CN117146071B - 深海采矿非金属非粘结柔性混输管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深海采矿非金属非粘结柔性混输管及其制造方法，其中，混输管包括由内至外依次设置的内衬层、抗内压增强层、第一耐磨层、第一补偿增强层、第二耐磨层、第二补偿增强层、第三耐磨层、骨架层、隔离层、第一抗拉增强层、第四耐磨层、第二抗拉增强层和外覆层，相邻层之间采用非粘结连接方式。本发明能够保证柔性混输管内部矿物与海水输送的连续性，适应恶劣的海洋环境及载荷工况，保证采矿工作的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋设备技术领域，具体是关于一种深海采矿非金属非粘结柔性混输管及其制造方法。
背景技术
多金属结核广泛分布于国际海底4000-6000m，储量巨大，据估算可达2000亿吨，是极具商业开采价值的深海矿产资源。柔性混输管作为深海采矿***的“大动脉”是矿物输送的载体，也是水力提升采矿***中最为关键的输送装备。
然而，在现有技术之一中，陈超核等人发明了一种复合柔性管，管壁由内至外依次包括骨架层、内衬层、抗压铠装层、中保护套层、缆孔层、第一抗拉铠装层、第二抗拉铠装层和外保护套层。缆孔层和所述第一抗拉铠装层之间设有第一防磨层；所述第一抗拉铠装层和所述第二抗拉铠装层之间设有第二防磨层。其抗压铠装层的材质可以为碳素钢、高强度钢，骨架层材质可以为不锈钢、镍合金钢或钼合金钢。该非粘结型金属柔性管具有以下缺点：比重大、耐磨性能差和耐腐蚀性能差。
在现有技术之二中，王森等人发明了一种大口径热塑性复合材料长输管，属于粘结型非金属柔性管，其结构由内向外依次是内衬层、纤维增强层和外保护层，内衬层和外保护层均采用热塑性聚合物材料挤出成型工艺，纤维增强层由高强度纤维和热塑性聚合物3D复合打印而成。该粘结型非金属柔性管具有以下缺点：层与层之间是粘结为一体结构，在制备大管径时其弯曲半径不满足使用要求，且粘结型的管体结构耐疲劳性能较差，易发生失效；另外，超深水环境作业时，该结构综合性能无法满足极大内外压与顶端拉力，极易使管体发生强度破坏。
在现有技术之三中，丛川波等人发明了一种非金属柔性管，该非金属柔性管由内至外依次设有内衬层、承压层、隔离层、抗拉层、功能层和保护层，承压带采用了互锁方式，且相邻两层之间为非刚性粘结，该柔性管具有如下缺点：该发明柔性管适用于水合物的开采，具有非金属非粘结的结构形式，其设计水深仅为1500米，加上承压层结构形式以及抗拉增强层的数量，管体柔顺性较差，无法适用于超深海6000m采矿；同时，该发明为了保证复合材料可以二次软化再进行缠绕，该发明使用的复合材料基体均为热塑料性材料，该材料在较大的应力条件下可以产生永久形变，使管体结构发生变化，造成失效。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种深海采矿非金属非粘结柔性混输管及其制造方法，能够保证柔性混输管内部矿物与海水输送的连续性，适应恶劣的海洋环境及载荷工况，保证采矿工作的安全性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管，包括由内至外依次设置的内衬层、抗内压增强层、第一耐磨层、第一补偿增强层、第二耐磨层、第二补偿增强层、第三耐磨层、骨架层、隔离层、第一抗拉增强层、第四耐磨层、第二抗拉增强层和外覆层，相邻层之间采用非粘结连接方式。
所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管，优选地，所述内衬层的材料为超高分子量聚乙烯；所述内衬层的内径不小于200mm、厚度为8-15mm。
所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管，优选地，所述的抗内压增强层为由纤维缠绕或编织后再浸入热固性树脂，固化后形成的筒状结构；所述纤维缠绕的角度为75°-85°，所述纤维为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维；所述抗内压增强层的厚度为1-5mm。
所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管，优选地，所述第一补偿增强层、所述第二补偿增强层、所述骨架层、所述第一抗拉增强层和所述第二抗拉增强层分别为连续长纤维增强树脂基复合材料采用基体固结成螺旋带状，所述螺旋带状的条带截面为矩形。
所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管，优选地，相邻的螺旋带状之间设置有软质的塑料或橡胶。
所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管，优选地，所述第一补偿增强层和所述第二补偿增强层的条带增强材料为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维；其条带的缠绕角度在30°-75°之间，其条带宽度为10-50mm、厚度为1-10mm；所述第一补偿增强层和所述第二补偿增强层的缠绕角度相同，方向相反；所述骨架层的条带增强材料为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维，条带缠绕角度为75°-85°之间，条带数量为1-3条、厚度为5-15mm；所述第一抗拉增强层和所述第二抗拉增强层的条带增强材料为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维，条带的缠绕角度25°-35°之间，条带宽度为10-50mm、厚度为1-10mm；所述第一抗拉增强层和所述第二抗拉增强层的缠绕角度相同，方向相反。
所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管，优选地，所述的第一耐磨层、第二耐磨层、第三耐磨层和第四耐磨层均采用聚氯乙烯材料，且其条带以缠绕角度70°-80°之间进行缠绕。
所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管，优选地，所述隔离层和所述外覆层的材料为热塑性聚合物；其中，所述隔离层采用热塑性聚乙烯材料挤出成型，隔离层厚度为1-10mm；其中，所述外覆层采用热塑性聚氨酯材料挤出成型，外覆层厚度为1-10mm。
本发明所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管的制造方法，包括以下步骤：
将内衬层、抗内压增强层、第一耐磨层、第一补偿增强层、第二耐磨层、第二补偿增强层、第三耐磨层、骨架层、隔离层、第一抗拉增强层、第四耐磨层、第二抗拉增强层和外覆层从内到外依次层叠设置；
其中，内衬层、隔离层和外覆层均采用热塑性挤出工艺，将聚合物熔融后挤出，最后冷却成型；
其中，抗内压增强层通过内部纤维进行缠绕后成型，纤维浸入树脂后，直接采用多层缠绕在内衬层上，最后进行固化，缠绕角度在75°-85°之间，最终形成一个整体管筒结构；
其中，第一补偿增强层、第二补偿增强层、骨架层、第一抗拉增强层和第二抗拉增强层均采用连续长纤维增强条带进行缠绕形成，即：纤维通过聚拢装置进行聚集成束，然后通过胶槽进行浸入树脂胶处理，通过挤出装置将多余胶体挤出，保证纤维束充分与胶体接触，将完全浸胶的纤维束通过螺旋模具进行缠绕成型为条带，所述螺旋模具能够控制条带的宽度、厚度、缠绕角度。
所述的制造方法，优选地：所述第一补偿增强层和所述第二补强增强层缠绕角度在30°-75°之间进行缠绕成型，骨架层缠绕角度为75°-85°之间进行缠绕成型，第一抗拉增强层和第二抗拉增强层缠绕角度25°-35°之间进行缠绕成型；连续长纤维增强条带中纤维体积含量在70％-80％之间，其余为不饱和聚酯基体。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
本发明的深海采矿非金属非粘结柔性混输管具有高耐磨、轻量化、耐腐蚀、弯曲性能好、耐疲劳性能强等优势，可用于6000米深海采矿水力提升***中，填补深海非金属非粘结柔性管在采矿应用的空白，提髙深海采矿水力提升***的安全可靠性，推动我国深海采矿锰结核开采工程技术的高速发展。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明的柔性混输管的结构示意图；
图2是图1的径向剖面结构示意图。
附图中各标记表示如下：
1-内衬层；2-抗内压增强层；3-第一耐磨层；4-第一补偿增强层；5-第二耐磨层；6-第二补偿增强层；7-第三耐磨层；8-骨架层；9-隔离层；10-第一抗拉增强层；11-第四耐磨层；12-第二抗拉增强层；13-外覆层。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提供了一种深海采矿非金属非粘结柔性混输管，内衬层具有超耐磨性能；补偿增强层同时兼具抵抗内压与抗拉的综合性能；隔离层不仅可以充当层间耐磨层，还可以在外保护层发生失效时，充当外保护层来防止海水进一步浸入；补偿增强层、骨架层以及抗拉增强层的缠绕结构可以充分保证柔性管的弯曲性能；补偿增强层、骨架层以及抗拉增强层均采取纤维浸液体树脂材料，再固化，最终形成螺旋状热固性树脂复合材料。因此，该发明可以充分发挥上述优势，适应恶劣的海洋环境及载荷工况，保证采矿工作的安全性。
本发明所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管，包括由内至外依次设置的内衬层1、抗内压增强层2、第一耐磨层3、第一补偿增强层4、第二耐磨层5、第二补偿增强层6、第三耐磨层7、骨架层8、隔离层9、第一抗拉增强层10、第四耐磨层11、第二抗拉增强层12和外覆层13，相邻层之间采用非粘结连接方式。
在上述实施例中，优选地，内衬层1的材料为超高分子量聚乙烯；内衬层1的内径不小于200mm、厚度为8-15mm。
在上述实施例中，优选地，抗内压增强层2为由纤维缠绕或编织后再浸入热固性树脂，固化后形成的筒状结构；所述纤维缠绕的角度为75°-85°，所述纤维为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维；所述抗内压增强层2的厚度为1-5mm。
在上述实施例中，优选地，所述第一补偿增强层4、所述第二补偿增强层6、所述骨架层8、所述第一抗拉增强层10和所述第二抗拉增强层12分别为连续长纤维增强树脂基复合材料采用基体固结成螺旋带状，所述螺旋带状的条带截面为矩形。
在上述实施例中，优选地，相邻的螺旋带状之间设置有软质的塑料或橡胶。由此，可以防止条带之间的相互摩擦。
在上述实施例中，优选地，所述第一补偿增强层4和所述第二补偿增强层6的条带增强材料为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维；其条带的缠绕角度在30°-75°之间，其条带宽度为10-50mm、厚度为1-10mm；所述第一补偿增强层4和所述第二补偿增强层6的缠绕角度相同，方向相反，由此，可以相互抵消条带受拉产生的扭转影响；
所述骨架层8的条带增强材料为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维，条带缠绕角度为75°-85°之间，条带数量为1-3条、厚度为5-15mm；由此，可以承担管外主要压力并提供弯曲性能，保证管体较好的柔顺性；
所述第一抗拉增强层10和所述第二抗拉增强层12的条带增强材料为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维，条带的缠绕角度25°-35°之间，条带宽度为10-50mm、厚度为1-10mm；所述第一抗拉增强层10和所述第二抗拉增强层12的缠绕角度相同，方向相反，由此，可以相互抵消条带受拉产生的扭转影响。
在上述实施例中，优选地，所述的第一耐磨层3、第二耐磨层5、第三耐磨层7和第四耐磨层11均采用聚氯乙烯材料，且其条带以缠绕角度70°-80°之间进行缠绕，由此，可以避免各增强层间的磨损，保证管体的承压强度。
在上述实施例中，优选地，所述隔离层9和所述外覆层13的材料为热塑性聚合物；其中，所述隔离层9采用热塑性聚乙烯材料挤出成型，隔离层厚度为1-10mm，隔离层兼备耐磨与隔离海水作用；其中，所述外覆层13采用热塑性聚氨酯材料挤出成型，外覆层厚度为1-10mm，外覆层主要作用为隔离海水。
本发明的非金属非粘结柔性混输管，采用的管体结构、材料能够保障其超耐磨、耐腐蚀、抗疲劳以及较强的弯曲性能，可适应60MPa内压载荷以及600t顶端拉力载荷，完全满足超深水6000m矿物的开采。
本发明还提供一种深海采矿非金属非粘结柔性混输管的制造方法，包括以下步骤：
将内衬层1、抗内压增强层2、第一耐磨层3、第一补偿增强层4、第二耐磨层5、第二补偿增强层6、第三耐磨层7、骨架层8、隔离层9、第一抗拉增强层10、第四耐磨层11、第二抗拉增强层12和外覆层13从内到外依次层叠设置；
其中，内衬层1、隔离层9和外覆层13均采用热塑性挤出工艺，将聚合物熔融后挤出，最后冷却成型；
其中，抗内压增强层2通过内部纤维进行缠绕后成型，纤维浸入树脂后，直接采用多层缠绕在内衬层上，最后进行固化，缠绕角度在75°-85°之间，最终形成一个整体管筒结构；
其中，第一补偿增强层4、第二补偿增强层6、骨架层8、第一抗拉增强层10和第二抗拉增强层12均采用连续长纤维增强条带进行缠绕形成，具体地，纤维通过聚拢装置进行聚集成束，然后通过胶槽进行浸入树脂胶处理，通过挤出装置将多余胶体挤出，保证纤维束充分与胶体接触，将完全浸胶的纤维束通过螺旋模具进行缠绕成型为条带，所述螺旋模具能够控制条带的宽度、厚度、缠绕角度。
在上述实施例中，优选地，所述第一补偿增强层4和所述第二补强增强层6缠绕角度在30°-75°之间进行缠绕成型，骨架层8缠绕角度为75°-85°之间进行缠绕成型，第一抗拉增强层10和第二抗拉增强层12缠绕角度25°-35°之间进行缠绕成型；连续长纤维增强条带中纤维体积含量在70％-80％之间，其余为不饱和聚酯基体。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种深海采矿非金属非粘结柔性混输管，其特征在于，包括由内至外依次设置的内衬层、抗内压增强层、第一耐磨层、第一补偿增强层、第二耐磨层、第二补偿增强层、第三耐磨层、骨架层、隔离层、第一抗拉增强层、第四耐磨层、第二抗拉增强层和外覆层，相邻层之间采用非粘结连接方式；
所述的抗内压增强层为由纤维先浸入未固化液体树脂混合物，再进行缠绕或编织后，最后交联固化形成的筒状结构；
所述纤维缠绕的角度为75°-85°，所述纤维为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维；
所述抗内压增强层的厚度为1-5mm；
所述第一补偿增强层、所述第二补偿增强层、所述骨架层、所述第一抗拉增强层和所述第二抗拉增强层分别为连续长纤维增强树脂基复合材料采用基体固结成螺旋带状，所述螺旋带状的条带截面为矩形；
其中所述的连续长纤维增强树脂基复合材料的螺旋带状是由纤维浸入未固化液体树脂混合物，再进行缠绕或编织后，最后交联固化形成的螺旋带状结构；
同一层的相邻的螺旋带状之间设置有软质的塑料或橡胶，形成层内抗磨层。
2.根据权利要求1所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管，其特征在于，所述内衬层的材料为超高分子量聚乙烯；
所述内衬层的内径不小于200mm、厚度为8-15mm。
3.根据权利要求1所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管，其特征在于，
所述第一补偿增强层和所述第二补偿增强层的条带增强材料为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维；其条带的缠绕角度在30°-75°之间，其条带宽度为10-50mm、厚度为1-10mm；所述第一补偿增强层和所述第二补偿增强层的缠绕角度相同，方向相反；
所述骨架层的条带增强材料为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维，条带缠绕角度为75°-85°之间，条带数量为1-3条、厚度为5-15mm；
所述第一抗拉增强层和所述第二抗拉增强层的条带增强材料为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维，条带的缠绕角度25°-35°之间，条带宽度为10-50mm、厚度为1-10mm；所述第一抗拉增强层和所述第二抗拉增强层的缠绕角度相同，方向相反。
4.根据权利要求1所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管，其特征在于，所述的第一耐磨层、第二耐磨层、第三耐磨层和第四耐磨层均采用聚氯乙烯材料，且其条带以缠绕角度70°-80°之间进行缠绕。
5.根据权利要求1所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管，其特征在于，所述隔离层和所述外覆层的材料为热塑性聚合物；
其中，所述隔离层采用热塑性聚乙烯材料挤出成型，隔离层厚度为1-10mm；
其中，所述外覆层采用热塑性聚氨酯材料挤出成型，外覆层厚度为1-10mm。
6.一种基于权利要求1至5任一项所述的深海采矿非金属非粘结柔性混输管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
将内衬层、抗内压增强层、第一耐磨层、第一补偿增强层、第二耐磨层、第二补偿增强层、第三耐磨层、骨架层、隔离层、第一抗拉增强层、第四耐磨层、第二抗拉增强层和外覆层从内到外依次层叠设置；
其中，内衬层、隔离层和外覆层均采用热塑性挤出工艺，将聚合物熔融后挤出，最后冷却成型；
其中，抗内压增强层通过内部纤维进行缠绕后成型，纤维浸入树脂后，直接采用多层缠绕在内衬层上，最后进行固化，缠绕角度在75°-85°之间，最终形成一个整体管筒结构；
其中，第一补偿增强层、第二补偿增强层、骨架层、第一抗拉增强层和第二抗拉增强层均采用连续长纤维增强条带进行缠绕形成，即：纤维通过聚拢装置进行聚集成束，然后通过胶槽进行浸入树脂胶处理，通过挤出装置将多余胶体挤出，保证纤维束充分与胶体接触，将完全浸胶的纤维束通过螺旋模具进行缠绕成型为条带，所述螺旋模具能够控制条带的宽度、厚度、缠绕角度。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，
所述第一补偿增强层和所述第二补偿增强层缠绕角度在30°-75°之间进行缠绕成型，骨架层缠绕角度为75°-85°之间进行缠绕成型，第一抗拉增强层和第二抗拉增强层缠绕角度25°-35°之间进行缠绕成型；
连续长纤维增强条带中纤维体积含量在70%-80%之间，其余为不饱和聚酯基体。
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