CN1304355A - 具有高密封度和轴向强度的复合体管结构 - Google Patents

Abstract

公开了具有高的抗微龟裂性和耐脱层性的层合的复合体纤维增强塑料管。该管的管壁结构包含外轴向承载层和与其内表相接触的内层的多层层合层;其中外轴向承载层含有嵌在热固性树脂粘合剂中的、与纵向管轴成0°至+/－30°卷绕角的增强连续纤维;内层含有嵌在热固性树脂粘合剂中的、与纵向管轴成大于+/－30°的卷绕角的增强连续纤维。

Description

具有高密封度和轴向强度的复合体管结构

技术背景

本发明所属技术领域

本发明涉及具有纤维增强的聚合物复合体层合管壁结构的管子和管材。

相关技术说明

纤维增强塑料管(FRP管)在化工厂管道***的应用以及作为油、气井钻井的套管和从井下将原油和天然气输送到地面的套管和管子的应用正在不断增长。

对于油/气领域的应用来说，FRP管优于碳钢管之处是具有优良的抗腐蚀性、柔性可达到机械性能的设计要求以及良好的抗疲劳性能。此外，在指定壁厚的情况下，FRP管较相应的钢管轻得多。

用于高压管道***或套管(例如原油输送管道和油井管材)的FRP管一般制备过程包括：将高强度材料的长丝粗纱(如连续玻璃长丝)浸渍以热固性树脂组合物(如环氧树脂)，然后在一定卷绕张力下将浸渍过的长丝来回卷绕在心轴上，形成多层交织的长丝卷绕管坯。长丝可以与管轴成90°的角度或与管轴成0°加或减约90°(+/-90°)的角度进行卷绕。当相对于纵向管轴的卷绕角在0°与90°之间时，就会形成螺旋形长丝卷绕花纹。达到预定的管壁厚度后，中止卷绕操作，使树脂固化，然后抽去心轴，形成具有纤维增强管壁结构的圆筒形管子。这类FRP管及制造方法已公开在例如美国专利2843153和5330807中，这些专利全部公开内容在此列入本文供参考。

用于陆上或海上矿物燃料开采的FRP管的结构必须经得起将会受到的两种基本力的作用，第一种力是在中压至高压下经管道输送的流体(油或钻井泥浆)沿垂直于管壁方向施加的外侧径向载荷，也称为环向载荷。第二种力是沿平行于管轴方向施加的轴向拉伸载荷，以及由流体压力和/或架空在井筒地面上和/或井筒与海上开采操作平台之间的连接用长管柱重量产生的沿平行于管轴方向的力。这些管柱常架空3000-10000英尺(约850-2800米)，因此，FRP管必须能承受在运作期间产生的以及矿物燃料开采过程中管线的***和移动时所产生的超过约2500磅/英寸²、(或2.5Ksi)的长期轴向应力。

如果增强纤维与管轴以接近90°(例如+/-70°至90°)的卷绕角卷绕的话，则可制成具有最大环向强度的FRP管子。反之，如果增强纤维与管轴以接近0°(例如+/-30°至0°)的卷绕角卷绕的话，则可制成具有最大拉伸强度的管子。然而，以90°或接近90°角卷绕的管子的轴向拉伸强度会大大降低，而以0°或接近0°卷绕的管子的环向强度会大大降低。以与管轴形成+/-30°至+/-70°的中等卷绕角卷绕的管子(如美国专利2843153公开的)，通常能兼顾到环向强度和特别是轴向强度，但其强度可能难以满足矿物燃料开采操作的实际应用的强度要求。

一项旨在使环向强度和轴向强度都达到最大的技术是将增强纤维复合材料铺成独立的层合层，一层叠在另一层上，每层纤维以不同的管轴夹角配置，以使管子对环向应力和轴向应力的承受性能达到最大，并使复合体管的膨胀系数降至最低。作为这种包含+/-20°至+/-60°纤维层与90°层交替配置而构成的一个实例已公开在美国专利5330807中。其它类似的层状层合材料已公开在美国专利4728224和4385644中。

包含多层例如3-9层独立层的这类层合材料通常为使环向或轴向刚度最佳化而设计的，因此不需利用单向性纤维复合材料的各向异性性质。例如，以0和+/-70度交替叠层，就不需利用+/-70度层的最大环向强度或0度层的最大轴向强度。

此外，目前可商购的复合材料存在严重的缺点而使其在应用时成本效率欠佳，甚至还会产生中等程度的管应力。在管接头处或其附近和/或沿管壁长度方向的管壁结构出现的微裂纹和脱层会为流体的泄漏提供通道，这种现象通常称为“渗漏”，渗漏可能在流体压力低于管子快速***压力的1/5-1/10时发生。水经这些微裂纹进入管壁结构中会侵蚀玻璃纤维表面和/或粘合剂树脂，从而引起脱层并使管子过早地破损。

虽然增加管壁厚度可以缓解微裂纹问题的发生，但这种解决方法会使复合体管和管材的成本增高到象碳钢管材那样高。较高的成本成了以复合体管和管材替代中压至高压(注入)下使用的碳钢的障碍。同样，对于井下用途来说，管壁增厚后，因流体流动的有效横截面小于碳钢，而井筒直径又受到限制，因此管壁增厚会影响复合材料在采油领域中的应用。这种复合材料用于这些领域时，要求钻出较大直径的井筒，因而增大了额外的钻井成本。

增加壁厚不可能显著提高复合体管的轴向强度，这就限制了复合材料在井下管道、套管以及注向深度不超过约5000英尺油气井的注入管道方面的应用。

因此，本发明的主要目的是提供具有合格环向强度和轴向强度的层状复合体FRP管道***，这种管道***一方面有较好的抗微龟裂性和抗脱层性，另一方面又降低了管壁的厚度，因而能与碳钢井筒/套管尺寸相一致。

发明概述

本发明提供了一种具有多层管壁结构的中空管状体的纤维增强塑料管，而每层包含的纤维可以相同也可不相同，纤维是以树脂粘合剂固结的，并与管子的纵轴呈一定角度取向；该纤维增强塑料管包括：含多种第一纤维的外轴向承载层以及含多种第二纤维的、径向配置在外层内侧并与外层相接触固结的第二层，其中第一纤维的粗度(直径)为约1微米-小于14微米，并与管轴成0°至约+/-30°的角度排列；第二纤维的粗度(直径)为约1微米-约24微米，并与管轴成大于+/-30°的角度排列。

当管子设计成在管的一端或两端的外壁表面以模塑或切削成阳螺纹接头时，则该模塑或切削成的螺纹深入管子的轴向承载层中/承载层上，以使该层承受开采矿物燃料时机械所产生的几乎全部轴向应力。这样可降低轴向承载层与用于使管子的环向强度成为最大的相邻层之间的剪切应变与轴向应变的不匹配程度。

附图的简要说明

图1是本发明复合体管部件的部分正视图。

图2和图3是含有不同纤维取向的多层结构的、两种不同的商购复合体管管壁部分的剖面图。

图4是两层复合体管管壁部分的剖面图，其中每层中的纤维取向是根据本发明取向的。

本发明的详细说明

参考附图，图1展示了根据本发明的一个实施方案制造的管子阳螺纹端部的部分截面正视图。如图所示，该复合体管是由分别如2、3和4所示的三层合纤维增强聚合物层层合结构和任选如5所示的第四层防护或包封层构成的细长中空管体1；如6所示的管端部分是由外增强层4经切削或模塑而成的阳螺纹锥形连接部分；以2和3所示的螺旋形图案和4所示的水平线状图案绘出了增强纤维的卷绕方式，但没有标示出纤维卷绕密度。纤维即本文中所称的长丝在制造管子之前可以是经集束、卷绕或经加捻在一起的。

图1中的层4是管子的轴向承载层，是设计用来承载当许多管段组合成一线并以水平配置(即高于或低于地面)或垂直配置(即在水下和/或进入井筒中)时几乎所有作用在管子上的轴向负荷的。轴向负荷是沿层4经两个用来连接在构成管线时待连接的两个管端阳螺纹的阴螺纹接头或连接管(未画出)传递的。阳螺纹锥体和切削部分6深入轴向承载层4中，但最好不要达到下面层3处。

粘合剂层4中纤维的粗度为约1微米-小于14微米，并与管子的纵轴成一定角度(例如0°至+/-30°，更优选达到约+/-15°而最优选为约0°)配置，以使该层达到最大的轴向张力负荷承载性能。图1中以4所示的纤维与管轴成0°角配置，但众所周知，这一角度可改变至高达+/-30°。该层纤维的优选粗度为约1微米-约10微米，而7微米是特别优选的。

图1所示的层3是管子的环向承载层，它包含与层4接触固结的第二层并且径向配置在层4内侧。层3中增强纤维是以与纵向管轴成大于+/-30°，更优选大于+/-40°至达90°的卷绕角配置的。如果层3是唯一的环向承载层，则纤维的优选卷绕方式是与管轴的卷绕角为至少+/-55°，更优选为约+/-70°配置。层3中增强纤维的粗度为约1微米-约24微米，优选为约10微米-约16微米。

图1所示的层3可以是唯一的环向承载层，或者环向应力还可以通过任选的一层或几层、径向配置在层3内侧并与之接触固结的附加层如层2来加以调节。层2中增强纤维的优选配置方式为：与纵向管轴的卷绕角较层3中纤维与管子纵轴间的角度大并可达90°。在层2中纤维最优选的卷绕角是与管轴成至少+/-60°配置。每一环向应力层的纤维可以是相同的或不相同的，纤维的粗度为约1微米-约24微米，优选约10微米-约16微米。

在本发明的一个优选实施方案中，其中管子包含三层复合增强层，各层中纤维与纵向管轴所成的卷绕角配置分别为：层4中纤维为约0°，层3中纤维为+/-40°至+/-60°，而优选为约+/-55°，层2中纤维为大于+/-60°，优选约+/-70°。

图1所示的层5是一层任选层，该层可作为防护层或作为纤维增强的卷绕层以保证层4中纤维牢固地与树脂粘合剂相粘结。层5不是用作轴向承载层的，而且层5的管端部分于形成锥形阳螺纹接头6之前被切去。

本发明的复合层合管可通过众所周知的湿法长丝卷绕工艺(如公开在上述美国专利2843153中)来制造。根据该方法，连续的增强长丝丝束以液态树脂材料优选未固化的热固性树脂浸渍，并在张力下通过横向来回移动的梭架而卷绕在旋转的心轴上。或者旋转心轴本身可以来回移动而梭架可在固定位置上。

经浸渍的纤维束是以相互紧靠着或相互毗连而形成交叉(螺旋形)的图案卷绕在心轴上的，并以一层叠在另一层上的方式直至达到所需的层厚度。纤维与纵向心轴的卷绕角度可作为梭架对心轴移动的横向速度的函数来大范围控制。第一层达到所需厚度后(图1中层2)，调整卷绕过程以不同于层2的卷绕角铺置第二层树脂浸渍过的纤维(图1中层3)等。也可以采用长丝卷绕技术来铺置轴向承载层4，但纤维心轴的卷绕角为0°。对后者来说可用手工铺层的树脂饱和的预浸料带或套管也适用作所需厚度的轴向承载层。或者，采用纵向铺置方法，其中将0°的纤维铺置在心轴顶层3上面，而通过90°外包封的方法(如图1中5所示的)将其紧固。

用作增强纤维的粘合剂的树脂状材料优选为热固性树脂如环氧树脂。供实施本发明优选的环氧树脂包括双酚A二缩水甘油基酯、双酚缩水甘油基醚、线形酚醛树脂缩水甘油基醚以及脂族聚环氧化物，虽然也可采用其它适用的环氧树脂。除环氧树脂之外，其它适用的热固性聚合物包括酚醛树脂、不饱和聚酯及聚酰亚胺。这些树脂的缩聚度的选择要使树脂产物的粘度适合形成管体所需的操作条件。热固性聚合物可与适用的硬化剂如芳族多胺、聚酰胺、脂族多胺、多元酸、多元酸酐、双氰胺、伯胺或仲胺、这些硬化剂的混合物或常用作热固性树脂交联剂的任何其它硬化剂。

涂敷在成形管体的纤维上的树脂用量应满足纤维在固化产物中的体积分数为至少约40％，更优选为约50-70％，再更优选为约55-65％，而其余为环氧树脂组合物。

增强纤维、长丝、纤维束或长丝束可包括连续的玻璃长丝、石墨长丝、芳族聚酰胺或Kevlar^纤维(聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)长丝或这些长丝的混合物，这类增强纤维具有极高抗拉强度。用在轴向承载层的长丝的粗度(直径)为约1微米-小于14微米，而约1微米-约10微米是优选的，7微米是特别优选的。用在环向承载层的长丝的粗度为约1微米-约24微米，而约10微米-约16微米是优选的。玻璃纤维可优选用如氨基聚硅氧烷材料涂敷，氨基聚硅氧烷能提高纤维表面对树脂粘合剂的润湿性和粘附性。

在树脂浸湿的复合体管组合在心轴上后，将该组合结构加热至足以使树脂固化的温度如100°-170℃，固化约30分钟-12小时使树脂固化，固化后，从组合结构中除去心轴。

再参看图1，较厚的轴向承载层4应能充分承载预期的长期使用期间作用在管子上的轴向载荷(例如至少20 ksi)。通常，轴向承载层厚度应是管壁厚度的50％或小于50％，最优选为管壁厚度的约20％至高达50％。

管壁的其余包括环向承载层3或层3和层2。环向承载层能够承受长期的、超过约15ksi的环向应力，并且该层的优选的构型是能使这些层也能承载约4ksi的最小轴向应力。

根据本发明制造的FRP管子的外径可以为约2-36英寸，通常可用于油/气生产和输送。井下用途的管子可分为两类：管材，外径为4.5英寸(标称的)和小于4.5英寸；和套管，外径大于4.5英寸(标称的)。

如上所述，根据本发明构成的FRP管子提供了一种沿管壁截面分别控制轴向应力和环向应力的模式，这种模式可在降低管壁厚度的同时使环向强度和轴向强度提高至高达100％。

例如，图2展示了一种商购管材的截面，额定载荷为2000磅/平方英寸表压，外半径为1.37英寸、内半径为0.97英寸，壁厚为0.4英寸。该管的管壁是由从内壁至外壁的五层以+/-70°卷绕的玻璃纤维层与四层较薄的以0°卷绕的玻璃纤维层交替地叠合而成的。

图4展示了根据本发明制得的类似管子的截面，但是管壁厚度只有0.25英寸，且从内壁至外壁只含单一的+/-70°卷绕(would)角、厚度为0.15英寸的玻璃纤维层和含0°卷绕角、厚度为0.10英寸的玻璃纤维的单一轴向承载层。每种状况下纤维的体积分数为约60％。

分别对每种管子结构的拉伸应力和环向应力评价作比较，其结果表明，图4管子结构的环向强度和轴向强度分别比图2商购管子结构高约60％和约70％。这意味着这种管材不仅成本效率高60-70％，而且能达到的钻井深度比目前商购管材能达到的5000英尺深约60-70％。

根据本发明制造的管道***提供的另一个优点是降低了各层之间轴向应变的不匹配性，这是由于承载轴向应力的主要层是单一的外层。当施加的轴向载荷为作用于管壁两侧的剪切载荷时，则产生轴向应变(变形)。整个管壁截面上的轴向应变在一定时间内会导致管壁脱层和发生微龟裂，从而产生通常所说的渗漏现象并使管子过早破损。

图2和图3图示了两种商购的轴向应变不匹配的多层管子的结构，也图示说明了通过管子连接(示意地表示)施加在管子上的轴向载荷。图中清楚地说明了在承载定向拉伸载荷的外层上的应变和在各层界面上的附加应变。

图4说明了本发明设计的管子降低了轴向应变的不匹配性，其中几乎全部轴向载荷是由0°外层支承的。

下面将以非限制性实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

对根据技术上已知的方法制成的复合体管的环向应力和轴向应力进行计算，该计算是根据外层由商购的直径为14微米的纤维、用树脂粘合剂以0°卷绕角排列而成形的纤维增强管进行的，纤维在该外层中的体积分数大约为60％。与外层相接触的内层是由与外层相同的纤维构成的，内层纤维在树脂粘合剂中所占的体积分数为60％，纤维卷绕角为+/-70°。

当这种管子长期(10-30年)用于石油生产设施中时，会受到平均约2000磅/平方英寸的外压和平均为21000磅的拉伸载荷。因此，这种管子的外层必须经得起2.6ksi的环向应力和平均约21.8ksi轴向应力，内层必须经得起15ksi的环向应力和平均为4.9ksi轴向应力。

计算结果列于表1中，结果表明，由直径为14微米的常规纤维以0°角排列成形的层，其强度不足以经得起长期使用。

                      表1所需环向  实际环向  所需轴向  实际轴向应力        应力    应力        应力(ksi)      (ksi)    (ksi)      (ksi)外层    2.6          2      21.8        ＞60内层    15          20       4.9          5

上表数据表明，算得的0°层长期环向强度为2ksi，不能满足使用期间所要求的2.6ksi。通过增加纤维体积分数来提高环向强度是行不通的，因为体积分数增加会形成不符合要求的大空隙量。此外，通过增加纤维总量，从而增加外层的厚度来提高环向强度也是行不通的，因为额外补充的纤维会增加材料费用，额外增加厚度也会提高制造、运输和设备费用。

实施例2

对本发明复合体管的环向应力和轴向应力进行了计算。如同实施例1,0°外纤维层是与+/-70°内纤维层相接触的，两层都含有树脂粘合剂，纤维在粘合层中的体积分数为60％。但是，根据本发明，外纤维层的纤维直径为7微米。算得的强度数据列于表2中。

                   表2

所需环向  实际环向  所需轴向  实际轴向

  应力     应力      应力      应力

  (ksi)    (ksi)    (ksi)      (ksi)外层    2.6     2.8      21.8       ＞60

Claims (10)

1．一种呈细长、中空管体形的、与纵轴同心的，由至少两层与管子纵轴成一定角度排列的并以树脂粘合剂固结的纤维层构成的多层管壁结构的纤维增强塑料管，该纤维增强塑料管包括：含多种第一纤维的外层以及含多种第二纤维的、径向配置在外层内侧并与外层邻接的第二层，其中第一纤维的粗度为约1微米-小于14微米并成0°至约+/-30°角排列；第二纤维的粗度为约1微米-约24微米，并成大于+/-30°角排列。

2．权利要求1的管子，其中第一纤维是与所述纵向管轴成小于约+/-15°角排列的，纤维的粗度为约1微米-约10微米。

3．权利要求1的管子，其中第一纤维是与所述纵向管轴成约0°角排列的，纤维的粗度为7微米。

4．权利要求1的管子，其中所述轴向承载层是所述管壁厚度的50％或低于50％。

5．权利要求1的管子，其中第二纤维是与所述纵向管轴成大于约+/-40°至高达90°角排列的，纤维的粗度为约10微米-约16微米。

6．权利要求5的管子，其中第二纤维是与所述纵向管轴成大于约+/-55°角排列的。

7．权利要求1的管子还包括径向配置在第二层内侧的、与所述第二层接触固结的第三层，其中第三纤维的卷绕角大于所述第二纤维的卷绕角，可高达90°，该第三纤维的粗度为约1-约24微米。

8．权利要求7的管子，其中第二纤维是与所述纵向管轴成大于约+/-40°至高达约+/-60°角排列的，以及第三纤维是与所述纵向管轴成大于约+/-60°至高达90°角排列的。

9．权利要求1的管子，其中所述树脂粘合剂是热固性树脂。

10．权利要求1的管子，其中所述热固性树脂是环氧树脂。