CN103075580B - 连续纤维增强热塑性复合高压管道 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续纤维增强热塑性复合高压管道具有内壁和外壁，内壁和外壁之间设有中间层；内壁和外壁分别由热塑性树脂材料制成；中间层是由多层纤维树脂层热塑复合而成的连续纤维树脂增强层；各纤维树脂层由连续纤维或连续纤维束与热塑性树脂材料预浸融合而成的带材制成；各纤维树脂层中的纤维为玻璃纤维、芳纶纤维、或碳纤维。此外，中间层内还可设有自热型加热线圈。采用本发明结构后，可成卷运输铺设，不受地域限制，极大地提高管道铺设效率，降低铺设成本。

Description

连续纤维增强热塑性复合高压管道

技术领域

本发明涉及一种连续纤维增强热塑性复合高压管道，尤其适用于需要高压加热运输的粘稠状流体，属于流体输送管道和高分子复合材料技术领域。

背景技术

据申请人了解，随着城市的不断扩大建设、以及石油和天然气的不断开采，对运输管道的需求也越来越大。传统的钢制管道耐腐蚀性较差且不易搬运，已无法适应当前的需要；特别是石油运输行业，由于石油粘稠度较高，在运输时需要每隔数公里修建加热罐对管道加热、提升石油温度，才能提高石油流动性，确保顺利运输石油，然而这无疑会导致运输成本居高不下。

同时，我国主要石油及天然气多分布于沙漠、沼泽或山区，自然环境较为恶劣，铺设钢制管道时受自然环境的影响十分严重，又由于地面沉降、山体滑坡等原因使输送管道极其容易出现损坏现象。

经检索发现，目前已经出现了多种复合管道，例如，申请号2004800081319公开号CN1764800A的中国发明专利申请公开了一种纤维增强管，包括由内至外依次设置的内管状衬套、两层或三层增强纤维层、外管状护套。由于内管状衬套和外管状护套均由热塑性塑料或弹性体制成，该增强管具有柔性，能实现盘绕；由于设有增强纤维层，该增强管具有抗冲击性能。然而，一方面，该增强管无法对管道内的流体实现加热，很难实现恒温运输；另一方面，该增强管采用纤维直接缠绕构成增强纤维层，生产工艺繁琐，对设备要求高，生产速度慢，不利于提高生产效率。

再如，申请号2008102295011公开号CN101418886A的中国发明专利申请公开了一种连续纤维增强热塑性复合管道，包括内衬层、外表面层及至少一层增强层，这三层均以热塑性树脂为基体，以连续纤维为增强材料。该复合管道可以改善和提高抗冲击、耐老化、耐温性、耐候性等性能。然而该复合管道也无法对管道内的流体实现加热，很难实现恒温运输。

经进一步检索发现，申请号2009202541904授权公告号CN201526737U中国实用新型专利公开的自加温耐高压输油管道，申请号2011203198675授权公告号CN202220644U中国实用新型专利公开的带加热功能的柴油机SCR尿素管道，均设有碳纤维加热层，实现加温、加热功能。然而，申请人经实践研究发现，这两种管道虽然能对流体实现加热，但是加热效率较低，且抗冲击性能较弱。目前针对纤维增强管道的研究发现：当管道内部受压膨胀时，增强层纤维绷紧提供抗压能力，但由于单一纤维收缩比为定值，往往最外层纤维已经绷紧受力而内层纤维仍处于松弛状态，使得管材增强层整体受力不均，无法达到高压使用要求。

此外，据申请人所知，目前国际上同类复合管道的管径最大只能达到150mm，若大于此管径则无法保证管道强度。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种连续纤维增强热塑性复合高压管道，在具有柔韧性能盘成卷运输的基础上，具备良好的抗冲击性能。

本发明所要解决的第二技术问题是：使管道管径可在大于150mm甚至达到400mm的情况下仍能保证管道强度。

本发明所要解决的第三技术问题是：使管道不仅具备较强的抗冲击性能，还具有良好的加热性能；同时，生产工艺简单，能提高生产效率。

为解决首要技术问题，本发明技术方案如下：

一种连续纤维增强热塑性复合高压管道，具有内壁和外壁，所述内壁和外壁之间设有中间层；所述内壁和外壁分别由热塑性树脂材料制成；其特征是，所述中间层是由多层纤维树脂层热塑复合而成的连续纤维树脂增强层；所述各纤维树脂层由连续纤维或连续纤维束与热塑性树脂材料预浸融合而成的带材制成；所述各纤维树脂层中的纤维为玻璃纤维、芳纶纤维、或碳纤维。

申请人经实践研究发现，只有采用上述结构才能确保管道在具备良好柔韧性的基础上，具有良好的抗冲击性能。

优选地，所述内壁和外壁分别采用相同的热塑性树脂材料制成；所述各纤维树脂层采用的树脂材料与内壁和外壁相同。这样可使管道具有更好的柔韧性，能盘成卷运输，单根管道可长达数百米，可减少使用时的接管操作，同时可重复使用，绿色环保。

为解决第二技术问题，本发明进一步完善的技术方案如下：

优选地，所述中间层的各纤维树脂层中，紧贴内壁的纤维树脂层为碳纤维树脂层；所述碳纤维树脂层采用由连续碳纤维束与热塑性树脂材料预浸融合而成的带材制成。

申请人经实践研究发现，只有采用该优选结构才能在管径大于150mm甚至达到400mm时仍能保证管道强度。

为解决第三技术问题，本发明进一步完善的技术方案如下：

优选地，所述中间层的各纤维树脂层包括靠近内壁的至少一层碳纤维树脂层、靠近外壁的至少一层芳纶纤维树脂层、以及位于碳纤维树脂层和芳纶纤维树脂层之间的至少一层玻璃纤维树脂层；所述碳纤维树脂层采用由连续碳纤维束与热塑性树脂材料预浸融合而成的带材制成；所述芳纶纤维树脂层、玻璃纤维树脂层分别采用由相应连续纤维与热塑性树脂材料预浸融合而成的带材制成。

申请人经反复实践摸索和研究发现，只有将连续纤维预浸融合于树脂中才能更方便地将含连续纤维的加强层安置于内壁外侧，从而起到简化生产工艺、提高生产效率的效果；在此基础上，只有采用连续碳纤维束后，碳纤维树脂层才能保证实现导电自加热功能。

更为重要的是，申请人在实践研究中令人惊奇地发现，将碳纤维树脂层紧贴内壁外侧安置，并在碳纤维树脂层外侧依次安置玻璃纤维树脂层和芳纶纤维树脂层，即可使整个管道兼具良好的加热性能和较强的抗冲击性能。

经申请人分析，碳纤维树脂层具有良好的刚性可对内壁起到加固作用，同时通过导电自加热可为内壁提供热源；玻璃纤维树脂层位于碳纤维树脂层外侧，一方面可进一步提高内壁强度，另一方面可防止热量散失，从而提高加热效率；芳纶纤维树脂层位于玻璃纤维树脂层外侧，一方面因具备高强的抗拉性能和良好的收缩率，可更进一步提高抗冲击性能，另一方面可进一步防止热量散失；将这三者以前述的特定顺序组合设置在一起时，就可克服现有技术存在的技术问题，使整个管道兼具良好的加热性能和较强的抗冲击性能。

本发明进一步完善的技术方案如下：

优选地，玻璃纤维树脂层重量＞碳纤维树脂层重量＞芳纶纤维树脂层重量。申请人经研究发现，影响本发明管道加热性能和抗冲击性能的最重要因素是各树脂层重量的相互关系，采用该优选方案可使管道具备更好的加热性能和更强的抗冲击性能。

优选地，所述碳纤维树脂层、芳纶纤维树脂层、玻璃纤维树脂层的厚度为0.2-1.0mm（更优选0.3-0.5mm）；所述碳纤维树脂层、芳纶纤维树脂层、玻璃纤维树脂层中纤维所占重量比例为40-70％（更优选50-65％）。申请人经研究发现，各树脂层厚度和纤维含量分别是影响本发明管道加热性能和抗冲击性能的次重要因素之一，采用该优选方案可优化管道加热性能和抗冲击性能。

优选地，所述碳纤维树脂层、芳纶纤维树脂层、玻璃纤维树脂层分别由相应的连续纤维树脂带材按预定缠绕方向沿内壁中心轴缠绕后热塑而成；所述预定缠绕方向与内壁中心轴的夹角为25°-75°（更优选39°-53°）。申请人经研究发现，采用树脂带材缠绕后热塑形成各树脂层可使生产过程连续进行，从而进一步简化生产工艺、提高生产效率；同时，树脂带材缠绕的预定方向也是影响本发明管道加热性能和抗冲击性能的次重要因素之一，采用该优选方案可优化管道加热性能和抗冲击性能。

更优选地，所述各纤维树脂层分别交叉排布、且缠绕方向相反。这样可进一步优化管道加热性能和抗冲击性能。

优选地，所述中间层内还埋设有以导电自热实现加热的电加热线圈，所述电加热线圈的连接线接头位于所述管道的端头处。这样可以进一步提高加热性能。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

实施例

本实施例的连续纤维增强热塑性复合高压管道，如图1所示，具有内壁1和外壁5，内壁1和外壁5之间设有中间层；内壁1和外壁5分别由热塑性树脂材料制成；中间层是由多层纤维树脂层热塑复合而成的连续纤维树脂增强层，各纤维树脂层包括靠近内壁1的至少一层（本实施例为一层）碳纤维树脂层2、靠近外壁5的至少一层（本实施例为一层）芳纶纤维树脂层4、以及位于碳纤维树脂层2和芳纶纤维树脂层4之间的至少一层（本实施例为一层）玻璃纤维树脂层3；碳纤维树脂层2采用由连续碳纤维束与热塑性树脂材料预浸融合而成的带材制成；芳纶纤维树脂层4、玻璃纤维树脂层3分别采用由相应连续纤维（即连续芳纶纤维、连续玻璃纤维）与热塑性树脂材料预浸融合而成的带材制成。

需要指出的是，上述结构只要具备多层纤维树脂层即可确保管道在具备良好柔韧性的基础上，具有良好的抗冲击性能；上述结构只要具备碳纤维树脂层2即可使管道在管径大于150mm甚至达到400mm时仍能保证强度。

玻璃纤维树脂层3重量＞碳纤维树脂层2重量＞芳纶纤维树脂层4重量。

碳纤维树脂层2、芳纶纤维树脂层4、玻璃纤维树脂层3的厚度为0.2-1.0mm（优选0.3-0.5mm）；碳纤维树脂层2、芳纶纤维树脂层4、玻璃纤维树脂层3中纤维所占重量比例为40-70％（优选50-65％）。

碳纤维树脂层2、芳纶纤维树脂层4、玻璃纤维树脂层3分别由相应的连续纤维树脂带材按预定缠绕方向沿内壁中心轴缠绕后热塑而成；预定缠绕方向与内壁中心轴的夹角为25°-75°（优选39°-53°）。优选地，碳纤维树脂层2和芳纶纤维树脂层4、芳纶纤维树脂层4和玻璃纤维树脂层3的缠绕方向分别交叉且相反（相反是指：上一层为从左到右缠绕，则下一层为从右到左缠绕，依此类推），即各纤维树脂层分别交叉排布、且缠绕方向相反。

内壁1和外壁5分别采用相同的热塑性树脂材料制成，可采用HDPE（PE100）、PP、PE、PPS、PA6、或其它耐腐蚀树脂材料；碳纤维树脂层2、芳纶纤维树脂层4、玻璃纤维树脂层3采用的树脂材料与内壁1和外壁5相同。

此外，中间层内还埋设有以导电自热实现加热的电加热线圈，电加热线圈的连接线接头位于所述管道的端头处（图中未示）。

具体应用案例如下表所示：

上述应用案例的加热性能方面：一方面可通过碳纤维树脂层和电加热线圈导电自加热，能对管道内壁持续加热，确保提升管道内流体温度；另一方面在停止导电自加热后，在内外温差高达30℃的情况下，管道内流体按常规输送流速每流过一百米温度下降不超过1℃。

上述应用案例的抗冲击性能方面：短期爆破压力至少为11.5MPa，最高可达45MPa；最大持续运行压力至少为2.9MPa，最高可达15.2MPa；最大试验水压至少为2.9MPa，最高可达19.5MPa。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种连续纤维增强热塑性复合高压管道，具有内壁和外壁，所述内壁和外壁之间设有中间层；所述内壁和外壁分别由热塑性树脂材料制成；其特征是，所述中间层是由多层纤维树脂层热塑复合而成的连续纤维树脂增强层；所述各纤维树脂层由连续纤维或连续纤维束与热塑性树脂材料预浸融合而成的带材制成；所述各纤维树脂层中的纤维为玻璃纤维、芳纶纤维、或碳纤维；

所述中间层的各纤维树脂层包括靠近内壁的至少一层碳纤维树脂层、靠近外壁的至少一层芳纶纤维树脂层、以及位于碳纤维树脂层和芳纶纤维树脂层之间的至少一层玻璃纤维树脂层；所述碳纤维树脂层采用由连续碳纤维束与热塑性树脂材料预浸融合而成的带材制成；所述芳纶纤维树脂层、玻璃纤维树脂层分别采用由相应连续纤维与热塑性树脂材料预浸融合而成的带材制成。

2.根据权利要求1所述连续纤维增强热塑性复合高压管道，其特征是，所述内壁和外壁分别采用相同的热塑性树脂材料制成；所述各纤维树脂层采用的树脂材料与内壁和外壁相同。

3.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性复合高压管道，其特征是，玻璃纤维树脂层重量＞碳纤维树脂层重量＞芳纶纤维树脂层重量。

4.根据权利要求3所述的连续纤维增强热塑性复合高压管道，其特征是，所述碳纤维树脂层、芳纶纤维树脂层、玻璃纤维树脂层的厚度为0.2－1.0mm；所述碳纤维树脂层、芳纶纤维树脂层、玻璃纤维树脂层中纤维所占重量比例为40－70％。

5.根据权利要求4所述的连续纤维增强热塑性复合高压管道，其特征是，所述碳纤维树脂层、芳纶纤维树脂层、玻璃纤维树脂层分别由相应的连续纤维树脂带材按预定缠绕方向沿内壁中心轴缠绕后热塑而成；所述预定缠绕方向与内壁中心轴的夹角为25°－75°。

6.根据权利要求5所述的连续纤维增强热塑性复合高压管道，其特征是，所述各纤维树脂层分别交叉排布、且缠绕方向相反。

7.根据权利要求3至6任一项所述的连续纤维增强热塑性复合高压管道，其特征是，所述中间层内还埋设有以导电自热实现加热的电加热线圈，所述电加热线圈的连接线接头位于所述管道的端头处。