用于強化復合管的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于強化復合管的系統(tǒng)和方法
[0001]相關申請的相互引用
[0002]本申請要求2012年4月19日提交的美國專利申請?zhí)?3/451，103的權益，該申請的全部內容通過引用結合于此。
[0003]關于聯邦資助研宄或開發(fā)的聲明
[0004]不適用。
[0005]微縮膠片附錄的引用
[0006]不適用。
技術領域
[0007]本發(fā)明涉及用于強化在運輸流體和氣體中使用的熱塑性管的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0008]運輸流體(乃至氣體)如水和化學品可以是昂貴的以及消耗時間的。例如，在如今能源缺乏的環(huán)境中，有效的油類和氣體回收技術是極其重要的。一種用于誘導回收的裝置是使用誘導的水力壓裂方法。將主要由水和沙組成的“壓裂流體”或“泵送流體”或“水力壓裂流體”在高壓下注入生產層(producing format1n)，產生允許資源從其被捕獲的巖石孔自由移動的裂縫。可以向水和沙的混合物中添加化學品(產生滑溜水)，以增加流體流動。壓裂提供將更大面積的地層連接至井的傳導路徑，從而增加天然氣和液體可以從目標層回收的面積。
[0009]通過管道系統(tǒng)向回收地點(以及可能來自壓裂方法的流體的副產物，有時被稱為返排水(flowback water)，從該地點去除)供應用于壓裂方法的水。管道系統(tǒng)可以由數百或數千碼的管組成。管道系統(tǒng)可以包括通過連接器聯結在一起以形成總管道系統(tǒng)的數百個管。雖然技術上有效，但是環(huán)境保護論者擔憂水力壓裂流體可能從管道系統(tǒng)泄漏，從而對環(huán)境造成損害。因此，由于環(huán)境憂慮，不可以對油類和氣體儲藏庫存在的許多區(qū)域進行開采。
[0010]用于運輸流體如水的常規(guī)管由鋼或其它金屬如鋁制成。最新的管由塑性材料如高密度聚乙烯(HDPE)組成。相對于金屬管，HDPE管具有一些優(yōu)勢，包括低成本、耐磨性、耐腐蝕性、高的耐沖擊性以及更大的柔性(其在不平的地形上是特別有用的)。這些管對于氣體、化學品和水應用是持久的，并且可以被重復使用。
[0011]例如，常規(guī)的Yelomine(TM)管具有每30英尺(ft.)長度300鎊(lbs.)的重量密度。這種管具有中等的耐久性，但是在流體運輸應用期間需要支撐結構(如支撐塊(support block))。
[0012]在如今的流體運輸系統(tǒng)中使用的常規(guī)鋁管具有901bs./30ft.長度的重量密度的輕重量。然而，它不是非常持久的，并且與Yelomine(TM)管一樣在流體轉移期間需要支撐系統(tǒng)。它具有略大于I的壓力與重量之比。
[0013]雖然HDPE管是目前在使用中，這樣的目前使用包括厚壁式HDPE管，如DR9HDPE管。為了確保在高的流體運輸壓力下管道系統(tǒng)的完整性，HDPE管的壁通常大于I英寸厚。例如，DR9HDPE管具有1.11英寸的壁厚度。DR9HDPE管具有極大的6501bs./30ft的重量密度。它是高度持久的，但是成本超過鋁管近3倍。管難以在粗糙的、不平的或森林地形中運輸。通常，需要卡車或其它機械搬運車以運輸用于系統(tǒng)的建造的沉重管。這些管通常被埋藏，然后是不可再使用的。DR9HDPE管的壓力與重量之比小于0.4。因此，雖然厚壁式HDPE管可以比鋁管或Yelomine (TM)管更持久，但是目前在工業(yè)上使用的厚壁式HDPE仍然是極重的。而且，連接這些單獨的厚壁式管以產生管道系統(tǒng)可能是慢的和繁重的。也就是說，對接熔合(butt fusing)系統(tǒng)常常用來聯結厚壁式管。由于其工藝以及需要向用于管連接的安裝地點運送沉重設備，使用對接熔合系統(tǒng)常常是耗時的。此外，由于環(huán)境憂慮，聯接器較少(coupler-less)的管道系統(tǒng)或幾乎沒有聯接器的系統(tǒng)是合乎需要的，因為大多數泄漏發(fā)生在聯接器或連接處。因此，目前使用的厚壁式的HDPE管在遠距離上或在高壓下通過粗糙的地形運輸液體或氣體方面可能是不可行的。
[0014]需要的是除了其它還可以經受環(huán)境以及流通的油和氣體回收方法的氣體和流體壓力的輕量和劃算的HDPE管道系統(tǒng)。為了便于運輸和安裝，需要設計和構造該新系統(tǒng)。輕量的管可以由2個人舉起和搬運。該新系統(tǒng)需要提供高流動性和高強度的溶液。該系統(tǒng)需要在地上應用中允許最小的塊或支持系統(tǒng)。確切地說，新的管道系統(tǒng)在使用或空置期間可以平放在地上。然而，地下安裝不被該新系統(tǒng)限制。因為該新系統(tǒng)可以用熱塑性材料(如HDPE)制造，該管道系統(tǒng)可以抵抗盜竊(因為金屬管常常被偷)。
[0015]此外，該新系統(tǒng)可以用于其它應用，如在緊急情況或氣體和化學運輸期間的水灌溉或臨時供水或免除浪費。
【發(fā)明內容】
[0016]根據本發(fā)明的公開內容，公開了機械管道系統(tǒng)以及制造供機械管道系統(tǒng)使用的管道元件的方法。如在本文中所公開的，并入本發(fā)明的方面的系統(tǒng)包括管，其中，管為薄壁并且由高密度聚乙烯(HDPE)材料制成。在建造過程期間，冷卻薄壁式HDPE管，隨后用熱塑性纖維帶纏繞。帶由連續(xù)且拉緊的纖維制成，其中，纖維可以由玻璃、碳或合成纖維(如Kevlar(TM)纖維)制成。在環(huán)境室溫(大約72° F)和相對低的濕度(例如，大約30)，將帶施加于管。帶和管由熱源供熱，然后使其冷卻。在加熱以及后來冷卻時，帶結合(產生均勻或整體的結合)至產生強化的薄壁管的管?？梢赃M一步由帶纏繞管的端部以增加管端部的強化。隨后可以用UV保護的且耐磨損的膜纏繞強化管。如果管需要經受高壓，在施用UV/耐磨損性膜之前，在環(huán)境溫度施加熱塑性纖維帶的第二次纏繞或更多次纏繞，加熱并冷卻。該系統(tǒng)也可以包括耦聯的連接器，其中連接器的內部與管的端部的外部接合。使用機械力或電力以固定管的端部至耦聯的連接器上。
[0017]在本文中公開的系統(tǒng)和方法是技術上有利的，因為其產生了供高壓應用(包括高壓水運輸、水灌溉或臨時供水和排水應用)使用的機械管道系統(tǒng)。該系統(tǒng)和方法是進一步有利的，因為用于高壓流體和氣體運輸的管道元件與現有的管道系統(tǒng)相比是更輕的(考慮到2個人運送和建造)且更持久，并且也更不易于滲漏。該系統(tǒng)和方法在以下方面也是有利的，它們包含時間節(jié)省元件，在目前的應用中更容易并且更快地部署和/或去除管道系統(tǒng)?？紤]到以下的說明書、權利要求書和附圖，其它技術優(yōu)勢對于本領域普通技術人員來說將是明顯的。
【附圖說明】
[0018]在附圖中，由以下各個公開的實施方式的詳細說明可以獲得對本發(fā)明的更好的理解，其僅以實例說明的方式給出，因此不限于本發(fā)明，并且其中:
[0019]圖1是圍繞根據本發(fā)明的熱塑性管編織的帶的透視圖。
[0020]圖2是現有技術熱塑性纖維帶的俯視圖。
[0021]圖3是沿著根據本發(fā)明的圖1中的線A-A的熱塑性管的截面圖。
[0022]圖4是用根據本發(fā)明的熱塑性纖維帶纏繞的熱塑性管的透視圖。
[0023]圖5是施加于圍繞根據本發(fā)明的熱塑性管纏繞的熱塑性纖維帶的UV保護/耐磨損性帶的透視圖。
[0024]圖6是用于連接熱塑性管的現有技術聯接器的透視圖。
[0025]圖7是現有技術電子恪合聯接器(electronic fus1n coupler)的透視圖。
[0026]圖8是根據本發(fā)明具有暴露區(qū)的熱塑性管的透視圖。
[0027]圖9是根據本發(fā)明連接熱塑性管的電子熔合聯接器的側視圖。
[0028]圖10是根據本發(fā)明制造強化熱塑性管的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0029]在圖1中，顯示了熱塑性管或管I。根據本發(fā)明的一個實施方式，管I是薄壁式高密度聚乙烯管。與用于油和氣體應用中流體/氣體運輸的常規(guī)現有技術厚壁式熱塑性(例如，聚乙烯)管不同，根據本發(fā)明的管I具有小于0.5英寸，優(yōu)選地，小于0.25英寸的厚度。由于管的薄壁，管I是柔性的。而且，薄壁式管I將不能承受在油和氣體應用中的壓力和其它因素，其中在一種實施方式中，流體的壓力超過200PSI。對于強化，管I用纖維帶10纏繞。在一種實施方式中，帶10由管的類似材料制成，如高密度聚乙烯熱塑性帶。帶包括連續(xù)纖維15，在如圖2所示的一種實施方式中，連續(xù)纖維15是拉緊的并且沿著帶的長度。這樣的帶，例如玻璃纖維HDPE帶，在商品名Celstran(TM)(型號CFR-TP HDPE GF70-01)下由Ticona Engineering Polymers制造。在一種實施方式中，帶由按重量計70%的玻璃纖維制成并且寬度為一英尺。也考慮了諸如6英寸的其它寬度。纖維沿著帶連續(xù)向前(單向的)并且是拉緊的。
[0030]管I放置在支撐平臺上，并且由冷卻裝置(未顯示)冷卻。這樣的冷卻裝置可以包括定位冷卻器或冷卻室。也考慮了其它的冷卻方法。在一種實施方式中，利用大約72° F的環(huán)境室溫和干燥濕度環(huán)境(在一種實施方式中，約30的相對濕度)，冷卻管I直至管的外表面溫度為40° F或以下。本領域技術人員將認識到，環(huán)境條件，如溫度和濕度可以影響生產過程。沿著其中心軸旋轉冷卻的管I。當旋轉管I時，將帶10 (—般來說在環(huán)境室溫)施加于管1，以在管I上產生單層的帶10。為了確保使用最小量的帶10完全覆蓋管I (以減輕總管的重量)，以理發(fā)店旋轉桿(barber pole)的樣式牢固地施加帶10，其中一些帶可以重疊以產生重疊區(qū)3。使用熱源(如鐵(熨斗，烙鐵，iron))(未顯示)將帶10的端部固定在管I的外表面上，以確保帶10圍繞管I緊緊纏繞(不松弛)。隨后通過相同或其它熱源12加熱帶10和管I至一定溫度以產生均勻或整體結合。在一種實施方式中，熱源12加熱帶10和管I至大約375至450° F的表面溫度。帶和管的HDPE材料熔融產生均勻或整體結合。在加熱過程期間，管I由于熱膨脹而擴展。由于帶10牢固地纏繞在管I上，并且纖維15是連續(xù)并且拉緊的，在管膨脹時，帶10的纖維15滲入并將其自身嵌入(包埋，embed)