本發(fā)明涉及長輸天然氣管道領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù)合材料增強鋼管及其制造工藝。
背景技術(shù)：
為確保天然氣供應(yīng)量滿足未來國民經(jīng)濟發(fā)展的要求，高壓大流量長距離輸送成為我國天然氣輸送管道技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。現(xiàn)有技術(shù)通常采取兩種途徑：第一種途徑是采用大壁厚的管線鋼管，這種方法不僅大幅度地增加了鋼材用量，而且厚壁鋼管對現(xiàn)有冶金與制管技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，也增加了現(xiàn)場焊接的難度；第二種途徑是提高管線鋼的鋼級水平。譬如鋼級X70與X80分別在1973、1985年添加到美國石油API標準中，2007年，API 5L第44版增加了X90、X100和X120更高鋼級的管線管。雖然使用X100管線鋼可以提高管道承壓能力，降低鋼管壁厚，但是其距離現(xiàn)場應(yīng)用還存在一些問題：譬如鋼管的現(xiàn)場焊接問題，另一個問題是高強度的管線鋼具有較低的止裂能力，一旦管道破壞產(chǎn)生裂紋，裂紋可能沿管線擴張數(shù)公里。
為了降低管線鋼新產(chǎn)品的材料開發(fā)難度與成本，復(fù)合材料增強鋼管技術(shù)逐漸成為一種超大輸量天然氣管道工程的解決方案。該技術(shù)是基本原理是在鋼管基體外表面纏繞復(fù)合材料增強層。其中鋼管提供全部的縱向強度和環(huán)剛度，復(fù)合材料增強層除了提供部分環(huán)向強度之外，可同時提供外防腐和止裂功能。
在復(fù)合材料增強鋼管技術(shù)方面，目前使用的方法有兩種，分別為干法纏繞和濕法纏繞。現(xiàn)有技術(shù)美國專利US8418337公開的干法纏繞的復(fù)合管道結(jié)構(gòu)包括鋼管、纖維纏繞層和外包覆層三部分。C-FER公司對這類管道也進行了大量研究，目前將這種管稱為FAST-Pipe(fiber augmented steel technology pipe)。FAST-Pipe纏繞使用的纖維多為玻璃纖維，并且常為玻璃纖維帶。
現(xiàn)有技術(shù)美國專利US7093860和US7534321公開了的濕法纏繞技術(shù)，該技術(shù)是在纖維纏繞階段增加了浸漬熱固性樹脂的過程，其主要結(jié)構(gòu)為內(nèi)層鋼管、過渡層、纖維樹脂復(fù)合材料層和外包覆層。NCF公司最早使用濕法纏繞的方法增強管線鋼管，TransCanada開發(fā)出一系列承壓能力從8.275MPa至24.800MPa不等的復(fù)合材料增強鋼管產(chǎn)品，將這種管稱為CRLP(composite reinforced line pipe)，并鋪設(shè)了相應(yīng)的試驗段，其中薩拉托加的試驗段包含7個接頭，單管長12m，口徑1219mm。
現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：復(fù)合材料與基體鋼管在力學(xué)性能方面存在很大差異，復(fù)合材料的彈性模量僅為鋼管的1/5，拉伸斷裂伸長率為鋼管的10倍。當管道承載壓力逐步增大時，鋼管先進入屈服階段，并且復(fù)合材料斷裂前延伸率大于20％，因此，在復(fù)合材料增強層破壞前，鋼管已處于屈服階段，而纖維增強層仍處于低應(yīng)力狀態(tài)，增強層的性能不能充分發(fā)揮。
現(xiàn)有技術(shù)(黃再滿，等，復(fù)合材料天然氣氣瓶預(yù)緊壓力的研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2001,(5):29-32)采用預(yù)應(yīng)力的方法，即在纏繞結(jié)束后在管內(nèi)施加壓力(預(yù)應(yīng)力)直至鋼管發(fā)生屈服變形，之后卸載到無壓力狀態(tài)。當預(yù)應(yīng)力卸載后，鋼管由于發(fā)生塑性變形而不能完全回復(fù)，產(chǎn)生了永久變形，因此纏繞層內(nèi)存在一定的拉伸應(yīng)力而鋼層內(nèi)存在一定的壓縮應(yīng)力。該方法存在問題是降低了鋼管的韌性，從而導(dǎo)致復(fù)合材料增強鋼管整體止裂韌性下降。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提供了一種復(fù)合材料增強鋼管及其制造工藝，該工藝采用了優(yōu)化配方的過渡層與增強層結(jié)構(gòu)，增強層能能夠有效分擔(dān)載荷。該技術(shù)適用于在現(xiàn)有較低鋼級的管線鋼管條件下，提高管線鋼承載能力和韌性，提高管體的環(huán)向承壓能力，達到高壓大流量長距離輸送的目的。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
一種復(fù)合材料增強鋼管，包括從內(nèi)至外依次設(shè)置的基體鋼管、過渡層、增強層和外保護層；其中，過渡層的原料按重量百分比計，包括55～65％的中分子量的雙酚A型環(huán)氧樹脂，8～14％的酚醛樹脂，0.1～0.4％的2-甲基咪唑，0.5～1.0％的流平劑，0.1～0.3％的消泡劑，1.5～3％的無機顏料以及20～30％的無機填料。
本發(fā)明進一步的改進在于，所述中分子量的雙酚A型環(huán)氧樹脂環(huán)氧當量為700～750，軟化點為90～100℃，ICI黏度為3000～5000cps/150℃；所述酚醛樹脂為對叔丁基酚醛樹脂或?qū)κ逍粱尤渲?；所述無機填料為石英粉、硅灰石、硫酸鋇中的一種或兩種以上的混合物。
本發(fā)明進一步的改進在于，所述基體鋼管為4～40mm厚度的碳鋼、不銹鋼、鎳基合金或鈦合金管材；所述過渡層的厚度為100～500μm。
本發(fā)明進一步的改進在于，所述混合樹脂由以下甲、乙兩組分構(gòu)成，甲、乙組分重量比為2:1，甲、乙兩組分按重量份數(shù)計組成如下：
甲組分：
乙組分：
芳香胺固化劑DEDPM 35～45份
2-乙基-4-甲基咪唑 5～10份
硅烷偶聯(lián)劑 2～5份。
本發(fā)明進一步的改進在于，所述外保護層的厚度為2～5mm；按重量百分數(shù)計，外保護層包括0.02％～0.05％的抗紫外線劑，0.01％～0.03％的耐低溫劑，0.05％～0.1％的增塑劑，0.02％～0.05％的阻燃劑，0.02～0.05％的抗氧劑，余量為線型低密度聚乙烯。
一種復(fù)合材料增強鋼管的制造工藝，包括以下步驟：
(1)基體鋼管表面處理：
將基體鋼管外表面進行拋丸處理；
(2)過渡層的制備：
第一步：按重量百分比計，過渡層的原料包括55～65％的中分子量的雙酚A型環(huán)氧樹脂，8～14％的酚醛樹脂，0.1～0.4％的2-甲基咪唑，0.5～1.0％的流平劑，0.1～0.3％的消泡劑，1.5～3％的無機顏料以及20～30％的無機填料，采用熔融混合擠出法制備環(huán)氧粉末涂料；
第二步：采用中頻感應(yīng)電加熱方式，將基體鋼管溫度控制為180～200℃，高壓靜電噴涂環(huán)氧粉末涂料，使涂層厚度為100～500μm；
第三步：加熱固化；
第四步：采用自來水冷卻，形成過渡層；
(3)增強層的制備：
將玻璃纖維、芳綸纖維或碳纖維中一種或兩種以上混合纖維，在排布機上排成纖維無緯布或混雜纖維無緯布，平行排布后進入裝有混合樹脂的膠料槽中，加熱膠料槽使混合樹脂溫度保持在55～65℃之間，在纖維無緯布或混雜纖維無緯布浸漬混合樹脂之后纏繞在過渡層外側(cè)2～10層，然后進行固化，形成增強層；
(4)外保護層的制備：
在增強層的外側(cè)包覆一層厚度為2～5mm的外保護層。
本發(fā)明進一步的改進在于，所述混合樹脂由以下甲、乙兩組分構(gòu)成，甲、乙組分重量比為2:1，甲、乙兩組分按重量份數(shù)計組成如下：
甲組分：
乙組分：
芳香胺固化劑DEDPM 35～45份
2-乙基-4-甲基咪唑 5～10份
硅烷偶聯(lián)劑 2～5份。
本發(fā)明進一步的改進在于，外保護層的厚度為2～5mm；按重量百分數(shù)計，外保護層包括0.02％～0.05％的抗紫外線劑，0.01％～0.03％的耐低溫劑，0.05％～0.1％的增塑劑，0.02％～0.05％的阻燃劑，0.02～0.05％的抗氧劑，余量為線型低密度聚乙烯。
本發(fā)明進一步的改進在于，抗紫外線劑為鄰羥基二苯甲酮，耐低溫劑為乙二醇碳酸酯，增塑劑為鄰苯二甲酸二異葵酯，阻燃劑為氫氧化鋁或三氧化二銻。
本發(fā)明進一步的改進在于，所述纖維無緯布或混雜纖維無緯布與基體鋼管的軸向呈45～90°夾角纏繞；步驟中固化的溫度為160～180℃，固化的時間為15～20分鐘；步驟中固化溫度從145℃到190℃，采用每隔1h升溫15℃的梯度升溫方式。
本發(fā)明進一步的改進在于，所述纖維無緯布或混雜纖維無緯布與基體鋼管的軸向呈60～75°夾角纏繞；
芳綸纖維浸漬混合樹脂前于40℃、質(zhì)量濃度20％的磷酸中浸泡24h進行表面預(yù)處理；
碳纖維浸漬混合樹脂前用質(zhì)量濃度68％的沸騰硝酸浸泡120h進行表面預(yù)處理；
玻璃纖維浸漬混合樹脂前經(jīng)以下過程進行表面預(yù)處理：首先將玻璃纖維在800℃下高溫灼燒，去除纖維表面原有的浸潤劑，再用硅烷偶聯(lián)劑KH-560浸泡10～15分鐘，然后在室溫下放置1～2小時，再于120℃下加熱3～5小時，冷卻備用。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：本發(fā)明的復(fù)合材料增強鋼管由基體鋼管、過渡層、增強層及外保護層構(gòu)成。過渡層的原料按重量百分比計，包括55～65％的中分子量的雙酚A型環(huán)氧樹脂，8～14％的酚醛樹脂，0.1～0.4％的2-甲基咪唑，0.5～1.0％的流平劑，0.1～0.3％的消泡劑，1.5～3％的無機顏料以及20～30％的無機填料。本發(fā)明采用四層結(jié)構(gòu)以及上述組分的過渡層能夠增加了鋼管的環(huán)向和軸向強度，增強層與金屬內(nèi)管之間具有很好的結(jié)合強度。本發(fā)明提供的復(fù)合材料增強鋼管可用于在陸地或海洋油氣田，在高壓大流量天然氣輸送、含硫化氫、二氧化碳等腐蝕介質(zhì)原油與天然氣輸送、注入和污水處理等領(lǐng)域逐步得到廣泛應(yīng)用。
本發(fā)明的復(fù)合材料增強鋼管在制造時，過渡層由熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層涂敷在基體鋼管外表面形成，不僅提高了增強層與基體鋼管粘接強度，能夠起到傳遞環(huán)向載荷作用，而且具有耐腐蝕和抗陰極剝離的性能。增強層為長纖維增強環(huán)氧樹脂預(yù)浸帶，將一層或多層預(yù)浸帶與基體鋼管呈一定夾角的方式纏繞在過渡層的外側(cè)，不僅具有很好剛度，而且具有很好沖擊韌性。然后在預(yù)浸帶外側(cè)套設(shè)外保護層。本發(fā)明提供的復(fù)合材料增強鋼管增加了鋼管的環(huán)向和軸向強度，增強層與金屬內(nèi)管之間具有很好的結(jié)合強度。本發(fā)明提供的技術(shù)可將現(xiàn)有基體鋼管承壓能力提高10％～50％，而且復(fù)合管結(jié)構(gòu)簡單，具有很好應(yīng)用前景。本發(fā)明的制備方法簡單，易于實現(xiàn)。本發(fā)明提供的復(fù)合材料增強鋼管可采用焊接或法蘭方式連接。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實施例1提供的油氣輸送管道縱截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1為基體鋼管，2為過渡層，3為增強層，4為外保護層。
具體實施方式
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。
本發(fā)明實施例中所用到的原材料均為市場上銷售產(chǎn)品。
下述實施例提供了一種復(fù)合材料增強鋼管，如圖1所示，所述復(fù)合材料增強鋼管結(jié)構(gòu)從內(nèi)至外依次設(shè)置有：基體鋼管1、過渡層2、增強層3和外保護層4。即基體鋼管1為最內(nèi)層，外保護層4為最外層，基體鋼管1和外保護層4之間由內(nèi)向外依次設(shè)置過渡層2和增強層3。
實施例1～5的步驟1)給出了基體鋼管選擇，實施例1～5的步驟2)給出了過渡層的制備方法，實施例1～5的步驟3)給出了增強層的制備方法，實施例1～5的步驟4)給出了外保護層的制備方法。
本發(fā)明過渡層中的酚醛樹脂作為固化劑。
實施例1
1)復(fù)合材料增強鋼管從內(nèi)至外依次設(shè)置有：基體鋼管1、過渡層2、增強層3和外保護層4。其中，基體鋼管選用4mm厚度Φ168的316L不銹鋼管材構(gòu)成；將基體鋼管外表面進行拋丸處理，拋丸的錨紋深度40-100μm，潔凈程度達到Ra2.5的標準要求；
2)過渡層的組成與制備：
過渡層由以下重量百分比原料制成：55％的雙酚A型的環(huán)氧樹脂，9％的對叔丁基酚醛樹脂，0.1％的2-甲基咪唑引發(fā)劑，0.5％的流平劑，0.1％的消泡劑，1.5％的無機顏料，33.8％的無機填料；
第一步：按照上述過渡層組分及其比例混合配制原材料，采用熔融混合擠出法制備環(huán)氧粉末涂料；
其中，所述過渡層采用的雙酚A型環(huán)氧樹脂環(huán)氧當量為720，軟化點為92℃，ICI黏度為3500cps/150℃；
所述過渡層采用的無機填料為石英粉、硅灰石和硫酸鋇的混合物，石英粉、硅灰石和硫酸鋇的重量比例為1：1：1；
第二步：采用中頻感應(yīng)電加熱方式，基體鋼管1溫度控制在180～200℃之間，高壓靜電噴涂環(huán)氧粉末涂層，調(diào)節(jié)噴槍及工件，使涂膜達到設(shè)計厚度150μm；
第三步：加熱固化，固化溫度為160～180℃之間，固化時間為15分鐘；
第四步：采用自來水冷卻至室溫。
3)增強層的制備：
增強層的混合樹脂組成：
所述增強層中采用混合樹脂由以下甲、乙兩組分構(gòu)成，甲、乙組分重量比為2:1，甲、乙兩組分重量份數(shù)組成如下：
甲組分
乙組分
芳香胺固化劑DEDPM 35份
2-乙基-4-甲基咪唑 5份
硅烷偶聯(lián)劑 2份
將甲組分中各個原料進行混合得到甲組份，將乙組分中的各個原料進行混合得到乙組份，將甲組份和乙組分按照相應(yīng)的重量比混合，得到混合樹脂。
將玻璃纖維、芳綸纖維或碳纖維中一種或兩種以上混合纖維，在排布機上排成混雜纖維無緯布，平行排布進入裝有上述混合樹脂的膠料槽中，加熱膠料槽使樹脂基體溶液溫度保持在55～65℃之間，在纖維充分浸漬混合樹脂之后以交叉方式纏繞在基體鋼管過渡層外側(cè)2～10層，然后進行固化，固化溫度從145℃到190℃，梯度升溫，每隔1h升溫15℃；
其中，所述的纖維與基體鋼管的軸向呈45～90°夾角纏繞，優(yōu)選60～75°夾角纏繞。
所述玻璃纖維在浸漬混合樹脂前經(jīng)以下過程進行表面預(yù)處理：首先將玻璃纖維置于馬弗爐中在800℃高溫灼燒，去除纖維表面原有的浸潤劑，再用硅烷偶聯(lián)劑KH-560浸泡10～15分鐘，然后在室溫下放置1～2小時，再于120℃下加熱3～5小時，冷卻備用。
所述芳綸纖維在浸漬混合樹脂前用40℃、質(zhì)量濃度20％的磷酸浸泡24h進行表面預(yù)處理；
所述碳纖維在浸漬混合樹脂前用質(zhì)量濃度68％的沸騰硝酸浸泡120h進行表面預(yù)處理。
本發(fā)明中具體將所述芳綸纖維或碳纖維中一種或兩種以上纏繞于圓筒形玻璃架上，置于丙酮中超聲清洗1h后烘干，在磷酸或硝酸浸泡中后取出，用蒸餾水沖洗至pH呈中性，在烘箱中100℃烘干1h，干燥密封保存?zhèn)溆茫?/p>
4)外保護層的制備
利用包覆機，在增強層的外側(cè)包覆一層3mm厚外層管(即外保護層)，外層管的成分和比例構(gòu)成按重量百分數(shù)計如下：0.03％的鄰羥基二苯甲酮為抗紫外線劑，0.015％的乙二醇碳酸酯為耐低溫劑，0.06％的鄰苯二甲酸二異葵酯為增塑劑，0.03％的三氧化二銻為阻燃劑，0.03％的抗氧劑，余量為線型低密度聚乙烯(LLDPE)。
其中，所用線型低密度聚乙烯牌號為LLDPE7144，熔融指數(shù)為20g/10min；
所用抗氧劑為抗氧劑1010與抗氧劑168按照重量比1：2比例的復(fù)配物。
實施例2
1)與實施例1不同在于，基體鋼管選用10mm厚度Φ300的鎳基合金Alloy825管材。
2)過渡層的組成與制備
過渡層由以下重量百分比原料制成：55％的雙酚A型的環(huán)氧樹脂，9％的對叔辛基酚醛樹脂，0.1％的2-甲基咪唑引發(fā)劑，0.5％的流平劑，0.1％的消泡劑，1.5％的無機顏料，33.8％的無機填料；
第一步：按照上述過渡層組分及其比例混合配制原材料，采用熔融混合擠出法制備環(huán)氧粉末涂料；
其中，所述過渡層采用的雙酚A型環(huán)氧樹脂環(huán)氧當量為730，軟化點為95℃，ICI黏度為4000cps/150℃；
所述過渡層采用的無機填料為石英粉和硫酸鋇的混合物，石英粉和硫酸鋇的重量比例為1：1；
第二步：采用中頻感應(yīng)電加熱方式，基體鋼管1溫度控制在180～200℃之間，高壓靜電噴涂環(huán)氧粉末涂層，調(diào)節(jié)噴槍及工件，使涂膜達到設(shè)計厚度300μm；
第三步：加熱固化，固化溫度為160～180℃之間，固化時間為15分鐘；
第四步：采用自來水冷卻至室溫。
3)增強層的制備：
增強層的混合樹脂組成：
所述增強層中采用混合樹脂由以下甲、乙兩組分構(gòu)成，甲、乙組分重量比為2:1，甲、乙兩組分重量份數(shù)組成如下：
甲組分
乙組分
芳香胺固化劑DEDPM 40份
2-乙基-4-甲基咪唑 8份
硅烷偶聯(lián)劑 3份
將玻璃纖維、芳綸纖維或碳纖維中一種或兩種以上混合纖維，在排布機上排成混雜纖維無緯布，平行排布進入裝有上述混合樹脂的膠料槽中，加熱膠料槽使樹脂基體溶液溫度保持在55～65℃之間，在纖維浸充分漬混合樹脂之后以交叉方式纏繞在基體鋼管過渡層外側(cè)2～10層，然后進行固化，固化溫度從145℃到190℃，梯度升溫，每隔1h升溫15℃；
其中，所述的纖維與基體鋼管的軸向呈45～90°夾角纏繞，優(yōu)選60～75°夾角纏繞。
所述玻璃纖維在浸漬混合樹脂前經(jīng)以下過程進行表面預(yù)處理：首先將玻璃纖維置于馬弗爐中在800℃高溫灼燒，去除纖維表面原有的浸潤劑，再用硅烷偶聯(lián)劑KH-560浸泡10～15分鐘，然后在室溫下放置1～2小時，再于120℃下加熱3～5小時，冷卻備用。
所述芳綸纖維在浸漬混合樹脂前用40℃、質(zhì)量濃度20％的磷酸浸泡24h進行表面預(yù)處理；
所述碳纖維在浸漬混合樹脂前用質(zhì)量濃度68％沸騰硝酸浸泡120h進行表面預(yù)處理。
本發(fā)明具體將所述芳綸纖維或碳纖維中一種或兩種以上纏繞于圓筒形玻璃架上，置于丙酮中超聲清洗1h后烘干，在磷酸或硝酸浸泡中后取出，用蒸餾水沖洗至pH呈中性，在烘箱中100℃烘干1h，干燥密封保存?zhèn)溆茫?/p>
4)外保護層的制備
利用包覆機，在增強層的外側(cè)包覆一層4mm厚外層管，外層管的成分和比例構(gòu)成按質(zhì)量百分比計如下：0.04％的鄰羥基二苯甲酮為抗紫外線劑，0.02％的乙二醇碳酸酯為耐低溫劑，0.09％的鄰苯二甲酸二異葵酯為增塑劑，0.04％的氫氧化鋁為阻燃劑，0.04％的抗氧劑，線型低密度聚乙烯為余量。
其中，實施例中所用線型低密度聚乙烯牌號為LLDPE7144，熔融指數(shù)為20g/10min；
實施例中所用抗氧劑為抗氧劑1010與抗氧劑168按照重量比1：2比例的復(fù)配物。
實施例3
1)與實施例1不同在于，基體鋼管選用由18.3mm厚度的碳鋼X70鋼級，Φ1016直縫焊管管材。
2)過渡層的組成與制備
過渡層由以下重量百分比原料制成：60％的雙酚A型的環(huán)氧樹脂，14％的對叔辛基酚醛樹脂，0.38％的2-甲基咪唑引發(fā)劑，1.0％的流平劑，0.3％的消泡劑，3％的無機顏料，21.32％的無機填料；
第一步：按照上述過渡層組分及其比例混合配制原材料，采用熔融混合擠出法制備環(huán)氧粉末涂料；
所述過渡層采用的雙酚A型環(huán)氧樹脂環(huán)氧當量為750，軟化點為98℃，ICI黏度為4000cps/150℃；
所述過渡層采用的無機填料為硅灰石和硫酸鋇的混合物，硅灰石和硫酸鋇的重量比例為1：2；
第二步：采用中頻感應(yīng)電加熱方式，基體鋼管1溫度控制在180～200℃之間，高壓靜電噴涂環(huán)氧粉末涂層，調(diào)節(jié)噴槍及工件，使涂膜達到設(shè)計厚度400μm；
第三步：加熱固化，固化溫度為160～180℃之間，固化時間為15分鐘；
第四步：采用自來水冷卻至室溫。
3)增強層制備
增強層的混合樹脂組成：
所述增強層中采用混合樹脂由以下甲、乙兩組分構(gòu)成，甲、乙組分重量比為2:1，甲、乙兩組分重量份數(shù)組成如下：
甲組分
乙組分
芳香胺固化劑DEDPM 45份
2-乙基-4-甲基咪唑 10份
硅烷偶聯(lián)劑 5份
將玻璃纖維、芳綸纖維或碳纖維中一種或兩種以上混合纖維，在排布機上排成混雜纖維無緯布，平行排布進入裝有上述混合樹脂的膠料槽中，加熱膠料槽使樹脂基體溶液溫度保持在55～65℃之間，在纖維浸漬混合樹脂之后以交叉方式纏繞在基體鋼管過渡層外側(cè)2～10層，然后進行固化，固化溫度從145℃到190℃，梯度升溫，每隔1h升溫15℃；
其中，所述的纖維與基體鋼管的軸向呈45～90°夾角纏繞，優(yōu)選60～75°夾角纏繞。
所述玻璃纖維在浸漬混合樹脂前經(jīng)以下過程進行表面預(yù)處理：首先將玻璃纖維置于馬弗爐中在800℃高溫灼燒，去除纖維表面原有的浸潤劑，再用硅烷偶聯(lián)劑KH-560浸泡10～15分鐘，然后在室溫下放置1～2小時，再于120℃下加熱3～5小時，冷卻備用。
所述芳綸纖維在浸漬混合樹脂前用40℃、質(zhì)量濃度20％的磷酸浸泡24h進行表面預(yù)處理；
所述碳纖維在浸漬混合樹脂前用質(zhì)量濃度68％的沸騰硝酸浸泡120h進行表面預(yù)處理。
本發(fā)明中具體將所述芳綸纖維或碳纖維中一種或兩種以上纏繞于圓筒形玻璃架上，置于丙酮中超聲清洗1h后烘干，在磷酸或硝酸浸泡中后取出，用蒸餾水沖洗至pH呈中性，在烘箱中100℃烘干1h，干燥密封保存?zhèn)溆茫?/p>
4)外保護層的制備
利用包覆機，在增強層的外側(cè)包覆一層5mm厚外層管，外層管的成分和比例構(gòu)成按重量百分數(shù)計如下：0.02％的鄰羥基二苯甲酮為抗紫外線劑，0.01％的乙二醇碳酸酯為耐低溫劑，0.05％的鄰苯二甲酸二異葵酯為增塑劑，0.02％的三氧化二銻為阻燃劑，0.02％的抗氧劑，余量為線型低密度聚乙烯(LLDPE)。
其中，所用線型低密度聚乙烯牌號為LLDPE7144，熔融指數(shù)為20g/10min；
所用抗氧劑為抗氧劑1010與抗氧劑168按照重量比1：2比例的復(fù)配物。
實施例4
1)與實施例1不同在于，基體鋼管選用40mm厚度的鈦合金管材。
2)過渡層的組成與制備
過渡層由以下重量百分比原料制成：65％的雙酚A型的環(huán)氧樹脂，8％的對叔辛基酚醛樹脂，0.2％的2-甲基咪唑，0.2％的流平劑，0.6％的消泡劑，2％的無機顏料，24％的無機填料；
第一步：按照上述過渡層組分及其比例混合配制原材料，采用熔融混合擠出法制備環(huán)氧粉末涂料；
其中，所述過渡層采用的雙酚A型環(huán)氧樹脂環(huán)氧當量為720，軟化點為90℃，ICI黏度為3000cps/150℃；
所述過渡層采用的無機填料為石英粉；
第二步：采用中頻感應(yīng)電加熱方式，基體鋼管1溫度控制在180℃，高壓靜電噴涂環(huán)氧粉末涂層，調(diào)節(jié)噴槍及工件，使涂膜達到設(shè)計厚度100μm；
第三步：加熱固化，固化溫度為160℃，固化時間為20分鐘；
第四步：采用自來水冷卻至室溫。
3)增強層的制備：
增強層的混合樹脂組成：
所述增強層中采用混合樹脂由以下甲、乙兩組分構(gòu)成，甲、乙組分重量比為2:1，甲、乙兩組分重量份數(shù)組成如下：
甲組分
乙組分
芳香胺固化劑DEDPM 35份
2-乙基-4-甲基咪唑 7份
硅烷偶聯(lián)劑 2份
將芳綸纖維與碳纖維在排布機上排成混雜纖維無緯布，平行排布進入裝有上述混合樹脂的膠料槽中，加熱膠料槽使樹脂基體溶液溫度保持在55～65℃之間，在混雜纖維無緯布浸漬混合樹脂之后以交叉方式纏繞在基體鋼管過渡層外側(cè)10層，然后進行固化，固化溫度從145℃到190℃，梯度升溫，每隔1h升溫15℃；
其中，所述混雜纖維無緯布與基體鋼管的軸向呈45～90°夾角纏繞。
所述芳綸纖維在浸漬混合樹脂前用40℃、質(zhì)量濃度20％的磷酸浸泡24h進行表面預(yù)處理；
所述碳纖維在浸漬混合樹脂前用質(zhì)量濃度68％的沸騰硝酸浸泡120h進行表面預(yù)處理。
本發(fā)明中具體將所述芳綸纖維或碳纖維纏繞于圓筒形玻璃架上，置于丙酮中超聲清洗1h后烘干，在磷酸或硝酸浸泡中后取出，用蒸餾水沖洗至pH呈中性，在烘箱中100℃烘干1h，干燥密封保存?zhèn)溆茫?/p>
4)外保護層的制備
利用包覆機，在增強層的外側(cè)包覆一層2mm厚外層管，外層管的成分和比例構(gòu)成按重量百分數(shù)計如下：0.05％的鄰羥基二苯甲酮(為抗紫外線劑)，0.03％的乙二醇碳酸酯(為耐低溫劑)，0.1％的鄰苯二甲酸二異葵酯(為增塑劑)，0.05％的三氧化二銻(為阻燃劑)，0.05％的抗氧劑，余量為線型低密度聚乙烯(LLDPE)。
其中，所用線型低密度聚乙烯牌號為LLDPE7144，熔融指數(shù)為20g/10min；
所用抗氧劑為抗氧劑1010與抗氧劑168按照重量比1：2比例的復(fù)配物。
實施例5
1)與實施例1不同在于，基體鋼管選用20mm厚度的不銹鋼。
2)過渡層的組成與制備
過渡層由以下重量百分比原料制成：63.8％的雙酚A型的環(huán)氧樹脂，13％的對叔辛基酚醛樹脂，0.4％的2-甲基咪唑，0.5％的流平劑，0.3％的消泡劑，2％的無機顏料，20％的無機填料；
第一步：按照上述過渡層組分及其比例混合配制原材料，采用熔融混合擠出法制備環(huán)氧粉末涂料；
其中，所述過渡層采用的雙酚A型環(huán)氧樹脂環(huán)氧當量為750，軟化點為100℃，ICI黏度為5000cps/150℃；
所述過渡層采用的無機填料為石英粉；
第二步：采用中頻感應(yīng)電加熱方式，基體鋼管1溫度控制在200℃，高壓靜電噴涂環(huán)氧粉末涂層，調(diào)節(jié)噴槍及工件，使涂膜達到設(shè)計厚度500μm；
第三步：加熱固化，固化溫度為180℃，固化時間為18分鐘；
第四步：采用自來水冷卻至室溫。
3)增強層的制備：
增強層的混合樹脂組成：
所述增強層中采用混合樹脂由以下甲、乙兩組分構(gòu)成，甲、乙組分重量比為2:1，甲、乙兩組分重量份數(shù)組成如下：
甲組分
乙組分
芳香胺固化劑DEDPM 40份
2-乙基-4-甲基咪唑 5份
硅烷偶聯(lián)劑 4份
將玻璃纖維在排布機上排成纖維無緯布，平行排布進入裝有上述混合樹脂的膠料槽中，加熱膠料槽使樹脂基體溶液溫度保持在55～65℃之間，在纖維浸漬混合樹脂之后以交叉方式纏繞在基體鋼管過渡層外側(cè)2層，然后進行固化，固化溫度從145℃到190℃，梯度升溫，每隔1h升溫15℃；
其中，所述的纖維與基體鋼管的軸向呈60～75°夾角纏繞。
所述玻璃纖維在浸漬混合樹脂前經(jīng)以下過程進行表面預(yù)處理：首先將玻璃纖維置于馬弗爐中在800℃高溫灼燒，去除纖維表面原有的浸潤劑，再用硅烷偶聯(lián)劑KH-560浸泡10～15分鐘，然后在室溫下放置1～2小時，再于120℃下加熱3～5小時，冷卻備用。
本發(fā)明中具體將所述芳綸纖維或碳纖維中一種或兩種以上纏繞于圓筒形玻璃架上，置于丙酮中超聲清洗1h后烘干，在磷酸或硝酸浸泡中后取出，用蒸餾水沖洗至pH呈中性，在烘箱中100℃烘干1h，干燥密封保存?zhèn)溆茫?/p>
4)外保護層的制備
利用包覆機，在增強層的外側(cè)包覆一層3mm厚外層管，外層管的成分和比例構(gòu)成按重量百分數(shù)計如下：0.02％的抗紫外線劑(鄰羥基二苯甲酮)，0.01％的耐低溫劑(乙二醇碳酸酯)，0.07％的增塑劑(鄰苯二甲酸二異葵酯)，0.03％的阻燃劑(氫氧化鋁)，0.03％的抗氧劑，余量為線型低密度聚乙烯(LLDPE)。
其中，所用線型低密度聚乙烯牌號為LLDPE7144，熔融指數(shù)為20g/10min；
所用抗氧劑為抗氧劑1010與抗氧劑168按照重量比1：2比例的復(fù)配物。
本發(fā)明過渡層中的流平劑、消泡劑、無機顏料可根據(jù)實際情況，選擇任意的型號，均可實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
本發(fā)明甲組份中硅烷偶聯(lián)劑選用KH-560。
所述復(fù)合材料增強鋼管由基體鋼管、過渡層、增強層及外保護層構(gòu)成?；w鋼管由碳鋼、不銹鋼、鎳基合金或鈦合金管材構(gòu)成，過渡層由熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層涂敷在鋼管外表面，增強層為長纖維增強環(huán)氧樹脂預(yù)浸帶，將一層或多層預(yù)浸帶與鋼管呈一定夾角的方式纏繞在過渡層的外側(cè)，然后在預(yù)浸帶外側(cè)套設(shè)外保護層。本發(fā)明公開了上述復(fù)合材料增強鋼管制備工藝。本發(fā)明提供的復(fù)合材料增強鋼管增加了鋼管的環(huán)向和軸向強度，增強層與金屬內(nèi)管之間具有很好的結(jié)合強度。
本發(fā)明提供的復(fù)合材料增強鋼管，采用了四層結(jié)構(gòu)，過渡層采用了熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層，不僅提高了增強層與基體鋼管粘接強度，能夠起到傳遞環(huán)向載荷作用，而且具有耐腐蝕和抗陰極剝離的性能。增強層采用了改性環(huán)氧樹脂，不僅具有很好剛度，而且具有很好沖擊韌性。增強纖維在浸漬混合樹脂前進行了表面處理，提高了纖維與基體樹脂界面結(jié)合性能。本發(fā)明提供的技術(shù)可將現(xiàn)有基體鋼管承壓能力提高10％～50％，而且復(fù)合管結(jié)構(gòu)簡單，具有很好應(yīng)用前景。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。