一种复合材料管及其制作方法

技术领域

本申请涉及复合材料管线制造技术领域，特别是涉及一种复合材料管及其制作方法。

背景技术

当前，因具有高比强度、高比模量、抗疲劳性强、抗腐蚀性强、表面摩阻小和不易结垢堵塞等优点，复合材料管道在原油和天然气开采、油气田集输、油气处理、炼化、石油化工、煤化工、无机化工、有机化工、水处理和输送等多个领域广泛应用。

复合材料管是在工厂内将增强纤维和树脂通过成型加工方法一体制造的，管间连接的现场施工方法一般为螺纹加胶结连接，该施工过程不仅耗时较长、施工环境要求高、施工难度大，而且管线连接处能达到的强度不足总体强度的80%，阻碍了复合材料管进一步推广使用。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种复合材料管及其制作方法，以解决现有复合材料管不便于现场施工连接的问题。

为了解决上述问题，本申请是通过如下技术方案实现的：

本申请提出了一种复合材料管，其中，包括管道主体及分别设置于所述管道主体两端的2个金属接管，所述管道主体的材料为复合材料，所述金属接管用于将所述复合材料管与其他管道进行连接。

可选地，所述的复合材料管中，所述复合材料为包覆有树脂的高强度纤维。

可选地，所述的复合材料管中，所述高强度纤维包括但不限于碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、硼纤维、陶瓷纤维、植物纤维、动物纤维；

所述树脂包括但不限于环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、聚醚醚酮树脂、聚醚酮树脂、聚醚酮酮树脂、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚砜树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、热塑性聚酰亚胺树脂、天然树脂或以上树脂的改性树脂。

可选地，所述的复合材料管中，所述金属接管包括缠绕部及接头部；

所述缠绕部用于供包覆有树脂的高强度纤维进行缠绕，并形成所述管道主体；

所述接头部用于将所述复合材料管与其他管道进行连接。

可选地，所述的复合材料管中，所述缠绕部呈凹凸型、榫槽型或连续螺纹型；

或者为沿远离接头部的金属接管轴向壁厚逐渐增大的塔型、凹凸塔型、榫槽塔型、连续螺纹塔型。

可选地，所述的复合材料管中，所述缠绕部表面沿金属接管轴向方向设置有纤维槽，用于供包覆有树脂的高强度纤维沿金属接管轴向直拉进行导向。

在包覆有树脂高强度纤维在一端金属接管的缠绕部表面缠绕至少一周后，沿所述纤维槽直拉至另一端金属接管的缠绕部表面进行缠绕。

可选地，所述的复合材料管中，所述纤维槽沿金属接管周向方向均匀设置有多个。

可选地，所述的复合材料管中，所述纤维槽的宽度为5~7mm，深度为4~6mm。

可选地，所述的复合材料管中，所述缠绕部表面沿金属接管周向方向设置有凹槽、榫槽或螺纹等结构，用于供包覆有树脂的高强度纤维沿金属接管周向进行缠绕

可选地，所述的复合材料管中，所述接头部用于通过焊接、螺纹连接、卡箍连接或法兰连接的方式，将所述复合材料管与其他管道进行连接。

本申请还提出了一种如上述复合材料管的制作方法，其中，包括：

将两个金属接管分别以缠绕部相对的方式，置于缠绕模具的两侧；

将高强度纤维浸渍树脂后，在金属接管的缠绕部表面进行缠绕；

在浸有树脂的高强度纤维在一端金属接管的缠绕部表面缠绕至少一周后，直拉至另一端金属接管的缠绕部表面进行缠绕，随后往复牵拉到设计周数；

在两侧金属接管间牵拉至设计周数浸有树脂的高强度纤维后，沿所述金属接管和所述缠绕模具连续缠绕浸有树脂的高强度纤维至预设厚度，固化成型，制得复合材料管。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

本申请中的复合材料管包括管道主体及分别设置于管道主体两端的2个金属接管，上述管道主体的材料为复合材料，上述金属接管用于将复合材料管与其他管道进行连接；其中，复合材料管的管道主体为复合材料，而管道两端为金属接管，不仅保留了复合材料管的优点，而且因为金属接管的存在，管间连接可以通过焊接、螺纹、法兰连接等常规方式进行连接，避免现有接管工作耗时较长、施工环境要求高、施工难度大、管线连接处强度较低等问题。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1是本申请实施例所提供的复合材料管结构示意图；

图2是本申请实施例中金属接管结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

复合材料是以高强度纤维为增强体和以树脂为基体共同构成的。复合材料通过缠绕、拉挤或者模压等方法成型制造的复合材料管道具有高比强度、高比模量、抗疲劳性强、抗腐蚀性强、表面摩阻小和不易结垢堵塞等优点。上述优点使复合材料管道作为金属接管的替代品越来越多地应用在原油和天然气开采、油气田集输、油气处理、炼化、石油化工、煤化工、无机化工、有机化工、水处理和输送等多个领域。

现有的复合材料管的主体部分是在工厂内将增强纤维和树脂通过成型加工方法一体制造，管间连接的现场施工方法一般为螺纹加胶结连接，该施工过程不仅耗时较长、施工环境要求高、施工难度大，而且高压管线连接处能达到的强度不足总体强度的80%。复合材料连接已成为复合材料推广使用最大障碍。

针对上述问题，本申请实施例提供的一种复合材料管100，如图1~2所示，包括管道主体10及分别设置于上述管道主体10两端的2个金属接管20，上述管道主体10的材料为复合材料，上述金属接管20用于将上述复合材料管100与其他管道进行连接。

本申请所提供的复合材料管100中，将金属接管20设置于以复合材料制成的管道主体10两端，管道主体10保留了复合材料管100的优点，而金属接管20的存在则使得管间可以通过焊接、螺纹、法兰连接等方式进行连接，避免复合材料管100不便于现场施工连接的问题。

上述复合材料为包覆有树脂的高强度纤维11，即以树脂为基体，并以高强纤维为增强体，共同形成上述管道主体10，使得上述复合材料管100具有高比强度、高比模量、抗疲劳性强、抗腐蚀性强、表面摩阻小和不易结垢堵塞等优点。

在实际应用中，上述高强度纤维11和树脂通过湿法或预浸料的方式结合，然后固化成型，即可以将树脂包覆在上述高强度纤维11上。

可选地，上述高强度纤维11包括但不限于碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、硼纤维、陶瓷纤维、植物纤维、动物纤维；上述树脂包括但不限于环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、氰酸酯树脂、聚醚醚酮树脂、聚醚酮树脂、聚醚酮酮树脂、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚砜树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、热塑性聚酰亚胺树脂、天然树脂或以上树脂的改性树脂。

本申请实施例所提供的复合材料管100中，上述金属接管20为短管，仅需满足可以与其他管道进行连接和纤维缠绕即可。上述复合材料管100的总长度可以设置为6m。

可选地，在一种实施方式中，上述金属接管20包括缠绕部21及接头部22；

上述缠绕部21用于供包覆有树脂的高强度纤维11进行缠绕，并形成上述管道主体10；上述接头部22用于将复合材料管100与其他管道进行连接。也即通过将包覆有树脂的高强度纤维11从一端金属接管20的缠绕部21缠绕至另一端的金属接管20的缠绕部21，然后固化形成上述管道主体10，同时，可以将两侧的金属接管20分别与管道主体10的两端连接为一体。

可选地，在一种实施方式中，本申请实施例所提供的复合材料管100中，上述缠绕部21呈凹凸型、榫槽型或连续螺纹型，或者为沿远离接头部22的金属接管20轴向壁厚逐渐增大的塔型、凹凸塔型、榫槽塔型、连续螺纹塔型，以便于包覆有树脂的高强度纤维11进行缠绕，使得形成的管道主体10可以与金属接管20牢牢连接在一起。

可选地，在一种具体实施方式中，所述缠绕部21表面沿金属接管20周向方向设置有凹槽211，用于供包覆有树脂的高强度纤维11沿金属接管20周向进行缠绕，也即上述凹槽211环绕缠绕部21表面设置，可以将高强度纤维11牢固地缠绕在缠绕部21表面，提升管道主体10与金属接管20之间的连接强度，不易在连接处断裂、拉脱。

可选地，为了便于增加管道主体10与金属接管20之间的接触面积，进一步提升管道主体10与金属接管20之间的连接强度，上述凹槽211间隔设置有多个。

可选地，在一种具体实施方式中，上述缠绕部21表面沿金属接管20轴向方向设置有纤维槽212，用于供包覆有树脂的高强度纤维11沿金属接管20轴向直拉时进行导向。因为在形成管道主体10时，需要先将包覆有树脂的高强度纤维11在一端的金属接管20缠绕部21表面缠绕，并在包覆有树脂的高强度纤维11在一端金属接管20的缠绕部21表面缠绕至少一周后，需要直拉至另一端金属接管20的缠绕部21表面进行缠绕，上述纤维槽212则用于高强度纤维11直拉时进行导向。

可选地，本申请实施例所提供的复合材料管100中，上述纤维槽212沿金属接管20周向方向均匀设置有多个，使得包覆有树脂的高强度纤维11可以绕缠绕部21表面均匀进行直拉，进一步提升管道主体10与金属接管20之间的连接强度，例如可以设置2个、3个、4个、5个、6个或8个。

可选地，设置上述纤维槽212的宽度为5~7mm，深度为4~6mm。示例地，可以设置上述纤维槽212的宽度为6mm，深度为5mm.

在实际应用中，缠绕部21的尺寸、纤维槽212的尺寸和数量、凹槽211的尺寸和数量、缠绕纤维的周数，是由高强度纤维11强度和模量、树脂的性质和管道的设计工况等作为输入条件，进行结构设计最后确定。

示例地，在上述高强度纤维11为48K玻璃纤维，上述树脂为环氧树脂，上述金属接管20为镀锌碳钢管的情况下，若设计压力为0.8MPag、设计温度为-10℃~50℃、公称直径为10寸，则设置上述管道主体10的壁厚为5mm，金属接管20壁厚为11.13mm，金属接管20缠绕部21分采用凹凸结构，凹槽211宽度为6.2mm，凹槽211深度为5mm，凹槽211间的凸端宽度为6.2mm，并在缠绕部21的0°、90°、180°和270°处分别设四个纤维槽212，纤维槽212宽度为6mm、深度为5mm，且高强度纤维11在各金属接管20缠绕的凹槽211处缠绕周数为30周。

本申请实施例所提供的复合材料管中，接头部用于通过焊接、螺纹连接、卡箍连接或法兰连接等方式，将复合材料管与其他管道进行连接，也即本申请实施例所提供的复合材料管可以在接管处采用传统的焊接、螺纹、法兰连接等方式进行连接，避免了现有技术中复合材料管道管间连接施工难度大、施工要求高、强度无法满足要求等问题。

另外，本申请还提出了一种上述复合材料管的制作方法，包括步骤101~步骤104：

步骤101、将两个金属接管分别以缠绕部相对的方式，置于缠绕模具的两端；

步骤102、在浸有树脂的高强度纤维在一端金属接管的缠绕部表面缠绕至少一周后，直拉至另一端金属接管的缠绕部表面进行缠绕，随后往复牵拉到设计周数；

步骤103、在各侧金属接管缠绕预设周数浸有树脂的高强度纤维后，沿所述金属接管和所述缠绕模具连续缠绕浸有树脂的高强度纤维至预设厚度，固化成型，制得复合材料管。

本申请实施例中，上述缠绕模具为可脱磨具，先将两个金属接管分别以缠绕部相对的方式，紧贴置于缠绕模具的两端，然后将浸渍树脂的高强度纤维束沿一端金属接管的缠绕部缠绕若干圈后，直拉至进行另一端金属接管的缠绕部进行缠绕，如此往复多次，直至各金属接管均缠绕预设周数，然后沿金属接管的缠绕部和缠绕模具连续缠绕浸渍有树脂的高强度纤维到指定厚度，形成玻璃纤维管，然后热压固化，即形成了复合材料管。

本申请实施例所制作的复合材料管，其管道主体为复合材料，而管道两端为金属接管，不仅保留了复合材料管的优点，而且因为金属接管的存在，管间连接可以通过焊接、螺纹、法兰连接等常规方式进行连接，避免现有接管工作不仅耗时较长、施工环境要求高、施工难度大、管线连接处强度较低等问题。

可选地，在缠绕部表面沿金属接管周向方向设置有凹槽时，上述步骤102中，在浸有树脂的高强度纤维在一端金属接管的缠绕部表面凹槽缠绕至少一周后，直拉至另一端金属接管的缠绕部表面凹槽进行缠绕，随后往复牵拉到设计周数；

可选地，在缠绕部表面沿金属接管轴向方向设置有纤维槽时，上述步骤102中，在浸有树脂的高强度纤维在一端金属接管的缠绕部表面缠绕至少一周后，沿上述纤维槽及沿缠绕模具直拉至另一端金属接管的缠绕部表面进行缠绕，从而利用上述纤维槽进行直拉导向。

示例地，若设计压力为0.8MPag、设计温度为-10℃~50℃、公称直径为10寸，在上述高强度纤维为48K玻璃纤维，上述树脂为环氧树脂，上述金属接管为镀锌碳钢管的情况下，则设置上述管道主体的壁厚为5mm，金属接管壁厚为11.13mm，金属接管缠绕部分采用凹凸结构，凹槽宽度为6.2mm，凹槽深度为5mm，凹槽间的凸端宽度为6.2mm，并在缠绕部的0°、90°、180°和270°处分别设四个纤维槽，纤维槽宽度为6mm、深度为5mm；

在制作上述复合材料管时，先将金属接管放于缠绕模具两端，然后浸渍树脂的玻璃纤维束延金属接管的凹槽和纤维槽进行对侧连续分别缠绕，每侧金属管各缠绕30周；随后按照缠绕设计方案对延金属管和模具连续缠绕带树脂的玻璃纤维到指定厚度，形成玻璃纤维管；再将缠绕好的玻璃纤维管放入热压罐中120℃，固化两个小时，制得上述复合材料管。

对于上述单晶炉实施例而言，其包括上述单晶炉用换热器，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述，相关之处参见单晶炉用换热器实施例的部分说明即可。

综上，在本实施例中，本申请中的复合材料管包括管道主体及分别设置于管道主体两端的2个金属接管，上述管道主体的材料为复合材料，上述金属接管用于将复合材料管与其他管道进行连接；其中，复合材料管的管道主体为复合材料，而管道两端为金属接管，不仅保留了复合材料管的优点，而且因为金属接管的存在，管间连接可以通过焊接、螺纹、法兰连接等方式进行连接，避免复合材料管不便于现场施工连接的问题。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本申请实施例的可选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括可选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另一个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的原理及实现方式，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。