專利名稱：具有高密封度和軸向強度的復合體管結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有纖維增強的聚合物復合體層合管壁結構的管子和管材。
相關技術說明纖維增強塑料管(FRP管)在化工廠管道系統(tǒng)的應用以及作為油、氣井鉆井的套管和從井下將原油和天然氣輸送到地面的套管和管子的應用正在不斷增長。
對于油/氣領域的應用來說，F(xiàn)RP管優(yōu)于碳鋼管之處是具有優(yōu)良的抗腐蝕性、柔性可達到機械性能的設計要求以及良好的抗疲勞性能。此外，在指定壁厚的情況下，F(xiàn)RP管較相應的鋼管輕得多。
用于高壓管道系統(tǒng)或套管(例如原油輸送管道和油井管材)的FRP管一般制備過程包括將高強度材料的長絲粗紗(如連續(xù)玻璃長絲)浸漬以熱固性樹脂組合物(如環(huán)氧樹脂)，然后在一定卷繞張力下將浸漬過的長絲來回卷繞在心軸上，形成多層交織的長絲卷繞管坯。長絲可以與管軸成90°的角度或與管軸成0°加或減約90°(+/-90°)的角度進行卷繞。當相對于縱向管軸的卷繞角在0°與90°之間時，就會形成螺旋形長絲卷繞花紋。達到預定的管壁厚度后，中止卷繞操作，使樹脂固化，然后抽去心軸，形成具有纖維增強管壁結構的圓筒形管子。這類FRP管及制造方法已公開在例如美國專利2843153和5330807中，這些專利全部公開內容在此列入本文供參考。
用于陸上或海上礦物燃料開采的FRP管的結構必須經得起將會受到的兩種基本力的作用，第一種力是在中壓至高壓下經管道輸送的流體(油或鉆井泥漿)沿垂直于管壁方向施加的外側徑向載荷，也稱為環(huán)向載荷。第二種力是沿平行于管軸方向施加的軸向拉伸載荷，以及由流體壓力和/或架空在井筒地面上和/或井筒與海上開采操作平臺之間的連接用長管柱重量產生的沿平行于管軸方向的力。這些管柱常架空3000-10000英尺(約850-2800米)，因此，F(xiàn)RP管必須能承受在運作期間產生的以及礦物燃料開采過程中管線的插入和移動時所產生的超過約2500磅/英寸2、(或2.5Ksi)的長期軸向應力。
如果增強纖維與管軸以接近90°(例如+/-70°至90°)的卷繞角卷繞的話，則可制成具有最大環(huán)向強度的FRP管子。反之，如果增強纖維與管軸以接近0°(例如+/-30°至0°)的卷繞角卷繞的話，則可制成具有最大拉伸強度的管子。然而，以90°或接近90°角卷繞的管子的軸向拉伸強度會大大降低，而以0°或接近0°卷繞的管子的環(huán)向強度會大大降低。以與管軸形成+/-30°至+/-70°的中等卷繞角卷繞的管子(如美國專利2843153公開的)，通常能兼顧到環(huán)向強度和特別是軸向強度，但其強度可能難以滿足礦物燃料開采操作的實際應用的強度要求。
一項旨在使環(huán)向強度和軸向強度都達到最大的技術是將增強纖維復合材料鋪成獨立的層合層，一層疊在另一層上，每層纖維以不同的管軸夾角配置，以使管子對環(huán)向應力和軸向應力的承受性能達到最大，并使復合體管的膨脹系數(shù)降至最低。作為這種包含+/-20°至+/-60°纖維層與90°層交替配置而構成的一個實例已公開在美國專利5330807中。其它類似的層狀層合材料已公開在美國專利4728224和4385644中。
包含多層例如3-9層獨立層的這類層合材料通常為使環(huán)向或軸向剛度最佳化而設計的，因此不需利用單向性纖維復合材料的各向異性性質。例如，以0和+/-70度交替疊層，就不需利用+/-70度層的最大環(huán)向強度或0度層的最大軸向強度。
此外，目前可商購的復合材料存在嚴重的缺點而使其在應用時成本效率欠佳，甚至還會產生中等程度的管應力。在管接頭處或其附近和/或沿管壁長度方向的管壁結構出現(xiàn)的微裂紋和脫層會為流體的泄漏提供通道，這種現(xiàn)象通常稱為“滲漏”，滲漏可能在流體壓力低于管子快速爆破壓力的1/5-1/10時發(fā)生。水經這些微裂紋進入管壁結構中會侵蝕玻璃纖維表面和/或粘合劑樹脂，從而引起脫層并使管子過早地破損。
雖然增加管壁厚度可以緩解微裂紋問題的發(fā)生，但這種解決方法會使復合體管和管材的成本增高到象碳鋼管材那樣高。較高的成本成了以復合體管和管材替代中壓至高壓(注入)下使用的碳鋼的障礙。同樣，對于井下用途來說，管壁增厚后，因流體流動的有效橫截面小于碳鋼，而井筒直徑又受到限制，因此管壁增厚會影響復合材料在采油領域中的應用。這種復合材料用于這些領域時，要求鉆出較大直徑的井筒，因而增大了額外的鉆井成本。
增加壁厚不可能顯著提高復合體管的軸向強度，這就限制了復合材料在井下管道、套管以及注向深度不超過約5000英尺油氣井的注入管道方面的應用。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供具有合格環(huán)向強度和軸向強度的層狀復合體FRP管道系統(tǒng)，這種管道系統(tǒng)一方面有較好的抗微龜裂性和抗脫層性，另一方面又降低了管壁的厚度，因而能與碳鋼井筒/套管尺寸相一致。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種具有多層管壁結構的中空管狀體的纖維增強塑料管，而每層包含的纖維可以相同也可不相同，纖維是以樹脂粘合劑固結的，并與管子的縱軸呈一定角度取向；該纖維增強塑料管包括含多種第一纖維的外軸向承載層以及含多種第二纖維的、徑向配置在外層內側并與外層相接觸固結的第二層，其中第一纖維的粗度(直徑)為約1微米-小于14微米，并與管軸成0°至約+/-30°的角度排列；第二纖維的粗度(直徑)為約1微米-約24微米，并與管軸成大于+/-30°的角度排列。
當管子設計成在管的一端或兩端的外壁表面以模塑或切削成陽螺紋接頭時，則該模塑或切削成的螺紋深入管子的軸向承載層中/承載層上，以使該層承受開采礦物燃料時機械所產生的幾乎全部軸向應力。這樣可降低軸向承載層與用于使管子的環(huán)向強度成為最大的相鄰層之間的剪切應變與軸向應變的不匹配程度。
附圖的簡要說明

圖1是本發(fā)明復合體管部件的部分正視圖。
圖2和圖3是含有不同纖維取向的多層結構的、兩種不同的商購復合體管管壁部分的剖面圖。
圖4是兩層復合體管管壁部分的剖面圖，其中每層中的纖維取向是根據(jù)本發(fā)明取向的。
本發(fā)明的詳細說明參考附圖，圖1展示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案制造的管子陽螺紋端部的部分截面正視圖。如圖所示，該復合體管是由分別如2、3和4所示的三層合纖維增強聚合物層層合結構和任選如5所示的第四層防護或包封層構成的細長中空管體1；如6所示的管端部分是由外增強層4經切削或模塑而成的陽螺紋錐形連接部分；以2和3所示的螺旋形圖案和4所示的水平線狀圖案繪出了增強纖維的卷繞方式，但沒有標示出纖維卷繞密度。纖維即本文中所稱的長絲在制造管子之前可以是經集束、卷繞或經加捻在一起的。
圖1中的層4是管子的軸向承載層，是設計用來承載當許多管段組合成一線并以水平配置(即高于或低于地面)或垂直配置(即在水下和/或進入井筒中)時幾乎所有作用在管子上的軸向負荷的。軸向負荷是沿層4經兩個用來連接在構成管線時待連接的兩個管端陽螺紋的陰螺紋接頭或連接管(未畫出)傳遞的。陽螺紋錐體和切削部分6深入軸向承載層4中，但最好不要達到下面層3處。
粘合劑層4中纖維的粗度為約1微米-小于14微米，并與管子的縱軸成一定角度(例如0°至+/-30°，更優(yōu)選達到約+/-15°而最優(yōu)選為約0°)配置，以使該層達到最大的軸向張力負荷承載性能。圖1中以4所示的纖維與管軸成0°角配置，但眾所周知，這一角度可改變至高達+/-30°。該層纖維的優(yōu)選粗度為約1微米-約10微米，而7微米是特別優(yōu)選的。
圖1所示的層3是管子的環(huán)向承載層，它包含與層4接觸固結的第二層并且徑向配置在層4內側。層3中增強纖維是以與縱向管軸成大于+/-30°，更優(yōu)選大于+/-40°至達90°的卷繞角配置的。如果層3是唯一的環(huán)向承載層，則纖維的優(yōu)選卷繞方式是與管軸的卷繞角為至少+/-55°，更優(yōu)選為約+/-70°配置。層3中增強纖維的粗度為約1微米-約24微米，優(yōu)選為約10微米-約16微米。
圖1所示的層3可以是唯一的環(huán)向承載層，或者環(huán)向應力還可以通過任選的一層或幾層、徑向配置在層3內側并與之接觸固結的附加層如層2來加以調節(jié)。層2中增強纖維的優(yōu)選配置方式為與縱向管軸的卷繞角較層3中纖維與管子縱軸間的角度大并可達90°。在層2中纖維最優(yōu)選的卷繞角是與管軸成至少+/-60°配置。每一環(huán)向應力層的纖維可以是相同的或不相同的，纖維的粗度為約1微米-約24微米，優(yōu)選約10微米-約16微米。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，其中管子包含三層復合增強層，各層中纖維與縱向管軸所成的卷繞角配置分別為層4中纖維為約0°，層3中纖維為+/-40°至+/-60°，而優(yōu)選為約+/-55°，層2中纖維為大于+/-60°，優(yōu)選約+/-70°。
圖1所示的層5是一層任選層，該層可作為防護層或作為纖維增強的卷繞層以保證層4中纖維牢固地與樹脂粘合劑相粘結。層5不是用作軸向承載層的，而且層5的管端部分于形成錐形陽螺紋接頭6之前被切去。
本發(fā)明的復合層合管可通過眾所周知的濕法長絲卷繞工藝(如公開在上述美國專利2843153中)來制造。根據(jù)該方法，連續(xù)的增強長絲絲束以液態(tài)樹脂材料優(yōu)選未固化的熱固性樹脂浸漬，并在張力下通過橫向來回移動的梭架而卷繞在旋轉的心軸上?；蛘咝D心軸本身可以來回移動而梭架可在固定位置上。
經浸漬的纖維束是以相互緊靠著或相互毗連而形成交叉(螺旋形)的圖案卷繞在心軸上的，并以一層疊在另一層上的方式直至達到所需的層厚度。纖維與縱向心軸的卷繞角度可作為梭架對心軸移動的橫向速度的函數(shù)來大范圍控制。第一層達到所需厚度后(圖1中層2)，調整卷繞過程以不同于層2的卷繞角鋪置第二層樹脂浸漬過的纖維(圖1中層3)等。也可以采用長絲卷繞技術來鋪置軸向承載層4，但纖維心軸的卷繞角為0°。對后者來說可用手工鋪層的樹脂飽和的預浸料帶或套管也適用作所需厚度的軸向承載層?；蛘撸捎每v向鋪置方法，其中將0°的纖維鋪置在心軸頂層3上面，而通過90°外包封的方法(如圖1中5所示的)將其緊固。
用作增強纖維的粘合劑的樹脂狀材料優(yōu)選為熱固性樹脂如環(huán)氧樹脂。供實施本發(fā)明優(yōu)選的環(huán)氧樹脂包括雙酚A二縮水甘油基酯、雙酚縮水甘油基醚、線形酚醛樹脂縮水甘油基醚以及脂族聚環(huán)氧化物，雖然也可采用其它適用的環(huán)氧樹脂。除環(huán)氧樹脂之外，其它適用的熱固性聚合物包括酚醛樹脂、不飽和聚酯及聚酰亞胺。這些樹脂的縮聚度的選擇要使樹脂產物的粘度適合形成管體所需的操作條件。熱固性聚合物可與適用的硬化劑如芳族多胺、聚酰胺、脂族多胺、多元酸、多元酸酐、雙氰胺、伯胺或仲胺、這些硬化劑的混合物或常用作熱固性樹脂交聯(lián)劑的任何其它硬化劑。
涂敷在成形管體的纖維上的樹脂用量應滿足纖維在固化產物中的體積分數(shù)為至少約40％，更優(yōu)選為約50-70％，再更優(yōu)選為約55-65％，而其余為環(huán)氧樹脂組合物。
增強纖維、長絲、纖維束或長絲束可包括連續(xù)的玻璃長絲、石墨長絲、芳族聚酰胺或Kevlar纖維(聚對苯二甲酰對苯二胺纖維)長絲或這些長絲的混合物，這類增強纖維具有極高抗拉強度。用在軸向承載層的長絲的粗度(直徑)為約1微米-小于14微米，而約1微米-約10微米是優(yōu)選的，7微米是特別優(yōu)選的。用在環(huán)向承載層的長絲的粗度為約1微米-約24微米，而約10微米-約16微米是優(yōu)選的。玻璃纖維可優(yōu)選用如氨基聚硅氧烷材料涂敷，氨基聚硅氧烷能提高纖維表面對樹脂粘合劑的潤濕性和粘附性。
在樹脂浸濕的復合體管組合在心軸上后，將該組合結構加熱至足以使樹脂固化的溫度如100°-170℃，固化約30分鐘-12小時使樹脂固化，固化后，從組合結構中除去心軸。
再參看圖1，較厚的軸向承載層4應能充分承載預期的長期使用期間作用在管子上的軸向載荷(例如至少20 ksi)。通常，軸向承載層厚度應是管壁厚度的50％或小于50％，最優(yōu)選為管壁厚度的約20％至高達50％。
管壁的其余包括環(huán)向承載層3或層3和層2。環(huán)向承載層能夠承受長期的、超過約15ksi的環(huán)向應力，并且該層的優(yōu)選的構型是能使這些層也能承載約4ksi的最小軸向應力。
根據(jù)本發(fā)明制造的FRP管子的外徑可以為約2-36英寸，通?？捎糜谟?氣生產和輸送。井下用途的管子可分為兩類管材，外徑為4.5英寸(標稱的)和小于4.5英寸；和套管，外徑大于4.5英寸(標稱的)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明構成的FRP管子提供了一種沿管壁截面分別控制軸向應力和環(huán)向應力的模式，這種模式可在降低管壁厚度的同時使環(huán)向強度和軸向強度提高至高達100％。
例如，圖2展示了一種商購管材的截面，額定載荷為2000磅/平方英寸表壓，外半徑為1.37英寸、內半徑為0.97英寸，壁厚為0.4英寸。該管的管壁是由從內壁至外壁的五層以+/-70°卷繞的玻璃纖維層與四層較薄的以0°卷繞的玻璃纖維層交替地疊合而成的。
圖4展示了根據(jù)本發(fā)明制得的類似管子的截面，但是管壁厚度只有0.25英寸，且從內壁至外壁只含單一的+/-70°卷繞(would)角、厚度為0.15英寸的玻璃纖維層和含0°卷繞角、厚度為0.10英寸的玻璃纖維的單一軸向承載層。每種狀況下纖維的體積分數(shù)為約60％。
分別對每種管子結構的拉伸應力和環(huán)向應力評價作比較，其結果表明，圖4管子結構的環(huán)向強度和軸向強度分別比圖2商購管子結構高約60％和約70％。這意味著這種管材不僅成本效率高60-70％，而且能達到的鉆井深度比目前商購管材能達到的5000英尺深約60-70％。
根據(jù)本發(fā)明制造的管道系統(tǒng)提供的另一個優(yōu)點是降低了各層之間軸向應變的不匹配性，這是由于承載軸向應力的主要層是單一的外層。當施加的軸向載荷為作用于管壁兩側的剪切載荷時，則產生軸向應變(變形)。整個管壁截面上的軸向應變在一定時間內會導致管壁脫層和發(fā)生微龜裂，從而產生通常所說的滲漏現(xiàn)象并使管子過早破損。
圖2和圖3圖示了兩種商購的軸向應變不匹配的多層管子的結構，也圖示說明了通過管子連接(示意地表示)施加在管子上的軸向載荷。圖中清楚地說明了在承載定向拉伸載荷的外層上的應變和在各層界面上的附加應變。
圖4說明了本發(fā)明設計的管子降低了軸向應變的不匹配性，其中幾乎全部軸向載荷是由0°外層支承的。
下面將以非限制性實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
實施例1對根據(jù)技術上已知的方法制成的復合體管的環(huán)向應力和軸向應力進行計算，該計算是根據(jù)外層由商購的直徑為14微米的纖維、用樹脂粘合劑以0°卷繞角排列而成形的纖維增強管進行的，纖維在該外層中的體積分數(shù)大約為60％。與外層相接觸的內層是由與外層相同的纖維構成的，內層纖維在樹脂粘合劑中所占的體積分數(shù)為60％，纖維卷繞角為+/-70°。
當這種管子長期(10-30年)用于石油生產設施中時，會受到平均約2000磅/平方英寸的外壓和平均為21000磅的拉伸載荷。因此，這種管子的外層必須經得起2.6ksi的環(huán)向應力和平均約21.8ksi軸向應力，內層必須經得起15ksi的環(huán)向應力和平均為4.9ksi軸向應力。
計算結果列于表1中，結果表明，由直徑為14微米的常規(guī)纖維以0°角排列成形的層，其強度不足以經得起長期使用。
表1所需環(huán)向 實際環(huán)向 所需軸向 實際軸向應力應力應力應力(ksi) (ksi)(ksi) (ksi)外層2.6 2 21.8＞60內層15 20 4.9 5上表數(shù)據(jù)表明，算得的0°層長期環(huán)向強度為2ksi，不能滿足使用期間所要求的2.6ksi。通過增加纖維體積分數(shù)來提高環(huán)向強度是行不通的，因為體積分數(shù)增加會形成不符合要求的大空隙量。此外，通過增加纖維總量，從而增加外層的厚度來提高環(huán)向強度也是行不通的，因為額外補充的纖維會增加材料費用，額外增加厚度也會提高制造、運輸和設備費用。
實施例2對本發(fā)明復合體管的環(huán)向應力和軸向應力進行了計算。如同實施例1,0°外纖維層是與+/-70°內纖維層相接觸的，兩層都含有樹脂粘合劑，纖維在粘合層中的體積分數(shù)為60％。但是，根據(jù)本發(fā)明，外纖維層的纖維直徑為7微米。算得的強度數(shù)據(jù)列于表2中。
表2所需環(huán)向 實際環(huán)向 所需軸向 實際軸向應力 應力 應力 應力(ksi)(ksi)(ksi) (ksi)外層2.6 2.8 21.8 ＞60
權利要求
1．一種呈細長、中空管體形的、與縱軸同心的，由至少兩層與管子縱軸成一定角度排列的并以樹脂粘合劑固結的纖維層構成的多層管壁結構的纖維增強塑料管，該纖維增強塑料管包括含多種第一纖維的外層以及含多種第二纖維的、徑向配置在外層內側并與外層鄰接的第二層，其中第一纖維的粗度為約1微米-小于14微米并成0°至約+/-30°角排列；第二纖維的粗度為約1微米-約24微米，并成大于+/-30°角排列。
2．權利要求1的管子，其中第一纖維是與所述縱向管軸成小于約+/-15°角排列的，纖維的粗度為約1微米-約10微米。
3．權利要求1的管子，其中第一纖維是與所述縱向管軸成約0°角排列的，纖維的粗度為7微米。
4．權利要求1的管子，其中所述軸向承載層是所述管壁厚度的50％或低于50％。
5．權利要求1的管子，其中第二纖維是與所述縱向管軸成大于約+/-40°至高達90°角排列的，纖維的粗度為約10微米-約16微米。
6．權利要求5的管子，其中第二纖維是與所述縱向管軸成大于約+/-55°角排列的。
7．權利要求1的管子還包括徑向配置在第二層內側的、與所述第二層接觸固結的第三層，其中第三纖維的卷繞角大于所述第二纖維的卷繞角，可高達90°，該第三纖維的粗度為約1-約24微米。
8．權利要求7的管子，其中第二纖維是與所述縱向管軸成大于約+/-40°至高達約+/-60°角排列的，以及第三纖維是與所述縱向管軸成大于約+/-60°至高達90°角排列的。
9．權利要求1的管子，其中所述樹脂粘合劑是熱固性樹脂。
10．權利要求1的管子，其中所述熱固性樹脂是環(huán)氧樹脂。
全文摘要
公開了具有高的抗微龜裂性和耐脫層性的層合的復合體纖維增強塑料管。該管的管壁結構包含外軸向承載層和與其內表相接觸的內層的多層層合層;其中外軸向承載層含有嵌在熱固性樹脂粘合劑中的、與縱向管軸成0°至+/－30°卷繞角的增強連續(xù)纖維;內層含有嵌在熱固性樹脂粘合劑中的、與縱向管軸成大于+/－30°的卷繞角的增強連續(xù)纖維。
文檔編號F16L9/00GK1304355SQ99807064
公開日2001年7月18日 申請日期1999年5月5日 優(yōu)先權日1998年6月5日
發(fā)明者L·M－A·蒙奈特, M·P·安德森 申請人:?？松芯抗こ坦?br>