热塑性复合材料制造技术

一种制造柔性管层的方法，该方法包括：将聚合物细丝和碳纤维细丝混杂以形成紧密混合物，形成混杂细丝的纱线，将纱线形成带，并将带施加到管体上以形成柔性管层。

Thermoplastic Composites

A method for manufacturing flexible pipe layers includes mixing polymer filaments and carbon fiber filaments to form a compact mixture, forming hybrid filament yarns, forming yarn bands, and applying the bands to the pipe body to form flexible pipe layers.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】热塑性复合材料
本专利技术涉及热塑性复合材料和用于形成这种复合材料的方法。特别地，但非排他地，本专利技术涉及由热塑性复合材料形成的柔性管。本专利技术还涉及制造柔性管层的方法。
技术介绍
传统上，柔性管用于将生产流体如油和/或气体和/或水从一个位置输送到另一个位置。柔性管特别适用于将海底位置(其可以是水下深处)连接到海平面位置。柔性管通常形成为柔性管体和一个或多个端部配件的组件。管体通常形成为形成承压导管的层状材料的组合。管结构允许大的变形量而不会产生弯曲应力，弯曲应力损害管在其寿命期间的功能性。管体通常构建为包括金属和聚合物层的组合结构。无连接柔性管已用于深水(小于3,300英尺(1,005.84米))和超深水(大于3,300英尺)的开发。正是由于对石油的需求不断增加，导致勘探发生在越来越大的深度，其环境因素更加极端。例如，在这种深水和超深水环境中，海底温度会增加输送流体冷却到可能导致管堵塞的温度的风险。增加的深度也增加了与其中柔性管必须操作的环境相关的压力。在许多已知的柔性管设计中，管体包括一个或多个压力保护层(pressurearmourlayer)。这些层上的主要载荷由径向力形成。压力保护层通常具有特定的横截面轮廓以互锁，以便能够保持和吸收由管上的外部或内部压力产生的径向力。防止管由于压力而坍塌或破裂的绕线的横截面轮廓有时被称为耐压型材。当压力保护层由形成箍组件的螺旋绕线形成时，来自管上的外部或内部压力的径向力导致箍组件膨胀或收缩，从而在线上施加拉伸载荷。提高载荷响应并因此改善保护层性能的一种方法是由更厚和更坚固且因此更稳健的材料制造层。例如，对于压力保护层，其中层通常由绕线形成，其中相邻的绕组在层互锁中，由较厚的材料制造线导致强度适当地增加。然而，随着使用更多材料，柔性管的重量增加。最终，柔性管的重量可能成为使用柔性管的限制因素。此外，使用越来越厚的材料制造柔性管明显地增加了材料成本，这也可能是一个缺点。
技术实现思路
本专利技术人开发了一种可用于在管周围形成保护层的材料。与通常由缠绕的互锁金属线形成的传统保护层不同，新材料基于热塑性复合材料。根据本专利技术的第一方面，提供了一种制造柔性管层的方法，该方法包括将聚合物细丝和碳纤维细丝混杂以形成紧密混合物，形成混杂细丝的纱线，将纱线形成带，并将带施加到管体上以形成柔性管层。根据本专利技术的另一方面，提供了一种热塑性复合材料，其包括含氟聚合物细丝和碳纤维细丝，其中所述含氟聚合物细丝和所述碳纤维细丝混杂以形成紧密混合物，并且其中所述含氟聚合物具有40至80g/10min范围内的熔体流动指数(230℃/2.16kg)。上述热塑性复合材料可以形成为带。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种柔性管，其包括至少一个管层，该管层由如前文描述的复合材料带形成或可由其获得。本专利技术还提供一种包括管层的柔性管，其包括由包含聚合物和碳纤维的热塑性复合材料形成的第一区域，其中碳纤维以第一浓度存在，和由(i)包含聚合物和碳纤维的热塑性复合材料，其中碳纤维以第二浓度存在；或(ii)基本上由聚合物组成的聚合物组合物形成的第二区域。根据本专利技术的又一方面，提供一种制造如本文描述的热塑性复合材料的方法，其包括将聚合物细丝和碳纤维细丝混杂以形成紧密混合物。混杂的聚合物细丝和碳纤维细丝可以形成为纱线。几根纱线可以彼此相邻地布置以形成纱线组件(assembly)，然后将其压缩以形成带。带可以缠绕在管体上以形成管状管层。然后，可以加热管状管层以熔化碳纤维细丝周围的聚合物细丝以形成含氟聚合物基质。所得结构可以是柔性管层，例如压力保护层。本专利技术人发现，通过混合聚合物细丝和碳纤维细丝，可以生产聚合物细丝和碳纤维细丝的紧密混合物。此外，通过选择具有特定熔体流动指数的聚合物，例如熔体流动指数(230℃/2.16kg)在40至80g/10min范围内的含氟聚合物，可以在聚合物和碳纤维之间获得足够的粘合力。通过改善碳纤维在整个聚合物基质中的分散和碳纤维与聚合物之间的粘合性，可以改善所得复合材料的最终机械性能。因此，本专利技术允许生产热塑性复合材料，其可用于形成压力保护层，该压力保护层具有足够的机械强度以保持和吸收柔性管上的径向或轴向力。同时，例如，当与通常用于形成保护层且特别是现有技术中的压力保护层的金属线相比时，复合材料相对较轻。如前文的描述，混杂细丝可以形成为纱线。几根纱线可以彼此相邻地布置以形成纱线组件，然后将其压缩以形成带。通过将具有不同碳浓度的纱线布置为彼此相邻，可以生产具有不同碳纤维浓度的区域的带。这种带可缠绕在管体上以形成管状层，然后加热以使聚合物软化或熔化在碳纤维细丝周围。这允许具有包含不同浓度的碳纤维的区域的柔性管层作为整体结构。因此，混杂技术能够根据需要通过设计改变和控制管层的机械性能。设计方面很重要，因为复合材料中的纤维浓度的变化使用常规技术可能是不可避免的，然而这些浓度变化是非预期的或不受控制的，因此不能依赖于设计目的。因此，根据本专利技术的复合保护层也是复合材料管设计技术的重要改进。聚合物可以使用任何合适的聚合物来形成本专利技术的热塑性复合材料。在一个实施方式中，聚合物是含氟聚合物。合适的含氟聚合物包括全氟烷氧基烷烃(PFA)、聚(乙烯-共-四氟乙烯)(ETFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)和聚偏二氟乙烯(PVDF)，或这些聚合物中的至少两种的合金。优选地，含氟聚合物是PVDF或包含PVDF的合金。本领域技术人员还将认识到，也可以按照本专利技术的指导使用替代聚合物。例如，非含氟聚合物材料如聚醚醚酮(PEEK)或聚酰胺(例如PA-11或PA-12)也可用作复合材料层的基质材料，设计和制造通过和沿着层具有不同的性质。在一个实施方式中，可以使用至少一种含氟聚合物和至少一种非含氟聚合物的组合。优选地，聚合物是含氟聚合物，其包含均聚物。优选地，均聚物是PVDF等级。含氟聚合物可具有40至80g/10min范围内，优选为50至75g/10min范围内的熔体流动速率(230℃/2.16kg)。在一个实施方式中，含氟聚合物具有60至70g/10min范围内的熔体流动指数.熔体流动速率可使用ASTMD1238、ISO1133测量。含氟聚合物或含氟聚合物合金可具有1.5-2.1g/cm3范围内的密度。其它聚合物类型当然具有适合于那些材料的不同熔体流动速率和密度。例如，PEEK可具有1.1-1.5g/cm3的密度。聚酰胺的密度可以在0.9-1.5g/cm3的范围内。碳纤维碳纤维可具有3000至12000的丝束尺寸(towsize)。合适的碳纤维细丝以商标TorayT700或MitsubishiGrafil34或HexTowAS4或TenaxHTS40出售。热塑性复合材料热塑性复合材料包括混杂的聚合物细丝和碳纤维细丝。优选地，聚合物细丝可以是含氟聚合物细丝。聚合物细丝可以占复合材料中的聚合物细丝和碳纤维细丝的总重量的30至95wt％，优选为40至65wt％。在一个实施方式中，聚合物细丝占聚合物细丝和碳纤维细丝的总重量的45至60wt％，优选为50至55wt％。混杂细丝可以通过用压缩气体(多种气体)(例如压缩空气)在细丝水平下搅拌纤维来形成。这可能导致形成紧密混合或混杂纤维的单头粗纱。或者，可以使用布置为混合纤维的一系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造柔性管层的方法，所述方法包括：将聚合物细丝和碳纤维细丝混杂以形成紧密混合物，形成混杂细丝的纱线，将所述纱线形成带，并且将所述带施加到管体上以形成柔性管层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.30 GB 1616706.61.一种制造柔性管层的方法，所述方法包括：将聚合物细丝和碳纤维细丝混杂以形成紧密混合物，形成混杂细丝的纱线，将所述纱线形成带，并且将所述带施加到管体上以形成柔性管层。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物细丝包含含氟聚合物，并且其中所述聚合物具有50至80g/10min范围内的熔体流动指数(230℃/2.16kg)。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述含氟聚合物具有60至70g/10min范围内的熔体流动指数(230℃/2.16kg)。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中碳细丝具有3000至12000的丝束尺寸。5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中所述含氟聚合物选自全氟烷氧基烷烃(PFA)、聚(乙烯-共-四氟乙烯)(ETFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)和聚偏二氟乙烯(PVDF)中的至少一种。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物是聚醚醚酮(PEEK)或聚酰胺(PA-11或PA-12)。7.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中所述聚合物以所述聚合物和碳纤维的总重量的30至70wt％的量存在。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用压缩气体或一系列梳子将所述细丝混杂以形成细丝的所述紧密混合物。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述纱线压缩或挤压以形成带。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：将具有第一碳纤维浓度的第一纱线区域布置为与具有第二碳纤维浓度的第二纱线区域相邻，和压缩或挤压所述第一纱线区域和所述第二纱线区域以形成带，从而所述带具有第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一碳纤维浓度，所述第二区域具有第二碳纤维浓度。11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，还包括：将含有碳纤维的第一纱线区域布置为与基本上由聚合物组成的第二纱线区域相邻，和压缩或挤压所述纱线以形成带，从而所述带具有包含碳纤维的第一区域和基本上由聚合物组成的第二区域。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括围绕所述管体缠绕所述带，并加热缠绕的带，使得所述聚合物细丝围绕碳细丝熔化以形成聚合物基质。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述管体包括挤压的管状聚合物层。14.一种热塑性复合材料，包含含氟聚合物细丝和碳纤维细丝，其中所述含氟聚合物细丝和所述碳纤维细丝混杂以形成紧密混合物，并且其中所述含氟聚合物具有50至80g/10min范围内的熔体流动指数(230℃/2.16kg)。15.根据权利要求14所述的复合材料，其中所述含氟聚合物具有60至70g/10min范围内的熔体流动指数(230℃/2.16kg)。16.根据权利要求14或15所述的复合材料，其中碳细丝具有3000至12000的丝束尺寸。17.根据权利要求14至16中任一项所述的复合材料，其中所述含氟聚合物选自全氟烷氧基烷烃(PFA)、聚(乙烯-共-四氟乙烯)(ETFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)和聚偏二氟乙烯(PVDF)中的至少一种。18.根据权利要求14至...

【专利技术属性】
技术研发人员：马吉德·阿尔苏巴伊迪，内维尔·多德斯，维尼特·嘉，詹姆斯·拉托，大卫·芬奇，
申请(专利权)人：GE油气英国有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB