用于强化复合管的方法

摘要

一种使用热塑性管和使纤维嵌入管表面的“带”(连续纤维，在与管类似的热塑性塑料中充分润湿)制造管的方法。在一种实施方式中，在干燥环境中(相对湿度低于30)围绕冰冷管紧紧缠绕环境温度(72°F)带。使用外部热源加热管的整个长度使得热塑性塑料熔化和管由于热膨胀而膨胀。由于纤维具有比管的热膨胀更少的拉伸，因而纤维将嵌入管的熔化层中。

权利要求

1.一种制造用于运输流体的强化管系统的方法，包括：冷却高密度聚乙烯管；

在所述管的表面上缠绕纤维带，所述带具有连续拉紧的纤维；

使用第一热源将所述纤维带的端部固定至所述管的端部；

使用第二热源温热所述带和所述管；

随着所述管被温热，拉紧的纤维嵌入所述管中；以及随着所述带和管到达热平衡，所述带结合至所述管。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，薄壁式管具有小于0.25英寸的厚度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述纤维带包括连续的单向纤维玻璃纤维。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维带是聚乙烯带。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一热源是铁。

6.根据权利要求4所述的方法，进一步包括在第一纤维带的表面上缠绕第二纤维带的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一纤维带和所述第二纤维带由聚乙烯材料组成。

8.根据权利要求6所述的方法，进一步包括在所述第二纤维带的表面上缠绕膜的步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述膜是UV保护膜。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述膜是耐磨损性膜。

说明书

用于强化复合管的方法

[0001] 相关申请的相互引用

[0002] 本申请要求2012年4月19日提交的美国专利申请号13/451,103的权益，该申请的全部内容通过引用结合于此。

[0003] 关于联邦资助研究或开发的声明

[0004] 不适用。

[0005] 微缩胶片附录的引用

[0006] 不适用。

技术领域

[0007] 本发明涉及用于强化在运输流体和气体中使用的热塑性管的系统和方法。

背景技术

[0008] 运输流体(乃至气体)如水和化学品可以是昂贵的以及消耗时间的。例如，在如今能源缺乏的环境中，有效的油类和气体回收技术是极其重要的。一种用于诱导回收的装置是使用诱导的水力压裂方法。将主要由水和沙组成的“压裂流体”或“泵送流体”或“水力压裂流体”在高压下注入生产层(producing formation)，产生允许资源从其被捕获的岩石孔自由移动的裂缝。可以向水和沙的混合物中添加化学品(产生滑溜水)，以增加流体流 动。压裂提供将更大面积的地层连接至井的传导路径，从而增加天然气和液体可以从目标层回收的面积。

[0009] 通过管道系统向回收地点(以及可能来自压裂方法的流体的副产物，有时被称为返排水(flowback water)，从该地点去除)供应用于压裂方法的水。管道系统可以由数百或数千码的管组成。管道系统可以包括通过连接器联结在一起以形成总管道系统的数百个管。虽然技术上有效，但是环境保护论者担忧水力压裂流体可能从管道系统泄漏，从而对环境造成损害。因此，由于环境忧虑，不可以对油类和气体储藏库存在的许多区域进行开采。

[0010] 用于运输流体如水的常规管由钢或其它金属如铝制成。最新的管由塑性材料如高密度聚乙烯(HDPE)组成。相对于金属管，HDPE管具有一些优势，包括低成本、耐磨性、耐腐蚀性、高的耐冲击性以及更大的柔性(其在不平的地形上是特别有用的)。这些管对于气体、化学品和水应用是持久的，并且可以被重复使用。

[0011] 例如，常规的Yelomine(TM)管具有每30英尺(ft.)长度300镑(lbs.)的重量密度。这种管具有中等的耐久性，但是在流体运输应用期间需要支撑结构(如支撑块(support block))。

[0012] 在如今的流体运输系统中使用的常规铝管具有90lbs./30ft.长度的重量密度的轻重量。然而，它不是非常持久的，并且与Yelomine(TM)管一样在流体转移期间需要支撑系统。它具有略大于1的压力与重量之比。

[0013] 虽然HDPE管是目前在使用中，这样的目前使用包括厚壁式HDPE管，如DR9HDPE管。为了确保在高的流体运输压力下管道系统的完整性，HDPE管的壁通常大于1英寸厚。例如，DR9HDPE管具有1.11英寸的壁厚度。DR9HDPE管具有极大的650lbs./30ft的重量密度。它是高度持久的，但是成本超过铝管近3倍。管难以在粗糙的、不平的或森林地形中运 输。通常，需要卡车或其它机械搬运车以运输用于系统的建造的沉重管。这些管通常被埋藏，然后是不可再使用的。DR9HDPE管的压力与重量之比小于0.4。因此，虽然厚壁式HDPE管可以比铝管或Yelomine(TM)管更持久，但是目前在工业上使用的厚壁式HDPE仍然是极重的。而且，连接这些单独的厚壁式管以产生管道系统可能是慢的和繁重的。也就是说，对接熔合(butt fusing)系统常常用来联结厚壁式管。由于其工艺以及需要向用于管连接的安装地点运送沉重设备，使用对接熔合系统常常是耗时的。此外，由于环境忧虑，联接器较少(coupler-less)的管道系统或几乎没有联接器的系统是合乎需要的，因为大多数泄漏发生在联接器或连接处。因此，目前使用的厚壁式的HDPE管在远距离上或在高压下通过粗糙的地形运输液体或气体方面可能是不可行的。

[0014] 需要的是除了其它还可以经受环境以及流通的油和气体回收方法的气体和流体压力的轻量和划算的HDPE管道系统。为了便于运输和安装，需要设计和构造该新系统。轻量的管可以由2个人举起和搬运。该新系统需要提供高流动性和高强度的溶液。该系统需要在地上应用中允许最小的块或支持系统。确切地说，新的管道系统在使用或空置期间可以平放在地上。然而，地下安装不被该新系统限制。因为该新系统可以用热塑性材料(如HDPE)制造，该管道系统可以抵抗盗窃(因为金属管常常被偷)。

[0015] 此外，该新系统可以用于其它应用，如在紧急情况或气体和化学运输期间的水灌溉或临时供水或免除浪费。

发明内容

[0016] 根据本发明的公开内容，公开了机械管道系统以及制造供机械管道系统使用的管道元件的方法。如在本文中所公开的，并入本发明的方面的系统包括管，其中，管为薄壁并且由高密度聚乙烯(HDPE)材料制成。在建造过程期间，冷却薄壁式HDPE管，随后用热塑性纤维带缠绕。带由连续且拉紧的纤维制成，其中，纤维可以由玻璃、碳或合成纤维(如Kevlar (TM)纤维)制成。在环境室温(大约72°F)和相对低的湿度(例如，大约30)，将带施加于管。带和管由热源供热，然后使其冷却。在加热以及后来冷却时，带结合(产生均匀或整体的结合)至产生强化的薄壁管的管。可以进一步由带缠绕管的端部以增加管端部的强化。随后可以用UV保护的且耐磨损的膜缠绕强化管。如果管需要经受高压，在施用UV/耐磨损性膜之前，在环境温度施加热塑性纤维带的第二次缠绕或更多次缠绕，加热并冷却。该系统也可以包括耦联的连接器，其中连接器的内部与管的端部的外部接合。使用机械力或电力以固定管的端部至耦联的连接器上。

[0017] 在本文中公开的系统和方法是技术上有利的，因为其产生了供高压应用(包括高压水运输、水灌溉或临时供水和排水应用)使用的机械管道系统。该系统和方法是进一步有利的，因为用于高压流体和气体运输的管道元件与现有的管道系统相比是更轻的(考虑到2个人运送和建造)且更持久，并且也更不易于渗漏。该系统和方法在以下方面也是有利的，它们包含时间节省元件，在目前的应用中更容易并且更快地部署和/或去除管道系统。考虑到以下的说明书、权利要求书和附图，其它技术优势对于本领域普通技术人员来说将是明显的。

附图说明

[0018] 在附图中，由以下各个公开的实施方式的详细说明可以获得对本发明的更好的理解，其仅以实例说明的方式给出，因此不限于本发明，并且其中：

[0019] 图1是围绕根据本发明的热塑性管编织的带的透视图。

[0020] 图2是现有技术热塑性纤维带的俯视图。

[0021] 图3是沿着根据本发明的图1中的线A-A的热塑性管的截面图。

[0022] 图4是用根据本发明的热塑性纤维带缠绕的热塑性管的透视图。

[0023] 图5是施加于围绕根据本发明的热塑性管缠绕的热塑性纤维带的UV保护/耐磨损性带的透视图。

[0024] 图6是用于连接热塑性管的现有技术联接器的透视图。

[0025] 图7是现有技术电子熔合联接器(electronic fusion coupler)的透视图。

[0026] 图8是根据本发明具有暴露区的热塑性管的透视图。

[0027] 图9是根据本发明连接热塑性管的电子熔合联接器的侧视图。

[0028] 图10是根据本发明制造强化热塑性管的方法的流程图。

具体实施方式

[0029] 在图1中，显示了热塑性管或管1。根据本发明的一个实施方式，管1是薄壁式高密度聚乙烯管。与用于油和气体应用中流体/气体运输的常规现有技术厚壁式热塑性(例如，聚乙烯)管不同，根据本发明的管1具有小于0.5英寸，优选地，小于0.25英寸的厚度。由于管的薄壁，管1是柔性的。而且，薄壁式管1将不能承受在油和气体应用中的压力和其它因素，其中在一种实施方式中，流体的压力超过200PSI。对于强化，管1用纤维带10缠绕。在一种实施方式中，带10由管的类似材料制成，如高密度聚乙烯热塑性带。带包括连续纤维15，在如图2所示的一种实施方式中，连续纤维15是拉紧的并且沿着带的长度。这样的带，例如玻璃纤维HDPE带，在商品名Celstran(TM)(型号CFR-TP HDPE GF70-01)下由Ticona Engineering Polymers制造。在一种实施方式中，带由按重量计70％的玻璃纤维制成并且宽度为一英尺。也考虑了诸如6英寸的其它宽度。纤维沿着带连续向前(单向的)并且是拉紧的。

[0030] 管1放置在支撑平台上，并且由冷却装置(未显示)冷却。这样的冷却装置可以包括定位冷却器或冷却室。也考虑了其它的冷却方法。在一种 实施方式中，利用大约72°F的环境室温和干燥湿度环境(在一种实施方式中，约30的相对湿度)，冷却管1直至管的外表面温度为40°F或以下。本领域技术人员将认识到，环境条件，如温度和湿度可以影响生产过程。沿着其中心轴旋转冷却的管1。当旋转管1时，将带10(一般来说在环境室温)施加于管1，以在管1上产生单层的带10。为了确保使用最小量的带10完全覆盖管1(以减轻总管的重量)，以理发店旋转杆(barber pole)的样式牢固地施加带10，其中一些带可以重叠以产生重叠区3。使用热源(如铁(熨斗，烙铁，iron))(未显示)将带10的端部固定在管1的外表面上，以确保带10围绕管1紧紧缠绕(不松弛)。随后通过相同或其它热源12加热带10和管1至一定温度以产生均匀或整体结合。在一种实施方式中，热源12加热带10和管1至大约375至450°F的表面温度。带和管的HDPE材料熔融产生均匀或整体结合。在加热过程期间，管1由于热膨胀而扩展。由于带10牢固地缠绕在管1上，并且纤维15是连续并且拉紧的，在管膨胀时，带10的纤维15渗入并将其自身嵌入(包埋，embed)至管1。

[0031] 在图3中，显示了沿着图1中的线A-A的热塑性管的截面图。在冷却时，管1具有较小的直径31。一旦温热至环境温度(例如，接近72°F)，管的直径32由于热膨胀而扩大。随着管膨胀，带10的拉紧纤维15嵌入到管1中。一旦带10和管1冷却至产生均匀或整体结合的环境温度，纤维15牢固地嵌入至管1中。通过纤维15强化管1，并且轻量的薄壁管现在可以承受高压和其它因素。

[0032] 如图4所示，为了进一步强化，可以将纤维带18的第二层以与带10的第一层相反的方向施加于管25(产生交叉图案)。为了另外的强化，可以向管1添加纤维带的附加层。而且，在一种实施方式中，管25的两端均通过施加另外的纤维带19而强化。垂直于管25的中心轴贴合地和牢固地缠绕带19。在一种实施方式中，围绕管25紧紧缠绕带19若干次，产生长度为约4至8ft.的管25端部的强化区。

[0033] 接下来，可以将UV保护和耐磨损性膜施加于管1。在商品名V-Max(TM)下由德克萨斯州Houston的Valeron制造了一种这样的膜。如图5所示，通常在环境温度(例如，大约72°F)和干燥的环境(在一种实施方式中，相对湿度是大约30)，将UV保护/耐磨损性膜48以类似的理发店旋转杆模式施加于第二层纤维带18和强化末端带19(未显示)上。然而，与带10(在以举例说明为目的的图3中显示，但是一般来说会被第二层18所覆盖)的第一层和第二层纤维带18的方向类似，将UV/耐磨损性膜48以与第二带18相对的方向(在第二层18和UV/耐磨损性带48之间产生交叉图案)施加于管40上。使用热源(未显示)以使膜48结合至管40的纤维带18。在一种实施方式中，膜48具有12英寸的宽度。

[0034] 新的管40通常是30英尺的长度。因此，在一种实施方式中，使用联接器以连接管40的各节段，以产生管道系统。静电熔合联接器(electrostatic fusion coupler)30在图6中显示。一种示例性的联接器由Georgia的Integrity Fusion Products,Inc.制造。联接器30具有允许各种管40连接的内径尺寸。联接器30具有内部接触区35，其中，管的外表面接触并且结合联接器30的内表面。提供电端口38以允许电线进入接触区35。

[0035] 图7示出了联接器30的内部加热元件。在产生接触区35的联接器30的内表面之内缠绕加热元件60。在将电流施加于元件60时，产生的热将联接器30熔合至管40。

[0036] 由于用带10和18以及UV保护/耐磨损性膜48强化了带40，管、带和膜可以没有有效地与联接器30的内表面联结。

[0037] 图8示出了根据本发明的强化管70的透视图。强化管70的端部包括暴露区20，其中，已经去除了纤维带10、18(未显示)和UV保护/耐磨损性膜48。暴露区20是原始的薄壁式HDPE管。在一种实施方式中，暴露区是约47/8英寸的长度。可以以很多方式进行在暴露区20中带10、18 和膜48的去除。在一种实施方式中，使用机械刮削器从管70中刮削带10、18和膜48。

[0038] 图9示出了由根据本发明的联接器连接的两个管的侧视图。在联接器30中插入管70和70”。电端口38允许加热金属丝(未显示)缠绕至联接器30的内表面。管70和70”外表面的暴露区20和20”分别和联接器30的加热表面接触。当施加电流至丝时，管70和70”的表面与联接器30的内表面结合，联接器30将管70和70”有效地连接在一起用于流体运输。因为管
70和70”包括强化端72和72”，在一种实施方式中，联接器30的端部包括沿着联接器的边缘(lip)的倾斜端80a，以允许强化端72和72”贴合地组装抵靠联接器30。在一种实施方式中，倾斜的角与水平线成大约22度。

[0039] 其它耦联装置可以与管一起使用。在另一种实施方式中，可再使用的两节段EF联接器可以用于联结强化热塑性管。因此，薄壁热塑性管可以重复使用，无需从联接器切除管。不缩短管的长度，因而允许管另外再使用。

[0040] 管70是可重复利用的。通常管70的原始长度是30英尺长。为了重复使用管70并且取决于联接器的类型，从联接器30切割管。为了在另一个地点进一步耦联管70，从切割管的端部刮削带10、18和48以再次产生暴露区。可以在该场所进行来自管的70外表面端的带的刮削，从而使得能够快速转变和再使用。考虑到薄壁热塑性管以及轻量带和膜的总体轻重量，运输成本降低。在一种实施方式中，新的管道系统具有小于128lbs./30英尺的重量密度。新系统的应用可以包括在压裂操作期间的水运输、从油和气体场所排废水、或在紧急情况期间临时供水或排废水。

[0041] 例如，在一种实施方式中，具有10.5”内径(ID)/11”外径的薄壁式HDPE管和200PSI与1.5SF的新管道系统可以运输150bbls/分钟。而且，与常规管道系统相比，新管的修理和再使用可以是低成本的。可以在地面 上使用新系统，而无需常规支撑块或背驮式(piggy back)结构的其它支持平台。用于新管道系统布置的区域的清扫可以是不需要的。在森林或其它带有障碍的高密集区可以使用柔性的管道系统。由于管由HDPE材料制成，降低了偷盗的威胁(与金属管相比)。

[0042] 图10是确定制造根据本发明的强化热塑性管的示例性方法的步骤的流程图。在第1000步，冷却HDPE管。在一种实施方式中，总管的外表面的温度为大约40°F。在第1002步，在环境温度，围绕冷却的管的外表面缠绕HDPE连续和拉紧的纤维带。在第1004步，将带和管温热至375至450°F的表面温度。在第1006步，当温热带和管时，由于管的热膨胀和缠绕纤维的拉紧特征，带中的纤维嵌入管中。在第1008步，当带和管冷却时，发生均匀的结合。在第1010步，围绕第一带以相反方向缠绕第二HDPE连续和拉紧的纤维带。在第1012步，将热量施加于第二带并且当冷却时，第二带均匀结合至第一带。在一种实施方式中，加热第二带的表面至大约375至450°F。在第1014步，以与第二带相反的方向围绕第二带缠绕UV保护/耐磨损性膜。在第1016步，加热膜，并且在冷却时，膜与第二带结合。

[0043] 本发明的上述公开和描述是说明性的及解释性的，并且可以对示出的装置和系统、和构造以及操作方法的细节进行各种改变，而没有背离本发明的精神。