具有復(fù)合材料管和金屬連接器的管元件的制作方法
【專利說明】具有復(fù)合材料管和金屬連接器的管元件
[0001]本發(fā)明涉及一種管元件，該管元件具有由纖維增強(qiáng)塑料制成的管和至少一個(gè)金屬連接器，該金屬連接器與該管連接，使得連接裝置可以傳遞扭矩和軸向力，并且該金屬連接器具有螺紋、尤其是圓錐形螺紋，或法蘭，通過所述螺紋或法蘭可以將金屬連接器與另一個(gè)金屬連接器螺紋連接，以便連接兩個(gè)管元件。本發(fā)明還涉及一種用于制造這種管元件的方法。
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中，例如在用于石油鉆探的鉆桿中已知這種管元件，其具有由纖維增強(qiáng)塑料、主要是CFK(碳纖維增強(qiáng)塑料)制成的管和用于連接兩個(gè)管元件的金屬連接器，以便提供比迄今一般的鋼質(zhì)鉆桿更輕的鉆桿。CFK在重量較小的情況下提供高強(qiáng)度和剛度。然而它僅允許非常有限的后處理，并且?guī)缀醪豢赡苡闷渲圃煊谐休d能力的連接件、例如螺紋。因此使用固定在管端部上的金屬連接器?，F(xiàn)有技術(shù)中通過徑向插入的銷釘進(jìn)行在金屬連接器和塑料管之間的連接。為了傳遞較高的扭矩和力并且經(jīng)受不利的環(huán)境條件，需要多個(gè)足夠大尺寸的銷釘分布在圓周上。其弊端在于，這種管元件的安裝由此比較耗費(fèi)。此外無論是塑料管中還是金屬連接器中，在連接區(qū)域內(nèi)必須存在足夠的材料，以便可以補(bǔ)償由用于銷釘?shù)目自斐傻南魅?。這必然導(dǎo)致較厚和較大的連接區(qū)域或?qū)е鲁休d能力較小的管元件。另一種解決方案是粘接連接。然而難以實(shí)施對(duì)其質(zhì)量的保證。
[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種管元件，該管元件具有安裝更簡(jiǎn)單、更可靠的且空間需求更少的在金屬連接器和纖維增強(qiáng)塑料管之間的連接裝置，以及提供一種用于制造這種管元件的方法。按本發(fā)明的管元件應(yīng)當(dāng)特別適合用于例如石油鉆探時(shí)的鉆桿，或適用于其他的應(yīng)用、如驅(qū)動(dòng)軸或如在石油源和運(yùn)輸平臺(tái)之間的管連接裝置，該運(yùn)輸平臺(tái)例如在海上輸油時(shí)用作所謂的冒口(Riser)。
[0004]該技術(shù)問題對(duì)于管元件來說按本發(fā)明由此解決，金屬連接器以連接區(qū)域從外部包圍管，存在配合套筒，該配合套筒以連接區(qū)域與管的內(nèi)側(cè)接觸，金屬連接器和配合套筒分別具有圓柱形螺紋，通過圓柱形螺紋將金屬連接器和配合套筒相互螺紋連接。通過圓柱形的螺紋連接確保，使連接區(qū)域可靠且按規(guī)定地接觸。該解決方案的優(yōu)點(diǎn)是，大大簡(jiǎn)化了在金屬連接器和復(fù)合材料管之間的連接裝置的安裝，方式是只需兩個(gè)金屬部件相互螺紋連接。圓柱形螺紋需要較少的沿徑向的結(jié)構(gòu)空間并因此就直徑而言非常節(jié)省空間，這能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)施得非常細(xì)的連接裝置。為了可以傳遞更大的力，可以增大螺紋長度和/或增大在管上的連接區(qū)域的長度。
[0005]管優(yōu)選具有由玻璃纖維或芳綸纖維構(gòu)成的或特別優(yōu)選由碳纖維構(gòu)成的纖維增強(qiáng)部。在此，纖維以粗紗或織造織物帶或稀松平紋織物帶(通常為非織造帶)卷繞的方式分別一層或多層并且也組合地布置。纖維增強(qiáng)部被塑料基質(zhì)包圍。作為基質(zhì)材料特別適合的是熱塑性塑料或優(yōu)選熱固性塑料、如環(huán)氧樹脂。基質(zhì)材料在卷繞之前可以已經(jīng)存在于纖維增強(qiáng)部上，或在卷繞時(shí)或卷繞之后被涂覆。硬化或固化通過在爐中的熱處理實(shí)現(xiàn)。金屬連接器和配合套筒優(yōu)選由鋼、鑄鋼、鑄鐵、鋁合金或鈦制成。在驅(qū)動(dòng)軸的情況下，代替用于連接兩個(gè)管元件的圓錐形螺紋優(yōu)選使用法蘭，通過該法蘭將管元件相互螺紋連接。本發(fā)明可以同樣有利地使用于這種管元件。
[0006]改善連接的質(zhì)量和安裝特性的按本發(fā)明實(shí)施方式的其他有利特征存在于各從屬權(quán)利要求中。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)良好的力傳遞并因此可靠且牢固的連接，在金屬連接器上和在配合套筒上的圓柱形螺的優(yōu)選的長度處于螺紋直徑的10%到500%之間、特別優(yōu)選在10%到100%之間的范圍內(nèi)。連接區(qū)域的優(yōu)選的軸向長度為螺紋直徑的10%到500%之間、特別優(yōu)選100%到500%之間，管在所述連接區(qū)域中被夾在金屬連接器和配合套筒之間。
[0008]管元件可以在與第一金屬連接器對(duì)置的第二管端部上具有第二金屬連接器，該第二金屬連接器如同第一金屬連接器一樣與管連接。多個(gè)管元件可以這樣相互連接成一條較長的線路，該線路可以傳遞扭矩和軸向力。若金屬連接器具有圓錐形螺紋，則有利的是，第一金屬連接器具有圓錐形內(nèi)螺紋，第二金屬連接器具有匹配的圓錐形外螺紋。但分別具有兩個(gè)圓錐形內(nèi)螺紋和兩個(gè)圓錐形外螺紋的管元件也可以始終交替地組合成一條較長的路線。
[0009]特別優(yōu)選，管在外側(cè)上具有連接區(qū)域，該連接區(qū)域是圓錐形地朝所述管端部變尖的表面并且與金屬連接器的連接區(qū)域接觸，其中，該連接區(qū)域設(shè)計(jì)成相應(yīng)配合地圓錐形成型的表面。就連接區(qū)域而言，在本申請(qǐng)中理解為錐形，從而表面或者具有直邊圓錐形狀或曲邊圓錐形狀。也就是說該表面沿軸向不僅可以具有直的而且具有連續(xù)彎曲的走向。圓錐形地變尖理解為，表面的直徑沿軸向減小，圓錐形地?cái)U(kuò)寬理解為，該直徑沿軸向增大。
[0010]通過圓錐形形狀，在通過圓柱形螺紋螺紋連接在一起時(shí)，在金屬連接器和配合套筒之間的管的連接區(qū)域上產(chǎn)生表面壓力，由此，該連接裝置可以傳遞更大的力。除了夾緊夕卜，可以在金屬連接器和管之間的連接區(qū)域內(nèi)施加粘結(jié)劑。這增大了連接裝置的強(qiáng)度并且可以保證管的內(nèi)部空間和周圍環(huán)境之間的密封。此外，在建立管和金屬連接器之間的連接時(shí)，粘結(jié)劑降低零件之間的摩擦。
[0011]優(yōu)選，管外側(cè)在與金屬連接器的連接區(qū)域中的圓錐體相對(duì)管的軸線的傾斜角在0.1°到30°之間、特別優(yōu)選在0.5°到5°之間。因此，可實(shí)現(xiàn)特別可靠的連接。太小的角度不能實(shí)現(xiàn)較高的表面壓力，太大的角度減小連接面可供使用的軸向長度。
[0012]為了實(shí)現(xiàn)在連接裝置中更大的表面壓力或作為在管外側(cè)上圓錐形表面的備選，管可以在內(nèi)側(cè)上具有連接區(qū)域，該連接區(qū)域是圓錐形地朝所述管端部變尖的表面并且與配合套筒的連接區(qū)域接觸，其中，配合套筒的連接區(qū)域設(shè)計(jì)成相應(yīng)配合地圓錐形成型的表面。此處也可以在配合套筒和管之間施加粘結(jié)劑。
[0013]優(yōu)選，管內(nèi)側(cè)在與配合套筒的連接區(qū)域內(nèi)的圓錐體相對(duì)管軸線的螺旋角為0.1°
至Ij 30°之間、特別優(yōu)選在0.5°到5°之間。
[0014]為了在制造時(shí)簡(jiǎn)化管的卷繞，可以存在內(nèi)管，該內(nèi)管尤其由金屬或纖維增強(qiáng)塑料或熱塑性塑料制成，并且優(yōu)選設(shè)有在內(nèi)側(cè)上的涂層，該涂層由比內(nèi)管更耐油或鉆孔液或其他化學(xué)試劑的材料制成，其中，纖維復(fù)合管卷繞在內(nèi)管上，以便這樣形成整個(gè)管結(jié)構(gòu)，并且其中，內(nèi)管具有比纖維復(fù)合管更小的壁厚。作為涂層的備選，內(nèi)管可以由更耐油或鉆孔液或其他化學(xué)試劑的材料制成。
[0015]對(duì)于一些應(yīng)用、例如對(duì)于鉆桿來說應(yīng)當(dāng)通過管元件傳遞數(shù)據(jù)或電能。為此，可以在管的壁中或在內(nèi)管和管之間存在電線，該電線從管的一端延伸至管的另一端并且與插頭連接，該插頭位于金屬連接器的內(nèi)部，并且在管元件與另一個(gè)管元件通過尤其圓錐形螺紋或法蘭螺紋連接時(shí)，該插頭適合于與另一個(gè)管元件中的另一個(gè)插頭或電線形成電連接。一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，電線在管的壁中被保護(hù)。插頭可以尤其是環(huán)形地設(shè)計(jì)。插頭此處一般理解為適合建立電連接的部件，通過該電連接可以傳遞數(shù)據(jù)或能量。在管元件之間的電連接可以通過插頭與配合觸點(diǎn)的物理接觸建立或通過插頭與配合件的電磁耦合、即無線地實(shí)現(xiàn)。在此，在管元件上也可以存在多根電線和/或多個(gè)插頭。
[0016]為了針對(duì)其中有油或其他介質(zhì)流動(dòng)的內(nèi)部空間對(duì)插頭進(jìn)行保護(hù)，配合套筒可以具有布置在配合套筒與連接區(qū)域?qū)χ玫亩瞬可系膿醢?，該擋板設(shè)計(jì)成，使得在安裝好管元件時(shí)，插頭沿徑向看完全地位于金屬連接器和配合套筒之間。
[0017]為了將電線在旋擰在金屬連接器上時(shí)能不被損壞地在金屬連接器的區(qū)域內(nèi)從管導(dǎo)引至插頭，配合套筒優(yōu)選具有在圓柱形螺紋內(nèi)的軸向槽或具有在圓柱形螺紋下方的材料中的軸向的縱向孔。槽更可容易制造。縱向孔的優(yōu)點(diǎn)是，螺紋由此不被中斷并且不被削弱。
[0018]當(dāng)多個(gè)管元件在運(yùn)行中旋擰在一起并且旋擰分開的情況下，為了使配合套筒和金屬連接器之間的圓柱形螺紋連接裝置不再松脫，有利的是，在配合套筒和金屬連接器之間設(shè)有扭轉(zhuǎn)止動(dòng)器。該扭轉(zhuǎn)止動(dòng)器尤其可以設(shè)計(jì)成優(yōu)選在配合套筒的端面上的焊縫。焊縫可以設(shè)計(jì)成連續(xù)或中斷的環(huán)形或設(shè)計(jì)成一系列焊點(diǎn)。備選地，扭轉(zhuǎn)止動(dòng)器也可以設(shè)計(jì)成至少一個(gè)銷釘，該銷釘軸向地插入配合套筒和金屬連接器之間的孔中。
[0019]因?yàn)樵谝恍?yīng)用中，管元件被流體介質(zhì)，例如油或鉆孔液流過，所以重要的是將壓力損失保持得很小。為此有利的是，配合套筒的內(nèi)表面具有沿軸向完全連續(xù)走向的內(nèi)部型材而無邊棱或臺(tái)階突變。該連續(xù)的類似噴嘴的走向?qū)е铝鲃?dòng)優(yōu)化的、在不同管元件的連接部位的區(qū)域內(nèi)具有較小壓力損失的管元件。迄今已知的管元件的缺點(diǎn)是，這些管元件在連接區(qū)域內(nèi)造成更大的壓力損失。通過按本發(fā)明類型的在金屬連接器和管之間的連接裝置可以實(shí)現(xiàn)，通過配合套筒形成流動(dòng)優(yōu)化的內(nèi)部型材。
[0020]對(duì)于按本發(fā)明的用于制造上述管元件的方法，本發(fā)明的技術(shù)問題由此解決，
[0021]-通過纖維材料圍繞芯件、尤其是在內(nèi)管上的卷繞而制造管，
[0022]-在利用纖維材料制造管時(shí)在連接區(qū)域內(nèi)卷覆配合套筒，
[0023]-與纖維材料共同地或在纖維材料之后涂覆基質(zhì)材料，
[0024]-將管與配合套筒共同地在爐中熱處理，其中，硬化或固化基質(zhì)材料，
[0025]-以及將金屬連接器利用其