專利名稱：：纖維增強型脆性基復(fù)合材料管道涂層及其涂覆方法和管道的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及纖維增強型脆性基復(fù)合材料涂層及其涂覆方法以及用該方法涂覆而成的管道。背景駄樹脂質(zhì)材料等高分子材料通常作為防腐材料涂覆在油氣管道應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)使用的金屬管外表面，用來防止水或其它腐蝕物侵入，從而做金屬管免受腐蝕損害。在管道安裝以后，這一樹脂質(zhì)層對維持管道的完整性無比重要。但在運輸和安裝的過程中，管子和防腐層都有可能受到損傷，例如艇和運輸過程中的5掛童,施工過程中周圍的巖石落下弓胞的機Mf員傷、碰撞和磨損，為了防止這種潛在的損傷情況，一般現(xiàn)行的施工方式都是采用細土回填的方式，即在管溝內(nèi)事先墊上一層沙土，然后將管道小心地放置到管溝中，再在整個管身上面覆蓋沙子，這種沙子的顆粒細小，覆蓋厚度大約超過30cm，有了這層沙土保護之后，就可以裝填本地材料去恢復(fù)場地，特別是在多石地區(qū)，細土回填方法需要運輸大量的沙子去包埋管道，價格高昂和耗費大量的工時。因此如果在管道防腐層外部再涂覆一層堅硬的水泥保護涂層或其它適當(dāng)?shù)耐獠客繉硬牧希瑒t可以對管道實現(xiàn)一種額外的保護，甚至是一種永久性的保護，同時又可以大大地降低施工的成本。但一般的水泥涂層呈現(xiàn)脆性，抗碰撞3雖低，同時施工的過程中管道往往需要現(xiàn)場彎曲，典型的彎曲程度為1.5°/管直徑。一般脆性的水泥涂層在管道彎曲時會和脫落，而失去對管道f跌的作用，因此我們需要一種可彎曲的水泥保護涂層。美國專利號4，611，635中HaroldF.Jarvis和專利號4，759，390中HaroldF.Jarvis及FrederickS.Gelfant描述了這種在管道應(yīng)用中可用于金屬管的水泥保護涂層。無論是用美國專利號4，611，635還是4，759,390中描述的涂層材料，為了增加涂層抗張3艘和可彎曲性，提離刃性和抗碰撞特性并抑制破裂，它采用多層結(jié)構(gòu)水泥和沙石內(nèi)層，鋼絲網(wǎng)加強層，水泥和沙石外層，最后再加聚乙烯，層。在美國專利號4，544,426中JamesL.Stockman，專利號4,785,854中HaroldF.Jarvis和FrederickS.Gelfant描述了為金屬管細這種結(jié)構(gòu)配置的制造過程，如其,，這種復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)纟歐佳加工。管道的7K泥涂層最先用在海洋油氣管道的配重方面，加拿大專利號959，744和1，076,343明確地涉及到了這種應(yīng)用。然而，由于這種涂層具有較高的脆性，應(yīng)用于陸地受到限制，同時它也是采用鋼絲網(wǎng)加強的分層結(jié)構(gòu)，制備工藝復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針x訴見有技術(shù)存在的不足，提供一種具有超sto性和應(yīng)變^硬化特性的纖維增強M性基復(fù)合材料涂層；本發(fā)明的目的還在于提供戶;M涂層的涂覆方法；本發(fā)明的目的還在于Jit共戶;M方法涂覆而成的管道。本發(fā)明的纖維增強型脆性基復(fù)合材料涂層具有超辭刃性和應(yīng)變L硬化特性，最大的拉伸形變量高于4%，比傳統(tǒng)的水泥混凝土材料大400倍；以水泥基材料、惰性±真料、增強纖維、水和化學(xué)添加劑為原料，其中，水泥基材料為水泥及硅土沙子或依靠水硬型機制硬化的復(fù)合物；水泥、硅土沙子、惰性填料、水、化學(xué)添加劑的重量比為l:0.52.0:L21.5:0.50.8:0.010.03，上述原料混合后的總體積與增強纖維的體積比為1:0.010.04。所述惰性i真料包ffi^然沙土、金屬礦沙、用于混〗肚配重層的粉末、工業(yè)廢料、碳粉中的一種或多種。所述增強纖維包括金屬纖維、聚合物纖維、無機纖維、天然纖維，或經(jīng)過表面改性處理過的纖維的一種或多種。所述化學(xué)添加劑包括穩(wěn)定齊U(stabilizingadmixtures)、衍生混合物(derivatizedcelluloses)、超塑性材料(superplasticizers)和減^R劑中的一種或多種。本發(fā)明的涂層的涂覆方、跑括下列步驟如圖(3)，在管體1和塑性薄板4之間注入流動狀纖維增強型脆性基復(fù)合材料3;閉^鏈模板6，使圓弧模板5壓迫塑性薄板4，在管道周圍形成涂層；管道涂層頂部增加一層復(fù)合材料層，內(nèi)置一個塑l^套7，形m道；復(fù)合材料層硬化后，打開圓弧模板5和塑性薄板4，移出涂層管。本發(fā)明的涂層的第二種涂覆方飽括下列步驟如圖(4)在半圓管槽8及l(fā)/4圓弧l鎌9形成的槽中注入流動狀纖維增強型脆性基復(fù)合材料3;將管體1置入槽內(nèi)，合上兩塊1/4圓弧模板9，形成涂層。本發(fā)明的涂層的第三種涂覆方、M括下列步驟如圖(5)，纖維增強型脆性基復(fù)合材料3沉淀到薄膜帶10，調(diào)節(jié)軋輥11控制薄膜帶和復(fù)合材料纟賊的帶狀物的厚度;管體1繞自身縱軸旋轉(zhuǎn)，使帶狀物包繞在管體1夕卜表面周圍。本發(fā)明的涂層的第四種涂覆方、跑括下歹陟驟如圖(6)，采用噴射或擠壓的方式將纖維增強型脆性基復(fù)合材料3沉積在管體1表面上；管體1繞自身縱軸旋轉(zhuǎn)，薄膜帶10包繞在纖維增強型脆性基復(fù)合材料3外表面。本發(fā)明的涂層的第五種涂覆方、^fe括下列步驟如圖(7)，采用噴射或擠壓的方式將纖維增強型脆性基復(fù)合材料3沉積在管體1表面上；管體l繞自身縱軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)車L輥11控制纖維增強型脆性基復(fù)合材料3的厚度，用光學(xué)相機12監(jiān)領(lǐng)撮終涂層的厚度和質(zhì)量。本發(fā)明的涂層的第7^巾涂覆方^括下列步驟如圖(8)，在鑄造套13內(nèi)填充纖維增強型脆性基復(fù)合材料3;固定管體l，將鑄造套13沿著管體1的縱向移動，在管體l表面形成涂層。本發(fā)明的一種用纖維增強型脆性基復(fù)合材料涂層涂覆的管道，可采用上述任何一種涂層的涂覆方法得到。所述管道由管體、粘附在管體表面的防腐材料層和包圍在防腐材料層表面的纖維增強型脆性基復(fù)合材料層構(gòu)成，或由管體和粘附在管體表面的纖維增強型脆性基復(fù)合材料層構(gòu)成；其中所述管體是金屬或合金或非金屬，管壁可以等厚或不等厚。在纖維增強型脆性基復(fù)合材M^層結(jié)構(gòu)內(nèi)部或外部有一條或多條附加通道，用來放置電纜、光纜、或分布式光纖傳感器。管道的可彎曲程度超過1.5°/管直徑的永久性形變，影卜層的纖維增強型脆性基復(fù)合材料不會產(chǎn)生開裂鄉(xiāng)落。與現(xiàn)有技斜目比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果-1.本發(fā)明的涂層具有潛在的本質(zhì)高強度，抗沖擊，耐磨損和可彎曲的特性，各項物理指標(biāo)包括機械強度，抗沖擊強度，拉伸延展性，可彎曲禾號，涂層厚度和材料密度等都大大優(yōu)于采用鋼絲網(wǎng)加強層形成的多層結(jié)構(gòu)混凝土材f4^層的指標(biāo)。同時這種各向同性和單層結(jié)構(gòu)的涂層的制備工藝相對于多層結(jié)構(gòu)來得簡單多,省料，適合于各種連續(xù)和非連續(xù)的制備方法。2.本發(fā)明的涂層可以采用低密度的脆性基材料和更薄的涂層結(jié)構(gòu)，便于對管道的運輸、施工和維護，并減小材料用量和降低制造成本。對于管道配重涂層的應(yīng)用，涂層則可按高密度的材料(例如金屬礦沙)來隨。3.本發(fā)明的涂層可以直接涂覆在各種具有或不具有防腐層的金屬管道，或本身不會腐蝕但需要做的管道外部，比如由塑料、有機物或其它材料組成的管體，以達到微管體或防腐層本身，或增加管道機械強度和提高耐高壓特性，或減少管體材料的厚度等目的。4.本發(fā)明可以很容易地在制備管道復(fù)合材料涂層保護涂層的頂部或側(cè)面附加制備一路由同樣材料組成的通道，用來方便地安放或鋪設(shè)電纜，光纜或分布式光纖傳感器，日后在管道運行過程中起到實時監(jiān)測的作用。圖1(a)為本發(fā)明的纖維增強型脆性基復(fù)合材料涂層材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。圖l(b)為本發(fā)明的纖維增強型脆性基復(fù)合材料涂層材料(ECC)，常規(guī)纖維增強混凝土材料(FRC)和普通混lfct材料(Concrete)的應(yīng)力應(yīng)變曲線的比較。圖2為本發(fā)明中涂層管的三種外型結(jié)構(gòu)，包括附加的通道。圖3為制備本發(fā)明涂層的第一種管道涂覆方法的設(shè)備機構(gòu)的前期加工和后期加工的正視圖。圖4為制備本發(fā)明涂層的第二種管道涂覆方法的設(shè)備機構(gòu)加工過程的正視圖。圖5為制備本發(fā)明涂層的第三種管道涂覆方法的設(shè)備機構(gòu)加工過程的立體圖。圖6為制備本發(fā)明涂層的第四種管道涂覆方法的設(shè)備機構(gòu)加工過程的立體圖。圖7為制備本發(fā)明涂層的第五種管道涂覆方法的設(shè)備機構(gòu)的正視圖和立體圖。.圖8為制備本發(fā)明涂層的第六種管道涂覆方法的設(shè)備機構(gòu)的立體圖。具體實式實施例l:纖維增強型脆性基復(fù)合材料組成成分及配比。纖維增強MDI性基復(fù)合材料按以下配比普通I號波^7K泥重量為1單位，fet沙子、粉煤灰、水和減水劑相對7jC泥的重量比分別為0.5:1.2:0.5:0.01;聚乙烯醇纖維相對上述原料混合后的總體積比為o.oi。實施例2:纖維增強型脆性基復(fù)合材料組成成分及配比。纖維增強型脆性基復(fù)合材料按以下配比普通I號波蘭水泥重量為1單位，硅土沙子、鐵礦沙、7j^口M7jC齊湘對水泥的重量比分別為0.8:1.5:0.8:0.03;鋼絲纖維相對戰(zhàn)原料混合后的總體積比為0.02。實施例3:纖維增強型脆性基復(fù)合材料組成成分及配比。纖維增強ME性基復(fù)合材料按以下配比普通I號波蘭7jC泥重量為l單位，硅土沙子、碳粉、水和M7K劑相對水泥的驢比分別為2.0:1.4:0.6:0.02;玻璃纖維相對上述原料混合后的總體積比為0.04。實施例4:比較本發(fā)明的復(fù)合材料涂層與采用普通的鋼絲網(wǎng)加強三層結(jié)構(gòu)源fch涂層的相^tl理性能的測試值和性能。纖維增強MM生基復(fù)合材料按以下配比普通I號波蘭水泥重量為1單位，lfch沙子、粉煤灰、水和減水劑相X才7jC泥的重量比分別為0.9:1.4:0.6:0.02;聚乙烯醇纖維相對上述原料混合后的總體積比為0.03。在半圓管槽8及1/4圓弧模板9形成的槽中注入流動狀纖維增強型脆性基復(fù)合材料3;再將管體l置入槽內(nèi)，合上兩塊l/4圓弧模板9，形成涂層。對該涂層與采用普通的鋼絲網(wǎng)加強的混凝土管道涂層(外加lmm厚的聚乙烯包艱)的主要性倉繼行測試，表1是按本發(fā)明制備的纖維增強型脆性基復(fù)合管道涂層主要性能的測試結(jié)果。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由表l數(shù)據(jù)可見，按本發(fā)明制備的纖維增強型脆性基復(fù)合管道涂層的厚度是普通的鋼絲網(wǎng)加強的混Mi:，涂層(外加l咖厚的聚乙烯包裹層)厚度的一半，但它的抗沖擊,抗磨損強度,可延展性和可彎曲度的性育腿優(yōu)于普通的混凝土管道涂層。實施例5:圖1為本發(fā)明中的纖維增強鵬性基復(fù)合材茅縣層材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，具體體現(xiàn)了本發(fā)明中纖維增強型脆性基復(fù)合材料拉伸應(yīng)變硬化的行為,非開裂拉伸形變量高于4%，而普通的混fch材料(Concrete)是脆性的，非開裂最大拉伸形變量小于0.01%，常規(guī)的纖維增強源肚材料(FRC)呈現(xiàn)準(zhǔn)脆性和拉伸應(yīng)變軟化的特性，非開裂最大拉伸形變量小于O.5%。實施例6:圖2為本發(fā)明中涂層管的三種外型結(jié)構(gòu)圖2a均勻等厚，該管道只包括管體和粘附在管體表面的纖維增強型脆性基復(fù)合材料層。圖2b包括附加的通置(閉合式)，圖2c包括附加的通道(開發(fā)式)，涂層管道由管體l、防腐聚合材料層2、纖維增強型脆性基復(fù)合材料涂層3構(gòu)成；涂層3結(jié)構(gòu)內(nèi)部有一條附力啲鵬4，用來安放電纜、光纜或分布式光纖傳麟，但這條通道不是必須的。圖2a為本發(fā)明有可能這樣加工在復(fù)合材料涂層結(jié)構(gòu)中不含有附加通道，圖2b和圖2c為本發(fā)明也可以這樣加工在復(fù)合材料涂層結(jié)構(gòu)中含有一條的附加鵬，分別為閉合式和開發(fā)式。實施例7:圖3為本發(fā)明涂層的第一種管道涂覆方法的設(shè)備機構(gòu)的前期加工和后期加工的正視圖。圖3a為本發(fā)明涂層管道涂覆的第一種方法的設(shè)備機構(gòu)的前期加工的正視圖。圖3b為本發(fā)明涂層管道涂覆的第一種方法的設(shè)備機構(gòu)的后期加工的正視圖。涂覆方法按下歹陟5驗行在管體l和內(nèi)襯塑性薄板4之間注入流動狀纖維增強ME性基復(fù)合材料3;閉，^^莫板6，使圓弧模板5壓迫塑性薄板4，在管道周圍形成涂層；管道涂層頂部增加一條復(fù)合材料層，內(nèi)置一個塑料護套7，形成通道；復(fù)合材料層硬化后，打開圓弧模板5和塑性薄板4，移出涂層管。實施例8:圖4為本發(fā)明涂層的第二種管道涂覆方法的設(shè)備機構(gòu)加工過程的正視圖，所述涂覆方法按下列步驟進行在半圓管槽8及1/4圓弧模板9形成的槽中注入流動狀纖維增強型脆性基復(fù)合材料3;將管體l置入槽內(nèi)，合上兩塊l/4圓弧模板9，形成涂層。實施例9:圖5為本發(fā)明涂層的第三種管道涂覆方法的設(shè)備機構(gòu)加工過程的正視圖，所述涂覆方法按下列步M行纖維增強,性基復(fù)合材料3沉淀到薄膜帶10，調(diào)節(jié)軋輥ll控制薄膜帶和復(fù)合材料組成的帶狀物的厚度；管體l繞自身縱軸旋轉(zhuǎn)，使帶狀物包繞在管體l外表面周圍。實施例10:圖6為本發(fā)明涂層的第四種管道涂覆方法的設(shè)備機構(gòu)加工過程的正視圖，所述涂覆方法按下列步驟進行采用噴射或擠壓的方式將纖維增強Mlt性基復(fù)合材料3沉積在管體1表面上，管體l繞自身縱軸旋轉(zhuǎn)，薄膜帶10包繞在纖維增強型脆性基復(fù)合材料3外表面。實施例11:圖7為本發(fā)明涂層的第五種管道涂覆方法的設(shè)備機構(gòu)的正視圖和立體圖。圖7a為本發(fā)明涂層的第五種管道涂覆方法的設(shè)備機構(gòu)的正視圖。圖7b為本發(fā)明涂層第五種管道涂覆方法的設(shè)備機構(gòu)的立體圖。該方法按下列步驟進行采用噴射或擠壓的方式將纖維增強型脆性基復(fù)合材料3沉積在管體1表面上；管體l繞自身縱軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)車L輥11控制纖維增強型脆性基復(fù)合材料3的厚度，用光學(xué)相機12監(jiān)測最終涂層的厚度和質(zhì)量。實施例12:圖8為本發(fā)明涂層的第六種管道涂覆方法的設(shè)備機構(gòu)的立體圖。所述涂覆方法按下列步驟進行在鑄造套13內(nèi)填充纖維增強型脆性基復(fù)合材料3;固定管體(l)，將鑄造套13沿著管體1的縱向移動，在管體1表面形成涂層。權(quán)利要求1、一種纖維增強型脆性基復(fù)合材料涂層，其特征在于以水泥基材料、惰性填料、增強纖維、水和化學(xué)添加劑為原料制成，其中，水泥基材料為水泥及硅土沙子或依靠水硬型機制硬化的復(fù)合物；水泥、硅土沙子、惰性填料、水、化學(xué)添加劑的重量比為1∶0.5～2.0∶1.2～1.5∶0.5～0.8∶0.01～0.03，上述原料混合后的總體積與增強纖維的體積比為1∶0.01～0.04。2、根據(jù)權(quán)利要求l戶腿涂層，其特征在于，戶脫惰性填料包括天然沙土、金屬礦沙、用于混凝土配MM的粉末、工業(yè)廢料、碳粉中的一種或多種。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述涂層，其特征在于，所述增強纖維包括金屬纖維、聚合物纖維、無機纖維、天然纖維或經(jīng)過表面涂層改性纖維中的一種或多種。4、根據(jù)權(quán)利要求l戶皿涂層，其特征在于，皿化學(xué)添加劑包括穩(wěn)定劑、衍生混合物、超塑性材料和減水劑的中一種或多種。5、權(quán)利要求1-4之一戶7M涂層的涂覆方法，其特征在于包括如下步驟第一步在管體(1)和塑性薄板(4)之間注入流動狀纖維增強型脆性基復(fù)合材料(3);第二步閉賴掛鎌(6)，使圓弧模板(5)壓迫塑性薄板(4)，在管道周圍形成涂層；第三步^tit涂層頂部增加一層復(fù)合材料層，內(nèi)置一個塑料護套(7)，形成一條附加M;第四步復(fù)合材料層硬化后，打開圓弧模板(5)和塑性薄板(4)，移出涂層管。6、權(quán)利夢求l-4之一臓涂層的涂覆方法，其特征在于包括如下步驟第一步在半圓管槽(8)及1/4圓弧模板(9)形成的槽中注入流動狀纖維增強型脆性基復(fù)合材料(3);第二步將管體(1)置入槽內(nèi)，合上兩±央1/4圓弧模板(9)，形成涂層。7、權(quán)禾腰求1-4之一臓涂層的涂覆方法，其特征在于包括如下步驟第一步纖維增強型脆性基復(fù)合材料(3)沉淀到薄膜帶(10)，調(diào)節(jié)軋輥(11)控制薄膜帶和復(fù)合材料組成的帶狀物的厚度；第二步管體(1)繞自身縱軸旋轉(zhuǎn)，使帶狀物包繞在管體(1)外表面周圍。8、權(quán)禾腰求1-4之一戶腿涂層的涂覆方法，其特征在于包括如下步驟第一步采用噴射或擠壓的方式將纖維增強M性基復(fù)合材料(3)沉積在管體(1)表面上;第二步管體(1)繞自身縱軸旋轉(zhuǎn)，薄膜帶(10)包繞在纖維增強型脆性基復(fù)合材料(3)外表面。9、權(quán)利要求l-4之一m涂層的涂覆方法，其特征在于包括如下步驟第一步采用噴射或擠壓的方式將纖維增強型脆性基復(fù)合材料(3)沉積在管體(1)表面上;第二步管體(1)繞自身縱軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)軋輥(11)控制纖維增強型脆性基復(fù)合材料(3)的厚度，用光學(xué)相機(12)監(jiān)領(lǐng)撮終涂層的厚度和質(zhì)量。10、權(quán)利要求l-4之一所述涂層的涂覆方法，其特征在于包括如下步驟第一步在鑄造套(13)內(nèi)i真充纖維增強型脆性基復(fù)合材料(3);第二步固定管體(1)，將鑄造套(13)沿著管體(1)的縱向移動，在管體(1)表面形成涂層。11、一種采用權(quán)利要求5-10之一的方法得到的纖維增強型脆性基復(fù)合材料涂層涂覆的管道，其特征在于由管體、粘附在管體表面的防腐材料層和包圍在防腐材料層表面的纖維增強型脆性基復(fù)合材料層構(gòu)成，或管體和粘附在管體表面的纖維增強MDt性基復(fù)合材料層構(gòu)成。12、一種采用權(quán)利要求5-10之一的方法得到的纖維增強型脆性基復(fù)合材料涂層涂覆的管道，其特征在于在纖維增強型脆性基復(fù)合材料涂層結(jié)構(gòu)內(nèi)部或外部有一條或多條附嗵道，用來放置電纜、光纜或分布式光纖傳繊。全文摘要本發(fā)明涉及一種纖維增強型脆性基復(fù)合材料管道涂層及其制備方法以及用該方法涂覆的管道，所述涂層以水泥基材料、惰性填料、增強纖維、水和化學(xué)添加劑為原料制成；得到的管道由管體、粘附在管體表面的防腐材料層和包圍在防腐材料層表面的纖維增強型脆性基復(fù)合材料層構(gòu)成，或管體和粘附在管體表面的纖維增強型脆性基復(fù)合材料層構(gòu)成。這種管道涂層各向同性、拉伸應(yīng)變硬化、抗沖擊、抗磨損和可彎曲；可用于保護管道本身和管壁外的防腐層不受損傷，增加管道本身的機械強度，減少管道主體材料的壁厚或作管道水泥配重；涂覆的管道可彎曲程度可超過1.5°/管直徑的永久性形變，最外層的涂層不會產(chǎn)生開裂或脫落。文檔編號F16L9/18GK101113800SQ200710142709公開日2008年1月30日申請日期2007年8月15日優(yōu)先權(quán)日2007年8月15日發(fā)明者杜衛(wèi)沖,維克托·李,邁克爾·奈派克申請人:微觀工程復(fù)合材料技術(shù)公司