超深水多用途柔性管及其制造方法与流程

本发明涉及一种管材及其制造方法，尤其是涉及一种超深水多用途柔性管及其制造方法。

背景技术：

海洋工程结构和装备的研究与开发直接影响到海洋资源的勘探、开发与利用，具有重大的意义。海洋管道是海工装备的重要部件，是海底生产系统之间和浮式装置之间的关键链接，它的设计和产品的选择对油气开发有重要意义。海洋管道常用于油、气、水等介质的混合输送，因此必须具备耐高压、抗腐蚀、气密性好等特点。现有的海洋管道主要分为金属管道(以钢制管道为主)和柔性管道两种类型。

传统的石油、天然气输送主要依靠钢制管道，钢制管道具有较高的强度和模量，能够很好地抵抗内部和外部压力，因而至今仍被使用在海底油气开采中。随着时间的推移，钢制管道的缺陷逐渐显露出来。由于海洋管道所处的环境对金属的腐蚀性很强，再加上油气介质中含水量很高，钢制管道的腐蚀问题日益突出、事故频发，造成了巨大的财产损失，严重威胁检修人员的人身安全，而且钢管的铺设与维修都较为困难，浪费了巨大的人力物力。

多层柔性管道虽然质量轻，可盘绕，施工和维护方便，但经长时间使用后容易产生层间磨损，导致层间脱离，致使功能结构层失效，大大降低了柔性管道的抗压、抗疲劳等性能，而且在管材连接处容易发生泄漏造成损失；而单层挤出得到的柔性管道，则存在耐腐蚀性较差、耐气体渗透性较差以及柔韧性较差等问题。

技术实现要素：

本发明就是针对现有海洋管道存在易腐蚀、易磨损、抗压性较差、耐气体渗透性较差和柔韧性较差的技术问题，提供一种耐腐蚀、耐磨损、抗压性较好、耐气体渗透性较好和柔韧性较好的超深水多用途柔性管及其制造方法。

为此，本发明提供一种超深水多用途柔性管，其一种超深水多用途柔性管，其设有内衬层，内衬层的外部熔接有增强层，增强层外部缠绕有功能层，功能层的外部包覆有保护层。

优选地，内衬层为单层结构，其材料为高分子聚合物，高分子聚合物为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)或聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)或聚苯硫醚(PPS)或聚醚醚酮(PEEK)或乙烯醇共聚物(EVCOH)。

优选地，内衬层由自内向外的内层、中层和外层共挤而成，内层为聚苯硫醚或聚醚醚酮或聚偏氟乙烯或乙烯醇共聚物(EVCOH)或聚酰胺(PA)，中层为粘接性胶层，外层为聚丙烯或聚乙烯或聚酰胺。

优选地，增强层为增强带缠绕层，增强带由热塑性高分子材料和纤维组成，其中热塑性高分子材料为聚苯硫醚或聚醚醚酮或聚偏氟乙烯或聚丙烯或聚乙烯或聚酰胺，纤维为玻璃纤维或芳纶纤维或碳纤维。

优选地，功能层中设有光纤、电缆、压力/温度传感器；保护层材料为聚丙烯或聚乙烯或聚酰胺。

本发明还提供一种上述超深水多用途柔性管的制造方法，其步骤如下：

(1)内衬层的制造：

内衬层为单层结构时：通过挤出机将高分子聚合物挤出得到内衬层；

内衬层为三层结构时：将内层、中层和外层的物料分别通过内层挤出机、中层挤出机和外层挤出机共同挤出物料并通过同一挤出机头复合为一体，或分别挤出物料并逐层包覆形成一体，形成粘接式的实壁结构；

(2)增强层的制造：

将增强带边缠绕边通过加热的方式完全熔接在内衬层上，缠绕形成一个增强板层，然后交叉缠绕其它层，形成一体的增强板层，缠绕完成后冷却定型得到增强层；

(3)功能层的制造：

将光纤、电缆、压力/温度传感器缠绕在增强层上形成功能层；

(4)保护层的制造：

通过包覆机将保护层包覆在功能层上，然后冷却定型、干燥，最后开启收管机收管得到成品。

优选地，步骤(1)中内层材料为聚苯硫醚或聚醚醚酮或聚偏氟乙烯或乙烯醇共聚物或聚酰胺；中层为粘接性胶层，外层和保护层的材料为聚丙烯或聚乙烯或聚酰胺；

内层、中层和外层各层厚度及挤出工艺条件如下：

内层:厚度0.5-5mm，挤出机机头温度为220-380℃，真空度为0.025-0.027MPa，牵引速度为0.7-3m/min；

中层：厚度0.5-3mm，挤出机机头温度为160-190℃，真空度为0.031MPa，牵引速度为0.7-3m/min；

外层：厚度5-30mm，挤出机机头温度为150-180℃，真空度为0.027-0.03MPa，牵引速度为0.7-3m/min。

优选地，步骤(2)中增强带是通过预浸渍制成的，其由热塑性高分子材料和纤维组成，热塑性高分子材料为聚苯硫醚或聚醚醚酮或聚偏氟乙烯或聚丙烯或聚乙烯或聚酰胺，纤维为玻璃纤维或芳纶纤维或碳纤维。

优选地，增强带宽度为30-160mm，厚度为0.15-0.35mm，缠绕层数为20-160层，缠绕角度为±(30-85)°,相邻两层的缠绕方向相反。

优选地，增强带宽度为50-70mm，厚度为0.2-0.25mm，缠绕层数为50-70层，缠绕角度为±55°，相邻两层的缠绕方向相反。

本发明采用纤维和高分子热塑性聚合物为材料，通过其独特的生产工艺形成粘结式复合管结构，使用独特的材料形成内衬层的内中外三层，提出了“三层共挤”的内衬层生产工艺，提高了内衬层的耐腐蚀性、耐气体渗透性和管道的柔软性，可更好地满足油气生产过程对柔性管的要求。本发明独特的生产工艺和材料设计使其具有较高的使用温度和压力，可应用于超深水领域，且与传统钢制管道和普通柔管相比，具有更强的抗腐蚀性能、更强的抗疲劳性能、更小的流动阻力、更高的比强度、更低的安装成本及耐高温高压的性能，解决了内衬层中的成型、各层材料结合的工艺技术问题，因此可安全高效的用于海上油气输送，对于海洋开采工程具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明内衬层的截面示意图。

图中符号说明：

1.内衬层；2.增强层；3.保护层；4.内层；5.中层；6.外层；7.功能层。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明设有内衬层1，内衬层1的外部熔接有增强层2，增强层2外部缠绕有功能层7，功能层7的外部包覆有保护层3。

内衬层1可以为单层结构，其材料为高分子聚合物，高分子聚合物为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)或聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)或聚苯硫醚(PPS)或聚醚醚酮(PEEK)或乙烯醇共聚物(EVCOH)，这类材料的内衬层1价格适中，耐磨和耐腐蚀性能较好，强度高，抗冲击且重量轻；内衬层1也可以为三层结构，如图2所示，其由自内向外的内层4、中层5和外层6逐层包覆或共挤而成，内层4为聚苯硫醚(PPS)或聚醚醚酮(PEEK)或聚偏氟乙烯(PVDF)或乙烯醇共聚物(EVCOH)或聚酰胺(PA)层，中层5为热熔胶层等粘接性胶层，外层6为聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)或聚酰胺(PA)等热塑性高分子材料层。这种三层共挤或逐层包覆的内衬结构使内衬层1具有较高的抗内压能力，而且由于聚苯硫醚(PPS)或聚醚醚酮(PEEK)或聚偏氟乙烯(PVDF)等热塑性高分子材料的使用，使本发明可用于较高的温度下输送介质并且具有较好耐渗透性。

增强层2为增强带缠绕层，增强带是通过预浸渍制成的，其由热塑性高分子材料和纤维组成，其中热塑性高分子材料为聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酰胺(PA)等，纤维材料为玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维等。

功能层7中设有光纤、电缆、压力/温度传感器，实现数据传输和监测管理。

保护层4的材料可以选择聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酰胺(PA)等热塑性高分子材料。

本发明这种全粘接性质的多用途柔性管可以根据不同客户的需求，通过不同材料的组合进行针对性的设计制造。

上述超深水多用途柔性管的制造步骤如下：

(1)内衬层的制造：

单层结构：通过挤出机将超高分子量聚乙烯(UHMWPE)或聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)或聚苯硫醚(PPS)或聚醚醚酮(PEEK)或乙烯醇共聚物(EVCOH)等高分子聚合物挤出得到内衬层1；

三层结构：将内层4、中层5和外层6的物料通过逐层包覆或三层共挤的方式复合为一体，得到内衬层。三层挤出包括通过内层挤出机、中层挤出机和外层挤出机分别挤出物料逐层包覆形成一体或共同挤出物料并通过同一挤出机头复合为一体，形成粘接式的实壁结构。

内层4为聚苯硫醚(PPS)或聚醚醚酮(PEEK)或聚偏氟乙烯(PVDF)或乙烯醇共聚物(EVCOH)或聚酰胺(PA)等高分子聚合物层。内层挤出机可以根据挤出物料的特性，选择相应的螺杆和螺筒以满足挤出要求，挤出需要的内层材料。

中层5为热熔胶等粘接性胶层，可以根据热熔胶的要求选用相应的中层挤出机。

外层6为热塑性高分子材料层，热塑性高分子材料为聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)或聚酰胺(PA)等。同样，外层挤出机可以根据不同的挤出物料，选择相应的挤出螺杆和螺筒，以满足不同挤出物料的要求。

当然，根据内层4和外层6挤出物料特性的不同也可以设计多条共挤生产线来实现不同物料组合的三层逐层包覆或共挤技术。

(2)增强层的制造：

将增强带边缠绕边通过加热的方式完全熔接在步骤(1)得到的内衬层1上，然后使其通过含有冷却水或冷风的冷却箱冷却定型形成增强层2。加热可以采用激光加热、热风加热、红外加热或其他辐射加热等方式。

增强带是通过预浸渍制成的，其由热塑性高分子材料和纤维组成，其中热塑性高分子材料为聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酰胺(PA)等，纤维材料为玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维等。

缠绕前要对增强带通过热空气或者激光或者加热箱等方式进行预加热，然后再将其卷入缠绕机缠绕筒，边缠绕边进行激光加热使其熔接在内衬层上，这样可以消除纤维缠绕时内应力，并且利于管道生产过程的连续性。当缠绕完第一层增强带时，陆续以同样的方式缠绕其它层的增强带，缠绕完成后通过含有冷却水或冷风的冷却箱冷却定型最终形成增强层2。

(3)功能层的制造：

将光纤、电缆、压力/温度传感器缠绕在增强层2上形成功能层7。

(4)保护层的制造：

通过包覆机将保护层4包覆在功能层7上，然后通过冷却定型箱进行定型，再通过吹干机干燥，最后开启收管机收管得到成品。保护层4的材料可以选择聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酰胺(PA)等热塑性高分子材料。

下面结合实施例对上述超深水多用途柔性管的制造步骤做进一步描述。

实施例1

(1)通过挤出机将超高分子量聚乙烯(UHMWPE)挤出得到内衬层1，挤出工艺条件如下：挤出厚度30mm，挤出温度150～180℃，真空度0.03MPa，牵引速度3m/min。

(2)通过热空气对增强带进行预加热，然后再将其卷入缠绕机缠绕筒，边缠绕边进行激光加热使其熔接在内衬层1上。当缠绕完第一层增强带时，陆续以同样的方式缠绕其它层的增强带，缠绕完成后通过含有冷却水的冷却箱冷却定型以形成增强层2。

增强带宽度为30mm，厚度为0.2mm，缠绕层数为160层，缠绕角度为±30°交替缠绕，即第一层为﹢30°或﹣30°，第二层与第一层缠绕方向相反，为﹣30°或﹢30°，以此类推。纤维为碳纤维，热塑性高分子材料为聚偏氟乙烯(PVDF)或聚酰胺(PA)。

(3)将光纤、电缆、压力/温度传感器缠绕在增强层2上形成功能层7。

(4)通过包覆机将保护层4包覆在功能层7上，然后通过冷却定型箱进行定型，再通过吹干机干燥，最后开启收管机收管得到成品。保护层4为聚苯硫醚(PPS)或聚酰胺(PA)层。

本实施例制造的柔性管可盘卷，最高运行压力可达15MPa，使用温度可达80℃，内壁光滑，不结垢，不接蜡，流动阻力小，耐磨损，输送能力持久，适用于油气集输，耐磨性能好。

实施例2

(1)将内层4、中层5和外层6的物料通过三层共挤的方式复合为一体，得到内衬层1。内层4为聚苯硫醚(PPS)或乙烯醇共聚物(EVCOH)层，中层5为热熔胶等粘接性胶层，外层6为聚乙烯(PE)层。

(2)通过加热箱对增强带进行预加热，然后再将其卷入缠绕机缠绕筒，边缠绕边进行激光加热使其熔接在内衬层1上。当缠绕完第一层增强带时，陆续以同样的方式缠绕其它层的增强带，缠绕完成后通过含有冷风的冷却箱冷却定型以形成增强层2。

增强带宽度为50mm，厚度为0.35mm，缠绕层数为50层，缠绕角度为±55°交替缠绕，即第一层为﹢55°或﹣55°，第二层与第一层缠绕方向相反，为﹣55°或﹢55°，以此类推。纤维为玻璃纤维，热塑性高分子材料为聚苯硫醚(PPS)或聚丙烯(PP)。

(3)将光纤、电缆、压力/温度传感器缠绕在增强层2上形成功能层7。

(4)通过包覆机将保护层4包覆在功能层7上，然后通过冷却定型箱进行定型，干燥，最后开启收管机收管得到成品。保护层4为聚乙烯(PE)。

本实施例步骤(1)中内层、中层和外层各自的厚度及挤出工艺如下：

内层：厚度0.5mm，挤出温度380℃，真空度0.026MPa，牵引速度0.7m/min；中层：厚度1mm，挤出温度190℃，真空度0.031MPa，牵引速度0.7m/min；外层：厚度30mm，挤出温度180℃，真空度0.03MPa，牵引速度0.7m/min。

本实施例的柔性管使用温度最高可达150℃，最大长度可达4000m(直径越小，可盘卷长度越长)，抗压能力可达30MPa，适用于稠油区块油气开采及较高温度流体输送和油气水混输管道。

实施例3

(1)将内层4、中层5和外层6的物料通过三层共挤的方式复合为一体，得到内衬层1。内层4为聚醚醚酮(PEEK)层，中层5为热熔胶层，外层6为聚酰胺(PA)层。

(2)通过激光对增强带进行预加热，然后再将其卷入缠绕机缠绕筒，边缠绕边进行激光加热使其熔接在内衬层1上。当缠绕完第一层增强带时，陆续以同样的方式缠绕其它层的增强带，缠绕完成后通过含有冷却水的冷却箱冷却定型以形成增强层2。

增强带宽度为70mm，厚度为0.25mm，缠绕层数为70层，缠绕角度为±70°交替缠绕，即第一层为﹢70°或﹣70°，第二层与第一层缠绕方向相反，为﹣70°或﹢70°，以此类推。纤维为芳纶纤维，热塑性高分子材料为聚醚醚酮(PEEK)或聚乙烯(PE)。

(3)将光纤、电缆、压力/温度传感器缠绕在增强层2上形成功能层7。

(4)通过包覆机将保护层4包覆在功能层7上，然后通过冷却定型箱进行定型，干燥，最后开启收管机收管得到成品。保护层4为聚丙烯(PP)。

本实施例步骤(1)中内层、中层和外层各自的厚度及挤出工艺如下：

内层：厚度3mm；挤出温度220℃，真空度0.025MPa，牵引速度1.5m/min；中层：厚度3mm，挤出温度180℃，真空度0.031MPa，牵引速度1.5m/min；外层：厚度15mm，挤出温度160℃，真空度0.028MPa，牵引速度1.5m/min。

本实施例的柔性管具有高的耐渗透性，压力等级可达到15000psi；运行温度较高，适用于气体输送管道，可有效防止气体渗透。

实施例4

(1)将内层4、中层5和外层6的物料通过三层共挤的方式复合为一体，得到内衬层1。内层4为聚偏氟乙烯(PVDF)层，中层5为热熔胶层，外层6为聚丙烯(PP)层。

(2)通过加热箱对增强带进行预加热，然后再将其卷入缠绕机缠绕筒，边缠绕边进行激光加热使其熔接在内衬层1上。当缠绕完第一层增强带时，陆续以同样的方式缠绕其它层的增强带，缠绕完成后通过含有冷风的冷却箱冷却定型以形成增强层2。

增强带宽度为160mm，厚度为0.15mm，缠绕层数为20层，缠绕角度为±85°交替缠绕，即第一层为﹢85°或﹣85°，第二层与第一层缠绕方向相反，为﹣85°或﹢85°，以此类推。纤维为碳纤维，热塑性高分子材料为聚偏氟乙烯(PVDF)或聚丙烯(PP)。

(3)将光纤、电缆和压力/温度传感器缠绕在增强层2上形成功能层7。

(4)通过包覆机将保护层4包覆在功能层7上，然后通过冷却定型箱进行定型，干燥，最后开启收管机收管得到成品。保护层4为聚酰胺(PA)。

本实施例步骤(1)中内层、中层和外层各自的厚度及挤出工艺如下：

内层：厚度5mm，挤出温度280℃，真空度0.027MPa，牵引速度3m/min；中层：厚度0.5mm，挤出温度160℃，真空度0.031MPa，牵引速度3m/min；外层：厚度5mm，挤出温度150℃，真空度0.027MPa，牵引速度3m/min。

本实施例的柔性管最大长度可达4000m(直径越小，可盘卷长度越长)，抗压能力可达30MPa，机械性能和耐腐蚀性能较好，适用于油气及化学介质的输送，耐腐蚀耐渗透，力学性能好。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。