[发明专利]具有复合材料管和金属连接器的管元件

说明书

本发明涉及一种管元件，该管元件具有由纤维增强塑料制成的管和至少一个金属连接器，该金属连接器与该管连接，使得连接装置可以传递扭矩和轴向力，并且该金属连接器具有螺纹、尤其是圆锥形螺纹，或法兰，通过所述螺纹或法兰可以将金属连接器与另一个金属连接器螺纹连接，以便连接两个管元件。本发明还涉及一种用于制造这种管元件的方法。

现有技术中，例如在用于石油钻探的钻杆中已知这种管元件，其具有由纤维增强塑料、主要是CFK(碳纤维增强塑料)制成的管和用于连接两个管元件的金属连接器，以便提供比迄今一般的钢质钻杆更轻的钻杆。CFK在重量较小的情况下提供高强度和刚度。然而它仅允许非常有限的后处理，并且几乎不可能用其制造有承载能力的连接件、例如螺纹。因此使用固定在管端部上的金属连接器。现有技术中通过径向插入的销钉进行在金属连接器和塑料管之间的连接。为了传递较高的扭矩和力并且经受不利的环境条件，需要多个足够大尺寸的销钉分布在圆周上。其弊端在于，这种管元件的安装由此比较耗费。此外无论是塑料管中还是金属连接器中，在连接区域内必须存在足够的材料，以便可以补偿由用于销钉的孔造成的削弱。这必然导致较厚和较大的连接区域或导致承载能力较小的管元件。另一种解决方案是粘接连接。然而难以实施对其质量的保证。

本发明所要解决的技术问题是，提供一种管元件，该管元件具有安装更简单、更可靠的且空间需求更少的在金属连接器和纤维增强塑料管之间的连接装置，以及提供一种用于制造这种管元件的方法。按本发明的管元件应当特别适合用于例如石油钻探时的钻杆，或适用于其他的应用、如驱动轴或如在石油源和运输平台之间的管连接装置，该运输平台例如在海上输油时用作所谓的冒口(Riser)。

该技术问题对于管元件来说按本发明由此解决，金属连接器以连接区域从外部包围管，存在配合套筒，该配合套筒以连接区域与管的内侧接触，金属连接器和配合套筒分别具有圆柱形螺纹，通过圆柱形螺纹将金属连接器和配合套筒相互螺纹连接。通过圆柱形的螺纹连接确保，使连接区域可靠且按规定地接触。该解决方案的优点是，大大简化了在金属连接器和复合材料管之间的连接装置的安装，方式是只需两个金属部件相互螺纹连接。圆柱形螺纹需要较少的沿径向的结构空间并因此就直径而言非常节省空间，这能够实现实施得非常细的连接装置。为了可以传递更大的力，可以增大螺纹长度和 /或增大在管上的连接区域的长度。

管优选具有由玻璃纤维或芳纶纤维构成的或特别优选由碳纤维构成的纤维增强部。在此，纤维以粗纱或织造织物带或稀松平纹织物带(通常为非织造带)卷绕的方式分别一层或多层并且也组合地布置。纤维增强部被塑料基质包围。作为基质材料特别适合的是热塑性塑料或优选热固性塑料、如环氧树脂。基质材料在卷绕之前可以已经存在于纤维增强部上，或在卷绕时或卷绕之后被涂覆。硬化或固化通过在炉中的热处理实现。金属连接器和配合套筒优选由钢、铸钢、铸铁、铝合金或钛制成。在驱动轴的情况下，代替用于连接两个管元件的圆锥形螺纹优选使用法兰，通过该法兰将管元件相互螺纹连接。本发明可以同样有利地使用于这种管元件。

改善连接的质量和安装特性的按本发明实施方式的其他有利特征也在本申请文件中给出。

为了实现良好的力传递并因此可靠且牢固的连接，在金属连接器上和在配合套筒上的圆柱形螺的优选的长度处于螺纹直径的10％到500％之间、特别优选在10％到100％之间的范围内。连接区域的优选的轴向长度为螺纹直径的10％到500％之间、特别优选100％到500％之间，管在所述连接区域中被夹在金属连接器和配合套筒之间。

管元件可以在与第一金属连接器对置的第二管端部上具有第二金属连接器，该第二金属连接器如同第一金属连接器一样与管连接。多个管元件可以这样相互连接成一条较长的线路，该线路可以传递扭矩和轴向力。若金属连接器具有圆锥形螺纹，则有利的是，第一金属连接器具有圆锥形内螺纹，第二金属连接器具有匹配的圆锥形外螺纹。但分别具有两个圆锥形内螺纹和两个圆锥形外螺纹的管元件也可以始终交替地组合成一条较长的路线。

特别优选，管在外侧上具有连接区域，该连接区域是圆锥形地朝所述管端部变尖的表面并且与金属连接器的连接区域接触，其中，该连接区域设计成相应配合地圆锥形成型的表面。就连接区域而言，在本申请中理解为锥形，从而表面或者具有直边圆锥形状或曲边圆锥形状。也就是说该表面沿轴向不仅可以具有直的而且具有连续弯曲的走向。圆锥形地变尖理解为，表面的直径沿轴向减小，圆锥形地扩宽理解为，该直径沿轴向增大。