專利名稱：具有至少一個金屬端部件的復(fù)合管以及制造這種管子的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管子，例如立管，根據(jù)所附權(quán)利要求1前序部分所述，其由金屬端部件和主要包括復(fù)合材料的中間段所構(gòu)成。
在美國專利申請No.US2003/0106685A1和US2003/0107186A1以及美國專利6042152，6050612中詳細(xì)敘述了這類的復(fù)合立管。
隨著油和氣的開采與生產(chǎn)不斷向更深水域發(fā)展，立管的重量、成本和可靠性變得越來越重要。
立管用在海上采油平臺上，以從海底把油或者氣傳送到生產(chǎn)平臺。立管可是撓性的或者剛性的。剛性的立管還用作鉆井作業(yè)的導(dǎo)管，其中鉆頭和鉆柱向下通過鉆井立管，以及還用于油井的維護(hù)(維修用立管)。
復(fù)合立管是一種剛性立管，替換當(dāng)今的剛性鋼制立管。復(fù)合立管的主要目的是要減輕重量。也可以用鈦或者鋁制造立管。它們被構(gòu)造為直徑大約4.5″到21″的管子，并且每段的長度為15到27米。每端具有帶密封系統(tǒng)的機(jī)械接頭。通過相互連接一系列的管段來組裝立管。制造的立管的額定壓力達(dá)15000psi(1000巴)并且長度達(dá)10000英尺(3000m)。
復(fù)合立管還具有很高的比強(qiáng)度和比剛度，它們耐腐蝕，具有良好的絕熱性能、優(yōu)越的減振性能以及優(yōu)良的疲勞性能。
原則上，復(fù)合立管的構(gòu)造類似金屬立管，只是接頭之間的管段完全或者部分替換為復(fù)合材料。
本發(fā)明可以用于由碳纖維復(fù)合材料制造的帶有金屬端頭件的所有類型的剛性或撓性立管。然而，本發(fā)明還適合于復(fù)合材料聯(lián)接在金屬部件上的其它類型的管狀部件，例如火箭噴嘴、航空航天部件、螺旋槳機(jī)翼等等。
復(fù)合材料由僅可以承受在一個方向的力的纖維構(gòu)成。因此，復(fù)合材料被構(gòu)造為有軸向和切向交替定向的層。復(fù)合材料在金屬凹槽系統(tǒng)中連接到鋼，該系統(tǒng)稱為金屬一復(fù)合材料界面(Metal to CompositeInterface)或者M(jìn)CI。
當(dāng)今構(gòu)造這些管子的方式是，將金屬端部件連接在薄金屬管的任何一端。這是相對較低強(qiáng)度的金屬管，并且主要是要作為通過管子運(yùn)輸?shù)牧黧w和外側(cè)復(fù)合材料之間的屏障。隨后將軸向碳纖維從一個金屬端部件中的相應(yīng)溝槽鋪設(shè)到另一個金屬端部件中的相應(yīng)溝槽。如果在每個端部件中具有幾個溝槽，將首先在兩個端部件中的相距最近的溝槽底部之間鋪設(shè)軸向碳纖維。隨后在這些溝槽的周向上鋪設(shè)碳纖維，直到溝槽被填滿。接下來，將在每個端部件中相距更遠(yuǎn)的那些溝槽之間鋪設(shè)軸向碳纖維，并在周向上填滿溝槽。持續(xù)如此，直到所有溝槽都充滿復(fù)合材料。軸向方向上鋪設(shè)的碳纖維可以在施加之前用環(huán)氧樹脂或者其它樹脂潤濕，從而形成所謂的預(yù)浸料坯。溝槽中周向上鋪設(shè)的碳纖維用于鎖緊軸向碳纖維，因此防止它們在制造的過程中滑出溝槽。
這種復(fù)合管可以承受大的軸向力。然而，希望增加這種管子的軸向斷裂強(qiáng)度，特別是如果可以增加強(qiáng)度而不造成管子重量和/或壁厚的任何大的增加。本發(fā)明提供了斷裂強(qiáng)度的相當(dāng)大的增加，而不必增加重量或尺寸。本發(fā)明還提供了降低重量和/或壁厚同時保持?jǐn)嗔褟?qiáng)度的機(jī)會。
現(xiàn)在將參考附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明，其中

圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)造的復(fù)合管；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合管；圖3示出了圖1中已知管子的細(xì)節(jié)；圖4示出了圖2中本發(fā)明管子的細(xì)節(jié)；圖5示出了圖1中已知管子中一部分的負(fù)荷分配；圖6示出了圖2中本發(fā)明管子一部分的負(fù)荷分配。
圖1中已知的管子包括內(nèi)金屬管子1，其第一端與金屬端部件2相聯(lián)接，并且其第二端與金屬端部件3相聯(lián)接。每個端部件分別包括螺紋部分4和5，其可以另外聯(lián)接在螺紋件上從而連接其它管子或者設(shè)備。示出的螺紋部分4、5都是內(nèi)螺紋。這是由于該管子是用于試驗?zāi)康?圖2的管子也是)。要用于立管中的管子將會在一端具有內(nèi)螺紋，而在另一端具有外螺紋。
各個端部件2、3分別具有至少一個溝槽6和7。端部件2、3最靠近內(nèi)管1的部分分別具有錐部8和9。內(nèi)管1的外面，在徑向方向上，構(gòu)造有外管10，其包括環(huán)氧樹脂或其它樹脂模具中的碳纖維。外管10大致具有縱向的碳纖維11和大體在外管10周向布置的碳纖維12。
現(xiàn)在參考圖3，其詳細(xì)示出了圖1中管子的第一端部件2處的細(xì)節(jié)。如圖中可以看到，已經(jīng)鋪設(shè)了縱向的碳纖維11，其從溝槽6的底部13延伸，沿著溝槽6的側(cè)面14向上并繼續(xù)沿著內(nèi)管1向下。這些碳纖維延伸到另一端部件2中的相應(yīng)溝槽7的底部，在那里它們以類似的方式鋪設(shè)。隨后對溝槽填充在管子周向延伸的碳纖維12，從而將縱向的碳纖維11鎖在溝槽6中。有利地，這些周向纖維還沿著外管10整個長度繞著外管10的外面纏繞。另外，可以在金屬部件之間即內(nèi)管1和端部件2、3之間提供例如由橡膠制造的薄膜。其作為汽障。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的管子。該管子也包括內(nèi)管1、分別具有溝槽6和7的兩個端部件2和3。這里還具有鋪設(shè)在內(nèi)管1之外以及部分地在端部件2和3之外的縱向碳纖維11和周向纖維12。在該管子和圖1中已知的管子之間僅僅有一個小差別，該差別在圖4中最佳示出，其示出了管子第一端部件2處的截面。這里在溝槽6的底部也鋪設(shè)了縱向纖維11。然而，它們不是沿著側(cè)面14鋪設(shè)。相反，在側(cè)面具有中間層15，其優(yōu)選包括環(huán)氧樹脂或其它樹脂模中的周向碳纖維。這樣會使得縱向的纖維11與側(cè)面14間隔開。該中間層使得對于縱向的纖維11外面的周向纖維12的需要降低，從而使得材料的總消耗沒有變化。在這種情況下，中間層15的厚度為10mm。適合的厚度取決于溝槽的尺寸，因此大的溝槽將會要求更厚的中間層。適合的厚度將可能在2mm到25mm的范圍之內(nèi)，最可能是在5到20mm的范圍之內(nèi)。
已證明，在側(cè)面14上的這種中間層對于軸向斷裂強(qiáng)度有重要的影響。內(nèi)徑為10″(大約25cm)并根據(jù)圖1構(gòu)造的管子，與根據(jù)圖2構(gòu)造的具有相同尺寸的管子進(jìn)行比較試驗，通過軸向拉伸管子直到發(fā)生斷裂。兩個管子具有相同量的縱向碳纖維以及相同量的周向纖維。唯一的差別是有些周向纖維已經(jīng)在溝槽6中側(cè)面14處布置在縱向纖維之內(nèi)，在溝槽7中也類似，而不是布置在縱向纖維之外。
結(jié)果如下根據(jù)圖1的常規(guī)結(jié)構(gòu)的管子在2215kN力的作用下斷裂。
具有根據(jù)圖2的中間層的根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的管子在3131kN力的作用下斷裂。
兩個管子都具有大致為線性的力梯度，直到斷裂。然而，斷裂強(qiáng)度的差別達(dá)到41％。
圖5示出了等壓線表示的剪應(yīng)力圖形。它示出了根據(jù)圖1的普通結(jié)構(gòu)的管子在張力作用下的典型情況。在圖中可以看到溝槽6的底部13和側(cè)面14。在從底部13到側(cè)面14過渡的區(qū)域16中，以及在靠近側(cè)面14頂部的區(qū)域17中，可以看到等壓線的間隔非常緊密。這表示在這些區(qū)域中具有高應(yīng)力集中，因為在鋼和復(fù)合材料開始接合時鋼和復(fù)合材料之間的接觸壓力梯度很陡。縱向纖維通過這些區(qū)域16和17(從沿著纖維11的稍微更高的應(yīng)力集中可以看出纖維11的布置)，因此受很高的應(yīng)力。
圖6示出了在例如圖2所示的根據(jù)本發(fā)明管子在張力作用的典型情況下用等壓線表示的應(yīng)力圖形。這里也可以看到溝槽6的底部13和側(cè)面14。從區(qū)域18中稍微更高的應(yīng)力集中可以辨別出縱向纖維11的布置。然而，該區(qū)域18在絕對具有最高應(yīng)力集中的區(qū)域16和17之外。因此，縱向纖維11不承受這些高應(yīng)力。隨著管子中的張力增加，區(qū)域16和17的范圍和應(yīng)力強(qiáng)度也將會增加。然而，在這些應(yīng)力區(qū)域達(dá)到使縱向纖維11過載的范圍和應(yīng)力強(qiáng)度之前會有比較長的時間。
通過沿管子周向在側(cè)面14上鋪設(shè)樹脂潤濕纖維網(wǎng)(所謂的預(yù)浸料坯)而建立中間層15。預(yù)濕的結(jié)果是使得網(wǎng)粘在一起，從而在一定程度上粘著到端部件2、3。有利地，在管子旋轉(zhuǎn)的過程中進(jìn)行施加。在中間層15形成之后，施加縱向纖維12。在這種情況下管子可以非常慢地旋轉(zhuǎn)，同時纖維送進(jìn)器在縱向上快速移動。作為選擇，軸向纖維可以以預(yù)浸網(wǎng)的形式施加。然后在周向上鋪設(shè)更多的纖維，不僅在溝槽6和7中而且在溝槽6和7之間的管子其余部分上。
圖中和文中都涉及在每個端部件中有一個溝槽。當(dāng)然可以使用幾個溝槽。就此而言，每個端部件采用的溝槽多達(dá)6個。在這種情況下，纖維將首先鋪設(shè)在距離端部件自由端最遠(yuǎn)的溝槽中，然后鋪設(shè)到下一個最遠(yuǎn)的溝槽中，依此類推。盡管很有利的是在距離端部件自由端最遠(yuǎn)的溝槽的所有側(cè)面上施加中間層，但是只在一個或者一些側(cè)面上布置這樣的中間層也將會有助于實現(xiàn)斷裂強(qiáng)度的增加。
上述涉及的是將碳纖維用于構(gòu)造復(fù)合管。然而，對于由其它類型纖維構(gòu)造的管子也可以增加斷裂強(qiáng)度，例如玻璃纖維和芳族聚酰胺纖維。因此本發(fā)明也可以用于那些被視為是理想的或合適的生產(chǎn)完全或部分由其它類型纖維制成的管子或者管狀部件的情況。
權(quán)利要求
1.一種具有至少一個帶自由端的金屬端部件和非金屬管狀部件的復(fù)合管，其中非金屬管狀部件通過與至少一個周向延伸、軸向作用的溝槽接合而被在與所述至少一個端部件自由端相反的端部聯(lián)接到該至少一個端部件，非金屬管狀部件大致包括向下延伸進(jìn)入該至少一個溝槽的軸向纖維，該溝槽具有底部和側(cè)面，并且該側(cè)面距離所述端部件自由端最遠(yuǎn)，其特征在于，在所述側(cè)面和軸向纖維之間設(shè)置有中間層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)合管，其特征在于，當(dāng)管子在張力作用下的時候，中間層的厚度使得軸向纖維遠(yuǎn)離所述側(cè)面附近的一個或幾個特別高應(yīng)力集中的區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的復(fù)合管，其特征在于，中間層的厚度在2和25mm之間，優(yōu)選在5和20mm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2的復(fù)合管，其特征在于，中間層包括比端部件材料更軟的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的復(fù)合管，其特征在于，中間層包括大致在管子周向延伸的纖維。
6.根據(jù)前面任何一項權(quán)利要求的復(fù)合管，其特征在于，軸向纖維可能還有中間層包括碳纖維，并且纖維可選擇地在環(huán)氧樹脂或者其它的樹脂模中潤濕。
7.根據(jù)前面任何一項權(quán)利要求的復(fù)合管，其特征在于，在軸向纖維外面具有纖維，這些纖維大致在管子的周向延伸，這會使得所述至少一個溝槽中的軸向纖維被鎖定。
8.一種制造具有至少一個帶自由端的金屬端部件和非金屬管狀部件的復(fù)合管的方法，其中非金屬管狀部件通過與至少一個周向延伸、軸向作用的溝槽接合而被在與所述至少一個端部件自由端相反的端部聯(lián)接到該至少一個端部件，該溝槽具有底部和側(cè)面，并且該側(cè)面距離所述端部件自由端最遠(yuǎn)，其特征在于，在所述側(cè)面施加中間層，隨后沿著溝槽的底部并沿著中間層鋪設(shè)軸向纖維，并且隨后沿管子的周向在軸向纖維的外面纏繞纖維。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，通過沿著該側(cè)面的周邊纏繞纖維來提供中間層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的方法，其特征在于，所述纖維是在施加之前已經(jīng)在環(huán)氧樹脂或者其它樹脂模中潤濕過的碳纖維。
全文摘要
一種具有至少一個帶自由端的金屬端部件(2，3)以及非金屬管狀部件(10)的復(fù)合管。非金屬管狀部件(10)通過與至少一個周向延伸、軸向作用的溝槽(6，7)接合而被在與所述至少一個端部件(2，3)的自由端相反的端部聯(lián)接到該至少一個端部件(2，3)。非金屬管狀部件(10)大致包括向下延伸進(jìn)入所述至少一個溝槽(6，7)中的軸向纖維(11)。溝槽(6，7)具有底部(13)和側(cè)面(14)，該側(cè)面距離端部件(2，3)的自由端最遠(yuǎn)。在側(cè)面(14)和軸向纖維(11)之間提供了中間層(15)。還敘述了這種復(fù)合管的制造方法。
文檔編號F16L47/00GK101027454SQ200580032537
公開日2007年8月29日 申請日期2005年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月27日
發(fā)明者B·保爾舒斯, T-O·卡爾森, T·斯拖海于格, J·M·約翰森 申請人:阿克·夸爾納海底公司