴32焊接，其连接处可以进行一定强化处理，例如在外部套一对金属加固半圆环，法兰形式和尺寸选用根据相关规范选用即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。