專利名稱:用于對管線中的管子進行現(xiàn)場鑲襯聚合物襯套的方法
本發(fā)明涉及一種用于管狀結(jié)構(gòu)鑲襯的方法，特別涉及對管子進行諸如合成聚合材料管狀襯套結(jié)構(gòu)鑲襯的方法。
金屬管子和鑲襯過陶瓷和水泥材料的管子不能令人滿意地運送帶有銹蝕性或磨蝕性或兼有銹蝕和磨蝕兩性的多種液體。既使涂覆了防銹和防磨材料的這種管子，在有液體通過的工作期間里，隨著損壞危險的不斷增加導致管子典型地損壞。如果這種損壞發(fā)生的話，管線中的液體將會泄漏，如果管線具有壓力，并且管線中正在輸送的是腐蝕性、氧化性或易燃性材料時，將會對環(huán)境和其它設施產(chǎn)生破壞性的危險。最起碼管線的主人們也會面臨著由于這種損壞而造成的一定量的液體漏失。為了克服這種故障提出了大量的建議，在新管線安裝到整套設施上之前，把聚合物襯套鑲襯到管線上，或者更困難地把聚合物襯套鑲襯到地下管線系統(tǒng)上。
D.H.Dawson的公告于1974年12月24日的美國專利3856905號上公開了一種方法，該方法是利用襯套管子在100℃時產(chǎn)生徑向壓縮使其直徑小于原始狀態(tài)，而且并不增加其長度，在此時把塑料管狀襯套鑲襯到管道中，同時把襯套的溫度降低到室溫，并定位在管線之內(nèi)，再把其加熱到大約100℃使襯套在管線內(nèi)徑向膨脹。為了克服襯套縱向伸長可提供一個剛性框架把襯套置于其內(nèi)，或者在襯套穿過型模處操縱進料滾組件使其在相同的軸向速度下操縱滾子。
D.H.Dawson及其它人公告于1976年5月25日的美國專利3959424號上，該專利公開了一種管線鑲襯熱塑性塑料襯套的方法。它包括在減小襯套的直徑時基本不增加其長度，在管道內(nèi)鑲襯襯套并允許襯套在其熱塑性記憶范圍內(nèi)恢復膨脹。
J.F Lontz及其它人的加拿大專利575424號上公開了一種向金屬管子中鑲襯碳氟聚合物襯套的方法，被鑲襯的聚合物襯套的直徑比管子的直徑大。把襯套冷卻使其直徑減小到比管子的直徑略小一點，此時把襯套置于管子內(nèi)，在釋放襯套上的張力時隨意地提高襯套的溫度。
G.R.Pope及其它人公告于1969年8月26日的美國專利3462825號上公開了一種方法，該方法是用冷拉法使氟化聚合物襯套通過一個漸縮的型模鑲襯進管狀元件中，隨之釋放該襯套使其膨脹并緊密地與元件的內(nèi)壁相接觸。該專利聲稱，壁厚的變化和通過型模的拉伸速度不影響該方法的效用。
S.Muir公告于1984年5月16日的美國專利2084686B號中公開了一種方法，在該方法中，一個滾子以技術(shù)上眾所周知的典型方式設置，用于把其外徑比將要鑲?cè)氲墓茏觾?nèi)徑大的聚合物襯套外徑滾壓到比將要鑲?cè)氲墓茏觾?nèi)徑小的聚合物襯套外徑。當聚合物襯套的孔徑被滾壓后，襯套長度將會增加，聚合物襯套可以被鑲襯進管子里。在沒有額外的力作用的情況下襯套顯然保持其壓縮后的直徑狀態(tài);這里不存在所說的拉應力對襯套的作用。隨后襯套被加熱到100℃至120℃之間使之回復膨脹到聚合物襯套原始外徑的90%或更大的量，因此使襯套與管子內(nèi)壁完全接合地鑲襯。該專利所公開的內(nèi)容指出聚合物襯套的外徑可以被滾壓減小20%。
J.R.Thompson公告于1987年6月24日的歐洲專利0226410號中公開了一種方法，在該方法中襯套的牽引端安裝一個牽引頭，而末端被約束，由此產(chǎn)生一使襯套變形的縱向力。襯套的直徑必然相對于泊松比減小一定量，在襯套是聚乙烯的情況下泊松比為0.45，10厘米直徑將產(chǎn)生大約4.5厘米的減小。當襯套通過鑲襯階段時在襯套上保持有縱向力，當襯套被置于管子部分內(nèi)之后襯套上的力被釋放。
大多數(shù)已知的方法是利用襯套的塑性記憶在塑性變形范圍內(nèi)改變熱塑性襯套的直徑以便使之能夠鑲襯到管子中去，這樣或需要高的壓力或需要加熱或兩者結(jié)合使用使襯套在合理的時間內(nèi)鑲襯。在Pope等人所公開的方法中，襯套通過一個漸縮的型模被拉伸，相對于襯套通過型模的運動方向產(chǎn)生一個相當大的阻力，如果把長度很大的襯套相當快速地鑲襯到管子中，將需要比襯套材料拉伸屈服點高得多的力并且襯套的變形將不能回復。
在已知技術(shù)中，要想在合成熱塑性或熱固性襯套材料的彈塑性范圍內(nèi)以加力滾壓使之徑向變形，需要在軸向或徑向受力的條件下保持襯套處在變形狀態(tài)，此時把襯套鑲襯到管子中去，隨釋放襯套上的力使之徑向膨脹緊緊地與管子內(nèi)壁相接觸而達到鑲襯，人們發(fā)現(xiàn)應用已知技術(shù)做到這些有這樣或那樣的困難。
因此本發(fā)明提供一種在管道中設置合成聚合物襯套的方法，所述的方法包括下列過程(1)提供一種合成聚合物襯套，該襯套的外徑比管子的內(nèi)徑大0.5%～6%。
(2)把所述的襯套對準通過最少一組起碼有兩個減小直徑滾子，由此使所述襯套的外徑處于直徑減小的狀態(tài)足以小于能使襯套毫不費力地穿入到管子的內(nèi)徑中去，此時襯套直徑的減小其變形量小于該襯套聚合物材料彈塑性范圍的上限，同時把襯套鑲襯在管子之中。
(3)在管子中固定所述的襯套，同時從存在的徑向應力和軸向應力中選擇一組應力施加在襯套上使其保持在直徑減小狀態(tài)。
(4)釋放所述的襯套中的應力，驅(qū)動至少一組所述的滾子使其速度足以保持所述的襯套在鑲襯過程中其拉應力低于襯套的合成聚合材料的拉伸屈服極限值。
本發(fā)明還提供一種在管子中設置合成聚合物襯套的方法，所述方法包括下列過程(1)提供一種合成聚合物襯套，該襯套的外徑比管子的內(nèi)徑大0.5%～6%。
(2)把所述的襯套在拉伸條件下對準通過至少一組減小直徑滾子，由此使襯套在拉伸下產(chǎn)生的外徑是以小于能使襯套任意地穿入的管子內(nèi)徑，此時襯套直徑減小的變形量低于襯套聚合材料彈塑性范圍的上限，同時把襯套牽入管子中。
(3)在管子中固定襯套的同時保持襯套上的拉力。
(4)釋放襯套上的拉力，驅(qū)動至少一組所述的滾子使其速度足以保持所述的襯套在鑲襯過程中其拉應力低于襯套的合成聚合材料的拉伸屈服極限值。
本發(fā)明還提供一種用于在管線中鑲襯管狀合成聚合物襯套的設備，包括(1)用于在各種變化的控制速度下把所述襯套牽拉進管線的裝置。
(2)至少一組帶有至少兩個滾子的適應于把所述的襯套直徑從5%減小到20%的滾子組，所述的滾子被正好對準所述的管子一端固定。
(3)用于控制所述滾子線速度的裝置，以此來保持作用于襯套上的拉應力不超過所述合成聚合材料的拉伸屈服極限值。
襯套的合成聚合物可以是熱塑性或熱固性聚合物，所提供的聚合物應具有足夠的強度以適應在周圍的環(huán)境溫度里進行鑲襯操作時使襯套的直徑減小從而增加其壁厚或增加其長度，而不產(chǎn)生破裂而形成“狗骨”型橫截面。適用于本發(fā)明工藝方法的熱塑性聚合物包括聚烯烴物，例如聚乙烯，聚丙烯或者聚丁烯;或聚酰胺物，例如尼龍6.6，硬質(zhì)聚乙烯氯化物或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物。其中的聚合物指的是聚乙烯聚合物，最好的聚合物是乙烯均聚合物或乙烯共聚物，至少具有一個四至十個碳原子的α烯烴化合物。高密度聚乙烯是一種特別好的熱塑性物質(zhì)。
任意地，襯套的合成聚合物可以是連續(xù)相聚烯烴混合物，在不連續(xù)相中不相容的熱塑性聚合物和聚烯烴與不相容的熱塑性聚合物的共存物。位于不連續(xù)相中的聚合物處是所謂的壁壘樹脂，由此導致使襯套表現(xiàn)出改善了防滲透的壁壘。
同樣適用的是襯套包括兩個不同的共擠壓復合材料樹脂層，例如襯套具有一個聚乙烯外層和一個所謂壁壘樹脂的內(nèi)層，由此襯套表現(xiàn)出增加了如以上討論的抗?jié)B透性。
用于本發(fā)明工藝方法的適于形成復合材料管材的熱固性聚合物包括以公知的技術(shù)應用于管子硬質(zhì)環(huán)氧樹脂和聚酯熱固性樹脂。
用于減小襯套直徑的裝置包括至少一組滾子，該滾子具有適當尺寸的凹形外表面，外表面相互對齊并與將要鑲襯的管子的管口對正。任意地，適用于牽引線的潤滑劑也可用在用于減小襯套直徑的滾子上，以改善當襯套通過滾子和管子時襯套材料的阻力特性。當滾子組是一對時比是四個時潤滑劑的應用特別有效，因為滾子面中間直徑比邊緣直徑小許多，這樣在滾子表面就存在有不同的線速度，這種線速度的不同可通過增加滾子的直徑或設置四個滾子的滾子組來減小。
眾所周知在技術(shù)上應用的潤滑劑，例如黃油77，凡士林、機油或傳動液，滾子不必過分潤滑，否則滾子和襯套間沒有足夠的適當摩擦力驅(qū)動襯套;潤滑劑型號和用量可由本專業(yè)技術(shù)人員方便地選擇。
在應用本文所公開的滾子裝置減小直徑之前，襯套具有比管子內(nèi)徑大0.5%至6%的初始外徑，以確保裝設之后與管子相互配合。最好是若襯套是聚乙烯，其外徑初始尺寸最好比管子內(nèi)徑大1%至3%。
多組用于減小襯套直徑的滾子被應用。在鑲襯大直徑管子的場合最好應用至少三組滾子來減小襯套的直徑，例如管子至少是20厘米(8英吋)直徑，那么襯套將要被變形的量相當大，因此對一個給與的襯套長度實施變形所需的工作量或能量也相應地很大。如果應用多組滾子，把這許多滾子調(diào)整好以便使襯套在每個滾上的直徑減小都相等，這雖不是主要的，但確有很多優(yōu)點。
由本發(fā)明方法所鑲襯的管子的直徑通常在工業(yè)和生產(chǎn)領域應用，例如從大約12毫米至最少900毫米(0.5至36英吋);直徑的最優(yōu)選擇是從50毫米到大約600毫米(2至24英吋)的標稱直徑。
襯套的壁厚要大到能在襯套通過滾子時不致破裂;同時襯套壁厚也應小到使所需減小襯套直徑的能量不致在襯套被送過滾子時過份地降低其速度。優(yōu)選的壁厚范圍是大約襯套外徑的三十分之一到二十分之一;也就是說襯套的標準直徑比(S.D.R.)應是12至30。
襯套徑向受壓變形的臨界點應低于彈性范圍上限，襯套徑向受拉變形的臨界點應低于被選擇用于襯套的特殊合成聚合材料拉伸屈服點。如果選擇熱塑性材料，則“彈性”的定義包括完全彈性變形范圍和彈塑性變形范圍兩者，這將在下面定義。眾所周知，在技術(shù)領域：
中沒有什么熱塑性材料能在不留任何微小形變的情況下完全恢復其變形;這種現(xiàn)象稱為塑性蠕變，另外塑性蠕變現(xiàn)象還受延伸量、材料處于延長狀態(tài)的時間和熱塑性試樣的溫度的影響。然而，如果變形很小，而且材料被變形的時間很短，特別是在溫度低于其軟化點時，那么熱塑性材料基本上能表現(xiàn)出完全回復。在高密度聚乙烯材料的情況下，在室溫短時間作用其完全彈性變形范圍是從0至7%;高于7%并低于完全塑性變形范圍，該材料表現(xiàn)為彈性和塑特性兩者結(jié)合，這樣當外力被移去后總的變形回復到大于7%并小于材料塑性變形的初始量。這范圍，本文定義為彈塑性范圍，對于聚乙烯，根據(jù)其質(zhì)量、溫度、時間和其它因素，聚乙烯的上限大約是18%到20%。當變形增加到彈塑性范圍以上進入到完全塑性變形區(qū)時，試樣將明顯地表現(xiàn)為永久變形。因此根據(jù)以上所述，當應用的襯套是聚乙烯材料時，用滾子減小襯套直徑總量不能大于20%。如果襯套使用熱塑性聚合物材料，則將根據(jù)這些熱塑性聚合物的彈塑性特性來確定所能允許的襯套直徑減小量。
如果襯套是由熱固性聚合物組成，那么所選擇的變形量和延伸量應與所應用的這種特殊聚合物的彈性特性相匹配，因為熱固性材料基本上不表現(xiàn)出塑性蠕變。
在本發(fā)明中的施加拉力以保持減小襯套直徑的實施方案中，必須從襯套鑲襯階段到把襯套保持在直徑減小狀態(tài)時始終在襯套上保持足夠的應力。如上所述，襯套上的軸向應力應保持在至少2.1MPa(300Psi)并小于聚合物材料的拉伸屈服極限。
在本發(fā)明的一個可供選擇的實施方案中，當襯套被鑲襯的時候，可通過在襯套周圍提供額外的液壓來保持襯套處于直徑減小狀態(tài)。該實施方案的一種方法是，減小襯套直徑的滾子正好置于毗鄰管子的鑲襯端。在把襯套鑲襯到管子中之前把襯套的鑲襯端密封好，同時在管子的鑲襯端安裝液密封使得在允許襯套通過該端進入管子時能防止管中的壓力液體泄漏。用液體在管子內(nèi)部對其加壓，當把襯套鑲襯到管子中去的時候，與襯套鑲襯通過密封的程度成比例，允許有一定量的液體泄漏，對襯套施加一個較小的拉力以防壓鑲襯時襯套被卡住。液體壓力提供了徑向壓應力，該應力使襯套保持了直徑減小狀態(tài)。當襯套完全被鑲?cè)胍院?，釋放液體壓力，允許襯套膨脹一直到與管子的內(nèi)表面相接觸。
本發(fā)明高精度徑向公差的應用并保持使襯套在其彈性范圍內(nèi)徑向變形確保了當襯套的應力被釋放時，襯套將膨脹直到與管子的內(nèi)壁緊緊地貼在一起，這樣就不需要用對襯套加壓，加熱或壓、熱兩者同時施用的方法來膨脹襯套，使其與管子內(nèi)壁相互接觸。直徑減小的襯套與管子之間的間隙可以表示為襯套通過了滾子之后襯套的外徑與管子的內(nèi)徑的比例，它大約是84%到96%。在小管子中，所需的間隙要比大管子中的大，比如對于標準2英吋(有效0.d60.3毫米)的管子，襯套的直徑減小最好是管子內(nèi)徑的84%，對于標準3英吋(有效0，d88.9毫米)和更大的管子，襯套直徑減小最好是管子內(nèi)徑90%至96%。根據(jù)本發(fā)明的方法，對于襯套的整套裝置需要更高的精度。
為了防止襯套處于直徑減小狀態(tài)下發(fā)生永久變形，鑲襯階段應是一個有限的持續(xù)時間，最好不要超過兩小時。該持續(xù)時間與襯套鑲襯階段的溫度，聚合物的分子量和襯套上的應力及其它固素有關(guān)。
鑲襯操作可以在-40℃至+45℃溫度范圍內(nèi)進行，最好在-10℃至+30℃溫度范圍進行。
把襯套鑲襯到管子中的最佳速度是至少8米/分(8m/min)也可提高到至少30米/分(30m/min)這將根據(jù)襯套周圍的條件和形狀來定。
應用本發(fā)明的方法牽引一個單一設置的襯套，該襯套的長度可大到500米至800米，在理想的環(huán)境條件下甚至可以長到1000米以上，例如在一個很少有急轉(zhuǎn)彎的適當清潔管線中就有可能實現(xiàn)。
通過結(jié)合附圖可以對本發(fā)明實施方案進行更加細質(zhì)的描述，在附圖中圖1是一幅用來實現(xiàn)本發(fā)明方法的一個實施方案的設備的剖面圖，它表示的是一個熱塑性材料的襯套正在被滾壓減小直徑并牽入管子。
圖2是一幅滾子的橫截面圖，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，該滾子適用于減小襯套的直徑。
圖3是一幅適用于實現(xiàn)本發(fā)明的方法的一個實施方案的設備應用液壓以便保持襯套處于直徑減小狀態(tài)。
圖4是一幅四滾子的滾子組橫截面圖，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，該滾子組適用于減小襯套的直徑。
參照圖1，它表示一個具有初始直徑2的合成聚合物襯套正在被鑲襯到管子1中去。由驅(qū)動裝置(表示在圖2中)驅(qū)動的并由非彈性材料制造的(比如不銹鋼)減小直徑滾子10和11固定在不可移動的固定框架上，固定框架16用任意適用的固定裝置，如螺栓5、6相對于安裝(最好焊接)在管子1端部上的法蘭盤來固定。在圖2中詳細地表示了滾子10和11滾壓表面的橫截面顯現(xiàn)出凹半園形，它具有中間下凹部分12和13以及凸出的邊緣14、14a和15、15a，當滾子相互對準并與管子1的管口對正時，滾子的滾壓表面基本上形成一個襯套3通過的園形空間，例如邊緣14和14a分別與邊緣15和15a的緊貼程度小于1毫米。這些邊緣通常不是緊密接觸的以避免滾子固定裝置(如軸27、28與它們各自的軸承，圖中未示)過份磨損。園形空間的直徑選擇成與襯套3的壓縮直徑相當，也就是說其直徑介于管子1內(nèi)徑的85%至95%之間，以便在牽引過程中允許有最小的間隙。如以上所討論的，襯套3在保持著其直徑減小的同時還受到拉力作用。一般情況下管子1和襯套3呈園形橫截面，不過如果管子1是非園形，例如橢園形，那么襯套2(未滾壓的襯套)也應具有相當?shù)臋M截面形狀。減小襯套直徑的滾子通常不能改變襯套初始橫截面的形狀，襯套是不能被折疊的，例如折疊成“狗骨”狀。然而，在特定情況下減小直徑的滾子可以把園形橫截面的襯套改變成非園形橫截面，例如為了鑲襯橢園形橫截面的管子可以改變襯套的橫截面形狀。
圖2詳細地說明了滾子的外形和滾子的典型驅(qū)動機構(gòu)部份。滾子10、11被固定在裝于框架16、16a上的軸27、28上，以此使得滾子10的邊緣14、14a緊緊地靠近滾子11的邊緣15、15a。同步齒輪17、18與滾子10、11同軸固定并且齒輪17、18相互嚙合，因此滾子10、11在相等的線速度下相對旋轉(zhuǎn)。同步齒輪17由齒輪19驅(qū)動，齒輪19由變速驅(qū)動裝置32驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。最根本的是滾子驅(qū)動裝置或送絲裝置(拉送襯套的裝置)應具有變速工作能力，以便在襯套鑲襯過程中所施加的拉力能夠保持在襯套合成聚合材料的拉伸屈服極限值以下。通常，下面所描述的滾子和送絲裝置的速度是變化的，驅(qū)動裝置32可以是電調(diào)速或液壓可調(diào)式調(diào)速裝置，最好是液壓可調(diào)操作的，液壓馬達的優(yōu)點在于它們能夠在任意給予的相應扭矩下容易地工作。
為準備對管子鑲襯，可應用一種眾所周知的方法(如用液壓法)把一個錠塊推進管子，這樣就可與帶有牽引裝置(如送絲裝置21)的管子牽引端耦合。如圖1所示，襯套2的一小部分正在通過滾子10和11以便減小襯套部分的直徑。襯套由送絲夾持裝置20夾持到送絲裝置21上，送絲夾持裝置20是一種在技術(shù)上公知的類型，最好，送絲夾持裝置的直徑與通過了減小直徑滾子的襯套的減小后的直徑相等，一種公知的典型送絲元件(未示)被連接到送絲裝置21上并且適于測定送絲裝置21上的拉力以便記錄襯套3上的拉應力。包括滾子10、11的框架16被固定在法蘭4上。通過了滾子10和11的襯套其直徑已經(jīng)減到了足夠小，此時可以方便地把襯套牽引入管子。如果滾子不是在一個適當?shù)乃俣认卤或?qū)動的話，用于把襯套的直徑從大直徑2減小到小直徑1的所需能量將在滾子10和11與送絲夾持裝置20之間的襯套上產(chǎn)生相當大的拉力。相應地，滾子10、11的轉(zhuǎn)速應調(diào)整到與送絲裝置21的牽引速度和拉力相適應，以便把襯套上的軸向應力限制在不能高于襯套聚合材料的屈服點水平上，并提供一安全范圍，即最好不要高到屈服點的三分之二。假如超過了這一應力水平，在鑲襯過程中襯套就很容易被損壞并且很難修復。
在襯套3承受著拉應力和徑向應力以便保持其直徑減小并使襯套3不回復到如圖1中所示的參考號為2的原始直徑狀態(tài)，必須對襯套2施加一牽引力使其保持這種減小直徑狀態(tài)通過管子。根據(jù)高密度聚乙烯的泊松比是0.45，當聚合物襯套在滾子10和11的壓縮下襯套直徑每減小1.0%，則襯套的長度增加大0.45%。相反若襯套每延長1.0%則襯套直徑將減小0.45%。因此，若襯套的延伸只是意味著用于減小其直徑，那么本發(fā)明的方法只需襯套延長其需要延長的四分之一。
參照圖3它表示了本發(fā)明工藝方法的一個實施方案，其中在襯套鑲襯過程中在襯套內(nèi)保持液體壓力。送絲夾持裝置20以保持壓力密封的方式(如用熔融的方法焊接到熱塑性襯套上)連接到襯套3的鑲襯端。下面描述當襯套通過了直徑減小滾子14、15后被鑲伸通過以傳統(tǒng)設計固定在管子鑲襯端的液體密封時的情況。送絲裝置21通過送絲夾持裝置20向襯套3施加充足的拉力以防襯套在通過管子1時發(fā)生變形和自由運動。在管子1的末端把一個液體密封蓋30固定到法蘭31上。液體密封蓋30包括由閥門24控制的引出導管23。當襯套3被鑲襯進管子1時，通過調(diào)整閥門24來控制液體從管子1中逸出速度來保持對襯套3施以適當?shù)耐鈮毫σ员ＷC襯套3處于直徑減小狀態(tài)。送絲裝置21穿出管子1的端部連接到一個適當?shù)臓恳b置上，同時為了保持管子內(nèi)部的液體壓力，把由分節(jié)蓋30夾持的端密封25緊緊地圍繞著送絲裝置21密接。當襯套3被完全地鑲襯進管子時，例如襯套3被鑲襯到與蓋30的平板端22接觸時，蓋30和密封25被移去以便釋放管子中的液體壓力，允許襯套3膨脹直到與管子1的內(nèi)壁相接觸為止。
如果襯套鑲襯的同時以保持徑向應力來維持其直徑的減小，那么當襯套在管子內(nèi)就位后就可移去徑向應力源。當拉力去除后，襯套將以同樣的方式經(jīng)受其直徑增加、軸向收縮的回復過程，上述兩者的回復程度相同。
應允許有足夠長的襯套3從管子1中伸出，以便在應力釋放階段襯套軸向收縮時襯套端部不致于縮回到管子內(nèi)部去。如果讓襯套3自由地充分膨脹，那么襯套3將完全回復到幾乎是其初始直徑，但是因為襯套3的尺寸是根據(jù)管子1的內(nèi)部尺寸來嚴格控制的，所以襯套3與管子1相互貼合，該回復過程進行完全要經(jīng)過大約0.1至24小時的時間間隔。
當回復過程完全進行以后，用傳統(tǒng)方法在襯套的兩端制備上連接節(jié)，所用的方法例如連接上軸端，或用芯子滾壓出一個法蘭或用O-型圈或其它眾所周知的方法。在一個優(yōu)選的實施方案中，把軸端連接到襯套上去的方法如下在管子法蘭的相對點上對襯套打上記號，以便在襯套上指出應力中牲點;足以向?qū)尤酆涎b置提供工作空間的、通常是30至60厘米的襯套的一小部分首先被從管線中拉出;在法蘭將要連接上去的記號處軸端點把襯套切斷;法蘭被對接熔合在襯套的平整切端上;襯套向管線內(nèi)縮回直到襯套法蘭和管線法蘭平齊為止。通常，必須對襯套加力使其完全地縮回到管子中去。在很多情況下人力足以推動襯套就位;如果需要機械幫助，傳統(tǒng)的方法是對襯套施加鑲襯力;例如，在襯套法蘭的外表面放上一個配合法蘭，并通過通孔相對于管子法蘭把襯套法蘭推動置位來把配合法蘭上緊。
用于減小襯套直徑的滾子以傳統(tǒng)的方法安裝一對，如圖1中所示的滾子10和11。最好每組滾子包括三個或四個或多個滾子，四個滾子是最佳數(shù)字;每組滾子的滾子數(shù)多將比每組滾子只有一對滾子成本高，但是它有許多優(yōu)點，比如摩擦力小，當襯套通過滾子時，由于滾子表面的有關(guān)速度不同在滾子的滾壓表面和襯套之間、滾子的中間部分12與13和邊緣部分14、14a與15、15a之間會產(chǎn)生摩擦力，如圖2所示，應用每組多個滾子將減小上述摩擦力。
至少一組滾子必須用公知的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置來驅(qū)動，例如齒輪驅(qū)動機構(gòu)。在一組滾子中的所有滾子都應被驅(qū)動。滾子驅(qū)動裝置的速度應調(diào)整到能保持襯套在被牽入管子中時施加于襯套上所希望之拉力水平。如這里所描述的，在控制速度下驅(qū)動滾子，把襯套牽引進管子的牽引速度一般將高于先有技術(shù)方法的速度，同時并不增加襯套上拉力。
并不涉及到對本發(fā)明進行特別的技術(shù)說明，只是說在其它因素相等的條件下單位時間里為了減小襯套直徑所做的功正比于其直徑的減小速度。因為在先有技術(shù)中所涉及的減小襯套直徑的方法是通過一個拉模對襯套施加一個相當?shù)牧?，因此用于維持減小襯套直徑的拉力同時也減小其壁厚，并且襯套直徑的減小速度也正比襯套鑲襯到管子里去的速度。進一步地說，阻止襯套向管子里鑲襯的摩擦力也正比于牽入管子中的襯套長度。因此如果用先有技術(shù)的方法，當較長的襯套的鑲襯速度過高時，作用在襯套上的拉力將持續(xù)增加直至超過襯套的拉伸屈服極限導致襯套的永久損壞。而在本發(fā)明的工藝方法中，用減小襯套直徑所需的功大部分由滾子組提供，作用于襯套之上的拉力被限制在只是為了克服限制襯套被牽入管子的摩擦阻力。
圖4說明了本發(fā)明的一個實施方案，在該實施方案中應用了一組有四個滾子的滾子組來減小襯套的直徑。滾子50、51、52、53以其軸互成直角毗鄰設置，這樣這四個滾子的凹下的中間部分54、55、56、57合起來形成了一個園形通口59，當襯套3通過該通口59時其直徑被減小。滾子的軸可轉(zhuǎn)動地安裝在框架58上。斜齒輪組60、61、62驅(qū)動滾子50、51、52、53，這樣四個滾子的園周將相對于通口59的同一方向以相等的速度轉(zhuǎn)動。整個齒輪組由斜齒輪63驅(qū)動，斜齒輪63由變速驅(qū)動裝置64旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。這是驅(qū)動所有滾子組的基礎。
實例1一個8英吋直徑的鋼管其內(nèi)徑為196.8毫米(7.749英吋)，在管子內(nèi)鑲襯由SCLAIR″35B聚乙烯樹脂制作的襯套，襯套的壁厚是6.40毫米(0.252英吋)，外徑是201.7毫米(7.940英吋)比管線的內(nèi)徑大2.5%。這樣在通過滾子徑向壓縮之前襯套的橫截面積是39.27平方厘米(6.09平方英吋)。管子的內(nèi)表面被氧化生銹，但并不是嚴重地侵蝕以致影響管子的承壓能力。當進行換襯操作時，環(huán)境溫度大約是20℃，埋著的管子的溫度大約是10℃。
把三對滾子排列在管子進口處，這排列好的三對滾子其橫截面外形與襯套外形一致，當襯套通過滾子后，襯套在受到拉力的同時其外直徑表現(xiàn)為177.8毫米(7.000英吋)，這樣滾子使襯套的直徑減小了11.8%。把一個送絲裝置穿過管子連接到襯套前端，襯套以大約平均25米/分的速度被牽引入管子;在整個牽引過程中送絲裝置上的拉力始終保持并被測量。所有的滾子都由液壓馬達和齒輪組驅(qū)動，作用于襯套上的拉力限制在小于24500牛頓(5500lbf)其驅(qū)動速度根據(jù)作用于聚乙烯襯套上的拉應力為6.29MPa(912Psi)而定。如果僅對襯套施加拉力以便把襯套牽過滾子而進入管子其鑲襯速度為25米/分時，襯套所承受的應力將超過聚乙烯拉伸屈服極限。
管子長430米，單獨的襯套段用傳統(tǒng)的熔接焊機平焊在一起并把焊接時產(chǎn)生的額外聚乙烯焊珠去掉。以此制成所需長度的整體襯套。
滾子用少量77號黃油來潤滑。當襯套完全被鑲襯，牽引過程結(jié)束時，所應用的襯套初始長度是436。有大約55米的襯套從襯套牽引端伸出;在鑲襯端，襯套并沒有被從襯套材料原點切斷。在最后送絲裝置上的拉力被釋放后，10秒鐘內(nèi)襯套的15米長度將回縮進管子里;隨后襯套將繼續(xù)越來越慢地回縮進管子里;隨后襯套將繼續(xù)越來越慢地回縮，這個回縮運動完全進行完畢需要8小時時間，此時襯套的牽引端回縮25米，鑲襯端回縮1米。
用傳統(tǒng)的方法在襯套的兩端連接上軸端法蘭以便進行壓力檢驗并方便管線連接。在壓力檢驗過程中，基本上沒有氣和水從鉆在接近于管子兩端的泄漏孔中流出;因此，很明顯，不用施加任何外壓力襯套就可膨脹回復直到完全與管子內(nèi)壁接觸為止。
實例2一個4英吋直徑的鋼管長600米，其內(nèi)徑為102.3毫米(4.026英吋)，在管子內(nèi)鑲襯由SCLAIR″35B聚乙烯樹脂制作的襯套，襯套的壁厚5.34毫米(0.210英吋)，外徑是105.9毫米(4.170英吋)比管線的內(nèi)徑大3.6%。這個管子的條件和環(huán)境的條件與實例1相似。把兩對滾子排列在管子進口處，類似于實例1中的滾子排列。排列好的兩對滾子其橫截面外形與襯套外形一致，當襯套通過滾子后，襯套在受到拉力的同時其外徑表現(xiàn)為90.93毫米(3.580英吋)，這樣滾子使襯套的直徑減小了14.2%。襯套由送絲裝置以大約平均30米/分的速度牽引入管子;在整個牽引過程中送絲裝置上的拉力始終保持并被測量。所有的滾子都由液壓馬達和齒輪組以一定的速度驅(qū)動，使得襯套上的拉力限定在20000N以下，即作用于聚乙烯襯套上的拉應力為11.9MPa(1724Psi)。僅對襯套施加拉力以便把襯套牽過滾子而進入管子時的鑲襯速度為30米/分時，對于襯套牽引端將承受大約26700牛頓的拉力，相應于襯套上的應力大約為15.9MPa，這個力將超過聚乙烯拉伸屈服極限。檢驗的其它條件與實例1的條件相似。軸端法蘭用傳統(tǒng)的方法連接，鑲襯過的管子成功地進行了壓力檢驗，并連接到管線系統(tǒng)上。
本發(fā)明的方法顯示出了大量的先有技術(shù)方法不能勝任的有利優(yōu)點。一個重要的優(yōu)點就是整個鑲襯操作可以在通常環(huán)境溫度下進行;并不需要提供大量加熱的液體，比如水，以便使襯套能回復直至與管子緊密地接觸到一起，因此本發(fā)明的方法具有超過其它方法的相當大的成本優(yōu)勢。相反在先有技術(shù)的滾壓方法和模壓方法中，如果不高速牽引襯套的話，很可能襯套的很長的一部分不能鑲?cè)牍茏?，牽引速度增加會導致施加于襯套上的拉應力增加大到足以使襯套永久變形的范圍并且使送絲夾持裝置損壞。本發(fā)明方法的另一個優(yōu)點是直徑減小應力被去除后，例如當拉力從送絲裝置上去除，襯套幾乎立刻大部分膨脹，這樣鑲襯人員馬上就能在管線施工現(xiàn)場準備如數(shù)公里的鑲襯管。本發(fā)明方法的再一個優(yōu)點是允許一個大約800米長的襯套被單獨牽拉鑲襯，如果條件很好，管子內(nèi)表面是理想光滑、很少有夾角的，那么即使1公里長的襯套也可一次單獨鑲襯;因此把鋪設的管線挖開并破壞以便鑲襯時，只需相對比較小的坑。此外，與襯套僅僅通過延伸來減小其直徑的方法比較，根據(jù)熱塑性材料的泊松比，本發(fā)明的方法只需大約延伸襯套的四分之一長度。
權(quán)利要求
1.一種在管線的管子中設置合成聚合材料襯套的方法，所述的方法其特征包括下列過程(1)提供一種合成聚合物管狀襯套，該襯套的外徑比管線管子的內(nèi)徑大0.5%至6%。(2)把所述的襯套對準通過最少一組至少有兩個減小直徑滾子，由此使所述襯套的外徑處于直徑減小的狀態(tài)，小于足以能使襯套毫不費力地穿入到管子的內(nèi)徑中，此時襯套直徑減小的變形量小于該襯套聚合物材料彈塑性范圍的上限，同時把襯套鑲襯于管子之中。(3)在管子中固定所述的襯套，同時從存在的徑向應力和軸向應力中選擇一組應力施加在襯套上使其保持在直徑減小狀態(tài)。(4)釋放所述的襯套中的應力，驅(qū)動至少一組所述的滾子使其速度足以保持所述的襯套在鑲襯過程中其拉應力低于襯套的合成聚合材料的拉伸屈服極限值。
2.一種在管線管子中設置合成聚合材料襯套的方法，所述的方法其特征包括下列過程(1)提供一種合成聚合物管狀襯套，該襯套的外徑比管線管子的內(nèi)徑大0.5%至6%。(2)把所述的襯套在軸向拉力條件下對準通過至少一組至少二個減小直徑滾子，由此使襯套在應力下產(chǎn)生外徑小于足以能使襯套任意穿入管子內(nèi)徑，此時襯套直徑減小的變形量低于襯套聚合材料彈塑性范圍的上限，同時把襯套牽入管子中。(3)在管線的管子中固定襯套的同時保持襯套上的拉力。(4)釋放襯套上的拉應力，驅(qū)動至少一組所述的滾子使其足以保持所述的襯套在鑲襯過程中維持襯套處于直徑減小狀態(tài)所需拉應力并且使該拉應力小于襯套的合成聚合材料的拉伸屈服極限值。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的方法，其特征是所述的襯套的外徑比管子的內(nèi)徑大大約1.0%至3.0%。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1至3所述的方法，其特征是所述的襯套通過多組減小直徑滾子。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1至4中任意一項所述的方法，其特征是所述的減小直徑滾子組包括至少三個滾子。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1至5中任意一項所述的方法，其特征是所述的滾子組包括兩個單獨的滾子，這兩個滾子的滾壓表面呈凹面狀，從橫截面看滾壓表面基本上呈半園形。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1至6中任意一項所述的方法，其特征是所述的每組滾子各包括四個滾子。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的方法，其特征是所述的減小直徑滾子包括至少兩組滾子組。
9.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的方法，其特征是所述的減小直徑滾子包括至少三組滾子組。
10.根據(jù)權(quán)利要求
1至9中任意一項所述的方法，其特征是所述的襯套其橫截面呈園形。
11.根據(jù)權(quán)利要求
1至10中任意一項所述的方法，其特征是對所述的管線的管子進行鑲襯操作時溫度范圍是從大約-10℃至+30℃。
12.根據(jù)權(quán)利要求
1至11中任意一項所述的方法，其特征是軸向應力足夠保持襯套處在直徑減小狀態(tài)。
13.根據(jù)權(quán)利要求
1至12中任意一項所述的方法，其特征是管子的直徑在50毫米至200毫米之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求
1至13中任意一項所述的方法，其特征是在減小直徑過程中，襯套直徑的減小不能超過20%。
15.根據(jù)權(quán)利要求
1至14中任意一項所述的方法，其特征是所述的滾子被驅(qū)動的速度應足以把所述的襯套以至少為8米/分的速度鑲襯。
16.根據(jù)權(quán)利要求
1至15中任意一項所述的方法，其特征是所述的襯套直徑減小狀態(tài)的保持，由管子內(nèi)的液體壓力產(chǎn)生的徑向壓縮應力來實現(xiàn)。
17.根據(jù)權(quán)利要求
1至16中任意一項所述的方法，其特征是允許襯套直徑減小狀態(tài)保持的時間不能超過兩小時。
18.根據(jù)權(quán)利要求
1至17中任意一項所述的方法，其特征是所述的滾子由變速驅(qū)動裝置來驅(qū)動。
19.根據(jù)權(quán)利要求
18所述的方法，其特征是所述的變速驅(qū)動裝置是液壓馬達。
20.根據(jù)權(quán)利要求
1至19中任意一項所述的方法，其特征是所述的合成聚合物襯套的聚合材料是聚乙烯。
21.根據(jù)權(quán)利要求
20所述的方法，其特征是所述的聚合材料是高密度聚乙烯。
22.根據(jù)權(quán)利要求
1至19中任意一項所述的方法，其特征是所述的合成聚合物襯套的聚合材料是聚酰胺。
23.用于向管線的管子中鑲襯管狀合成聚合物襯套的設備，其特征包括(1)用于把所述襯套在任意可變控制速度下牽引入所述管子的裝置。(2)至少一組具有至少兩個滾子的滾子組，該滾子組適于把所述襯套的直徑減小5%至20%，所述的滾子適合于同所述管子的一端定位裝配。(3)用于控制所述滾子線速度的裝置，以便使襯套上的拉應力保持小于所述合成聚合物的拉伸極限值。
24.根據(jù)權(quán)利要求
23所述的設備，其特征是所述用于控制所述滾子線速度的裝置由液壓馬達來驅(qū)動。
25.一種應用權(quán)利要求
1至22的方法所制成的鑲襯好的管子。
專利摘要
公開了一種方法，使用該方法通過把合成聚合物襯套牽引拉過對正了的減小直徑滾子而使硬質(zhì)管狀合成聚合物襯套鑲襯到管子中去。襯套被牽引拉過對正了的減小直徑滾子后就可以使得襯套在直徑減小應力作用下外徑減小到比管子的內(nèi)徑還小，這樣襯套在處于直徑減小狀態(tài)下很容易被牽拉進管子中，隨后釋放襯套上的應力，允許襯套膨脹直到與管子的內(nèi)壁接觸。驅(qū)動滾子的速度應足以保證在襯套上產(chǎn)生的拉應力小于聚合物的拉伸屈服極限。
文檔編號B29C55/22GK87107640SQ87107640
公開日1988年8月3日 申請日期1987年11月4日
發(fā)明者安德魯·戴維·懷曼, 戴爾·艾爾弗雷德·尼爾勒 申請人:杜邦公司加拿大分公司, 聯(lián)合侵蝕顧問公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan