專利名稱：軟管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軟管，特別是一種可以在低溫條件下使用的軟管。軟管的典型應(yīng)用包括在壓力下從流體儲存器中抽運流體。例如包括供給民用取暖油或者液化石油氣(LPG)到鍋爐中；從固定或浮式生產(chǎn)平臺運送油田生產(chǎn)的液體和/或氣 體到船舶貨艙，或者從船舶貨艙到岸基存儲單元；尤其是在一級方程式比賽的加油期間，傳 送燃料到跑車上；和運送腐蝕性流體，如硫酸。
背景技術(shù)：
使用軟管在低溫下運輸流體，如液化氣是眾所周知的。這樣的軟管通常用于運輸 液化氣如液化天然氣(LNG)和液化石油氣(LPG)。為了使軟管具有足夠的柔性，在任何特定長度上必須至少部分地由柔性材料構(gòu) 造，即非剛性材料。本發(fā)明針對的是復(fù)合軟管。傳統(tǒng)的復(fù)合軟管是由夾在內(nèi)部和外部螺旋金屬線之間 的聚合薄膜和織物層構(gòu)成。軟管通過環(huán)繞芯軸順次地包纏內(nèi)部線、薄膜和纖維組合物、及外 部線的方式構(gòu)造而成。內(nèi)部和外部線具有相同的螺旋節(jié)距，但它們偏離開半個節(jié)距長度以 形成波紋形的軟管壁輪廓。所得到的管狀結(jié)構(gòu)隨后從芯軸上被提取出來并端接了端部配 件。端部配件典型地由金屬尾部和套箍構(gòu)造而成。尾部具有在外部表面中機械加工成的兩 條平行的螺旋凹槽，所述表面與內(nèi)部和外部線形成的雙重螺旋線相匹配。尾部插入軟管的 內(nèi)孔中，而套箍留在外面。根據(jù)用途，軟管包的端部可以被綁縛，被蓋上橡膠環(huán)箍(cuff)或 充滿兩段式環(huán)氧樹脂，而所述套箍之后被壓緊或陷鍛到所述尾部上以便保持軟管的端部。 這種一般類型的軟管在歐洲專利公開號為0076540A1的專利文獻中有描述。在上述專利說 明書中描述的軟管包括雙軸定向聚丙烯的中間層，所述中間層用于提高軟管抵抗由于反復(fù) 彎曲引起的疲勞的能力。在我們更早期的專利申請W001/96772中，我們描述了一種新型的復(fù)合軟管，其結(jié) 合了具有夾在兩條螺旋線之間的薄膜和織物層的織帶。我們還描述了用于這種軟管的一 種新型的端部配件。對軟管和端部配件的進一步改進在我們的專利申請W004/044472和 W004/079248中有描述。這些復(fù)合軟管可配有大口徑，并典型地針對受國際海事組織(IMO) 要求的控制的船舶到船舶的流體運輸操作。IMO對軟管的要求(大批量運載液化氣體的船 舶建造結(jié)構(gòu)和附屬器具的國際規(guī)范_ “IGC規(guī)范”)(為了安全的原因)需要軟管的爆裂壓 力(burst pressure)是必須極端工作溫度下最大工作壓力的五倍。最大工作壓力典型地 范圍從IMO要求的最小值IObarg(出口壓力)到20至30barg。復(fù)合軟管中的內(nèi)部線和外部線傳統(tǒng)上由鋼制成。當軟管用于低溫工作時，將使用 奧氏體鋼。低溫用的示例性奧氏體不銹鋼等級是“300系列”，它們在低溫下不顯示脆性。重 要的材料性能是屈服應(yīng)力(YS)、屈服應(yīng)變(EY)、極限抗拉強度(UTS)、破壞應(yīng)變(EF)、彈性 模量(E)、密度(RHO)、導(dǎo)熱率⑷和熱膨脹系數(shù)(CTE)。這些性能在從環(huán)境溫度(293° K)到低溫溫度(液氦為4° K或液氮[LN2]為77° K)的范圍內(nèi)變化。通常，強度隨溫度降低而增加。這通過參考AISI等級304號(密度為8g/cc)的實施例畫出，所述實施例是低溫 用途中通用的奧氏體不銹鋼。304號在室溫下的YS和UTS分別約為250MPa和590MPa，而 在LN2溫度(77° K)下分別約為400MPa和1525MPa。雖然延展性有一些降低，EF從環(huán)境溫 度下的60%減少到LN2溫度下的40%，但是304號在該低溫溫度下的延展性也已經(jīng)綽綽有 余。盡管這種強度的增加量被認為是有益的，低溫壓力容器的設(shè)計者傾向于信任最小環(huán)境 溫度的規(guī)格。304號的環(huán)境溫度、LN2溫度彈性模量分別為193GPa和205GPa。低溫器材的重要設(shè)計點是與室內(nèi)環(huán)境到低溫使用條件的大致215° K的溫度變化 相關(guān)的尺寸改變和熱梯度瞬變(thermal gradienttransients)的效果。鋼(比如304號 鋼)是導(dǎo)熱的并且它們隨溫度降低而縮小。304號在室溫和LN2溫度下的導(dǎo)熱率分別為 8&15ff/m. ° K。這個溫度范圍的平均CTE是13X10-6° K-1，也就是對216° K這種溫度差 來說，長度縮短約3mm/m。為了維護軟管壁結(jié)構(gòu)，重要的是維護外部線的張力。因為軟管的壁組件(wall pack)由厚的膜和織物層形成，其本身具有良好的隔熱性能，因此當處于低溫工作時，內(nèi)螺 旋線和外螺旋線之間存在溫度差。因此，內(nèi)部線將比外部線收縮得多，這由在制造過程中在 相應(yīng)的線中引起的殘余張力補償。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)我們能夠通過由在冷卻時在至少一個方向上膨脹的材料制造軟管 的至少一些零件來改善在低溫下的軟管的性能。我們還發(fā)現(xiàn)我們能通過由復(fù)合材料制造軟 管的至少一些零件來改善軟管的性能。應(yīng)該注意“復(fù)合材料”與“復(fù)合軟管”中的“復(fù)合” 是不一樣的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種軟管，其包括設(shè)置于內(nèi)部和外部夾緊構(gòu)件之間 的柔性材料管狀主體，其中，所述夾緊構(gòu)件的至少其中之一由這樣的材料制成，即，所述材 料在冷卻時在其至少一個方向上膨脹。在一個實施例中，內(nèi)部夾緊構(gòu)件和外部夾緊構(gòu)件都由在冷卻時膨脹的材料制成。 在另一實施例中，只有外部夾緊構(gòu)件由在冷卻時膨脹的材料制成。但是，在優(yōu)選實施例中，只有內(nèi)部夾緊構(gòu)件由在冷卻時膨脹的材料制成；在該優(yōu)選 實施例中，外部構(gòu)件可由傳統(tǒng)的軟管夾緊構(gòu)件材料(其在冷卻時收縮)制成。這確保了當 軟管受到冷卻時，外部構(gòu)件收縮同時內(nèi)部構(gòu)件膨脹，從而使管狀主體被壓縮在內(nèi)部構(gòu)件和 外部構(gòu)件之間。在冷卻時膨脹的材料優(yōu)選使得由細長材料制成的夾緊構(gòu)件在冷卻時沿著細長材 料的長度方向膨脹；這意味著當夾緊構(gòu)件被設(shè)置成螺旋線圈時，當線圈的端部保持固定時 線圈的直徑將增大?？v向膨脹具有使夾緊構(gòu)件的線圈的半徑增大的作用。如果內(nèi)部夾緊構(gòu)件和外部夾 緊構(gòu)件都膨脹，則膨脹之間在軟管半徑上的凈作用是不同的。如果一個收縮而另一個膨脹， 則在軟管的軸向或徑向上的凈作用可能是0，如果它們被選擇為彼此平衡(相互抵消)，那 是優(yōu)選的。請注意，在低溫應(yīng)用中，橫過軟管具有溫度梯度，因此如果在內(nèi)部夾緊構(gòu)件和外 部夾緊構(gòu)件中使用相同的材料，內(nèi)部構(gòu)件將比外部構(gòu)件膨脹的大，這是因為內(nèi)部構(gòu)件更冷。內(nèi)部和外部夾緊構(gòu)件優(yōu)選形成為線圈內(nèi)部夾緊構(gòu)件形成為內(nèi)部線圈，外部夾緊構(gòu)件形成 為外部線圈，管狀主體設(shè)置在內(nèi)部線圈和外部線圈之間。線圈優(yōu)選是螺旋形的。內(nèi)部線圈 和外部線圈的節(jié)距優(yōu)選相同。內(nèi)部線圈和外部線圈優(yōu)選設(shè)置成使得它們彼此偏離半個節(jié)距 長。夾緊構(gòu)件優(yōu)選形成為線，桿或管。夾緊構(gòu)件可以具有任何合適的截面形狀，例如圓形、 橢圓形，正方形、矩形、三角形等。優(yōu)選地，截面形狀是圓形或橢圓形。在冷卻時縱向膨脹沿著夾緊構(gòu)件的長度發(fā)生，導(dǎo)致夾緊構(gòu)件的長度增大。當夾緊 構(gòu)件是線圈形式時，當夾緊構(gòu)件的端部固定時導(dǎo)致線圈直徑的增大。在冷卻時膨脹的材料優(yōu)選是復(fù)合材料。“復(fù)合材料”是指由兩種或更多種材料組 合而成以賦予一系列獨特而個性化(tailor made)性能的材料。復(fù)合材料最常見的形式 是樹脂內(nèi)的纖維基體。所述纖維可以是連續(xù)的，具有縱軸方向上的定向，或者所述纖維可 以長度短小，具有混合定向。所述纖維通常是高強度纖維，例如E玻璃、S玻璃、芳綸(例如 Kevlar (商標))或碳。所述樹脂將纖維封包，并且它可以是一種熱塑性樹脂，例如聚乙烯、 聚酰亞胺、聚酰胺、含氟聚合物、聚(氯乙烯)(PVC)、聚氨酯(PU)、聚醚醚酮(PEEK)或熱固 性樹脂，比如環(huán)氧樹脂或聚酯或乙烯基酯或交聯(lián)(cross linked)柔性樹脂，例如PU或硅橡 膠。復(fù)合材料可以是疊層式構(gòu)造，其中在定向于不同方向上的樹脂基體中具有多層縱向纖 維，以便達到期望的機械性能。選用復(fù)合材料中的高強度纖維通常會導(dǎo)致構(gòu)造具有可觀的 強度重量比，因此已經(jīng)發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在包括壓力容器應(yīng)用的太空和汽車工業(yè)中得到廣泛使 用。
許多復(fù)合材料，如環(huán)氧樹脂的組成零件不適合以大塊同質(zhì)(bulkhomogeneous form)的形式在低溫下使用，這主要是因為它們在低溫下的脆性。但是，當組成材料以纖維 和疊層的形式與基體中的其他組成材料仔細地組合起來，那么結(jié)構(gòu)的相互作用這樣的話就 會可以克服大塊同質(zhì)的組成材料的局限性。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)為了改善根據(jù)本發(fā)明的軟管的低溫性能，我們可以由復(fù)合材料構(gòu)造 夾緊構(gòu)件，尤其是內(nèi)部夾緊構(gòu)件。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)選擇纖維是非常重要的，我們優(yōu)選使用碳、芳綸、玻璃或它們的組 合。這些纖維可以與其它纖維組合，只要組合在冷卻時在至少一個方向上具有凈膨脹作用。 例如，E-Glass、Kevlar-49、MS-LM(中強度-低模量，Medium Strength Low Modulus)碳纖 維的代表性拉伸強度、拉伸模量和密度按順序是拉伸強度為3450、3790、4138Mpa ；拉伸模 量是 72、124、228GPa ；密度是 2. 6,1. 4,1. 8g/cc。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)熱固性樹脂和熱塑性樹脂都可以被使用，包括環(huán)氧樹脂和PEEK樹 月旨。環(huán)氧樹脂和聚醚醚酮(PEEK)的密度都是大約1. 3g/cc。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過在夾緊構(gòu)件 中使用包含一些上述高強度纖維的復(fù)合材料，能夠減少軟管的重量。我們進一步發(fā)現(xiàn)對于夾緊構(gòu)件使用復(fù)合材料是有優(yōu)勢的，因為其與鋼相比具有低 的熱導(dǎo)率。典型地，熱導(dǎo)率是大約0.1到iw/m° ° K，其比奧氏體不銹鋼低至少一個數(shù)量級。 這在低溫應(yīng)用中是很有用的。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用碳和某種芳綸纖維的稀有性能是特別有優(yōu)勢的，它們顯示負的 縱向熱膨脹系數(shù)和正的橫向熱膨脹系數(shù)。芳綸纖維優(yōu)選是聚對苯二甲酰對苯二胺(poly_(p -phenyleneter印hthalamide))，已知為Kevlar (注冊商標)或Twaron (注冊商標)。例如， Kevlar-49的縱向CTE是-2X10_6。K—1，而在橫向方向上為68X 10_6° K—1。在含有這些纖維的疊層式復(fù)合構(gòu)造中，溫度減小時，層片(ply)在纖維方向上膨脹而在橫向上收縮。我們注 意到內(nèi)部剪切力在層片的平衡對稱設(shè)置內(nèi)生成，結(jié)果是遇冷時的縱向凈膨脹。通過調(diào)整纖 維方向，有可能控制住如下點處發(fā)生膨脹的量級，該點處能夠?qū)崿F(xiàn)從零到約-10xio_6° r1 的有效縱向CTE。優(yōu)選的縱向CTE范圍從低于零(例如，低于或等于約-0.01° K—1或 約-0.1° r1)到-4XIO-6° r1，最優(yōu)選為-ixio-6 到-2XIO-6° r1。在優(yōu)選實施例中，在冷卻時膨脹的材料是由碳或芳綸纖維制成的復(fù)合材料，尤其 是由聚對苯二甲酰對苯二胺(poly- (p-phenyleneter印hthalamide))，例如Kevlar (注冊 商標)或Twaron (注冊商標)制成，它們在溫度降低時膨脹。纖維優(yōu)選基本上單向地布置。 當用于軟管的內(nèi)部夾緊構(gòu)件時，該材料保持與相鄰織物的接觸壓力，并且因此增強軟管壁 組件的整體性。在一個特別有利的實施例中，內(nèi)部夾緊構(gòu)件由在冷卻時膨脹的材料(優(yōu)選是復(fù)合 材料)制成；外部夾緊構(gòu)件由非金屬材料制成，該非金屬材料具有能夠承受軟管將遭受的 載荷和溫度，例如是非復(fù)合聚合物，尤其是超高分子量聚乙烯，或者是復(fù)合材料。當外部夾 緊構(gòu)件由復(fù)合材料制成時，我們更希望其不是在冷卻時膨脹的材料。在一個特別有利的實施例中，內(nèi)部夾緊構(gòu)件由在冷卻時在縱向膨脹的材料(優(yōu)選 是復(fù)合材料)制成；外部夾緊構(gòu)件由在冷卻時收縮的材料制成，或者在冷卻時長度基本不 變，優(yōu)選是復(fù)合材料或非復(fù)合聚合物材料。在內(nèi)部和/或外部夾緊構(gòu)件中使用復(fù)合材料的進一步優(yōu)點是減小了每單位長度 軟管的重量，這有利于操作。例如，利用航空16" (400mm)孔復(fù)合軟管，每個夾緊構(gòu)件典型 地由螺旋形不銹鋼線制成，并且占每單位長度軟管的總重量的三分之一。利用復(fù)合材料僅 替換內(nèi)部夾緊構(gòu)件每單位長度減少大約四分之一的重量，利用復(fù)合材料替換內(nèi)部和外部夾 緊構(gòu)件每單位長度減少大約一半的重量。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種軟管，其包括設(shè)置在內(nèi)部和外部螺旋形夾緊構(gòu) 件之間的柔性材料管狀主體，其中，內(nèi)部夾緊構(gòu)件由復(fù)合材料制成，外部夾緊構(gòu)件由復(fù)合材 料或非復(fù)合聚合物材料制成。在本發(fā)明的這個方面中，內(nèi)部和外部夾緊構(gòu)件優(yōu)選形成為線圈內(nèi)部夾緊構(gòu)件形 成為內(nèi)部線圈，外部夾緊構(gòu)件形成為外部線圈，管狀主體設(shè)置在內(nèi)部線圈和外部線圈之間。 線圈優(yōu)選是螺旋形的。內(nèi)部線圈和外部線圈的節(jié)距優(yōu)選相同。內(nèi)部線圈和外部線圈優(yōu)選設(shè) 置成使得它們彼此偏離半個節(jié)距長。夾緊構(gòu)件優(yōu)選形成為線，桿或管。夾緊構(gòu)件可以具有 任何合適的截面形狀，例如圓形、橢圓形，正方形、矩形、三角形等。優(yōu)選地，截面形狀是圓形 或橢圓形。內(nèi)部夾緊構(gòu)件優(yōu)選地由在冷卻時在縱向上膨脹的復(fù)合材料制成。優(yōu)選地，內(nèi)部構(gòu) 件由包括碳纖維或芳綸纖維(尤其是由聚對苯二甲酰對苯二胺)的復(fù)合材料制成。最優(yōu)選 地，這些纖維被基本上單向地布置。外部夾緊構(gòu)件可以由在冷卻時膨脹的復(fù)合材料制成，但是優(yōu)選地，其由冷卻時收 縮的材料制成，或者在冷卻時不改變長度，這為在低溫工作過程中的管狀主體提供了最佳 壓縮。上述根據(jù)本發(fā)明的上述方面的軟管還可具有一個或多個已經(jīng)在W001/96772中描 述過的軟管特征。這些將在下面進行更詳細的描述。
優(yōu)選地，軟管進一步包括當管狀主體受到軸向拉力時適于減少管狀主體變形的軸 向加強裝置，并且當軸向加強裝置受到軸向拉力時，所述軸向加強裝置進一步適于施加向 內(nèi)的徑向作用力到管狀主體的至少一部分上。優(yōu)選地，管狀主體和軸向加強裝置的破壞應(yīng) 力在1-10%范圍內(nèi)。更優(yōu)選地，在環(huán)境溫度和低溫下破壞應(yīng)力超過5%。此外，管狀主體的 材料和軸向加強裝置是最好兼容的以便于在操作中它們以相似的方式完成，以便于沒有單 個元件受到過度的應(yīng)力和應(yīng)變。這意味著管狀主體和軸向加強裝置的材料以相似的方式應(yīng) 對應(yīng)變。對于本發(fā)明主要設(shè)想的上述軟管應(yīng)用的類型來說，一般需要至少3%的彎曲應(yīng)變 (對于圓筒形元件)。然而，中間層滑動和螺旋型定位元件的矯直將會造成這種滑動，仍然 存在量級的合成應(yīng)變作用于軟管壁的結(jié)構(gòu)元件。這可與對金屬而言0.2%的典型屈服 應(yīng)力相比。優(yōu)選地，軸向加強裝置由非金屬材料制成，尤其是塑料材料-合適的材料以下將 詳細介紹。因為金屬材料不大可能具有期望的應(yīng)變特性。優(yōu)選地，管狀主體和軸向加強裝置包括相同的材料，最優(yōu)選地為超高分子量聚乙 烯(UHMWPE)，以下將進一步詳細描述。優(yōu)選地，管狀主體包括至少一層加固層和至少一層密封層。更優(yōu)選的是有至少兩 層加固層，在它們之間夾入密封層。在優(yōu)選實施例中，加固層和密封層圍繞內(nèi)部夾緊構(gòu)件包纏。優(yōu)選地，在外部夾緊構(gòu)件和軸向加強裝置之間設(shè)置又一加固層。加固層的極限強度優(yōu)選為對于8”(200mm)直徑的軟管為100到700KN之間。優(yōu)選 地加固層的失效彎曲應(yīng)變范圍為2%到15%。理想地，另外的加固層與軸向加強裝置的材 料相同，最優(yōu)選地為UHMWPE。優(yōu)選地，軸向加強裝置包括管狀的由薄片材料形成的大致管狀護套，以便于所述 護套可以在受到軸向拉力時保持其管狀主體形狀的完整性。軟管可以具有兩個或多個管狀 護套以進一步提高軟管處于軸向拉力下的性能。優(yōu)選地，軸向加強裝置設(shè)置為大致管狀織帶(braid)的形式。在此說明書中術(shù)語 “織帶”涉及由兩種或多種纖維或者紗線相互纏繞以形成細長結(jié)構(gòu)的材料。織帶的特征之一 為當受到軸向拉力時可以伸長。織帶的另一特征為當設(shè)置為管狀形式并且受到軸向拉力時 其直徑會減小。因而通過設(shè)置環(huán)繞管狀主體或者在管狀主體內(nèi)的管狀織帶，當受到軸向拉 力時，所述織帶將在管狀主體的至少一部分上施加向內(nèi)的徑向力。優(yōu)選地，整個管狀護套設(shè)置為織帶的形式。但是，只在管狀護套的一個或多個部分 長度上設(shè)置織帶是可能的。同樣優(yōu)選地，織帶以任意方式環(huán)繞管狀護套的圓周延伸。但是，只在管狀護套的部 分圓周上設(shè)置織帶是可能的?？棊Э梢詾殡p軸形式(即織帶只由兩相互纏繞的纖維或者紗線形成)或者三軸形 式(即還存在縱向延伸的纖維或者紗線，以增加軸向強度)。盡管優(yōu)選地是以織帶的形式設(shè)置軸向加強裝置，也可以以能夠滿足上述功能要求 的其它形式設(shè)置。因而，軸向加強裝置可以為環(huán)繞管狀主體螺旋纏繞的線或者繩的合適布置。軟管結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)該選擇為使軟管能夠在其預(yù)期的環(huán)境中使用。因而，需要軟管
7能夠運送壓力流體而不使流體透過軟管壁泄露。還需要軟管能夠經(jīng)受住重復(fù)彎曲，和經(jīng)受 住由軟管和流體重量結(jié)合弓丨起的軸向應(yīng)力。此外，如果軟管被期望用于運送低溫流體，其材 料應(yīng)該能夠在極冷的溫度下工作而性能不會明顯降低。加固層或者每一加固層主要用于經(jīng)受在傳送流體期間軟管受到的環(huán)向應(yīng)力。因 而，任何符合柔性程度要求和能夠經(jīng)受住必要應(yīng)力的加固層都是能滿足要求的。此外，如果 軟管用于傳送低溫流體，那么所述或每個加固層必須能夠經(jīng)受住低溫環(huán)境。優(yōu)選地，所述或每個加固層由以螺旋方式纏繞成管狀的薄片材料形成。也就是說 當施加軸向力想拉開纏繞部分時，所述或每個加固層對于軸向拉力不具有很多阻力。所述 或每個加固層可以包括薄片材料的一個單一連續(xù)層，或者可以包括薄片材料的兩個或更多 單一連續(xù)層。但是，更通常地(取決于軟管的長度)，薄片材料的所述或每層可由沿軟管長 度設(shè)置的多個獨立長度的薄片材料形成。在優(yōu)選實施方式中，每一加固層包括織物，更優(yōu)選地為機織物(woven fabric)。所 述或每個加固層可以是天然或合成材料。所述或每個加固層適于由合成聚合物如聚酯，聚 酰胺或聚烯烴形成。合成聚合物可以是形成織物的纖維或者紗線。當所述或每個加固層包括聚酯時，優(yōu)選地為聚對苯二甲酸乙二酯。當所述或每個加固層包括聚酰胺時，它可以是脂肪族聚酰胺(aliphatic polyamide)，如尼龍，或者可以是芳香族聚酰胺，如芳綸化合物。例如，所述或每個加固層可 以是聚對苯二甲酰對苯二胺(poly-(p_phenyleneter印hthalamide))，如KEVLAR(注冊商 標)°當所述或每個加固層包括聚烯烴時，它可以是聚乙烯，聚丙烯或聚丁烯均聚物，或 共聚物或三聚物，優(yōu)選地為單軸向或雙向定位。更優(yōu)選地，聚烯烴是聚乙烯，并且最優(yōu)選地 聚乙烯是高分子量聚乙烯，尤其是UHMWPE。本發(fā)明中使用的UHMWPE —般具有的平均分子量是400，000以上，典型地為 800，000以上，通常是1，000, 000以上。平均分子量通常不超過大約15，000, 000。UHMWPE 優(yōu)選地以分子量從大約1，000, 000到6，000, 000為特征。UHMWPE在本發(fā)明中最有用的是高 定向和可以通常在一個方向上拉伸至少2-5次和在另一方向上至少10-15次。UHMWPE在本發(fā)明中最有用的是具有大于80%的平行定位，更通常地為大于90%， 優(yōu)選地為大于95%。結(jié)晶度一般大于50%，更通常地為大于70%。85-90%的結(jié)晶度是可 能的。UHMWPE在例如下述專利文獻中有描述，US-A-4344908，US-A-4411845， US-A-4422993, US-A-4430383， US-A-4436689， EP-A-183285, EP-A-0438831，禾P EP-A-0215507。特別有利地是，所述或每個加固層包括高定向UHMWPE，如從DSM高性能纖維BV (荷 蘭公司)可獲得的商品DYNEEMA，或者US公司聯(lián)信公司(AlliedSignal Inc.)的商品 SPECTRA。關(guān)于UHMWPE的其它細節(jié)由DSM高性能纖維BV發(fā)行的，版本為02/98，命名為 "DYNEEMA ；纖維的最高性能；特性和應(yīng)用”的貿(mào)易手冊公開。關(guān)于SPECTRA的其它細節(jié)由聯(lián) 信公司發(fā)行的，版本為5/96，命名為“Spectra性能材料”的貿(mào)易手冊公開。這些材料自從 20世紀80年代就可以得到。
在優(yōu)選實施方式中，所述或每個加固層包括由布置在緯線和經(jīng)線方向上的纖維形 成的機織物。我們發(fā)現(xiàn)特別有利地是，所述或每個加固層設(shè)置為使織物經(jīng)線方向相對于軟 管軸向的角度向小于或等于20° ；此角度最好大于或等于5°。在優(yōu)選實施方式中，所述或 每個加固層設(shè)置為使織物經(jīng)線方向相對于軟管軸向的角度為5°到15°，最優(yōu)選地為大約 10°。這些數(shù)字的容差為大約1-2°。軸向加強裝置還可以由與所述或每個加固層相同的材料形成。因而很明確地，軸 向加強裝置，所述或每個加固層和密封層都可以由相同的基本化合物形成。但是，為提供需 要的功能，化合物的形式必須是不同的，即軸向加強裝置提供軸向加強功能，所述或每個加 固層提供抵抗環(huán)向應(yīng)力的強化作用，密封層提供密封功能。我們發(fā)現(xiàn)UHMWPE是最合適的， 特別是產(chǎn)品DYNEEMA和SPECTRA。這些材料在低溫條件下效果也很好。在以上關(guān)于加固層 中論述過的UHMWPE的優(yōu)選參數(shù)(分子量范圍等)，對于軸向加強裝置同樣是適當?shù)?。在這 方面應(yīng)當指出，但是，用于軸向加強裝置的UHMWPE的參數(shù)不需要與用于加固層的UHMWPE的 參數(shù)相同。軸向加強裝置可以設(shè)置于管狀主體層的內(nèi)部。但是，優(yōu)選地軸向加強裝置位于管 狀主體和外部夾緊構(gòu)件之間。在另一優(yōu)選實施方式中，所述軸向加強裝置設(shè)置于管狀主體 層內(nèi)，而還有另一軸向加強裝置設(shè)置于管狀主體和外部夾緊構(gòu)件之間。密封層的目的主要是為了防止通過管狀主體的傳輸流體泄漏。因此，任何具有要 求的柔度的密封層和能提供期望的密封作用的密封層都是合適的。還有，如果軟管是為了 傳輸?shù)蜏亓黧w，那么密封層必須能夠經(jīng)得起低溫的溫度。密封層可由與所述或每個加固層相同的基礎(chǔ)材料制成。可選地，密封層可以是 含氟聚合物，比如聚四氟乙烯(PTFE)；氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene propylene copolymer)，如從杜邦氟制品的商品特富龍FEP得到的六氟丙烯和四氟乙烯 的共聚物(四氟乙烯-全氟丙烯(tetrafluoroethylene-perfluoropropylene))；或者氟 化烴_全氟烷氧基烷烴(fluorinated hydrocarbon-perfluoralkoxy)-從杜邦氟制品的 商品特富龍PFA得到。另一個適合的材料是乙烯三氟氯乙烯共聚物薄膜(ECTFE)，特別是 Halar ECTFE。這些薄膜可以通過擠出或者吹制制成。優(yōu)選地，密封層由以螺旋方式纏繞成管狀的薄片材料形成。與加固層一樣，也就是 說當施加軸向力以拉纏繞部分時，密封層或每一密封層對于軸向拉力不具有很多阻力。密 封層可以包括薄片材料的一個單一連續(xù)層，或者可以包括薄片材料的兩個或更多單一連續(xù) 層。但是，更通常地(取決于軟管的長度)，薄片材料的層或每一層可以由沿軟管長度設(shè)置 的多個獨立長度的薄片材料形成。如果需要的話，可以在內(nèi)部加固層上設(shè)置包括一個或多 個熱收縮密封套筒(即管狀)的密封層。我們希望密封層包括多個薄膜疊層。優(yōu)選地為至少2層，更優(yōu)選地為至少5層，更 好為至少10層。實際上，密封層可以包括20，30，40，50或者更多薄膜層。層數(shù)的上限取決 于軟管的外形尺寸，但是不可能需要超過100層。通常，最多50層已經(jīng)足夠了。每一薄膜 層的厚度范圍典型地為50-100微米。當然，設(shè)置多于一個密封層是希望的。在一實施例中，密封層包括至少兩層聚合物薄膜，一層薄膜由第一聚合物制成而 另一薄膜由不同于第一聚合物的第二聚合物制成。
在該實施例中，一層薄膜比另一層薄膜更硬，由此在工作溫度和壓力下，材料性能 中出現(xiàn)了差別的屈服應(yīng)變。優(yōu)選地，外部薄膜比內(nèi)部薄膜硬。這個的效果是在不幸地發(fā)生 軟管爆裂時，密封層的故障還是受控的，從而較堅硬的外部聚合物故障時韌性更強的聚合 物能將內(nèi)部壓力保持一定時間，使得壓力逐漸地消散。在該優(yōu)選實施例中，發(fā)生故障時韌性更強的層在環(huán)境溫度下的最大應(yīng)變超過 100%，對其它層而言要小至少20%。優(yōu)選地，密封層的每個聚合物薄膜是聚酰胺，聚烯烴或含氟聚合物。當密封層的聚合物薄膜包括聚酰胺時，它可以是脂肪族聚酰胺(aliphatic polyamide)，如尼龍，或者可以是芳香族聚酰胺，如芳綸化合物。我們希望密封層的一層聚合物薄膜是聚烯烴而密封層的另一層聚合物薄膜是含 氟聚合物。適合的聚烯烴包括聚乙烯，聚丙烯或聚丁烯均聚物，或共聚物或三聚物。優(yōu)選地聚 烯烴薄膜為單軸向或雙向定位。更優(yōu)選地，聚烯烴是聚乙烯，并且最優(yōu)選地聚乙烯是高分子 量聚乙烯，尤其是在上面詳細介紹過的UHMWPE。UHMWPE的優(yōu)選參數(shù)(分子量范圍等)在上 面涉及加固層討論過，它也適合于密封層。但是，在這方面應(yīng)當注意到的是用在密封層中的 UHMWPE的參數(shù)不必與用在加固層中的UHMWPE的參數(shù)一樣。由于密封層是為了提供密封作用，密封層應(yīng)當是基本上不滲透傳輸流體的薄膜形 式。因此，高度定位的UHMWPE需要提供具有令人滿意的密封性能的形式。這些產(chǎn)品通常是 以實心塊的形式提供的，實心塊可被進一步加工以便獲得具有要求的形態(tài)的材料。薄膜可 通過從實心塊的表面上刮下一層薄膜制成?？蛇x地，薄膜可以是UHMWPE的吹制薄膜。適合的含氟聚合物包括聚四氟乙烯(PTFE)氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene propylene copolymer)，比如，從杜邦氟制品的商品特富龍FEP得到的六氟丙烯 和四氟乙烯的共聚物(四氟乙烯-全氟丙烯)；或者氟化烴-全氟烷氧基烷烴(fluorinat edhydrocarbon-perfluoralkoxy)-從杜邦氟制品的商品特富龍PFA得到。另一個適合的材 料是ECTFE，特別是Halar ECTFE。這些薄膜可以通過擠壓或者吹制制成。優(yōu)選地，密封層包括每個聚合物薄膜的多個層。在一實施例中，所述層可被設(shè)置成 使得第一和第二聚合物在密封層的厚度內(nèi)交替。但是，這不是唯一可能的設(shè)置方式。在另 一種設(shè)置方式中第一聚合物的所有層被第二聚合物的所有層包圍起來，或相反。當然，設(shè)置多于一個密封層是希望的。優(yōu)選地，密封層進一步包括至少一層，所述層部分或整體地包括金屬，金屬氧化物 或它們的混合。在本說明書中，含金屬的薄膜涉及包括含金屬氧化物的薄膜，除非另外說 明。因此，金屬層可以是金屬薄膜層(也就是基本上整個由金屬，金屬氧化物或它們的混合 所組成的獨立層)，或涂覆了金屬薄膜的聚合物或金屬化聚合物薄膜。我們希望金屬層是涂 覆了金屬薄膜的聚合物，金屬可以是，例如，氧化鋁。聚合物可以是，例如，聚酯。涂覆了金屬薄膜的適合的聚合物包括可從英格蘭的Stevenage的HiFi Industrial Film 得到的薄膜，商品名為 MEX505，MET800，MET800B 以及 MET852 ；MET800B 是 優(yōu)選的。另外的金屬層可被放在密封層外面。優(yōu)選地，另外的金屬層被放在管狀主體和外 部夾緊構(gòu)件之間。還可在此提供石棉層以改進隔熱，優(yōu)選地位于密封層和外部金屬層之間_這樣做的目標是在兩層金屬層之間形成熱環(huán)帶。含金屬的薄膜能夠反射，從而降低了熱流失或熱獲取-這對低溫應(yīng)用尤其有用。 此外，含金屬的薄膜具有良好的阻隔性能，從而降低了蒸發(fā)傳播-這對防止傳輸氣體的材 料流失有用。密封層的另一特征是它包括UHMWPE。如果UHMWPE密封層是由熱收縮套筒形成，套 筒不必由不同的材料制成，但它們優(yōu)選是由UHMWPE制成。優(yōu)選地，密封層包括至少兩層材料不同的聚合物薄膜，并且至少一層所述薄膜包 括超高分子量聚乙烯。本發(fā)明另一優(yōu)選實施例涉及圍繞管狀主體布置的固化樹脂基體，外部夾緊構(gòu)件至 少部分地嵌入樹脂基體中以便限制外部夾緊構(gòu)件和軟管其余部分之間的相對運動。固化樹脂基體必須具有足夠讓軟管能彎曲到軟管特定應(yīng)用所要求的程度的柔性。 無疑，一些應(yīng)用可能需要的柔性比其它的應(yīng)用更大。優(yōu)選地，樹脂基體包括合成聚合物，比如聚氨酯。特別優(yōu)選地，樹脂基體是由在固 化前能以液態(tài)形式施加于軟管上的材料制成。典型地，未固化樹脂可通過噴涂，澆注或涂裝 施加到軟管上。這使得施加的未固化樹脂能夠覆蓋管狀主體和外部夾緊構(gòu)件的外表面，然 后原地固化形成固體的柔性涂層。固化的機制可以是光、濕度等。樹脂基體可結(jié)合到外部夾緊構(gòu)件下的層，還可結(jié)合到樹脂基體外表面上的任意 層。優(yōu)選地，至少一層固化樹脂基體附近的所述層能夠經(jīng)得起低溫的溫度，因此，如果樹脂 基體由于低溫溫度斷裂的話，附近層能依靠樹脂基體和附近層之間的粘附力將樹脂基體保 持在一起。最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)在樹脂基體的兩側(cè)都結(jié)合了附近層時實現(xiàn)。我們還發(fā)現(xiàn)特定的材料可為軟管提供尤其良好的隔熱效果，特別是在低溫溫度 下。特別地，我們發(fā)現(xiàn)由玄武巖纖維(basalt fibres)形成的織物能提供特別良好的隔熱 效果。適合的玄武巖纖維織物可從Sudaglass纖維公司(Sudaglass FiberCompany)得 到，商品名為BT-5，BT-8, BT-10, BT-11和BT-13。優(yōu)選地，織物厚度從大約0. 1mm到大約 0.3mm。如果需要的話，可使用多層玄武巖織物。我們還發(fā)現(xiàn)玄武巖織物的隔熱性能在受壓縮時會得到改進，因此，我們希望在玄 武巖織物的周圍提供壓縮層，壓縮層起到壓縮玄武巖層的作用。隔熱層可進一步包括由其它除了玄武巖織物層以外的隔熱材料制成的層，比如聚 合物泡沫材料。我們希望隔熱層進一步包括至少一層加固層。加固層可包括合成聚合物，比如聚 酯，聚酰胺或聚烯烴。加固層可由與管狀主體內(nèi)部和外部加固層相同的材料制成，如上所 述。特別優(yōu)選地，隔熱層的加固層是超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，比如迪尼瑪(DYNEEMA)或 者斯佩克特拉(SPECTRA)，如上所述。本發(fā)明另一優(yōu)選實施例涉及包括其中具有氣泡的塑料材料的層。優(yōu)選地，塑料材料是聚氨酯。優(yōu)選地，塑料材料通過將液態(tài)形式的塑料材料噴涂在 管狀主體表面上，然后使其固化而施加到管狀主體上。再者，固化可以僅是將涂覆過的軟管 放在空氣中而簡單進行，或者可通過主動的手段如加熱來進行影響或加速。氣泡可通過在噴涂前塑料材料仍是液態(tài)時將氣體注射進塑料材料而結(jié)合。
得到的含氣體的塑料材料層其本身不僅具有一些有利的結(jié)構(gòu)性能，比如良好的磨 損和耐壓強度，而且具有基本上改良了的隔熱性能。它還具有由于氣體的存在而改進的浮 力，并可用于制造能夠在水中漂浮的軟管，軟管在其長度上具有平均分布的浮力。優(yōu)選地，含氣體的塑料材料由另外的塑料材料層覆蓋，另外的塑料材料層不含有 任何氣泡。優(yōu)選地，該另外的塑料材料層可穩(wěn)定地結(jié)合到含氣體的層上。另外的塑料材料 層可與含氣體的層的塑料材料相同。優(yōu)選地，另外的塑料材料層包括聚氨酯。兩層塑料材料層都可通過除了噴涂以外的技術(shù)施加，比如澆注，涂裝或擠壓。任何適合的氣體可用于形成氣泡，包括空氣，氮氣或惰性氣體。優(yōu)選地，聚氨酯在充氣前的比重近似為1.2。典型地，軟管不含氣體層時具有1.8左右的比重。優(yōu)選地，軟管在施加了含氣體層 之后具有小于1的總比重，優(yōu)選小于0.8。PU涂層厚度可以是，例如，大約4-8mm，優(yōu)選大約 6mm。優(yōu)選地，氣泡直徑小于大約2mm。特別地，本發(fā)明除了含氣體層之外，可包括包括了固化樹脂基體的層，如上所述。 典型地，含氣體層在該結(jié)構(gòu)中被置于固化樹脂基體外。用含氣體層替換固化樹脂基體是有 可能的，這樣含氣體層將夾緊構(gòu)件嵌入其中，限制外部夾緊構(gòu)件的相對運動。軟管在其每個端部可配有端部配件。端部配件可以是在我們的以前專利申請 W001/96772和W004/079248中描述的類型，這些內(nèi)容在此結(jié)合作為參考。根據(jù)本發(fā)明的軟管可以在多種條件下使用，如溫度高于100°C，溫度從0°C到 100°C和溫度低于0°C。若選擇合適的材料，軟管可以在溫度低于-20°c，低于-50°c或者甚 至低于_100°C的條件下使用。例如，對于傳送LNG，軟管可能在低至-170°C，或者更低的溫 度下工作。此外，軟管還可以被預(yù)期用于傳送液態(tài)氧(沸點為_183°C )或者液態(tài)氮(沸點 為_196°C )，在這種情況下，軟管需要在-200°C或更低的溫度下工作。根據(jù)本發(fā)明的軟管還可以用于多種不同用途。典型地，軟管內(nèi)徑的范圍可以是從 大約2英寸(51mm)到大約24英寸(610mm)，更典型地從大約8英寸(203mm)到大約16英 寸(406mm)。軟管直徑通常至少為4英寸(102mm)，更通常的是6英寸(152mm)。通常，軟管的工作壓力范圍可以是從大約500kPa表壓(gauge)到大約4000kPa表 壓。這些壓力涉及軟管的工作壓力，而不是爆裂壓力(其必須大若干倍)。體積流速取決于 流體介質(zhì)，壓力和內(nèi)徑。典型地流速為從1000m3/h到12000m3/h。根據(jù)本發(fā)明的軟管還可以用于腐蝕性材料，如強酸。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的軟管的透視圖；圖2示出圖1所示軟管的橫截面示意具體實施例方式簡要的說，軟管100包括細長的內(nèi)部和外部夾緊構(gòu)件102和104，它們優(yōu)選設(shè)置為 盤繞的螺旋形式，并且優(yōu)選為線。管狀主體106和軸向加固織帶108設(shè)置在夾緊構(gòu)件102 和104之間，織帶108圍繞管狀主體106。管狀主體包括內(nèi)部加固層110、外部加固層112 和設(shè)置在內(nèi)部和外部加固層110和112之間的密封層114。外部保護/隔熱層116包繞織帶108。軟管的端部被端部配件200密封。內(nèi)部夾緊構(gòu)件102優(yōu)選由在冷卻時縱向膨脹的復(fù)合材料制成，而外部夾緊構(gòu)件優(yōu) 選由在冷卻時收縮的復(fù)合或非復(fù)合聚合物材料制成。應(yīng)當理解到上面所述的本發(fā)明可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)進行修改。
權(quán)利要求
一種軟管，包括設(shè)置于內(nèi)部和外部細長夾緊構(gòu)件之間的柔性材料管狀主體，其中，所述夾緊構(gòu)件的至少其中之一由這樣的材料制成，即，所述材料在冷卻時在夾緊構(gòu)件的縱向上膨脹。
2.如權(quán)利要求1所述的軟管，其中，所述內(nèi)部和外部夾緊構(gòu)件都由在冷卻時膨脹的材 料制成。
3.如權(quán)利要求1所述的軟管，其中，只有所述內(nèi)部夾緊構(gòu)件由在冷卻時膨脹的材料制成。
4.如權(quán)利要求1所述的軟管，其中，所述外部夾緊構(gòu)件由在冷卻時收縮或者在冷卻時 基本不改變長度的材料制成。
5.如前述任一權(quán)利要求所述的軟管，其中，所述內(nèi)部夾緊構(gòu)件由復(fù)合材料制成。
6.如權(quán)利要求5所述的軟管，其中，所述內(nèi)部夾緊構(gòu)件由包含碳或芳綸纖維的復(fù)合材 料制成。
7.如前述任一權(quán)利要求所述的軟管，其中，外部夾緊構(gòu)件由復(fù)合材料或非復(fù)合聚合物 材料制成。
8.一種軟管，包括設(shè)置于內(nèi)部和外部夾緊構(gòu)件之間的柔性材料管狀主體，其中，所述內(nèi) 部夾緊構(gòu)件由復(fù)合材料制成，所述外部夾緊構(gòu)件由復(fù)合材料或非復(fù)合聚合物材料制成。
9.如權(quán)利要求8所述的軟管，其中，所述內(nèi)部夾緊構(gòu)件由在冷卻時膨脹的材料制成。
10.如權(quán)利要求8或9所述的軟管，其中，所述外部夾緊構(gòu)件由在冷卻時收縮或者在冷 卻時基本不改變長度的材料制成。
11.如前述任一權(quán)利要求所述的軟管，其中，所述內(nèi)部和外部夾緊構(gòu)件形成為線圈。
12.如前述任一權(quán)利要求所述的軟管，其中，所述內(nèi)部和外部夾緊構(gòu)件是螺旋形。
13.如前述任一權(quán)利要求所述的軟管，其中，所述管狀主體包括加固層和密封層。
14.如前述任一權(quán)利要求所述的軟管，其中，所述管狀主體包括布置在內(nèi)部和外部加固 層之間的密封層。
15.如權(quán)利要求13或14所述的軟管，其中，所述或每個加固層包繞所述內(nèi)部夾緊構(gòu)件。
16.如權(quán)利要求13、14或15所述的軟管，其中，有多個密封層包繞所述內(nèi)部夾緊構(gòu)件。
17.如前述任一權(quán)利要求所述的軟管，還包括軸向加強裝置。
18.如前述任一權(quán)利要求所述的軟管，其中，所述軸向加強裝置包括沿著所述軟管的至 少部分長度延伸的管狀織帶。
19.如前述任一權(quán)利要求所述的軟管，進一步包括固定到所述軟管的每個端部的端部 配件。
20.如前述任一權(quán)利要求所述的軟管，其中，在冷卻時膨脹的每個夾緊構(gòu)件的縱向熱膨 脹系數(shù)的范圍是從低于o到-4XIO_6° r1。
全文摘要
一種軟管(100)，包括設(shè)置于內(nèi)部和外部細長夾緊構(gòu)件(102，104)之間的柔性材料管狀主體(106)，其中，所述夾緊構(gòu)件(102，104)的至少其中之一由這樣的材料制成，即，所述材料在冷卻時在夾緊構(gòu)件的縱向上膨脹。
文檔編號F16L11/10GK101861489SQ200880116130
公開日2010年10月13日 申請日期2008年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
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