管的制作方法

本实用新型涉及用于输送流体的管的结构，管材料在操作条件下对所述流体耐受，所述管包括用于供水和供热的管。

背景技术：

操作条件要求通过管在宽温度范围内输送处于压力下的流体，这需要足够高的管强度。长期众所周知的是，为了这种目的，使用聚合物材料的管，包括各种聚乙烯的管，所述聚乙烯诸如为交联聚乙烯(PEX)、耐热聚乙烯(PERT)。与用于相同目的的金属管相比，这种管的缺点包括管壁的厚度更厚，这降低了管的容量，导致用于制造管的材料的消耗增加以及管的重量增加。

通常通过在聚乙烯管上施加高强度纤维的增强层来消除这些缺点，所述增强层承担由所输送的流体施加的主要载荷。

在这种情况下，聚乙烯的管和增强层表示可以彼此粘性地结合或不结合的两个层。如果纤维没有固定在管上，如2004年8月12日的公开号WO 2004/068016(国际申请PCT/CA2004/000105)中所述，则所述纤维能够沿着管轴线相对于其原始位置形成位移地自由移动，形成所谓的“自由增强系统”，这造成沿着管长度的不均匀的增强。

增强层在聚乙烯管上的固定可以避免在管的储存和操作过程中可能出现的无增强区域。为此目的，使用粘合剂层，所述粘合剂层施加在增强层之下或之上，例如，如2010年1月10日公布的俄罗斯实用新型专利第90523号所述。然而，聚乙烯管、粘合剂以及增强纤维的不同热膨胀系数会引起增强层的结构损坏，这不能完全避免产生无增强区域的可能性，所述增强纤维通常包括芳族聚酰胺纤维、碳纤维或玻璃纤维。

在不需要使用粘合剂层以用于固定纤维但同时可以保持增强结构的管结构中，可以消除上述缺点。在2003年5月27日公布的俄罗斯专利第2205318号中公开了这种管结构，这是最接近的类比。所述专利的管包括位于均由热塑性材料制成的内层和外层之间的增强层，所述增强层由连续的矿物纤维或聚合物纤维制成，所述纤维沿着两个相对的方向螺旋缠绕，所述纤维深入内层的外表面和外层的内表面中。在管制造的过程中，呈由聚合物材料或矿物材料制成的连续纤维形式的增强剂通过沿着两个相对的方向在张力下螺旋缠绕来施加在热塑性内层的外表面上，所述外表面通过加热而被塑化(同时增强纤维深入热塑性内层的外表面中并且与之形成良好的结合)。然后，施加热塑性外层(同时部分地突出到热塑性内层的外表面之上的增强纤维深入外层的内表面中，形成良好的结合，并且在外层和内层之间形成具有高强度特性的粘性的结合)。

在这种结构中，增强纤维被牢固地固定在管壁中，并且不可能相对于管层发生任何位移，即，形成完全耦联的系统，而其缺点是可能由于增强层的更高强度而使得管层被增强层破坏。

所述缺点是导致管可靠性不足的原因。

在这种情况下，术语“可靠性”应该理解为在操作和维护条件下管在规定的时间限度内保持用以允许在规定的计划内完成所需的功能的所有参数值的能力。

技术实现要素：

本实用新型的目的是消除所述缺点。

技术效果在于提高管的可靠性。

技术效果由于以下事实得以实现：在具有聚合物材料的壁和连续纤维的增强系统的管中，壁由耐热聚乙烯(PERT)制成，并且增强系统以芳族聚酰胺纤维的网状结构的形式制成并且位于管壁内。

在管的一个实施例中，芳族聚酰胺纤维的网状结构可以由连续纤维形成，所述连续纤维沿着相对的方向相对于彼此并且相对于管的纵向轴线成特定角度地缠绕成两层。

在管的另一个实施例中，芳族聚酰胺纤维的网状结构由连续纤维形成，所述连续纤维沿着相对的方向相对于彼此并且相对于管的纵向轴线成特定角度地缠绕成两层，并且彼此编织。

同时，在这两个实施例中，增强系统还可以包括沿着管的纵向轴线定位的纤维。

相对于彼此并且相对于管的纵向轴线以特定角度定位的纤维可以彼此编织并且与沿着管的纵向轴线定位的纤维编织。

在管的一个实施例中，增强纤维可以被包封在PERT的包覆体(cover)中。围绕增强纤维的PERT的包覆体形成用于连续增强纤维沿其轴线移动的通道。

管壁的外表面可以制成具有波纹(made corrugated)。该波纹可以是螺旋形或圆形的。

在一些实施例中，管可以设置有通常由发泡聚合物制成的隔热层，例如，发泡高密度聚乙烯和/或发泡聚氨酯和/或发泡聚异氰脲酸酯。

为了防止气体扩散，管可以设置有气体阻隔层，其可以由包括具有粘合剂层的多层膜的膜或由发泡聚合物制成。用于制造气体阻隔层的其它选择也是可能的。

可以将若干层发泡聚合物用于气体阻隔。

在管的一些实施例中，发泡聚合物是柔性的。

管可以设置有外覆盖体(cover)。在管的一些实施例中，该外覆盖体可以具有波纹。

管壁可以由第二类PERT制成。

在管的一些实施例中，芳族聚酰胺的增强纤维(即，芳族聚酰胺纤维)的至少一部分是单纤维(ultimate fibers)和/或短纤维(staple fiber)和/或组合芳族聚酰胺纤维。

短纤维可以形成条带。

网状结构单元的尺寸不能小于1mm×1mm，除了使用位于PERT包覆体内的纤维的情况。在这种情况下，网状结构可以由相互之间完全没有任何间隙地铺设的纤维形成。

围绕增强纤维的PERT的包覆体形成用于连续增强纤维沿其轴线移动的通道。

PERT是适合于制造用于供暖和热水供应的管的材料。这种材料的性能(包括长期强度)允许在供暖和热水供应系统中将其与交联聚乙烯一起使用。然而，该聚合物不需要交联以用于在所述条件下使用，该事实决定了其性能的一致稳定性。关于耐热破坏性，PERT优于用于上述目的的常用管材料，例如聚丙烯和高密度聚乙烯。总体而言，PERT的性能允许提高由这种材料制成的管的可靠性。

PERT能够借助于焊接进行结合的事实允许不仅在机械配件的帮助下而且还通过焊接来连结这种材料的管。材料的可焊性也在管制造的过程中带来优点，其提供了一体壁(monolithic wall)的形成，从而提供了管的可靠性。

对于增强系统，使用由芳族聚酰胺纱线组成的芳族聚酰胺纤维，所述芳族聚酰胺纱线可以被捻绞(twisted)或者可以不被捻绞。将纱线组合成纤维使得增强系统更加强健。此外，在管制造的过程中纤维比纱线更少受到破坏。这些情况也提高了管的可靠性。芳族聚酰胺增强纤维的使用提供了其在PERT的壁中的半自由的固定，因为这些材料的组合提供了位于PERT的壁内的芳族聚酰胺纤维在输送流体的压力和/或温度下以及在弯曲载荷下沿着其轴线位移的可能性。但是，仅沿纤维轴线的位移是可能的。由于增强纤维位于管壁内，并且管壁的材料穿入到增强系统的网状单元中，因此不可能向左/右(远离轴线)位移。纤维沿其轴线位移的可能性允许平衡在内部压力、热膨胀或管弯曲下产生的载荷，由此保护管壁材料免受破坏并且提高管的可靠性。

增强系统以网状结构的形式制成，并且表示交叉连续的纤维，所述纤维可以相对于彼此并且相对于管的纵向轴线成特定角度。使用连续纤维的网状结构是重要的，因为在管制造的过程中其形成了填充有PERT的单元，结果形成了一体管壁，从而提高了管的可靠性。

单元尺寸必须为至少1mm×1mm，这是因为否则将不可能有足够量的PERT穿过单元以形成一体管结构。

增强纤维在管壁内的位置保护其免受外部作用，例如，机械作用、水分侵袭，从而提高管的可靠性。

在将传热介质供应到管中时，管壁材料(即，PERT)提供管的不可渗透性和耐热性，并且增强系统承受由传热介质的压力引起的主要载荷。增强系统的强度取决于纤维的强度、数量和铺设角度。纤维固定的半自由系统提供了增强系统结构的保持和PERT层的完整性(integrity)。

为了提高管的可靠性，连续的增强纤维通过沿相对的方向缠绕而相对于彼此并且相对于管的纵向轴线以特定角度铺设。例如，第一层的增强纤维沿一个方向以特定角度缠绕，并且第二层的纤维以相同的角度但是沿相对的方向缠绕。

已知的是，当增强纤维相对于管的纵向轴线以54.4度的角度铺设时，增强系统可以不具有纵向纤维。这种系统被称为平衡系统，因为所有应力(轴向、切向和径向)都由以所述角度铺设的纤维承受。

在不能提供所述角度的情况下，将纵向纤维添加到系统中以平衡系统中产生的轴向应力。

在铺设角度和铺设间距的充分选择的情况下，芳族聚酰胺纤维的这种位置允许增强系统均匀地承受由输送流体施加的载荷，这提高了管(pipeline)的可靠性。优选的增强是三轴增强，其中使用三个纤维铺设方向：当纤维以与管轴线成特定角度铺设时的两个相对的方向，以及沿着管轴线的一个方向，这提供了各种应力的平衡并且提高了管的可靠性。

沿相对的方向相对于管轴线并且相对于彼此成特定角度缠绕的纤维可以彼此编织。纤维的编织有助于在管制造的过程中保持其位置。为了相同的目的，建议的是将以与管轴线成特定角度铺设的纤维与沿着管轴线定位的纤维相编织，如果沿着管轴线定位的纤维是可用的话。

增强纤维以确定的顺序并且根据确定的系统相对于彼此并且相对于管轴线定位，即，所述增强纤维形成增强系统。

对于增强系统，能够使用单纤维(即，单个纤维(singular fibers))或由两个或多个单纤维组成的短纤维。在一些实施例中，增强纤维的至少一部分是单纤维或短纤维。

增强系统的纤维的至少一部分可以是芳族聚酰胺组合纤维，即，由多种芳族聚酰胺材料的纱线组成。短纤维和单纤维可以是组合纤维。特别地，芳族聚酰胺纱线的组合纤维可以由对位芳族聚酰胺纱线和间位芳族聚酰胺纱线和/或芳族聚酰胺共聚物的组合制成。所有这些类型的纱线可以以不同的方式组合以提供用于管的具体实施例的纤维所需的强度和厚度。例如，具有间位芳族聚酰胺纱线的对位芳族聚酰胺纱线，或具有间位芳族聚酰胺纱线的对位芳族聚酰胺共聚物。

以“Kevlar”、“Tvarong”、“Heracron”商标生产的纱线可用作对位芳族聚酰胺纱线，“Nomex”可用作间位芳族聚酰胺纱线，而“Technora”可用作对位芳族聚酰胺共聚物。

单纤维、短纤维和组合纤维可以是捻绞的，也可以是非捻绞的。捻绞的纤维更强健并且更可靠。

短纤维可以以铺设在一个平面中的单向纤维的形式制成，或以编织纤维(所谓的“编织带(ribbon)”)的形式制成。

短纤维的一个优点是通过使用较薄的纤维来提供所需的强度。为了获得相同的强度结果，即使在特别强的增强的情况下，使用单向短纤维或条带也允许增强层比使用单纤维制成的增强层更薄。这是重要的，因为当使用粗纤维时，管壁中的载荷不均匀地分布，这可能导致管的弱化区域(例如，在交叉纤维之间的单元中)的出现。短纤维可以避免这种情况，从而提高管的可靠性。

短纤维的使用允许在制造增强管的过程中使用不那么大且不太昂贵的编织设备，这是由于减少了纤维卷轴的数量(每个卷轴可以具有缠绕在其上的多根纤维而不是一根纤维，这增加了增强系统的纤维的数量)。

各种类型的纤维的组合可以是可能的。例如，以与管轴线成特定角度铺设的纤维可以由短纤维制成，并且纵向纤维可以由单纤维制成。或者，作为替代，以与管轴线成特定角度铺设的纤维的一部分可以是组合纤维，并且其一部分可以由均匀的纱线制成。换句话说，所述类型中的每一种的纤维可以仅构成用于增强管的所有纤维的一部分。

在增强系统中，可以使用被包封在PERT的包覆体中的增强纤维或条带。在紧密铺设增强纤维的情况下(例如，当网状结构单元的尺寸小于1mm×1mm时)，围绕增强纤维的PERT的包覆体的使用提供了管结构的一体特征。同时，管壁的材料将结合到PERT包覆的增强纤维，并且以网状结构的单元的最小尺寸形成管壁的一体结构，并且即使在增强纤维完全没有形成单元地铺设的情况下也是如此。

在管制造的过程中，PERT的纤维包覆体将结合到管壁。然而，芳族聚酰胺增强纤维在PERT包覆体内的可移动性将不会被剥夺，因为包覆体形成用于芳族聚酰胺纤维沿其轴线移动的通道，其中通道壁将用作纤维的附加保护。

使用被包封在PERT的包覆体中的芳族聚酰胺纤维允许用于增强系统的具有由交叉纤维形成的单元的最小尺寸的网状结构。在极限情况下，被包封在PERT的包覆体中的芳族聚酰胺纤维可以彼此直接毗邻地铺设，并且同时将提供管的一体结构，因为由PERT制成的纤维包覆体能够结合到内管层和外管层以及在内管层和外管层之间结合。此外，纤维将不能相对于其轴线左/右移动，但是其在温度、压力和/或弯曲载荷下将仍然保持沿着其轴线移动的能力。

管壁的外表面可以制成具有波纹。一方面，波纹赋予管以更多的环刚度和对外部机械作用的抗性，从而提高管的可靠性，这在地下管道中尤为重要。另一方面，波纹允许减小管的弯曲半径。这便于管安装，并且还可以平衡地下管道中的土壤移动，从而使管更加可靠。此外，与具有相同环刚度的光滑管相比，波纹允许减少用于制造管壁的材料的消耗。管壁的外表面的波纹是螺旋形或圆形的。

管可以设置有隔热层。当在供暖和热水供应的管的网络中使用管时，需要将传热介质的温度在将介质传送相当长的距离中保持在所需的水平。为了这个目的，使用管的隔热层，这减少了管输送期间水温的下降。因此，当使用具有高隔热性能的隔热层的管时，与具有低隔热性能的管相比，可以借助于供应具有更低温度的管中的水来提供由消费者接收的传热介质的指定温度。众所周知，在压力下供应的流体的温度越低，管内的操作压力可以越高，这使得管对压力峰值越不敏感，从而提高了管整体的可靠性。此外，隔热层起到外部机械作用的阻尼器的作用，这提高了管的强度和可靠性。

隔热层可以由发泡聚合物制成。发泡聚合物表示泡沫塑料(aerated plastics)，并且由于这一事实，发泡聚合物具有高隔热性能并且具有阻尼功能。同时，发泡聚合物(泡沫塑料)具有比常规的隔热材料更好的隔热性能。而且，泡沫塑料具有可接受的机械特性。因此，使用这种材料提供了更有效的隔热，并且提高管的可靠性。

聚氨酯泡沫(PUF)由于低热导率而具有高隔热性能，这对于从热源到消费者的整个距离内输送的流体的温度的保持是重要的。此外，聚氨酯泡沫具有高强度和耐久性。即使温度急剧变化至高达150℃，聚氨酯泡沫的隔热层也不会形成裂纹并且保存热量。由于如抗冲击性和弹性等性能，聚氨酯泡沫降低了施加在外覆盖体上的应力集中，因此减少了对增强系统的外部作用，从而提高了管的可靠性。聚氨酯泡沫可以在任何低温下使用，并且同时上限操作温度达到110℃。这种性能允许在热的管中使用聚氨酯泡沫，以在温度发生较大变化的条件下最大限度地保持传热介质的温度。所有所述性能都可以提高管的可靠性。

发泡聚异氰脲酸酯具有比聚氨酯泡沫(PUF)更高的刚性，其允许增加管对外部机械作用(例如，压缩)的抗性。发泡聚异氰脲酸酯隔热层的另一个重要性能是与PUF相比，上限操作温度高达200℃，这允许其在更恶劣的条件下使用。高密度发泡聚乙烯(FPE)具有高隔热性能和高柔性的幸运组合，这允许其用于制造更柔性的隔热管。此外，具有所期望的性能的FPE的连续片材可以在标准挤出设备上单独制造，与具有PUF隔热层的管相比，这显著促进了制造隔热管的过程并且降低了其成本。FPE的使用提供了在当需要管的大柔性的条件下的管的可靠性。

已知PERT的热膨胀比用于制造管的隔热层的发泡聚合物的热膨胀高，这引起层相对于彼此的轴向位移，这对管的可靠性有负面影响。然而，PERT的外管壁的波纹(其上可以施加隔热层)增加了管及围绕所述管的层的机械结合，这允许避免层的轴向位移。

在管设置有隔热层的情况下，管壁的外表面上可以使用波纹允许增加管与隔热层之间的接触表面并且更好地固定管和隔热层，从而提高管的可靠性。

管可以设置有防止气体扩散的气体阻隔层。

气体阻隔层的目的是防止包括氧气的气体从管扩散到管壁中，并且防止管受到氧气和其它气体的负面影响，从而提高管的可靠性。根据气体阻隔层相对于其它管层的位置，可以扩展其功能。如果该气体阻隔层覆盖隔热层，则其将阻碍由气体对于发泡隔热层的气体填充单元的置换，这提高了管的可靠性，所述置换降低管的隔热性能。气体阻隔层可以由具有相应特性的膜制成。该膜可以是多层的，并且包括提供其与管围绕层相粘附的层，以防止所述膜相对于其它层的位移。气体阻隔层到围绕层的粘附对于在管的储存、安装和操作中管的一体结构的保持以及均匀的载荷传递是重要的。

气体阻隔层可以由发泡聚合物材料制成。

使发泡聚合物材料的阻隔层防止气体从管扩散和扩散进管允许停止使用具有阻隔性的膜。发泡阻隔层的使用对于柔性管特别有效。阻隔层中的气泡(孔)的可用性允许增加管的柔性，这是因为与非发泡膜相比，在弯曲的情况下，只有与外保护层相邻的少数几层孔被破坏，但是阻隔层整体不被破坏并且具有较高的抗开裂性和弹性。这意味着将保持剩余的气泡(孔)，并且提供阻隔层的阻隔性和隔热性。此外，发泡聚合物材料的气体阻隔层能够在比相同材料的非发泡膜更大的程度上延伸而不形成贯穿撕裂。发泡阻隔层的所有上述性能都有利于管的可靠性。

此外，使用发泡聚合物材料的气体阻隔层将允许增加气体阻隔层的总有效厚度，从而改善保护管免受穿过管壁的气体渗透和发泡剂扩散。

考虑到阻隔层是发泡的这一事实，阻隔层具有隔热性能，因此当使用所提出的管时，热损失减小。所有这些也提高了管的可靠性。

发泡聚合物材料的气体阻隔层可以包括由各种材料制成的多个层，以便提供其最佳性能，这取决于需要相对于哪种物质形成有效的阻隔性能。例如，可以使用EVOH和聚酰胺的组合。EVOH相对于氧气具有较好的阻隔性能，而聚酰胺相对于水蒸汽具有较好的阻隔性能。

可以将弹性发泡聚合物用于气体阻隔层，这可以保持该层的结构并且使其更加可靠。

在一些实施例中，管设置有保护其它管层免受水分和机械损伤的外覆盖体，以提高管的可靠性。该外覆盖体的波纹降低了管的最小弯曲半径并且增加了环刚度。上面展示了这些参数对可靠性的影响。

管壁可以由第二类PERT制成，以提供更高的抗裂强度和抗开裂性。

考虑到与非增强的管相比，增强允许减小PERT的壁的厚度，管是柔性的。柔性管能够平衡作用于管的外部剪切载荷，从而提高其可靠性。

纤维可以位于管壁内的不同深度处，这增加了管壁材料的抗裂强度。

附图说明

图1是管的示意图，其示出了管壁1、连续的芳族聚酰胺增强纤维3的增强系统2(所述纤维沿着不同方向相对于管轴线并且相对于彼此以特定角度铺设并且形成网状结构)和网状结构的单元4。

图2是管的示意图，其中芳族聚酰胺增强纤维3被PERT的包覆体5围绕。

附图示出了管的一些实施例。本领域技术人员清楚的是，管的其它实施例也是可能的。

具体实施方式

管可以按以下方式制造。

为了制造管壁，首先必须形成管的形式的壁的基底(即，PERT的内层)。然后在此基底上形成表示网状结构的增强系统。网状结构是通过在管的基底上缠绕纤维制成的；如果需要的话，进行纤维的编织和纵向纤维的插入。纵向纤维可以插入在增强系统之下或者位于增强系统的上方或者嵌入到缠绕或编织的纤维的增强系统中。然后，将具有增强纤维的管的基底加热，并且用熔融的附加的PERT层(即，外层)覆盖，所述熔融PERT穿过网状结构的单元，与管的基底结合在一起。在管的基底的材料和附加的PERT层之间的接触点中发生它们的焊接和一体管壁的形成，增强系统位于所述一体管壁内。

如果需要在管壁中嵌入多层增强层，则重复铺设纤维和施加PERT层的步骤。因此，纤维在管壁内的不同深度处铺设。

如果在管制造的过程中使用被PERT的包覆体围绕的增强纤维，则将所述增强纤维以上述方式铺设在已形成的PERT的内部加热层上。然后，如上所示，纤维被熔融的PERT层覆盖。

如果在管制造的过程中使用被PERT的包覆体围绕的芳族聚酰胺增强纤维(这些纤维直接彼此毗邻布置)，则为了形成PERT的一体管壁，管的基底和PERT的包覆体都被加热，因此它们被焊接在一起，并且不需要用附加的PERT的外层覆盖被PERT的包覆体围绕的纤维。

还可以有制造管的其它方法。例如，当使用在PERT的包覆体(其赋予纤维以刚性)中的芳族聚酰胺纤维时，可以通过吹塑成型的方法制造管。

应该注意的是，关于所要求保护的管，术语“层”是常规术语，因为在成品管中将不会分成单独的层，这是因为管壁由相同的材料形成。管壁表示PERT的聚合物基体，其具有高强度连续纤维的增强。

所描述的方法是作为示例阐述的，并且没有穷尽所有可能的制造方法。

下面阐述所提出的技术方案的实施例示例。

示例1：用于输送流体的管，所述管具有PERT的壁和位于管壁内的增强系统，所述增强系统由芳族聚酰胺的基本Kevlar纤维制成，所述纤维沿两个相对的方向以54.4°的角度铺设。

示例2：用于供水和供热的管，所述管具有PERT的壁和位于管壁内的增强系统，所述增强系统由Heracron纱线的组合单向纤维制成，所述纤维沿两个相对的方向以54.4°的角度铺设。管设置有发泡聚偏二氯乙烯(PVDC)的气体阻隔层和聚乙烯的外保护层。由于PVDC层是发泡的，所以其具有气体阻隔性能，也具有隔热性能。为了保护发泡层免受水分，管被聚乙烯的外保护层覆盖。

示例3：用于供水和供热的管，所述管具有PERT的壁，在该壁内设置有由三组纤维制成的增强系统，其中前两组的纤维以与管轴线成特定角度地铺设，第三组的纤维沿着管轴线铺设，并且与前两组的纤维编织在一起。管被由PUF制成的隔热层和聚对苯二甲酸乙二醇酯的阻隔膜覆盖，在隔热层和阻隔膜之上设置有聚乙烯的外保护层。

示例4：用于供水和供热的管，所述管具有PERT的壁，在该壁内设置有根据示例1制成的增强系统，该壁具有带波纹的外壁，被发泡聚氨酯的隔热层覆盖，并且具有聚乙烯的带波纹的外部保护覆盖体。

示例5：管，所述管具有PERT的壁，在该壁内设置有由芳族聚酰胺纤维制成的增强系统，所述芳族聚酰胺纤维被包封在PERT的包覆体中并且彼此紧邻地铺设，使得在管制造的过程中焊接的PERT的纤维包覆体形成管壁的外表面。

所述示例不穷尽管的所有实施例。在下面的权利要求中列出的用于制造纤维的层和任何选项的任何组合都是可能的。