[发明专利]厚壁复合管及制造方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及用于形成复合部件的方法。更具体而言，本发明涉及一种由复合组分形成厚壁管状部件的方法。且更具体而言，本发明涉及一种用于设计厚壁圆柱形复合压力容器的叠层(laminate)叠置顺序来改善容器结构性能的方法。

背景技术

具有厚壁的管和圆柱形或管状压力容器在其壁中会受到应力，该应力随在壁厚度内的径向位置而变化。图1中示出了应力在整个厚壁圆柱形压力容器上如何分布的实例。这里，纵坐标代表材料应力，而横坐标代表在压力容器壁厚度内的径向位置。如图1中所看到的那样，壁中的最大应力在壁内径处实现，且在接近外壁时应力按指数规律地下降，表明大部分应力都集中在壁的最内部中。因此，厚壁圆柱形压力容器沿内壁比在外壁处显著更接近组成材料的失效点。这导致在增大壁厚度以应对内部压力增加时结构效率较低。内壁区中的材料过度利用，而外壁区中的材料则利用不足。将附加材料加至压力容器外径增加了结构的重量和成本，同时仅少量地提高了其容忍内部压力负载的能力。当容器内部压力负载升高到典型材料强度的较大部分时，这种低效效果就变得相当显著，如在现代高压油气设备中的情况那样。

压力容器或管可通过将嵌在基质材料中的纤维复合物围绕圆柱形心轴放置来由复合材料构成。通常，诸如玻璃、聚芳族酰胺或碳纤维的人造纤维与诸如环氧树脂的聚合物基质相结合。在将纤维和基质的复合物围绕心轴放置之后，复合物固化且然后将所产生的管状结构移离心轴。复合材料可使用多种技术来围绕圆柱形心轴放置，例如丝状体卷绕、纤维放置、编织、拉挤成型或拉绕以及卷包；已用于产生圆柱形或管状复合结构的技术。

图2的简图中示出了现有技术的丝状体卷绕系统的实例。在该实例中，丝状体卷绕系统10包括心轴14水平地设置于其上的框架12。线轴架组件28示为配备有包含进给至心轴14的丝状体32的一系列卷轴或线轴30。这些丝状体32通常为数千条整理好的干纤维束的形式，共同称为丝束。心轴14旋转，同时线轴架组件28在轨道26和相邻旋转心轴14上沿长度方向往复，将丝束32进给并包绕到心轴14上，以便在心轴14上形成材料铺层(ply)或材料层。丝束32与聚合物基质相结合并用于形成复合管24。丝束32在包绕到心轴14上之前穿过树脂槽(bath)38，从而浸有基质材料并形成复合物。通过控制心轴14的旋转速度相对于线轴架组件28的线性往复速度的比例，丝束32可以限定的螺旋角围绕心轴包绕。如相对于圆柱形心轴轴线测量那样，丝状体卷绕过程能够产生在±15°至近乎+90°或-90°范围内的纤维角度。通常，在螺旋卷绕物与环向卷绕物之间会引起差别。在螺旋卷绕层中，心轴旋转，同时线轴架来回重复地往复，最终产生具有由定向为两个互补的相等但相反的±θ°角度的交织丝束所构成的100％覆盖的层。在环向卷绕层中，心轴旋转，同时线轴架沿心轴一次性缓慢横向运动，从而产生以近乎+90°周向包绕或以近乎-90°周向包绕的单一层，而这取决于线轴架的运动方向。

用于形成复合容器和管的其它系统包括纤维放置系统、编织系统、拉挤成型(或拉绕)系统，以及包绕系统。纤维放置系统(未示出)将预浸有树脂的纤维施加到心轴上。编织系统使用分别具有卷轴或线轴的两个或多个托架，托架将纤维从卷轴进给至心轴上，同时使心轴沿相反的方向旋转运动。拉挤成型将干纤维拉过引入树脂的加热模。拉挤成型可与纤维包绕或编织系统相结合。包绕系统将心轴卷在浸渍复合材料的预切片材上，其中片材大致为织造或单向的纤维聚集物(collection)。

图3中所示的侧部简图为使用上文所述的其中一种现有技术来制造现有技术复合管的实例。一系列层或铺层形成管的叠层构造。这些独立铺层中的各个通常由沿单一方向定向的纤维或沿两个互补的±θ正负方向定向的例如由丝状体卷绕或编织层所制成的纤维构成。在基于铺层进行(ply-by-play)的纤维角度的排序称为叠层叠置顺序，且通常以专门用语描述，如±45°/(88°/-88°/±15°)12/±45°。如果应用到由丝状体卷绕工艺制成的管上，则该特定实例将描述管首先包括±45°螺旋卷绕层；接着是一系列12次重复的+88°环向卷绕层、-88°环向卷绕层和±15°螺旋卷绕层；然后最终以±45°螺旋卷绕层结束。

复合结构的叠层叠置顺序通常由结构所承载的预期负载确定，以及由关于结构的可制造性和耐用性的实际考虑确定。例如，轴向对准的纤维将抵消(或平衡)容器或管上的轴向负载，而环向卷绕的纤维将抵消(或平衡)径向负载。然而，如下文所述，障碍(obstacle)阻止了真正轴向对准的纤维(即，～0°)和真正环向卷绕的纤维(即，～90°)。