專(zhuān)利名稱(chēng)：高壓纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在鄰近的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管的管件之間的接頭，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管適合與普通的纖維玻璃管、高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料管或與含有埋置的鋼帶的高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)管一起使用。
發(fā)現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管在管線中裝著腐蝕材料或管線埋或放在海底或在受到外腐蝕環(huán)境處有重要的用途。已發(fā)展了制造承受高內(nèi)壓的纖維增強(qiáng)管。例如，至目前，典型的高壓管有10cm的公稱(chēng)直徑及約600bar的內(nèi)爆裂壓力。最近，具有20cm公稱(chēng)直徑的纖維增強(qiáng)高壓管有約1200bar爆裂壓力的額定值。
這種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管，當(dāng)用玻璃纖維增強(qiáng)，可有壁厚為5cm的量級(jí)，這明顯地使其成本高及重量重?，F(xiàn)時(shí)發(fā)展了另一種高壓管的變型，它包括螺旋繞的鋼帶埋在纖維增強(qiáng)樹(shù)脂中。這種實(shí)施例有如此好的強(qiáng)度使得對(duì)于25cm公稱(chēng)直徑的管，壁厚小至7mm。例如，在US4351364中公開(kāi)了一種這樣的管。
在這種高強(qiáng)度管中，無(wú)論是纖維繞的或鋼增強(qiáng)的，重要的考慮是鄰近的管之間的接頭或管接頭。管接頭需要有圓周爆裂強(qiáng)度至少與管的基本強(qiáng)度一樣大或最好比其大。更重要的是，接頭必須有足夠的縱向剪切強(qiáng)度以防止管在內(nèi)壓或其它軸向負(fù)載下分開(kāi)。優(yōu)選地，接頭設(shè)計(jì)成有足夠的縱向剪切強(qiáng)度，在管本身斷裂前，它們不會(huì)失效。
由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管與金屬不同，例如有很低的延性，因此纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管的合適的管接頭的設(shè)計(jì)顯著地與金屬的不同。這對(duì)在管接頭中可做什么工作有重要的限制。在一個(gè)通常用粘結(jié)劑充填接頭固定的插承接頭中，粘結(jié)劑的高剛性把高的剪切應(yīng)力放在接頭中的粘結(jié)劑中。應(yīng)力沿接頭的分布是不均勻的。在粘結(jié)劑的端部剪切應(yīng)力相當(dāng)高，是平均應(yīng)力的三倍，并從端部向中間迅速降低。在一個(gè)長(zhǎng)的粘結(jié)接頭中，在接頭中部的剪切應(yīng)力可以近似為零。
在這種搭接剪切接頭中，粘結(jié)劑端的高應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鄰近接頭端的粘結(jié)劑在剪切中失效。這簡(jiǎn)單地把剪切應(yīng)力進(jìn)一步沿接頭傳遞，并有在落在粘結(jié)劑能力中的平均應(yīng)力中逐步失效。
其它纖維增強(qiáng)管的接頭，因?yàn)槔w維增強(qiáng)復(fù)合材料的剛性也帶來(lái)困難。因此要求能提供一種管接頭，能沿接頭的長(zhǎng)度重新分配應(yīng)力來(lái)避免接頭的逐漸失效。優(yōu)選地，接頭具有比遠(yuǎn)離接頭的管壁更高的強(qiáng)度。管接頭應(yīng)該有高的安全極限，也就是失效應(yīng)力大于接頭額定的能力。接頭可在現(xiàn)場(chǎng)條件下方便及經(jīng)濟(jì)地裝配。
因此，按照提出的最佳實(shí)施例，在本發(fā)明實(shí)踐中提供了一種管接頭，在纖維增強(qiáng)管的一端有外圓錐，在管接頭之類(lèi)有匹配的內(nèi)圓錐。例如，圓錐的半錐形角為1°-5°。一個(gè)半槽沿著各內(nèi)外圓錐螺旋地延伸。一個(gè)延性鍵元件沿著兩槽延伸，用來(lái)把外內(nèi)圓錐鎖在一起。
優(yōu)選地，接頭在鄰近鍵元件一端處被一對(duì)相互面對(duì)的表面密封起來(lái)，彈性密封劑在兩個(gè)面對(duì)的表面之間并粘到兩表面上。在鄰近密封劑各縱向端處有一個(gè)彈性體密封環(huán)，當(dāng)密封劑成液體注入及固化前，它擋住密封劑。
優(yōu)選地外接頭鄰近內(nèi)錐形的外接頭的環(huán)形剛性大于鄰近外錐形的管的環(huán)形剛性使得通過(guò)錐形間的摩擦得到接頭的縱向剪切強(qiáng)度的實(shí)質(zhì)分量。通用比內(nèi)管用的材料的彈性模量的更大的彈性模量的纖維增強(qiáng)材料形成管接頭的外部分可得到較高的環(huán)向剛性。
在包括埋在樹(shù)脂中的螺旋繞的鋼帶的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管中，這種管接頭特別是有用的。在這種接頭中，鋼帶端在管接頭內(nèi)，在離管接頭端不同的距離處。
下面通過(guò)附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，附圖中

圖1是一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管接頭的實(shí)例，外接頭以縱剖面示出；圖2是具有埋置的鋼帶的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管接頭的第二實(shí)施例，是部分以縱剖面示出的接頭的內(nèi)部元件的側(cè)視圖；圖3是圖2的管處在遠(yuǎn)離管接頭位置的局部縱剖面圖；圖4是在制造的中間階段，圖2的管的端部的側(cè)視圖；圖5是管接頭鍵元件的一個(gè)實(shí)施例的橫剖面圖6是鍵元件另一實(shí)施例的橫剖面圖。
一個(gè)典型的管接頭具有纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管10的內(nèi)部元件，其是例如一般由用螺旋繞的玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂制成的。雖然有厚壁來(lái)維持高的內(nèi)部壓力，這些管是普通管。有公稱(chēng)直徑為20cm的高壓管壁厚為約5cm。該管靠近其端部有外圓錐11。沿著外圓錐11螺旋地延伸著半圓槽12。(應(yīng)明白在圓錐上的螺旋槽并不是圓柱形螺旋，而是有與圓錐11表面有同樣的錐度并且有均勻的深度貫穿槽的長(zhǎng)度)。
在管的外圓錐上配合著一個(gè)有內(nèi)圓錐14的接頭13，該內(nèi)圓錐與管上的外圓錐匹配。內(nèi)圓錐也有半圓槽16，具有與管上的槽同樣的節(jié)距。在本說(shuō)明書(shū)中，管接頭組合中的外元件稱(chēng)為“管接頭”，因?yàn)檫@是管接頭的通常實(shí)施例?；蛘?，也可制出一端有外圓錐另一端有內(nèi)圓錐的管，那么對(duì)本說(shuō)明書(shū)，具有內(nèi)圓錐的這端稱(chēng)為“管接頭”?！肮芙宇^”可是在管裝配的廣泛變化中的任一種，如閥，法蘭過(guò)渡配合、連軸器等。對(duì)本發(fā)明通常的管的一種類(lèi)型中，在各段管的兩端有外圓錐，相鄰的管段用有兩個(gè)內(nèi)圓錐的短的管接頭連接起來(lái)。
內(nèi)外圓錐用圓形的有延性的鍵元件17連接起來(lái)，其一半分別位于內(nèi)外圓錐的各半圓形槽中。鍵的合適的材料包括尼龍，或類(lèi)似的有延性的，比較強(qiáng)的熱塑性材料。很多應(yīng)用中的優(yōu)選的鍵由高純鋁制成，其有比較高的強(qiáng)度，有延性并且抗腐蝕。鋁的剪切強(qiáng)度為尼龍的兩倍。對(duì)于浸在水中的應(yīng)用鋁是合乎需要的。在暴露于水中時(shí)尼龍有膨脹的傾向。
如圖5所示，另一種合適的鍵可以通過(guò)把柔性的鋼芯18埋在如尼龍之類(lèi)的有延性的塑性套19的層中而制成。鋼芯可以是單線或是多股線擰成纜索以有更大的柔性。在這個(gè)實(shí)施例中，外塑料套提供了對(duì)鍵重要的延性，而鋼提供了剪切強(qiáng)度。相信緊密地把金屬芯埋在塑料套中沒(méi)有氣泡或孔洞是重要的。
如圖6所示，鍵的另一個(gè)實(shí)施例可以是比高純鋁更強(qiáng)的空心金屬管，如不銹鋼管。剪切強(qiáng)度由金屬提供，而延性由管壁21切出螺紋提供。通過(guò)選擇材料及管的壁厚可得到要求的延性及剪切強(qiáng)度。
優(yōu)選地，鍵的剪切強(qiáng)度小于纖維增強(qiáng)管接頭這一半的剪切強(qiáng)度的一半使變形在鍵發(fā)生并避免會(huì)使纖維增強(qiáng)復(fù)合材料失效的負(fù)荷。
圓鍵是優(yōu)選的，因此管接頭中的槽也是圓的。這減小了在非延性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的應(yīng)力集中。另外，圓鍵可平滑地繞在沿錐形表面延伸的螺旋槽中。具有非圓形橫截面的鍵繞在圓錐的螺旋中會(huì)扭曲，并需要變形以便平滑地放在槽中。
可以給定這種管接頭的一些尺寸以便提供比例的概念。對(duì)具有公稱(chēng)內(nèi)徑為約20cm的管，管接頭的總長(zhǎng)度為約48cm。在錐形表面中槽的節(jié)距為約2.6cm。使槽足夠長(zhǎng)的容納鍵的13整圈繞著圓錐，鍵的直徑為約7.5mm。
管接頭的一個(gè)重要尺寸是接頭中的錐形角。圓錐的半錐形角是與圓錐的軸夾1-5°下面會(huì)解釋。在接頭中的摩擦提供了接頭中的總剪切強(qiáng)度的重要部分。如果半錐形角大于約5°，接頭變得太短不能容納足夠的鍵的圈數(shù)，及不能提供足夠的摩擦。如果半錐形角小于約1°，接頭變得不合理地過(guò)長(zhǎng)，難以在內(nèi)外錐形上保持合適的尺寸公差。要求一個(gè)相對(duì)小的尺寸公差以減小在裝配的接頭中軸向長(zhǎng)度的偏差。
在把管接頭繞在心軸上過(guò)程中形成內(nèi)圓錐及槽，尺寸有好的控制。外圓錐和槽機(jī)加工出，可方便地維持兩零件之間的尺寸公差在小于±250μm的范圍內(nèi)。對(duì)直徑偏差，圓錐形比圓柱面更能容忍。通過(guò)軸向移動(dòng)，可得到配合的圓錐之間的緊配合，而圓柱接頭必須有更嚴(yán)格的公差以得到緊密配合。
優(yōu)選地，圓錐的半錐形角在2°-4°范圍內(nèi)。已發(fā)現(xiàn)對(duì)于用尼龍鍵的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管4°的半錐形角相當(dāng)合適。典型的接頭長(zhǎng)度可為管直徑的1到1.5倍。高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)管可以有足夠的壁厚使需要高到4°到5°的錐形角以延伸適合的距離通過(guò)管壁的厚度。
雖然對(duì)所有的纖維增強(qiáng)管，4°的半錐形角是合適的，但是具有埋置的鋼帶的纖維增強(qiáng)管(下面要詳細(xì)說(shuō)明)最好用低到2°的錐形角。這種鋼增強(qiáng)的管可用比僅用纖維玻璃制的管更薄的管壁，和低的錐形角是足夠的。可以注意到較高的錐形角是優(yōu)選的，它使得移出用于繞裝置的內(nèi)工具，如一端具有內(nèi)錐形的肘管更方便。對(duì)較大的錐形角制造管接頭要求的尺寸公差也較松。
首先把延性的鍵繞在內(nèi)圓錐的半圓形槽中可裝配管接頭。一個(gè)直的尼龍鍵當(dāng)它放在位及方便地裝在槽中，在錐形內(nèi)要向外彈。一個(gè)鋁鍵可以繞在心軸上，其直徑比內(nèi)圓錐大一點(diǎn)。當(dāng)鍵擰入圓錐中，鍵裝配入槽中。
然后外圓錐插在內(nèi)圓錐上，并且轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)或另一個(gè)元件把接頭擰在一起，管及接頭擰在一起直到圓錐緊密地接合。
在圓錐管接頭中的鍵不提供流體密封。在管上的外密封面22及接頭內(nèi)的面對(duì)著的內(nèi)密封面23之間加上由粘性的彈性密封條提供的密封層(太薄在圖1中不能示出)。在所示的實(shí)施例中，密封面有與形成機(jī)械管接頭的圓錐面上設(shè)的4°的半錐形角同樣的錐形。
鄰近管端跨過(guò)密封面的一對(duì)圓周的O形圓槽24容納彈性體的O形圈26，它密封對(duì)著在接頭中的面對(duì)的密封面。在接頭裝配后，液體密封劑可通過(guò)穿過(guò)管接頭壁的一對(duì)通道中的一個(gè)注入。第二通道用作通氣口，并指示什么時(shí)候密封劑已充滿密封面之間的空間。O形圈也用作在環(huán)形密封空間中密封劑一端的阻尼器以減少剪切應(yīng)變及保持密封劑不被從面對(duì)的表面剪切掉。
優(yōu)選的密封劑包括兩成分熱固聚硫化物。這是比較低成本的，能抗溫度變化及溶劑的樹(shù)脂，能很好粘到表面，即使是濕的時(shí)候。通過(guò)選擇激活劑等，樹(shù)脂的適用期可調(diào)整以提供密封劑固化前對(duì)密封的檢查及重新工作。另一種合適的密封劑是氟化的硅樹(shù)脂。彈性體聚氨酯樹(shù)脂也可使用。
在面對(duì)的表面之間密封劑典型的厚度是0.75mm。在本實(shí)施例中O形圈之間密封表面的長(zhǎng)度為約3.9cm，雖然在接頭的兩個(gè)半件上的圓錐最好更長(zhǎng)以保證接頭裝配時(shí)，通道27在O形圈之間。
在說(shuō)明管接頭的作用前先說(shuō)明在圖2-4中示出的管接頭的第二實(shí)施例。在該實(shí)施例中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管也包括埋在繞著的纖維增強(qiáng)物中的多個(gè)螺旋纏繞的鋼帶。這種管的帶管接頭的一端在圖2示出，其中一部分以縱剖面示出。圖3是管壁的局部縱剖面圖，已明顯放大以示出細(xì)節(jié)。圖4示出管的制造中間階段中的管端。圖中好象管的一些外層已剝?nèi)ァ?br> 除了尺寸及幾何形狀與圖2所示的管接頭一半的外部尺寸相配合外，管接頭的一半與圖1所示的管接頭類(lèi)似的內(nèi)圓錐的管接頭(未示出)配合。
管的長(zhǎng)度的主要部分，也就是遠(yuǎn)離管接頭處的部分包括四根鋼帶31。鋼帶太薄不能在圖2中以剖面示出，但在圖3中以局部剖面示出。在有公稱(chēng)直徑為25cm的舉例的實(shí)施例中，有螺旋地繞在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的四根鋼帶。各帶為10-15cm寬，厚度為約0.5mm。帶螺旋地繞，其邊緣很接近，典型的為2mm或更小。接續(xù)的帶交錯(cuò)著，使得帶的邊緣之間的間隙30不對(duì)齊。在各鄰近的鋼帶的對(duì)之間有薄層環(huán)氧樹(shù)脂(約50μm)。在最里面的鋼帶的里面，有厚度為約2.5mm的玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧層33。在管的外壁，鋼帶的外面，有厚度為約1.5mm的另一層玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧層34。因此，鋼帶完全埋在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中。
圖4示出管的一端，外層已剝?nèi)?，示出纖維增強(qiáng)復(fù)合材料最內(nèi)層33和螺旋繞著的鋼帶31的最內(nèi)層。鋼帶的端部以帶繞制的螺旋角切去使得切邊與管端36平行。在帶端的其它尖點(diǎn)也同樣切去。在纏繞時(shí)靠近接收一工具銷(xiāo)(未示出)以?shī)A住帶端的這端，帶的中心線附近有一孔37。在繞上鋼帶層后，一個(gè)圓周纏繞的玻璃粗紗38繞在鋼帶的端部以把它固定就位，再加上后面的鋼帶及纖維增強(qiáng)塑料的外層。
下面的搭上的鋼帶以同樣的螺旋角及同樣的纏繞方向螺旋形繞上。但是，搭接的鋼帶端在離管端比最內(nèi)層更長(zhǎng)的距離處切去。這用圖2中加粗的黑線示出，在離管端接續(xù)的更大距離處，其寬度增加。圖的比例太小，不能示出單根的帶及剖面。通過(guò)把連續(xù)的鋼帶的端部交叉，負(fù)載在管端分布在相當(dāng)一段距離上，而不是在單一位置上，在該處壓力或其它負(fù)載會(huì)有應(yīng)力集中而損壞管。
也應(yīng)注意所有的鋼帶端在離管端一段距離處，使鋼帶完全埋在纖維增強(qiáng)樹(shù)脂中。周?chē)沫h(huán)氧把鋼與會(huì)出現(xiàn)在管的內(nèi)外的腐蝕介質(zhì)隔開(kāi)。
在一個(gè)舉例實(shí)施例中，各鋼帶寬約10cm，最里面的鋼帶端離管端2.5cm。各接續(xù)的鋼帶的端在遠(yuǎn)離管端約5cm，或鋼帶寬度的一半處。
在繞上纖維增強(qiáng)樹(shù)脂的內(nèi)外層及埋置的鋼帶后，管接頭的一半在管端加到這些層上。被樹(shù)脂濕潤(rùn)的玻璃纖維粗紗的附加層繞在管外以建立足夠的厚度以便對(duì)管接頭的最終幾何尺寸進(jìn)行機(jī)加工。典型地，纖維以約70°-80°的螺旋角繞著，一些外面的繞圈是圓周形的。在一個(gè)公稱(chēng)管徑為25cm的舉例實(shí)施例中，要制接頭部分的繞上的玻璃纖維的最厚部分的直徑高到34cm。加上的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料端41在繞制過(guò)程中或在完成繞制后通過(guò)機(jī)加工，逐漸成羽狀到管的主段的小直徑。使端部成羽狀減小了靠近接頭處的應(yīng)力集中。
管接頭具有外圓錐面42，有一半圓槽螺旋形地沿其長(zhǎng)度延伸。錐形有4°的半錐形角。在公稱(chēng)管徑為25cm的舉例性實(shí)施例中，要與接頭的內(nèi)圓錐接合的圓錐的長(zhǎng)度至少為25cm，優(yōu)選的為26或27cm。槽的節(jié)距約3cm，得到足夠的槽長(zhǎng)以容納延性的鍵的六個(gè)整圈。典型的鍵的直徑為約9.5mm。
如上面在沒(méi)有埋置鋼帶的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管的實(shí)施例中，靠近管端超過(guò)鍵槽的端部有一個(gè)密封面46。密封面在O形圈槽47之間，在密封劑泵入靠近密封面的空間中時(shí)擋住密封劑。
對(duì)在接頭中實(shí)施大的縱向負(fù)載，一些管接頭的特點(diǎn)是重要的。這些包括使用延性的鍵在脆性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中沿著接頭的長(zhǎng)度重新分配負(fù)載；沿著錐形面放置鍵使得有多個(gè)單個(gè)的剪切層而不是在脆性材料中把所有的負(fù)載傳送在一個(gè)單一的層中；一個(gè)圓鍵及鍵形的槽以減少脆性材料中的應(yīng)力集中；明顯地放大了鍵提供的承受負(fù)載能力的管接頭的摩擦致動(dòng)；及與承受機(jī)構(gòu)負(fù)載的結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)地密封接頭的裝置。
纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂管有很小的延性。如果制造在粘結(jié)劑粘結(jié)的纖維玻璃管的段之間的插承結(jié)合接頭，剪切負(fù)載不均勻地從硬的膠粘體傳到延性的粘接劑。已經(jīng)看到在粘接端有很高的剪切負(fù)載，它隨著距離明顯減弱。高的剪切負(fù)載引起粘結(jié)的逐漸失效，和接頭的失效。帶有延性鍵的錐形接頭通過(guò)沿著管接頭的長(zhǎng)度重新分布負(fù)載而避免了該問(wèn)題。
在接頭端的剪切應(yīng)力的部分取決于接頭的長(zhǎng)度。一個(gè)長(zhǎng)的接頭顯示端部應(yīng)力比沿著接頭長(zhǎng)度的平均應(yīng)力更高。短接頭有更均勻的剪切應(yīng)力?？煽紤]延性的螺旋鍵把長(zhǎng)接頭分成多個(gè)短接頭，各短接頭在端部有更小的應(yīng)力集中。另外，一部分鍵的塑性剪切失效并不擴(kuò)展到下一圈鍵。
當(dāng)增加的縱向負(fù)載施加到管接頭上，它影響到第一圈鍵，其影響與下面的幾圈的鍵相比是一個(gè)主要部分。當(dāng)在第一圈負(fù)載超過(guò)鍵的剪切強(qiáng)度，它成剪切變形，附加的負(fù)載施加到下一圈鍵。延性鍵沿著接頭的長(zhǎng)度逐漸變形，因而沿著接頭的長(zhǎng)度重新分配應(yīng)力。結(jié)果，得到了非延性管的延性螺紋的好處。
在一個(gè)試驗(yàn)中，對(duì)一個(gè)管接頭加壓直到發(fā)現(xiàn)初期的失效。第一圈鍵顯示有剪切塑性變形，沿著鍵的長(zhǎng)度變形逐漸減小。這種變形使在鍵的全長(zhǎng)或大部分長(zhǎng)度上應(yīng)力重分布以達(dá)到合理的均勻應(yīng)力。因此，在非延性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的延性鍵沿著接頭的全長(zhǎng)重新分布縱向負(fù)載。因?yàn)榧尤肓随I的接續(xù)的圈的剪切面積以承受負(fù)載，避免了鍵的第一圈的高應(yīng)力。在一個(gè)搭接的剪切接頭中，在接頭端的剪切負(fù)載可以是平均剪切負(fù)載的三倍以上。這里說(shuō)的尼龍螺旋鍵在第一圈上的剪切負(fù)載約比鍵的平均剪切負(fù)載大約30％。因此在各圈上，或螺旋鍵的至少大部分圈上承受著一部分縱向負(fù)載。
通過(guò)應(yīng)用所謂的可變節(jié)距螺紋而在螺紋接頭中減小了在負(fù)載端很高的應(yīng)力。各螺紋圈與上一圈有不同的節(jié)距使得當(dāng)預(yù)定的縱向負(fù)載拉伸螺紋件時(shí)，螺紋均勻地嚙合，應(yīng)力沿螺紋的主要部分分布而不是集中在端部。例如這種安排用在炮筒的后膛單元。
在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管接頭中的延性“螺紋”起到負(fù)載重分配的作用，有點(diǎn)類(lèi)似可變的節(jié)距螺紋，但沒(méi)有可變節(jié)距螺紋的高成本及精密機(jī)加工。在管接頭中的槽的節(jié)距沿著接頭的長(zhǎng)度是均勻的，但是延性鍵不均勻地變形，因此沿著接頭長(zhǎng)度的主要部分再分配負(fù)載。因此，鍵的全部剪切面積(在圓錐部分交界處鍵的橫截面積)承受載荷。因此接頭的承受壓力能力由鍵材料的已知強(qiáng)度和可變的剪切面積確定。
當(dāng)施加壓力時(shí)，管接頭的縱向應(yīng)變可測(cè)量。已發(fā)現(xiàn)隨著壓力增加到一定的極限，接頭長(zhǎng)度有線性的增加，超過(guò)此極限，是非線性的增加。但是在該線性在內(nèi)釋放壓力，接頭長(zhǎng)度減小，僅部分回到原始尺寸。
可能是要求的“延性”是相對(duì)于剛性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料容納可觀的彈性變形的軟度或低彈性模量，及塑性變形(通常稱(chēng)為“延性”)的結(jié)合。因此，這里用的術(shù)語(yǔ)“延性”包括軟的柔性材料，如尼龍，高純鋁及它們的等同物。
另外，關(guān)于鍵的強(qiáng)度，接頭的縱向強(qiáng)度通過(guò)由于負(fù)載轉(zhuǎn)移通過(guò)管接頭交界處在圓錐之間的摩擦而增加。這可以是接頭總的負(fù)載承受能力的一實(shí)質(zhì)部分。事實(shí)上，接頭的摩擦致動(dòng)可以貢獻(xiàn)延性鍵的負(fù)載承受能力一樣多或更多。為了增加摩擦致動(dòng)，外接頭的圓周或環(huán)向剛性至少與插入接頭中的管上的接頭這一半的剛性一樣大。優(yōu)選地，接頭的環(huán)向剛性至少為管的環(huán)向剛性?xún)杀丁?br> 通過(guò)用鋼之類(lèi)具有比玻璃增強(qiáng)環(huán)氧有更高的彈性模量的材料制成接頭，可使接頭的環(huán)向剛性更大。鋼的模量為約20×105kg/cm2，而玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧的模量為約2.5×105kg/cm2。但是，一般優(yōu)選地是避免鋼接頭，而使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
通過(guò)增加壁厚可提高接頭的剛性。剛性是制造接頭的材料的壁厚和環(huán)向或圓周彈性模量。但是優(yōu)選地，通過(guò)使用比典型地用在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管中的玻璃增強(qiáng)環(huán)氧有更高的彈性模量的材料來(lái)保持接頭比較小。
通過(guò)用碳或石墨纖維繞接頭可以得到高的剛性接頭。這種碳纖維在環(huán)氧中的復(fù)合材料的模量在7×105量級(jí)。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，接頭靠近具有通常螺旋角的內(nèi)部分繞有玻璃或碳纖維以得到要求的縱向或圓周強(qiáng)度的部分。一當(dāng)?shù)玫阶銐虻目v向強(qiáng)度，在環(huán)氧樹(shù)脂中碳或玻璃纖維可以螺旋角70°-90°繞以建立附加的環(huán)向剛性。
另外，通過(guò)繞高拉伸強(qiáng)度的鋼絲代替碳纖維可增強(qiáng)接頭的剛性。雖然鋼的模量有點(diǎn)低于不貴的碳纖維，用鋼纏繞可以低成本提高接頭總的剛性。這種纏繞可包括鋼帶(類(lèi)似于在管壁中)及鋼“纖維”。在這種實(shí)施例中，鋼完全埋在纖維增強(qiáng)樹(shù)脂中，因而防止腐蝕。
管接頭的摩擦致動(dòng)可通過(guò)推測(cè)接頭是無(wú)限剛性而設(shè)想出。在該情形下，管中整個(gè)內(nèi)壓被接頭承受著，而所有的壓力傳送通過(guò)圓錐的管接頭界面。這樣提供100％可用的摩擦加到鍵的強(qiáng)度上防止接頭的縱向延伸。
另一方面，假定接頭的剛性實(shí)際等于管的剛性。在這一實(shí)施例中，一半的壓力負(fù)載由接頭承受，一半的壓力負(fù)載由管承受。因此50％的總的可用的摩擦加到管接頭的縱向負(fù)載承受能力上。
如果接頭的剛性是管的剛性的兩倍，三分之二的負(fù)載由接頭及三分之一的負(fù)載由管承受。由于三分之二的壓力負(fù)載傳送通過(guò)管接頭界面，加到鍵的強(qiáng)度上的摩擦對(duì)無(wú)限剛性接頭是66％的總的理論值。
除了增加接頭的剛性，還可以通過(guò)增加接頭的長(zhǎng)度增加由摩擦承受的負(fù)載份量。普通技術(shù)人員并不認(rèn)為通過(guò)對(duì)給定的負(fù)載增加面積來(lái)增加摩擦。但是這原理不能用在增加管接頭的長(zhǎng)度，因?yàn)榭偟膹较蜇?fù)載不是穩(wěn)定的。在管接頭中，施加在摩擦界面的徑向負(fù)載直接與面積及管接頭中的壓力(及剛性)成正比。因此，隨管接頭更長(zhǎng)，負(fù)載承受能力的摩擦分量指數(shù)地增加。
例如，如果把接頭的長(zhǎng)度及接頭中的鍵的長(zhǎng)度加倍，摩擦面積(及負(fù)載)加倍，鍵的剪切面積也加倍。這意味著用兩倍的縱向負(fù)載剪切鍵，管接頭壓力的額定值(基于鍵剪切)也可以加倍。當(dāng)然，壓力額定值加倍增加了徑向負(fù)載及摩擦的成分。因此，摩擦面積及壓力額定值加倍使摩擦分量增加四倍。
在管和接頭之間的密封在裝配管線時(shí)有特別的優(yōu)點(diǎn)，例如，由于可以檢查密封以確保有好的密封。在管接頭裝配其圓錐接合時(shí)，O形圈之間的空間用氣體加壓以確定O形圈是否已形成一密封。這可以很快驗(yàn)證。隨后把液體的熱固密封劑泵入一個(gè)通道中，相對(duì)的通道作為出氣孔以證實(shí)在O形圈之間的密封空間已充填好了。在密封劑中包括鋇化合物之類(lèi)的不透射線的材料。密封可進(jìn)行X射線檢查以測(cè)出密封劑中的氣泡或孔洞?？捎镁哂械偷墓袒芷诘拿芊鈩┦沟每梢栽诿芊鈩┕袒斑M(jìn)行檢查，而在密封劑仍是液體時(shí)可方便地對(duì)有缺陷的密封層重加工。
這種密封安排也是特別適合放置海底管線或水下其它區(qū)域設(shè)置管線。接頭可在船碼頭裝配、密封及試驗(yàn)，然后在密封劑固化前送到水中。在密封劑固化時(shí)，O形圈保護(hù)密封劑與水隔開(kāi)。
一個(gè)舉例性的密封層在O形圈之間的長(zhǎng)度為2.5cm。在相對(duì)的面之間密封劑的厚度為約0.75mm。O形圈之間的空間的厚度應(yīng)足夠以允許液體密封劑泵入而沒(méi)有太多的背壓。也須足夠使固化的密封劑可容納當(dāng)管接頭加壓時(shí)管接頭的縱向變形的應(yīng)變。實(shí)際上，密封劑的“矩形”變形為平行四邊形，厚度必須足夠容納該應(yīng)變而沒(méi)有超過(guò)密封劑或在密封劑與粘結(jié)劑之間的粘結(jié)連接的剪切強(qiáng)度。在密封劑的各端有彈性體的O形圈減小了端部的高應(yīng)力，及增加了密封劑容納剪切應(yīng)變的能力。管和接頭的相對(duì)的徑向剛性也對(duì)粘結(jié)密封劑的強(qiáng)度有貢獻(xiàn)，因?yàn)檎辰Y(jié)劑中徑向剛性幫助防止由于內(nèi)壓引起的剝離失效。
另一方面，密封劑不能太厚或者它可被管中流體的內(nèi)壓從密封層中擠出，原來(lái)是密封劑負(fù)載的主要部分是在密封劑端部的投影面積上的壓力。因此，密封劑應(yīng)有在O形圈之間足夠的長(zhǎng)度抵抗管中的內(nèi)壓。對(duì)于搭接剪切強(qiáng)度為約20kg/cm2和徑向厚度為約0.75mm的密封劑，粘結(jié)劑長(zhǎng)度僅為15mm是足夠容納內(nèi)壓為630bar(9000psi)。短的密封長(zhǎng)度是優(yōu)選的使接頭可方便地拆下。
對(duì)于管線的現(xiàn)場(chǎng)裝配，是在制造場(chǎng)地把短的接頭裝到各管段的一端。這使密封可以試驗(yàn)，也可使成段(典型的為約12米)的管把多少量設(shè)到一端的陽(yáng)螺紋以及另一端的陰螺紋。因此在現(xiàn)場(chǎng)裝置，只一個(gè)接頭需要做在管的相鄰段之間。
這種新的管接頭使玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧管適合于油井套管。它有好的縱向負(fù)載承受能力把套管掛在井中。接頭可使用打井機(jī)之類(lèi)上面的標(biāo)準(zhǔn)工具很快地準(zhǔn)備好。在這種使用中，帶有O形圈之間的密封劑的密封可以不要，在大多數(shù)情形下單單O形圈密封是足夠的。
雖然已說(shuō)明及示出按照本發(fā)明結(jié)構(gòu)的管接頭的有限的實(shí)施例，但應(yīng)明白本專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員可作出許多改型及變化。例如，在有鋼帶埋在纖維增強(qiáng)樹(shù)脂的比較薄壁的管中，可繞上附加的玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂帶繞在管上超過(guò)圓錐的大直徑端。該放大的區(qū)域可由裝配接頭的工具接合，而沒(méi)有損壞管的薄壁部分的危險(xiǎn)。
可以明白在管接頭中具有多個(gè)螺旋圈的延性鍵可用在管接頭沒(méi)有上述圓錐的地方。在這種實(shí)施例中的延性鍵可足夠容納剪切變形并沿管長(zhǎng)重新分配負(fù)載。但是，在這種接頭中設(shè)圓錐是優(yōu)選的使得螺旋中各圈的剪切負(fù)載是在不同的徑向距離并且剪切層不排齊。這樣提高了管接頭的剪切強(qiáng)度。
雖然對(duì)一管及接頭說(shuō)明了管接頭的結(jié)構(gòu)，但是很明顯，對(duì)一端有外圓錐形一端有內(nèi)圓錐形的管可提供類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。該接頭也特別適合于在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管及鋼的管接頭，閥或其它附件之間的高壓傳送。例如，它可以是有用的把鋼接頭包括在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管線中，在該處可能要求開(kāi)口到管線中。
鋼有與纖維玻璃增強(qiáng)樹(shù)脂明顯不同的彈性模量。當(dāng)這兩材類(lèi)擰在一起，和在壓力下受到伸長(zhǎng)，延伸率不同，導(dǎo)致兩材料中最終的螺紋節(jié)距不同。接頭中的延性的鍵可容納彈性模量的不同而不會(huì)使接頭的強(qiáng)度降級(jí)。當(dāng)管和接頭材料不同時(shí)，對(duì)接頭的這種密封安排也是有利的。
權(quán)利要求
1.一種纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料管的管接頭，包括一個(gè)在一端有外管接頭一半的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管；一個(gè)沿著該外管接頭一半的長(zhǎng)度螺旋延伸的槽；一個(gè)有與外管接頭一半互補(bǔ)的內(nèi)管接頭一半的管接頭；一個(gè)沿著內(nèi)管接頭一半的長(zhǎng)度螺旋延伸的槽，它與外管接頭一半的槽有同樣的節(jié)距；一個(gè)用于把內(nèi)外管接頭兩半鎖住的沿兩槽螺旋地延伸多個(gè)圈的鍵元件，所述的鍵元件有足夠的延性用于剪切變形及沿著管接頭的長(zhǎng)度的重新分配負(fù)載。
2.按照權(quán)利要求1的管接頭，其特征在于各管接頭一半是圓錐形的，具有一半錐形角在1-5°的范圍內(nèi)。
3.按照權(quán)利要求1或2的管接頭，其特征在于還包括鄰近鍵元件一端的管的外面的第一表面，在接頭的里面面對(duì)第一表面的第二表面，和一彈性密封劑在所述的兩面對(duì)的表面之間粘到兩面對(duì)的表面用來(lái)密封接頭。
4.按照權(quán)利要求1所述的管接頭，其特征在于所述的鍵元件有高到鄰近槽的管和接頭的剪切強(qiáng)度的一半。
5.按照權(quán)利要求1，2或4所述的管接頭，其特征在于鄰近內(nèi)管接頭一半處接頭的環(huán)向剛性大于鄰近外管接頭一半處管的環(huán)向剛性。
6.按照權(quán)利要求1，2或4所述的管接頭，其特征在于至少鄰近外管接頭一半的管的部分由玻璃纖維增強(qiáng)，至少鄰近內(nèi)管接頭一半的管接頭的部分由比玻璃更大的彈性模量的纖維增強(qiáng)。
7.按照權(quán)利要求1，2，4或6所述的管接頭，其特征在于所述的管包括鋼帶埋在纖維增強(qiáng)樹(shù)脂中的形式的增強(qiáng)，和鋼帶增強(qiáng)終止在靠近管接頭端的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂內(nèi)。
8.按照權(quán)利要求7所述的管接頭，其特征在于有鋼帶增強(qiáng)的管的圓錐形部分包括包在鋼帶一端部的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料體，所述的材料體的直徑相對(duì)于遠(yuǎn)離接頭處管的外徑的放大。
9.按照權(quán)利要求1，2，4或6所述的管接頭，其特征在于所述的管包括多根螺旋繞的鋼帶，各鋼帶終止于離管接頭不同距離處在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)。
10.一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管的管接頭，包括一個(gè)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管，包括螺旋繞的埋在纖維增強(qiáng)樹(shù)脂中的鋼帶，管的一端有外圓錐形；沿著外圓錐形的長(zhǎng)度螺旋延伸的槽；一個(gè)接頭，具有內(nèi)圓錐形，它有與外圓錐形的半錐形角同樣的半錐形角；沿著有與外圓錐形中的槽同樣節(jié)距的內(nèi)圓錐形的長(zhǎng)度螺旋延伸的槽；和沿著兩槽螺旋地延伸多圈用于把外內(nèi)圓錐形鎖在一起的延性鍵元件。
11.按照權(quán)利要求10的管接頭，其特征在于所述的鋼帶端位于靠近錐形的小端。
12.按照權(quán)利要求10或11的管接頭，其特征在于所述的管包括多個(gè)螺旋繞的鋼帶，和各鋼帶端在管接頭內(nèi)在離管接頭的不同距離處。
13.一個(gè)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管，包括一個(gè)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管，包括至少一根螺旋繞的鋼帶，埋在纖維增強(qiáng)樹(shù)脂中并在管的至少一端有一個(gè)外接頭一半；一個(gè)有與管上的接頭一半相配合的內(nèi)接頭一半的接頭；和在配合的接頭兩半之間的一個(gè)軸向剪切支承接頭；其中螺旋繞的鋼帶端在管接頭的縱向范圍內(nèi)，和鋼帶的端與管端隔開(kāi)以便完全被纖維增強(qiáng)樹(shù)脂包住。
14.按照權(quán)利要求13的管接頭，其特征在于所述的管包括多根埋在纖維增強(qiáng)樹(shù)脂中的螺旋繞的鋼帶，各鋼帶的端在離管接頭的不同距離處。
15.按照權(quán)利要求13或14的管接頭，其特征在于還包括繞在所有鋼帶端部的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料體，該復(fù)合材料體的直徑相對(duì)于離開(kāi)接頭處的管的外徑放大，在復(fù)合材料體的外面的外圓錐形和在外圓錐形中的多圈螺旋槽。
16.按照上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的管接頭，包括一個(gè)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管，一端有外圓錐形，它有一個(gè)半錐形角在2°到4°的范圍；沿外圓錐形的長(zhǎng)度螺旋延伸多圈的半圓形槽；一個(gè)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料接頭，具有一內(nèi)圓錐形，它有外圓錐形上的半錐形角一樣的半錐形角，至少一部分接頭由有比玻璃高的彈性模量的足夠量的材料形成以提供比靠近外圓錐形處管的環(huán)向剛性更大的環(huán)向剛性；沿著有外圓錐形槽同樣節(jié)距的內(nèi)圓錐形的長(zhǎng)度螺旋延伸的多圈的半圓形槽；沿著兩槽螺旋延伸多圈用于把外內(nèi)管接頭兩半鎖在一起的圓形鍵元件，鍵元件有足夠的延性作剪切塑性變形及沿管接頭長(zhǎng)度重新分配縱向負(fù)載；在鍵元件的端和管端之間，管外面的第一密封表面；在面向第一密封表面的接頭的里面的第二密封表面；在第一和第二密封表面之間一對(duì)隔開(kāi)的圓周的彈性體密封件；在彈性體密封件之間并粘到兩表面的密封劑，密封劑有足夠的彈性以容納管接頭的最大縱向剪切應(yīng)變；在彈性體密封件之間，穿過(guò)接頭的壁的一個(gè)密封劑注入通道，用以在管接頭裝配后在彈性體密封件之間注入密封劑。在彈性體密封件之間穿過(guò)接頭的壁的一個(gè)通氣通道，用以當(dāng)密封劑注入時(shí)從彈性體密封件之間排出空氣。
17.一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管的管接頭，包括一個(gè)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管，一端有一個(gè)外管接頭一半；有與外管接頭一半配合的內(nèi)管接頭一半的接頭；沿縱向把外內(nèi)管接頭兩半鎖在一起的裝置；與把管接頭兩半鎖在一起的裝置隔開(kāi)的密封接頭的裝置，包括在管外的第一表面，在接頭內(nèi)面對(duì)第一表面的第二表面，在第一和第二表面之間間隔的一對(duì)圓周彈性體密封件，和在彈性的密封件之間并粘到兩表面上的密封劑，密封劑對(duì)于容納管接頭的最大縱向剪切應(yīng)變是足夠彈性的。
18.按照權(quán)利要求17的管接頭，其特征在于還包括在彈性體密封件之間穿過(guò)接頭的壁以便在管接頭裝配后在彈性體密封件之間注入密封劑的密封劑注入通道；和在彈性體密封件之間穿過(guò)接頭的壁以便當(dāng)注入密封劑時(shí)釋放出在彈性體密封件之間的空氣。
全文摘要
一種纖維增強(qiáng)管(10,13)的管接頭,具有帶小錐形角的內(nèi)外配合的圓錐形(11,14)。一個(gè)半圓螺旋槽(16)設(shè)在內(nèi)外圓錐形(11,14)上用來(lái)接受幾圈延性鍵(17)。鍵(17)的剪切變形沿著管接頭的長(zhǎng)度重新分配縱向負(fù)載。管接頭(13)的外元件有高的剛性使得在管中的內(nèi)壓把圓錐形表面(11,14)壓在一起使得最終的摩擦提高了接頭的縱向負(fù)載承受能力。通過(guò)用高彈性模量纖維繞接頭的外面一半而提供了高的外剛性。
文檔編號(hào)F16L15/06GK1171149SQ9519706
公開(kāi)日1998年1月21日 申請(qǐng)日期1995年10月24日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月24日
發(fā)明者拉爾夫·弗里德里希, 凱文·史密斯, 郭名全 申請(qǐng)人:阿邁隆國(guó)際公司