玻璃纤维管接合方法及系统

摘要

一种增强热固性树脂(RTR)管的接合系统，包括：第一RTR管，其具有插端部，该插端部包括第一接合面；第二RTR管，其具有成形以纳入该插端部的插口部，该插口部具有第二接合面；以及，第一接合面与第二接合面之间的空腔，将插端部推压配合进入插口部时形成该空腔；以及可注射/可固化材料，其置于空腔中。另外，一种RTR管的接合方法，包括以下步骤：将第一管的插端部推压配合进入第二管的插口部，在插端部与插口部之间形成空腔；将接合复合物注入空腔；以及固化该接合复合物。

权利要求

1.一种增强热固性树脂(RTR)管的接合系统，包括：

第一RTR管，其具有插端部，所述插端部包括第一接合面，所述第一接合面包括外凹槽；

第二RTR管，其具有成形以纳入所述插端部的插口部，所述插口部具有第二接合面，所述第二接合面包括内凹槽；以及所述第一接合面与所述第二接合面之间的空腔，将所述插端部推压配合进入所述插口部，直至所述插端部的第一接合面与所述插口部的第二接合面相邻接时形成所述空腔，其中，所述第二接合面的所述内凹槽对齐于所述第一接合面的所述外凹槽，以形成在所述第一接合面与所述第二接合面之间延伸的所述空腔；

其中，所述空腔与所述内凹槽和外凹槽的开始处以及所述内凹槽和外凹槽的结束处对齐，并布置于所述内凹槽和外凹槽的开始处以及所述内凹槽和外凹槽的结束处；以及可注射/可固化材料，其置于所述空腔中，其中，所述可注射/可固化材料围绕所述内凹槽以及所述外凹槽的周线从所述空腔的第一端流至所述空腔的第二端。

2.根据权利要求1所述的接合系统，进一步包括电阻丝，其敷设于所述第一接合面和所述第二接合面中的至少之一。

3.根据权利要求1所述的接合系统，进一步包括第一密封件，其在所述第一RTR管与所述第二RTR管之间形成密封。

4.根据权利要求3所述的接合系统，进一步包括第二密封件。

5.一种增强热固性树脂(RTR)管的接合方法，包括以下步骤：设置第一RTR管，其具有插端部，所述插端部包括第一接合面，所述第一接合面包括外凹槽；

设置第二RTR管，其具有成形以纳入所述插端部的插口部，所述插口部具有第二接合面，所述第二接合面包括内凹槽；

将所述第一管的所述插端部推压配合进入所述第二管的所述插口部，直至所述插端部的第一接合面与所述插口部的第二接合面相邻接，在所述插端部与所述插口部之间形成空腔，其中，所述第二接合面的所述内凹槽对齐于所述第一接合面的所述外凹槽，以形成在所述第一接合面与所述第二接合面之间延伸的所述空腔；

将接合复合物注入所述空腔；

在所述第二管的顶部形成顶孔，通过所述顶孔将所述接合复合物注入并靠重力或压力送料进入所述空腔中；

在所述第二管中形成第二孔；

对所述第二孔施加真空，以保证所述接合复合物完全填满所述空腔；以及固化所述接合复合物，其中，所述接合复合物围绕所述内凹槽以及所述外凹槽的周线从所述空腔的第一端流至所述空腔的第二端。

6.根据权利要求5所述的接合方法，进一步包括

在所述第二管的插口部中形成第二孔，其中，所述第二孔位于所述插口部的竖向最高点，使得注入的所述接合复合物完全填满所述空腔，以及，过量的接合复合物从所述第二孔流出。

7.根据权利要求5所述的接合方法，进一步包括以下步骤：

向所述接合复合物施加热量。

8.根据权利要求7所述的接合方法，其中，由电阻丝实现向所述接合复合物施加热量。

9.根据权利要求5所述的接合方法，其中：

所述接合复合物是可注射接合复合物，其中，在位于所述第二管的所述插口部的顶部的孔中，注射所述可注射接合复合物，从而，填充由所述第一接合面和所述第二接合面形成的所述空腔。

10.一种增强热固性树脂(RTR)管的接合系统，包括：

第一RTR管，其具有第一插端部，所述第一插端部包括第一接合面，所述第一接合面包括外凹槽；

第二RTR管，其具有第二插端部，所述第二插端部包括第二接合面，所述第二接合面包括外凹槽；

联结器，其在第一端具有第一插口部，以及在第二端具有第二插口部，其中，所述第一插口部的内接合面与所述第二插口部的内接合面包括内凹槽；

第一空腔，其位于所述第一接合面与所述第一插口部之间，将所述第一插端部推压配合进入所述第一插口部，直至所述第一插端部的第一接合面与所述联结器的所述第一插口部的内接合面相邻接时形成所述第一空腔；

第二空腔，其位于所述第二接合面与所述第二插口部之间，将所述第二插端部推压配合进入所述第二插口部，直至所述第二插端部的第二接合面与所述联结器的所述第二插口部的内接合面相邻接时形成所述第二空腔；

可注射/可固化材料，其置于所述第一空腔与第二空腔中，其中，所述可注射/可固化材料围绕所述内凹槽以及所述外凹槽的周线从所述第一空腔的第一端流至所述第一空腔的第二端，以及从所述第二空腔的第一端流至所述第二空腔的第二端。

11.根据权利要求10所述的接合系统，其中，所述第一插端部的所述第一接合面的所述外凹槽对齐于所述第一插口部的所述内接合面的所述内凹槽，以形成在所述第一接合面与所述第一插口部的所述内接合面之间延伸的所述第一空腔；以及其中，所述第二插端部的所述第二接合面的所述外凹槽对齐于所述第二插口部的所述内接合面的所述内凹槽，以形成在所述第二接合面与所述第二插口部的所述内接合面之间延伸的所述第二空腔。

说明书

玻璃纤维管接合方法及系统

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 这是一件非临时申请，根据35USC 119(e)，要求以2011年11月28日提交的美国临时专利申请No.61/564,046为优先权，该申请的全部内容在此以引用方式并入本文。

技术领域

[0003] 本发明涉及玻璃纤维管的接合系统及方法。在一种非限制性的特定实施例中，在高压应用中使用本发明的玻璃纤维管的接合方法及系统。

背景技术

[0004] 近年来，复合材料越来越多地应用为特殊结构应用的材料。此趋势的一种令人关注的实施例是在航空航天工业中，其中复合材料构成最新商用飞机(例如，波音777和空客350-900)材料的50％以上。航空航天工业中相关的复合材料应用包括机翼、机身、以及机尾。

[0005] 在油田领域也存在类似的趋势，例如，在中东，近几十年来涂层钢板已经成为主导的管材。随着时间推移，该区域的油田日益枯竭，因此，要求注水来维持储层压力、并且保持开采以达到所要求的水平。这种注水增加了采出液的含水率(water-cut)，得到具有很强腐蚀性的混合物，这会在钢管中导致大范围的内外腐蚀，如图1中所示。为此，逐渐发现可采用增强热固性树脂(RTR)管(其为高耐腐蚀性的材料)作为替代管材，用于采出液和注入水的输送。

[0006] 除了耐腐蚀性，RTR管还具有许多附加优点，例如其高耐用性、高强度-重量比、以及光滑的内表面。由于具有后一种优点，与更传统的材料相比，RTR管或RTRP提供了明显减小的流阻。通过避免泄漏，RTRP的应用还提高了系统的可靠性，从而降低了寿命周期成本。由于其本身为轻重量组成并在低压应用中通常容易进行接合，还明显降低了RTRP的安装成本。

[0007] 据此，期望成功设计、制造并鉴定(qualification)能耐受这些类型应用所需高压的RTR管机械接头。

发明内容

[0008] 发明内容部分的描述是为了提供关于本发明一些方面的基本理解。本发明内容部分不是广泛综述，并不旨在标识关键/重要组成部分或者描绘本发明的范围。其目的是以简化形式给出一些概念，下文再进行更具体的描述。

[0009] 本发明一个方面是一种增强热固性树脂(RTR)管的接合系统，包括：第一RTR管，其具有插端部，该插端部包括第一接合面；第二RTR管，其具有成形以纳入该插端部的插口部，插口部具有第二接合面；以及，第一接合面与第二接合面之间的空腔，将插端部推压配合进入插口部时形成该空腔；以及可注射/可固化材料，其置于空腔中。

[0010] 本发明另一方面是一种增强热固性树脂(RTR)管的接合方法，包括以下步骤：将第一管的插端部推压配合进入第二管的插口部，在插端部与插口部之间形成空腔；将接合复合物注入空腔；以及固化接合复合物。

[0011] 根据另一方面，提供了一种玻璃纤维管接合方法，包括：将第一玻璃纤维管推压配合进入第二玻璃纤维管，在第二玻璃纤维管的顶部钻出顶孔，以及，将接合复合物注入底孔，使得第一管与第二管之间的空腔都被接合复合物填满。

[0012] 根据另一方面，提供了一种玻璃纤维管高速接合系统，包括：第一玻璃纤维管，其具有插端部；第二玻璃纤维管，其具有承口部和在其承口的顶部位置钻开的顶孔；以及可注射接合复合物，其中，将第二玻璃纤维管配合进入第一玻璃纤维管，并将接合复合物注入底孔，以使第一玻璃纤维管和第二玻璃纤维管牢固地接合。

[0013] 根据另一方面，提供一种玻璃纤维管接合方法，包括：将第一玻璃纤维管和第二玻璃纤维管推压配合进入联结器玻璃纤维管的相反端部；在联结器玻璃纤维管的顶部钻出顶孔；以及，将接合复合物注入底孔，使得联结器与第一管和第二管之间的空腔都被接合复合物填满。

[0014] 根据另一方面，提供一种玻璃纤维管高速接合系统，包括：第一玻璃纤维管，其具有插端部；第二玻璃纤维管，其具有插端部；联结器，其具有与两个插端部的每一个相匹配的成型部、以及在其成型部的顶部位置处钻开的顶孔；以及可注射接合复合物，其中，将第一玻璃纤维管和第二玻璃纤维管配合进入联结器玻璃纤维管，并将接合复合物注入底孔，以用联结器玻璃纤维管使第一玻璃纤维管和第二玻璃纤维管牢固地接合。

附图说明

[0015] 图1A～图1B示出由于高含水率导致的钢管系统内外腐蚀；

[0016] 图2A～图2C示出适合于石油生产应用的多种RTR管接头；

[0017] 图3A～图3D示出玻璃纤维管示例制造过程中的一些步骤；

[0018] 图4是注入式接头的横截面图；

[0019] 图5是示出实现图4注入式接头的示例注射处理系统的剖视图；

[0020] 图6是注射孔布置的说明性示例；

[0021] 图7描绘用于示例注射过程的连接的示例结构；

[0022] 图8描述完成注射的示例；

[0023] 图9是用于高压应用的示例注入式机械接头的剖视图；

[0024] 图10示出实现具有整体注入式机械接头的DN300 PN160玻璃纤维管的示例制造和接合处理中的一些步骤；以及

[0025] 图11示出实现具有联结器注入式机械接头的DN600 PN80玻璃纤维管的示例制造和接合处理的一些步骤。

具体实施方式

[0026] 概述

[0027] 表1中说明了RTRP相比于其它更传统材料具有竞争性的特性。应当注意到，“玻璃纤维管”的组成由关于玻璃纤维增强热固性树脂管的ASTM D 2310限定。据此，术语“RTRP”、“RTR管”和“玻璃纤维管”在本文中可互换使用。

[0028] 表1：增强热固性树脂管(RTRP)具有竞争性的特性

[0029]

[0030] 增强热固性树脂(RTR)管

[0031] 过去的五十年中，RTR管技术得到发展，生产出的材料现在提供了优于传统使用管道材料的可替代规格管道系统。随着下游石化产品的开发，RTR管产品首先出现在20世纪50年代。自20世纪70年代以来，该技术已经发展到使RTR能用作管道材料的选择，或者用作某些应用的可行替代品。

[0032] 制造

[0033] RTRP通常由长丝缠绕工艺生产。此工艺涉及将处于受控张力下的玻璃纤维长丝缠绕在钢芯轴上。芯轴旋转同时滑架水平移动，按期望图案敷设增强纤维。缠绕长丝时，用合成树脂涂覆并浸渍长丝。一旦芯轴被完全覆盖达到期望厚度，将芯轴放置在烘箱中，以固化或固着树脂。一旦树脂固化，将芯轴除去，留下中空的最终产品。

[0034] 长丝缠绕非常适合于自动化，此时能精细地控制长丝的张紧和放置。长丝的取向也能得到精细控制，使得后继层以与先前层不同的方式叠放或取向。纤维敷设的角度决定最终产品的性能。例如，高角“卷绕”会提供抗碎强度，而低角“闭合”或“螺旋”图案会提供更大的抗张强度。对于特定压力应用，管通常是以标称±55度角螺旋形缠绕，以优化强度与重量比。使用该技术制造的其它产品包括高尔夫球杆、管、船桨、自行车前叉、输电线杆、导弹外壳的压力容器、飞机机身、灯柱、以及帆船桅杆，等等。

[0035] 在长丝缠绕接头配件的情况下，生产工艺略有不同。将长丝在张力下缠绕在钢模上，该钢模具有所要生产接头配件的内部尺寸。模具可以旋转或保持在固定位置；在后一种情况下需要旋转台，其能围绕模具缠绕增强材料。一旦模具芯轴被完全覆盖达到所需厚度，将芯轴放置在烘箱中，以固化或固着树脂。一旦树脂固化，将模具芯轴除去，留下中空的最终产品。

[0036] 应用

[0037] RTR管具有在大量终端市场内用于多种应用的能力。海湾阿拉伯国家合作委员会(GCC)成员国是世界上最快增长的RTR管市场。这个市场增长得到的支持，不仅在于RTRP已经拥有相当大市场份额的终端市场中的强劲增长，而且在于该地区用这种材料取代其它更传统管材获得了广泛认可。表2中提供了RTRP的选定终端市场以及典型应用。其中，这些选定终端市场以及典型应用包括石油和天然气生产、输水和配水、基础设施和市政、工业和石油化工、海水淡化和发电、以及海事和岸架市场。

[0038] 表2：RTR管的终端市场和应用

[0039]

[0040] 适用产品标准

[0041] 多年来已经制订了关于玻璃纤维管使用的多项国际规范和最终用户的专门规范。表3中提供了石油开采应用中采用RTRP的大多数相关国际标准。

[0042] 表3：相关国际标准

[0043]规范 名称
API 15HR 高压玻璃纤维管线管的规范
API 15LR 低压玻璃纤维管线管和接头配件的规范
ISO 14692 石油及天然气工业-玻璃纤维增强塑料(GRP)管道
AWWA M45 玻璃纤维管道设计

[0044] 除了这些国际标准，关于RTRP在石油开采中的应用还有大量终端用户特定标准。大型的国家和国际石油公司(如Aramco、ADCO、壳牌、BP等)通常也有其自己的标准，主要是基于国际标准中所规定的既定原则。

[0045] 用于石油开采管线的RTR管

[0046] 本发明人一直处于推广和实施这些材料用于石油开采应用的最前沿。自20世纪90年代初以来，本发明人用中压(高达50巴)RTR管系统在GCC地区获得了大量经验。仅仅过去的十年中，本发明人已经为中东地区的油田应用安装了超过500千米的DN200-DN500环氧树脂增强中压管。

[0047] RTR管设计

[0048] RTR管组件通常按内部压力评级。标准通常描述一种基于短期和长期静水压力鉴定试验的压力评级方法。压力评级进一步涉及对设计寿命、工作温度、安全系数、以及管线或管道系统设计因素进行的设定。由于做出了不同设定，制造商对其产品使用的标称压力评级在制造商与制造商之间会有所不同。

[0049] 为了克服这一点，已经定义了一种排除设计和安全因素的长期强度。ASTM D 2992中描述了一种被普遍接受的过程，以确定RTR的长期强度。此标准对超过10,000小时(约14个月)试验期间所获得的强度回归数据进行评估。该标准建立一种过程，用于获得长期(典型为20年的设计寿命)静水压力(LTHP)、长期静水应力(LTHS)、以及它们各自的置信界限LCLpressure和LCLstress。应当注意到，管组件必须在设计温度或更高温度下进行试验。为了实现故障数据的充分分布，完成长期试验所需的总时间通常超过两年。为了实用性，并限制涉及的时间和成本，这些试验通常只在小口径管(典型为DN 50至DN 250)上进行。

[0050] 使用为20年设计寿命导出的LCLstress值，所需要的管壁厚度可以如算式1导出。

[0051] (算式1)   

[0052] 其中：

[0053] tR＝RTR管的增强壁厚[毫米]

[0054] ID＝RTR管的内径[毫米]

[0055] LCLstress＝长期静水应力的置信下限[兆帕]

[0056] PN＝RTR管的设计压力[巴]

[0057] Sf＝安全系数[无单位]

[0058] 安全系数(Sf)通常是1.5，但是，在下述情况下根据需要可以增大该安全系数(Sf)：循环压力变化，管的弯曲超过制造商建议的最小弯曲半径，高热负荷，交叉路口处所要求的额外安全性，安装类型(例如，在地上相比于在地下)，等等。在相关国际标准如API 15HR和ISO 14692中，可获知用于确定Sf合理估计值的建议方式。

[0059] 除了增强壁厚，RTR管通常还具有约0.5毫米的富树脂内衬、以及约0.3毫米的富树脂表层涂层。内衬作用为RTR管的附加的腐蚀阻挡层，以及，表层涂层作用为保护外层，其抵抗紫外线老化，并允许在管的处理期间出现表面划痕。因此，总管壁厚由算式2给出。

[0060] (算式2)   tT＝tR+tL+tC

[0061] 其中：

[0062] tT＝RTR管的总壁厚[毫米]

[0063] tR＝RTR管的增强壁厚[毫米]

[0064] tL＝RTR管的内衬厚度[毫米]

[0065] tC＝RTR管的表层涂层厚度[毫米]

[0066] 接头选择

[0067] 自20世纪90年代初以来，随着胶合接头的使用，本发明人在GCC油田已经获得了非常好的经验，参见图2A。对于低压至中压(典型高达50巴或725磅/平方英寸)，这些类型的接头是很好的选择。如表4中所示，过去10～15年为该地区的石油开采安装的这些类型接头已经超过600千米。根据需要，使用图2B中所示的法兰连接构成与钢部件的连接。

[0068] 表4：关于GCC地区中压RTRP项目的参考目录

[0069]

[0070]

[0071] 本发明人还开始在该地区的石油开采中推行高压RTR管(高达2,000磅/平方英寸)。许多用户已经接受了这种新技术，并且数个试点项目已经成功安装，如表5中所示。

[0072] 表5：关于GCC地区高压RTRP项目的参考目录

[0073]

[0074]

[0075] 用于这些较高设计压力的优选接合系统是API 5B螺纹接头，参见图2C，无论是管线管还是井下应用，其在石油领域已获得了很长时间的使用验证。在API规范5B-Specification for Threading,Gauging and Thread Inspection of Casing,Tubing,and Line Pipe Threads,15th Edition,2008中提供了更多信息，该规范以引用方式并入本文。

[0076] 然而，如上述讨论和事实所证明的，油田应用中所使用的现有RTR管在能力方面还有差距和局限。从压力和直径的方面看，这些局限最为明显。相对于“压力标称”(PN)或标称压力等级、以及“直径标称”(DN)或标称管径，在表6中概略描述了这些限制。

[0077] 表6：RTR管接头的典型限制

[0078]

[0079] 须注意的是，设计压力中这些限制主要是由于接头性能方面的限制。特别地，与接头相比，管体通常在高得多的压力下生产并且进行鉴定。

[0080] 显然，上述讨论表明，高压下的接头性能是油田应用中RTRP适用性的最大限制因素。与之相比，钢管可以设计并应用于高得多的压力，如表7所示。

[0081] 表7：钢铁管接头的典型限制

[0082]

[0083]

[0084] 由于RTR管的材料性质在许多方面都优于钢管，显然，相比于钢管的接合，RTR管的接头是个问题。钢管的传统接合包括焊接或者螺纹管及接头配件。钢管的焊接相对简单，但也费时且成本高。对于钢管线的长期性能，焊接的质量是决定性的，并且焊工的焊接技能和经验非常重要。钢管焊接的典型焊接速度约为每小时0.25～0.5米；所以，焊接DN 300钢管将花费至少2～4个小时。在石油和天然气典型应用中，通常使用X-射线或超声波检查焊接。此超声波或X射线检查进一步增加了实现这种接合的已经非常高的成本，并且还增加了实现钢管接合所需的时间。

[0085] 另外，通常优选在焊接之前给钢管内部施加保护涂层，以减少腐蚀。在进行焊接之前必须使该涂层完全固化，当然，检查步骤推迟了接合过程。此外，焊接区域通常仍对腐蚀敏感，特别是在完成焊接之后无法涂覆的管线内侧。最后，焊接过程中的任何差错都会要求整个过程重新开始。

[0086] 螺纹管及接头配件，特别是对于镀锌水管，总是用于维修或用在专门接头配件(如法兰接头配件)上，但它不是优选的安装。使用螺纹接头配件有许多缺点，其中之一是镀锌管和接头配件很难修理。镀锌管及接头配件开始破裂时，泥沙和铁锈在管道内积聚，使管道内径缩小。如果需要进行修理，修理管道的人员常常发现受损管道比原先预期的更多。此外，在螺纹管和接头配件上进行修理，需要对管进行切割和车螺纹的设备；如果没有这种设备，维修人员必须具有能够进行正确测量的技能，然后将测量结果转发给能够对管进行切割并车螺纹的加工方。测量中的任何不精确都会影响操作，并导致损失时间、金钱以及糟糕的客户关系。

[0087] 此外，在老化的钢管系统中，融粘在一起且极难拆卸的螺纹接头配件并不少见。这通常涉及在维修的大致区域中切割管道，并且找到能使该管道退出的接头配件，或者切割靠近该接头配件的管道并封盖余留的管道。

[0088] 另一种接合系统是机械接头，或者以利用橡胶垫片压缩来确保水密密封的联结方式来接合管道或接头配件的方法。机械接头的两种示例是法兰管与接头配件、以及带有联结器或接头配件的凹槽管，联结器或接头配件具有橡胶垫片，橡胶垫片位于凹槽内并且被压缩，填充凹槽并密封接头。

[0089] 理论上，容易对机械接头应用进行维修。这些都是高压接头配件因而它们的公差较高；并且操作者可以相对容易地安装直径非常大的管道及接头配件。然而，需要相当高的技能水平来制备并安装这种管道以及随附接头配件。例如，安装用于凹槽管的机械接头配件比较容易，但管道的测量以及开槽需要一些专门技术(take some know how)，而法兰管、芯件以及法兰接头配件需要非常高的技能水平来执行新的安装或维修。此外，接头配件沉重、庞大、并且昂贵，以及，对其进行修理是劳动密集型操作。

[0090] 因此，可以得出结论，对于RTR管来说，为了在更宽范围与钢管竞争，需要提高玻璃纤维管系统的压力等级。由于接头性能是提高压力等级的限制因素，RTR管制造商内部的开发通常集中于制造能应对这些高压的可用接合系统。

[0091] 迄今为止，虽然能使用带有机械接头配件的非钢管或塑料管，但其安装所需的技能水平较高，并且尚未开发出优良的接合系统。通过能应对高压的RTR管接合系统，可以提供“两全其美”的方案，使用可接受的优选材料，在高压下具有长期性能。

[0092] 实施例1

[0093] 本发明提供一种用于玻璃纤维管的机械注入式接头，其允许所得到的管具有更大的PN、DN以及操作温度参数。将两个管安装在一起，使得一个管内径的锥度允许第二管适配在其中，同时在之间留有空间或空腔。在外管中形成注射口和通道，使得接合材料或化合物能注入该注射口和通道，以填充该空间或空腔，在两管之间形成牢固的机械接头。

[0094] 实施例2

[0095] 图3A～图3D示出适合通过本文披露系统和方法进行接合的玻璃纤维管示例制造过程中的步骤。首先，相对于内(凹状)(插口)管端，在现有设备上进行缠绕，如图3A所示。在现有管芯轴上使用橡胶型材(rubber profile)来成形承口或插口的内部，使得缠绕之后的管具有整体式承口或插口。具有承口或插口的玻璃纤维管的非限制性示例示于图3B中。图3C示出了带有橡胶型材的管芯轴的另一示图，该橡胶型材用于形成带有内凹槽的承口或插口。可替代地，也可以在使管脱模之后，将凹槽加工成承口的形状。在车床上加工出对应的(外(凸状))插端，以在接合面上形成凹槽，如图3D中所示。因此，可以使用现有生产设备，完成接头的制造加工。据此，除了在典型玻璃纤维管工厂已经存在的设施之外，不需要额外的大型设施来生产用于玻璃纤维管的这类管接头。

[0096] 实施例3

[0097] 注入式接头的横截面图示于图4中。接头包括外(插端)管端和内(承口或插口)管端。承口部具有包括凹槽的内接合面，以及，插端部具有包括凹槽的外接合面。通过将插端推压进入插口装配成接头，这也称为“推压配合”。接头装配后，插端部的接合面和承口部的接合面形成空腔，向空腔中注射接合复合物并使其固化，以形成注入式机械接头。

[0098] 与需要较大扭矩进行装配的螺纹管接头例如API 5B螺纹接头进行比较时，推压配合是这种设计的特别方面。虽然对于较小直径可以用手来产生API 5B螺纹接头所需的扭矩，但对于超过8英寸的直径，则需要重型液压设备。这种设备在管沟中难以进行操纵，因此，螺纹管接头设计并不总是合适或可行。与之相比，这种推压配合设计在装配期间不需要使管旋转，也不需要使用重型机械或设备例如动力钳来装配玻璃纤维管接头。据此，至少这种推压配合步骤实现了成本和时间上的节省。

[0099] 接头的密封件可以包括橡胶密封环、或结构粘合剂。橡胶可以由多种化合物制成，包括例如NBR(丁腈橡胶)、EPDM(三元乙丙橡胶)、Viton(维通橡胶)、硅橡胶等。化合物的选择通常取决于所输送的介质以及应用温度。在本发明范围内还可以考虑：在接合的玻璃纤维管中不使用O形环，以及，接合复合物形成密封。

[0100] 如果使用粘性密封剂，在接头装配之前，可以将该材料施加到插口中和插端上的可施加区域。在接头装配期间，配合面将压缩、散布、并压紧粘合剂，以形成防漏密封。粘合剂可以包括许多材料的任何一种或它们的组合，这些材料包括但不限于环氧树脂、乙烯基酯、聚酯、聚氨酯、丙烯酸甲酯、或硅酮类粘合剂。也可以使用其它类型的粘合剂，只要它们通过试验合格即可。在本发明范围内还可以考虑：O形环与粘合剂的组合来形成防漏密封。

[0101] 接合带或紧绳千斤顶(come-along-jacks)通常用来将接头拉在一起，并保持其处于适当位置。如果使用粘合剂作为密封剂，需要一定时间以使其固化；实际时间周期取决于所使用密封剂的类型。在粘合剂固化的同时，插端中从插口伸出的区域(图4中标记为压力密封)也需要进行密封以建立真空密封室。压力密封所使用的密封剂可以与插端前部所使用的粘合剂相同，或者是在注射过程期间能维持压力和/或真空的替代密封材料、或任何其它类型的密封或衬垫(例如，橡胶O形环)。

[0102] 一旦密封剂和粘合剂材料已经固着，用0.8～1巴的空气压力给腔室加压，以检查密封是否有泄漏。如果压力不能维持，那么这就是有泄漏的指示。在这种情况下，检查压力密封区域并重新密封。如果这不能解决问题，则在插端前部的密封很可能不是气密的，接头需要再次分开，并且再重头开始该过程。

[0103] 一旦压力密封保持，则接头可进行后续注射。注入的接合复合物可以包括环氧树脂、硬化剂以及填料的混合物。对于非限制性示例，可以使用双酚A(BPA)环氧树脂、IPD硬化剂、以及磨碎的玻璃填料。一种可用的混合物组分包括100份(重量)双酚A(BPA)环氧树脂、24份IPD硬化剂(尤其，可以使用Evonik Degussa IPD环氧树脂固化剂，等
等)、以及31份磨碎的玻璃填料。虽然已经发现这种混合物具备所需的要求强度，但其它混合物也可产生所要求的强度。通过将磨碎的玻璃逐渐混入双酚A环氧树脂，直至使组分完全混合，制备该混合物。最后，将IPD硬化剂加入到该混合物中。

[0104] 通过在注射接头的环形空隙或空腔中建立压差，将该混合物推压进入接头，如图5中所示。压差使树脂从树脂容器中移动进所注入接头的底部。重力保证该混合物首先填充接头的下半部，然后该混合物朝出口软管逐渐上升到接头的顶部。可以选用真空辅助设备，其也保证环形空隙中没有空气滞留，并且保证该环形空隙被注射混合物完全填满。在该混合物流进出口软管的时刻，接头被填满，将入口软管夹紧隔断，以防止该混合物流出接头。然后，将出口软管切断或者从压差室取下，并且让注入的树脂混合物固化。在一种实施例中，通过包裹在接头周围的加热毯施加热量，可以使固化过程加速。固化注入树脂混合物的另一途径是，施加电流通过敷设在接头中的配合面之一上的电阻丝。电流将加热电阻丝和周围材料，从而固化该注射混合物。典型地，在注射之后两到三个小时，接头已完全固化，并具有其机械强度。

[0105] 推压配合的一个益处是，当用紧绳千斤顶以及带材使几个接头保持在适当位置时，在一个“去程”或一个“循环”中可以装配数个接头。一旦装配之后，可以逐个接头进行注射处理，之后，可以开始固化周期。以这种方式，实现了相对较高的安装速度，特别是与需要焊接的钢管接头相比时。当然，安装时间少于同等尺寸焊接钢管接头所需要的安装时间，并且经常要快得多。另外，对于经注入的接头，在安装下一管之前，无需等到注入式接头完全固化。因此，上述方法和系统可以快速地实施。

[0106] 实施例4

[0107] 用于注入式机械接头注射的示例分步过程包括以下内容：

[0108] 1)在开始注射作业之前，干式配合插端与插口(插端上不设置O形环)，以保证正确装配。

[0109] 2)以这样一种方式在插口上标记入口注射孔和出口注射孔，使得它们彼此分开约45°～180°，并且还使得一个孔位于凹槽的开始处，以及另一孔位于凹槽的结束处，如图6中所示。不必需为孔的布置限定容差，并且入口孔的布置可以是在不同位置。出口孔可以处于最高可能位置，以保证接头完全填满。

[0110] 3)钻出入口注射孔和出口注射孔。最初可以使用5毫米的钻头，接着是10毫米的钻头。如果用10毫米钻头直接进行钻孔，破坏插口内径(ID)的几率更高。如果没有5毫米的钻头，可以使用4毫米或6毫米或其它相似直径的钻头。

[0111] 4)钻孔之后，使用适当措施从插口内径开始清理钻出的孔，使得不存在松动纤维或限制部分。适当措施包括但不限于金刚砂或砂纸。例如，粗砂纸可以用来去除大部分纤维并且打光表面。然后，可以使用次级细砂纸进一步打光表面。可以使用任意类型或组合的砂纸或其它清理或打光方法，按照常规和良好加工方式制作适合于进一步加工的净孔。

[0112] 5)用1/4英寸～3/8英寸National Pipe Thread Tapered Thread(NPT)丝锥组，对钻孔进行攻丝。可以使用其它丝锥组或螺纹丝锥，只要能达到气密密封即可。丝锥组与钻孔尺寸之间的关系可以与用于其它钢管、玻璃纤维管或其它管结构的类似。

[0113] 6)使用压缩气体清洁入口和出口注射连接处。

[0114] 7)在插端上安装O形环，并且在O形环顶部以及插口的密封区域上施加润滑。O形环可以由橡胶或与管中所流过材料相容的其它合适材料制成。对于水应用，EPDM(三元乙丙橡胶)化合物是优选的。O形环的布置可以是在插端的前部，但会根据待适配管的内尺寸、外尺寸和设计、以及O形环的尺寸而变化。

[0115] 8)使用合适的货物捆绑带(一或多个)或紧绳千斤顶(一或多个)，装配接头并对其加以约束，以避免发生移动。可以使用其它合适的约束手段，使得接头可以拉到一起并收紧，但应处于不妨碍注射孔的方式。

[0116] 9)在插端与插口之间的接头外缘上，施加硅酮或任何其它合适的密封剂。其它合适的密封剂包括其它硅酮类密封剂、聚酯类密封剂、聚酯密封化合物等等，包括许多市售化合物。让密封剂固化。

[0117] 10)在1/4英寸～3/8英寸的尾部接头配件(tail fitting)上，施加Teflon(特氟龙)带或其它适当带材，并将其连接到入口和出口注射孔。尤其是在考虑成本或手头现有材料的情况下，可以使用其它带或尾接头配件材料，只要能实现气密连接即可。

[0118] 11)切割合适长度的挠性软管，以构成从入口孔到注射材料桶、以及从出口到压差室的适当连接。在一个示例中，可以使用1/4英寸或7/16英寸直径的聚乙烯管或尼龙管，然而，可以使用其它材料和尺寸，并再次考虑成本和手头现有材料进行选择。如图中所建议的，软管或配管的长度应当提供一些松弛部分。

[0119] 12)在压差室上应当准备两个连接。一个连接用于从压差室到插口的入口，以及，第二连接是用于加压软管。连接的尺寸为3/8英寸。在带有联结器管的接头上完成连接的示例结构示于图7中。关于这些连接的考虑可以与步骤11的相似。

[0120] 13)进行注射之前，检查接头的压力密封。通过使压缩气体供给/真空管线与接头连接，从而产生与外部空气的压差，藉此进行检查。使接头处于压差下10分钟。如果压力/真空出现下降，检出接头有泄漏。应当注意到，如果有泄漏则不能进行注射。泄漏通常由于O形环损坏、或者由于密封剂泄漏而发生。如果有泄漏，重新密封硅酮密封剂层。如果这样不能解决问题，那么O形环很可能不密封，适当的是，应当拆开接头并且进行检查，然后通过步骤1～13重新装配。

[0121] 14)一旦接头通过压力/真空试验，准备该注射材料。在这种非限制性示例中，注射材料包括100份环氧树脂、24份IPD混合物、以及31份磨碎的玻璃纤维。为了保证材料良好混合，可以较少量如一次一把地将磨碎的玻璃添加至环氧树脂中并充分混合，直到全部量的磨碎玻璃与树脂彻底混合。然后，可以加入IPD，并且使混合物再次混合。可以使用任意混合装置，包括工业混合机或更初步的混合器，例如，安装至钻机的叶轮、小棒等等。

[0122] 15)一旦注射材料通过出口注射管线流出，停止注射材料的流动，并关闭注射出口阀。拆下出口软管连接，并且将入口软管连接和出口软管连接限制在一起，如图8所示。例如，可以使用带材来将软管固定就位。

[0123] 16)在环境温度下使注入物固化之后，从接头上除去入口注射连接和出口注射连接，并且后固化该接头。固化时间可受多项因素影响，以及，例如使用加热毯会用时2～3小时。也可以使用加热毯或其它合适的机构使该接头进行后固化，以及，在后固化之后除去约束。

[0124] 在上述示例中，出口孔位于推压配合管的顶部，并且入口孔与出口孔分开45°～180°。然而，孔的布置也可以以多种替代配置方式进行。例如，入口或注射孔可以位于推压配合管的顶部，而出口孔位于推压配合管的底部。在另一配置中，期望入口或注射孔与出口孔二者都位于推压配合管的顶部或底部。此外，取决于管的直径，可以使用多个入口孔和/或出口孔。据此，孔的布置、数量、以及实现钻孔多种可能配置所需的进一步加工处理步骤会有所变化。

[0125] 实施例5

[0126] 图9是用于高压应用的示例注入式机械接头的剖视图。第一管具有纳入“护罩端”、承口或插口(内)部，第二管具有配合“销端”或插端(外)部，将第一管与第二管推压配合在一起。在其间，由O形环或粘合剂(例如环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、丙烯酸甲酯等粘合剂)等方式构成密封。在第一管中预先钻出孔，以提供用于真空导入或注射“IN”以及真空导入或注射“OUT”。如图9中所示，“DN”值由第二管的内径给出。

[0127] 实施例6

[0128] 图10示出示例性制造和接合过程中的步骤，以获得具有整体注入式机械接头的DN300 PN160玻璃纤维管。这些步骤包括：在标准生产设备上缠绕，以形成大致管道形状；内承口加工，以形成内部承口形状；成品插端，经由推压配合而不用重型机械，使承口管与该插端配合；借助于真空和重力的接头注射；以及最终检查。应当注意到，在采用真空辅助注射的情况下，使用真空来从空腔中除去空气，并且将树脂混合物或接合复合物吸进空腔。然后，一旦树脂处在空腔内部，重力将树脂混合物或接合复合物拉向空腔的最低点，使得由顶至底注入的混合物或化合物完全填满空腔。如国际标准例如ASTM D1598、ASTM D1599、API 15HR、API 15LR、以及ISO 14692等中所描述的，用内部压力进行检查。

[0129] 实施例7

[0130] 图11示出示例性制造和接合过程中的步骤，以得到具有联结器注入式机械接头的DN600 PN80玻璃纤维管。在这种配置中，对各自具有插端的两个管进行加工，以使其与匹配的成型联结器相匹配。同样，在真空注射之前使用推压配合装配，不需要重型机械，以得到牢固接合并联结的管。要注意的是，相比于其它结构，这种装配会导致双倍数量的O形环和/或粘合位置，因此，对于某些应用来说可能并不是优选的。在此配置中也可以考虑增加多个钻孔，以增加接合复合物在管与联结器之间的流动。

[0131] 由上述系统和方法得到可接合玻璃纤维管，其可获得的规格包括但不限于100～1000毫米的直径、200～50巴的压力、以及承受高达约95℃温度的能力。其它类型的可接合玻璃纤维部件包括管和接头、联结器、法兰、弯头、以及三通。采用上述系统和方法也能获得可用在大于DN1000或1000毫米的直径、以及高于95℃的温度。

[0132] 注入式接头试验

[0133] 对于本发明，可以利用有关注入式接头高压项目的验证及鉴定试验的标准化方法。这种方法源自通用试验要求，如表3中所列国际标准例如ASTM D1598和ASTM D1599。

[0134] 据此，验证试验利用了旨在根据有限数量的试验获得尽可能多信息的非标准化试验方法。一般而言，验证试验结果旨在估计产品是否能够满足鉴定试验所要求的条件。同时，鉴定试验旨在获得在下面阶段商业项目中可以使用的鉴定试验数据。

[0135] 下面对验证以及鉴定试验阶段都进行具体描述。对于各试验，O形环由NBR橡胶或EPDM橡胶构成。另外，对于各试验，注入的接合复合物由环氧树脂、硬化剂和填料的混合物构成，特别地，注入的接合复合物包括100份(重量)双酚-A(BPA)环氧树脂、24份IPD硬化剂(可以使用Evonik Degussa IPD环氧树脂固化剂，等等)以及31份磨碎的玻璃填料。

[0136] 验证试验

[0137] 为高压鉴定试验使用下列非标准验证试验过程：A)步进破裂(Step-Burst)试验；以及B)100小时耐受试验。对于这两种过程，通常在环境温度下进行试验，但也可以在升高的温度下进行。

[0138] 示例的步进破裂试验过程

[0139] 1)装配短管(spool)，并保证足够的安全措施到位。

[0140] 2)用水填充短管并保证从短管中除去所有空气，以及，连接泵送设备。

[0141] 3)以稳定速率，典型为PN/10～PN/5巴/分钟，以巴为单位，使短管加压至试验短管的设计压力(PN)。

[0142] 4)一旦使短管加压，保持试验压力稳定5分钟。

[0143] 5)5分钟后，以与步骤3)中所讨论相同的稳定速率，按0.5×PN增大压力。

[0144] 6)重复步骤4)和步骤5)，直到破损出现。

[0145] 7)记录破损压力。

[0146] 8)记录破损模式。

[0147] 步进破裂试验的结果，通常用作关于短管是否能够承受鉴定试验中所要求试验条件的第一估计。步进破裂试验压力的目标值通常是最小3×PN。

[0148] 示例的100小时耐受试验过程

[0149] 1)装配短管，并保证足够的安全措施到位。

[0150] 2)用水填充短管并保证从短管中除去所有空气，以及连接泵送设备。

[0151] 3)以稳定速率，使短管加压至设计压力(PN)。

[0152] 4)一旦使短管加压至PN，保持试验压力稳定5分钟。

[0153] 5)5分钟后，以相同的稳定速率，增大压力至1.5×PN。

[0154] 6)保持压力稳定5分钟。

[0155] 7)5分钟后，以相同的稳定速率，增大压力至2.1×PN。

[0156] 8)维持此试验压力100小时。

[0157] 9)如果成功，按0.2×PN增大压力。

[0158] 10)重复步骤8)和步骤9)，直到破损出现。

[0159] 11)记录破损压力以及破损时间。

[0160] 12)记录破损模式。

[0161] 100小时耐受试验的结果，通常用于估计短管是否能够承受鉴定试验中所要求的试验条件。100小时试验压力的目标值通常是最小2.3×PN。

[0162] 鉴定试验

[0163] 关于高压接头的鉴定试验，执行符合ASTM D1598的1,000小时耐受试验。试验温度是该项目的设计温度，且试验压力已经标准化至2.1×PN。为了标准化，试验通常在65℃或95℃下执行，因为这些试验温度覆盖大多数客户的要求。实际上，1,000小时试验压力会根据客户、规格和/或项目要求而不同。对于开发项目，试验压力已经标准化至2.1×PN，因为其覆盖了大多数客户需求。

[0164] 示例的1,000小时耐受试验过程

[0165] 1)装配短管，并保证足够的安全措施到位。

[0166] 2)用水填充短管并保证从短管中除去所有空气，以及连接泵送设备。

[0167] 3)让短管在试验温度下稳定化 小时。

[0168] 4)以稳定速率，使短管加压至设计压力(PN)。

[0169] 5)一旦短管加压，保持压力稳定5分钟。

[0170] 6)5分钟后，以相同的稳定速率，增加压力至1.5×PN。

[0171] 7)一旦短管加压，保持压力稳定5分钟。

[0172] 8)5分钟后，以相同的稳定速率，增加压力至2.1×PN。

[0173] 9)维持此试验压力1,000小时。

[0174] 10)如果成功，按0.2×PN增大压力。

[0175] 11)重复步骤9)和步骤10)，直到破损出现。

[0176] 12)记录破损压力以及破损时间。

[0177] 13)记录破损模式。

[0178] 在上述试验过程示例中，使用水，因为水通常是一种容易得到的流体介质，同时对于玻璃纤维管也是侵蚀性介质。然而，替代水，或者附加于使用水，还可以考虑并使用其它流体介质。

[0179] 注射接头试验结果

[0180] 迄今，注射接头的开发已经成功通过了验证试验阶段；鉴定试验阶段正在进行中。迄今获得的一些结果突出显示在表8和表9中。

[0181] 表8：验证试验

[0182]

[0183]

[0184] 表9：鉴定试验

[0185]

[0186] 上文描述的内容包括一种或更多实施例的示例。当然，不可能为了描述上述实施例而描述组件或方法的每一可能组合，但本领域的普通技术人员可以认识到，可以对不同实施例进行许多进一步组合和置换。据此，所描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求精神和范围内的所有此类替换、修改以及变化。此外，至于说明书或权利要求中使用术语“包括”，在权利要求中使用时，这样的术语类似于术语“包含”。

[0187] 应当理解，本文所描述并图示的部件的细节、材料、步骤以及布置用于说明本发明，在所附权利要求涵盖的本发明原理和范围内，本领域技术人员可以对其进行多种附加的变化。