阅读说明：本技术 一种复合材料非粘接柔性管、制备方法和应用 (Composite material non-bonded flexible pipe, preparation method and application ) 是由 时晨 王宏伟 王森 蔺全智 慈胜宗 王晓欣 于 2020-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种复合材料非粘接柔性管、制备方法和应用,包括内衬管、热熔结层、弹性材料层、抗压层、抗拉层,弹性材料层、抗压层、抗拉层均为单层或多层,抗压层为螺旋缠绕带,抗压层的相邻缠绕带形成若干间隙,弹性材料层在内衬管和抗压层之间、抗压层与抗拉层之间、相邻的抗压层之间中的一个或多个位置分布,与抗压层的间隙位置相对的弹性材料层,形成凸起并进入抗压层的间隙内。弹性材料层为间隙控制层,在抗压层的间隙中形成填料,有助于防止抗压层相邻缠绕带之间的滑动或相对于内衬管的移动,能在一定程度上防止内衬管穿孔变薄。同时弹性材料层也具有抗磨作用,减少抗压层之间、抗拉层之间、相邻螺旋缠绕带之间的磨损。(The invention relates to a composite material non-bonding flexible pipe, a preparation method and application thereof, and the composite material non-bonding flexible pipe comprises an inner lining pipe, a hot-melting layer, an elastic material layer, a pressure-resistant layer and a tensile layer, wherein the elastic material layer, the pressure-resistant layer and the tensile layer are all single-layer or multi-layer, the pressure-resistant layer is a spiral winding belt, a plurality of gaps are formed between adjacent winding belts of the pressure-resistant layer, the elastic material layer is distributed at one or more positions among the inner lining pipe and the pressure-resistant layer, between the pressure-resistant layer and the tensile layer and between the adjacent pressure-resistant layers, and the elastic material layer opposite to the gap position of the pressure-resistant layer forms a bulge and enters. The elastic material layer is a gap control layer, and the filler is formed in the gap of the compression-resistant layer, so that the compression-resistant layer is beneficial to preventing the adjacent winding belts of the compression-resistant layer from sliding or moving relative to the lining pipe, and the thinning of the perforation of the lining pipe can be prevented to a certain extent. Meanwhile, the elastic material layer also has an anti-wear effect, and reduces the wear among the anti-pressure layers, the tensile layers and the adjacent spiral winding belts.)

一种复合材料非粘接柔性管、制备方法和应用

技术领域

本发明属于柔性管技术领域，具体涉及一种复合材料非粘接柔性管、制备方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着陆地上油气开采的发展，海洋油气资源的开发不断受到关注，与此同时海洋油气管道的需求量也大大增加。相较于传统的刚性金属管道，柔性管具有良好的柔性，可以承受大变形，易于运输与安装，具有很好的应用前景。

近年来，随着复合材料的研究和加工成型技术的不断成熟，复合材料尤其是纤维增强复合材料逐渐应用于海洋柔性管道中。非粘接型纤维增强复合柔性管具有重量轻、耐腐蚀性好、强度高等优点，越来越受到油气输送领域的关注。

采用金属钢带作为承载层的非粘接型金属柔性管，金属钢带螺旋缠绕，相邻钢带之间采用互锁结构。在管道弯曲过程中，互锁结构可以有效控制相邻钢带之间的间隙，保证管道的弯曲柔性。与采用金属钢带作为承载层的非粘接复合柔性管相比，采用连续纤维增强复合材料带作为承载层的非粘接柔性管比较突出的特点是其纤维增强复合材料缠绕层没有互锁结构。当复合材料柔性管道发生弯曲时，由于其螺旋缠绕层不具有互锁结构，螺旋缠绕层相邻复合带之间的间隙会发生变化。管道弯曲受压侧间隙变小会导致管道刚性过大，弯曲困难；管道弯曲受拉侧间隙变得过大又会使内衬管在间隙处被挤出从而发生减薄穿孔，破坏管道结构。无互锁结构的柔性管在实际应用中，由于螺旋结构的间隙得不到控制，管道的性能往往会受到影响。

发明人发现，现有技术的纤维增强复合材料柔性管在螺旋缠绕的承载层之间设置了两层或多层的耐磨层，虽然降低了承载层之间的摩擦，但是仍然不能解决承载层螺旋缠绕条带之间间隙控制的问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种复合材料非粘接柔性管、制备方法和应用。本发明中通过柔性管的结构层设计，实现了螺旋缠绕层的间隙控制，通过在螺旋缠绕层下方和(或)上方和(或)螺旋缠绕层之间设置间隙控制层，可有效的控制螺旋缠绕层复合材料带之间的间隙，提高了管道处于弯曲状态时的内压承载力。间隙控制层的存在能防止内衬管因为螺旋缠绕的复合材料带之间间隙过大而穿孔，从而导致所输送流体从内衬管渗透至管体的任何径向外层和外部环境。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种复合材料非粘接柔性管，包括内层内衬管、外层的抗拉层以及位于内衬管和抗拉层之间由内至外依次设置的热熔胶层、弹性材料层、抗压层、抗拉层，弹性材料层、抗压层、抗拉层均为单层或多层，抗压层为螺旋缠绕带，抗压层的相邻缠绕带之间形成间隙，弹性材料层在内衬管和抗压层之间或者在内衬管、若干抗压层、抗拉层之间的多个位置分布，与抗压层的间隙位置相对的弹性材料层，形成凸起并进入抗压层的间隙内。

抗压层为连续纤维增强复合材料带呈螺旋缠绕形成，螺旋缠绕的相邻复合材料带之间具有间隙。间隙可以使相邻的复合材料带之间保持适当的距离，这样允许管道弯曲，而不会破坏管道结构。

通过弹性材料层在螺旋缠绕带之间的凸起，可实现无互锁螺旋缠绕层的条带间隙的控制。弹性材料层的存在能防止内衬管因为螺旋缠绕层条带间隙过大而穿孔，从而导致所输送流体从内衬管渗透至管体的任何径向外层和外部环境。弹性材料层同时具有抗磨作用，减少抗压层之间、抗拉层之间、相邻螺旋缠绕带之间的磨损。

第二方面，上述复合材料非粘接柔性管的制备方法，所述制备方法具体步骤为：

通过多层共挤内管的方法，使热熔胶层、第一弹性材料层包覆在内衬管的外侧壁；

采用过盈配合的方法将抗压层缠绕在第一弹性材料层的外表面；

在抗压层的外表面通过加热挤出成型设置第二弹性材料层；

然后重复进行弹性材料层和抗压层的设置；

将抗拉层缠绕在抗压层的外表面；

外保护层采用挤出成型设置在抗拉层外部。

多层共挤内管的形成方式提高弹性材料层与内管的粘结强度，使得弹性材料层和内管的粘结更加牢固。第二弹性材料层和第三弹性材料层利用加热挤出的方法是为了更好的填充螺旋条带之间的缝隙，形成填料。

第三方面，上述复合材料非粘接柔性管在海洋和陆地油气资源及矿物资源开采的管道中应用。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种能够对管状构件上的结构层螺旋缠绕条带之间间隙进行控制的柔性管。通过在螺旋缠绕层内部和/或螺旋缠绕层外部和/或螺旋缠绕层之间设置间隙控制层(或称为弹性材料层)，可有效的控制螺旋缠绕层复合带之间的间隙，提高了管道处于弯曲状态时的内压承载力，可在一定程度上防止内衬管和其他层发生减薄穿孔。具有抗磨作用，减少抗压层之间，抗拉层之间，以及相邻螺旋缠绕带之间的磨损。

本发明提出了多种方案选择来增强间隙控制的效果，如间隙控制层可设置为弹性材料层；弹性材料层可由聚合物或增强弹性体制成；弹性材料层可采用纤维增强结构，增强纤维可以由玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、金属纤维和/或其他任何已知的纤维材料制成；在管材生产中抗压层与间隙控制层之间采用过盈配合。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的实施例1的柔性管的结构图，其中图1中a为柔性管的整体结构图，图1中b为柔性管的内衬管部分结构图；

图2为本发明的实施例2的柔性管的结构示意图；

图3为本发明的实施例3的柔性管的结构示意图；

图4为本发明的实施例3的柔性管的部分截面图；

其中，1-内衬管层，101-内衬管，102-热熔胶层，103-第一弹性材料层，2-第一抗压层，3-第二弹性材料层，4-第二抗压层，5-第一抗拉层，6-第二抗拉层，7-外保护层，8-间隙，9-填料，10-短切纤维，11-第三弹性材料层，12-压力。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种连续纤维增强复合材料非粘接柔性管，包括内层内衬管、外层的抗拉层以及位于内衬管和抗拉层之间由内至外依次设置的热熔胶层、弹性材料层、抗压层，弹性材料层、抗压层、抗拉层均为单层或多层，抗压层为螺旋缠绕带，抗压层的相邻缠绕带之间形成间隙，弹性材料层在内衬管和抗压层之间或者在内衬管、若干抗压层、抗拉层之间的多个位置分布，与抗压层的间隙位置相对的弹性材料层，形成凸起并进入抗压层的间隙内。

本发明的柔性管的横截面为圆形或类圆形的形状，内衬管为内层，抗拉层为外层，形成圆环状的层状结构，弹性材料层和抗压层位于内衬管和抗拉层之间，弹性材料层与抗压层相邻，可以在内衬管和抗压层之间分布，或者在内衬管、若干抗压层、抗拉层之间的多个位置分布，所述若干抗压层为一个或多个抗压层。

与内衬管相邻的弹性材料层，与内衬管之间设置热熔胶层，热熔胶层起到粘合弹性材料层和内衬管的作用，通过多层热挤压的结合方法同时成型，使内衬管、热熔胶层、弹性材料层之间结合紧密。

这里我们可以理解的是螺旋缠绕，在缠绕的过程中，比如缠绕在一个圆管上，呈螺旋形状的缠绕带，相邻的缠绕带之间可以形成间隙，这个间隙可以在缠绕的过程中进行布置。柔性管的抗压层的缠绕带设置间隙，能够允许管道发生弯曲，不会破坏管道的结构。在柔性管使用的过程中，特别是弯曲状态下，柔性管的缠绕带之间的间隙会发生变化，可能变大、也可能变小。本申请的柔性管，限制了抗压层的缠绕带的间隙改变，控制间隙的变化，提高了管道处于弯曲状态时的内压承载力。

与内衬管相邻的弹性材料层在抗压层的间隙形成填料的过程为，抗压层缠绕带螺旋缠绕过程的压力，即如图4所示，与缠绕带相对的弹性材料层的厚度减小，与缠绕带的间隙对应的弹性材料层的厚度增加，因此进入缠绕带的间隙，形成填料。位于抗压层外侧的弹性材料层形成填料的方法为加热挤出过程中，融化的弹性材料会自动填充进缠绕带缝隙，然后冷却固化，从而形成填料。

弹性材料层为间隙控制层，在抗压层的间隙中形成填料(即凸起)，可防止相邻缠绕带靠得太近从而导致管道刚度过大，也能防止相邻缠绕带分开太远而导致内衬管的高分子聚合物层在压力下穿孔而泄露，并且在管道反复弯曲时，可以防止抗压层产生高交变应力。

弹性材料层具有提高抗磨的作用，减少抗压层之间，抗拉层之间，以及螺旋缠绕带之间的磨损。

在本发明的一些实施方式中，弹性材料层为聚氨酯、丙烯基弹性体、乙烯基弹性体等。

优选地，弹性材料层中添加短切纤维或长切纤维。添加短切纤维或长切纤维实现弹性材料层的强度增强。

进一步优选的，弹性材料层中填充的纤维为玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、金属纤维和(或)其他任何已知的纤维材料制成。

在本发明的一些实施方式中，抗压层为连续纤维增强复合材料、复合纤维带或钢带，连续纤维增强复合材料为连续玻璃纤维增强复合材料、连续碳纤维增强复合材料、连续芳纶纤维增强复合材料等，复合纤维带为连续玻璃纤维、连续芳纶纤维、连续碳纤维中的一种或两种以上作为增强纤维制成的复合材料。钢带可以大缠绕角度螺旋缠绕以提供环向的强度。钢带截面可以是矩形的，也可以是其他形状的从而允许更大的缠绕角度。设置多个抗压层或采用增强纤维缠绕带以增强管道的承载能力和(或)耐腐蚀性能。

在本发明的一些实施方式中，抗压层的缠绕角度为40°-85°。

其中大缠绕角提供环向强度，小缠绕角可以提供轴向强度。抗压层以相对于管道纵轴较高的角度缠绕时，例如60-85°，可有效提供抵抗爆裂和抗压溃的能力。

在本发明的一些实施方式中，多层抗压层的相邻抗压层之间同向缠绕或反向缠绕。这里的相邻抗压层指的是相隔一层弹性材料层的两层抗压层。相邻抗压层如果是反向缠绕，可以改善管道内的扭转平衡。本发明设置多层抗压层以增强管道的承载能力和/或耐腐蚀性能。

在本发明的一些实施方式中，抗压层的缠绕带过盈配合缠绕在弹性材料层的外表面；优选地，过盈配合的尺寸为0.3毫米至1.0毫米。在过盈配合连接过程中，抗压层的缠绕带挤压或压入弹性材料层的外表面，使弹性材料层与抗压层的间隙相对的部分填充到间隙中，形成填料。这可防止相邻抗压缠绕带靠得太近从而导致管道刚度过大，也能防止相邻抗压缠绕带分开太远而导致内衬管在压力下穿孔而泄露，并且在管道反复弯曲时，可以防止抗压层产生高交变应力。

在本发明的一些实施方式中，弹性材料层的厚度可选择为1.5mm至3.0mm之间。

在本发明的一些实施方式中，弹性材料层位于内衬管和抗压层之间。在内衬管和抗压层之间设置弹性材料层，可以防止内衬管被挤入螺旋缠绕条带之间的间隙，从而防止内衬管发生减薄穿孔现象。可以通过改变弹性材料层的厚度，以加强抗减薄穿孔能力。

在本发明的一些实施方式中，抗压层相邻缠绕带之间间隙的间距可选择为1.5mm至5.0mm。当内衬管穿孔阻力增加时(既增加了弹性材料层的厚度或任何其他弹性材料填充层的厚度)可以适当增加间隙的大小，提高了管道处于弯曲状态时的内压承载力。但是较大的间隙可能会增加内衬管泄露的可能性。

在本发明的一些实施方式中，抗拉层的缠绕角度为30°-45°。以小角度缠绕，可为管道提供抵抗轴向拉伸能力。

在本发明的一些实施方式中，弹性材料层为三层，抗压层为两层，弹性材料层分别位于内衬管与抗压层之间，相邻抗压层之间、抗压层与抗拉层之间。将弹性材料填充层设置在相邻抗压层之间，也可将弹性材料填充层同时应用于抗压层的内部和外部，此时间隙控制可能得到改进。因此可以实现从抗压层的两侧进行间隙控制。

在本发明的一些实施方式中，内衬管的材质可选择为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚偏氟乙烯、聚苯硫醚、聚醚醚酮等高分子材料。

在本发明的一些实施方式中，抗拉层的螺旋缠绕条带可选择连续玻璃纤维增强复合材料、连续碳纤维增强复合材料、连续芳纶纤维增强复合材料等。

在本发明的一些实施方式中，热熔胶层的材质可选择聚酯类热熔胶黏剂、聚酰胺类热熔胶黏剂等。

在本发明的一些实施方式中，抗拉层的外侧设置外保护层，外保护层包覆在抗拉层的外表面，外保护层的材质可选择为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚偏氟乙烯、聚苯硫醚、聚醚醚酮等高分子材料。外保护层保护抗拉层等内层结构。

第二方面，上述复合材料非粘接柔性管的制备方法，所述制备方法具体步骤为：

通过多层共挤内管的方法，使热熔胶层、第一弹性材料层包覆在内衬管的外侧壁；

采用过盈配合的方法将抗压层缠绕在第一弹性材料层的外表面；

在抗压层的外表面通过加热挤出成型的方法设置第二弹性材料层；

然后重复进行弹性材料层和抗压层的设置；

将抗拉层缠绕在抗压层的外表面；

外保护层采用挤出成型设置在抗拉层外部。

第三方面，上述复合材料非粘接柔性管在海洋和陆地油气资源及矿物资源开采的管道中应用。

下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

如图1中a所示，柔性管由内至外依次为内衬管层1、第一抗压层2、第二弹性材料层3、第二抗压层4、第一抗拉层5、第二抗拉层6、外保护层7。如图1中b所示，内衬管层包括由内至外的内衬管101、热熔胶层102、第一弹性材料层103。

如图1中b所示，第一弹性材料层103作为间隙控制层，第一弹性材料层103、热熔胶层102、内衬管101通过热挤压的方式进行结合。第一抗压层2螺旋缠绕在第一弹性材料层103的外表面，第二弹性材料层3通过加热挤出成型的方法设置在第一抗压层2上，然后将第二抗压层4缠绕在第二弹性材料层3的外表面，第一抗拉层5 和第二抗拉层6以相对于管道纵轴较小的角度缠绕，例如30-45，°可为管道提供抵抗轴向拉伸的能力。多层抗拉层的相邻抗拉层之间同向缠绕或反向缠绕。相邻抗拉层如果是反向缠绕，可以改善管道内的扭转平衡。外保护层7采用挤出成型设置在抗拉层外部。

如图1b所示，内衬管101、热熔胶层102、第一弹性材料层103的截面结构，可以看到，热熔胶层102、第一弹性材料层103与内衬管之间在热挤压的结合方式下，热熔胶层102与内衬管101、第一弹性材料层103之间结合较为紧密。

弹性材料层为聚氨酯。抗压层为螺旋缠绕的连续玻璃纤维或连续芳纶纤维增强的聚乙烯复合材料带。

实施例2

如图2所示，相比于实施例1，柔性管的结构和分布不同。柔性管设置内衬管层 1、第一抗压层2，第一抗压层2的外侧设置抗拉层和外保护层。内衬管层包括由内至外的内衬管、热熔胶层、第一弹性材料层。

第一弹性材料层作为间隙控制层，第一弹性材料层与内衬管、热熔胶层的结合方式与实施例1相同，第一弹性材料层与第一抗压层2的间隙相对的位置凸起，进入抗压层的间隙8形成填料9。

弹性材料层材质为丙烯基弹性体。抗压层为螺旋缠绕的连续碳纤维增强耐高温聚乙烯复合材料带。

实施例3

如图3所示，相比于实施例1，柔性管的结构和分布不同。本实施例的柔性管由内至外依次由内衬管层1、第一抗压层2、第二弹性材料层3、第二抗压层4、第三弹性材料层11，第三弹性材料层11的外侧设置抗拉层和外保护层。内衬管层包括由内至外的内衬管、热熔胶层、第一弹性材料层。

第一弹性材料层、第二弹性材料层3、第三弹性材料层11共同作为间隙控制层，提高了间隙的控制强度。

其中，第一弹性材料层、第二弹性材料层3、第三弹性材料层11的材质为聚氨酯，聚氨酯的内部填充短切纤维，短切纤维为玻璃纤维。

第一弹性材料层的弹性层进入第一抗压层的间隙形成填料，如图4所示，形成填料的过程为：虚线标书第一弹性材料层上表面的原来位置，抗压层缠绕后，第一弹性材料层上表面发生了形变，位于抗压层缠绕带下方的第一弹性材料层的带层的厚度减小，位于抗压层间隙8的弹性材料层的带层的厚度增加形成填料9，发生形变的压力 14源于抗压层缠绕带的缠绕或挤压力。

位于抗压层上方的第二弹性材料层3在加热挤出成型的过程中，由于加热，所以处于融化状态，会自动的填充进相邻缠绕带之间的间隙，从而形成填料。

柔性管的制备方法为：内衬管1、热熔胶层102、第一弹性材料层103的结合方法与实施例1相同。然后依次缠绕第一抗压层，加热挤出成型第二弹性材料层3，缠绕第二抗压层4，加热挤出成型第三弹性材料层11。最后抗拉层以相对于管道纵轴较小的角度缠绕(例如30-45°)可为管道提供抵抗轴向拉伸的能力。外保护层采用挤出成型设置在抗拉层外部。

对比例

针对两类连续纤维增强复合材料非粘接柔性管，第一类柔性管内没有间隙控制层(即没有弹性材料层)，第二类柔性管内有间隙控制层(实施例3)。除此之外，两类柔性管材料和尺寸完全相同。一共制造了三种口径的样品管，内径(直径)分别是 50mm、100mm和150mm，每种口径包含5根样品管。将样品管弯曲至下表1所示的弯曲半径，保存弯曲状态，然后内压加载直到管道破裂失效，5根样品管最大内压承载力的平均值如表1所示。以50mm内径柔性管为例，管道内没有间隙控制层，弯曲半径为500mm时，5根样品管内压承载力的平均值为24.8MPa；管道内设置间隙控制层，弯曲半径为500mm时，5根样品管内压承载力的平均值为28.6MPa，提高了15.3％。

表1：两类非粘结柔性管(无间隙控制层和有间隙控制层)在弯曲状态下的内压承载力对比

通过表1可以得到，连续纤维增强复合材料非粘接柔性管(第一类柔性管)的纤维增强复合材料缠绕条带没有互锁结构。当柔性管道发生弯曲时，由于其螺旋缠绕层不具有互锁结构，螺旋缠绕层相邻复合带之间的间隙会发生变化，在管道弯曲受压侧间隙变小，在管道弯曲受拉侧间隙变大。过大的间隙有可能导致内衬管在内压作用下穿孔变薄，降低管道的内压承载力。柔性管内设置间隙控制层后(第二类柔性管)，可以有效控制螺旋条带的间隙，防止管道弯曲时螺旋条带之间间隙过大，防止内衬管穿孔，从而提高了柔性管弯曲状态下的内压承载力。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。