СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ КОМПОЗИТНОЙ ТРУБЫ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ КОМПОЗИТНОЙ ТРУБЫ
METHOD OF PRODUCING CONTINUOUS COMPOSITE PIPE, DEVICE FOR PRODUCING CONTINUOUS COMPOSITE PIPE

Настоящее изобретение относится к способу изготовления непрерывной композитной трубы, более конкретно, термопластической композитной трубы.
Известны трубы, имеющие большую длину, которые часто используются под водой или под землей или в качестве наземных трубопроводов, хотя их применение этим не ограничено. Например, непрерывная труба предпочтительно используется при поисково-разведочных работах, добыче, геолого-технических мероприятиях и бурении на суше и в открытом море, и при этом ее применение в открытом море может оказаться наиболее полезным. Для решения таких задач зачастую могут быть необходимы трубы с длинами в несколько сотен метров, вплоть до нескольких километров.
Обычно используются стальные трубы, которые, однако, имеют недостатки, такие как коррозия, усталость, остаточная деформация, чувствительность к сварке, вес и т.д. Кроме того, транспортировка относительно длинной стальной трубы посредством смотанных в бухту труб может быть затруднена. Кроме того, для изготовления длинномерных стальных труб обычно сваривают различные секции стальной трубы, что может представлять собой трудоемкий производственный процесс, при котором сварной шов может привести в результате к слабому месту трубы.
Поэтому была предпринята попытка создания композитных труб, имеющих относительно большую длину. Известны различные технологии, такие как использование оплетки или намотка нитей и т.д., для создания композитной трубы либо секциями, либо более или менее непрерывным процессом.
Известны несколько способов создания композитной трубы большой длины (непрерывной трубы). Например, используется поточная линия намоточных машин, которые наматывают сухие волокна или предварительно пропитанную ленту из волокна и смолы на гильзу или предыдущий слой для создания слоистой структуры из множества слоев ленты или волокна. Структура композитной трубы может быть либо несвязанной, в которой структурные элементы свободны и структурно не соединены друг с другом, либо так называемой связанной, в которой элементы структурно соединены и формируют твердую структуру. Кроме того, структура композитной трубы может быть основана на термореактивном или термопластическом полимере.
Существенное предварительное натяжение, создаваемое на ленте и/или волокнах в ленте, могло бы быть использовано для создания давления отверждения во время отверждения термореактивного композитного материала или отверждения термопластического композитного материала. После создания слоистого материала такой слоистый материал отверждается посредством нагрева. Для несвязанной трубы отверждение нагревом может быть опущено, и свободные слои могут быть использованы в том виде, как есть или покрыты экструдированным слоем полимера.
К недостаткам известных композитных труб относятся, например, ограниченное сопротивление внешнему давлению несвязанной трубы, микрорастрескивание трубы из термореактивного пластика, ограниченная ударная прочность трубы из термореактивного пластика, ограниченная химическая устойчивость, ограниченная устойчивость к быстрому снижению давления газа, ограниченная способность намотки на барабан связанной трубы из термореактивного пластика, ограниченное сопротивление внутреннему давлению и т.д.
Кроме того, такие обычные процессы могут потребовать изготовления продукта в течение одного производственного этапа. Также обычные производственные процессы устанавливают ограничение на время изготовления трубы в случае термореактивного слоистого материала и/или ограничение скорости производства. Кроме того, обычные процессы, как правило, нуждаются в сложном производственном оборудовании.
Кроме того, может возникать необходимость в относительно высоком натяжении, которое может в результате привести к разрыву ленты и/или волокна при приложении предварительного натяжения к ленте и/или волокнам и может привести к относительно высоким остаточным напряжениям в трубе. Использование предварительного натяжения во время производственного процесса подразумевает использование относительно большого угла наматывания волокна и/или ленты. Предварительное натяжение во время процесса может вызвать скручивающую нагрузку на гильзе или основе, которая может деформировать трубу и может отрицательно влиять на качество и/или механическую прочность трубы.
Кроме того, известно, что для изготовления отвержденных термореактивных или термопластических труб или слоистых материалов лента может быть размещена или волокна могут быть размещены без их предварительного натяжения и с ограниченным предварительным натяжением. В области, в которой лента накладывается на изделие, называемой областью зоны контакта, для прикладывания давления к слоистому материалу используется прижимное тело, такое как ролик или башмак, чтобы обеспечить отверждение ленты относительно основания в области зоны контакта.
Пример изготовления непрерывной термопластической композитной трубы описан в WO 2006/107196. В публикации WO 2006/107196 раскрыто устройство для изготовления армированной волокном трубы. Ленту наматывают вокруг трубчатой гильзы и одновременно ее прижимают к трубчатой гильзе в зоне контакта прижимным роликом, обеспечивающим линейный контакт. Таким образом, лента одновременно наматывается и прижимается к трубчатой гильзе. При необходимости может быть применен нагрев ленты в зоне контакта. Слой из ленты может быть намотан на ранее намотанную ленту и прижат к ней. Однако недостатки данного способа заключаются, например, в ограниченной скорости процесса и/или сложном оборудовании.
Вследствие указанных недостатков обычные композитные трубы не имеют широкого применения, в особенности, в открытом море, под водой, в скважинах, при бурении и при работах, связанных с высоким давлением.
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа изготовления композитной трубы с относительно большой длиной, который устраняет по меньшей мере один из вышеупомянутых недостатков, сохраняя при этом преимущества.
Для решения этой задачи настоящее изобретение обеспечивает способ изготовления непрерывной композитной трубы согласно п. 1 формулы изобретения.
Настоящее изобретение относится, прежде всего, к процессу изготовления связанной трубы. Связанный или отвержденный слоистый материал имеет лучшие механические характеристики, обладает устойчивостью к сжимающим нагрузкам, таким как внешнее давление, и более устойчиво к быстрому снижению давления газа.
Настоящее изобретение, прежде всего, используется для изготовления термопластической композитной трубы, хотя также возможно использование композиционного термореактивного материала. Другая возможность заключается в использовании канатов из сухих волокон для изготовления сухой волоконной заготовки, в которую вводится полимерная смола при последующем этапе изготовления. Преимущество использования термопластического композитного материала для длинной непрерывной трубы с отвержденной связанной слоистой структурой состоит в более высокой пластичности и допустимого растяжения материала, обеспечивая ударную прочность, возможность наматывания на барабан, остаточное сопротивление и ударную вязкость.
Используя способ согласно настоящему изобретению можно изготовить отвержденную термопластическую композитную трубу. Такая связанная труба имеет лучшее сопротивление внешнему давлению, лучшую стойкость к воздействию внутреннего давления, устойчивость к нагрузкам, которые направлены вне оси относительно направления волокон, лучшую способность наматывания на барабан, чем термореактивная композитная труба. В случае изготовления гильзы, композитного материала и, возможно, материала покрытия из одинакового термопластического полимера все слои могут быть сплавлены вместе, обеспечивая систему труб, которые обладают лучшей устойчивостью к быстрому снижению давления газа, чем обычные композитные трубы, которые либо являются несвязанными, либо комбинируют различные материалы в трубе, что приводит в результате к низкой прочности поверхности контакта между различными материалами.
Например, труба может быть изготовлена с использованием принципа единственного материала, означающего, что связующий материал ленты может представлять собой одинаковый или подобный материал трубчатой гильзы и одинаковый с внешним покрытием, образуя в результате лучшее сплавление и отверждение, и, следовательно, лучшие характеристики.
Посредством, во-первых, наматывания ленты на трубчатую гильзу и затем после установки наматывания, отверждения ленты на трубчатой гильзе труба может быть изготовлена прогнозируемым и управляемым образом. Поскольку наматывание и отверждение ленты отделены в пространственном отношении по продольной оси трубчатой гильзы, оба процесса могут быть выполнены независимо друг от друга, и поэтому ими можно лучше управлять. Фактически отверждение ленты выполняется отдельно от наматывания ленты.
Кроме того, при использовании трубчатой гильзы оправка для изготовления композитной трубы может не применяться. Лента наматывается непосредственно на трубчатую гильзу и затем отверждается на трубчатой гильзе для формирования слоя, объединенного с трубчатой гильзой. Более того, слои из ленты могут быть намотаны и отверждены на предыдущем слое из ленты, присутствующем на трубе. Поскольку отсутствует необходимость использования оправки, то нет ограничения на использование множества установок наматывания и отверждения. В обычных процессах получения одноосно ориентированного волокнистого пластика, или в обычном процессе наматывания непрерывных нитей («Drostholm»), в пределах производственной установки используется оправка, которая удерживается с одной стороны. В таких процессах может быть использована только одна производственная установка. Кроме того, процесс согласно настоящему изобретению может быть выполнен повторно путем повторного выполнения производственного процесса, например, посредством поступательного перемещения трубы через производственную установку еще раз. Таким образом, процесс не устанавливает ограничения по толщине композитного слоистого материала, и процесс может быть изменен в зависимости от необходимой толщины.
Поскольку можно получить непрерывную композитную трубу, стыки для соединения отдельных секций трубы могут быть исключены и/или минимизированы, и установка и/или функционирование могут быть осуществлены быстрее.
Предполагается, что трубчатая гильза представляет собой пластмассовую трубчатую гильзу и/или композитную трубу, уже содержащую по меньшей мере один отвержденный слой из ленты. Предполагается, что композитная лента содержит армированную волокном пластмассовую ленту.
Отверждая слой из ленты на трубчатой гильзе путем прижатия слоя из ленты по области отверждения к трубчатой гильзе, одновременно может быть отверждена существенная длина слоя из ленты в осевом направлении трубчатой гильзы. Кроме того, область отверждения проходит по меньшей мере по части окружности трубчатой гильзы таким образом, что одновременно может быть отверждена значительная область как в осевом, так и в круговом направлении. Таким образом, скорость процесса по изготовлению трубчатой гильзы может быть увеличена относительно способов предшествующего уровня техники, в которых отверждение выполняется, например, в зоне контакта
Область отверждения содержит значительную круговую часть трубы, которая может быть упомянута как осевое круговое отверждение. Поскольку в предпочтительном варианте реализации зона отверждения проходит приблизительно по всей окружности трубы, то по предопределенной осевой длине трубы слой из ленты может быть отвержден по всей окружности трубы, что может еще увеличивать скорость процесса. Это также гарантирует, что все части слоистого материала отверждены и что исключена возможность возникновения областей незакрепленного материала. Например, вместо двух или трех последующих областей отверждения, каждая из которых проходит по половине или одной третьей окружности трубчатой гильзы, соответственно, может быть обеспечена единственная область утверждения, которая проходит по всей окружности трубчатой гильзы, приводя в результате к повышенному качеству.
В частности, при использовании термопластической неармированной трубчатой гильзы приложение давления по области с использованием высокого местного давления, возможно, могло бы привести к деформации или смятию гильзы. Такой риск смятия может увеличиться с нагревом, который может быть применен в зоне отверждения, что будет снижать прочность и жесткость неармированной гильзы. Приложение давления по более крупной области представляет собой отличие от способов предшествующего уровня техники, таких как укладка волокна, в котором ролик или башмак используется в зоне контакта, в которой лента входит в контакт с трубой гильзы. В таких процессах используется только локальный, линейный контакт. Это приводит к небольшой площади, по которой может быть приложено давление. Для обеспечения достаточно высокого отверждающего усилия в способах предшествующего уровня техники используются высокие давления.
Посредством приложения давления по области отверждения, имеющей значительную осевую длину согласно настоящему изобретению, может быть обеспечено полное отверждение и/или можно достичь увеличенной скорости процесса в отличие от предшествующего уровня техники, в котором отверждение выполняется по линии или короткой области отверждения, как правило, в или рядом с линией зоны контакта, например, роликом башмака, нажимающего на ленту и/или слоистый материал.
Эффективность изготовления может увеличиваться, поскольку отверждение ленты на трубчатой гильзе может быть выполнено по области отверждения по осевой длине трубы, которая может быть намного длиннее, чем в обычном способе. Например, осевая длина может составлять приблизительно от 5 см приблизительно до нескольких метров. Очевидно, что осевая длина зависит от различных параметров, таких как диаметр трубы, и/или материал ленты, и/или толщина ленты, и/или продолжительность обработки материала ленты. Диаметр трубы, как правило, может составлять, например, 1 дюйм или 25 дюймов или любой диаметр между указанными значениями. Согласно настоящему изобретению внешнее давление прикладывают к слою из ленты в области отверждения, поэтому лента может быть уложена на трубчатую гильзу с применением совсем небольшого или с отсутствием предварительного натяжения в ленте и/или в волокнах ленты.
Внешнее давление прикладывают прижимным телом, которое является внешним по отношению к ленте и/или трубчатой гильзе. Посредством обеспечения давления прижимным телом отпадает необходимость обеспечения давления лентой, и, следовательно, лента может иметь ограниченное предварительное натяжение или вовсе не иметь такового.
Кроме того, посредством наматывания ленты с ограниченным предварительным натяжением могут быть возможны различные углы наматывания, и лента может быть уложена на трубчатую гильзу равномерно с углом приблизительно 0° относительно осевой оси трубчатой гильзы. Таким образом, можно получить повышенные механические характеристики композитной трубы.
В некоторых способах предшествующего уровня техники давление обычно обеспечивается предварительным натяжением ленты во время наматывания ленты на трубу. Затем для отверждения применяется нагрев. Поскольку предварительное натяжение волокон в ленте может приводить в результате к остаточным напряжениям в трубе после отверждения, механические характеристики могу быть ниже, чем у трубы, изготовленной согласно настоящему изобретению.
Фактически согласно настоящему изобретению ориентация области отверждения отличается от ориентации ленты, тогда как согласно предшествующему уровню техники область отверждения у линии зоны контакта или около линии зоны контакта имеет одинаковую ориентацию с лентой, приблизительно перпендикулярно направлению ленты. Таким образом, согласно настоящему изобретению длина области отверждения может быть увеличена, что может уменьшить требуемое давление для данной скорости производства и обеспечить возможность отверждения без оправки на относительно гибкой трубчатой гильзе.
Дополнительное преимущество состоит в том, что прижимное тело зависит только от диаметра трубы, а не от угла наматывания как в случае обычного способа, в котором прижимное тело применяется перпендикулярно направлению ленты. Размеры установки отверждения могут быть относительно легко изменены для различных диаметров труб, для больших диаметров трубы необходим лишь больший размер, например, диаметр по меньшей мере прижимного тела.
Предпочтительно усилие прижатия ленты к трубчатой гильзе является регулируемым, так предпочтительно усилие прижатия прижимного тела является регулируемым в отличие от прижимного тела с регулируемой геометрией. Прижимное тело с регулируемым усилием прижатия может приспособить неровности на трубчатой гильзе и/или неровную трубчатую гильзу, например овальную трубчатую гильзу, вследствие намотки на барабан. Кроме того, посредством прижимного тела с регулируемым усилием давление, прикладываемое к слою из ленты, может быть более или менее приблизительно равномерно распределено по области отверждения, на которой оказано давление.
Прижимное тело с регулируемой геометрией представляло бы собой, например, твердую матрицу с неизменной геометрией отверстия, что, в случае применения неровной трубчатой гильзы, приводит в результате к разным давлениям по окружности трубы, вызывая снижение качества трубы. Прижимное тело с регулируемым усилием прижатия может представлять собой гибкое прижимное тело, что может образовывать вакуум между трубой и прижимным телом для создания контактного давления, конечно, возможно множество разновидностей прижимного тела с регулируемым усилием прижатия.
При использовании прижимного тела, в частности гибкого прижимного тела с регулируемым усилием прижатия, для прижатия ленты к трубчатой гильзе, такая лента может быть прижата к трубчатой гильзе к относительно большой площади поверхности в осевом и круговом направлении трубчатой гильзы. Усилие прижатия такого гибкого прижимного тела является регулируемым, и его размеры могут быть легко изменены до различных диаметров труб. Фактически прижимное тело с регулируемым усилием представляет собой гибкое прижимное тело. Например, прижимное тело может содержать множество пальцев, которые могут быть обеспечены последовательно и/или по части окружности, из которой каждый палец может приводиться в действие пружиной для обеспечения регулирования усилия, такое прижимное тело можно считать гибким прижимным телом с регулируемым усилием. Сам палец может иметь неизменную геометрию для контакта со слоем из ленты либо может иметь гибкую геометрию, например, из-за резинового наконечника, для контакта со слоем из ленты. Возможно множество разновидностей. Также возможны различные варианты реализации.
Предпочтительно гибкое прижимное тело является гибким в осевом направлении, но также и в круговом направлении, обеспечивая возможность оптимальной приспособляемости и/или исправления неровностей.
Предпочтительно давление обеспечивается прижимным телом, которое находится в скользящем контакте со слоем из ленты во время поступательного перемещения трубчатой гильзы. При использовании такого прижимного тела это тело может почти непрерывно прижимать ленту к трубчатой гильзе при одновременном поступательном перемещении трубчатой гильзы через производственную установку. Кроме того, из-за скользящего контакта неровности на слое из ленты могут быть почти сглажены до некоторой степени.
Во время отверждения слой из ленты также подвергается нагреву для связывания и/или сплавления слоя из ленты с трубчатой гильзой или ранее намотанным слоем из ленты. Лента может быть нагрета, и/или слой из ленты может быть нагрет. Нагрев может быть применен перед приложением давления, либо нагрев может быть применен одновременно и в одном месте с приложенным давлением. В дополнение к нагреву, может быть использован предварительный нагрев по меньшей мере для частичного расплавления слоя из ленты и/или трубчатой гильзы.
Нагрев может быть выполнен не напрямую, например, посредством инфракрасного излучения, газа, горячего воздуха, электромагнитной индукции, лазера, микроволн, либо напрямую контактным нагревом. Предпочтительно лента нагревается контактным нагревом для минимизации потерь и максимального увеличения теплообмена между нагревательным устройством и лентой.
Предпочтительно прижимное тело нагревается и обеспечивает контактный нагрев для передачи тепла трубе, во время контакта с трубой, во время прижатия. Во время прижатия прижимного тела тепло может быть передано ленте для расплавления ленты и/или компонентов ленты с целью отверждения ленты на трубчатой гильзе.
Кроме того, в зоне отверждения к ленте и/или слоистой структуре также может быть применено охлаждение для затвердевания слоистого материала. Таким образом, зона отверждения может содержать, например, сперва нагрев и/или предварительный нагрев, затем по меньшей мере прижатие и затем охлаждение. Во-первых, нагрев и/или предварительный нагрев может быть применен по меньшей мере для частичного расплавления ленты в зоне нагрева и/или предварительного нагрева, затем может быть приложено по меньшей мере давление для сплавления ленты с предыдущим слоем в зоне сжатия. После этого сплавленная лента может быть охлаждена для ее затвердевания в зоне охлаждения. Посредством обеспечения дополнительного охлаждения скорость производства может быть увеличена. В качестве альтернативы, после зоны отверждения может быть расположена зона охлаждения, обеспечивающая только охлаждение. В зоне отверждения обеспечена по меньшей мере зона сжатия при обеспечении предпочтительно одновременного нагрева. По аналогии с нагревом, охлаждение может быть обеспечено путем контактного охлаждения.
Кроме того, может быть использовано множество зон отверждения. Каждая зона отверждения содержит по меньшей мере прижатие и нагрев, может также содержать предварительный нагрев и даже охлаждение. Зоны отверждения могут взаимно отличаться по меньшей мере обеспеченным давлением и/или температурой либо нагревом или охлаждением. Например, температура и/или давление могут быть увеличены от одной зоны отверждения к другой зоне отверждения.
Посредством обеспечения внутреннего давления в трубчатой гильзе во время отверждения внешнее давление, приложенное прижимным телом, может быть приложено эффективнее. Кроме того, внутреннее давление может уменьшить вероятность придания трубчатой гильзе овальной формы, которая может возникнуть вследствие намотки трубы на барабан.
Слипание ленты с трубчатой гильзой и/или предыдущим слоем из ленты обычно достигается без применения клеевого граничного слоя, однако он может быть также выполнен. Клеевой граничный слой требует отверждения или отверждения также посредством прикладывания нагрева и давления, что может быть выполнено способом согласно настоящему изобретению для увеличения качества и/или скорости изготовления.
В области зоны контакта может быть применено использование местного ролика или башмака для способствования первому отверждению ленты на трубчатой гильзе в комбинации с вышеупомянутой зоной отверждения, предназначенной для прижатия и нагрева, расположенной после установки наматывания. Указанная область зоны контакта расположена в установке наматывания.
Прижимное тело или тела в зоне отверждения могут вращаться вокруг трубчатой гильзы примерно в круговом направлении или под углом, поступательно перемещаться в осевом направлении трубы, например механизм на гусеничном ходу, или могут быть неподвижны (ни поступательно перемещаться, ни вращаться). Кроме того, сами прижимное тело или тела могут представлять собой ролики или невращающиеся элементы. Такие невращающиеся элементы имеют скользящий контакт с материалом ленты и/или трубчатой гильзой.
В качестве одного из вариантов реализации прижимное тело может быть неподвижным относительно ленты и/или трубчатой гильзы, например, с невращающимися элементами, так, чтобы прижимное тело могло находиться почти в непрерывном контакте с лентой во время поступательного перемещения трубчатой гильзы через производственную установку. Таким образом, возможен более или менее непрерывный процесс производства и относительно большие длины композитной трубы можно изготовить в виде непрерывной композитной трубы. С использованием такого прижимного тела или тел указанное прижимное тело может почти непрерывно прижимать ленту к трубчатой гильзе при поступательном перемещении трубчатой гильзы через производственную установку. Под неподвижным прижимным телом подразумевается такое прижимное тело, которое неподвижно установлено на твердую землю, в отличие от предшествующего уровня техники, в котором прижимающий башмак вращается вокруг трубы.
Путем обеспечения неподвижного прижимного тела, например, вместо вращающегося прижимного тела, такое прижимное тело может быть проще в конструктивном отношении и экономически эффективнее. Например, для прижатия ленты к трубчатой гильзе может быть использовано несколько башмаков, которые размещены по окружности вокруг трубчатой гильзы. Прижимные тела могут быть расположены таким образом, чтобы можно было обжать всю окружность трубчатой гильзы, не обеспечивая зазоров между областями прижатия. Во избежание зазоров между различными областями прижатия различных прижимных тел области прижатия могут быть частично наложены. В частности, такое наложение возможно при расположении прижимных тел в осевом направлении последовательно друг за другом. Лента может быть намотана по спирали с углом относительно продольного направления трубчатой гильзы на трубчатую гильзу, однако лента также может быть уложена на трубчатую гильзу в осевом направлении под углом приблизительно 0°, так как лента наматывается на трубчатую гильзу с минимальным или почти отсутствующим предварительным натяжением в ленте. Предпочтительно на трубчатую гильзу наматывается следующий слой из ленты. Таким образом, на трубчатую гильзу может быть намотано множество слоев из ленты для создания композитной трубы. После намотки каждого слоя из ленты слой из ленты может быть отвержден. Кроме того, несколько слоев из ленты могут быть намотаны друг на друга, и эти несколько слоев из ленты затем могут быть одновременно отверждены. Если слой из ленты наматывается и отверждается на предыдущем отвержденном слое из ленты, то труба уже имеет определенные механические характеристики и структурную жесткость и уже может быть нагружена во время производства, например, на такую трубу может быть намотан каждый слой из ленты. Не обязательно сначала изготавливать всю трубу прежде, чем труба сможет быть обмотана. Таким образом, вся труба может быть изготовлена в несколько этапов. Процесс может быть расширяемым, при наличии одной производственной установки может быть уложено множество слоев из ленты, и конечный продукт может быть изготовлен полностью.
В одном из вариантов реализации трубчатая гильза и/или лента выполнена из термопластического материала и/или содержит термопластический материал для улучшения слипания ленты с трубчатой гильзой и/или для улучшения характеристик гибкости трубы. Аналогично, лента и/или трубчатая гильза может быть выполнена из термореактивного материала, или в сухой волоконной форме, с возможностью стабилизации порошком из связующего вещества.
Настоящее изобретение дополнительно относится к устройству для изготовления непрерывной композитной трубы. Согласно настоящему изобретению устройство содержит прижимное тело, которое обеспечивает давление на слой из ленты по осевой длине трубчатой гильзы для отверждения слоя из ленты.
Настоящее изобретение дополнительно относится к применению композитной трубы.
Дополнительные преимущества вариантов реализации представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Настоящее изобретение дополнительно будет объяснено на основе типовых вариантов реализации, которые представлены на чертеже. Типовые варианты реализации представлены в качестве неограничивающей иллюстрации настоящего изобретения.
На чертежах:
На фиг. 1 показано схематическое изображение первого варианта реализации устройства согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 показано схематическое изображение второго варианта реализации устройства согласно настоящему изобретению.
На фиг. 3 показаны схематические изображения прижимных тел для использования в устройстве согласно настоящему изобретению.
На фиг. 4 показаны схематические изображения гибких прижимных тел для использования в устройстве согласно настоящему изобретению.
На фиг. 5 показаны схематические изображения нагревательных устройств для использования в устройстве согласно настоящему изобретению.
На фиг. 6 показаны схематические изображения наматывания для использования в устройстве согласно настоящему изобретению.
На фиг. 7 показано схематическое изображение варианта реализации зоны наматывания и зоны отверждения согласно настоящему изобретению.
Следует отметить, что на чертежах приведены только схематические изображения вариантов реализации настоящего изобретения, которые даны в качестве неограничивающих примеров. На данных чертежах одинаковые или соответствующие части обозначены одинаковыми ссылочными номерами.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение устройства 1 согласно настоящему изобретению. Устройство 1 для изготовления непрерывной композитной трубы содержит производственную установку 2 и два барабана 3, 4. Пластиковая, предпочтительно термопластическая, трубчатая гильза 5 намотана на барабан 3. Во время производства композитной трубы 6 трубчатая гильза 5 поступательно перемещается через производственную установку 2 и наматывается на барабан 4. Таким образом, может быть получена обмотанная композитным материалом труба 6.
Производственная установка 2 содержит установку 7 наматывания и установку 8 отверждения. В установке 7 наматывания композитная, предпочтительно термопластическая, лента 9 укладывается поверх трубчатой гильзы 5 для формирования слоя 10а из ленты на трубчатой гильзе 5 в зоне 14 наматывания. Лента 9 может представлять собой армированную волокном ленту. Лента 9 может быть уложена траекториями 10 приблизительно рядом друг с другом. Допускается небольшой зазор 9а между траекториями 10 ленты, или допустимо небольшое перекрытие между траекториями 10 ленты. На фиг. 1 зазор 9а преувеличен. Зазор или перекрытие небольшие относительно ширины траектории 10 ленты. В идеале, траектории 10 ленты упираются торцами друг в друга. При обеспечении прижимного тела с регулируемым усилием такой зазор и/или перекрытие может быть легко подогнано.
Примеры намотки ленты 9 на трубчатую гильзу 5 представлены на фиг. 5. На фиг. 6а показана намотка с помощью концентрического волоконного барабана. На фиг. 6b показана намотка с использованием вращающихся намоточных бобин. На фиг. 6с показана намотка с использованием неподвижных намоточных бобин, в которой труба поступательно перемещается и вращается. На фиг. 6d показано плетение ленты на трубчатой гильзе, и на фиг. 6е показана намотка ленты путем поступательного перемещения намоточной бобины и вращения трубчатой гильзы.
После установки 7 наматывания далее по технологической цепочке размещена установка 8 отверждения. В установке 8 отверждения ленту 9 отверждают на трубчатой гильзе 5 посредством прижатия, нагрева и, кроме того, охлаждения, как изображено на фиг. 2, ленты 9 в зоне 13 отверждения. В варианте реализации согласно фиг. 1 зона 13 отверждения содержит область 16 отверждения, имеющую длину L, для обжатия слоя 10а из ленты. Прижимное тело 11 и область 16 отверждения на данном чертеже изображены схематично. Понятно, что прижимное тело 11 оказывает давление по осевой длине L трубчатой гильзы 5 и по меньшей мере по части окружности трубчатой гильзы 5, предпочтительно по всей окружности.
Отверждение слоя из ленты выполняется посредством приложения давления к слою 10а из ленты и его нагрева. Здесь прижатие и нагрев слоя 10а из ленты выполняются в одном и том же месте и одновременно в области 16 отверждения, таким образом, может быть получено оптимальное сплавление слоя 10а из ленты с трубчатой гильзой 5. Обеспечивая отверждение слоя 10а из ленты на трубчатой гильзе 5 на расстоянии после этапа наматывания ленты 9, можно достичь управляемого процесса.
На фиг. 2 показан другой вариант реализации настоящего изобретения, в котором дополнительно обеспечены охлаждающая зона 18 и зона 17 предварительного нагрева. В охлаждающей зоне 18 расположено охлаждающее устройство 19, а в зоне 17 предварительного нагрева расположено устройство 20 предварительного нагрева. Во-первых, в зоне 17 предварительного нагрева лента 9 может быть предварительно нагрета по меньшей мере частично до состояния плавления, затем для сплавления ленты 9 с предыдущим слоем в зоне 16 сжатия к ней может быть приложено давление в комбинации с нагревом. После этого для отверждения сплавленной ленты ее можно охладить в охлаждающей зоне 18. Кроме того, может быть обеспечено множество зон отверждения, например, в той же самой установке отверждения или во множестве установок отверждения. Возможно множество различных вариантов.
Вместо показанного варианта реализации, нагревательное устройство 12 может быть опущено, и устройство предварительного нагрева может быть заменено нагревательным устройством, таким образом, давление и нагрев применяются для отверждения слоя из ленты, хотя и не в одном и том же положении.
Для отверждения ленты 9 на трубчатой гильзе 5 обеспечены прижимное тело 11 и нагревательное устройство 12. В примерах, показанных на фиг. 1 и фиг. 2, прижимное тело 11 неподвижно относительно трубы, и/или трубчатой гильзы, и/или ленты. Трубчатая гильза 5 поступательно перемещается, в то время как прижимное тело 11 неподвижно установлено и закреплено относительно поступательно перемещающейся трубы. Кроме того, в показанных вариантах реализации нагревательное устройство 12 неподвижно относительно трубы, и/или трубчатой гильзы, и/или ленты. Прижимное тело 11 и нагревательное устройство 12 расположены таким образом, что давление и нагрев прикладываются по всей области 16 отверждения трубчатой гильзы 5 одновременно в одном положении. Предпочтительно прижимное тело 11 выполнено с возможностью обеспечения давления также по части окружности трубчатой гильзы. Таким образом, слой 10а из ленты отверждается на трубчатой гильзе 5 по области 16 отверждения трубчатой гильзы 5.
На фиг. 3 представлено множество примеров прижимных тел 11, которые могут быть использованы, на фиг. 4 изображено множество примеров гибких прижимных тел, которые могут быть использованы.
На фиг. 7 показано, что отверждение происходит в зоне 13 отверждения на расстоянии далее по технологической цепочке после зоны 14 наматывания. В зоне 14 наматывания лента наматывается на трубчатую гильзу 5, причем место, в котором лента 9 соприкасается с трубчатой гильзой 5, обычно именуется линией 15 зоны контакта. Отдельным этапом от наматывания ленты 9 является отверждение слоя 10а из ленты, который происходит в зоне 13 закрепления установки 8 отверждения. Отверждение слоя 10а из ленты на трубчатой гильзе 5 посредством прижима и нагрева выполняется по осевой длине L трубчатой гильзы 5. В зависимости от вида прижимного тела 11, зона отверждения проходит по круговой секции или по всей окружности трубчатой гильзы таким образом, чтобы слой 10а из ленты был отвержден на трубчатой гильзе 5 по определенной области трубчатой гильзы 5. На фиг. 3а показано прижимное тело, которое может быть поджато в определенном месте, например резиновый башмак, который может быть размещен, например, неподвижно относительно ленты и/или трубчатой гильзы, и который может иметь скользящий контакт с лентой и/или трубчатой гильзой. Другие прижимные тела также могут быть размещены неподвижно. На фиг. 3b показано сжатие между нагретой оправкой и штампом. На фиг. 3с показан нагрев и сжатие между штампом и трубчатой гильзой. На фиг. 3d показано сжатие посредством сжатого воздуха, обеспеченного по осевой длине трубчатой гильзы 5. На фиг. 3е показано сжатие путем поступательного перемещения трубчатой гильзы 5 через ванну со сжатой жидкостью. На фиг. 3f показано сжатие посредством обеспечения напряжения в намотанном ремне вокруг трубчатой гильзы 5.
На фиг. 4а показано обеспечение давления трехточечным ремнем, обернутым вокруг трубчатой гильзы 5. На фиг. 4b показано обеспечение давления роликами, размещенными радиально вокруг трубчатой гильзы 5. На фиг. 4с показано сжатие пружиной. На фиг. 4d показано сжатие кольцевым сжимающим устройством, тогда как на фиг. 4е показан гибкий башмак. Прижимные тела, показанные на фиг. 3 и фиг. 4, в некоторых вариантах реализации могут быть размещены неподвижно относительно ленты и/или трубчатой гильзы.
Давление предпочтительно прикладывают по осевой длине трубчатой гильзы и/или по круговой части трубчатой гильзы таким образом, чтобы область трубчатой гильзы 5 подвергалась сжатию для отверждения слоя 10а из ленты в данной области. Это можно увидеть, например, в устройствах на фиг. 3b, 3с, 3е и 3f и фиг. 4.
Предпочтительно во время обжатия прижимным устройством трубчатая гильза 5 также испытывает внутреннее давление для минимизации смятия трубчатой гильзы 5.
Для отверждения также используется нагрев. Нагрев может быть обеспечен нагревательным устройством 12, которое может нагревать трубчатую гильзу непосредственно, например нагревательное устройство 12 нагревает ленту и/или трубчатую гильзу, или не напрямую, например, нагревательное устройство 12 нагревает прижимное тело 11, которое, в свою очередь, нагревает ленту и/или трубчатую гильзу. Нагревательные устройства могут быть размещены неподвижно относительно ленты и/или трубчатой гильзы. Кроме того, нагревательное устройство может быть объединено с устройством прижатия, например нагреваемым башмаком, который может оказывать давление на ленту и/или трубчатую гильзу.
На фиг. 5 изображены некоторые варианты реализации нагревательного устройства 12, которые могут быть применены. Например, на фиг. 5а показано нагревание газовой горелкой или горячим воздухом. На фиг. 5b показано нагревание с использованием ультразвуковых волн. На фиг. 5с показано нагревание при помощи инфракрасного излучения. На фиг. 5d показано нагревание посредством проводимости (контактный нагрев). На фиг. 5е показано нагревание электромагнитной индукцией. На фиг. 5f изображен микроволновый нагрев. На фиг. 5g показан нагрев лазером. В одном из вариантов реализации нагрев может быть выполнен посредством создания электрического тока в резистивном элементе. Для активного охлаждения могут быть использованы способы, показанные, например, на фиг. 4а и фиг. 4d. В случая применения способа по фиг. 5а, охлажденный воздух направляется к продукту, а в случае применения способа по фиг. 5d, охлаждаемый контактный элемент вводится в контакт с трубой.
Нагрев предпочтительно выполняется по осевой длине трубчатой гильзы и/или по круговой части трубчатой гильзы, подобно приложению давления для обеспечения оптимального отверждения. Предпочтительно нагрев применяется одновременно с прижатием и в одном и том же месте. Посредством нагрева трубчатой гильзы 5 и/или ленты 9 сплавление слоя 10а из ленты с трубчатой гильзой 5 может быть улучшено.
Предпочтительно трубчатая гильза 5 и/или лента 9 нагреваются посредством контактного нагрева для увеличения теплообмена к ленте и/или трубчатой гильзе и повышения сплавления между лентой 9 и трубчатой гильзой 5. Предпочтительно прижимное тело 11 само подвергается нагреву. Путем прижатия нагретого прижимного тела 11 к ленте 9 и трубчатой гильзе 5 лента 9 и трубчатая гильза 5 нагреваются. Таким же образом может быть выполнено охлаждение.
Изготовление композитной трубы может представлять собой непрерывный процесс, означая, что во время поступательного перемещения трубчатой гильзы 5 через производственную установку 2 слой 10а из ленты отверждается на трубчатой гильзе 5. Во время отверждения прижимное тело 11 находится в контакте с лентой 9 для прижатия ленты 9 к трубчатой гильзе 5. Предпочтительно усилие прижатия прижимного тела 11 является регулируемым, что может привести к относительно ровному распределению давления по области, в частности, когда прижимное тело 11 находится в скользящем контакте со слоем 10а из ленты.
Дополнительный слой из ленты может быть намотан на трубчатую гильзу 5 поверх слоя из ленты, уже имеющегося на трубчатой гильзе 5. Например, далее по технологической цепочке после производственной установки 2 может быть обеспечена дополнительная производственная установка. Кроме того, когда на барабане 3 отсутствует трубчатая гильза 5, а труба 6 намотана на барабан 4, то барабаны 3, 4 могут быть поменяны, и процесс может начаться снова. Затем дополнительный слой из ленты наматывается поверх существующего слоя из ленты при повторной обработке трубчатой гильзы 5 в производственной установке 2. На трубчатую гильзу 5 может быть намотано множество слоев из ленты, например может быть намотано до 40 слоев из ленты или более. Предпочтительно каждый слой 10а из ленты отверждается после его намотки, и дополнительный слой 10а из ленты наматывается поверх ранее отвержденного слоя из ленты. В качестве альтернативы и/или дополнения, несколько слоев из ленты могут быть намотаны друг на друге и затем могут быть отверждены одновременно. Однако количество слоев из ленты, отвержденных таким образом, ограничено, предпочтительно шестью или менее. Такая особенность отличается от предшествующего уровня техники, в котором обычно все слои из ленты предварительно наматываются, а затем одновременно отверждаются.
Множество различных вариантов реализации станет очевидно для специалиста в данной области техники. Все такие разновидности охватываются объемом настоящего изобретения, который определен в приложенной формуле изобретения.