一种复合材料增强钢管及其制造工艺制造技术

一种复合材料增强钢管及其制造工艺，属于管道技术领域，复合材料增强钢管由基体钢管、过渡层、增强层及外保护层构成。过渡层由熔结环氧粉末涂层涂敷在基体钢管外表面，增强层为长纤维增强环氧树脂预浸带，将一层或多层预浸带与基体钢管呈一定夹角的方式缠绕在过渡层的外侧，然后在预浸带外侧套设外保护层。本发明专利技术提供的复合材料增强钢管增加了钢管的环向和轴向强度，增强层与金属内管之间具有很好的结合强度。

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料增强钢管及其制造工艺
本专利技术涉及长输天然气管道领域，特别涉及一种复合材料增强钢管及其制造工艺。
技术介绍
为确保天然气供应量满足未来国民经济发展的要求，高压大流量长距离输送成为我国天然气输送管道技术发展的必然趋势。现有技术通常采取两种途径：第一种途径是采用大壁厚的管线钢管，这种方法不仅大幅度地增加了钢材用量，而且厚壁钢管对现有冶金与制管技术提出了挑战，也增加了现场焊接的难度；第二种途径是提高管线钢的钢级水平。譬如钢级X70与X80分别在1973、1985年添加到美国石油API标准中，2007年，API5L第44版增加了X90、X100和X120更高钢级的管线管。虽然使用X100管线钢可以提高管道承压能力，降低钢管壁厚，但是其距离现场应用还存在一些问题：譬如钢管的现场焊接问题，另一个问题是高强度的管线钢具有较低的止裂能力，一旦管道破坏产生裂纹，裂纹可能沿管线扩张数公里。为了降低管线钢新产品的材料开发难度与成本，复合材料增强钢管技术逐渐成为一种超大输量天然气管道工程的解决方案。该技术是基本原理是在钢管基体外表面缠绕复合材料增强层。其中钢管提供全部的纵向强度和环刚度，复合材料增强层除了提供部分环向强度之外，可同时提供外防腐和止裂功能。在复合材料增强钢管技术方面，目前使用的方法有两种，分别为干法缠绕和湿法缠绕。现有技术美国专利US8418337公开的干法缠绕的复合管道结构包括钢管、纤维缠绕层和外包覆层三部分。C-FER公司对这类管道也进行了大量研究，目前将这种管称为FAST-Pipe(fiberaugmentedsteeltechnologypipe)。FAST-Pipe缠绕使用的纤维多为玻璃纤维，并且常为玻璃纤维带。现有技术美国专利US7093860和US7534321公开了的湿法缠绕技术，该技术是在纤维缠绕阶段增加了浸渍热固性树脂的过程，其主要结构为内层钢管、过渡层、纤维树脂复合材料层和外包覆层。NCF公司最早使用湿法缠绕的方法增强管线钢管，TransCanada开发出一系列承压能力从8.275MPa至24.800MPa不等的复合材料增强钢管产品，将这种管称为CRLP(compositereinforcedlinepipe)，并铺设了相应的试验段，其中萨拉托加的试验段包含7个接头，单管长12m，口径1219mm。现有技术存在的问题是：复合材料与基体钢管在力学性能方面存在很大差异，复合材料的弹性模量仅为钢管的1/5，拉伸断裂伸长率为钢管的10倍。当管道承载压力逐步增大时，钢管先进入屈服阶段，并且复合材料断裂前延伸率大于20％，因此，在复合材料增强层破坏前，钢管已处于屈服阶段，而纤维增强层仍处于低应力状态，增强层的性能不能充分发挥。现有技术(黄再满，等，复合材料天然气气瓶预紧压力的研究[J].玻璃钢/复合材料,2001,(5):29-32)采用预应力的方法，即在缠绕结束后在管内施加压力(预应力)直至钢管发生屈服变形，之后卸载到无压力状态。当预应力卸载后，钢管由于发生塑性变形而不能完全回复，产生了永久变形，因此缠绕层内存在一定的拉伸应力而钢层内存在一定的压缩应力。该方法存在问题是降低了钢管的韧性，从而导致复合材料增强钢管整体止裂韧性下降。
技术实现思路
为了解决现有技术的问题，本专利技术提供了一种复合材料增强钢管及其制造工艺，该工艺采用了优化配方的过渡层与增强层结构，增强层能能够有效分担载荷。该技术适用于在现有较低钢级的管线钢管条件下，提高管线钢承载能力和韧性，提高管体的环向承压能力，达到高压大流量长距离输送的目的。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种复合材料增强钢管，包括从内至外依次设置的基体钢管、过渡层、增强层和外保护层；其中，过渡层的原料按重量百分比计，包括55～65％的中分子量的双酚A型环氧树脂，8～14％的酚醛树脂，0.1～0.4％的2-甲基咪唑，0.5～1.0％的流平剂，0.1～0.3％的消泡剂，1.5～3％的无机颜料以及20～30％的无机填料。本专利技术进一步的改进在于，所述中分子量的双酚A型环氧树脂环氧当量为700～750，软化点为90～100℃，ICI黏度为3000～5000cps/150℃；所述酚醛树脂为对叔丁基酚醛树脂或对叔辛基酚醛树脂；所述无机填料为石英粉、硅灰石、硫酸钡中的一种或两种以上的混合物。本专利技术进一步的改进在于，所述基体钢管为4～40mm厚度的碳钢、不锈钢、镍基合金或钛合金管材；所述过渡层的厚度为100～500μm。本专利技术进一步的改进在于，所述混合树脂由以下甲、乙两组分构成，甲、乙组分重量比为2:1，甲、乙两组分按重量份数计组成如下：甲组分：乙组分：芳香胺固化剂DEDPM35～45份2-乙基-4-甲基咪唑5～10份硅烷偶联剂2～5份。本专利技术进一步的改进在于，所述外保护层的厚度为2～5mm；按重量百分数计，外保护层包括0.02％～0.05％的抗紫外线剂，0.01％～0.03％的耐低温剂，0.05％～0.1％的增塑剂，0.02％～0.05％的阻燃剂，0.02～0.05％的抗氧剂，余量为线型低密度聚乙烯。一种复合材料增强钢管的制造工艺，包括以下步骤：(1)基体钢管表面处理：将基体钢管外表面进行抛丸处理；(2)过渡层的制备：第一步：按重量百分比计，过渡层的原料包括55～65％的中分子量的双酚A型环氧树脂，8～14％的酚醛树脂，0.1～0.4％的2-甲基咪唑，0.5～1.0％的流平剂，0.1～0.3％的消泡剂，1.5～3％的无机颜料以及20～30％的无机填料，采用熔融混合挤出法制备环氧粉末涂料；第二步：采用中频感应电加热方式，将基体钢管温度控制为180～200℃，高压静电喷涂环氧粉末涂料，使涂层厚度为100～500μm；第三步：加热固化；第四步：采用自来水冷却，形成过渡层；(3)增强层的制备：将玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维中一种或两种以上混合纤维，在排布机上排成纤维无纬布或混杂纤维无纬布，平行排布后进入装有混合树脂的胶料槽中，加热胶料槽使混合树脂温度保持在55～65℃之间，在纤维无纬布或混杂纤维无纬布浸渍混合树脂之后缠绕在过渡层外侧2～10层，然后进行固化，形成增强层；(4)外保护层的制备：在增强层的外侧包覆一层厚度为2～5mm的外保护层。本专利技术进一步的改进在于，所述混合树脂由以下甲、乙两组分构成，甲、乙组分重量比为2:1，甲、乙两组分按重量份数计组成如下：甲组分：乙组分：芳香胺固化剂DEDPM35～45份2-乙基-4-甲基咪唑5～10份硅烷偶联剂2～5份。本专利技术进一步的改进在于，外保护层的厚度为2～5mm；按重量百分数计，外保护层包括0.02％～0.05％的抗紫外线剂，0.01％～0.03％的耐低温剂，0.05％～0.1％的增塑剂，0.02％～0.05％的阻燃剂，0.02～0.05％的抗氧剂，余量为线型低密度聚乙烯。本专利技术进一步的改进在于，抗紫外线剂为邻羟基二苯甲酮，耐低温剂为乙二醇碳酸酯，增塑剂为邻苯二甲酸二异葵酯，阻燃剂为氢氧化铝或三氧化二锑。本专利技术进一步的改进在于，所述纤维无纬布或混杂纤维无纬布与基体钢管的轴向呈45～90°夹角缠绕；步骤中固化的温度为160～180℃，固化的时间为15～20分钟；步骤中固化温度从145℃到190℃，采用每隔1h升温15℃的梯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料增强钢管，其特征在于，包括从内至外依次设置的基体钢管(1)、过渡层(2)、增强层(3)和外保护层(4)；其中，过渡层(2)的原料按重量百分比计，包括55～65％的中分子量的双酚A型环氧树脂，8～14％的酚醛树脂，0.1～0.4％的2‑甲基咪唑，0.5～1.0％的流平剂，0.1～0.3％的消泡剂，1.5～3％的无机颜料以及20～30％的无机填料。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料增强钢管，其特征在于，包括从内至外依次设置的基体钢管(1)、过渡层(2)、增强层(3)和外保护层(4)；其中，过渡层(2)的原料按重量百分比计，包括55～65％的中分子量的双酚A型环氧树脂，8～14％的酚醛树脂，0.1～0.4％的2-甲基咪唑，0.5～1.0％的流平剂，0.1～0.3％的消泡剂，1.5～3％的无机颜料以及20～30％的无机填料。2.根据权利要求1所述的一种复合材料增强钢管，其特征在于，所述中分子量的双酚A型环氧树脂环氧当量为700～750，软化点为90～100℃，ICI黏度为3000～5000cps/150℃；所述酚醛树脂为对叔丁基酚醛树脂或对叔辛基酚醛树脂；所述无机填料为石英粉、硅灰石、硫酸钡中的一种或两种以上的混合物。3.根据权利要求1所述的一种复合材料增强钢管，其特征在于，所述基体钢管(1)为4～40mm厚度的碳钢、不锈钢、镍基合金或钛合金管材；所述过渡层(2)的厚度为100～500μm；所述增强层(3)由玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维中一种或两种以上纤维浸渍混合树脂后以交叉方式缠绕在过渡层(2)外侧。4.根据权利要求3所述的一种复合材料增强钢管，其特征在于，所述混合树脂由以下甲、乙两组分构成，甲、乙组分重量比为2:1，甲、乙两组分按重量份数计组成如下：甲组分：乙组分：芳香胺固化剂DEDPM35～45份2-乙基-4-甲基咪唑5～10份硅烷偶联剂2～5份。5.根据权利要求1所述的一种复合材料增强钢管，其特征在于，所述外保护层(4)的厚度为2～5mm；按重量百分数计，外保护层(4)包括0.02％～0.05％的抗紫外线剂，0.01％～0.03％的耐低温剂，0.05％～0.1％的增塑剂，0.02％～0.05％的阻燃剂，0.02～0.05％的抗氧剂，余量为线型低密度聚乙烯。6.一种复合材料增强钢管的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：(1)基体钢管表面处理：将基体钢管外表面进行抛丸处理；(2)过渡层的制备：第一步：按重量百分比计，过渡层(2)的原料包括55～65％的中分子量的双酚A型环氧树脂，8～14％的酚醛树脂，0.1～0.4％的2-甲基咪唑，0.5～1.0％的流平剂，0.1～0.3％的消泡剂，1.5～3％的无机颜料以及20～30％的无机填料，采用熔融混合挤出法制备环氧粉末涂料；第二步：采用中频感应电...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏斌，戚东涛，张冬娜，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油天然气集团公司管材研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11