[发明专利]具有高密封度和轴向强度的复合体管结构

说明书

技术背景

本发明所属技术领域

本发明涉及具有纤维增强的聚合物复合体层合管壁结构的管子和管材。

相关技术说明

纤维增强塑料管(FRP管)在化工厂管道系统的应用以及作为油、气井钻井的套管和从井下将原油和天然气输送到地面的套管和管子的应用正在不断增长。

对于油/气领域的应用来说，FRP管优于碳钢管之处是具有优良的抗腐蚀性、柔性可达到机械性能的设计要求以及良好的抗疲劳性能。此外，在指定壁厚的情况下，FRP管较相应的钢管轻得多。

用于高压管道系统或套管(例如原油输送管道和油井管材)的FRP管一般制备过程包括：将高强度材料的长丝粗纱(如连续玻璃长丝)浸渍以热固性树脂组合物(如环氧树脂)，然后在一定卷绕张力下将浸渍过的长丝来回卷绕在心轴上，形成多层交织的长丝卷绕管坯。长丝可以与管轴成90°的角度或与管轴成0°加或减约90°(+/-90°)的角度进行卷绕。当相对于纵向管轴的卷绕角在0°与90°之间时，就会形成螺旋形长丝卷绕花纹。达到预定的管壁厚度后，中止卷绕操作，使树脂固化，然后抽去心轴，形成具有纤维增强管壁结构的圆筒形管子。这类FRP管及制造方法已公开在例如美国专利2843153和5330807中，这些专利全部公开内容在此列入本文供参考。

用于陆上或海上矿物燃料开采的FRP管的结构必须经得起将会受到的两种基本力的作用，第一种力是在中压至高压下经管道输送的流体(油或钻井泥浆)沿垂直于管壁方向施加的外侧径向载荷，也称为环向载荷。第二种力是沿平行于管轴方向施加的轴向拉伸载荷，以及由流体压力和/或架空在井筒地面上和/或井筒与海上开采操作平台之间的连接用长管柱重量产生的沿平行于管轴方向的力。这些管柱常架空3000-10000英尺(约850-2800米)，因此，FRP管必须能承受在运作期间产生的以及矿物燃料开采过程中管线的插入和移动时所产生的超过约2500磅/英寸²、(或2.5Ksi)的长期轴向应力。

如果增强纤维与管轴以接近90°(例如+/-70°至90°)的卷绕角卷绕的话，则可制成具有最大环向强度的FRP管子。反之，如果增强纤维与管轴以接近0°(例如+/-30°至0°)的卷绕角卷绕的话，则可制成具有最大拉伸强度的管子。然而，以90°或接近90°角卷绕的管子的轴向拉伸强度会大大降低，而以0°或接近0°卷绕的管子的环向强度会大大降低。以与管轴形成+/-30°至+/-70°的中等卷绕角卷绕的管子(如美国专利2843153公开的)，通常能兼顾到环向强度和特别是轴向强度，但其强度可能难以满足矿物燃料开采操作的实际应用的强度要求。

一项旨在使环向强度和轴向强度都达到最大的技术是将增强纤维复合材料铺成独立的层合层，一层叠在另一层上，每层纤维以不同的管轴夹角配置，以使管子对环向应力和轴向应力的承受性能达到最大，并使复合体管的膨胀系数降至最低。作为这种包含+/-20°至+/-60°纤维层与90°层交替配置而构成的一个实例已公开在美国专利5330807中。其它类似的层状层合材料已公开在美国专利4728224和4385644中。

包含多层例如3-9层独立层的这类层合材料通常为使环向或轴向刚度最佳化而设计的，因此不需利用单向性纤维复合材料的各向异性性质。例如，以0和+/-70度交替叠层，就不需利用+/-70度层的最大环向强度或0度层的最大轴向强度。

此外，目前可商购的复合材料存在严重的缺点而使其在应用时成本效率欠佳，甚至还会产生中等程度的管应力。在管接头处或其附近和/或沿管壁长度方向的管壁结构出现的微裂纹和脱层会为流体的泄漏提供通道，这种现象通常称为“渗漏”，渗漏可能在流体压力低于管子快速爆破压力的1/5-1/10时发生。水经这些微裂纹进入管壁结构中会侵蚀玻璃纤维表面和/或粘合剂树脂，从而引起脱层并使管子过早地破损。

虽然增加管壁厚度可以缓解微裂纹问题的发生，但这种解决方法会使复合体管和管材的成本增高到象碳钢管材那样高。较高的成本成了以复合体管和管材替代中压至高压(注入)下使用的碳钢的障碍。同样，对于井下用途来说，管壁增厚后，因流体流动的有效横截面小于碳钢，而井筒直径又受到限制，因此管壁增厚会影响复合材料在采油领域中的应用。这种复合材料用于这些领域时，要求钻出较大直径的井筒，因而增大了额外的钻井成本。

增加壁厚不可能显著提高复合体管的轴向强度，这就限制了复合材料在井下管道、套管以及注向深度不超过约5000英尺油气井的注入管道方面的应用。